城市森林对大气颗粒物净化效果研究*

聂蕾，邓志华，陈奇伯

(西南林业大学 环境科学与工程学院，云南　昆明 650224)



城市森林对大气颗粒物净化效果研究*

聂蕾，邓志华，陈奇伯

(西南林业大学 环境科学与工程学院，云南昆明 650224)

为了探究昆明市东三环城市森林不同林分对大气颗粒物的净化效应，研究昆明市东三环边坡上的城市森林中常见的4种林分(常绿阔叶林、灌木丛、云南松林、华山松林)对大气颗粒物的净化功能。结果表明，马路上的TSP的浓度是国家环境质量二级标准的1.79倍，PM10是国家环境质量二级标准的2.35倍，PM2.5是国家环境质量二级标准的3.76倍，而在城市森林内的TSP、PM10和PM2.5的浓度均在国家一级标准以内；常绿阔叶林和灌木丛对大气颗粒物的净化效果比云南松林和华山松林的净化效果好，同时灌木丛对PM10和PM2.5的净化效果超过常绿阔叶林对PM10和PM2.5的净化效果，而常绿阔叶林对TSP的净化效果最好;TSP和PM10有较为明显的季节性变化，而PM2.5的季节性变化不明显；ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/(TSP)在春季的比值最小，在夏季最大。ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比ρ(PM2.5)/ρ(TSP)大一些，说明最早关注的传统大气颗粒物已经被有效遏制，而PM2.5作为二次生成的细颗粒物成为大气颗粒物首要的防控目标。

城市森林；大气颗粒物；净化大气；不同林分

近年来，随着全球工业化和城市化的迅猛发展，颗粒物污染已成为严重的城市环境问题。大气颗粒物是大气中存在的固态和液态颗粒状物质的总称。分为TSP(Dp>10μm)，PM10(Dp≤10μm)，PM2.5(Dp≤2.5μm)[1]。这些颗粒物不仅影响大气的能见度，产生大气光化学烟雾，加剧城市的温室效应。同时这些粉尘颗粒物携带大量有毒物质和致病菌，直接危害人们的身体健康，可引发呼吸道、支气管、肺功能等疾病[2]。大量研究证明，植物能净化大气环境中的颗粒物。绿化植物在生物与环境长期相互适应进程中，植物群落通过物质循环和能量流动对其生存环境产生巨大影响。植物是生态环境的重要组成部分，对于一定浓度范围内的大气污染物，不仅具有一定程度的抵抗力，而且也具有相当程度的吸收能力，这种能力称为植物的净化能力。植物叶片因其表面性能可以截取和固定大气颗粒污染物，使其脱离大气环境而成为净化环境的重要过滤体，植被可以通过降低风速、阻挡和吸附污染颗粒物等方式将其滞留在植被叶片上，达到净化空气、降低大气颗粒物目的。昆明市大气的主要污染来源是机动车尾气的排放以及建筑工地施工的扬尘，所以在尚不能完全依赖污染源治理来解决环境问题的情况下，借助自然界的清除机制是缓解城市大气污染的有效途径。

目前，国内外学者在树木对大气颗粒物净化功能等方面进行了一些开拓性的工作，比如东北地区城市针叶树冬季滞尘效应研究[3]，植物叶片滞尘规律[4]，武汉市主要绿化树种滞尘效应研究[5]。对大气中PM10和PM2.5的来源研究中，吴虹等探讨了青岛环境空气PM10和PM2.5污染特征与来源比较以及大气颗粒物的影响因素等[6]。另外，还有许多学者对华北地区、东北地区、华东地区、华南地区[7～9]，分别开展了不同形式的植物滞尘效应研究，而针对西南地区尤其是西南高原城市森林对大气颗粒物的研究鲜有报道。近地表环境中，大气颗粒物的多少受整个区域大气环境质量和局地地表状况的影响[10～11]，不同监测区因污染源的不同，或距离污染源的远近，均会造成不同监测区中大气颗粒物浓度之间的差别。所以对不同监测区进行大气颗粒物的浓度的监测，以此来确定城市森林对大气颗粒物的净化效益。

因此，研究昆明市城市森林常见4种不同林分对大气颗粒物的净化效应，旨在为城区绿化建设中植物的选择提供参考依据，以期为昆明市乃至西南地区大气环境治理提供理论参考。

1　材料与方法

1.1研究区概况和试验材料

昆明地处云贵高原中部，地势大致为北高南低，属于北亚热带低纬高原山地季风气候，年平均气温为16.5℃，年均降雨量为1 450mm。试验地点位于昆明市东三环周边，25°03′23.90″N，102°46′0.46″E，采样区海拔2 050～2 200m。试验对象为该地区分布最广和最典型的云南松(Pinusyunnanensis)林、华山松(Pinusarmandii)林、常绿阔叶林和灌木丛。昆明市东三环是连接城区与市郊的交通干道，车流量大，也是城市建筑垃圾以及渣土外运的主要道路之一。

昆明市东三环边坡上的城市森林主要是人工林，主要林分为常绿阔叶林、灌木丛、云南松林、华山松林。其中城市森林的林龄为15～25年，常绿阔叶林的郁闭度为0.85，灌木丛的郁闭度为0.70，云南松林的郁闭度为0.85，华山松林的郁闭度为0.85。

1.2采样方法

1.2.1大气采样点的布设

采样点的布设一共设置17个，根据不同林分对昆明市东三环边坡上的城市森林进行功能分区布点采样。根据城市森林里的林分分布的大小确定不同林分的采样点的多少，其中常绿阔叶林6个，灌木丛3个，云南松林3个，华山松林2个，马路上设置3个。其中4种林分在山坡上因海拔的不同纵向在山坡上分布。因为距离污染源的实际距离没有差距很大，所以与污染源的距离不是主要的影响因素，可以忽略不计。

1.2.2样品采集

PM10和TSP、PM2.5的样品采样，由于交通流量与TSP浓度有显著的相关性[12～13]，因此选择晴朗、无风或者微风(风力小于3级)的天气进行。选择晴朗无风或微风的情况下进行短时间采样，在每种林分的林内外用TH-β10/TH-10大气颗粒物浓度仪对TSP、PM10和PM2.5进行采样，获得数据，而林内外TSP、PM10和PM2.5的差值即为该林分对TSP、PM10和PM2.5的净化效果。

2　结果与分析

2.1大气环境监测的评价标准

根据环境空气质量评价标准采样GB3095-2012《环境空气质量标准》标准值，来评定采样区域中的大气颗粒物的浓度，见表1。

表1　GB 3095-2012《大气环境质量标准》Tab.1　GB 3095-2012 atmospheric environment quality standard

由图1对比马路和城市森林内的大气颗粒物浓度可知，城市森林对大气中的颗粒物有很好的净化效益。结合表1的大气颗粒物国家标准可知，在马路上的TSP是国家环境质量二级标准的1.79倍，PM10是国家环境质量二级标准的2.35倍，PM2.5是国家环境质量二级标准的3.76倍，说明昆明市东三环的大气颗粒物污染十分严重。由于PM2.5超出国家标准的倍数最多，所以污染严重情况为PM2.5>PM10>TSP，说明现在粗颗粒物污染情况已经得到控制，而大气颗粒物的污染情况逐渐由粗颗粒物污染向细颗粒物污染转变。

大气颗粒物浓度是马路>森林外>森林内，并且森林外的大气颗粒物浓度已经降至国家环境质量二级标准以内，在城市森林内的大气颗粒物浓度降至国家环境质量一级标准以内。马路上的TSP、PM10、PM2.5的浓度分别是城市森林外的1.81倍、2.39倍和3.91倍，城市森林外分别又是城市森林内的2.77倍、3倍和3.42倍，说明城市森林对大气颗粒物具有良好的净化效果。

图1　不同监测区对大气颗粒物的净化效益Fig.1　Purification efficiency of atmospheric particulates in different tested sites

2.2不同类型林分对大气颗粒物的净化效应

由图2可知常绿阔叶林、灌木丛、云南松林和华山松林对大气颗粒物均有净化效益，常绿阔叶林和灌木丛对大气颗粒物的净化效果要比云南松林和华山松林的净化效果好。

图2　不同林分类型对大气颗粒物的净化效应Fig.2　Purification effect of atmospheric particulates by different forest types

其中，常绿阔叶林对大气中TSP的净化效益是灌木丛的1.44倍，是云南松林的4.19倍，是华山松林的5.34倍；对大气中PM10的净化效益是灌木丛的1.81倍，是云南松林的5倍，是华山松林的7倍。说明常绿阔叶林对TSP和PM10的净化效果比其他林分的净化效果好，即常绿阔叶林对大气中粗颗粒物的净化效果好于其他林分，主要是因为常绿阔叶林的植物叶片面积比其他几种林分植物叶片的面积要大，并且沟槽比其他林分叶片要深，所以有助于颗粒物的滞留[14～15]。

灌木丛对大气中TSP的净化效益是云南松林的2.92倍，是华山松林的3.72倍。灌木丛对大气中PM2.5的净化效果超过其他林分，其中灌木丛对PM2.5的净化效益是常绿阔叶林的1.49倍，是云南松林的4.07倍，是华山松林的4.52倍。说明灌木丛对大气中细颗粒物的净化效果最好，是因为灌木丛植物比一般植物的高度低，并且灌木生长密集，能够降低由于风力扬起地面上的尘土造成的空气粉尘污染，并且灌木植物的叶片上有绒毛，有利于大气中飘尘的附着，所以灌木对PM2.5的净化效果最好。

由机动车产生的大气颗粒物在经过城市森林的阻挡吸附后，浓度呈明显的下降趋势，且距离道路越远，大气颗粒物的浓度越低。其中靠近路边的净化效果尤为显著，原因是因为靠近路边的大气颗粒物的浓度较大，且浓度在树冠以下的垂直分布比较均匀[12]，所以大气颗粒物会被森林里较为浓密的灌木丛充分阻滞，而枝宽叶大的常绿阔叶林可以充分阻滞越过灌木的大气颗粒物。

2.3城市森林净化大气的季节变化

由于大气颗粒物的浓度与季节的变化存在关系，所以对不同季节大气环境中的PM2.5的浓度与大气环境中的PM10和TSP的比值进行分析，来确定大气环境中的粗、细颗粒物的浓度在不同季节下的变化。分别于冬(2014年1月1日)、春(2014年3月22日)、夏(2014年7月7日)、秋(2014年10月7日)进行测定，除去一些客观因素的影响将不同林分不同季节的TSP、PM10和PM2.5的测定结果进行比较，从而判定季节性的变化是否对城市森林的TSP、PM10和PM2.5的净化有影响。

图3　不同季节大气颗粒物的浓度Fig.3　Concentration of atmospheric particulate matter in different seasons

从图3可以看出，TSP和PM10有较为明显的季节性变化，春季的浓度最高，而夏季的浓度较低，是因为夏季正值植物生长的旺盛期，植物枝叶茂盛，从而能有效地减少气流和吸滞大气颗粒物[16]。而PM2.5的季节性变化不明显，主要是因为大气中PM2.5形成的原因是大气的二次污染，二次污染又是由燃煤产生的污染物与一次污染物发生反应而形成的。昆明市由于地理优势，不利用燃煤进行供暖，所以昆明地区的PM2.5的季节性变化不明显。

根据图4可知，冬季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.763，冬季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.746；夏季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.81，夏季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.8；春季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.513，春季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.47；秋季ρ(PM2.5)/ρ(PM10)=0.528，秋季ρ(PM2.5)/ρ(TSP)=0.523。可以看出春季的比值最小，这主要是因为昆明的春季处于旱季并且风大，降雨量较少，导致地面上的粗颗粒物扬尘较多，PM10和TSP的浓度较大；而PM2.5的空间分布较为均匀，PM2.5的季节性变化不大，所以使得ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(TSP)的比值较小。夏季的比值最大，是因为夏季处于雨季，使得大气中的地面扬尘下降，大气中粗颗粒物浓度降低，导致ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(TSP)的比值变大。总体而言，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)要比ρ(PM2.5)/ρ(TSP)大一些，说明最早关注的传统大气颗粒物污染物TSP已经得到有效遏制，同时研究者更加关注对PM10的治理。PM2.5作为二次生成的细颗粒物由于相比于粗颗粒污染物传播距离远、健康风险高，目前已经成为大气颗粒污染物中首要的防控目标。由此可知昆明市传统的大气一次污染如TSP和PM10已经得到有效的遏制，而对二次生成的细颗粒物的控制逐渐转变为重点和关键。

图4　季节与大气颗粒物之间的关系Fig.4　Relationship between season and the atmospheric particulate matter

3　结论

(1)城市森林对大气中的颗粒物有很好的净化效益，不同监测区监测的大气颗粒物浓度是马路>森林外>森林内。马路上的TSP、PM10、PM2.5的浓度分别是城市森林外的1.81倍、2.39倍和3.91倍，城市森林外分别又是城市森林内的2.77倍、3倍和3.42倍，说明城市森林对大气颗粒物具有良好的净化效益并且净化效益十分明显。

(2)常绿阔叶林对TSP和PM10的净化效果比其他林分的净化效果好，其中常绿阔叶林对大气中TSP的净化效益是灌木丛的1.44倍，是云南松林的4.19倍，是华山松林的5.34倍；对大气中PM10的净化效益是灌木丛的1.81倍，是云南松林的5倍，是华山松林的7倍。灌木丛对大气中PM2.5的净化效果要超过其他林分，其中灌木丛对PM2.5的净化效益是常绿阔叶林的1.49倍，是云南松林的4.07倍，是华山松林的4.52倍，说明灌木丛对大气中细颗粒物的净化效果最好。

(3)TSP和PM10有较为明显的季节性变化，而PM2.5的季节性变化不明显。

(4)昆明市的大气中传统的一次污染如TSP和PM10已经得到有效的遏制，而对二次生成的细颗粒物如PM2.5的控制逐渐转变为重点和关键。

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Purification Function of Atmospheric Particulates by Urban Forest

NIE Lei,DENG Zhi-hua,CHEN Qi-bo

(College of Environmental Science and Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650224,P.R.China)

In order to reveal the purification function of atmospheric particulates by different forest stands in Kunming city ,four kinds of forest types,namely evergreen broad-leaved forest,bushes,Pinusyunnanensisforest ,andPinusarmandiiforest,on the slopes along East-3-ring road were selected for study. The results showed that:(1)on the road,the concentration of the TSP was 1.79 times than that of the second national environmental quality standard,2.35 times of PM10,3.76 times of PM2.5,while in the urban forest,the concentration of TSP,PM10and PM2.5were all within the first national environmental quality standard;(2)the purification function of evergreen broad-leaved forest and bush were better than that ofPinusyunnanensisforest andPinusarmandiiforest,and the PM10and PM2.5purification function of bush were better than that of evergreen broad-leaved forest,the TSP purification function of evergreen broad-leaved forest was the best;(3) TSP and PM10had significant seasonal variations,but the seasonal variation of PM2.5was not obvious;(4)the minimum of both ρ(PM2.5)/ρ(PM10) and ρ(PM2.5)/ρ(TSP) appeared in the spring,while their maximum occurred in summer,and PM2.5had become the primary target for atmospheric particulate control since the value of ρ(PM2.5)/ρ(PM10)was always higher than that of ρ(PM2.5)/ρ(TSP).

urban forest;atmospheric particulate;air purification;different forest stands

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.05.023

2015-11-02

国家林业局林业公益性行业科研专项(201204101-10)。

聂蕾(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为恢复生态。E-mail:nieleijj666@163.com

简介：陈奇伯(1965-)，男，教授，研究方向为生态恢复和环境科学。E-mail：chenqb05@163.com

S 791；S 723

A

1672-8246(2016)05-0119-05