園林植物消霾機(jī)理及其應(yīng)用研究進(jìn)展

?祁舒展，魏家星，姜衛(wèi)兵?

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇 南京210019）

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園林植物消霾機(jī)理及其應(yīng)用研究進(jìn)展

祁舒展，魏家星，姜衛(wèi)兵

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇 南京210019）

摘 要：近年來(lái)霧霾天氣頻發(fā)，面對(duì)持續(xù)的嚴(yán)重霧霾天氣，園林植物的消霾作用引起了當(dāng)前園林工作者的極大關(guān)注?？偨Y(jié)了植物消除霧霾的原理，闡述了如何選擇與配置消霾植物，提出了園林植物消霾的主要途徑。最后，分析了植物消霾的復(fù)雜性，并提出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：園林植物；霧霾治理；機(jī)理；應(yīng)用；研究進(jìn)展

由于工業(yè)化迅速、依賴煤電、汽車保有量迅猛增長(zhǎng)以及漠視環(huán)保法律等，大氣污染成為中國(guó)的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，全國(guó)各大城市霧霾天氣頻發(fā)，冬季尤甚。霧霾中含大量PM 2.5，因其可對(duì)人類身體健康造成極大危害，誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病甚至造成死亡而備受關(guān)注。霧霾天氣形成的主要原因是環(huán)境粉塵污染，例如地面揚(yáng)塵、建筑源、生物質(zhì)燃燒、二次源、機(jī)動(dòng)車排放和燃煤等[1]。目前霧霾治理主要集中在主要污染物源解析研究、減少污染源頭工業(yè)企業(yè)排放、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推行清潔生產(chǎn)審核等，但傳統(tǒng)的治理方法無(wú)法消除已經(jīng)進(jìn)入到環(huán)境中的PM 2.5，而園林植物可有效阻擋、過(guò)濾和吸附空中的大氣顆粒污染物，對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量、降低霧霾天氣的發(fā)生卓有成效。目前，城市園林綠地的消霾作用愈加受到重視。

1 園林植物治理霧霾的機(jī)理

1.1 植物滯塵與植物消霾的區(qū)別

二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物是霧霾的主要成分。可吸入顆粒物與霧氣結(jié)合在一起使天空變得灰暗陰沉，是造成霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。而二氧化硫、氮氧化物為氣態(tài)污染物，可通過(guò)植物吸收轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，并不能通過(guò)滯塵作用進(jìn)行消除。因此植物消除霧霾機(jī)理包含了滯塵作用，但并不完全等同。

1.2 植物治理霧霾的機(jī)理

園林植物是城市生態(tài)環(huán)境的主體，可有效阻滯粉塵、吸收有害氣體，在改善空氣質(zhì)量、除塵降溫、維護(hù)生態(tài)平衡、改善生態(tài)環(huán)境中起著不可替代的作用。在對(duì)大氣顆粒物的綜合防治研究中，有關(guān)植物消納、降解空氣顆粒物（含TSP、PM 10）的研究較為成熟，而由于PM 2.5長(zhǎng)期漂浮不沉降的特性，使其分布規(guī)律難以把握，對(duì)其治理方法的研究也停留在起步階段。筆者借鑒前人對(duì)PM10等顆粒物的研究，結(jié)合PM 2.5的特性，概括了植物有效消霾的4種機(jī)理。

1.2.1 園林植物的滯塵效應(yīng) 園林植物能夠滯塵，一方面與其葉片表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，氣孔、皮孔、絨毛或葉分泌的油脂和汁液等都可吸收大量的粉塵。另一方面，高大植物有降低風(fēng)速的作用，使大顆?；覊m沉降被吸附，阻止了灰塵大面積傳播，從而產(chǎn)生滯塵效應(yīng)。樹(shù)木作為較為持久的粉塵接受物，有著很強(qiáng)的積聚污染物的能力。其滯塵方式通常有3種：停留、附著、粘附，作用機(jī)理并不相同[2]。

（1）停留。地被植物覆蓋地表，可減少粉塵的出現(xiàn)和移動(dòng)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物群落，對(duì)空氣粉塵污染物的阻隔能力強(qiáng)，可遏制粉塵再次出現(xiàn)，減少二次揚(yáng)塵的發(fā)生[3]。植物樹(shù)冠對(duì)氣流進(jìn)行阻擋，使一部分大粒徑的顆粒物經(jīng)過(guò)植物體時(shí)失去動(dòng)力降落或停滯在葉片表面，而小粒徑的顆粒物懸浮于植物群落空間內(nèi)。

（2）附著。植物葉表面的結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響粉塵顆粒物的沉降模式。葉表面粗糙不平、多絨毛等特性可在一定程度上截取和固定大氣顆粒物，絨毛結(jié)構(gòu)越密集、溝槽深淺差別越大，越有利于滯塵效應(yīng)。同時(shí)植物進(jìn)行蒸騰作用使其周圍一定范圍內(nèi)保持著較大濕度，粉塵吸濕沉降，濕度越大吸附灰塵的能力越強(qiáng)。

（3）粘附。自然界中有些植物枝、葉、花、果等分泌樹(shù)脂、粘液，可有效吸附空氣中的降塵和飄塵。柴一新等[4]對(duì)哈爾濱市28個(gè)樹(shù)種葉表結(jié)構(gòu)的研究表明，葉表面能分泌粘液和油脂等的樹(shù)種滯留顆粒物能力較強(qiáng)，而葉表皮為瘤狀或疣狀突起的相對(duì)較差。

由此可見(jiàn)，滯塵方式因其葉片結(jié)構(gòu)的不同而產(chǎn)生變化，如葉片光滑的月季滯塵方式多為停留，分泌樹(shù)脂的側(cè)柏滯塵方式多為粘附等。除葉片有很強(qiáng)的滯塵能力外，枝干、樹(shù)皮等也可吸附大量顆粒物。

1.2.2 能吸收轉(zhuǎn)化有毒物質(zhì) 林植物能吸收和轉(zhuǎn)化有毒物質(zhì)，主要分為3類：植物降解、植物轉(zhuǎn)化以及植物同化和超同化作用。植物降解和轉(zhuǎn)化主要針對(duì)有機(jī)類化合物，通過(guò)植物自身分泌物或生理代謝過(guò)程將外來(lái)污染物分解轉(zhuǎn)化為毒性小或無(wú)毒物質(zhì)；植物同化作用是指植物將污染物中自身需要的營(yíng)養(yǎng)元素同化入新陳代謝中，供自身生長(zhǎng)。例如，在低濃度二氧化硫污染時(shí)，植物可產(chǎn)生同化作用，使空氣中二氧化硫成為植物生長(zhǎng)的養(yǎng)料，即亞硫酸和亞硫酸根離子[5]。

1.2.3 通過(guò)蒸騰作用降低大氣顆粒濃度 園林植物可顯著降低周圍環(huán)境的溫度，增加濕度，這主要得益于其蒸騰作用。較高的空氣濕度有利于大氣顆粒物的凝結(jié)，使其加速沉降，從而減少大氣顆粒物的含量。在城市中，具有一定規(guī)模的綠地通過(guò)植物蒸騰作用產(chǎn)生大量水蒸氣，促進(jìn)水汽循環(huán)，形成充沛的降雨，洗刷掉大氣中的顆粒物。據(jù)測(cè)定，綠地比空曠地的空氣濕度高10%～20%，有林區(qū)比無(wú)林區(qū)降雨量高17.4%～27.6%[6]。

1.2.4 通過(guò)光合作用增加空氣清新度 城市汽車、工廠較多，二氧化碳排放量大，局部溫室效應(yīng)明顯，而植物的光合作用可吸收二氧化碳釋放出氧氣，平衡城市中兩者的濃度，對(duì)保持空氣清新、減緩溫室效應(yīng)等有十分重要的作用。有研究表明，常綠闊葉林每年吸收二氧化碳和釋放氧氣的量分別為29.22 t/hm2，25m2的樹(shù)林可吸收一個(gè)人釋放的二氧化碳并提供所需的氧氣[7]。

2 消霾植物的選擇與配置

早在古羅馬時(shí)期，人們就意識(shí)到樹(shù)木對(duì)空氣中顆粒物的吸附和阻滯作用。近期大量研究顯示，園林植物抗擊霧霾的能力受植物自身或外界環(huán)境等諸多因素的影響，不同樹(shù)種在減少PM 2.5污染的功能上存在差異。在城市綠化中，合理配置具有消霾能力的樹(shù)種，是取得有效成績(jī)的關(guān)鍵。

2.1 影響植物消霾的因素

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及各項(xiàng)研究表明，樹(shù)種吸附PM 2.5的效率和樹(shù)種類型、樹(shù)冠特性、個(gè)體大小、生長(zhǎng)速率和葉片微觀特性等多個(gè)影響因素密切相關(guān)。從樹(shù)種類型相比較，常綠樹(shù)種比落葉樹(shù)種著葉期長(zhǎng)，在霧霾高發(fā)期的冬季仍能發(fā)揮較好的消霾作用；從樹(shù)冠特性上來(lái)看，枝葉結(jié)構(gòu)密度越大的樹(shù)種對(duì)大氣顆粒物的阻滯作用越強(qiáng)；從樹(shù)木個(gè)體大小而言，體形高大的樹(shù)木對(duì)空氣流動(dòng)的影響較大，易形成湍流，為PM 2.5沉降提供有利條件；從生長(zhǎng)速率來(lái)看，生長(zhǎng)較快的樹(shù)木葉面積增加快，在滯塵及吸收轉(zhuǎn)換PM 2.5時(shí)更為迅速，同時(shí)較強(qiáng)的光合作用為周圍提供了更清新的環(huán)境；葉片多裂或邊緣不規(guī)則（如闊葉樹(shù)種的裂葉及多回羽狀復(fù)葉、松柏科樹(shù)種的圓柱形針葉、刺葉或鱗葉等），葉片形狀復(fù)雜，易形成湍流，有助于空氣中PM 2.5沉降，而且葉表面粗糙、有絨毛或分泌樹(shù)脂的樹(shù)種，可降低顆粒物重回大氣中的幾率[8]。

需要特別指出的是，樹(shù)種除可吸附消除PM 2.5外，本身有可能也是PM 2.5的來(lái)源。有些樹(shù)種自身釋放一種生物揮發(fā)性有機(jī)化合物（Biogenic volatile organic compounds，BVOCs），這種物質(zhì)能夠與空氣中其他污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有機(jī)氣溶膠，是PM 2.5的來(lái)源之一。減少或杜絕此類樹(shù)種的應(yīng)用也是植物消霾的途徑之一。

2.2 不同植物個(gè)體有差異

無(wú)論是喬灌草等植物個(gè)體，還是個(gè)體間不同植物種類，其消霾能力均存在較大差異。國(guó)內(nèi)外對(duì)植物消霾的差異性研究較為豐富，其中植物個(gè)體消霾能力是研究重點(diǎn)之一。

韓敬等[9]對(duì)臨沂市濱河大道不同類型綠化植物的研究表明，消霾能力由大到小排列為喬木>灌木>草本，吳中能等[10]對(duì)高速公路綠地研究同樣得出單位綠化面積消霾能力喬木>灌木>地被，王蓉麗等[11]通過(guò)綜合指數(shù)法對(duì)金華市主要園林植物綜合滯塵能力評(píng)價(jià)結(jié)果為常綠喬灌木最強(qiáng)，其次是落葉喬灌木，最后為草坪植物。同樣還有大量學(xué)者研究得出消霾能力“草本>灌木>喬木”或“灌木>草本>喬木”的結(jié)論。造成研究結(jié)果差異性的主要原因可能與衡量指標(biāo)參數(shù)、試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)定技術(shù)等因素有關(guān)，就這些因素盡早達(dá)成權(quán)威統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)有利于推動(dòng)消霾植物的應(yīng)用研究。

就目前的研究成果，國(guó)內(nèi)外就以下兩點(diǎn)達(dá)成共識(shí)：?jiǎn)棠鞠麥pPM 2.5能力較高。相比較喬灌木等相對(duì)矮小的植物，喬木在去除氣體污染物和顆粒污染物方面有較多優(yōu)勢(shì)。葉片是植物滯留大氣顆粒物最主要的載體，喬木有比其他植被類型更大的植物葉面積。同時(shí)，葉表面結(jié)構(gòu)、樹(shù)冠結(jié)構(gòu)、枝葉密度和葉片傾角等差異也會(huì)對(duì)植物滯塵產(chǎn)生影響。喬木憑借茂碩的林冠層可以降低風(fēng)速，使大氣顆粒物滯留，比灌木和草本更有效地捕捉大氣顆粒物。Matsuda等[12]對(duì)日本夏季落葉林進(jìn)行了硫酸鹽PM 2.5沉降速率的研究，發(fā)現(xiàn)27 m處的PM 2.5濃度顯著高于21 m處，以喬木為主的植物群落的阻滯吸附作用可使PM 2.5濃度顯著降低。

常綠針葉樹(shù)種消減PM 2.5作用較為顯著。與落葉闊葉樹(shù)相比，針葉樹(shù)的枝葉更為密集，枝莖更復(fù)雜，而且全年都處于有葉期，更能有效滯留空氣中的顆粒物。在對(duì)元大都遺址公園不同林地類型空氣顆粒物濃度的研究中得出，油松、國(guó)槐混交林以及白皮松林內(nèi)PM 2.5濃度較低，而白臘林、刺槐林以及刺槐、國(guó)槐、金銀木混交林內(nèi)PM 2.5濃度較高[13]。通過(guò)比較分析，以常綠針葉樹(shù)種為主的植物群落對(duì)PM 2.5的消減作用高于以落葉闊葉林為主的植物群落。

2.3 不同群落結(jié)構(gòu)有差異

盡管植物群落消減霧霾能力的研究與個(gè)體研究相比較為薄弱，但現(xiàn)有研究表明，不同植物群落結(jié)構(gòu)消霾能力具有明顯差異。劉全友等[14]在對(duì)宜昌市5個(gè)典型綠地類型研究后認(rèn)為，具喬、灌、草垂直結(jié)構(gòu)的綠地類型滯塵效應(yīng)最佳，而結(jié)構(gòu)單一、含綠量少的草坪類型對(duì)環(huán)境質(zhì)量改善程度有限。鄭少文等[15]在對(duì)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校園不同綠地類型的研究中表明，喬灌草復(fù)合型綠地對(duì)10 m處揚(yáng)塵源的減塵率為38%，灌草為31%，草坪為7%，裸地為2.6%。同樣，張新獻(xiàn)等[16]對(duì)北京居住區(qū)綠地滯塵的研究也表明，喬灌草的綠地滯塵效益相對(duì)較好。由于現(xiàn)階段不同的研究方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也有學(xué)者認(rèn)為喬灌型群落的減塵率低于喬灌草型，但高于灌草型和草坪[17]。但普遍認(rèn)為，復(fù)層結(jié)構(gòu)喬灌草型的群落模式滯塵能力最強(qiáng)，應(yīng)在城市滯塵綠地中得到廣泛應(yīng)用。

3 利用園林植物治理霧霾的途徑

3.1 增加城市區(qū)域綠地規(guī)模

城市綠地可促進(jìn)雨水循環(huán)，吸收有毒物質(zhì)，降低大氣顆粒物濃度[18]。但其只有形成一定的規(guī)模，才能保障對(duì)治理霧霾的規(guī)模效應(yīng)。所以政府應(yīng)加大城市綠化的投資，擴(kuò)大城市綠地規(guī)模，同時(shí)監(jiān)管其質(zhì)量，嚴(yán)格執(zhí)行審批程序，為建設(shè)園林綠地起到模范帶頭作用。

3.2 發(fā)揮城市道路綠地的生態(tài)廊道作用

城市道路綠化作為城市綠化的主要形式，除承擔(dān)一般綠地的功能外，還起著生態(tài)廊道的作用。綠色道路廊道是城市居民使用頻率最高的生態(tài)廊道，呈帶狀鏈接各個(gè)城市綠色斑塊。在城市規(guī)劃中，道路方向與城市主導(dǎo)風(fēng)向一致，可將城外的新鮮空氣導(dǎo)入城市中，加快空氣流通，減少霧霾沉積。道路綠地植物配置應(yīng)形成有利于風(fēng)導(dǎo)向的開(kāi)場(chǎng)面，由靠近道路一側(cè)向外層次搭配。同時(shí)，為保證城市內(nèi)的污染大氣可通暢地導(dǎo)出城外，城市外圍的防護(hù)林應(yīng)種植高度較矮的灌木。

3.3 針對(duì)不同污染源科學(xué)選擇植物種類

在遵循園林植物配置的原則下，針對(duì)不同污染源，消霾植物的選擇也要有所傾向[19]。在道路等揚(yáng)塵較多的地方，可選擇吸附能力較強(qiáng)的植物群落搭配，如梧桐—廣玉蘭—夾竹桃—月季等；在二氧化硫污染嚴(yán)重的地區(qū)，植物配置結(jié)構(gòu)可選擇刺槐—側(cè)柏—美人蕉等；在鋅污染嚴(yán)重的地區(qū)，可選擇松柏—紫葉李—杜鵑等搭配方式。

3.4 推廣應(yīng)用消霾效果明顯的植物配置模式

從目前的研究成果來(lái)看，復(fù)層結(jié)構(gòu)的“喬+灌+草”型或“喬+灌+草+喬”型群落模式消霾能力最強(qiáng)[20]。喬木體積較大，能降低風(fēng)速，阻滯空中飄塵；灌木和草本可吸附地面揚(yáng)塵；藤本植物則可阻滯不同高度的灰塵。所以在城市綠化中，要合理搭配喬灌草，形成層次的群落結(jié)構(gòu)，達(dá)到最大效率的滯塵效應(yīng)。同時(shí)，盡量避免以喬木和草本為主的配置結(jié)構(gòu)，忽視了中間灌木層的滯塵及吸收重金屬的能力。另外，在迎風(fēng)面的植物配置不宜過(guò)于封閉，一定的疏透度有利于空氣紊流，促進(jìn)PM 2.5沉降[21]。

4 展 望

園林植物在消霾中產(chǎn)生了一定的效果，但其應(yīng)用效果受氣候、技術(shù)和植物本身等多個(gè)因子影響，最終評(píng)價(jià)顯得復(fù)雜，難以定論。因此，就目前的研究水平和應(yīng)用條件對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提出一些解決措施。

（1）霧霾對(duì)植物固碳釋氧的影響。由于植物的滯塵作用，大部分空氣中的顆粒物只能滯留在葉片表面，無(wú)法被轉(zhuǎn)換吸收，如果在一段時(shí)間內(nèi)不能被沖洗，植物將會(huì)達(dá)到滯塵狀態(tài)。這將會(huì)導(dǎo)致植物氣孔阻塞，氣體交換受阻，光合作用減弱，甚至死亡。有研究表明15 d是植物單葉片滯塵量達(dá)到飽和的最大天數(shù)，但在霧霾天氣頻發(fā)的冬春季，降雨較少，靠雨淋來(lái)解決滯塵飽和問(wèn)題不夠科學(xué)。所以可適當(dāng)安排園林工人對(duì)綠化樹(shù)種進(jìn)行人工沖洗。

（2）霧霾對(duì)植物重金屬毒害的影響。植物消除霧霾的過(guò)程中也會(huì)受到重金屬毒害。霧霾中所含重金屬在植物體內(nèi)無(wú)法被吸收轉(zhuǎn)換，造成植物生理機(jī)能降低。通過(guò)克隆耐重金屬植物基因，對(duì)重金屬進(jìn)行解毒，提高植物對(duì)重金屬敏感的耐性，可有效緩解重金屬對(duì)植物的傷害，同時(shí)對(duì)改善環(huán)境具有很大作用。

（3）北方冬初季節(jié)植物葉片大量減少的影響。冬春季落葉植物還未發(fā)葉，植物自我凈化能力弱導(dǎo)致消霾能力有限，在樹(shù)種選擇上可多選用枝葉繁密的常綠針葉樹(shù)或常綠闊葉樹(shù)。

除此之外，在不增加綠化用地的前提下，提高城市的綠化覆蓋率，增加綠化量，選擇多樣化、立體化的綠化手段。屋頂綠化在其中有著良好的典范作用，隨著它的全面推廣，在不久的將來(lái)便會(huì)成為改善空氣質(zhì)量的重要手段。

治理霧霾是一個(gè)需要全社會(huì)共同努力的系統(tǒng)工程，在戰(zhàn)略上需完善國(guó)家有關(guān)大氣污染防治法律及體系；治理上主要是控制污染源，減少化石能源的排放；同時(shí)建立區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控新機(jī)制，監(jiān)督全面落實(shí)；倡導(dǎo)居民綠色生活新理念，共同加入霧霾防治。不可否認(rèn)，植物在滯塵、吸收有毒物質(zhì)等方面對(duì)治理霧霾起到了一定的作用，但是這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[22]。園林植物在防治霧霾中，有著更廣闊的應(yīng)用前景值得科研工作者去探索研究。

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（責(zé)任編輯：葉雪娥）

Research? Advances? On? Mechanism?and? Application?of? Haze?Govemancefor? Landscape? Plants

QI Shu-zhan，WEI Jia-xing，JIANG Wei-bing（College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210019, PRC）

Abstract：As the haze weather occurred frequently in recent years, the fog-haze prevention of green space had become a hot research. The research summed up the dust effect of landscape plants, its absorption and transformation of atmospheric particulate matter and some other mechanism that using landscape plants to prevent fog-haze. It also explained how to choose and configure landscape plant to prevent foghaze, and listed main ways of fog-haze prevention of landscape plants. At last, this paper proposed to the complexity of the problems and then put forward the corresponding solutions.

Key?words：landscape plants; haze govemance; mechanism; application; research advances

通訊作者：姜衛(wèi)兵

作者簡(jiǎn)介：祁舒展（1992-），女，河南濮陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫坝^學(xué)。

收稿日期：2015-11-13

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.029

中圖分類號(hào)：S688

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-060X（2016）01-0104-04