森林植被滯納大氣顆粒物研究概述

程立超 駱媛媛 彭 巍

(1.黑河學(xué)院，黑龍江 黑河 164300；2.黑河市林業(yè)科學(xué)院，黑龍江 黑河 164300)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)綠色、生態(tài)、健康的需求愈來愈迫切，良好的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為吸納人才、科技、資源的一個(gè)重要影響條件。但隨著全社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的急劇加快、城市農(nóng)村居民汽車總量的持續(xù)快速增長，大氣顆粒物的相關(guān)問題已成為當(dāng)前許多區(qū)域內(nèi)大氣污染物質(zhì)的首要因素，在社會(huì)各界已經(jīng)得到廣泛關(guān)注與重視。

在過去的幾十年時(shí)間里，歐美國家積極開展了大氣顆粒物方面的研究，隨后我國對(duì)大氣顆粒物的研究也陸續(xù)開始，大氣質(zhì)量問題得到前所未有的關(guān)注。森林植被作為自然界最大的生產(chǎn)力，是人類與大氣質(zhì)量關(guān)系最為密切的關(guān)切點(diǎn)之一，森林植被可以通過有效滯納大氣顆粒物或改變大氣顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向而顯著提高大氣質(zhì)量。通過森林植被顆粒物吸滯機(jī)制來降低大氣顆粒物的污染，已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展行業(yè)的熱點(diǎn)問題之一[1]。本研究從森林植被滯納大氣顆粒物的影響因素、存在問題與發(fā)展趨勢(shì)三個(gè)層面展開概述，為森林植被滯納大氣顆粒物的相關(guān)研究提供參考價(jià)值，將對(duì)工程造林綠化和城市綠地的建設(shè)指導(dǎo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 森林植被滯納大氣顆粒物影響因素

森林植被滯納大氣顆粒物的情況受多種因素影響，包括森林植被種類、植株高度、冠幅、枝葉疏密程度、葉片傾斜角、葉片面積、葉片厚度等內(nèi)在因素，同時(shí)也受森林植被所處外在環(huán)境因素影響，諸如溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量等均影響森林植被滯納大氣顆粒物的情況。植被的內(nèi)在因素和環(huán)境因素對(duì)大氣顆粒物滯納體現(xiàn)出不同特性，從以下幾個(gè)層次進(jìn)行概述。

1.1 森林植被葉片結(jié)構(gòu)對(duì)大氣顆粒物滯納的影響

植物葉片的大小、葉片的厚度和氣孔的數(shù)量等解剖結(jié)構(gòu)影響著大氣顆粒物的滯納[2]。邱媛等人的研究結(jié)果顯示，森林植被枝條向上伸展且硬度大、葉片與水平面夾角為正值、枝葉密集的樹種，在同樣的環(huán)境下滯納大氣顆粒物的量最大[3]。植物葉片結(jié)構(gòu)相同的情況下，面積大的葉片滯納大氣顆粒物的量就越多。旱生植物的葉片小且厚、氣孔較多，表明植物器官的生長和分化與環(huán)境密切相關(guān)，氣孔大、密度大的結(jié)構(gòu)特征更利于增加植物葉片與大氣顆粒物的接觸面積，一般情況下，植物葉片滯納大氣顆粒物的量隨植物葉片氣孔數(shù)量的增加而增加。植物葉片的厚度可隨季節(jié)的變化而發(fā)生變化，一般情況下，氣候溫濕時(shí)為了適應(yīng)植物體旺盛的新陳代謝葉片較厚，氣候寒冷時(shí)為了減少植物體有氧呼吸葉片較薄，植物葉片的厚度在一定程度上能夠體現(xiàn)葉片的強(qiáng)度，葉片較厚的植物有著較強(qiáng)的滯納大氣顆粒物的能力。

1.2 森林植被葉片表面微形態(tài)對(duì)大氣顆粒物滯納的影響

表皮毛、紋理、分泌物、蠟質(zhì)等葉片表面微形態(tài)具有重要的植物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)意義，是研究森林植被滯納大氣顆粒物情況的常用指標(biāo)。從定量的角度研究，俞學(xué)如發(fā)現(xiàn)森林植被葉片表面滯納大氣顆粒物的量隨著葉片上氣孔總數(shù)的增加而增大，毛被數(shù)量越多的葉片滯納大氣顆粒物的量就越大，且毛被短而多的葉片滯納大氣顆粒物的能力強(qiáng)[4]。通過電鏡觀察，柴一新等人注意到森林植被葉片表皮細(xì)胞具有溝狀組織、密集纖毛的樹種滯納大氣顆粒物的能力比具有瘤狀或疣狀突起的樹種強(qiáng)[5]。Mitchell R.等人的分析結(jié)果顯示，森林植被葉片帶脊和多毛的樹種顆粒物沉積速度最大[6]。森林植被葉片表面的微形態(tài)特征不僅影響著葉片滯納大氣顆粒物的量，同時(shí)也影響著大氣顆粒物在葉片表面的堅(jiān)實(shí)程度。側(cè)柏和圓柏的葉片表面上密集著許多脊?fàn)钔黄鸬臏喜?，這些溝槽可以深藏許多小顆粒物，而難以被降水和大風(fēng)去除掉，油松的葉片表層平滑而且粘性較大，更易于小顆粒物的滯納，當(dāng)小顆粒物濃度較高的揚(yáng)塵天氣發(fā)生時(shí)，葉片表面顆粒物附著密度呈現(xiàn)出快速增加的現(xiàn)象[7]。森林植被葉片滯納大氣顆粒物能力的大小與其葉片表面的表皮毛、紋理、分泌物、蠟質(zhì)等微形態(tài)有密切關(guān)系，能夠科學(xué)反映不同植被葉片微形態(tài)滯納大氣顆粒物的量。

1.3 不同樹種對(duì)大氣顆粒物滯納的能力

不同植物樹種之間滯納大氣顆粒物的能力存在差異性。Beckett K. P.等利用風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)的研究方法顯示了針葉樹種對(duì)大氣顆粒物的沉積速率和捕獲效率均高于闊葉樹種，針葉樹種滯納大氣顆粒物的能力更強(qiáng)[8]。劉霞等人對(duì)青島城陽區(qū)主要綠化樹種滯塵能力的研究也進(jìn)行了證實(shí)[9]。通過在樹冠層下不同高度處布設(shè)濕沉降監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，比較油松和栓皮櫟兩個(gè)不同樹種單位葉片面積的滯塵量，發(fā)現(xiàn)油松高于栓皮櫟，但降雨后發(fā)現(xiàn)栓皮櫟葉面上大氣顆粒物沖刷率高于油松[10]。較多的研究學(xué)者已經(jīng)證實(shí)，針葉樹種的葉片比闊葉樹種的葉片滯納大氣顆粒物的能力強(qiáng)，而針葉樹種中，松類植物葉片吸滯能力高于柏類，這與針葉樹種葉片生長密度大，葉片表面粗糙程度大、氣孔數(shù)量多、具有凹槽突起和油脂層結(jié)構(gòu)等因素有一定關(guān)系。

1.4 不同植被類型滯納大氣顆粒物的研究

采用高精度手持PM2.5監(jiān)測(cè)儀，以重慶鐵山坪森林公園主干路段為對(duì)照，定位監(jiān)測(cè)不同樹種、林分及其結(jié)構(gòu)特征的PM2.5和PM10濃度，分析顯示，大氣顆粒物在不同林分內(nèi)的濃度是針闊混交林最高，其次是闊葉林，針葉林最低，大氣顆粒物在不同垂直結(jié)構(gòu)林分內(nèi)PM2.5和PM10的濃度均展現(xiàn)出喬木層＞喬灌層＞喬灌草層[11]。對(duì)多種不同樹種的單位葉片面積進(jìn)行分析，顯示針葉樹種比闊葉樹種具備更強(qiáng)的清除大氣顆粒物的潛能[12]。馮朝陽等人分析了北京市門頭溝區(qū)常綠喬木、落葉闊葉喬木、灌木、草地4種不同植被類型的平均滯塵能力，結(jié)果顯示，常綠喬木林的滯塵能力大于草地、落葉闊葉喬木林的滯塵能力略大于灌木林[13]。不同植被類型滯納大氣顆粒物的量具有差異性，其單位葉片總面積滯納大氣顆粒物的量與樹冠的尺寸呈正相關(guān)，常綠喬木＞常綠灌木＞落葉喬木＞落葉灌木＞地被植物[14]，也有學(xué)者提出灌木樹種相比喬木樹種具有更強(qiáng)的滯納大氣顆粒物的能力，除去樹種本身的結(jié)構(gòu)特性因素以外，與環(huán)境條件、測(cè)試葉片樣品的生長部位等因素均有關(guān)系，應(yīng)視具體情況進(jìn)一步研究。

1.5 氣候因素對(duì)森林植被滯納大氣顆粒物的影響

森林植被滯納大氣顆粒物的量受多種因素影響，除了植物本身的生物學(xué)特性以外，自然界之中的風(fēng)速、降水、溫度、濕度等氣候因素影響大氣顆粒物的濃度，而對(duì)森林植被滯納大氣顆粒物的能力產(chǎn)生一定影響。研究常見氣象因子對(duì)PM2.5及其不同組分的影響，表明氣溫、相對(duì)濕度、降水量、環(huán)流的日變化可闡釋50%以上PM2.5的變動(dòng)情形[15]。分析成都城市空氣環(huán)境濕度變化對(duì)大氣顆粒物濃度的影響，王超等人發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度越大時(shí)大氣顆粒物的濃度就越高，絕對(duì)濕度越大，大氣顆粒物的濃度就越低[16]。量化北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心植物園開闊區(qū)和城區(qū)非植被區(qū)PM2.5的動(dòng)態(tài)濃度，注意到不同天氣情況下均展現(xiàn)出PM2.5質(zhì)量濃度城區(qū)非植被區(qū)最高，其次是植物園林區(qū)，植物園開闊區(qū)域最少[17]。國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)森林植被滯納大氣顆粒物受氣候因素影響的研究取得了一定的成果，風(fēng)能夠攜帶大氣顆粒物產(chǎn)生湍流運(yùn)動(dòng)而影響森林植被滯納大氣顆粒物的強(qiáng)弱，降水量和降水頻率一方面影響著大氣顆粒物本身的濃度，另一方面影響著森林植被滯納大氣顆粒物以后被沖刷的效果，夏季氣溫升高光照充足利于植物進(jìn)行光合作用，可通過葉片氣孔滯納更多量的大氣顆粒物，空氣濕度的變化調(diào)控著植物葉片氣孔的開、閉和大氣顆粒物本身的濃度，總體上，氣候因素呈現(xiàn)出直接或間接綜合影響森林植被對(duì)大氣顆粒物的滯納效果。

2 存在問題

現(xiàn)今，對(duì)大氣顆粒物的研究較多集中于來源、理化特性等層面，對(duì)森林植被滯納大氣顆粒物的研究落后于歐美國家，仍然存在一些問題。一方面，森林植被與大氣顆粒物間的相關(guān)作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。由于存在地域上、空間上的差異，對(duì)大氣顆粒物的監(jiān)測(cè)和研究缺乏系統(tǒng)性、全面性和準(zhǔn)確性，難以進(jìn)行深入分析和比較。另一方面，影響大氣顆粒物的因素相對(duì)較多，特別是環(huán)境等因素，人為較難控制，只能將影響因素降到最低。不同的分析測(cè)定方法會(huì)致使研究結(jié)果不同。

目前，較多的學(xué)者處于研究不同植被類型與特定大氣顆粒物間的關(guān)系，理論研究較多，但在實(shí)際應(yīng)用方面，城市綠化森林植被如何配置，如何通過優(yōu)化森林植被類型來減弱或消除大氣顆粒物，結(jié)合不同地區(qū)大氣顆粒物情況，篩選出適合該地區(qū)有效吸滯大氣顆粒物能力的樹種組合及綠化標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)一步研究。

3 發(fā)展趨勢(shì)

大氣顆粒物的存在不僅使空氣質(zhì)量降低，還對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生一系列的危害，如引起胎兒的早死亡、誘發(fā)癌癥、引起呼吸道感染等諸多疾病[18]。依據(jù)相關(guān)新聞，每年約80萬人的過早死都與PM2.5有關(guān)，位列致死風(fēng)險(xiǎn)的第13位。隨著社會(huì)的發(fā)展和人類的不斷進(jìn)步，2018年7月9日《中國城市報(bào)》第02版表述了我國城市化進(jìn)程快速穩(wěn)定發(fā)展，大氣顆粒物的相關(guān)問題會(huì)愈來愈受到人們的廣泛關(guān)切，綠色植物特別是森林植被必將在降低大氣顆粒物濃度方面發(fā)揮不可替代的作用。不同森林植被對(duì)大氣顆粒物的凈化能力不等，在鄉(xiāng)土樹種范圍內(nèi)，研究比較不同森林植被對(duì)大氣顆粒物的滯納情況，通過自然資源的高效利用來改善居民健康、提升城市環(huán)境、提高空氣質(zhì)量，這在當(dāng)今顯得越來越重要。長期定位開展森林植被對(duì)大氣顆粒物調(diào)控的研究，去除生態(tài)因子的影響差異，開展植物葉片對(duì)大氣顆粒物滯留機(jī)制和適應(yīng)機(jī)制的研究，明確森林植被減弱或消除大氣顆粒物的機(jī)理和過程，遵從自然的發(fā)展規(guī)律，構(gòu)建符合人類預(yù)期的典型森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，必將是未來一段時(shí)間內(nèi)的研究和發(fā)展趨勢(shì)。