园林植物消霾机理及其应用研究进展

 祁舒展，魏家星，姜卫兵 

（南京农业大学园艺学院，江苏 南京210019）



园林植物消霾机理及其应用研究进展

祁舒展，魏家星，姜卫兵

（南京农业大学园艺学院，江苏 南京210019）

摘 要：近年来雾霾天气频发，面对持续的严重雾霾天气，园林植物的消霾作用引起了当前园林工作者的极大关注。总结了植物消除雾霾的原理，阐述了如何选择与配置消霾植物，提出了园林植物消霾的主要途径。最后，分析了植物消霾的复杂性，并提出了相应的解决措施。

关键词：园林植物；雾霾治理；机理；应用；研究进展

由于工业化迅速、依赖煤电、汽车保有量迅猛增长以及漠视环保法律等，大气污染成为中国的一个严重问题，全国各大城市雾霾天气频发，冬季尤甚。雾霾中含大量PM 2.5，因其可对人类身体健康造成极大危害，诱发呼吸系统疾病甚至造成死亡而备受关注。雾霾天气形成的主要原因是环境粉尘污染，例如地面扬尘、建筑源、生物质燃烧、二次源、机动车排放和燃煤等[1]。目前雾霾治理主要集中在主要污染物源解析研究、减少污染源头工业企业排放、优化产业结构、推行清洁生产审核等，但传统的治理方法无法消除已经进入到环境中的PM 2.5，而园林植物可有效阻挡、过滤和吸附空中的大气颗粒污染物，对改善环境质量、降低雾霾天气的发生卓有成效。目前，城市园林绿地的消霾作用愈加受到重视。

1 园林植物治理雾霾的机理

1.1 植物滞尘与植物消霾的区别

二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物是雾霾的主要成分。可吸入颗粒物与雾气结合在一起使天空变得灰暗阴沉，是造成雾霾天气污染的罪魁祸首。而二氧化硫、氮氧化物为气态污染物，可通过植物吸收转化为其他物质，并不能通过滞尘作用进行消除。因此植物消除雾霾机理包含了滞尘作用，但并不完全等同。

1.2 植物治理雾霾的机理

园林植物是城市生态环境的主体，可有效阻滞粉尘、吸收有害气体，在改善空气质量、除尘降温、维护生态平衡、改善生态环境中起着不可替代的作用。在对大气颗粒物的综合防治研究中，有关植物消纳、降解空气颗粒物（含TSP、PM 10）的研究较为成熟，而由于PM 2.5长期漂浮不沉降的特性，使其分布规律难以把握，对其治理方法的研究也停留在起步阶段。笔者借鉴前人对PM10等颗粒物的研究，结合PM 2.5的特性，概括了植物有效消霾的4种机理。

1.2.1 园林植物的滞尘效应 园林植物能够滞尘，一方面与其叶片表面结构有关，气孔、皮孔、绒毛或叶分泌的油脂和汁液等都可吸收大量的粉尘。另一方面，高大植物有降低风速的作用，使大颗粒灰尘沉降被吸附，阻止了灰尘大面积传播，从而产生滞尘效应。树木作为较为持久的粉尘接受物，有着很强的积聚污染物的能力。其滞尘方式通常有3种：停留、附着、粘附，作用机理并不相同[2]。

（1）停留。地被植物覆盖地表，可减少粉尘的出现和移动。结构复杂的植物群落，对空气粉尘污染物的阻隔能力强，可遏制粉尘再次出现，减少二次扬尘的发生[3]。植物树冠对气流进行阻挡，使一部分大粒径的颗粒物经过植物体时失去动力降落或停滞在叶片表面，而小粒径的颗粒物悬浮于植物群落空间内。

（2）附着。植物叶表面的结构变化会影响粉尘颗粒物的沉降模式。叶表面粗糙不平、多绒毛等特性可在一定程度上截取和固定大气颗粒物，绒毛结构越密集、沟槽深浅差别越大，越有利于滞尘效应。同时植物进行蒸腾作用使其周围一定范围内保持着较大湿度，粉尘吸湿沉降，湿度越大吸附灰尘的能力越强。

（3）粘附。自然界中有些植物枝、叶、花、果等分泌树脂、粘液，可有效吸附空气中的降尘和飘尘。柴一新等[4]对哈尔滨市28个树种叶表结构的研究表明，叶表面能分泌粘液和油脂等的树种滞留颗粒物能力较强，而叶表皮为瘤状或疣状突起的相对较差。

由此可见，滞尘方式因其叶片结构的不同而产生变化，如叶片光滑的月季滞尘方式多为停留，分泌树脂的侧柏滞尘方式多为粘附等。除叶片有很强的滞尘能力外，枝干、树皮等也可吸附大量颗粒物。

1.2.2 能吸收转化有毒物质 林植物能吸收和转化有毒物质，主要分为3类：植物降解、植物转化以及植物同化和超同化作用。植物降解和转化主要针对有机类化合物，通过植物自身分泌物或生理代谢过程将外来污染物分解转化为毒性小或无毒物质；植物同化作用是指植物将污染物中自身需要的营养元素同化入新陈代谢中，供自身生长。例如，在低浓度二氧化硫污染时，植物可产生同化作用，使空气中二氧化硫成为植物生长的养料，即亚硫酸和亚硫酸根离子[5]。

1.2.3 通过蒸腾作用降低大气颗粒浓度 园林植物可显著降低周围环境的温度，增加湿度，这主要得益于其蒸腾作用。较高的空气湿度有利于大气颗粒物的凝结，使其加速沉降，从而减少大气颗粒物的含量。在城市中，具有一定规模的绿地通过植物蒸腾作用产生大量水蒸气，促进水汽循环，形成充沛的降雨，洗刷掉大气中的颗粒物。据测定，绿地比空旷地的空气湿度高10%～20%，有林区比无林区降雨量高17.4%～27.6%[6]。

1.2.4 通过光合作用增加空气清新度 城市汽车、工厂较多，二氧化碳排放量大，局部温室效应明显，而植物的光合作用可吸收二氧化碳释放出氧气，平衡城市中两者的浓度，对保持空气清新、减缓温室效应等有十分重要的作用。有研究表明，常绿阔叶林每年吸收二氧化碳和释放氧气的量分别为29.22 t/hm2，25m2的树林可吸收一个人释放的二氧化碳并提供所需的氧气[7]。

2 消霾植物的选择与配置

早在古罗马时期，人们就意识到树木对空气中颗粒物的吸附和阻滞作用。近期大量研究显示，园林植物抗击雾霾的能力受植物自身或外界环境等诸多因素的影响，不同树种在减少PM 2.5污染的功能上存在差异。在城市绿化中，合理配置具有消霾能力的树种，是取得有效成绩的关键。

2.1 影响植物消霾的因素

根据经验及各项研究表明，树种吸附PM 2.5的效率和树种类型、树冠特性、个体大小、生长速率和叶片微观特性等多个影响因素密切相关。从树种类型相比较，常绿树种比落叶树种着叶期长，在雾霾高发期的冬季仍能发挥较好的消霾作用；从树冠特性上来看，枝叶结构密度越大的树种对大气颗粒物的阻滞作用越强；从树木个体大小而言，体形高大的树木对空气流动的影响较大，易形成湍流，为PM 2.5沉降提供有利条件；从生长速率来看，生长较快的树木叶面积增加快，在滞尘及吸收转换PM 2.5时更为迅速，同时较强的光合作用为周围提供了更清新的环境；叶片多裂或边缘不规则（如阔叶树种的裂叶及多回羽状复叶、松柏科树种的圆柱形针叶、刺叶或鳞叶等），叶片形状复杂，易形成湍流，有助于空气中PM 2.5沉降，而且叶表面粗糙、有绒毛或分泌树脂的树种，可降低颗粒物重回大气中的几率[8]。

需要特别指出的是，树种除可吸附消除PM 2.5外，本身有可能也是PM 2.5的来源。有些树种自身释放一种生物挥发性有机化合物（Biogenic volatile organic compounds，BVOCs），这种物质能够与空气中其他污染物发生化学反应，生成有机气溶胶，是PM 2.5的来源之一。减少或杜绝此类树种的应用也是植物消霾的途径之一。

2.2 不同植物个体有差异

无论是乔灌草等植物个体，还是个体间不同植物种类，其消霾能力均存在较大差异。国内外对植物消霾的差异性研究较为丰富，其中植物个体消霾能力是研究重点之一。

韩敬等[9]对临沂市滨河大道不同类型绿化植物的研究表明，消霾能力由大到小排列为乔木>灌木>草本，吴中能等[10]对高速公路绿地研究同样得出单位绿化面积消霾能力乔木>灌木>地被，王蓉丽等[11]通过综合指数法对金华市主要园林植物综合滞尘能力评价结果为常绿乔灌木最强，其次是落叶乔灌木，最后为草坪植物。同样还有大量学者研究得出消霾能力“草本>灌木>乔木”或“灌木>草本>乔木”的结论。造成研究结果差异性的主要原因可能与衡量指标参数、试验环境、测定技术等因素有关，就这些因素尽早达成权威统一的标准有利于推动消霾植物的应用研究。

就目前的研究成果，国内外就以下两点达成共识：乔木消减PM 2.5能力较高。相比较乔灌木等相对矮小的植物，乔木在去除气体污染物和颗粒污染物方面有较多优势。叶片是植物滞留大气颗粒物最主要的载体，乔木有比其他植被类型更大的植物叶面积。同时，叶表面结构、树冠结构、枝叶密度和叶片倾角等差异也会对植物滞尘产生影响。乔木凭借茂硕的林冠层可以降低风速，使大气颗粒物滞留，比灌木和草本更有效地捕捉大气颗粒物。Matsuda等[12]对日本夏季落叶林进行了硫酸盐PM 2.5沉降速率的研究，发现27 m处的PM 2.5浓度显著高于21 m处，以乔木为主的植物群落的阻滞吸附作用可使PM 2.5浓度显著降低。

常绿针叶树种消减PM 2.5作用较为显著。与落叶阔叶树相比，针叶树的枝叶更为密集，枝茎更复杂，而且全年都处于有叶期，更能有效滞留空气中的颗粒物。在对元大都遗址公园不同林地类型空气颗粒物浓度的研究中得出，油松、国槐混交林以及白皮松林内PM 2.5浓度较低，而白腊林、刺槐林以及刺槐、国槐、金银木混交林内PM 2.5浓度较高[13]。通过比较分析，以常绿针叶树种为主的植物群落对PM 2.5的消减作用高于以落叶阔叶林为主的植物群落。

2.3 不同群落结构有差异

尽管植物群落消减雾霾能力的研究与个体研究相比较为薄弱，但现有研究表明，不同植物群落结构消霾能力具有明显差异。刘全友等[14]在对宜昌市5个典型绿地类型研究后认为，具乔、灌、草垂直结构的绿地类型滞尘效应最佳，而结构单一、含绿量少的草坪类型对环境质量改善程度有限。郑少文等[15]在对山西农业大学校园不同绿地类型的研究中表明，乔灌草复合型绿地对10 m处扬尘源的减尘率为38%，灌草为31%，草坪为7%，裸地为2.6%。同样，张新献等[16]对北京居住区绿地滞尘的研究也表明，乔灌草的绿地滞尘效益相对较好。由于现阶段不同的研究方法与评价标准，也有学者认为乔灌型群落的减尘率低于乔灌草型，但高于灌草型和草坪[17]。但普遍认为，复层结构乔灌草型的群落模式滞尘能力最强，应在城市滞尘绿地中得到广泛应用。

3 利用园林植物治理雾霾的途径

3.1 增加城市区域绿地规模

城市绿地可促进雨水循环，吸收有毒物质，降低大气颗粒物浓度[18]。但其只有形成一定的规模，才能保障对治理雾霾的规模效应。所以政府应加大城市绿化的投资，扩大城市绿地规模，同时监管其质量，严格执行审批程序，为建设园林绿地起到模范带头作用。

3.2 发挥城市道路绿地的生态廊道作用

城市道路绿化作为城市绿化的主要形式，除承担一般绿地的功能外，还起着生态廊道的作用。绿色道路廊道是城市居民使用频率最高的生态廊道，呈带状链接各个城市绿色斑块。在城市规划中，道路方向与城市主导风向一致，可将城外的新鲜空气导入城市中，加快空气流通，减少雾霾沉积。道路绿地植物配置应形成有利于风导向的开场面，由靠近道路一侧向外层次搭配。同时，为保证城市内的污染大气可通畅地导出城外，城市外围的防护林应种植高度较矮的灌木。

3.3 针对不同污染源科学选择植物种类

在遵循园林植物配置的原则下，针对不同污染源，消霾植物的选择也要有所倾向[19]。在道路等扬尘较多的地方，可选择吸附能力较强的植物群落搭配，如梧桐—广玉兰—夹竹桃—月季等；在二氧化硫污染严重的地区，植物配置结构可选择刺槐—侧柏—美人蕉等；在锌污染严重的地区，可选择松柏—紫叶李—杜鹃等搭配方式。

3.4 推广应用消霾效果明显的植物配置模式

从目前的研究成果来看，复层结构的“乔+灌+草”型或“乔+灌+草+乔”型群落模式消霾能力最强[20]。乔木体积较大，能降低风速，阻滞空中飘尘；灌木和草本可吸附地面扬尘；藤本植物则可阻滞不同高度的灰尘。所以在城市绿化中，要合理搭配乔灌草，形成层次的群落结构，达到最大效率的滞尘效应。同时，尽量避免以乔木和草本为主的配置结构，忽视了中间灌木层的滞尘及吸收重金属的能力。另外，在迎风面的植物配置不宜过于封闭，一定的疏透度有利于空气紊流，促进PM 2.5沉降[21]。

4 展 望

园林植物在消霾中产生了一定的效果，但其应用效果受气候、技术和植物本身等多个因子影响，最终评价显得复杂，难以定论。因此，就目前的研究水平和应用条件对以下几个关键问题提出一些解决措施。

（1）雾霾对植物固碳释氧的影响。由于植物的滞尘作用，大部分空气中的颗粒物只能滞留在叶片表面，无法被转换吸收，如果在一段时间内不能被冲洗，植物将会达到滞尘状态。这将会导致植物气孔阻塞，气体交换受阻，光合作用减弱，甚至死亡。有研究表明15 d是植物单叶片滞尘量达到饱和的最大天数，但在雾霾天气频发的冬春季，降雨较少，靠雨淋来解决滞尘饱和问题不够科学。所以可适当安排园林工人对绿化树种进行人工冲洗。

（2）雾霾对植物重金属毒害的影响。植物消除雾霾的过程中也会受到重金属毒害。雾霾中所含重金属在植物体内无法被吸收转换，造成植物生理机能降低。通过克隆耐重金属植物基因，对重金属进行解毒，提高植物对重金属敏感的耐性，可有效缓解重金属对植物的伤害，同时对改善环境具有很大作用。

（3）北方冬初季节植物叶片大量减少的影响。冬春季落叶植物还未发叶，植物自我净化能力弱导致消霾能力有限，在树种选择上可多选用枝叶繁密的常绿针叶树或常绿阔叶树。

除此之外，在不增加绿化用地的前提下，提高城市的绿化覆盖率，增加绿化量，选择多样化、立体化的绿化手段。屋顶绿化在其中有着良好的典范作用，随着它的全面推广，在不久的将来便会成为改善空气质量的重要手段。

治理雾霾是一个需要全社会共同努力的系统工程，在战略上需完善国家有关大气污染防治法律及体系；治理上主要是控制污染源，减少化石能源的排放；同时建立区域联防联控新机制，监督全面落实；倡导居民绿色生活新理念，共同加入雾霾防治。不可否认，植物在滞尘、吸收有毒物质等方面对治理雾霾起到了一定的作用，但是这些还远远不够[22]。园林植物在防治雾霾中，有着更广阔的应用前景值得科研工作者去探索研究。

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（责任编辑：叶雪娥）

Research  Advances  On  Mechanism and  Application of  Haze Govemancefor  Landscape  Plants

QI Shu-zhan，WEI Jia-xing，JIANG Wei-bing（College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210019, PRC）

Abstract：As the haze weather occurred frequently in recent years, the fog-haze prevention of green space had become a hot research. The research summed up the dust effect of landscape plants, its absorption and transformation of atmospheric particulate matter and some other mechanism that using landscape plants to prevent fog-haze. It also explained how to choose and configure landscape plant to prevent foghaze, and listed main ways of fog-haze prevention of landscape plants. At last, this paper proposed to the complexity of the problems and then put forward the corresponding solutions.

Key words：landscape plants; haze govemance; mechanism; application; research advances

通讯作者：姜卫兵

作者简介：祁舒展（1992-），女，河南濮阳市人，硕士研究生，研究方向为景观学。

收稿日期：2015-11-13

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.029

中图分类号：S688

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）01-0104-04