城市森林凈化大氣顆粒物污染作用研究進(jìn)展*

謝麗宏黃芳芳甘先華溫小瑩黃鈺輝

(1.廣東省新豐江林業(yè)管理局，廣東 河源 517527；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520)

城市森林凈化大氣顆粒物污染作用研究進(jìn)展*

謝麗宏1黃芳芳2甘先華2溫小瑩2黃鈺輝2

(1.廣東省新豐江林業(yè)管理局，廣東 河源 517527；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520)

粉塵顆粒物污染，尤其是PM2.5污染，是我國大氣污染的主要問題。城市森林和綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)中具有自凈功能的重要組成部分，利用城市森林和綠地治理大氣顆粒物污染受到越來越多的關(guān)注，并具有良好的應(yīng)用前景。文章概述我國粉塵顆粒物污染狀況，并總結(jié)了植物凈化大氣污染研究概況，從4個角度總結(jié)目前城市森林與PM2.5的關(guān)系研究，包括森林對顆粒物吸附機(jī)制、PM2.5對植物的危害影響、不同尺度下植被移除PM2.5的效果比較以及影響吸附過程的其他因素，提出了今后研究的可能發(fā)展方向，包括擴(kuò)大研究樹種的范圍、針對研究不同樹種特異性吸附偏好及加強(qiáng)各尺度研究的結(jié)合等，以更有效地應(yīng)用城市森林進(jìn)行大氣污染修復(fù)。

PM2.5；大氣污染；大氣顆粒物；城市森林；凈化；樹種

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化、工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，以資源消耗為主的粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式帶來高強(qiáng)度污染排放，我國各地特別是東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)環(huán)境問題集中爆發(fā)，大氣污染呈現(xiàn)出煤煙型與機(jī)動車污染共存的復(fù)合污染，顆粒物為主要污染物，霧霾和光化學(xué)煙霧事件頻繁發(fā)生、NO2濃度居高不下，酸沉降轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩嵝秃拖跛嵝偷膹?fù)合污染，區(qū)域性的二次性大氣污染愈加明顯，大氣污染問題非常突出[1]。從源頭減少污染物的排放量是目前控制大氣污染的主要手段，包括物理手段（如利用靜電除塵和袋式除塵技術(shù)治理粉塵顆粒物污染）和化學(xué)手段（如利用脫硫脫硝技術(shù)減少SO2和NO2污染）。盡管這些手段能降低廢氣中的大氣污染物含量，但也存在不少缺點，如投入成本高、容易造成二次污染等，且這些手段并不適用于已受污染的大氣。與傳統(tǒng)的源頭治理手段相比，植物修復(fù)（phytoremediation）以太陽能為動力，利用植物的同化或超同化功能凈化污染大氣，是一種經(jīng)濟(jì)、有效、非破壞型的大氣污 染修復(fù)方式，并具有成本低、操作簡便等特點，是易被社會公眾和政府管理機(jī)構(gòu)接受的有潛力的修復(fù)工程技術(shù)[2-3]。此外，大氣污染物是伴隨人類活動而產(chǎn)生的，而這些人類活動又是必須進(jìn)行的，要從源頭上消除各類大氣污染物的產(chǎn)生是不切實際的，尤其不符合我國目前的國情。因此，利用城市森林進(jìn)行植物修復(fù)、控制大氣污染對于發(fā)展中國家而言尤為重要。

1 粉塵顆粒物污染現(xiàn)狀及危害

粉塵顆粒物污染是我國大氣污染的主要問題。一般按顆粒污染物的空氣動力學(xué)等效粒徑將其分為總懸浮顆粒物TSP（粒徑≤ 100 μm）、粗顆粒物PM10（2.5＜ 粒徑≤ 10.0 μm）、細(xì)顆粒物PM2.5（1＜ 粒徑≤ 2.5 μm）及超細(xì)顆粒物 PM1（≤1 μm）等類型[4]。顆粒物主要組成成分是硫酸鹽、硝酸鹽、氨、氯化鈉、黑碳、礦物粉塵和水，包括懸浮在空氣中的有機(jī)和無機(jī)物的固體和液體復(fù)雜混合物。據(jù)20 15年國家環(huán)保部發(fā)布的環(huán)境統(tǒng)計公報顯示，全國廢氣中煙（粉）塵排放量為1 538.0萬t，其中工業(yè)煙（粉）塵排放量為1 232.6萬t、城鎮(zhèn)生活煙塵排放量為249.7萬t、機(jī)動車煙（粉）塵排放量為55.5萬t[5]?？梢姡I(yè)排放是粉塵顆粒物的主要來源。世界衛(wèi)生組織指出，粉塵顆粒物對人體健康的影響要大于其他任何污染物。其中對人體健康損害最大的是直徑10 μm或更小的顆粒物（≤PM10），這類顆粒物能滲透并深度嵌入肺部，長期暴露于這些顆粒物中可能導(dǎo)致人們罹患心血管和呼吸道疾病。尤其是PM2.5中常含有高毒性的多環(huán)芳烴（PAHs）、二噁英（PCDD/Fs）、多氯聯(lián)苯（PCBs）和重金屬，對人體危害性更大[4]。同時，PM2.5因其粒徑小、質(zhì)量小，在大氣中的滯留時間長，是霧霾天氣形成的最主要因素[6]。

根據(jù)我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）》規(guī)定，Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)中PM10的年平均濃度應(yīng)不超過40 μg/m3，Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)不超過70 μg/m3；Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)中PM2.5的年平均濃度應(yīng)不超過15 μg/m3，Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)不超過35 μg/m[7]。2015年中國環(huán)境狀況公報顯示，PM10年均濃度范圍為24～357 μg/m3，平均為87 μg/m3（超過Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)24%），達(dá)標(biāo)城市比例為34.6%，未達(dá)標(biāo)城市中有5%的城市PM10年均值高于150 μg/m3；PM2.5年均濃度范圍為11～125 μg/m3，平均為50 μg/m3（超過國家Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)30%），達(dá)標(biāo)城市比例僅為22.5%，有13.3%的城市年均值超過70 μg/m3，而僅有0.6%的城市達(dá)到國家Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)[8]。PM2.5污染也是目前我國大氣顆粒物污染中最嚴(yán)重、最受公眾關(guān)注的問題。

需要指出的是，我國目前對PM10和PM2.5濃度限值執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為世界衛(wèi)生組織《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》中的過渡時期目標(biāo)-1，即最低標(biāo)準(zhǔn)，該目標(biāo)與準(zhǔn)則值PM10年均值20 μg/m3、PM2.5年均值10 μg/m3相比，仍然存在較大差距，可見我國治理大氣顆粒物污染的任務(wù)仍非常艱巨。

2 植物對大氣污染的凈化作用

城市森林是城市生態(tài)系統(tǒng)中具有自凈功能的重要組成部分，在保護(hù)人體健康、調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、改善環(huán)境質(zhì)量和美化城市景觀起著重要作用。利用城市森林對大氣污染進(jìn)行修復(fù)受到越來越多的關(guān)注。研究表明，綠色植物在近地表大氣污染物的清除中起著主要作用[9-10]。除具有成本低、環(huán)保、美化環(huán)境等優(yōu)點外，還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。研究表明，北京市森林植被每年吸收二氧化硫物、氟化物、滯塵、殺菌、減噪的價值分別為351萬元、22萬元、455萬元、362萬元、37億元、24億元，凈化環(huán)境的總價值高達(dá)61億元[11]；Nowak等人[12]對美國連片的城市森林進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)，城市植被的大氣污染物年清除總量達(dá)71.1萬t，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)38億美元?？梢?，利用植物修復(fù)治理大氣污染具有良好的發(fā)展前景。

植物能否有效地修復(fù)大氣污染物和凈化大氣環(huán)境，受到如氣象學(xué)因素、空氣動力學(xué)因素、大氣顆粒濃度水平等諸多因素影響和限制。對于植物體本身而言，其生長階段、形態(tài)特性和生理生態(tài)特性均可能對修復(fù)凈化大氣污染物的能力產(chǎn)生影響。研究顯示，植物對大氣污染物的凈化作用具有特異性，即不同的植物種類之間的污染物吸收種類和吸收量存在一定差異[13-19]。因此，研究不同城市森林植物物種對大氣懸浮污染物的凈化特性，篩選對污染物耐受性強(qiáng)、去除率高、生物量大的種類，有助于構(gòu)建具有不同凈化目的的生態(tài)型功能植物組合，從而有效利用植物修復(fù)這一新型手段進(jìn)行大氣污染治理，對城市園林綠化、環(huán)境規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有直接的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

3 植被與PM2.5的關(guān)系

3.1 植被吸附PM2.5的作用過程及分子機(jī)制

PM2.5粒徑小，難以靠自身重力進(jìn)行沉降，因此湍流是PM2.5最主要的干沉降方式。植被移除PM2.5的方式主要包括直接和間接兩種[14]。直接方式主要指植物的葉片、枝干等暴露于大氣中的器官結(jié)構(gòu)對PM2.5的截留和吸收作用，包括滯留、附著和粘附等方式[20]。首先植物冠層對氣流進(jìn)行阻擋，降低局部風(fēng)速，使得空氣中攜帶的顆粒物下沉至葉片表面，同時枝葉間較強(qiáng)的湍流作用使得顆粒物與枝葉之間碰撞接觸幾率增加，從而增加其沉降速率[21]；其次，植物葉片和樹皮粗糙的表面結(jié)構(gòu)，如溝槽狀組織、纖毛、蠟質(zhì)層等，能夠截取和固定顆粒物，使其嵌入枝葉表面，沉積效果比較穩(wěn)定[22]；植物葉片表面的分泌物還可以粘附顆粒物，粘附滯塵的效果最穩(wěn)定，一般不易被雨水沖刷。間接方式主要指植被營造適宜PM2.5沉降的環(huán)境[23]。植被通過冠層遮陰作用和樹木蒸騰作用，降低大氣溫度，調(diào)節(jié)局部小氣候，增大空氣相對濕度，通過改變顆粒物的黏度和質(zhì)量，縮短其懸浮于大氣中的時間，從而加快沉降過程。此外，降低空氣溫度還能有效抑制顆粒物的化學(xué)反應(yīng)活動，減少次級污染物的產(chǎn)生。

PM2.5成分復(fù)雜，富集多種重金屬元素和有害物質(zhì)，而植物通過吸附PM2.5而吸附這些物質(zhì)。葉片上的PM2.5化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移主要體現(xiàn)為微量元素、重金屬、PAHs、鹽類離子和其他一些組分的轉(zhuǎn)移。這些物質(zhì)主要通過親水性通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，或通過親脂性通道富集在角質(zhì)層或表皮蠟質(zhì)層[24]。親水性通道包括兩種方式，一是顆粒物中的化學(xué)物質(zhì)通過氧化、風(fēng)化等反應(yīng)形成混合物，然后通過氣孔進(jìn)入質(zhì)外體；二是水溶性離子通過角質(zhì)層或氣孔直接進(jìn)入質(zhì)外體。這些物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后會參與植物體的新陳代謝或富集在某些部位[25]。

植物吸收顆粒物后會引起代謝過程中相關(guān)基因表達(dá)的變化。例如，季靜等[26]研究了玉米（Zea mays）吸收PM2.5等細(xì)微顆粒物的分子機(jī)制，在對植物體吸收空氣中的氮氧化合物后對其相關(guān)代謝途徑及基因表達(dá)的研究中發(fā)現(xiàn)，相比于親本，雜交F1代有6個基因在吸收氮氧化合物后相關(guān)代謝途徑上調(diào)，闡明了PM2.5顆粒物進(jìn)入植物體后影響基因表達(dá)的可能途徑。

3.2 PM2.5對植被的影響

3.2.1 沉積顆粒物的再釋放過程植物對PM2.5的滯留能力有一定極限，這與植物滯塵能力及大氣顆粒物濃度相關(guān)。當(dāng)超過植物滯塵極限時，滯塵效果會出現(xiàn)下降。一般而言，大部分吸附在植物枝葉表面的顆粒物都是通過滯留的方式，相比于附著和粘附，該方式的滯塵效果最不穩(wěn)定，當(dāng)遇風(fēng)速較大的天氣，這些顆粒物便很可能重新懸浮返回大氣當(dāng)中。而另一方面，降水過程則有助于沖刷滯留在葉片表面的顆粒物進(jìn)而進(jìn)入土壤，一部分顆粒物可能被植物體吸收并參與生長活動。因此，植物吸附顆粒物具有可塑性，即反復(fù)經(jīng)歷吸附—沖刷釋放—再吸附的過程。不同植物的最大滯塵量會因形態(tài)和葉片特性差異、氣象狀況差異而有所不同。例如，研究發(fā)現(xiàn)榕屬植物在自然狀態(tài)下20 d左右達(dá)到滯塵極限[27]，大葉黃楊（Buxus megistophylla）葉片約15 d達(dá)到飽和滯塵量[28]。

3.2.2 顆粒物對植物體的危害由于PM2.5中含有大量重金屬元素和有害物質(zhì)，當(dāng)這些顆粒長時間滯留在葉片表面或吸收至植物體內(nèi)超過閾值時，便很可能對植物體造成危害。例如，過多的沉積顆粒物會引起氣孔阻塞、光合作用能力下降等現(xiàn)象，進(jìn)而影響植物的正常生長。PM2.5對植物的損傷主要體現(xiàn)在失綠和壞死[23]。失綠指植物綠色部分的退化，是植物對大氣顆粒物污染最普遍的反應(yīng)，體現(xiàn)在葉片葉綠素含量下降，光合作用強(qiáng)度下降。壞死是顆粒物對植物體進(jìn)一步的危害，指的是植物體生理機(jī)能降低甚至消失的現(xiàn)象。物理表現(xiàn)為氣孔堵塞，氣體交換受阻；化學(xué)表現(xiàn)為植物體內(nèi)酶類受到不同程度的破壞，累積的重金屬破壞正常生理代謝，阻礙生長發(fā)育并加速植物體衰老。

3.3 不同尺度下不同植被移除PM2.5的效果比較

針對不同的林分組成、樹種和葉片結(jié)構(gòu)特性開展移除PM2.5的效果比較研究，是利用植物進(jìn)行大氣污染修復(fù)的前提和基礎(chǔ)。目前對PM2.5的研究主要集中于對其本身的分布特征、組成特征、來源及危害等方面，而對植被移除PM2.5的種間差異研究相對較少。

森林植被對PM2.5的作用研究主要以滯塵量為監(jiān)測指標(biāo)，從3個不同層次來開展：一是林分尺度（大尺度），比較不同類型森林和不同林分組合（如喬灌草不同組合）之間的顆粒物吸附能力差異；二是樹種尺度（中尺度），比較不同樹種之間的吸附能力差異，研究中常見的樹種以城市道路綠化樹種居多；三是葉片尺度（微觀尺度），比較具有不同結(jié)構(gòu)特性葉片的吸附能力差異，這是由于葉片是植物吸附顆粒物的主要器官，這類研究以電鏡觀察和重量法測定為主要研究手段。

3.3.1 林分尺度 森林、綠地的類型和結(jié)構(gòu)顯著影響大氣顆粒物的濃度和擴(kuò)散。高大喬木除具有茂密的林冠層和較大的葉面積外，還能夠產(chǎn)生更多的湍流，因此喬木層比灌草層植被具有更強(qiáng)的攔截氣態(tài)污染物和顆粒物的能力，眾多研究也得出森林具有良好滯塵作用的結(jié)論[29-30]。例如，阮氏清草[31]對5種常見的城市森林種類（闊葉林、針闊混交林、灌木林、針葉林、草地）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)5種植被類型對PM2.5的年均懸浮效率為針葉林＞混交林＞闊葉林＞灌木林＞草地。此外，復(fù)合林分類型如喬—灌型、灌—草型、喬—灌—草型和喬—草型的綠地削減顆粒物的能力要大于結(jié)構(gòu)單一、綠量較少的綠地，其中喬—灌—草型垂直結(jié)構(gòu)綠地滯塵效果最佳[32-34]，是較為理想的城市綠地類型。矮小的喬灌層植物盡管控制空氣中的懸浮顆粒能力有限，卻能有效降低灰塵降落地面后再次揚(yáng)起的可能性[9]，這可能是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合林分比單一結(jié)構(gòu)林分滯塵量更高的主要原因。研究還發(fā)現(xiàn)，針葉樹具有更密集更細(xì)的葉子和更復(fù)雜的枝莖結(jié)構(gòu)，因此比闊葉樹具有更強(qiáng)的滯塵能力[15,35-36]。

綠地凈化大氣顆粒物的作用受綠地本身結(jié)構(gòu)等眾多因素影響，如郁閉度、疏透度、冠層高度、株數(shù)密度、多樣性等[37]。Liu等[38]對北京10種人工森林類型的吸附能力與森林結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究表明，樹葉繁密的森林類型吸附空氣顆粒物效率最高，PM2.5濃度指數(shù)與林冠密度、葉面積指數(shù)、平均胸徑成正相關(guān)關(guān)系，與樹木平均高度、森林面積、草本覆蓋率和高度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。有研究認(rèn)為，綠地對大氣顆粒物的凈化效果與郁閉度呈正相關(guān)關(guān)系，與疏透度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，最佳郁閉度范圍是0.70～0.85，最佳疏透度范圍是0.25～0.33[39]。

目前林分尺度上的顆粒物消減效應(yīng)研究以林內(nèi)—林外（對照）、森林與污染源不同距離之間的對比研究為主要手段。

3.3.2 樹種尺度 樹種尺度上的研究著重比較不同樹種對顆粒物的吸附能力差異。不同樹種的形態(tài)特征、枝葉面積等存在很大的差異，以致對顆粒物的阻滯能力也可能存在較大差異。由于城市綠化通常以樹種為選定標(biāo)準(zhǔn)，因此在樹種尺度上研究植株顆粒物的滯留作用具有重要的實踐意義。

王兵等[40]以北京植物園10種常綠植物（油松Pinus tabuliformis、雪松Cedrus deodara、側(cè)柏Platycladus orientalis、紅松Pinus koraiensis、白皮松Pinus bungeana、冷杉Abies fabri、鋪地柏Juniperus procumbens、龍柏 Juniperus chinensis cv. kaizuka、紫矮杉Taxus wallichiana、粗榧Cephalotaxus sinensis）作為研究對象，測定植物葉片對空氣懸浮顆粒物的吸附能力，結(jié)果表明雪松和油松整體吸附能力最強(qiáng)，冷杉最弱；對不同粒徑的顆粒物吸附能力也存在差異，附著PM10能力較強(qiáng)的是油松和雪松，附著PM2.5能力較強(qiáng)的是雪松、鋪地柏、龍柏和油松，附著PM1能力最強(qiáng)的是雪松、鋪地柏、冷杉和油松。Hwang等[15]以日本赤松（Pinus densifiora）、東北紅豆杉（Taxus cuspidata）、美國梧桐（Platanus occidentalis）、櫸樹（Zelkova serrata）和銀杏（Ginkgo biloba）5種喬木樹種進(jìn)行氣室實驗，研究其對PM1和PM0.1的移除能力，結(jié)果表明針葉樹種的攔截能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于闊葉樹種，主脈明顯的美國梧桐和櫸樹的攔截效果優(yōu)于銀杏，同時美國梧桐由于葉子具有細(xì)密絨毛狀結(jié)構(gòu)，有助于顆粒物滯留，效果優(yōu)于櫸樹。與喬木樹種相比，目前對灌草植物的單木吸附研究較少。

樹種尺度上的影響因素主要為樹種形態(tài)，如植株的葉面積、葉傾角、枝葉密度、枝條伸展角度、冠層密度和葉面積指數(shù)[27,41]。例如，Jin等[41]研究城市道路樹木對PM2.5的調(diào)控作用，混合模型結(jié)果表明冠層密度、葉面積指數(shù)是指示PM2.5衰減系數(shù)的最佳指標(biāo)。

測定樹種吸附顆粒物能力的最佳方式是將植物整體放置在密閉氣室中，控制通入氣室中的顆粒物濃度，并檢測氣室出口處空氣的顆粒物濃度，從而獲取植物吸附顆粒物能力的信息。由于測定完整植株對顆粒物的阻截能力在實際操作中存在困難，因此，目前更為普遍的做法是收集不同樹種的生物樣本放置密閉氣室中進(jìn)行空間重組，并由此模擬推算植物體對顆粒物的吸附效果[23]。

3.3.3 葉片尺度 葉片尺度上的種間差異研究主要包括兩部分，一是通過采集不同樹種的葉片作為載體，分析不同葉片結(jié)構(gòu)特征對吸附顆粒物的影響；二是分析沉積在葉片上的顆粒物粒徑范圍、成分含量和來源種類，根據(jù)這些信息識別大氣顆粒物污染的排放源，進(jìn)行區(qū)域性PM2.5污染源解析。

葉片微結(jié)構(gòu)，如溝槽、葉脈、氣孔大小、葉面光滑程度等對吸附能力有很大影響。例如，劉璐等[42]以廣州市常見的18種行道樹為對象，比較了行道樹的葉表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、綠化樹種葉片的接觸角對滯塵能力的影響，結(jié)果表明，葉表面具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氣孔密度較大且氣孔開口較大（如芒果Mangifera indica）容易滯留粉塵；葉表面平滑具有蠟質(zhì)層，氣孔排列整齊，無明顯起伏（如紅花羊蹄甲Bauhinia blakeana、桃花心木Swietenia mahogani、大葉紫薇Lagerstroemia indica、鵝掌藤Schefflera arboricola），滯塵能力較弱，并認(rèn)為植物葉表面蠟質(zhì)含量和氣孔密度及其葉片接觸角的大小是影響植物葉片滯塵能力的主要因素。謝濱澤等[43]通過分析北京市20種常見闊葉綠化植物單位葉面積滯留顆粒物及其葉表面微結(jié)構(gòu)認(rèn)為，葉表面溝槽寬度的不同可能是不同植物滯留TSP和PM2.5量差異的主要原因，溝槽寬度過寬和過窄均不利于葉片捕集顆粒物，且顆粒物滯留量隨溝槽深度增加而增大；氣孔密度較大的葉片表面顆粒物滯留量較大。

植物葉片對不同粒徑的顆粒物吸附能力存在差異，一般來說吸附的顆粒物主要以細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物為主。例如，Wang等[44]對北京11種綠化樹種葉片表面顆粒物含量及其理化性質(zhì)進(jìn)行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PM10和PM2.5分別占顆粒物粒徑組成的98.4%和64.2%。劉玲等[45]對7種樹木的葉片微形態(tài)與空氣懸浮顆粒吸附特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)葉片面積小、表皮角質(zhì)豐富、無表皮毛阻擋、氣孔密、氣孔口大的樹木屬氣孔吸附主導(dǎo)型，主要吸附細(xì)顆粒物；表皮毛多的樹木屬表皮吸附主導(dǎo)型，主要吸附粗顆粒物。S?b?等[46]對歐洲常見22個喬木和25個灌木樹種的葉片表面顆粒物進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)不同樹種間的滯塵能力相差高達(dá)10～15倍，并認(rèn)為絨毛和蠟質(zhì)層是影響吸附能力的重要性狀。此外，植物葉片對不同類型顆粒物的吸附能力也存在顯著差異。例如，劉玲等[45]通過分析不同植物葉片積累重金屬特征發(fā)現(xiàn)，香樟（Cinnamomum camphora）、女貞（Ligustrum lucidum）、銀杏（Ginkgo biloba）、紅葉李（Prunus cerasifera）、桂花（Osmanthus fragrans）的葉片，累積鎘、鉻、銅、鎳、鋅這5種重金屬能力較強(qiáng)，懸鈴木（Platanus acerifolia）則對鉛累積較多。

不同地區(qū)由于污染源和污染程度不同，根據(jù)植物葉片的PM2.5數(shù)量及組成來識別大氣顆粒物污染的排放源，可進(jìn)行區(qū)域性PM2.5污染源解析。例如，石婕等[47]分析了北京市PM2.5濃度不同的兩個采樣點的毛白楊（Populus tomentosa）葉片表面顆粒物特性，發(fā)現(xiàn)森林公園樣品中PM2.5顆粒性質(zhì)比較單一，二者的主要來源均為天然源，如土壤揚(yáng)塵、礦物顆粒等；而西直門采樣點葉片樣品滯留的PM2.5顆粒的元素組成更為復(fù)雜，其中50%以上的硅鋁酸鹽顆粒檢測出了明顯的銅、鉀、氯、鈉等元素的譜峰，其來源主要是工業(yè)排放。

目前對于植物葉片滯塵量的測量方法主要包括：（1）重量測定法，即將葉片上的粉塵洗刷后用濾紙過濾并烘干，濾紙過濾前和烘干后的重量差為滯塵量；（2）利用多層濾膜過濾，將不同粒徑的顆粒物分離，再根據(jù)重量法測定不同粒徑顆粒物的含量比例；（3）掃描電鏡法，應(yīng)用掃描電鏡直接對植物葉片拍照，然后通過圖像分析軟件統(tǒng)計不同粒徑顆粒物的含量；（4）應(yīng)用粒度分析儀獲取顆粒物的切面直徑和粒徑分布等信息[20]。

3.4 影響PM2.5移除過程的其他因素

PM2.5等顆粒物的沉降和植被阻滯作用受外界條件，如氣象和空氣動力學(xué)因素影響較大。從大時間尺度來說，氣候變化會影響植物的物候和生長活力，進(jìn)而影響植物對PM2.5的吸附能力，即存在季節(jié)性。Toma?evi?等[48]在對微量金屬粒子的沉降研究中發(fā)現(xiàn)，9月份植物葉表面上積累的金屬含量比5、6月份時顯著增加。隨著植物進(jìn)入生長期，新葉增加，葉片生長，總體葉面積顯著增加，能更有效地阻滯顆粒物。葉綠素的形成使代謝活動明顯增強(qiáng)，增加了植物自身與外界的物質(zhì)能量交換，氣孔開放，增加了植物吸收顆粒物的機(jī)會。

從小時間尺度來說，氣溫、相對濕度、降水和風(fēng)向等是主要影響因素。例如，Cheng等[49]研究發(fā)現(xiàn)北京冬季PM2.5濃度與相對濕度存在顯著正相關(guān)關(guān)系，并且當(dāng)相對濕度增加時，顆粒物中水溶性成分，尤其是無機(jī)離子的濃度隨之增加。劉旭輝等[50]通過研究林帶對顆粒物的阻滯作用及其與氣象條件的關(guān)系，得出氣象要素影響顆粒物濃度的可能途徑：顆粒物濃度與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫升高，大氣垂直對流作用加劇，有利于顆粒物擴(kuò)散，因此濃度降低；另一方面氣溫升高植物光合作用增強(qiáng)，對顆粒物的吸附作用增大，因此氣溫升高林帶中顆粒物濃度降低速度最快；就相對濕度而言，在一定濕度范圍內(nèi)，相對濕度增加，細(xì)小顆粒物作為凝結(jié)核，發(fā)生凝聚，導(dǎo)致PM10和PM2.5濃度增加，當(dāng)相對濕度增大到一定程度時，濕沉降量增加，進(jìn)而顆粒物濃度下降；由于林帶內(nèi)濕度一般略高于林帶外，導(dǎo)致林帶內(nèi)顆粒物濃度隨相對濕度增加而升高最快。因此，在相對濕度較高的天氣，林內(nèi)往往具有比林外更高的顆粒物濃度。趙晨曦等[23]認(rèn)為，顆粒物的沉降主要受氣象條件和下墊面的粗糙度影響。溫暖、無風(fēng)、低濕性的環(huán)境最不利于顆粒物的沉降，而森林系統(tǒng)則有效避免該條件的形成。茂密林冠層和多層次結(jié)構(gòu)的綠色植被不僅能夠有效調(diào)節(jié)該地區(qū)的溫、濕度，而且能大幅增加地表的粗糙度，利于湍流的形成，從而加快PM2.5的沉降。

4 研究展望

從目前的研究可看出，城市森林對于PM2.5等顆粒物的阻滯吸附作用已被廣泛認(rèn)可，對吸附能力的種間差異也有一定研究，但從應(yīng)用層面而言，對植被吸附顆粒物的研究還有待完善：一、不同植物吸附PM2.5能力的種間差異的研究所篩選樹種有限，且多以喬木為主，未能涵蓋研究區(qū)域的代表樹種，今后可考慮擴(kuò)大物種研究范圍，兼顧滯塵功能及景觀美化功能，為城市綠地建設(shè)提供更有效、更多樣的樹種組合；二、由于PM2.5組分的復(fù)雜性，可加強(qiáng)研究樹種對不同化學(xué)組分的吸附偏好，有助于針對不同區(qū)域PM2.5組分的差異性選擇合適的樹種及植被類型；三、由于尺度（林分、樹種及葉片尺度）研究手段的差異，不同尺度下得出的結(jié)果可能也有所差異，應(yīng)加強(qiáng)各尺度研究的結(jié)合，并充分考慮所在區(qū)域的氣候氣象因素來篩選合適樹種。

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Research Progress on the Puri fi cation Effects of Urban Forest Vegetation on Atmospheric Particulate Pollution Matterr

XIE Lihong1HUANG Fangfang2GAN Xianhua2WEN Xiaoying2HUANG Yuhui2
(1. Xinfengjiang Forestry Management Bureau, Heyuan, Guangdong 517527, China; 2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture, Protection and Utilization/Guangdong Academy of Forestry, Guangzhou, Guangdong 510520, China)

Particulate pollution, especially the fine particulate matter (PM2.5), is the main problem of air pollution in China. Urban forest and green land are the important components of urban ecosystem with selfpurification function. The application of urban forest and green land on reducing atmospheric particulate pollution is attracting increasing attention, and has good prospects. This paper summarized the situation of particulate pollution in China, and the plant purification on atmospheric pollution. We summarized the relationship between urban forest and PM2.5from four perspectives, including the forest adsorption mechanism on particulate matter, the damage of PM2.5on plants, comparison of effects of vegetation removal of PM2.5at different scales, and other factors that affect the adsorption process. This paper puts forward the possible development directions of future researches, including expanding the scope of research tree species, studying the adsorption preference of different tree species, and combining researches of different scales, which might contribute to more effective application of urban forest on air pollution remediation.

PM2.5；atmospheric pollution；atmospheric particulate matter；urban forest；purification；tree species

X513，S718.51

A

2096-2053（2017）03-0096-08

林業(yè)科技創(chuàng)新平臺運(yùn)行補(bǔ)助項目“廣東南嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運(yùn)行補(bǔ)助”（2016-LYPT-DW-073）及“廣東東江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運(yùn)行補(bǔ)助” （2016-LYPT-DW-071）。

謝麗宏（1969— ），男，工程師，主要從事林業(yè)經(jīng)濟(jì)管理，E-mail：xfj8780136@163.com。

黃芳芳（1987— ），女，助理研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究，E-mail：hff120876158@hotmail.com。