園林植物對大氣細(xì)顆粒物濃度的正負(fù)作用評價

李新宇，趙松婷，許 蕊，李延明

（北京市園林科學(xué)研究院/園林綠地生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點實驗室，北京100102）

0 引言

園林綠地對城市大氣環(huán)境中發(fā)揮雙重作用，既要評價城市園林植物對細(xì)顆粒物的吸附能力，又要定量分析其所釋放的VOCs 的量，因為VOCs 會作為重要的前體物參與生成SOA，因此綜合評價的研究結(jié)果有助于綠化樹種的合理選擇。國內(nèi)外在構(gòu)建模型評價植物消減細(xì)顆粒濃度的能力方面已有研究。國外學(xué)者主要通過結(jié)合場景對象的生態(tài)模型在城市尺度上進行城市樹木與草通過擴散和沉積減少PM2.5的效果模擬，估計城市樹木的空氣污染的去除能力[1-2]；或基于城市森林污染沉積速率、空氣污染排放和周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的大小和空間分布差異分析，利用模型研究PM2.5與林木冠層指標(biāo)的關(guān)系[3]。國內(nèi)學(xué)者基于不同尺度研究植物對PM2.5的削減及滯留影響，通過模型估算城市尺度林冠覆蓋面積上的PM2.5的年均削減量[4]；基于林帶對阻滯吸附PM2.5等顆粒物的影響研究，建立林帶阻滯吸附顆粒物有效寬度的模型[5]。但目前研究均未提及考慮植物釋放VOC對大氣顆粒物濃度的貢獻量，并作為一個影響因子參與計算。而植物會在生理過程中向大氣釋放出大量揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compound，VOCs)[6-9]，在一定的光照等氣象條件下，可通過參與光化學(xué)反應(yīng)，以前體物的形式對大氣中的臭氧(O3)和二次有機氣溶膠(secondary organic aerosol，SOA)的形成產(chǎn)生重要影響[10-11]，這會直接或間接影響氣候變化與大氣質(zhì)量，且影響大小通常與排放清單總量呈正相關(guān)關(guān)系[12-14]。針對于園林綠地對城市大氣環(huán)境中發(fā)揮的雙重作用，本研究在考慮園林植物對細(xì)顆粒物的滯留能力及植物釋放VOC 的前提下，構(gòu)建植物消減細(xì)顆粒物模型，分析評價植物種類差異對消減PM2.5污染的能力，以期為城市綠地功能優(yōu)化與提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

研究田間試驗于2016 年5—8 月在北京市園林科學(xué)研究院內(nèi)(116°27'52''E，39°58'31''N)進行，室內(nèi)試驗在北京市園林生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點實驗室及北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室進行。采樣點為人工種植植被區(qū)域，植被覆蓋度較高。

1.2 試驗材料

選擇北京市常用的15 種園林植物作為研究對象（表1），包括6 種落葉闊葉喬木、2 種常綠針葉喬木、3種落葉闊葉小喬木、4 種灌木（包括3 種落葉闊葉灌木和1種常綠闊葉灌木），每種植物分別選取3棵樹齡接近、生長良好、無病蟲害的健康成樹進行測量。

植物滯留PM2.5試驗采用干洗法稱重結(jié)合掃描電鏡觀測方法。對選好的樹種依據(jù)其自身特點從樹冠四周及上中下各部位均勻采集葉片30～300片，采集時選擇生長狀態(tài)良好且具有代表性的葉片，對每種樹種進行3 次重復(fù)采樣，并同時立即將葉片封存于干凈防塵盒內(nèi)以防擠壓或葉毛被破壞。一般認(rèn)為，15 mm 的降雨量就可以沖掉植物葉片的降塵，然后重新滯塵。根據(jù)北京市的降雨特點，于雨量大于15 mm 后7 天進行采樣。全年內(nèi)共采集到7天滯塵樣本3次。

表1 采樣基本信息

采用半靜態(tài)封閉式采樣法采集植被排放的VOCs樣品[15]。選擇風(fēng)速較低、空氣質(zhì)量較好、無降雨、溫度與光合有效輻射(PAR)接近標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度30℃，PAR1000 μmol/(m2·s)）的天氣進行測量采樣。每種樹分別采集3 個平行樣。采樣結(jié)束后，剪下所罩樹枝的所有樹葉，放置于密封袋中，帶回實驗室，測量其葉面積后置于烘箱中于70℃烘干48 h后稱重，記錄葉片干重。

1.3 試驗方法

1.3.1 園林植物對細(xì)顆粒物的滯留能力評價 利用一種植物滯留細(xì)顆粒物質(zhì)量的檢測方法（國家發(fā)明專利，授權(quán)申請?zhí)?01410398759.X），對選定園林植物滯留顆粒物尤其是細(xì)顆粒物PM2.5的能力進行定量計算。

1.3.2 植物夏季SOA 生成濃度估算 采用半靜態(tài)封閉式采樣裝置收集15 種北京常用園林植物的揮發(fā)性有機化合物并進行測定。采用低溫冷阱預(yù)濃縮和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Gas Chromatography-Mass Spectrometer/Flame Ionization Detector, GC-MS/FID)，分析植被排放樣品中的VOCs濃度和背景空氣樣品中的VOCs 濃度，使用的儀器為北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室自主研發(fā)、武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司生產(chǎn)的在線GCMS/FID系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)VOCs樣品的采集、預(yù)濃縮、在線分析、數(shù)據(jù)采集與處理。利用該系統(tǒng)對采集樣品植被排放VOCs 的主要類別組成與植被排放VOCs的物種濃度特征進行分析。

根據(jù)北京市夏季氣溶膠變化特征，使用國內(nèi)外研究中應(yīng)用較多的氣溶膠生成系數(shù)法，根據(jù)實測的VOCs 濃度，使用參數(shù)化的方法計算SOA 的生成量[16-17]。

1.3.3 單位葉面積植物消減顆粒物量(NLW2.5S)計算方法 式(1)中，NLW2.5S為植物單位葉面積真正消減PM2.5的質(zhì)量，LW2.5S為植物單位葉面積滯留PM2.5的質(zhì)量，SOA2.5S為植物單位葉面積生成二次有機氣溶膠的質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 園林植物單位葉面積PM2.5周滯留量比較

在植物滯塵量計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合電鏡觀測結(jié)果，計算得出單位葉面積滯留PM2.5的質(zhì)量。由圖1可以看出，不同植物之間滯留細(xì)顆粒物能力有很大的差異，單位面積PM2.5滯留量最多的元寶楓(0.606 g/m2)是單位面積PM2.5滯留量最少的七葉樹(0.044 g/m2)的13.8倍。

圖1 全部植物單位葉面積PM2.5滯留量比較

單位葉面積PM2.5滯留量較多的植物有元寶楓、大葉黃楊、胡枝子、錦帶花、櫻花，其單位葉面積PM2.5每周滯留量均在0.2 g/m2以上；較少的為黃櫨、旱柳、油松、七葉樹，其單位葉面積PM2.5滯留量均在0.1 g/m2以下。

2.2 植物夏季SOA生成濃度估算

參考北京市夏季植物二次有機氣溶膠SOA 生成潛勢估算值FAC，有31 種VOCs 會生成二次有機氣溶膠（表2[17]），其中α-蒎烯、β-蒎烯生成潛勢最高，達(dá)到30%。根據(jù)測定的植物釋放VOCs 種類的不同，計算15 種植物單位葉面積生成SOA 量（圖2a,2b,2c）。由于油松、黃櫨、圓柏等3 種植物釋放α-蒎烯的量較高，所以植物釋放VOCs 對SOA 的貢獻較高，大于0.1 g/(m2·周)。七葉樹、紫丁香、絳柳、旱柳、鉆石海棠等5 種植物釋放的VOCs 中也因含有一定量的α-蒎烯，對 SOA 的貢獻大于 0.001 g/(m2·周)。其他 7 種植物釋放的VOCs 中，除櫻花外，其余均不釋放α-蒎烯，對SOA的貢獻均較小。

表2 北京市夏季SOA生成潛勢估算

2.3 植物對PM2.5的消減量

根據(jù)單位葉面積植物消減顆粒物量計算方法，對比分析北京市15種喬灌木在夏季時對PM2.5的消減能力（表3）。除黃櫨與油松外，其余13 種植物吸附細(xì)顆粒物的能力(LW2.5S)遠(yuǎn)強于其自身釋放SOA2.5量，兩者差別在幾千倍到幾倍不等。錦帶花與元寶楓2種植物單位葉面積對PM2.5的消減能力最強，兩者都大于0.600 g/(m2·周)。紫丁香、大葉黃楊、胡枝子、櫻花、金鐘花、鉆石海棠、七葉樹、旱柳等8種植物對PM2.5具有一定的消減作用，消減能力大于0.100 g/(m2·周)。圓柏、白蠟、絳柳等3 種植物對PM2.5也具有一定消減作用。黃櫨與油松由于釋放VOCs 物質(zhì)對SOA 貢獻較大，因此這2種植物會增加空氣PM2.5濃度。

3 結(jié)論

（1）植物個體之間滯留細(xì)顆粒物能力有很大的差異，單位葉面積PM2.5滯留量較多的植物有元寶楓、大葉黃楊、胡枝子、錦帶花、櫻花，較少的為黃櫨、旱柳、油松、七葉樹。

（2）不同樹種排放的VOCs類別組成差異較大，且每種物質(zhì)生成SOA潛勢各不相同。油松、黃櫨、圓柏3種植物由于釋放α-蒎烯的量較高，植物對生成SOA的貢獻較高。七葉樹、紫丁香、絳柳、旱柳、鉆石海棠等5種植物對SOA 也具有一定的貢獻。其他7 種植物對SOA的貢獻較小。

圖2 北京市不同植物夏季SOA生成濃度估算

表3 北京市不同植物SOA的生成量及對PM2.5的消減量

（3）錦帶花與元寶楓2 種植物單位葉面積對PM2.5的消減能力最強。紫丁香、大葉黃楊、胡枝子、櫻花、金鐘花、鉆石海棠、七葉樹、旱柳等8種植物對PM2.5消減作用其次。黃櫨與油松2 種植物對PM2.5沒有消減作用，反而增加空氣PM2.5濃度。

4 討論

針對于園林綠地對城市大氣環(huán)境中發(fā)揮的雙重作用，既要綜合分析城市園林植物對細(xì)顆粒物的吸附能力，又要定量分析其所釋放的VOCs 排放總量對SOA形成的貢獻，研究結(jié)果有助于綠化樹種的合理選擇。已有研究結(jié)果表明[18-20]，不同植物個體之間滯留細(xì)顆粒物及釋放VOCs 的量差異顯著，雖然植物都會不同程度釋放VOCs，但大多數(shù)揮發(fā)物對人體有益無害[21]，人為源對SOA的貢獻遠(yuǎn)大于天然源的貢獻，比較其滯塵量，植物間接生成SOA的量較少[22-23]，大多數(shù)植物主要通過葉片及樹冠對顆粒物沉降速度產(chǎn)生影響，能夠吸附和過濾灰塵，減少空氣中顆粒物濃度。

研究雖然對于北京地區(qū)主要樹種典型天氣條件下VOCs 排放的種類及排放速率的特征有了初步了解，但溫度、輻射等環(huán)境因子對VOCs 排放速率都有很大的影響[24]，仍然缺乏對它們的日、月、季、年變化規(guī)律，特別是冠層尺度上森林VOCs 排放的準(zhǔn)確了解和模擬。因此，在以后的相關(guān)研究中，應(yīng)該更系統(tǒng)地研究包括植物體內(nèi)、植物釋放到外界、群落空氣中的VOCs種類、含量及其變化規(guī)律，了解各種揮發(fā)性有機物的釋放源、分布規(guī)律、遷移變化等，為城市綠地植物配植提供更可靠的理論依據(jù)。