不同配置模式的城市森林植被對PM2.5的吸附研究

王 冰，趙新新

（沈陽大學(xué)a.環(huán)境學(xué)院，b.生命科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110044）

PM作為一種可以進入人體肺部的顆粒物，其粒徑非常小，在大氣環(huán)境中能夠長期停留，且不易擴散，常常因城市環(huán)境不同，呈現(xiàn)出多種不同的化學(xué)成分；當(dāng)大氣環(huán)境中PM達到一定濃度時，可以形成霧霾，嚴重時能夠降低空氣能見度，還能夠?qū)Υ髿廨椛湟约皻夂颦h(huán)境變化產(chǎn)生嚴重影響，同時還能夠降低生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性等。研究表明，PM含有大量的有毒、有害物質(zhì)，對人體心肺功能會造成一定的負面影響。因此，有效消減城市空氣中PM的污染已成為亟待解決的問題。通過大量研究，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)基本達成共識，城市森林植被可以吸附大量空氣中的污染物，包括PM，它們具有較強的凈化城市大氣環(huán)境功能。正因如此，國內(nèi)外相關(guān)部門都在大力推動城市森林建設(shè)，積極發(fā)展城市林業(yè)，有效增加城市綠地面積，優(yōu)化城市大氣環(huán)境，例如北京著名的平原造林工程。

相關(guān)學(xué)者對城市森林不同樹種及不同森林植被配置模式的林地消減城市空氣中顆粒物功能進行了系列研究。張桐等發(fā)現(xiàn)，城市居住區(qū)具有強效滯留顆粒物能力的常見樹種有石楠、欒樹、三角梅、樟樹、銀杏、紅花檵木、紅葉石楠、海桐、八角金盤和枇杷等；楊金紅等發(fā)現(xiàn)，城市中灌木滯塵能力大于喬木；李新宇等通過調(diào)查北京4 個不同公園內(nèi)典型的植被配置模式，發(fā)現(xiàn)消減PM能力最強的是純林配置模式或是喬草配置模式的林地，消減PM能力最弱的是純草配置模式的綠地；崔磊等通過對比9 種落葉喬木滯留顆粒物的能力，發(fā)現(xiàn)銀中楊與山杏在5～8 月中單位葉面積滯塵量顯著高于其他7 種落葉喬木；田志會等通過研究發(fā)現(xiàn)，喬灌草植被配置模式的林地對大氣顆粒物消減作用最顯著；稀樹草坪對PM的凈化能力顯著低于林地；謝濱澤發(fā)現(xiàn)，泡桐、油松和檜柏滯留PM和TSP 的能力皆大于小葉女貞、大葉黃楊和木槿；植物滯塵量的大小與葉面積相關(guān)，高大喬木滯留顆粒物的能力強于低矮灌木。根據(jù)查閱的文獻，城市森林植被配置模式相關(guān)研究有一定的局限性，即研究的配置模式類型較少，不能將城市森林植被典型的配置模式完全反映出來，因此開展此項研究。

本研究通過采集沈陽市區(qū)城市森林典型的6 種植被配置模式，即針葉混、針闊混、針葉純林、闊葉混、闊葉純林和喬灌混，分析不同植被配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化，測定不同配置模式森林植被吸附空氣PM量，為尋求準確的森林植被配置模式，有效凈化城市大氣環(huán)境提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沈陽地處北溫帶，受季風(fēng)影響較大，屬于半濕潤大陸性氣候，全年氣溫和降水量的分布由西南向東北和由東南向西北方向遞減。沈陽四季分明，春秋兩季持續(xù)時間較短，年平均氣溫6～11℃，1月氣溫最低，7月氣溫最高。沈陽冬季盛行偏北風(fēng)；春秋兩季南北風(fēng)交替出現(xiàn)；夏季偏南風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高。

試驗地沈陽植物園位于沈陽東部，距離市中心23km，地理坐標為l23°37’52"～54"E，41°51’35"～37"N。試驗地絕對最低溫度-33.1℃，絕對最高溫度38.1℃，年平均溫度7.8℃；年平均降水量734mm，年平均相對濕度65%，年平均日照數(shù)2630.6h，無霜期平均155d。到目前為止，沈陽植物園引種栽培植物共計1778 個種（包括亞種、變種、變型、栽培品種），分別屬于148科601屬，其中木本植物56科518種，草本植物76科845種，溫室植物80科411種。

1.2 方法

1.2.1 不同配置模式的設(shè)置 不同植被配置模式共計設(shè)置20 塊樣地，其中包括針葉混、針闊混、針葉純林、闊葉混、闊葉純林和喬灌混6種配置模式；不同樣地設(shè)置的面積存在一定的差異，受到地域條件的限制，喬灌混設(shè)置的樣地面積小于其他樣地?；旖涣种仓甑母叨群托貜剑ǖ貜剑┚〔煌瑯浞N的平均值。不同樣地的林下均有地被，喬灌混和針闊混樣地下面有部分灌木，灌木數(shù)量少、所占面積小。

1.2.2 不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化監(jiān)測 在距離地面1.5m處，使用手持粉塵監(jiān)測儀（Dustmate）監(jiān)測該處空氣PM（

d

≤2.5μm，可吸入顆粒物）的質(zhì)量濃度，每天7∶00～17∶00，每隔2h監(jiān)測1次，每次同步監(jiān)測不同配置模式下空氣PM質(zhì)量濃度，每次測定重復(fù)3次。

表1 不同配置模式植被信息
Table1 Vegetation information of different configuration modes

1.2.3 植被葉片采集 在5～10月每月月底，采集不同配置模式中樹種的葉片，每種配置模式選擇3塊樣地，在每塊樣地內(nèi)選取生長良好的樹種各3株，并在每株樹木的樹冠上采集葉片。在每個樣地中，每個樹種采樣葉片的數(shù)量約為50 片，按照不同樹種放入各自不同自封袋中，并給予標明，然后再將其放入裝有冰塊的箱子中，運回實驗室進行處理。每次采集的葉片都來自于相同的樣樹。

1.2.4 葉片PM吸附量 將采集的葉片放入氣溶膠再發(fā)生器（QRJZFSQ—I）制成氣溶膠，之后用手持粉塵監(jiān)測儀測定氣溶膠中PM的質(zhì)量濃度，進而推算葉片上的PM吸附量（

m

），每個配置模式中的監(jiān)測重復(fù)進行3次；利用葉面積軟件和葉面積掃描儀計算放入料盒中所有葉片的葉面積（

S

），通過式（1）計算單位葉面積PM吸附量（

M

），通過公式（2）計算年單位公頃林地吸附PM質(zhì)量（kg·hm·a）。

式中：

M

為單位葉面積PM吸附量（μg·cm）；

m

為放入氣溶膠再發(fā)生器中葉片PM吸附量（μg）；

S

為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積（cm）；

Q

為年每公頃林地吸附PM質(zhì)量（kg·hm·a）；

LAI

為葉面積指數(shù)（油松、檜柏、側(cè)柏、云杉、五角楓、刺槐、銀中楊、白樺、山櫻和蒙古櫟的葉面積指數(shù)分別為3.8，3.2，3.1，3.2，2.5，2.4，2.4，2.4，2.4，2.3）；單位轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.1；

k

為PM年洗脫次數(shù)（本研究取值為16）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)結(jié)果為3次重復(fù)的平均值，利用Microsoft Excel 2010 軟件、SPSS 19.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配置模式空氣PM2.5質(zhì)量濃度變化

圖2 為5～10 月每日7∶00～17∶00 不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化，從圖中可以看到不同月份不同配置模式的峰值多半在7∶00。其中5月針葉混、針闊混、針葉純林、闊葉混、闊葉純林和喬灌混6種配置模式空氣PM濃度峰值在7∶00，其值分別為39.54，37.43，36.58，35.66，34.56，38.57μg·m；除9～10 月外，6～8 月也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。不同月份針葉混配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化最大、其次是喬灌混、闊葉純林配置模式的最低，5 月的針葉混（24.72μg·m）>喬灌混（23.47μg·m）>針葉純林（23.29μg·m）>針闊混（23.01μg·m）>闊葉混（22.56μg·m）>闊葉純林（21.78μg·m）；即使在空氣PM質(zhì)量濃度日變化最低的8月，也表現(xiàn)為針葉混（29.88μg·m）>喬灌混（26.00μg·m）>針葉純林（24.44μg·m）>針闊混（23.26μg·m）>闊葉混（22.59μg·m）>闊葉純林（20.93μg·m）；在空氣PM質(zhì)量濃度日變化最高的10 月，表現(xiàn)為針葉混（41.33μg·m）>喬灌混（39.54μg·m）>針葉純林（46.00μg·m）>針闊混（46.57μg·m）>闊葉混（44.34μg·m）>闊葉純林（40.54μg·m）。由此可見，混交林配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化高于純林配置模式，針葉林配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化高于闊葉林配置模式。

綜上所述，不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化呈單峰型，在7∶00～17∶00這段時間內(nèi)，空氣PM質(zhì)量濃度峰值多半在7∶00；不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日均值呈現(xiàn)出針葉混配置模式的最大，其次是喬灌混，闊葉純林最小，這表明了混交林吸附PM的能力更強。

圖1 不同配置模式PM2.5質(zhì)量濃度日變化Figure1 Diurnal variation of PM2.5 mass concentration in different configuration modes

圖2 相同時間不同配置模式空氣PM2.5質(zhì)量濃度Figure2 Air PM2.5 mass concentration in different configuration modes at the same time

2.2 不同配置模式空氣PM2.5質(zhì)量濃度日變化特征

由圖3 可知，7∶00 是一天中空氣PM質(zhì)量濃度最高的時刻，之后空氣PM質(zhì)量濃度逐漸降低，17∶00 空氣PM質(zhì)量濃度達到一天中的最低值；從不同配置模式觀測的結(jié)果上來看，針葉混配置模式空氣PM質(zhì)量濃度最大，其次是喬灌混，最小的是闊葉純林。7∶00 時不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度排序為針葉混（39.54μg·m）>喬灌混（38.57μg·m）>針闊混（37.43μg·m）>針葉純林（36.58μg·m）>闊葉混（35.66μg·m）>闊葉純林（34.56μg·m）；17∶00 時的排序為針葉混（18.59μg·m）>喬灌混（18.55μg·m）>針葉純林（18.14μg·m）>針闊混（17.28μg·m）>闊葉混（15.64μg·m）>闊葉純林（15.45μg·m）。由此可見，針葉混吸納、聚集PM的能力最強，闊葉純林最弱。

圖3 不同配置模式森林植被不同月份PM2.5吸附量Figure3 PM2.5 adsorption capacity of forest vegetation in different configuration modes in different months

2.3 不同配置模式森林植被對PM2.5的吸附量

由表2 可知，5～10 月不同配置模式單位葉面積PM吸附量排序為針葉混（0.744μg·cm）>喬灌混（0.709μg·cm）>針葉純林（0.625μg·cm）>針闊混（0.53μg·cm）>闊葉混（0.483μg·cm）>闊葉純林（0.407μg·cm），其中針葉混是闊葉純林的1.83倍?？梢?，針葉混PM吸附量最大，純林PM吸附量較小，特別是闊葉純林PM吸附量最小。這樣的結(jié)果也表明混交林自身葉片特性決定其可以吸附更多的顆粒物，特別是針葉混、喬灌混，其中灌木本身低矮，因為空氣PM在越低的地方其濃度越高，所以灌木林才有可能吸附大量的PM。另外，混交林可以彌補純林的單一功能，增加林分的熟透度，從而增加對PM的攔截量。

表2 不同配置模式的PM吸附量
Table2 PM adsorption capacity in different configuration modes

注：不同行和列的小寫字母、大寫字母均表示差異顯著（<0.05）。
Note:Lowercase letters and uppercase letters in different rows and columns indicate significant differences(<0.05).

從不同月份觀測結(jié)果來看，9 月和10 月森林植被空氣PM吸附量較多，從5 月開始，不同配置模式森林植被空氣PM吸附量在不斷增加，一方面是由于時間累計的過程，另一方面也與9 月和10 月森林植被外界空氣PM質(zhì)量濃度較高有關(guān)系。

2.4 不同配置模式森林植被空氣PM2.5吸附量的月度變化

由圖4可知，針葉混配置模式5～10月的空氣PM吸附能力均高于其他配置模式。5月不同配置模式單位葉面積PM吸附量最低，10月不同配置模式單位葉面積PM吸附量最高。5月不同配置模式單位葉面積PM吸附量排序為，針葉混（0.54μg·cm）>喬灌混（0.53μg·cm）>針葉純林（0.43μg·cm）>針闊混（0.42μg·cm）>闊葉混（0.39μg·cm）>闊葉純林（0.31μg·cm）；10月單位葉面積PM吸附量排序為針葉混（0.94μg·cm）>喬灌混（0.88μg·cm）>針葉純林（0.82μg·cm）>針闊混（0.69μg·cm）>闊葉混（0.59μg·cm）>闊葉純林（0.50μg·cm）。從排序結(jié)果來看，針葉混配置模式葉片吸附PM的能力最強，闊葉純林配置模式吸附PM能力最弱。從時間變化來看，不同配置模式的森林植被隨著時間的延長，對PM的吸附量會逐漸增加，呈現(xiàn)出10月（0.74μg·cm）>9月（0.62μg·cm）>7月（0.60μg·cm）>8月（0.57μg·cm）>6月（0.53μg·cm）>5月（0.44μg·cm）。

表3為不同配置模式在不同月份的方差分析，在0.05水平下，不同月份和不同配置模式單位葉面積PM吸附量均有顯著性（

p

<0.0001），

Fcrit

值均小于

F

值，二者之間的關(guān)系極其顯著。

表3 不同配置模式不同月份的方差分析
Table3 Variance analysis of different configuration modes in different months

2.5 基于森林植被吸附PM2.5功能的樹種配植選擇

城市森林植被樹種選擇要結(jié)合城市景觀環(huán)境搭配方面的充分考慮，既要做到審美上的需求，實現(xiàn)形態(tài)、色彩上的合理搭配，也要做到城市森林整體上的統(tǒng)籌兼顧，滿足其可持續(xù)性發(fā)展；同時還要充分考慮城市森林的生態(tài)效益，選擇一些凈化大氣環(huán)境與滯納顆粒物能力強的樹種。根據(jù)不同樹種與不同配置模式森林植被PM吸附量的結(jié)果，針對不同的城市污染區(qū)提出了相應(yīng)的建議選擇樹種與最佳優(yōu)化、組合的森林植被配置模式。

針對城市所在地大氣環(huán)境質(zhì)量和不同污染區(qū)的污染程度，建議提出的選擇樹種如下：重度污染區(qū)建議選擇的樹種為云杉(

Picea asperata

)、油松(

Pinus tabuliformis

)、側(cè)柏(

Platycladus orientalis

)、刺槐(

Robinia pseudoacacia

)、五角楓(

Acer pictum

)、云杉-油松(

Picea asperata-Pinus tabuliformis

)、油松-側(cè)柏(

Pinus tabuliformis-Platycladus ori?entalis

)、油松-連翹(

Pinus tabuliformis-Forsythia suspensa

)；中度污染區(qū)建議選擇的樹種為油松(

Pinus tabulifor?mis

)、側(cè)柏(

Platycladus orientalis

)、云杉(

Picea asperata

)、刺槐(

Robinia pseudoacacia

)、銀中楊(

Populusalba'Berolinen?sis

)、油松-榆葉梅-忍冬(

Pinus tabuliformis-Amygdalus triloba-Lonicera japonica

)；輕度污染區(qū)建議選擇的樹種為銀中楊(

Populusalba'Berolinensis

)、蒙古櫟(

Quercus mongolica

)、側(cè)柏(

Platycladus orientalis

)、油松(

Pinus tabulifor?mis

)、油松-蒙古櫟(

Pinus tabuliformis-Quercus mongolica

)；相對清潔區(qū)建議選擇的樹種為蒙古櫟(

Quercus mongoli?ca

)、山櫻(

Prunus serrulata

)、白樺(

Betula platyphylla

)、銀中楊(

Populusalba'Berolinensis

)、油松(

Pinus tabuliformis

)、云杉-茶條槭(

Picea asperata-Acer ginnala

)。

3 討論與結(jié)論

5～10 月不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度多半在7∶00 時最大，之后開始下降，8～10 月有的配置模式在15∶00～16∶00 PM質(zhì)量濃度開始出現(xiàn)上升。每日PM質(zhì)量濃度下降、上升呈往復(fù)變化趨勢。由于早晨大氣垂直運動比較緩慢，對流運動不夠活躍，空氣中的顆粒物易于堆積；同時還易于發(fā)生逆溫現(xiàn)象，使得距離地表層大氣對流較為緩慢，不利于空氣中的顆粒物擴散運動，導(dǎo)致其濃度逐漸增大，PM質(zhì)量濃度也逐漸升高。進入午后時段，隨著山谷風(fēng)的移動，周邊城鎮(zhèn)污染物隨著風(fēng)向輸送到中心城區(qū)，這也會對空氣中細粒子濃度的上升產(chǎn)生一定的影響。在15∶00和16∶00，空氣中PM質(zhì)量濃度出現(xiàn)提升，之后又開始下降。由于午后大氣對流比較旺盛，垂直運動增強，含有底層污染物質(zhì)的大氣與高層清潔大氣相互對流，互相交換，導(dǎo)致污染物的迅速擴散，與此同時，午后山谷風(fēng)的出現(xiàn)，也使空氣中的顆粒物在一定空間和時間內(nèi)隨風(fēng)飄散，使空氣中PM質(zhì)量濃度迅速下降。7∶00～17∶00 不同配置模式空氣PM質(zhì)量濃度日變化峰值多半在7∶00；不同配置模式PM質(zhì)量濃度日均值表現(xiàn)為針葉混最大、其次是針葉混和喬灌混，闊葉純林最小。

森林植被配置模式與其滯塵效果密切相關(guān)，其中葉片是植物滯留PM等顆粒物的主要載體，葉表面形態(tài)特征的變化大小對森林植被滯納和吸附PM等顆粒物的量值具有顯著影響。研究表明，油松、側(cè)柏等針葉樹的單位葉面積吸附PM的能力較強，更多的顆粒物滯留與葉片特性相關(guān)；針葉闊葉樹種中刺槐、五角楓相比于銀杏和楊樹的葉片粗糙度大，故混交林分吸附PM的能力優(yōu)于純林。本研究結(jié)果表明，針葉混是滯納與吸附PM能力最強的配置模式，這是因為喬木高大、吸附能力較強的緣故；喬灌混僅次于針葉混，這是因為喬灌配置模式使得森林植被上層、中層都可以滯納和吸附空氣中的PM等顆粒物，其中灌木主要是以吸附森林植被底層的粗顆粒物為主，灌木葉片粗糙度較小，因此其吸附PM能力要低于針葉混。

不同配置模式的森林植被，其種植密度也是必須要考慮的重要因素，如果種植密度過大，可能會最大限度地截留顆粒物，不利于顆粒物的擴散，導(dǎo)致森林植被空氣顆粒物濃度升高；種植密度過大也會使植物之間產(chǎn)生激烈競爭，如爭奪陽光和土壤中的養(yǎng)分和水分，不利于植物正常生長。5～10 月，不同配置模式PM單位葉面積吸附量排序為針葉混>喬灌混>針葉純林>針闊混>闊葉混>闊葉純林，其中針葉混是闊葉純林的1.83 倍。在不同的配置模式中，針葉混的PM吸附量最大，純林的PM吸附量較小，闊葉純林的PM吸附量最小。謝濱澤等研究不同配置模式下植物滯塵能力的變化，得出喬木對顆粒物的吸附能力要比灌木強，認為喬木冠幅大于灌木冠幅，大的冠幅可以滯納大量的PM等顆粒物，與本項研究結(jié)果一致，本項研究中的喬灌混配置模式吸附PM的能力也較強，僅次于針葉混。