城市樹木對(duì)空氣顆粒物的影響綜述

沈劍　李蓓蓓　鄭國良　王彬

摘要 顆粒物污染是現(xiàn)今主要的全球環(huán)境問題，近年在包括我國許多城市在內(nèi)的亞洲城市有所加重。樹木是天然的顆粒物吸附器，能夠降低空氣中的顆粒物污染水平。綜述了樹木吸附顆粒物的樹冠特征、葉片特征（包括針闊葉性和常綠落葉性、葉面積、葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、葉表面特征、葉柄和葉齡等），同時(shí)分析了樹木因釋放BVOCs促進(jìn)生成二次有機(jī)氣溶膠SOA而增加空氣中顆粒物含量的不利一面，并進(jìn)一步提出了城市樹種的選擇和應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞 城市樹木;顆粒物（PM）;樹冠;葉片;生物揮發(fā)性有機(jī)物（BVOCs）

中圖分類號(hào) S731.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）21-0008-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.003

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Review of Effects of Urban Trees on Airborne Particulate Matter

SHEN Jian1， LI Beibei2， ZHENG Guoliang1 et al

（1.Forestry Technology Popularization Station of Jinhua City， Jinhua，Zhejiang 321017;2.College of Forestry and Biotechnology， Zhejiang A & F University，Hangzhou，Zhejiang 311300）

Abstract Pollution caused by particles is now a major environmental problem globally. Recently， particulate matter （PM） pollution has being more serious in Asian cities including many cities of our country.Trees are natural particulate adsorbers that reduce the level of particulate matter pollution in the air.The canopy characteristics and leaf characteristics of treeadsorbed particulate matter （including needle broadleaf and evergreen deciduous， leaf area， leaf structure complexity， leaf surface characteristics， petiole and leaf age， etc.） were reviewed，and negative impact of trees on air quality was also discussed because the emission of BVOCs could form SOA to increase the PM in the air. Besides， the selection and application suggestions of urban tree species were put forward.

Key words Urban trees;Particulate matter （PM）;Canopy;Leaf;Biogenic volatile organic compounds （BVOCs）

基金項(xiàng)目 浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201636135）。

作者簡介 沈劍（1979—），男，浙江金華人，高級(jí)工程師，碩士，從事林業(yè)技術(shù)推廣研究。通信作者，實(shí)驗(yàn)師，博士，從事城市森林生態(tài)與環(huán)境研究。

收稿日期 2019-05-15

在許多亞洲城市，空氣動(dòng)力學(xué)直徑<2.5 μm的顆粒物（PM2.5）引起的污染是現(xiàn)今主要的環(huán)境問題，并且有進(jìn)一步加重的趨勢[1]。城市空氣中高濃度的PM2.5對(duì)城市居民構(gòu)成了極大威脅。流行病學(xué)研究已經(jīng)表明城市PM2.5污染與呼吸系統(tǒng)和心血管疾病的增加以及過早死亡有密切關(guān)系[2-3]。

傳統(tǒng)控制PM2.5污染的措施集中在控制或減少排放源[4-5]，這些措施卻不能治理空氣中已有的PM2.5。植物由于自身的獨(dú)特性，使其在改善城市空氣質(zhì)量及環(huán)境污染修復(fù)等方面具有重要的作用。氣態(tài)污染物在植物光合作用和呼吸作用過程中被氣孔吸收，而顆粒物則通過沉降或黏附等方式被葉片吸附[6]，有大量研究表明有植被的地表比其他地表能更有效地捕捉大氣中的氣體、顆粒物和氣溶膠。Nowak等[7]估計(jì)在整個(gè)美國城市喬木和灌木每年約可去除215千t PM10。Ottele等[8]研究表明，在格拉斯哥林木覆蓋率從3.6%增長到8.0%，使PM10濃度減少了2%。Tallis等[9]估計(jì)大倫敦地區(qū)的城市樹冠能減少0.7%～1.4%的PM10濃度。Nowak等[10]研究發(fā)現(xiàn)在不同城市，樹木直接吸附空氣中PM2.5的數(shù)量為4.7～64.5 t/a。在北京城市樹木每年可減少空氣中772 t的PM10[11]。樹木還可以間接減輕PM污染，如樹木通過遮陰和蒸發(fā)降低城市氣溫，這種降溫效果減少了對(duì)耗能風(fēng)扇及空調(diào)的使用，進(jìn)一步研究降低了發(fā)電廠的排放。而且，降低的空氣溫度還可以減緩城市空氣里的光化學(xué)反應(yīng)速率，從而減少二次污染物的生成量[12]。

由于喬木具有更大的樹冠，較大的葉片、莖、枝條表面積、葉面積以及自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空氣湍流運(yùn)動(dòng)，與比其低矮的植被相比，能吸收更多的PM[13-14]。Fowler 等[15]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)英格蘭西米德蘭茲郡的林地比草地多吸收3倍的PM10。筆者分析了樹木吸附顆粒物的樹冠特征、葉片特征等，同時(shí)對(duì)樹木因釋放BVOCs促進(jìn)生成二次有機(jī)氣溶膠SOA而增加空氣中顆粒物含量的研究進(jìn)行探討，對(duì)城市樹種的選擇和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 城市樹木對(duì)顆粒物的影響

1.1 樹冠對(duì)顆粒物吸附的影響

樹冠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的空氣湍流運(yùn)動(dòng)，增加了顆粒物在葉上的沉積，因此樹冠可以作為空氣污染物的收集者（包括氣態(tài)污染物和顆粒污染物）。Hofman等[16]研究表明樹木對(duì)PM的攔截吸附通常會(huì)受樹冠結(jié)構(gòu)的影響。Prusty等[17]觀察到樹木吸附顆粒物能力的顯著變化并指出影響這種能力的因素之一就是樹冠的形狀和大小。Chakre[18]評(píng)估了植物樹冠形狀對(duì)灰塵過濾的影響，并依據(jù)樹冠形狀對(duì)寬窄綠帶進(jìn)行了分類。擁有茂密樹冠和細(xì)紋理的樹木具有較高的表面粗糙度，可以促進(jìn)對(duì)PM2.5的攔截[19]。Qiu等[20]認(rèn)為相同氣候條件下造成城市樹木在灰塵吸附上不同的原因包括樹冠結(jié)構(gòu)、分枝密度的不同。顆粒物沉積速度不同的原因包括樹種在樹冠結(jié)構(gòu)上的不同[21]。Beckett等[22]研究指出不同樹種不同的樹冠面積和結(jié)構(gòu)是決定樹木吸收顆粒物的重要因素之一。

樹冠特征和樹種物候?qū)⒂绊懸粋€(gè)樹種全年滯留顆粒物的能力，所以常綠樹種具有優(yōu)勢[23]。針葉樹種的高PM2.5去除率的原因之一便是四季常青、茂密且結(jié)構(gòu)良好的樹冠[24]。

1.2 葉片對(duì)顆粒物吸附的影響

與氣態(tài)污染物主要通過氣孔去除不同，葉片和芽上的重力與慣性沉積被認(rèn)為是葉片去除PM的主要機(jī)制[25]。樹種在葉形態(tài)和表面屬性上的不同會(huì)導(dǎo)致顆粒物沉積速度的不同[21]。

1.2.1 針闊葉性和常綠落葉性。

盡管針葉樹具有較小的單元針葉區(qū)域，但針葉樹種具有比闊葉樹種更大的相對(duì)顆粒物捕捉效率和沉積速度[25]。相比闊葉樹種，針葉樹具有更小的葉片和更復(fù)雜的尖端結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為在捕捉PM上比闊葉樹種更為有效[26]。Sb等[27]認(rèn)為針葉樹如松屬植物被認(rèn)為是好的PM累積者。

對(duì)于落葉樹種而言，枝條的空間結(jié)構(gòu)、不同樹種的細(xì)枝、冬季落葉將會(huì)影響它們?nèi)陮?duì)PM的捕獲能力[23]。由于其物候期限制，在秋冬季葉片凋落，葉片對(duì)PM顆粒物吸附能力喪失，盡管可通過其莖和干繼續(xù)吸附顆粒物，但總體吸附能力下降;而常綠樹種葉片對(duì)PM的吸附功能在不同季節(jié)均可繼續(xù)發(fā)揮。常綠針葉樹已被證明具有全年積累有毒污染物的潛力[24]。

1.2.2 葉面積。

較大的葉面積可以加強(qiáng)葉片間空氣湍流運(yùn)動(dòng)，增加PM在葉片表面的沉積速度，同時(shí)，較大葉面積使得葉片和PM的接觸面積增加，從而也會(huì)增加樹木對(duì)PM的吸附。因此，一般認(rèn)為，相同氣候條件下具有較大葉面積的樹種在吸附顆粒物上具有顯著的實(shí)際優(yōu)勢[28]。Blanusa等[23]進(jìn)行的氯化鈉氣溶膠的捕捉和滯留試驗(yàn)表明，二球懸鈴木（Platanus × hispanica）和小葉椴（Tilia cordata）的較大葉片比小葉片捕捉了更多的Na+。中國北京5個(gè)常綠樹種葉片沉積顆粒物的研究也表明，由于具有較大的葉面積，松樹比柏樹累積了更多的PM[29]。廣州市4個(gè)樹種灰塵滯留能力降序排列是芒果（Mangifera indica Linn）>黃葛樹（大葉榕）（Ficus virens var.sublanceolata）>榕樹（Ficus microcarpa）>洋紫荊（紅花羊蹄甲）（Bauhinia blakeana），大致與單個(gè)葉片尺寸逐漸減小的走勢相符（P<0.05）[30]。

1.2.3 葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

葉片結(jié)構(gòu)可能有助于植物對(duì)灰塵的吸附。樹種吸附顆粒物的有效性通過觀測量化表明，更好更復(fù)雜的葉片結(jié)構(gòu)具有更高吸附顆粒物的能力[22]。也有很多其他學(xué)者也得出了類似結(jié)論，如在葉片層面，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的葉片能更有效地捕捉和滯留PM2.5[31]。

1.2.4 葉表面特征。

1.2.4.1 葉表粗糙度和毛狀體。不同樹種對(duì)PM的去除率受葉表面粗糙度、表皮細(xì)胞排列和葉表面毛狀體密度的影響。葉表面特征如表面粗糙度和毛狀體的存在與葉片上吸附顆粒物的數(shù)量呈正相關(guān)，表明這樣的形態(tài)學(xué)特征可以增強(qiáng)樹木的灰塵過濾能力[32]。Meusel 等[33]除了強(qiáng)調(diào)葉面粗糙度，還指出毛狀體的數(shù)量和長度在決定樹木捕捉顆粒物效率上的重要作用。也有研究指出，葉片的特定特征如毛狀體的存在和不同化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)的上表皮蠟質(zhì)層可能會(huì)增強(qiáng)對(duì)空氣的過濾過程[34]。例如，有粗糙表面的闊葉樹種的葉片能夠比光滑表面的葉片更有效地捕捉PM[35]。

1.2.4.2 蠟質(zhì)層和氣孔。

顆粒物包含一些具有親脂性的有機(jī)污染物，因此能夠穿透覆蓋在葉片和幼嫩枝條上的蠟質(zhì)層，通過氣孔進(jìn)入植物體內(nèi)[33]。氣孔的大小和數(shù)量以及葉片表皮蠟質(zhì)層厚度和組成均會(huì)影響樹木葉片的灰塵沉積[28]。針葉樹的針葉能產(chǎn)生一種更厚的蠟質(zhì)層，使其比闊葉樹種更有效地積累PM[36]。

各粒度級(jí)顆粒物在各樹種蠟質(zhì)層均有發(fā)現(xiàn)，大顆粒物在蠟質(zhì)層的量總是少于在葉表的量，對(duì)于細(xì)顆粒物差異則不明顯，此外，有樹種蠟質(zhì)層里的PM總量接近或比葉表PM還要多。然而，樹種的蠟質(zhì)層質(zhì)量與總PM吸附量、葉表PM、蠟質(zhì)層PM、直徑10～100 μm PM（葉表的和蠟質(zhì)層里的）、粗顆粒物（葉表的和蠟質(zhì)層里的）和葉表細(xì)PM之間并無明顯關(guān)系[28]。Jouraeva等[34]在研究椴樹（Tilia × euchlora）和豆梨（Pyrus calleryana）時(shí)也發(fā)現(xiàn)蠟質(zhì)層質(zhì)量與葉片PM沉積量之間并無相關(guān)性。蠟質(zhì)層PM在蠟質(zhì)層里是固定的，因此相比葉表PM，其具有植物穩(wěn)定性的，降低了對(duì)人類健康的負(fù)面影響[37]。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年

1.2.4.3 潤濕性。

葉形態(tài)和可濕性在攔截空氣顆粒物中扮演重要角色。Freer-Smith 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，葉子潤濕性會(huì)影響對(duì)氣溶膠顆粒物的捕捉;硬葉（即減少了的潤濕性）和光滑表面的葉片類型可能是影響橄欖樹（油橄欖Olea europaea）和櫟樹（苦櫟Quercus cerris、冬青櫟Quercus ilex）葉極低Na+和粉末顆粒物滯留能力的主要因素。

1.2.5 葉柄。

除了葉片形態(tài)，樹木的顆粒物吸附能力也取決于樹木葉片的朝向和有無葉柄。葉柄長的葉片易卷入小空氣流，這樣的葉片只能吸附少量的灰塵。相反，短葉柄的葉片可以抵抗空氣運(yùn)動(dòng)并吸附相當(dāng)多的灰塵[17]。

1.2.6 葉齡。

葉齡會(huì)影響對(duì)顆粒物的沉積。Mori等[38]研究指出，云杉屬（Picea）最幼嫩針葉比老葉少沉積34%的顆粒物;相比北美云杉（Picea sitchensis（Bong.）Carrière）1年齡針葉，沉積量最大的是在2年齡針葉上。Suchara 等[39]也指出挪威云杉（Picea abies）2年齡針葉的元素含量高于1年齡針葉。

1.2.7 其他葉表面特征。

葉片主軸的方向、形狀和大小會(huì)影響樹木攔截空氣中的浮塵。Prusty 等[17]觀察到樹種吸附灰塵能力的顯著變化受葉序和葉表特征如絨毛、表皮等的影響。Qiu 等[20]認(rèn)為相同氣候條件下造成城市樹種在灰塵吸附上不同的原因包括葉傾角的不同。

樹木自身的其他特征也會(huì)對(duì)吸附顆粒物產(chǎn)生影響，如具有更復(fù)雜莖結(jié)構(gòu)的樹木具有更大的相對(duì)沉降速度[26]。Becker等[40]從不同空氣動(dòng)力學(xué)角度證明了葉和芽會(huì)對(duì)PM沉降速度產(chǎn)生影響，樹皮可以沉降空氣中的顆粒物。

2 影響樹木吸附顆粒物的其他因素

2.1 與污染源的距離

樹木接近污染源，空氣污染物的濃度增加，會(huì)增加PM的沉積。道路附近的葉片和林地里的葉片在顆粒物沉積上有很大不同[8]。距離道路越近樣本，其中的粗顆粒物和元素（25種元素里的14種）積累越高，表明當(dāng)把綠色基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置在離污染源較近時(shí)，可能會(huì)表現(xiàn)出最有效的污染物沉積效率[38]。Prusty等[17]評(píng)估高速公路附近的植被的灰塵沉積能力發(fā)現(xiàn)葉片上灰塵的沉積隨機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加而增加，隨距路邊距離的增加而減小。

2.2 種植設(shè)計(jì)

當(dāng)使用樹木為改善空氣質(zhì)量而提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)，城市樹木的選擇和設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，樹種選擇和種植設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)樹木捕捉和滯留PM產(chǎn)生主要影響。

多項(xiàng)研究證明，群體層面的生物物理特性如種植密度、空間安排、總?cè)~面積和物候?qū)W是影響樹木清除PM的因素[41-42]。灌木和大樹合理配置，將灌木置于前，對(duì)防風(fēng)林的顆粒物凈化具有最優(yōu)效果。此外，如果樹木的配置過于密集，空氣則不能在綠地內(nèi)分散，因此最佳的郁閉度和防護(hù)林帶孔隙度是必要的[43]。

2.3 其他外界影響因素

當(dāng)然除了受葉片特征影響外，樹木樹冠對(duì)PM的吸附還受顆粒物大小和形態(tài)的影響。氣流中的顆粒物濃度、顆粒物的大小分布和風(fēng)速等氣象條件均是決定植被吸收顆粒物的重要因素。如有研究表明，高風(fēng)速下粗顆粒物的沉積更為有效，而超細(xì)顆粒物則相反[6]。氣象參數(shù)如降水、風(fēng)速、湍流和空氣濕度也是影響顆粒物被吸附的重要因素[44]。此外，環(huán)境因素如城市形態(tài)也會(huì)對(duì)樹木吸附PM2.5的量產(chǎn)生重大影響[45]。

3 城市樹木對(duì)顆粒物生成的影響

幾乎所有的樹木在生長、繁殖和防御時(shí)期都會(huì)釋放生物揮發(fā)性有機(jī)物（BVOCs，biogenic volatile organic compounds），這些生物揮發(fā)性有機(jī)物由葉片、花和果實(shí)釋放。植物釋放的BVOCs是全球大氣中主要的VOCs貢獻(xiàn)者[46]，在低對(duì)流層和大氣邊界層的化學(xué)作用中扮演重要角色，是O3和二次有機(jī)顆粒物形成的關(guān)鍵前體[47]。樹木釋放的BVOCs如異戊二烯和單萜，與氮氧化物（NOx）反應(yīng)會(huì)生成二次有機(jī)氣溶膠（SOA），SOA導(dǎo)致空氣中PM的產(chǎn)生，是PM2.5的來源[48]。Calfapietra等[49]也提到SOA和顆粒物可由光化學(xué)驅(qū)動(dòng)的氮氧化物（NOx）和BVOCs間的反應(yīng)生成。樹木釋放的BVOCs如單萜和倍半萜烯，不同于異戊二烯，這些會(huì)在晚上繼續(xù)釋放。伴隨著它們?cè)诖髿庵械慕到?，萜烯可?dǎo)致顆粒物的形成[50]。

樹種BVOCs的釋放率差異很大。在偏僻的、NOx濃度相對(duì)低的區(qū)域，BVOCs的釋放相對(duì)是無害的[51]。但城市地區(qū)由于汽車交通和工業(yè)發(fā)展等導(dǎo)致的NOx濃度相對(duì)較高，所以城市綠化項(xiàng)目中宜選擇低BVOCs釋放率的樹種。

4 討論

在城市PM污染嚴(yán)重區(qū)域建議使用PM特別是PM2.5去除效率高的樹種，但是這并不是唯一的樹種選擇標(biāo)準(zhǔn)，樹種對(duì)城市環(huán)境的適應(yīng)能力是另一必須要考慮的重要因素。生長在城市環(huán)境中的樹木受到各種非生物和生物脅迫，如壓實(shí)的土壤、洪澇、干旱、害蟲、疾病及空氣污染物的影響[17]。如果樹木不能適應(yīng)這些脅迫，生長就會(huì)受阻，壽命就會(huì)降低。容易受害蟲和疾病侵害的樹木必須噴灑農(nóng)藥，這是PM2.5的另一個(gè)來源[52]。如果使用汽車運(yùn)輸和電動(dòng)工具移除和替換病死的樹木會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致PM2.5排放量的增加[53]。

由于我國冬季空氣污染更為嚴(yán)峻，常綠樹種是更佳的緩解空氣顆粒物污染的選擇。有學(xué)者的研究結(jié)果表明，針葉樹種并未在全球充分應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)通過增加對(duì)針葉樹種的應(yīng)用來提高對(duì)PM2.5的去除率，將大有發(fā)展空間[24，26]。然而，有學(xué)者的研究結(jié)果也表明，種植更多的針葉樹時(shí)需要謹(jǐn)慎[54]。例如東部紅雪松（J.virginiana）具有很高的PM2.5去除率，但它的花粉具有高度致敏性。因此，在城市種植項(xiàng)目中應(yīng)避免使用東部紅雪松的雄株。東部白松（P.strobus）具有高PM2.5去除率，但對(duì)空氣污染的耐受力低，這就限制了它在高污染地區(qū)的應(yīng)用。除了這些問題之外，針葉樹濃密的樹蔭和對(duì)土壤高含鹽量的敏感性是需要考慮的其他因素[54]。如針葉樹一般不能耐受高汽車尾氣污染，特別是冬天用鹽進(jìn)行道路除冰的條件下，所以不建議在路邊種植。因此，常綠針葉樹可能不如落葉闊葉樹種有用，盡管它們有很高的PM清除率。有些闊葉物種PM2.5去除率高，對(duì)空氣質(zhì)量的負(fù)面影響小，具有較好的城市環(huán)境適應(yīng)能力，例如紅楓（A.rubrum）、銀葉椴（T.tomentosa）、美洲榆（U.americana）。這些發(fā)現(xiàn)表明，可以營造一個(gè)既具有良好的物種多樣性、又具有高PM2.5去除率的城市森林[55]。

城市規(guī)劃者可以通過混合配置具有較高PM2.5清除率、較好的城市環(huán)境適應(yīng)性及產(chǎn)生較低空氣質(zhì)量負(fù)效應(yīng)的針葉樹和闊葉樹來減少PM2.5的量。為了提高城市樹種的恢復(fù)力、降低對(duì)害蟲和疾病的敏感性，最好進(jìn)行多樣化的城市種植，而且樹種多樣性對(duì)生物多樣性、整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)多樣性有重要影響。

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