PM2.5特征及森林植被对其调控研究进展

吴海龙，余新晓†，师忱，张艳，张振明

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.北京林业大学自然保护区学院，100083，北京)

PM2.5特征及森林植被对其调控研究进展

吴海龙1，余新晓1†，师忱1，张艳1，张振明2

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.北京林业大学自然保护区学院，100083，北京)

随着工业化进程的加快，人类活动对自然环境的影响越来越大，大气中PM2.5对人类健康的威胁逐步加剧，如何减轻PM2.5对人类的危害已经成为一个迫切需要解决的问题。通过分析国内外学者对PM2.5的研究成果，总结PM2.5的时空分布特征、组成特性、来源分类，以及世界主要国家、地区对PM2.5的监测标准，并基于森林植被对PM2.5的调控作用，指出通过合理建设森林植被达到有效调控PM2.5、降低PM2.5对人类的危害的目的。

PM2.5;森林植被;监测标准;调控

随着工业的发展和城市建设的扩大，工业废弃物、建筑扬尘以及汽车尾气排放量急剧上升，大气污染日益严重。经过洛杉矶光化学烟雾事件和伦敦烟雾事件之后，欧美国家就开始了对大气颗粒物的研究。国内由于工业经济发展相对缓慢，对大气污染问题认识较晚，对大气污染的研究起步也较晚。PM(particulate matter)即为颗粒物，PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5 μm的颗粒物，其直径还不到人的头发丝粗细的1/20，也称为可入肺颗粒物。科学家用PM2.5表示每m3空气中这种颗粒物的质量含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长，输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。现阶段对于PM2.5的研究可分为几个方面，即对PM2.5本身的研究，包括分布特征研究、组成研究、来源研究等，对PM2.5的监测方法与仪器的研究，对PM2.5危害的研究(主要集中在医学领域)，以及森林植被对PM2.5的作用研究。前3类研究较为深入，最后一类则处于起步阶段。

1 PM2.5特征研究

国内外对PM2.5的特征研究主要集中在时间变化规律(日、月和季节变化)、空间变化规律(水平和垂直方向)、PM2.5组成成分和来源分析等方面。对国内该方面的主要文献进行统计分析，结果见表1。可以看出，PM2.5的时间变化规律主要是由于季节性气候条件和居民生活习惯导致。气候条件如风、降水以及沙尘天气等，不同时间段风向风速不同，对该地区大气中颗粒物会产生不同的影响。居民生活习惯主要体现为冬春季节居民燃煤和汽车尾气的排放，尤其是北方地区，冬春季节采暖期PM2.5会急剧上升，到非采暖期就会降低，上下班高峰期PM2.5也会出现峰值。

表1 国内主要学者对PM2.5的研究成果Tab．1 Status of PM2.5 investigated by major researchers

表1 (续)

从表1还可以看出，PM2.5在空间上的分布具有明显的水平区域特性和垂直层次变化。与市区相比，郊区PM2.5低得多，在市区内部不同地方，由于城市绿地的存在也存在很大的区别。垂直距离上，随着离地面高度的增加，PM2.5逐渐降低。

表1显示，PM2.5组成成分可以分为2大类，即有机粒子和非有机粒子。其中有机粒子即有机碳，是分布最广的组成成分，非有机粒子包括元素碳和无机离子(如 Al、SO2－4)，其分布存在区域特性，与其来源有关。

细颗粒物主要来源于燃料燃烧等人为活动，按其形成方式可分为3种:直接以固态形式排出的一次粒子;在高温状态下以气态形式排出、在烟羽的稀释和冷却过程中凝结成固态的一次可凝结粒子;由气态前体污染物通过大气化学反应而生成的二次粒子［19］。虽然在不同的研究中，PM2.5的具体来源有所不同，但究其根本原因仍可归纳为3大类，即化石燃料的燃烧、生物质的燃烧和大气中发生化学反应产生的二次PM2.5，只是在不同的地区、不同的环境背景下表现形式有所不同。

随着PM2.5污染的日益加剧，其对人类出行、身体健康等都会产生极大的影响。1943年，在美国洛杉矶发生了人类历史上第1次光化学烟雾事件，随后在北美、日本、澳大利亚和欧洲也相继出现了这类事件，只到1958年，经过反复的研究才确定这是由汽车尾气造成的。烟雾事件不仅给人类出行造成了巨大的不便，也对农作物造成了经济损失，同时直接给人类带来疾病。1952年的伦敦烟雾事件持续4天，由于烟雾事件而新增的直接死亡人数达1 800人左右，由其后遗症死亡人数达8 000人左右。在国内虽没有发生类似重大事件，但在北京、上海、广州等这类特大城市，烟雾弥漫的天气在2000年左右经常出现，近年来稍有好转，但现状仍不容乐观。

2 PM2.5监测标准

自20世纪四五十年代起，国外就已经开始对空气中颗粒物进行研究，随着研究的深入，对空气中颗粒物的认识也逐渐深入。研究者将大气颗粒物分为PM10和 PM2.5，近期有学者在研究中也提出了PM1.0的概念。我国对 PM10研究较早，而对PM2.5的研究较晚。1997年首先由美国提出PM2.5的监测标准，随后澳大利亚、日本、欧盟等也相继出台了大气中 PM2.5的监测标准［20］(表2)。从表中可以看出，在已经出台标准和即将出台标准的所有国家中，除了澳大利亚的标准符合WHO标准，且不是强制性执行的以外，其余国家的标准均未达到WHO的标准，表明现阶段在各国PM2.5污染状况不容乐观，急需治理。

表2 世界卫生组织和各国的PM2.5标准情况Tab．2 Standards of WHO and other countries

3 植被对PM2.5的调控研究

城市树木能够显著去除空气污染物，并提高环境质量，有益人体健康。树木可以通过直接和间接去除污染物的方式对空气进行净化。直接方式是指树木通过叶面气孔的主要途径吸收去除气体污染物，而对于空气携带性颗粒物质则主要通过截留的方式清除。间接去除方式是指树木能够通过荫蔽和蒸发散降低大气温度，从而通过节省降温能源的方式减少相关污染物的排放，同时，降低空气温度能够降低化学反应活动，减少由此产生的次级污染物［21］。

利用小时气象数据和污染物浓度数据对美国连续大片区域进行模拟研究的结果，城市树木可以大量去除空气污染物，并提升城市空气质量，年总污染物清除量可达71.1万t，折合经济效益达38亿美元［21］。在芝加哥进行的研究结果显示，城市森林对净化空气产生的经济效益达到920万美元［22］。采用模型模拟研究城市森林对PM的清除效果，结果表明，美国Sacramento市PM10的日清除率达到2.7 t，对颗粒物的清除可占到人为排放的1% ～2%［23］。

研究证实，相比较为矮小的植物，乔木去除气体污染物和颗粒污染物以及截留气溶胶性质污染物的能力更高。乔木除了比其他植被类型具有更高的叶面积外，还能够产生更多的湍流。切尔诺贝利核事故后的观测结果表明，森林比草地更能有效地吸收细微颗粒物。吴志萍等［24］研究了6种城市绿地环境下空气PM2.5浓度的变化规律，发现春、秋、冬季有乔木的绿地内空气PM2.5浓度较低，夏季草坪内空气PM2.5浓度较低。牛生杰等［25］将 APS－3310型激光空气动力学气溶胶粒子谱仪安装在飞机上，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，植被覆盖度好的地点上空PM2.5小于沙漠地点上空的PM2.5。任启文等［26］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进行了研究，发现公园内部PM2.5值明显低于道路上的PM2.5，表明森林具有良好的滞尘作用。Cheng Manting等［7］对台湾台中和仁爱2个地区进行了细颗粒物含量对比研究，结果发现，台中人口众多，森林覆盖度小，而仁爱森林覆盖度高，人口稀少，所以，前者PM2.5是后者的1.4倍，其中PM2.5以氮氧化物为主。郭二果［27］研究了北京西山地区3种典型游憩林对空气中颗粒物的阻滞和吸附效应，指出游憩林对空气中颗粒物的阻滞和吸附有良好的效果，能有效降低空气中颗粒物的质量含量。现阶段对树木调控PM2.5等颗粒物种间差异的研究较少，但已有研究发现这种种间差异确实存在。由于欧洲黑松(Pinus nigra)和金柏Cupressocyparis leylandii)叶子结构更细微复杂，因此它们截获颗粒物的效率更高［28］。这说明合理的树种选择能够提高森林净化空气的效能。

由于人们对颗粒物浓度带来的危险意识的日益增强，出现了越来越多的定量和定性检测PM长期和短期排放的手段。在发展中国家，由于环保管理薄弱，城市化带来的工业排放和交通尾气污染对大气环境造成了严重的问题，因此，方便快捷且成本低廉的检测替代方法尤为重要。PM气溶胶中的磁性矿物可能会通过工业燃烧过程、居民制暖或机动车排放，以及路面和制动系统的摩擦产物而产生［29－32］，因此，磁性指标，尤其是磁化率就能用于监测一段时间内大气PM污染的区域分布。通过研究从道路上直接收集的灰尘样本［33－34］、滤膜收集样本［35－38］或叶片沉积灰尘样本［39－41］，污染物的磁性已被用来鉴别大气工业和交通污染，并且该方法还被用于对土壤污染物进行特性分析［29－30，32－33，42－43］。

4 总结与展望

PM2.5直接危害着人类的身体健康，如何治理和防治PM2.5是研究的最终目的。一方面是从源头控制，尽可能地减少能够产生PM2.5的污染物排放，一方面是寻求高效合理的方法消除空气中已经产生的PM2.5。由于PM2.5是伴随着各种人类活动而产生的，而这些人类活动又是必须进行的，要彻底从源头消除PM2.5是无法做到的，尤其是对于经济快速发展的中国来说更是不符合国情的;因此，除了从源头控制以外，更重要的是如何消除已经产生的PM2.5。森林植被作为地球上重要的组成部分，对调节生物圈生态环境具有不可替代的作用。不同的植被类型对PM2.5的消除作用不同，同时消除效果与天气条件也密切相关。到目前为止，关于植被对PM2.5的阻滞和吸收作用仍没有定量化的研究，只有少量的关于不同植被对PM2.5等颗粒物的阻滞和吸附的定性研究。这些研究明确了一点，即森林植被能够有效降低空气中PM2.5等颗粒物，但具体什么树种能最有效地降低PM2.5等颗粒物，森林如何配置，在城市中如何合理布局等还急需进一步探讨。

为了充分利用森林植被对PM2.5的消除作用，还需要对森林调控PM2.5的作用进行深入研究，主要体现在以下2个方面。

在充分掌握当地环境背景数据的前提下，选择合适的树种(植物种)。不同的植物种除了叶片表面能够吸附PM2.5以外，还能在一定程度上吸收消化PM2.5中的化学成分，这就需要确定目标树种(植物种)对 PM2.5的阻滞吸收作用，例如柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex)、银杏(Ginkgo bilobaL.)、刺槐(Robinia pseudoacacia)能吸收二氧化硫。

不同地点人们对PM2.5的要求不同，在人为活动频率大的地方(如公园、校园、居民小区等公共场所)要求PM2.5越低越好，而在人为活动频率低的地方(如封闭的树林)对PM2.5的要求不严;因此，可以将PM2.5从人为活动频率高的地方转移到人为活动频率低的地方，这就需要对不同地点的植被结构进行不同的配置，如草坪、灌木丛、高大乔木以及三者之间的互相搭配，不仅要考虑到植被类型的配置，还要考虑到不同类型之间比例的搭配。

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Advances in the study of PM2.5 characteristic and the regulation of forests to PM2.5

Wu Hailong1，Yu Xinxiao1，Shi Chen1，Zhang Yan1，Zhang Zhenming2
(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forest University，100083，Beijing;2.College of Nature Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing:China)

The harm of PM2.5 on human is increasing with the quick development of industry and human activities.How to reduce the harm of PM2.5 is an urgent problem.By summarizing domestic and foreign researches on PM2.5，the paper analyzed its characteristics of temporal and spatial distribution，composition and sources.Also it introduced the monitoring standards of main countries or areas in the world.Finally，the relationship of PM2.5 and vegetation was emphasized.Suitable structure vegetation could help human to prevent PM2.5 effectively，so as to reduce its harm.

PM2.5;vegetation;monitoring standards;regulation

2012－07－07

2012－10－19

林业公益性行业科研项目“森林对PM2.5等颗粒物的调控功能与技术研究”

吴海龙(1986—)，男，博士研究生。主要研究方向:森林水文。E－mail:petera@bjfu.edu.cn

†责任作者简介:余新晓(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向:森林水文，水土保持。E－mail:yuxinxiao@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)