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        城市森林調(diào)控空氣顆粒物功能研究進(jìn)展

        2014-04-09 08:21:57王曉磊
        生態(tài)學(xué)報 2014年8期
        關(guān)鍵詞:顆粒物研究

        王曉磊,王 成

        (中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局城市森林研究中心,國家林業(yè)局森林培育重點實驗室,北京 100091)

        隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)、工業(yè)化的迅速發(fā)展和汽車保有量的持續(xù)增加,空氣顆粒物(尤其PM2.5)已成為目前國內(nèi)外許多城市空氣的首要污染物,因其不僅本身是污染物,還是其他有毒有害污染物的載體而備受社會各界廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)中期起,美國和歐洲一些國家就對空氣顆粒物開展了廣泛的研究,我國于20世紀(jì)80年代陸續(xù)開始,目前研究內(nèi)容主要集中在來源分析[1-2]、成分解析[3-4]、危害評價[5-7]、變化規(guī)律[8-9]等方面。隨著人們保健意識的增強(qiáng),空氣質(zhì)量得到前所未有的重視,城市森林調(diào)控空氣顆粒物作用的研究也就得到了較快發(fā)展。城市森林作為城市生態(tài)建設(shè)中最大的唯一具有自凈功能的生態(tài)系統(tǒng),不僅為城市污染環(huán)境下的居民提供了相對潔凈的休閑游憩空間,在凈化空氣顆粒物方面也發(fā)揮著獨特的生態(tài)功能[10-12]。因此,本文從城市森林調(diào)控空氣顆粒物的機(jī)理、研究方法、不同城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能差異、城市森林內(nèi)空氣顆粒物的時空變化四方面總結(jié)了城市森林調(diào)控空氣顆粒物的研究現(xiàn)狀,并對今后的研究方向進(jìn)行了展望,以期為城市森林生態(tài)效益研究及城市森林布局優(yōu)化提供參考。

        1 城市森林調(diào)控空氣顆粒物的機(jī)理

        城市森林之所以被稱為“天然的空氣過濾器”,主要源于其能夠凈化空氣中的各類污染物。在大氣污染問題比較突出的城市化地區(qū),了解城市森林調(diào)控空氣顆粒物的內(nèi)在機(jī)制,是科學(xué)培育調(diào)控PM2.5等空氣顆粒物污染能力強(qiáng)的城市森林的基礎(chǔ)。目前對于城市森林降塵機(jī)制機(jī)理方面的研究主要表現(xiàn)在物理降塵和化學(xué)除塵兩個方面。

        1.1 城市森林的物理降塵

        氣流是空氣顆粒物的載體,城市森林物理降塵主要是通過改變氣流運動速度、方向來降塵,并通過城市森林特殊的葉面結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)來吸附、阻滯粉塵,目前的研究主要包括:

        (1)城市森林的動力阻塞機(jī)制

        城市森林發(fā)揮障礙物的作用,通過改變氣流的速度和方向,影響顆粒物的傳播距離、傳播方向和傳播數(shù)量。當(dāng)含塵氣流流經(jīng)樹冠時,受其阻礙,林內(nèi)風(fēng)速降低,空氣中攜帶的一部分粒徑較大的顆粒物搬運能力下降,重力沉降加快,使空氣中顆粒物濃度降低、傳播距離縮短[13-16]。這種阻礙作用對 TSP 和PM10的影響較為顯著,對 PM2.5沒有明顯影響[14-16]。

        (2)城市森林的巨大滯塵空間

        非生物如城市建筑等表面雖能承載一定數(shù)量的粉塵,但與植物滯塵相比,其粗糙程度低,面積單一,降塵量小且很容易被風(fēng)吹起。而植物葉表面的微結(jié)構(gòu)、單位地面積上巨大的葉面積和復(fù)層空間結(jié)構(gòu)為空氣顆粒物滯留或停著提供了有力條件和巨大空間,加之植物能擴(kuò)大葉面積,并更新新葉,因此,非生物的滯塵效果遠(yuǎn)不能所及。這種滯留或停著作用一定程度上與葉表面積呈正相關(guān)關(guān)系[17],并受冠層結(jié)構(gòu)的影響[18]。滯留或停著的顆粒物極不穩(wěn)定,在風(fēng)及小雨的影響下,會重新返回空氣中或被雨水淋洗掉[13]。

        (3)葉面的顆粒附著、粘附力

        植物葉片的表面特性和本身的濕潤性能夠附著、粘附大量空氣顆粒物[12,19]。附著或粘附的空氣顆粒物相對穩(wěn)定,需依靠較大的雨量(一般認(rèn)為15mm 以上)和風(fēng)力才能沖刷掉[19-21]。甚至有學(xué)者發(fā)現(xiàn)深度清洗仍不能徹底清除葉片表面顆粒物[21],深藏在葉表面密集脊?fàn)钔黄痖g溝槽內(nèi)的顆粒物即使15mm的降雨也不易將其沖掉[22]。

        (4)森林冠層有效減小地表揚塵擾動

        在風(fēng)力和冠層枝葉撞擊等外力作用下,落在枝葉表面的顆粒物一部分會快速彈回空氣中,地面粉塵也會因風(fēng)的作用再次進(jìn)入空氣,引起二次揚塵[23-26]。與無林地或地表裸露狀況嚴(yán)重區(qū)域相比,布局合理的城市森林不僅通過其茂密的樹冠及復(fù)層結(jié)構(gòu)有效降低風(fēng)速,對因風(fēng)力而重返空氣的粉塵起到再次截留的作用,其地表的枯枝落葉、草叢或地被等還能有效避免或減少二次揚塵的發(fā)生[10-11,15]。

        1.2 城市森林的化學(xué)除塵

        城市森林化學(xué)除塵主要是與森林植被生長代謝有關(guān)的除塵。目前這方面研究尚不深入,但一個不爭的事實是:城市森林內(nèi)空氣潔凈度高,空氣顆粒物相對較少[27-29]。森林的化學(xué)除塵可能包括如下幾方面:

        (1)城市森林內(nèi)空氣負(fù)離子的中和作用

        研究表明,城市森林環(huán)境中的空氣負(fù)離子濃度遠(yuǎn)高于都市地帶[30-31],通常來說空氣顆粒物特別是PM2.5等細(xì)顆粒物都是帶正電荷的微小粒子,那么森林中的空氣負(fù)離子對于這種細(xì)顆粒物的清除應(yīng)該是有幫助的,目前僅有部分學(xué)者[29,32]研究發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子與空氣顆粒物呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但具體機(jī)理方面的研究還比較缺乏。

        (2)城市森林內(nèi)溫濕度的影響

        植物通過蔭蔽和蒸騰作用降低大氣溫度,增加空氣濕度。溫度降低能夠降低化學(xué)反應(yīng)活動,減少由此產(chǎn)生的二次污染物;濕度增加將增加細(xì)塵的重量和黏性,從而減少細(xì)顆粒物在空氣中懸浮的時間,加快其沉降,這種方式調(diào)控空氣顆粒物的作用有待于進(jìn)一步研究。

        (3)城市森林內(nèi)植物有機(jī)揮發(fā)物的作用

        植物生長發(fā)育過程中能分泌出的萜烯類、醚、醛、酮等大量植物有機(jī)揮發(fā)物,具有殺菌、抑菌作用[29,33-34],對有效減少空氣中粉塵攜帶有害微生物的幾率,減小空氣顆粒物對人體的危害具有重要意義,但這些有機(jī)揮發(fā)物是否具有滯附粉塵的作用還尚待證明。

        (4)城市森林的“吸收消化”功能

        植物通過氣孔和皮孔與外界進(jìn)行氣體交換,這個過程中可將大氣污染物吸收入體內(nèi),并在體內(nèi)通過氧化還原過程進(jìn)行降解,或通過根系排出體外,或積累貯藏于某一器官內(nèi),從而達(dá)到凈化污染物的作用[35]。植物對二氧化硫、氟化氫等氣態(tài)污染物和鉛、鎘等重金屬具有一定的吸收凈化能力[13,35-36],那么,植物能否通過葉片角質(zhì)層、表面細(xì)胞產(chǎn)生化學(xué)交換和化學(xué)吸附?是否能夠?qū)M2.5等細(xì)顆粒物吸附進(jìn)體內(nèi),并通過植物體內(nèi)的輸導(dǎo)系統(tǒng)將其吸收、分解和代謝?這種作用是靠濃度擴(kuò)散還是其它方式,這方面還沒有細(xì)致的研究和證據(jù)。

        2 城市森林調(diào)控空氣顆粒物的主要分析方法

        城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能主要包括植物本身的滯塵和凈化森林環(huán)境中的空氣顆粒物兩方面,與之對應(yīng),分析方法主要為重量法和質(zhì)量濃度法。前者經(jīng)過采樣、清洗、過濾、烘干、稱重等程序,運用差重法測定得到單位葉面積滯塵量(單位干生物量滯塵量),再通過單位滯塵量與單株、群落的葉片總?cè)~面積(植株干生物量)等換算單株或群落的滯塵能力。后者主要是直接使用基于Bata射線法或微量振蕩天平法測量原理的顆粒物監(jiān)測儀監(jiān)測城市森林環(huán)境中不同粒徑空氣顆粒物的質(zhì)量濃度;另一種是采用中流量或大流量采樣器抽取一定體積的空氣,使之通過已恒重的濾膜,使顆粒物滯留在濾膜上,根據(jù)采樣前后濾膜重量之差及采樣體積,來計算顆粒物的質(zhì)量濃度。

        重量法是最直接、技術(shù)最成熟的測定植物滯塵量的方法,主要用于滯塵總量估算[18,37-38]、滯塵格局分析[16,26]、植物和群落功能對比研究[39-41]等。該方法通過清洗葉片能夠相對準(zhǔn)確的評估植株的滯塵量,但無法分析葉片對 PM10、PM2.5和 PM1的吸滯量。目前,如何把植物吸滯的粉塵按照粒徑等級區(qū)分開來是個難題,中國林業(yè)科學(xué)研究院研制了空氣顆粒物氣溶膠再發(fā)生器[42],它將葉片阻滯的顆粒物重新吹起再分級監(jiān)測,為測定PM10、PM2.5提供了新的方法,但問題的核心是這些不同粒徑的粉塵是否還是在植物表面累積過程中原始的狀態(tài),是否發(fā)生了重組不再是原始狀態(tài)的粒徑比例?這些問題還有待于研究驗證。質(zhì)量濃度法操作簡便,可實現(xiàn)自動、連續(xù)監(jiān)測,并同步測定 TSP、PM10、PM2.5、PM1的質(zhì)量濃度,多應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)中[43],對于了解空氣顆粒物的擴(kuò)散、傳播等動態(tài)變化具有重要意義[44-45]。近幾年,隨著人們對空氣質(zhì)量的日益重視,運用濃度法監(jiān)測城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能也逐漸成為空氣顆粒物研究的一個重要方向[27,46]。但由于剛剛起步,還需要深入細(xì)致系統(tǒng)研究,以便為居民適時適地游憩、出行等提供參考依據(jù)。

        3 不同城市森林調(diào)控空氣顆粒物功能差異

        3.1 植物個體滯塵能力差異

        受植物形體大小和枝葉自身特性的影響,植物個體間滯塵能力差異顯著,這種差異既表現(xiàn)在單位滯塵量[47],也表現(xiàn)在全株最大滯塵量方面[48-50]。不同樹種單位面積和單葉滯塵量最大的差異可達(dá)到近十倍和數(shù)十倍[47],全株最大滯塵量相差幾十倍以上[48-49],甚至有學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同樹種單位滯塵量相差上萬倍[50]。葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的不同是引起個體滯塵能力差異的主要原因,葉表面粗糙、多絨毛、具溝狀組織和分泌液的樹種單位葉面積吸附粉塵的能力強(qiáng),而葉面光滑、細(xì)胞排列整齊的滯塵能力相對較弱[20,38,48,51]。枝 干 葉 的 著 生 方 式[23]、葉 表 面 形狀[20]、葉量[41]、葉面傾角[47]和葉面積[17]等也會影響植物個體的滯塵能力。另外,葉表面結(jié)構(gòu)對所吸附空氣顆粒物的粒徑具有選擇性,葉片蠟質(zhì)層的厚度與2.5—10μm的空氣顆粒物吸附量顯著正相關(guān),但與其他粒徑顆粒物吸附量的相關(guān)性不顯著[52]。

        不同生活型的城市森林滯塵能力有所差別。高大的喬木能夠阻滯、過濾外界的降塵和飄塵,低矮的灌木、草本、地被等則能有效減少地面揚塵[39]。從總的滯塵量來看,高大的喬木可以大大降低綠地及周圍的風(fēng)速,為有效截留并吸收粉塵提供了有利的條件[41,53]。就針葉樹和闊葉樹而言,一般認(rèn)為針葉樹的滯塵能力大于闊葉樹種。Beckett[11]、Tallis[54]等認(rèn)為針葉植物由于其復(fù)雜的枝葉空間分布結(jié)構(gòu)對小顆粒物的沉降能力顯著高于闊葉樹種,且闊葉樹種由于非生長季樹葉凋落,其降塵作用極大被削弱。就單位葉面積滯塵能力來說,多數(shù)學(xué)者發(fā)現(xiàn)灌木植物的滯塵量大于喬木植物,這可能主要是垂直高度不同,接受灰塵量不同的緣故[39,49]。

        3.2 城市森林群落調(diào)控空氣顆粒物能力差異

        在對單種植物滯塵能力研究的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者對居住區(qū)綠地、工業(yè)區(qū)綠地等各種功能區(qū)群落的滯塵效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[37,40,55]。不同類型城市森林調(diào)控空氣顆粒物的能力差異顯著,總體來講,較高的森林比較矮植物和草地對顆粒物的沉降作用要強(qiáng)[10,56-58],具喬、灌、草垂直復(fù)層結(jié)構(gòu)、綠量高的城市森林滯塵最為理想,而結(jié)構(gòu)單一、立體綠量少的單層結(jié)構(gòu)滯塵效果相對較差[12,41,59-61]。另外,同種結(jié)構(gòu)城市森林對不同粒徑空氣顆粒物的調(diào)控作用也有區(qū)別。郭二果[29]研究發(fā)現(xiàn),與城區(qū)公園內(nèi)相比,游憩林對TSP、PM10、PM2.5和PM1的日均減塵率分別為68.93%、78.12%、89.45%和90.71%。

        需要指出的是,城市森林群落滯塵能力與其調(diào)控林內(nèi)空氣顆粒物的能力并不一直呈正相關(guān),一般而言,城市森林種植密度、郁閉度和覆蓋度越大,總的滯塵量越大,但若超過一定的閾值,群落滯塵量雖然還在增大,但此時林內(nèi)空氣中的顆粒物不容易擴(kuò)散,可能就導(dǎo)致其濃度增高,也即此時城市森林的調(diào)控作用不明顯甚至表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)[59,62-64]。因此,根據(jù)功能需求合理布局植物群落是城市森林建設(shè)中需要著重考慮的問題之一。

        4 城市森林調(diào)控空氣顆粒物的時空變化規(guī)律

        城市森林調(diào)控空氣顆粒物是一個復(fù)雜的動態(tài)過程,受滯塵累積時間、晝夜、季節(jié)、植物所處環(huán)境、高度等諸多因素影響,呈現(xiàn)出一定規(guī)律。

        4.1 城市森林葉片滯塵的時間變化

        隨時間推移,植物葉片的滯塵量不是無限增長,具有“飽和性”和“可塑性”[21,65-66],并呈現(xiàn)一定日變化和季節(jié)變化。受植物葉面滯塵和粉塵脫落同時存在的影響,植物滯塵是一個復(fù)雜的動態(tài)過程,有學(xué)者認(rèn)為1d內(nèi)植物葉片累計滯塵量與時間不呈線性相關(guān)關(guān)系[51,65],也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)葉片的滯塵量隨時間的推移整體呈增加趨勢[26]。城市森林的滯塵因季節(jié)不同而呈現(xiàn)一定規(guī)律,就植物本身而言,冬季植物葉量少,甚至落葉,加之生理活動基本停止,滯塵能力較弱,而夏季滯塵作用最強(qiáng)。但在未達(dá)到飽和之前,植物滯塵的季節(jié)變化主要受季節(jié)性氣候條件、大氣污染程度、所處地域及周圍環(huán)境等因素影響,方穎[50]研究南京市主要綠化樹種凈化TSP發(fā)現(xiàn),大部分樹種葉片滯塵量春季高、夏季降低、秋季增高、冬季達(dá)最高,吳曉娟等[67]也發(fā)現(xiàn)類似趨勢。還有學(xué)者研究北方常綠樹種滯留污染物的質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)冬季滯塵量最大,秋季最?。?4,68]。

        另外,植物生長的階段影響其滯塵能力。董希文等[69]研究發(fā)現(xiàn),銀中楊(Populus alba×berolinensis)大樹和幼樹的單位葉面積滯塵量存在差異,由于苗期葉片相對較大,葉表粗糙,特別是背面多毛,因此滯塵量較大;而大樹的葉片小葉居多,且較光滑,單位滯塵量相對較少。

        4.2 不同類型城市森林內(nèi)空氣顆粒物的時間變化

        受天氣條件、小氣候因素、污染排放狀況及森林生理功能等因素綜合影響,城市森林環(huán)境中空氣顆粒物濃度呈現(xiàn)明顯時間變化。關(guān)于日變化規(guī)律,目前主要圍繞城區(qū)綠地[70-71]、城郊片林[72-73]、道路景觀林[74]、森林公園[75]等類型而展開,基本呈現(xiàn)“早晚高、白天低”的雙峰格局,且夜間高于白天,但峰、谷出現(xiàn)的具體時間因地而異。城區(qū)綠地、城郊片林和道路林空氣顆粒物濃度與人流、車流量顯著正相關(guān),早、晚上下班期出現(xiàn)高峰[70-74];森林公園等旅游地則主要受用煤量、游客數(shù)量等因素影響,高峰出現(xiàn)在用餐前后[75]。另外,不同粒徑空氣顆粒物濃度日變化規(guī)律不完全一致,不同天氣條件對其影響也不同。細(xì)顆粒物白天高峰和夜間低谷出現(xiàn)時間提前,而白天低谷和夜間高峰卻有所滯后。多云、霧霾天和桑拿天使空氣顆粒物濃度污染加重;雨、雪能夠降低大氣顆粒物濃度;風(fēng)在雨后能使空氣顆粒物在一定程度上擴(kuò)散減少,而在天氣干燥時刮風(fēng)會增加城市森林內(nèi)顆粒物的濃度,且多云會加重干燥天氣刮風(fēng)后大氣顆粒物的污染程度[29,72,76-77]。

        城市森林凈化空氣顆粒物的季節(jié)變化規(guī)律與城市空氣顆粒物背景濃度、植物生理活動密切相關(guān),在城市大環(huán)境空氣顆粒物濃度較低、植物生理活動最為旺盛的夏、秋季城市森林凈化空氣顆粒物的效果最為明顯,而在城市環(huán)境背景濃度高、樹木停止生理活動的冬季效果較差[71]。受多種因素影響,不同粒徑空氣顆粒物季節(jié)變化規(guī)律并不一致。目前只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了這方面的初步分析。對北方城市森林而言,有學(xué)者等認(rèn)為,4種粒徑顆粒物濃度均在秋季最低,但TSP、PM10濃度春季最高,PM2.5濃度夏季最高[74];也有學(xué)者發(fā)現(xiàn),PM10、PM2.5、PM1濃度冬季最高,夏季次之;PM10濃度秋季最低,PM2.5和PM1濃度春季最低,并認(rèn)為北方地區(qū)春季沙塵天氣對大粒徑顆粒物濃度貢獻(xiàn)較大,冬季燃煤、霧霾天和夏季“桑拿天”對細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)最大[78]。而對南方城市的研究表明,游憩林中PM2.5濃度在春季最高,冬、秋季次之,夏季最低,這可能主要與南北方氣候差異及春季北方沙塵中的細(xì)顆粒物長距離輸送有關(guān)[73]。

        4.3 城市森林調(diào)控空氣顆粒物空間范圍

        城市森林凈化空氣顆粒物的作用,在一定空間范圍內(nèi)比較顯著,達(dá)到一定閾值后,將不再明顯,也即會形成較穩(wěn)定的“森林內(nèi)環(huán)境”。因此,了解不同結(jié)構(gòu)城市森林調(diào)控空氣顆粒物的空間范圍和空氣顆粒物的擴(kuò)散規(guī)律,對科學(xué)合理規(guī)劃城市公園、街頭綠地、游憩林及道路防護(hù)林具有重要意義。目前直接研究空氣顆粒物的文獻(xiàn)較少,但對城市交通污染物或空氣顆粒物的主要組成成分——重金屬的研究較為豐富,為今后研究城市森林調(diào)控空氣顆粒物的作用奠定了基礎(chǔ)。

        4.3.1 道路林帶寬度與結(jié)構(gòu)

        關(guān)于道路林帶調(diào)控空氣顆粒物的研究,目前多數(shù)通過采集葉面塵來探討其滯塵作用,認(rèn)為:公路兩側(cè)防護(hù)林樹木葉片表面空氣顆粒物數(shù)量隨距公路距離的增加呈遞減趨勢[79]。對道路空氣中的顆粒物濃度的有限研究往往集中于城市不同等級道路間的比較[80],而對林帶(尤其不同寬度林帶)影響下的道路空氣顆粒物空間分布的報道較少[81]。目前,僅有部分學(xué)者對道路林帶內(nèi)的空氣顆粒物的主要組成成分——重金屬進(jìn)行研究,試圖得到最佳的道路防護(hù)林帶寬度,但研究結(jié)果尚存爭議。王成等[82]試驗表明:對于日均車流6萬輛的公路而言,高速公路兩側(cè)80m范圍是重金屬污染最集中的擴(kuò)散區(qū)域;而40—60m寬林帶對降低日流量5—8萬輛汽車的高速公路重金屬污染防治效果較好。還有學(xué)者認(rèn)為,為防止重金屬污染,道路防護(hù)林應(yīng)不小于 20m[83],40m[84]或 50m[85]。但 Fowler 等[57]以鉛為示蹤物研究污染嚴(yán)重的道路防護(hù)林發(fā)現(xiàn):林內(nèi)100m鉛濃度高于5m處的濃度,且林緣土壤中的鉛含量也較高。因此,道路林帶凈化空氣顆粒物的作用還有待于深入系統(tǒng)研究。

        道路林帶凈化空氣顆粒物的作用受林帶結(jié)構(gòu),如疏透度、高度、寬度、密度、郁閉度等協(xié)同影響[12,63,81,86]。對城市道路交通污染物來說,其擴(kuò)散速率很大程度上受到氣流鉛直湍流強(qiáng)度的影響。行道樹冠幅小、株間距大、密度小,街谷內(nèi)有較大的風(fēng)速梯度,有利于機(jī)械湍流的增強(qiáng),擴(kuò)散效果好。但在植株間距較密,枝杈搭接時,樹冠會在道路上方形成頂蓋效應(yīng),在吸收污染物的同時也會降低風(fēng)速,減小街區(qū)內(nèi)部氣流的垂直渦動,減弱林帶內(nèi)外氣流的垂直交換,阻礙污染物向上層大氣擴(kuò)散,導(dǎo)致道路兩側(cè)污染物濃度升高[46,62-63,85,87-89,]。殷彬等[63]還發(fā)現(xiàn)TSP的凈化百分率與郁閉度呈正相關(guān),與疏透度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;郁閉度的最佳范圍為0.70—0.85,疏透度的最佳范圍為0.25—0.33。

        4.3.2 片林面積與結(jié)構(gòu)

        關(guān)于城市片林調(diào)控空氣顆粒物空間范圍方面的研究目前較少,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為林內(nèi)空氣顆粒物濃度低于林緣,隨著距污染源距離的增加其濃度逐漸遞減。Cavanagh等[27]觀測新西蘭冬季常綠闊葉林內(nèi)PM10的污染狀況發(fā)現(xiàn),冬季林內(nèi)PM10濃度由林緣向林內(nèi)呈現(xiàn)衰減趨勢,從外部的31.5μg/m3降低到了林內(nèi)50m 處的22.4μg/m3。張晶[90]觀測不同公園竹林內(nèi)的空氣顆粒物發(fā)現(xiàn),林內(nèi)濃度均小于林緣,且林分密度大林內(nèi)的濃度大于密度較小竹林,但具體影響范圍和最佳密度不得而知。任啟文等[15]研究城市片林空氣細(xì)菌含量表明,能起到較好抑菌作用的林地寬度要大于30m,也即在城市綠化建設(shè)中,如果從降低空氣細(xì)菌含量方面考慮,建設(shè)綠地面積>900m2才能形成“森林內(nèi)環(huán)境”,為居民提供良好的游憩地,該研究結(jié)果對城市片林調(diào)控空氣顆粒物的作用具有重要借鑒意義。

        片林的結(jié)構(gòu)明顯影響污染物的濃度和擴(kuò)散。從城市片林滯塵能力來講,綠量越多,郁閉度、蓋度越大,對降塵截滯作用越明顯[12,54];但從城市片林中的空氣顆粒物濃度角度來講,它與綠量、郁閉度、覆蓋率等結(jié)構(gòu)指標(biāo)未必呈正相關(guān)關(guān)系。劉立民等[91]認(rèn)為地域相對綠量與大氣污染物濃度之間存在綠化效益最佳閾值區(qū)。在綠量增加初期,污染物濃度下降較快,當(dāng)綠量達(dá)到一定值后,污染物濃度下降開始明顯減緩;當(dāng)綠量繼續(xù)增加,達(dá)到一個較高的量值時,污染物濃度下降變得不明顯。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn),郁閉度過大、地被物覆蓋度太高會導(dǎo)致林內(nèi)顆粒物濃度長時間居高不下[29]。

        5 研究展望

        隨著城市化的快速發(fā)展,包括顆粒物在內(nèi)的大氣污染問題將會日益突出,如何通過建設(shè)城市森林來緩解大氣污染,為居民提供清新的空氣、提供健康的游憩場所是未來城市發(fā)展面臨的重要課題。總的來看,城市森林與空氣顆粒物之間關(guān)系的研究有如下趨勢:

        (1)城市森林調(diào)控空氣顆粒物的機(jī)理

        城市森林的物理降塵功能目前已經(jīng)廣為接受,研究也已經(jīng)逐步由宏觀轉(zhuǎn)向微觀,結(jié)合葉表面微觀結(jié)構(gòu)分析植物的滯塵能力,已成為目前研究植物滯塵機(jī)理的一個重要途徑。那么,除了物理降塵外,森林調(diào)控空氣顆粒物的生理過程和生態(tài)響應(yīng)機(jī)制怎樣,森林植被在生長代謝過程中是否產(chǎn)生化學(xué)除塵、如何進(jìn)行化學(xué)除塵、化學(xué)除塵的粒徑在什么范圍、化學(xué)除塵的功效有多少等問題還有待于在細(xì)胞、組織、器官和個體水平上深入研究和探討。另外,加強(qiáng)城市森林內(nèi)空氣顆粒物的組成成分研究以及與城市森林固碳釋氧、降溫增濕、殺菌抑菌等生態(tài)功能相結(jié)合研究,對揭示城市森林調(diào)控空氣顆粒物的機(jī)理具有重要意義。

        (2)城市森林調(diào)控空氣顆粒物的研究方法

        重量法和質(zhì)量濃度法是目前研究城市森林調(diào)控空氣顆粒物作用的兩種基本方法,隨著研究趨向微觀,利用重量法研究較微觀尺度的顆粒物時,傳統(tǒng)的方法可能就不再適用,分析其重量時可能需要高端的采樣器和較高靈敏度的粒徑分析儀。質(zhì)量濃度法測定方面,目前主要使用便攜式儀器,將儀器置放于一定的城市森林環(huán)境中監(jiān)測某一天或幾天的相對瞬間值,加強(qiáng)城市森林中空氣顆粒物的長期定位觀測將是今后研究的重點之一。

        (3)城市森林群落結(jié)構(gòu)與調(diào)控空氣顆粒物功能的關(guān)系

        一般而言,大粒徑顆粒物主要靠重力或慣性作用沉降,而細(xì)顆粒物呈懸浮狀,主要通過布朗運動擴(kuò)散,受氣流影響大于重力等其他外力的影響。而陸地表面的覆蓋狀況間接影響大氣環(huán)流和氣候,進(jìn)而影響了空氣顆粒物的擴(kuò)散。不同結(jié)構(gòu)、不同類型、不同尺度城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能具體有多大,擴(kuò)散通量、干濕沉降有多少,城市森林如何影響空氣顆粒物擴(kuò)散、沉降和循環(huán)等這方面的研究尚屬空白,因此,有待于加強(qiáng)試驗?zāi)M與實地結(jié)合的定量研究,以分析城市森林調(diào)控空氣顆粒物的作用,揭示林內(nèi)空氣顆粒物的擴(kuò)散規(guī)律、循環(huán)過程,獲取最佳、最科學(xué)的群落指標(biāo)和植物配置,為治理城市空氣顆粒物污染和合理經(jīng)營與營造城市森林提供科學(xué)依據(jù)。

        (4)城市森林調(diào)控空氣顆粒物的“匯”與“源”關(guān)系與技術(shù)

        目前對森林滯塵方面的研究主要注重其“匯”的作用,即樹木枝葉截留、吸附粉塵,但對林地的“塵匯”功能研究卻很少。城市森林“塵匯”的核心是要靠林地的吸納能力,無論是空氣中降落的還是雨水從枝葉沖刷下來的,把“塵”留在林地里是最主要的。因此,綠地地表的結(jié)構(gòu)特性非常重要。美歐國家對有機(jī)覆蓋物(Mulch)的研究與應(yīng)用歷史悠久而且技術(shù)成熟,城市綠地中Mulch使用極為普遍[92],有效增加了城市森林的滯塵能力,減少了二次揚塵現(xiàn)象。在中國,由于城市綠地管理大多采用了農(nóng)業(yè)上的“松土除草、焚燒落葉”等傳統(tǒng)的園藝技術(shù),地表覆蓋相對較少,土壤裸露,極易引起二次揚塵,甚至反復(fù)揚塵,加大了城市空氣顆粒物的污染,從這一角度來看,在林地結(jié)構(gòu)不合理尤其地表經(jīng)營管理不當(dāng)時,城市綠地反而是一個巨大的“塵源”。因此,加強(qiáng)裸露地面的有機(jī)覆蓋無疑是消減城市空氣顆粒物“源”的重要措施之一。通過研究不同地表覆蓋方式降減、吸收城市空氣顆粒物的作用,篩選優(yōu)良的地表覆蓋方式,應(yīng)用Mulch覆蓋技術(shù),對緩解城市空氣顆粒物污染具有重要意義。

        (5)主要空氣顆粒物污染源周邊防護(hù)林的設(shè)置

        基于空氣顆粒物擴(kuò)散的規(guī)律,通過合理營建城市森林能夠使其向?qū)θ梭w有益的方向發(fā)展,因此,在摸清樹種、群落滯塵規(guī)律、城市森林內(nèi)空氣顆粒物的擴(kuò)散規(guī)律及其調(diào)控范圍的前提下,可以根據(jù)功能需要來選擇適宜樹種、最佳配置方式和適宜寬度營建污染防護(hù)林。對于空氣污染物有時需要促進(jìn)污染物擴(kuò)散,有時需要阻擋污染物擴(kuò)散,還有時需要放進(jìn)來再吸收,要根據(jù)防護(hù)目標(biāo)合理配置,最大限度發(fā)揮城市森林減少顆粒物污染的生態(tài)服務(wù)功能。

        (6)基于健康空氣環(huán)境的各類風(fēng)景游憩林營造與管護(hù)

        隨著人們保健意識的增強(qiáng)和森林旅游的快速發(fā)展,如何營造和管護(hù)游憩林已經(jīng)成為城市林業(yè)工作者面臨的主要問題之一。因此,結(jié)合已有研究成果,在營造各類風(fēng)景游憩林時,不僅要考慮選擇調(diào)控空氣顆粒物能力強(qiáng)的樹種和群落,還要綜合考慮合理的種植密度、郁閉結(jié)構(gòu)和配置方式,同時要對林分進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖璺ズ驼Γ訌?qiáng)林下改造,拓展林下空間,以達(dá)到消減空氣顆粒物的最佳效果,為居民提供比較潔凈的游憩空間。

        (7)城市森林調(diào)控空氣顆粒物功能的科學(xué)評價

        城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能既包括其枝葉吸滯粉塵的功能,又包括通過降低林內(nèi)空氣中的顆粒物,調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量的功能。目前應(yīng)用重量法分析城市森林滯塵量的研究已頗為系統(tǒng)豐富,研究方法也較為成熟,但鑒于植物滯塵是一個反復(fù)的過程,在總的滯塵量估算時應(yīng)當(dāng)考慮到不同植物的滯塵周期,否則其滯塵功能將被大大低估。價值核算方面,與城市森林滯塵的生態(tài)價值相比,城市森林通過降塵凈化空氣減少粉塵對人體危害,降低疾病的發(fā)生率及人體死亡率產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其本身的生態(tài)價值,因此,在價值核算中經(jīng)濟(jì)價值不容忽視。

        在城市森林研究中,研究城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能并不是研究的最終目的,其關(guān)鍵在于如何用研究成果來指導(dǎo)實踐并應(yīng)用到實際建設(shè)當(dāng)中,促進(jìn)城市森林的健康發(fā)展和城市環(huán)境的最終改善?;谀壳俺鞘猩终{(diào)控空氣顆粒物的研究成果還沒有得到廣泛的應(yīng)用,丞需進(jìn)一步加強(qiáng)研究成果與具體實踐的結(jié)合,通過建立示范區(qū)帶動科研成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

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