不同植物配置模式的大气颗粒物消减效应研究—以北京市中关村森林公园为例

田志会，刘佳明

(1.北京农学院园林学院，北京 102206；2.城乡生态环境北京实验室，北京 100083；3.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 102206)

为改善大气环境质量，中国北京市自2012年启动百万亩平原地区造林工程，涉及14个区县。本研究以北京市海淀区重点平原造林项目中关村森林公园作为研究对象，探讨平原造林工程对大气颗粒物的消减作用，同时针对不同植物配置模式对大气颗粒物的消减作用进行调查研究，以期为平原造林工程的进一步发展和植物配置模式的选择提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

中关村森林公园位于北京市海淀区唐家岭，总规划面积340 hm2，自2012年开工建设，一期200 hm2，作为本次调查的主要对象。公园坐落在航天城和软件园等科技研发基地，与G7(京新高速公路)相邻。中关村森林公园为北京市海淀区的重点平原造林项目，其造林类型为景观生态林。

1.2 样地的设置方法

为重点掌握不同的植物配置模式对大气消减作用，在样方选择时，侧重以下配置模式：乔灌草主导型、灌草主导型、乔灌主导型、灌木主导型、乔木主导型、乔草主导型及草地主导型，共选取10个样方，样方面积为20 m×20 m，以公路边裸地作为对照。对照裸地为主干道路边，距离主干道距离为0.00 km，样方1到样方10距离主干道垂直距离分别为：0.18、0.36、0.38、0.41、0.42、0.52、0.53、0.53、0.50、0.35 km。

1.3 研究区植物配置模式

研究区植物配置模式主要包括：乔木型、乔灌草型、灌草型、乔灌型、灌木型、乔草型与草地等7种类型，乔灌草比例分布及植物种类见表1。

表1 研究区样地植物配置模式Tab.1 Plant configuration modes in the study area

1.4 观测方法

使用高精度手持式PM2.5速测仪(CW-HAT200)，测定距离地面1.5 m高度处的PM2.5及PM10的浓度，观测点取样方对角线交点以及其中一条对角线上距离中心点5 m处进行观测，合计观测3个点，每个观测点重复观测3次，对照为裸地。观测时间段为2015年7月—11月，每月根据大气污染状况观测2 d，每天从9：00到17：00进行观测，每2 h观测1次，若观测日之前3 d有降水出现停止观测。

1.5 污染物消减率的计算方法

消减率(D)计算公式：D=(Ps-Pck)/Pck×100%

式中：空气污染物浓度是指PM10和PM2.5的浓度；Pck为对照裸地的空气污染物浓度，Ps为样方内空气污染物浓度。

2 结果与分析

2.1 轻度污染情况下植物配置模式对PM2.5及PM10消减率的影响

2.1.1 轻度污染下植物配置模式对PM10和PM2.5的消减作用 当大气处于轻度污染情况下(PM2.5≤100 μg/m3，PM10≤100 μg/m3)，中关村森林公园对大气颗粒物PM2.5和PM10的平均消减率分别为6.79%和11.44%，但不同的植物配置模式的消减效果存在差异，乔灌草植物配置模式消减作用强于其他任何植物配置模式，见图1。对于PM10消减作用的顺序为：乔灌草>乔木>乔灌>灌木>乔草>灌草；对于PM2.5的消减作用顺序为：乔灌草>灌草>乔灌>乔草>乔木>灌木，乔灌草配置模式较之其他配置模式仍具有较大优势。同等距离下，乔木为主体的植物配置模式，有更好的消减作用。

2.1.2 轻度污染下植物配置模式对PM10和PM2.5的消减率的差异 由表2可知，在轻度污染的条件下，乔灌草、乔木、乔灌、灌木、乔草及草地几种植物配置模式对PM10和PM2.5均有消减作用。对于PM10的消减作用中，草地消减作用明显低于其他几种植物配置模式，差异显著，乔灌草配置模式消减PM10作用最强，与其他植物配置模式差异显著。以乔木为主体的植物配置模式，对PM10有较好的消减作用，且差异不显著。对于PM2.5的消减作用，乔灌草的植物配置模式明显强于其他植物配置模式，消减效果最优，而草地的最差，乔木、灌草、乔灌、灌木、乔草几种植物配置模式之间对PM2.5的消减作用差异不显著。

图1 轻度污染下植物配置模式和距离对PM10和PM2.5的消减作用Fig.1 Subtraction effect of plant configuration modes on PM10 and PM2.5 under condition of mild air pollution

表2 轻度污染条件下植物配置模式对PM2.5及PM10的消减率的差异Tab.2 Difference in the subtraction rate of PM2.5 and PM10 among different plant configuration modes under the condition of mild air pollution

注：小写英文字母表示差异(P<0.05)。

Note: The different letters indicate the difference among different modes (P<0.05).

2.2 中度污染情况下植物配置模式对PM2.5及PM10消减率的影响

2.2.1 中度污染情况下植物配置模式对PM2.5及PM10消减作用 大气处于中度污染情况下(PM2.5≤100 μg/m3，PM10≤300 μg/m3)，中关村森林公园对大气颗粒物的消减作用降低，但是，不同植物配置模式仍表现出对大气颗粒物消减作用的差异，见图2。乔灌草、乔灌和乔木三种植物配置模式均对PM2.5起到消减作用，其顺序为乔灌草>乔灌>乔木。乔灌草和乔灌两种植物配置模式对PM10有消减作用，作用情况是乔灌草>乔灌。随着大气污染程度增加，消减作用减弱(图2)，此时，距离已不再是限制消减作用的因素。

图2 中度污染下植物配置模式对PM10和PM2.5的影响Fig.2 Subtraction effect of plant configuration modes on PM10 and PM2.5 under condition of moderate air pollution

2.2.2 中度污染情况下植物配置模式对PM2.5及PM10消减率的差异 由表3可知，在中度污染情况下，乔灌草的配置模式对PM2.5和PM10的消减作用与其他植物配置模式相比均表现出显著差异，乔木、乔灌以及乔草植物配置模式对PM2.5的消减作用差异不显著，灌草及乔草植物配置模式对PM2.5的消减作用差异不显著，草地对PM2.5的消减作用与其他植物配置模式差异显著。对PM10的消减作用乔木及灌草植物配置模式差异不显著，除此之外，其他几种植物配置模式对PM10的消减作用均表现出显著差异。

2.3 重度污染情况下植物配置模式对PM2.5及PM10消减率的影响

在重度污染情况下(PM2.5>300 μg/m3，PM10>300 μg/m3)，植物对PM2.5和PM10的消减作用已经失去效果(图3)，消减率全部为负值，距主干道距离已不影响植被对大气颗粒物的消减作用。重度污染时植物配置模式对PM2.5和PM10消减率的差异分析已无意义。

表3 中度污染时不同植物配置模式对PM2.5和PM10的消减率的差异Tab.3 Difference in the subtraction rate of PM2.5 and PM10 among different plant configuration modes under the condition of mild moderate pollution

注：小写英文字母表示差异(P<0.05)。

Note: The different letters indicate the difference among different modes (P<0.05).

图3 重度污染情况下植物配置模式对PM10和PM2.5的消减率Fig.3 Subtraction effect of plant configuration modes on PM10 and PM2.5 under condition of severe air pollution

3 讨 论

植物对大气颗粒物的消减，不仅可以通过植物叶片的阻滞作用，而且可以通过植物代谢吸收来实现[8]。在大气处于轻度及中度污染时，以乔木为主体的植物配置模式对PM2.5和PM10均表现出较好的消减效果，与文献[7]研究结果一致，因其拥有更多的空间枝叶率和叶片数量，其吸滞大气颗粒物能力更强[7]。

大气处于轻度污染时，各类植物配置模式对PM10消减效应均大于PM2.5，原因可归结为，大气中PM2.5主要来自邻近主干道汽车尾气排放，其较易穿过植被；而PM10来源更为广泛，主要由扬尘构成，植被可表现出更好的拦截效果。

当大气处于重度污染情况下，植物失去对PM2.5和PM10消减作用，与文献[9-10]的研究结果一致，一方面，由于植物在高浓度、长时间的大气污染条件下，大气中的污染物会对植物造成伤害[9-10]，使其失去对大气污染物的净化作用，另一方面，当重度污染出现时，常伴随稳定的天气条件，同时，植被的存在又具有阻挡和削弱风速的作用，使得外来污染空气与裸地相比更加不易扩散和稀释。重度污染条件下，距离对消减效应无明显影响，此时来自主干道汽车尾气的污染源已不占主导地位，取而代之的是外来污染源。

一般距离污染源越近，大气颗粒物的浓度越高，会影响不同植物配置模式对大气颗粒物的消减效应，因此，待中关村森林公园发育成熟之后，可针对与主干道同等距离不同植物配置模式的对比观测以及同样植物配置模式与主干道不同距离的对比观测，进一步研究植被消减大气颗粒物的效应。

4 结 论

在大气处于轻度污染时，各种植物配置模式对PM2.5和PM10均表现出较好的消减作用，其中，乔灌草植物配置模式消减作用最好。当大气处于中度污染情况之下，以乔木为主体的植物配置模式对PM2.5和PM10表现出较好的消减效果。随着大气污染浓度的增加，对大气中PM2.5和PM10的消减作用降低，当大气处于重度污染情况之下，消减作用消失，甚至起到增强大气污染的作用。

乔灌草的植物配置模式对PM2.5和PM10表现出显著消减效果，且与其他几种植物配置模式差异显著，因此，可作为平原造林首选的植物配置模式。

虽然平原造林具有多种良好的生态效益，尤其在轻度污染条件下，对大气净化起到良好的效应，但是，对外来污染源占主导的中度以上大气污染的消减作用减弱，低矮植被类型甚至有负面效应；对于重度污染条件下，各植被类型反而具有负面效应，表明根治大气污染必须采取综合措施，尤其是要从消除污染源着手，不能过分夸大平原造林的治污作用，同时平原造林应以尽量少占用耕地作为原则。

致谢：北京农学院园林学院2013级林学系何莹、雷冉冉、穆嘉琳和张玉鸽同学参与本次调查工作，在此一并表示感谢。