防護(hù)林對PM2.5等顆粒物的阻滯吸附作用研究進(jìn)展

崔琳,王力剛,張玉柱，畢廣有

(黑龍江省森林與環(huán)境科學(xué)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

防護(hù)林對PM2.5等顆粒物的阻滯吸附作用研究進(jìn)展

崔琳,王力剛,張玉柱，畢廣有

(黑龍江省森林與環(huán)境科學(xué)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

隨著PM2.5等顆粒物污染問題越來越為人們關(guān)注，如何減輕其危害已經(jīng)成為亟待解決的問題。文章通過總結(jié)森林調(diào)控PM2.5等顆粒物的研究成果，重點(diǎn)闡述了防護(hù)林調(diào)控PM2.5的機(jī)理和阻滯吸附方式的研究狀況，以期為防護(hù)林阻滯吸附顆粒物的后續(xù)研究以及建設(shè)以吸附清除大氣污染物為目的的防護(hù)林體系提供參考。

防護(hù)林；PM2.5；阻滯吸附

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的極力推進(jìn)，使得環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。尤其近些年全國性的霧霾天氣，暴露了我國環(huán)境污染的嚴(yán)重程度和生態(tài)的極端脆弱性。霧霾天氣是多種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，其中PM2.5被認(rèn)為是導(dǎo)致霧霾天氣的“元兇”[1]。來源于自然和人為活動的PM2.5均能給人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量帶來多重危害，有效調(diào)控和消除顆粒物是現(xiàn)階段急需解決的重大問題。

防護(hù)林作為森林資源的重要組成部分，可阻滯吸附大氣顆粒物，滯留于樹木表面的顆粒物通過雨水進(jìn)入土壤并得到固定，降低空氣中PM2.5等顆粒物的濃度[2,3]。馬建民等人通過長期的數(shù)值模擬和觀測得出，相較于1982年，2010年三北防護(hù)林工程對SO2、NOX的吸附和清除作用增長了60%，對PM2.5的吸附和清除能力增加了30%，對PM2.5中的主要有毒物質(zhì)苯并芘的清除增加了50%。目前PM2.5的研究主要集中在來源、組成、危害、時(shí)空分布特征及監(jiān)測等方面，而關(guān)于森林對其調(diào)控的研究則是近幾年才剛剛起步，很多方面仍屬空白。

1 PM2.5概念及危害

PM2.5又稱為可入肺顆粒物，是大氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的顆粒物[4]。PM2.5的主要成分既包括有機(jī)碳、元素碳、硫酸鹽，也有如鈉、鎂、鈣、鎘、銅等金屬元素。其來源包含自然源和人為源，自然源主要是土壤揚(yáng)塵、植物花粉等；人為源包括各種燃料燃燒的固定源和交通工具運(yùn)行中排放的流動源兩種。已有研究表明大氣中PM2.5人為來源是自然來源的3.5倍。

PM2.5的危害可以分為三個(gè)方面。1)PM2.5等顆粒物對大氣能見度的影響。大氣中顆粒物濃度較高會阻礙光的發(fā)射，使光無法正常通過空氣照射到地面，降低了大氣能見度，大氣污染顆粒物對光的阻礙可使能見度最高減95%左右。2) 大氣顆粒物吸收和反射光信號，導(dǎo)致近地面溫度產(chǎn)生變化，影響正常氣候條件。3)顆粒物粒徑的大小決定了它進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)位置的不同，粒徑越小對人體造成的傷害就越大。PM2.5可以通過呼吸道直接進(jìn)入肺部，甚至超細(xì)顆粒還可進(jìn)入血液，進(jìn)一步對呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、血液系統(tǒng)造成傷害[5]。

2 森林植被調(diào)控PM2.5機(jī)理

森林生態(tài)系統(tǒng)通過吸附、吸收、固定、轉(zhuǎn)化等物理和生理生化過程實(shí)現(xiàn)對空氣顆粒污染物的消減[6]。

森林對顆粒物的調(diào)控機(jī)理主要有以下幾個(gè)過程：⒈減塵作用，森林植被利用覆蓋地表減少顆粒物的地表揚(yáng)塵，從根源上降低顆粒物的來源；⒉滯塵作用，植物葉片表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)中溝槽、葉脈、凸起可捕獲顆粒物，越密集粗糙度越大的結(jié)構(gòu)更易滯留大氣顆粒物；⒊吸塵作用，植物可以通過葉孔組織容存吸收顆粒物；⒋降塵作用，林內(nèi)可營造低風(fēng)速、低溫、高濕的空氣環(huán)境，利于大氣顆粒物沉降；⒌阻塵作用，樹木冠層可以影響氣流的流速和方向，進(jìn)而阻攔顆粒物進(jìn)入局部區(qū)域。

3 防護(hù)林對PM2.5的阻滯吸附

研究表明，相較于草本和灌木，喬木阻滯氣體污染物和顆粒污染物的能力更強(qiáng)。防護(hù)林體系作為具有目標(biāo)防護(hù)或直接防護(hù)功能的森林生態(tài)系統(tǒng)，在除塵和凈化空氣方面發(fā)揮著巨大的作用[7]。

3.1不同林分防護(hù)林對PM2.5的阻滯吸附

樹木冠層擁有是樹木本身近2～10倍的葉面積，而樹冠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致空氣端流運(yùn)動，增加了葉表面顆粒物的沉積，使其更有效地吸收大氣顆粒物[8]。不同林分防護(hù)林因植物個(gè)體的差異，對PM2.5等顆粒物的阻滯吸附能力也不同。已有研究表明，葉表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)影響對顆粒物的阻滯吸附，具有絨毛、黏性、粗糙表面的葉片比光滑葉片更易吸附顆粒物，對于相同葉片，上下表面滯留葉片滯留PM2.5的能力也有所差異，上表面比下表面更強(qiáng)，最大差異能達(dá)到5倍。針葉樹比闊葉樹有更小的葉子和更復(fù)雜的枝莖，能夠滯留更多的大氣顆粒物，同時(shí)也更容易吸附細(xì)小顆粒物，針葉樹中松屬的滯留吸附能力更強(qiáng)。基于不同樹種對大氣污染物的吸附和清除作用，以及對揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放作用的差異，防護(hù)林配置在樹種選擇上宜選擇耐旱、耐寒，既有利于吸附和清除大氣污染物，又能減少揮發(fā)性有機(jī)化合物生物排放的樹種。

3.2林帶對PM2.5的阻滯吸附

栽植滯塵能力和抗污能力強(qiáng)的樹種可有效防范顆粒物污染源對周圍空氣的污染。防護(hù)林帶在阻滯顆粒物的同時(shí)還能阻截交通噪聲，是道路兩旁常見的保護(hù)措施。林帶的結(jié)構(gòu)和寬度對消減PM2.5等空氣懸浮顆粒物的能力也有一定影響。不同配置結(jié)構(gòu)的防護(hù)林林帶對 PM2.5的消減作用表現(xiàn)為有正有負(fù)，林帶可以阻滯PM2.5進(jìn)入某一區(qū)域的過程，但過于密集的林帶也會出現(xiàn)PM2.5的積累。劉萌萌對奧林匹克公園道路防護(hù)林的研究結(jié)果表明，防護(hù)林帶阻滯吸附PM2.5等顆粒物的有效寬度為18～23 m。張志丹等人通過對北京市典型林帶調(diào)控PM2.5的研究提出了兩種林分配置模式：疏密搭配的針闊混交林的配置模式和多樹種混交全面控制模式[9]。

4 研究展望

防護(hù)林能夠阻滯過濾顆粒物、凈化空氣、增加森林覆蓋，被認(rèn)為是減輕PM2.5污染的重要方法。目前關(guān)于防護(hù)林對PM2.5的阻滯和吸收作用的研究都取得了一定進(jìn)展，內(nèi)容包括對一些樹種滯留大氣顆粒物的定性研究和葉片表面顆粒物滯納量的定量評估研究。但上述研究仍存在研究樹種單一，缺乏全面性準(zhǔn)確性，對滯納機(jī)制的研究較少等問題尚待加強(qiáng)。因此，需開展長期的防護(hù)林對PM2.5等顆粒物的調(diào)控的基礎(chǔ)性研究，擴(kuò)大樹種選擇范圍，確定森林削減大氣顆粒物的主要作用機(jī)理及過程，定量分析和評價(jià)防護(hù)林體系阻滯吸收PM2.5等顆粒物的功能和調(diào)控技術(shù)，以期為將來營建具有最佳滯塵效果的防護(hù)林體系提供一定的理論數(shù)據(jù)支持。

[1] 盧丹青.秦嶺北麓不同區(qū)域大氣顆粒物(PM2.5)的研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2015

[2] 劉萌萌.林帶對阻滯吸附PM_(2.5)等顆粒物的影響研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2014

[3] 侯貽菊,劉延惠,閆國華,等.城市森林對PM(2.5)的控制作用研究進(jìn)展[J].貴州林業(yè)科技,2016,44(4):49-54

[4] 吳海龍,余新曉,師忱,等.PM2.5特征及森林植被對其調(diào)控研究進(jìn)展[J].中國水土保持科學(xué),2012,10(6):116-122

[5] 李仁娜.北京市森林中PM_(2.5)水溶性無機(jī)離子沉降規(guī)律及影響因素研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2015

[6] 王成,郭二果,郄光發(fā).北京西山典型城市森林內(nèi)PM_(2.5)動態(tài)變化規(guī)律[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(19):5650-5658

[7] 肖以華,習(xí)丹,佟富春，等.廣州市城鄉(xiāng)梯度森林公園雨季空氣PM_(2.5)濃度及水溶性離子特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(10):2905-2911

[8] 汪永英,孫琪,李昭，等.典型天氣條件下哈爾濱城市森林不同林型對PM2.5的調(diào)控作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(5):175-179

[9] 張志丹.北京市典型林分對PM2.5等大氣顆粒物調(diào)控作用研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2016

1005-5215(2017)10-0089-02

2017-08-10

崔琳(1988-)，女，吉林人，碩士，工程師，現(xiàn)從事防護(hù)林研究.

S727.2

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.10.034