城市森林對大氣顆粒物凈化效果研究*

聶蕾，鄧志華，陳奇伯

(西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南　昆明 650224)

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城市森林對大氣顆粒物凈化效果研究*

聶蕾，鄧志華，陳奇伯

(西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明 650224)

為了探究昆明市東三環(huán)城市森林不同林分對大氣顆粒物的凈化效應(yīng)，研究昆明市東三環(huán)邊坡上的城市森林中常見的4種林分(常綠闊葉林、灌木叢、云南松林、華山松林)對大氣顆粒物的凈化功能。結(jié)果表明，馬路上的TSP的濃度是國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的1.79倍，PM10是國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的2.35倍，PM2.5是國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的3.76倍，而在城市森林內(nèi)的TSP、PM10和PM2.5的濃度均在國家一級標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；常綠闊葉林和灌木叢對大氣顆粒物的凈化效果比云南松林和華山松林的凈化效果好，同時灌木叢對PM10和PM2.5的凈化效果超過常綠闊葉林對PM10和PM2.5的凈化效果，而常綠闊葉林對TSP的凈化效果最好;TSP和PM10有較為明顯的季節(jié)性變化，而PM2.5的季節(jié)性變化不明顯；ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/(TSP)在春季的比值最小，在夏季最大。ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比ρ(PM2.5)/ρ(TSP)大一些，說明最早關(guān)注的傳統(tǒng)大氣顆粒物已經(jīng)被有效遏制，而PM2.5作為二次生成的細(xì)顆粒物成為大氣顆粒物首要的防控目標(biāo)。

城市森林；大氣顆粒物；凈化大氣；不同林分

近年來，隨著全球工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，顆粒物污染已成為嚴(yán)重的城市環(huán)境問題。大氣顆粒物是大氣中存在的固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱。分為TSP(Dp>10μm)，PM10(Dp≤10μm)，PM2.5(Dp≤2.5μm)[1]。這些顆粒物不僅影響大氣的能見度，產(chǎn)生大氣光化學(xué)煙霧，加劇城市的溫室效應(yīng)。同時這些粉塵顆粒物攜帶大量有毒物質(zhì)和致病菌，直接危害人們的身體健康，可引發(fā)呼吸道、支氣管、肺功能等疾病[2]。大量研究證明，植物能凈化大氣環(huán)境中的顆粒物。綠化植物在生物與環(huán)境長期相互適應(yīng)進(jìn)程中，植物群落通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動對其生存環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。植物是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，對于一定濃度范圍內(nèi)的大氣污染物，不僅具有一定程度的抵抗力，而且也具有相當(dāng)程度的吸收能力，這種能力稱為植物的凈化能力。植物葉片因其表面性能可以截取和固定大氣顆粒污染物，使其脫離大氣環(huán)境而成為凈化環(huán)境的重要過濾體，植被可以通過降低風(fēng)速、阻擋和吸附污染顆粒物等方式將其滯留在植被葉片上，達(dá)到凈化空氣、降低大氣顆粒物目的。昆明市大氣的主要污染來源是機(jī)動車尾氣的排放以及建筑工地施工的揚塵，所以在尚不能完全依賴污染源治理來解決環(huán)境問題的情況下，借助自然界的清除機(jī)制是緩解城市大氣污染的有效途徑。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在樹木對大氣顆粒物凈化功能等方面進(jìn)行了一些開拓性的工作，比如東北地區(qū)城市針葉樹冬季滯塵效應(yīng)研究[3]，植物葉片滯塵規(guī)律[4]，武漢市主要綠化樹種滯塵效應(yīng)研究[5]。對大氣中PM10和PM2.5的來源研究中，吳虹等探討了青島環(huán)境空氣PM10和PM2.5污染特征與來源比較以及大氣顆粒物的影響因素等[6]。另外，還有許多學(xué)者對華北地區(qū)、東北地區(qū)、華東地區(qū)、華南地區(qū)[7～9]，分別開展了不同形式的植物滯塵效應(yīng)研究，而針對西南地區(qū)尤其是西南高原城市森林對大氣顆粒物的研究鮮有報道。近地表環(huán)境中，大氣顆粒物的多少受整個區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量和局地地表狀況的影響[10～11]，不同監(jiān)測區(qū)因污染源的不同，或距離污染源的遠(yuǎn)近，均會造成不同監(jiān)測區(qū)中大氣顆粒物濃度之間的差別。所以對不同監(jiān)測區(qū)進(jìn)行大氣顆粒物的濃度的監(jiān)測，以此來確定城市森林對大氣顆粒物的凈化效益。

因此，研究昆明市城市森林常見4種不同林分對大氣顆粒物的凈化效應(yīng)，旨在為城區(qū)綠化建設(shè)中植物的選擇提供參考依據(jù)，以期為昆明市乃至西南地區(qū)大氣環(huán)境治理提供理論參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況和試驗材料

昆明地處云貴高原中部，地勢大致為北高南低，屬于北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.5℃，年均降雨量為1 450mm。試驗地點位于昆明市東三環(huán)周邊，25°03′23.90″N，102°46′0.46″E，采樣區(qū)海拔2 050～2 200m。試驗對象為該地區(qū)分布最廣和最典型的云南松(Pinusyunnanensis)林、華山松(Pinusarmandii)林、常綠闊葉林和灌木叢。昆明市東三環(huán)是連接城區(qū)與市郊的交通干道，車流量大，也是城市建筑垃圾以及渣土外運的主要道路之一。

昆明市東三環(huán)邊坡上的城市森林主要是人工林，主要林分為常綠闊葉林、灌木叢、云南松林、華山松林。其中城市森林的林齡為15～25年，常綠闊葉林的郁閉度為0.85，灌木叢的郁閉度為0.70，云南松林的郁閉度為0.85，華山松林的郁閉度為0.85。

1.2采樣方法

1.2.1大氣采樣點的布設(shè)

采樣點的布設(shè)一共設(shè)置17個，根據(jù)不同林分對昆明市東三環(huán)邊坡上的城市森林進(jìn)行功能分區(qū)布點采樣。根據(jù)城市森林里的林分分布的大小確定不同林分的采樣點的多少，其中常綠闊葉林6個，灌木叢3個，云南松林3個，華山松林2個，馬路上設(shè)置3個。其中4種林分在山坡上因海拔的不同縱向在山坡上分布。因為距離污染源的實際距離沒有差距很大，所以與污染源的距離不是主要的影響因素，可以忽略不計。

1.2.2樣品采集

PM10和TSP、PM2.5的樣品采樣，由于交通流量與TSP濃度有顯著的相關(guān)性[12～13]，因此選擇晴朗、無風(fēng)或者微風(fēng)(風(fēng)力小于3級)的天氣進(jìn)行。選擇晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的情況下進(jìn)行短時間采樣，在每種林分的林內(nèi)外用TH-β10/TH-10大氣顆粒物濃度儀對TSP、PM10和PM2.5進(jìn)行采樣，獲得數(shù)據(jù)，而林內(nèi)外TSP、PM10和PM2.5的差值即為該林分對TSP、PM10和PM2.5的凈化效果。

2　結(jié)果與分析

2.1大氣環(huán)境監(jiān)測的評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)采樣GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)值，來評定采樣區(qū)域中的大氣顆粒物的濃度，見表1。

表1　GB 3095-2012《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Tab.1　GB 3095-2012 atmospheric environment quality standard

由圖1對比馬路和城市森林內(nèi)的大氣顆粒物濃度可知，城市森林對大氣中的顆粒物有很好的凈化效益。結(jié)合表1的大氣顆粒物國家標(biāo)準(zhǔn)可知，在馬路上的TSP是國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的1.79倍，PM10是國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的2.35倍，PM2.5是國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的3.76倍，說明昆明市東三環(huán)的大氣顆粒物污染十分嚴(yán)重。由于PM2.5超出國家標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)最多，所以污染嚴(yán)重情況為PM2.5>PM10>TSP，說明現(xiàn)在粗顆粒物污染情況已經(jīng)得到控制，而大氣顆粒物的污染情況逐漸由粗顆粒物污染向細(xì)顆粒物污染轉(zhuǎn)變。

大氣顆粒物濃度是馬路>森林外>森林內(nèi)，并且森林外的大氣顆粒物濃度已經(jīng)降至國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，在城市森林內(nèi)的大氣顆粒物濃度降至國家環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。馬路上的TSP、PM10、PM2.5的濃度分別是城市森林外的1.81倍、2.39倍和3.91倍，城市森林外分別又是城市森林內(nèi)的2.77倍、3倍和3.42倍，說明城市森林對大氣顆粒物具有良好的凈化效果。

圖1　不同監(jiān)測區(qū)對大氣顆粒物的凈化效益Fig.1　Purification efficiency of atmospheric particulates in different tested sites

2.2不同類型林分對大氣顆粒物的凈化效應(yīng)

由圖2可知常綠闊葉林、灌木叢、云南松林和華山松林對大氣顆粒物均有凈化效益，常綠闊葉林和灌木叢對大氣顆粒物的凈化效果要比云南松林和華山松林的凈化效果好。

圖2　不同林分類型對大氣顆粒物的凈化效應(yīng)Fig.2　Purification effect of atmospheric particulates by different forest types

其中，常綠闊葉林對大氣中TSP的凈化效益是灌木叢的1.44倍，是云南松林的4.19倍，是華山松林的5.34倍；對大氣中PM10的凈化效益是灌木叢的1.81倍，是云南松林的5倍，是華山松林的7倍。說明常綠闊葉林對TSP和PM10的凈化效果比其他林分的凈化效果好，即常綠闊葉林對大氣中粗顆粒物的凈化效果好于其他林分，主要是因為常綠闊葉林的植物葉片面積比其他幾種林分植物葉片的面積要大，并且溝槽比其他林分葉片要深，所以有助于顆粒物的滯留[14～15]。

灌木叢對大氣中TSP的凈化效益是云南松林的2.92倍，是華山松林的3.72倍。灌木叢對大氣中PM2.5的凈化效果超過其他林分，其中灌木叢對PM2.5的凈化效益是常綠闊葉林的1.49倍，是云南松林的4.07倍，是華山松林的4.52倍。說明灌木叢對大氣中細(xì)顆粒物的凈化效果最好，是因為灌木叢植物比一般植物的高度低，并且灌木生長密集，能夠降低由于風(fēng)力揚起地面上的塵土造成的空氣粉塵污染，并且灌木植物的葉片上有絨毛，有利于大氣中飄塵的附著，所以灌木對PM2.5的凈化效果最好。

由機(jī)動車產(chǎn)生的大氣顆粒物在經(jīng)過城市森林的阻擋吸附后，濃度呈明顯的下降趨勢，且距離道路越遠(yuǎn)，大氣顆粒物的濃度越低。其中靠近路邊的凈化效果尤為顯著，原因是因為靠近路邊的大氣顆粒物的濃度較大，且濃度在樹冠以下的垂直分布比較均勻[12]，所以大氣顆粒物會被森林里較為濃密的灌木叢充分阻滯，而枝寬葉大的常綠闊葉林可以充分阻滯越過灌木的大氣顆粒物。

2.3城市森林凈化大氣的季節(jié)變化

由于大氣顆粒物的濃度與季節(jié)的變化存在關(guān)系，所以對不同季節(jié)大氣環(huán)境中的PM2.5的濃度與大氣環(huán)境中的PM10和TSP的比值進(jìn)行分析，來確定大氣環(huán)境中的粗、細(xì)顆粒物的濃度在不同季節(jié)下的變化。分別于冬(2014年1月1日)、春(2014年3月22日)、夏(2014年7月7日)、秋(2014年10月7日)進(jìn)行測定，除去一些客觀因素的影響將不同林分不同季節(jié)的TSP、PM10和PM2.5的測定結(jié)果進(jìn)行比較，從而判定季節(jié)性的變化是否對城市森林的TSP、PM10和PM2.5的凈化有影響。

圖3　不同季節(jié)大氣顆粒物的濃度Fig.3　Concentration of atmospheric particulate matter in different seasons

從圖3可以看出，TSP和PM10有較為明顯的季節(jié)性變化，春季的濃度最高，而夏季的濃度較低，是因為夏季正值植物生長的旺盛期，植物枝葉茂盛，從而能有效地減少氣流和吸滯大氣顆粒物[16]。而PM2.5的季節(jié)性變化不明顯，主要是因為大氣中PM2.5形成的原因是大氣的二次污染，二次污染又是由燃煤產(chǎn)生的污染物與一次污染物發(fā)生反應(yīng)而形成的。昆明市由于地理優(yōu)勢，不利用燃煤進(jìn)行供暖，所以昆明地區(qū)的PM2.5的季節(jié)性變化不明顯。

根據(jù)圖4可知，冬季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.763，冬季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.746；夏季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.81，夏季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.8；春季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.513，春季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.47；秋季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.528，秋季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.523?？梢钥闯龃杭镜谋戎底钚?，這主要是因為昆明的春季處于旱季并且風(fēng)大，降雨量較少，導(dǎo)致地面上的粗顆粒物揚塵較多，PM10和TSP的濃度較大；而PM2.5的空間分布較為均勻，PM2.5的季節(jié)性變化不大，所以使得ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(TSP)的比值較小。夏季的比值最大，是因為夏季處于雨季，使得大氣中的地面揚塵下降，大氣中粗顆粒物濃度降低，導(dǎo)致ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(TSP)的比值變大?？傮w而言，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)要比ρ(PM2.5)/ρ(TSP)大一些，說明最早關(guān)注的傳統(tǒng)大氣顆粒物污染物TSP已經(jīng)得到有效遏制，同時研究者更加關(guān)注對PM10的治理。PM2.5作為二次生成的細(xì)顆粒物由于相比于粗顆粒污染物傳播距離遠(yuǎn)、健康風(fēng)險高，目前已經(jīng)成為大氣顆粒污染物中首要的防控目標(biāo)。由此可知昆明市傳統(tǒng)的大氣一次污染如TSP和PM10已經(jīng)得到有效的遏制，而對二次生成的細(xì)顆粒物的控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹攸c和關(guān)鍵。

圖4　季節(jié)與大氣顆粒物之間的關(guān)系Fig.4　Relationship between season and the atmospheric particulate matter

3　結(jié)論

(1)城市森林對大氣中的顆粒物有很好的凈化效益，不同監(jiān)測區(qū)監(jiān)測的大氣顆粒物濃度是馬路>森林外>森林內(nèi)。馬路上的TSP、PM10、PM2.5的濃度分別是城市森林外的1.81倍、2.39倍和3.91倍，城市森林外分別又是城市森林內(nèi)的2.77倍、3倍和3.42倍，說明城市森林對大氣顆粒物具有良好的凈化效益并且凈化效益十分明顯。

(2)常綠闊葉林對TSP和PM10的凈化效果比其他林分的凈化效果好，其中常綠闊葉林對大氣中TSP的凈化效益是灌木叢的1.44倍，是云南松林的4.19倍，是華山松林的5.34倍；對大氣中PM10的凈化效益是灌木叢的1.81倍，是云南松林的5倍，是華山松林的7倍。灌木叢對大氣中PM2.5的凈化效果要超過其他林分，其中灌木叢對PM2.5的凈化效益是常綠闊葉林的1.49倍，是云南松林的4.07倍，是華山松林的4.52倍，說明灌木叢對大氣中細(xì)顆粒物的凈化效果最好。

(3)TSP和PM10有較為明顯的季節(jié)性變化，而PM2.5的季節(jié)性變化不明顯。

(4)昆明市的大氣中傳統(tǒng)的一次污染如TSP和PM10已經(jīng)得到有效的遏制，而對二次生成的細(xì)顆粒物如PM2.5的控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹攸c和關(guān)鍵。

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Purification Function of Atmospheric Particulates by Urban Forest

NIE Lei,DENG Zhi-hua,CHEN Qi-bo

(College of Environmental Science and Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650224,P.R.China)

In order to reveal the purification function of atmospheric particulates by different forest stands in Kunming city ,four kinds of forest types,namely evergreen broad-leaved forest,bushes,Pinusyunnanensisforest ,andPinusarmandiiforest,on the slopes along East-3-ring road were selected for study. The results showed that:(1)on the road,the concentration of the TSP was 1.79 times than that of the second national environmental quality standard,2.35 times of PM10,3.76 times of PM2.5,while in the urban forest,the concentration of TSP,PM10and PM2.5were all within the first national environmental quality standard;(2)the purification function of evergreen broad-leaved forest and bush were better than that ofPinusyunnanensisforest andPinusarmandiiforest,and the PM10and PM2.5purification function of bush were better than that of evergreen broad-leaved forest,the TSP purification function of evergreen broad-leaved forest was the best;(3) TSP and PM10had significant seasonal variations,but the seasonal variation of PM2.5was not obvious;(4)the minimum of both ρ(PM2.5)/ρ(PM10) and ρ(PM2.5)/ρ(TSP) appeared in the spring,while their maximum occurred in summer,and PM2.5had become the primary target for atmospheric particulate control since the value of ρ(PM2.5)/ρ(PM10)was always higher than that of ρ(PM2.5)/ρ(TSP).

urban forest;atmospheric particulate;air purification;different forest stands

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.05.023

2015-11-02

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204101-10)。

聶蕾(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為恢復(fù)生態(tài)。E-mail:nieleijj666@163.com

簡介：陳奇伯(1965-)，男，教授，研究方向為生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境科學(xué)。E-mail：chenqb05@163.com

S 791；S 723

A

1672-8246(2016)05-0119-05