城市森林对PM2.5的控制作用研究进展

侯贻菊 刘延惠* 闫国华 赵文君

(1.贵州省林业科学研究院 贵阳 550005；2.贵州省林业调查规划院 贵阳 550003)

城市森林对PM2.5的控制作用研究进展

侯贻菊1刘延惠1*闫国华2赵文君1

(1.贵州省林业科学研究院 贵阳 550005；2.贵州省林业调查规划院 贵阳 550003)

本文从植物个体和城市森林群落控制PM2.5的能力差异及其时空变化规律方面分析总结了城市森林控制PM2.5的研究现状，并对该研究做了相关展望，以期达到更好的控制PM2.5的目的。

城市森林；PM2.5；调控功能

随着城市建设的加快、工业化的快速发展和汽车保有量的增加，建筑物扬尘、工业废弃物以及汽车尾气排放量急剧上升，城市空气污染问题日益突出[1]，特别是以PM2.5为首的可吸入颗粒物已经成为影响城市人居环境和居民身体健康的城市首要污染物[2]。PM2.5因其粒径(≤2.5微米)小而具有沉降速度慢、滞留时间长的特点，因此其影响范围广、危害程度大[3]。PM2.5能够进入人体呼吸道(又称为可入肺颗粒物)，通过血液循环进入各组织器官，会直接干扰肺部气体交换，引发哮喘、支气管炎和心血管疾病等多种疾病[4～5]，对老人、儿童、呼吸道疾病和心肺病患者等危害更大[6～8]。

城市森林是森林的一种特殊类型，指在城市区域内以各种树木为主体的植被及其所在环境所构成的森林生态系统[9]，对PM2.5的扩散有显著的阻碍作用。城市森林作为城市生态环境中具有自净功能的最大生态系统[10]，可通过覆盖地表减少扬尘，降低 PM2.5来源，并通过降低风速促进PM2.5沉降，改变风向阻拦PM2.5进入局部区域，还可通过叶面、枝条和茎干表面吸附PM2.5，气孔、皮孔吸收PM2.5等方式，有效地阻滞空气颗粒物，发挥净化大气的功能[11～15]。不同类型城市森林对PM2.5的控制功能大小不同，本文从植物个体和城市森林群落控制PM2.5能力差异及其时空变化规律方面总结城市森林控制PM2.5的研究现状，旨在为进一步的理论研究及城市生态建设提供参考。

1 植物个体PM2.5的吸滞特征

受植物形体大小和枝叶自身特性的影响，植物个体间控制PM2.5能力差异显著，这种差异在单位滞尘量和全株最大滞尘量方面均有体现，不同树种单位面积和单叶滞尘量最大的差异可达到近十倍和数十倍[16]，全株最大滞尘量相差几十倍以上[17～18]，甚至有学者发现不同树种单位滞尘量相差上万倍[19]。叶片形态结构特征的不同是引起个体植株控制PM2.5能力差异的主要原因。

1.1 植物叶片对PM2.5的滞留作用

植物滞尘量大小与叶片形态结构、叶面粗糙程度、叶片着生角度、叶片湿润性以及树冠大小、疏密度等因素有关[20]。当PM2.5通过城市森林时，树木叶片凹凸不平的结构、叶片茸毛以及从树叶气孔中分泌出的粘性叶浆和油脂等均能拦截住大量的微尘，有明显的阻挡、过滤和吸附作用[2]。植物叶片吸滞大气颗粒物的能力受叶表面微结构影响较大，谢滨泽[21]等通过对北京20种常见阔叶绿化植物单位叶面积滞留PM2.5的质量研究发现不同植物单位叶面积滞留PM2.5的质量存在显著差异，变化范围为0.04～0.39g/m2，叶表面沟槽宽度为5μm左右时对PM2.5的滞留量较大，沟槽越深，滞留量越大，气孔密度较大的叶片表面颗粒物滞留量较大。柴一新[22]等对城市绿化树种滞尘效应的研究发现：叶表皮具沟状组织、密集纤毛的树种如银中杨、金银忍冬的滞尘能力是叶表皮具瘤状或疣状突起树种如稠李的3～4倍。郑少文[23]等通过对北方常见绿化树种的滞尘效应的研究发现二球悬铃木、毛白杨、梓树等单位叶面积滞尘能力较强的阔叶树种均属于叶面皱缩、多毛和具有分泌液的树种，圆柏、雪松、油松、白皮松等针叶树种单位叶重滞尘量的差异主要是由于叶片集生数量不同和叶片的着生角度不同引起的。王蕾等[24]测定了北京市11种园林植物叶面颗粒物附着密度，发现植物叶片上表面滞留的大气颗粒物数量约为下表面的5倍，上表面滞留大气颗粒物能力由高到低的微形态就够依次是沟槽>叶脉+小窒>小室>条状突起，并且结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物。

1.2 植物滞留PM2.5的时空变化规律

1.2.1 时间变化规律

植物叶片的滞尘量不是随着时间的积累而线性增加，而是增幅减小，滞尘达到饱和，滞尘量便不再增加或增加幅度较小，直到下次大雨过后植物叶片再重新滞尘。一般认为大于 15mm 的雨量就可以冲掉植物叶片的降尘[25]。Schabel 等[26]的研究也发现，园林植被枝叶对粉尘的吸附作用均是暂时的，随着下一次降雨的到来，粉尘会被雨水冲洗掉，具有一定的“可塑性”。 高金晖等[27]的研究表明植物叶片滞尘量在达到极限值以前受空气中粉尘含量的影响较大，同种植物叶片的滞尘量会随着空气中粉尘含量的增多而增大。一天内植物叶片累计滞尘过程与时间不成线性相关关系，这说明植物叶片的滞尘过程是一个复杂的动态过程，植物叶面的滞尘与粉尘脱落同时存在[28]。 一般情况下，一天内植物叶片滞尘量分别在早上 8:00～10:00和傍晚16:00～18:00 相对较大[29]。 Nowak[30]、Woodruff[31]、Arden[32]和 Pope[33～34]等的研究也表明绿地植被枝叶对粉尘的截留和吸附受到时间的影响，但影响效应及其呈现时间变化规律则依树种、环境等条件而不同。

植物滞尘作用在不同季节存在较大区别。张景等[29]研究发现叶片滞尘量的变异系数受不同季节外界自然因素的干扰变化较大。同一地点大部分绿化树种滞尘能力的季节动态规律是冬季滞尘量最高、春秋季次之，夏季较低[35]。 李玉琛的研究也表明滞尘量变化规律为：冬季、秋季含量较高，春季和夏季较低[36]。 造成这种现象的原因一方面与着叶季节长短等因素有很大关系，另一方面与空气中PM2.5浓度的季节变化特点有关，一般冬季的叶片滞尘量是最大的，这可能是由于冬季雾天和逆温层出现的天数多以及采暖煤炭燃烧量增加所导致的。另外，植物生长的阶段对植物的滞尘能力也产生较大影响。董希文[37]研究发现，银中杨大树和幼树的单位叶面积滞尘量存在差异，由于苗期叶片相对较大，叶表粗糙，特别是背面多毛，因此滞尘量较大; 而大树的叶片小叶居多，且较光滑，单位滞尘量相对较少。

1.2.2 空间变化规律

城市空气污染程度对植物的滞尘总量产生很大影响[38]。高金晖[27]等在封闭式和开敞式两种不同环境条件下，对单位叶面积的滞尘量进行了系统分析，结果表明：同种类植物种在封闭式环境条件下叶片滞尘量明显低于开敞式环境条件下的滞尘量。由于叶片受外界环境干扰，植物叶片单位面积滞尘量的变异系数较大，植物叶面的滞尘与粉尘脱落同时存在，并且在开放式环境条件下车辆行人繁多，造成路面较大程度的二次扬尘，因此同株植物叶片“低”位的滞尘量明显高于“高”位和“中”位，说明即使在同一环境中，植物的不同部位叶片的单位滞尘量也存在较大差异。程政红等[39]的研究表明，同种树木均以重度污染区的滞尘量最大，轻度污染区的滞尘量最小。邱媛等[40]研究了广东省惠州市不同功能区的4种主要绿化乔木(大叶榕、小叶榕、高山榕、紫荆)，其滞尘总量排序为：工业区>商业交通区>居住区>清洁区。陈玮等[41]的研究表明，在不同位置的桧柏滞尘能力排序为：机动车道与自行车道分车带>自行车与人行道分隔带>公园内同株树面对街道面>公园内同株树背离街道面，说明不同路段机动车尾气排放量不同，滞尘效应也就有了较大差异。苟亚清等[42]也得到相似的结论。

1.3 不同树种调控PM2.5能力差异

无论是乔木(阔叶树或针叶树)、灌木、草本植物，不同的植物个体之间的滞尘能力都存在较大的差异，高大的乔木能够阻滞、过滤外界的降尘和飘尘，低矮的灌木、草本、地被等则能有效减少地面扬尘[43]。就针叶树和阔叶树而言，一般认为针叶树的滞尘能力大于阔叶树种。Beckett[44]、Tallis[45]等认为针叶植物由于其复杂的枝叶空间分布结构对小颗粒物的沉降能力显著高于阔叶树种，且阔叶树种由于非生长季树叶凋落，其降尘作用被极大削弱。贾宗锴等[46]研究表明，就滞尘能力而言，地被植物<落叶灌木<落叶乔木<常绿灌木<常绿乔木。张新献等[47]的研究表明，丁香的滞尘能力是紫叶小檗的6倍多；落叶乔木毛白杨为垂柳的3倍多。不同树种单位叶面积吸尘效果不同，如圆柏的单位叶面积平均每月吸尘量就远远大于榆树单位叶面积平均每月吸尘量。郭建超等[48]通过对两种不同林地(杨树林和油松林)的观测研究发现城市林地不同对PM2.5质量浓度的影响不同，油松对PM2.5的吸附阻止作用较杨树强，且作用更明显。古琳等[49]通过对无锡惠山三种城市游憩林(香樟林、湿地松林、栓皮栎林)实时监测研究发现惠山3 种游憩林内PM2.5浓度年均值低于道路，湿地松林和香樟林内PM2.5浓度年均值低于栓皮栎林。

2 城市森林群落控制PM2.5的能力差异

城市森林对PM2.5具有很好的阻挡、过滤、拦截和吸附作用，牛生杰等[50]利用搭载在飞机上的APS一3310型激光空气动力学气溶胶粒子谱仪，于1999年春末对中国西北沙漠地区上空的气溶胶进行探测，结果表明，植被覆盖度好的地面上空PM2.5浓度小于沙漠地点上空的PM2.5。任启文等[51]通过对北京元大都遗址公园内不同林地类型及其旁边道路空气颗粒物及微生物浓度的研究，发现公园内部PM2.5浓度值明显低于道路上的PM2.5，表明森林具有良好的滞尘作用。上述研究结果表明在较小和较大的空间尺度上，森林具有明显的滞尘效应。

2.1 城市森林群落对PM2.5的控制作用

城市森林群落对PM2.5的控制作用主要体现在物理和化学作用两个方面。物理调控[10]主要是通过改变气流运动速度和方向来降尘，并通过城市森林特殊的叶面结构及复杂的冠层结构来吸附、阻滞粉尘；布局合理的城市森林可通过其茂密的树冠及复层结构有效降低风速，对因风力而重返空气的粉层起到再次截留的作用，其地表的枯枝落叶、草丛或地被等还能有效避免或减少二次扬尘的发生[51]。城市森林化学调控作用主要包括林内空气负离子对PM2.5的中和作用、对温湿度的影响以及植物有机物质的挥发[10]。由于PM2.5等颗粒物一般都是正离子，所以空气中的负氧离子具有主动吸收PM2.5的能力。负氧离子浓度与空气中可吸入颗粒物PM2.5的浓度呈负相关关系，负氧离子浓度越高，则PM2.5的浓度越低[52]，当室内空气中负氧离子的浓度超过每立方厘米2. 5万个时，空气中的含尘量会减少一倍以上。健康的成熟的森林就是负氧离子的主要制造者，森林的木材、叶枝尖端放电及植物光合作用形成的光电效应能产生大量的负氧离子，森林覆盖率越高，负氧离子含量越高[53]，对PM2.5的消除能力越强。

2.2 不同绿地类型调控PM2.5的能力差异

城市森林群落结构对森林滞尘效应的发挥产生巨大的影响。刘学全等[54]在宜昌市城区的研究表明，具有乔-灌-草立体结构的绿地类型滞尘效果最佳，结构单一，且立体绿量较少的草坪滞尘率较低。Baker等[55]的研究表明，乔-灌-草型的绿地具有相对较好的滞尘作用，是目前较为理想的绿地类型。郑少文等[23]在山西省晋中盆地的山西农业大学校园的3种绿地类型中，乔-灌-草型绿地滞尘能力最大，灌-草型绿地次之，单一草坪型绿地最小。周志翔等[56]在武钢厂区绿地景观类型空间结构及滞尘效应的研究表明，具有乔灌草结合的多行复层绿带和防护林地的滞尘效果较好，植物结构单一的专类园和观赏草坪滞尘效果较差。粟志峰等[57]的研究表明，街道绿地规划应以稠密乔木型和乔木加灌木加花草型为首选，可有效阻滞机动车辆行驶产生的二次扬尘，从而减少颗粒物对空气质量的影响。因此，选择滞尘能力强的植物，并以乔、灌、草不同生活型植物进行合理配置，是提高城市森林滞尘效应的有效途径。

2.3 城市森林PM2.5浓度变化特征

城市森林调控空气颗粒物是一个复杂的动态过程，受滞尘累积时间长短、昼夜和季节变化、植物所处环境污染状况等诸多因素影响，呈现出一定变化规律[10]。城市森林对PM2.5的调控作用因季节不同而变化。北京西山三种典型游憩林内PM2.5浓度总体上呈现冬季>夏季>秋季>春季的规律[58]。无锡惠山三种游憩林内PM2.5浓度在春季>冬季>秋季>夏季，这可能主要与南北方气候差异及春季北方沙尘中的细颗粒物长距离输送有关[49]。清华大学校园内6种城市绿地空气PM2.5浓度在季节分布上差异显著，秋季最低、夏季最高，夏季不同类型绿地空气PM2.5浓度极显著高于春季、秋季和冬季；冬季空气PM2.5浓度极显著高于秋季、显著高于春季，春季、秋季之间没有显著差异[59]。王成等[58]通过对北京西山三种典型游憩林(侧柏纯林，黄栌纯林，黄栌、构树、油松、侧柏混交林)一年四季24h昼夜观测研究发现游憩林内PM2.5浓度多数时候远低于城区对照值，PM2.5在不同类型游憩林内的变化趋势和浓度值存在一定差异。郁闭度较大的侧柏林夜间PM2.5浓度总体上高于其它两种林型，其高峰和低谷出现时间延迟，高峰值大，高峰期持续时间长，且这种规律在秋季表现得更明显。

3 研究展望

综上所述，国内外学者在城市森林对PM2.5的调控作用、特别是植物叶片滞尘作用方面取得了较多的研究成果，明确了森林植被能够有效降低空气中PM2.5等颗粒物，但此类研究尚处于起步阶段，几乎没有什么定量化的研究。关于城市森林如何影响空气颗粒物扩散、沉降和循环等过程和机制等方面的研究较少，因此，有待于加强试验模拟与实地结合的定量研究，以分析城市森林调控空气颗粒物的作用，揭示林内空气颗粒物的扩散规律、循环过程，获取最佳、最科学的植物配置和群落结构构建方式，为治理城市空气颗粒物污染和合理经营与营造城市森林提供科学依据。

在城市森林研究中，研究城市森林调控空气颗粒物的功能并不是研究的最终目的，其关键在于如何用研究成果来指导实践并应用到实际建设当中，促进城市森林的健康发展和城市环境的最终改善。基于目前城市森林调控空气颗粒物的研究成果还没有得到广泛的应用，丞需进一步加强研究成果与具体实践的结合，通过建立示范区带动科研成果的转化与应用。

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Research Progress on Control Function of Urban Forest in PM2.5

HOU Yi-ju, LIU Yan-hui, YAN Guo-hua, ZHAO Wen-jun

(1.Guizhou Academy of Forestry ,GuiYang,Guizhou 550005,2.Forest Survey and Planning Institute of Guizhou Province,Guiyang, Guizhou 550003 )

In this paper, the research status of urban forest control PM2.5is analyzed and summarized from the aspects of the differences of PM2.5capacity between plant individuals and urban forest communities and their spatial and temporal changes, and made a related outlook on this research in order to control PM2.5 better.

Urban Forest , PM2.5, control function

2016-01-13

侯贻菊(1988～)，女，助理工程师，主要从事森林生态研究；E-mail:houyijuzi@163.com

刘延惠(1973～)，女，博士，副研究员，主要从事森林生态和森林水文研究

贵州省科技厅社发项目(黔科合SY字[2015]3021)，贵州省林业重大项目(黔林科合[2014] 重大01号)

S718.51+2.1

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