馬　良

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東濟南250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東濟南250014）

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水土保持植物措施對PM2.5的阻滯作用

馬良1，2

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東濟南250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東濟南250014）

【摘要】在分析城市PM2.5分布及沉降特征的基礎(chǔ)上，總結(jié)了水土保持植物措施與PM2.5的相互作用關(guān)系，闡述了今后該領(lǐng)域的研究方向，提出合理布設(shè)城市水土保持植物措施，充分發(fā)揮其阻滯PM2.5能力的幾點啟示。

【關(guān)鍵詞】PM2.5；水土保持；植物措施；阻滯作用

PM2.5指空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的懸浮顆粒物，具有粒徑小、易擴散、難以通過自重沉降、滯留時間長、影響范圍廣等特點。大氣顆粒物排放源復(fù)雜，既有人為源、天然源排放，又有組織源、無組織開放源排放，還有固定源、流動源排放等。盡管以目前科技水平，國內(nèi)外研發(fā)出袋式除塵器、濕式電除塵器、無機膜過濾器等工業(yè)用PM2.5捕獲設(shè)備，但無法在城區(qū)內(nèi)大規(guī)模推廣使用。城市水土保持植物措施因其阻滯PM2.5的高效便捷性重新受到關(guān)注。水土保持植物措施既包括城市公共綠地，也包括生產(chǎn)建設(shè)項目內(nèi)部的綠地空間，其作為城市的“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。研究表明，植被能有效阻滯、吸附和移除空氣中的顆粒物，通過葉片吸收、增加湍流、改善微氣候等作用加速顆粒物的沉降過程，因此水土保持植物措施是降低城市可吸入顆粒物污染、阻滯PM2.5的有效途徑之一。

1　城市PM2.5分布及沉降特征

大量研究表明，城市PM2.5的空間分布具有水平區(qū)域性及垂直分層性。城區(qū)濃度明顯高于郊區(qū)，交通干線高于商業(yè)區(qū)，商業(yè)區(qū)高于居民區(qū)，居民區(qū)高于風(fēng)景區(qū)，同時距離地面高度的增加，PM2.5含量逐漸降低。在時間分布上，個別排放源（如燃煤、揚塵、二次硫酸鹽和硝酸鹽等）呈現(xiàn)顯著季節(jié)變化特征，其他排放源（如機動車尾氣、烹調(diào)等）隨季節(jié)的變化不明顯。影響城市PM2.5分布的因素既包括氣象、土壤、植被、水文等自然因素，也包括居民生活、出行習(xí)慣等人為因素。

PM2.5的沉降一般分為干沉降和濕沉降。因PM2.5粒徑小，很難依靠自重脫離大氣環(huán)境，只能在湍流作用下撞擊后滯留在某一物體表面發(fā)生沉降。一般湍流作用越強，越有助于PM2.5的干沉降。濕沉降除降水日進(jìn)行雨除、沖刷外，還有一種通過大氣中易吸收水分的氣溶膠，如硫酸鹽和硝酸鹽等，經(jīng)氧化和光化學(xué)反應(yīng)后，發(fā)生吸濕增長后降落，被稱為隱形沉降。因此，從沉降機理分析，增加湍流和濕度可以有助于PM2.5的沉降。相反，無風(fēng)、溫暖、低濕性環(huán)境中，湍流作用和顆粒物吸濕能力被大大抑制，導(dǎo)致PM2.5在大氣中滯留較長時段。

2　植物措施與PM2.5的關(guān)系

現(xiàn)階段對于植物與PM2.5關(guān)系的研究正處于起步階段。通常認(rèn)為，植物可以通過直接和間接阻滯顆粒物的方式對空氣進(jìn)行凈化。直接方式是指植物葉片表面憑借一定的濕潤度和粗糙度，捕獲截留顆粒物；通過呼吸作用使葉面氣孔吸收顆粒物；增加近地面地表粗糙度，增加湍流促使顆粒物碰撞后沉降；利用表面電荷，在靜電作用下滯留顆粒物等。間接去除方式是指植物能夠通過冠層蔭蔽、自身蒸散發(fā)調(diào)節(jié)區(qū)域溫濕度，從而節(jié)省因消耗降溫能源產(chǎn)生的顆粒物排放等。

PM2.5對植物生長也有一定的不利影響。植被是將顆粒物暫時阻控在植物體表面，在一定氣象條件下顆粒物會逃脫束縛，重新回到大氣環(huán)境。但也有部分顆粒物或通過氣孔直接進(jìn)入植物體，參與生長循環(huán)，或沖刷進(jìn)入土壤被根系吸收。但阻滯在植物枝葉表面或參與循環(huán)的顆粒物過多，均會導(dǎo)致植物失綠、壞死等后果，影響植物生長。

在較大尺度上，植被覆蓋率較高、生長良好的地區(qū)，植物對PM2.5顆粒物的阻滯作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于顆粒物對其的不利影響。研究認(rèn)為，植物對PM2.5的阻滯能力既與單株植物自身的形態(tài)學(xué)特征有關(guān)，也與群落尺度上物種構(gòu)成、水平及垂直結(jié)構(gòu)、配置方式等因素有關(guān)。

有研究證實，與灌木和草本植物相比，喬木有較大的葉面積、可產(chǎn)生更多的湍流、加之有冠層調(diào)節(jié)林下溫濕度，因此，有更強的阻滯吸附PM2.5顆粒物及截留氣溶膠污染物的能力。受高度影響，灌木和草本植物雖然不能阻滯懸浮在空氣中的顆粒物，但能夠阻滯吸附因地表風(fēng)蝕造成的揚塵污染，特別在溫度低、空氣混合層高度下降、低層污染物濃度上升的冬季，阻滯作用較為明顯。

在品種選擇上，針葉樹種因有更小更密集的葉子，較復(fù)雜的枝莖以及全年常綠，比闊葉樹種更能有效滯留空氣中的顆粒物。已有研究觀測到，側(cè)柏、油松吸附能力明顯優(yōu)于榆葉梅、白蠟、楊樹等。此外，樹冠結(jié)構(gòu)、枝葉密度、葉面傾角、葉片粗糙度及附著絨毛的疏密程度等均會對植物的阻滯能力產(chǎn)生影響。

在群落尺度上，灌木林和闊葉林在葉片生長成熟后吸收空氣中顆粒物的效果優(yōu)于針葉林和混交林，但在冬季，常綠的針葉林和混交林阻滯空氣中的顆粒物效果最為顯著。群落規(guī)模上，公園綠地規(guī)模宜大于50 hm2，林帶寬度不低于30 m，才可顯著消減空氣中可吸入顆粒物。配置方式上，道路綠帶中“（喬+灌+草）—喬”的配置結(jié)構(gòu)，對PM2.5污染的消減效果明顯優(yōu)于追求美觀但缺乏復(fù)層混交的“喬—灌—草”結(jié)構(gòu)。

3　今后研究方向及啟示

3.1研究方向

1）通過代表性植被調(diào)查，篩選既滿足城市綠化需求，又利于PM2.5阻滯的區(qū)域性優(yōu)勢植物品種；同時根據(jù)城市排放顆粒物重點區(qū)域的主要化學(xué)成分組成，選擇阻滯特定化學(xué)顆粒物的植被。2）結(jié)合城市空間功能和土地利用方向，研究如何優(yōu)化配置不同區(qū)域和環(huán)境下的植被結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)阻控PM2.5污染的目的。3）從葉片、單株、群落等不同尺度定量表達(dá)并解釋植物阻滯PM2.5的作用機理，并研究促使該作用永續(xù)發(fā)揮的途徑。4）植物生長及群落演替是個動態(tài)過程，其阻控PM2.5作用也會隨之發(fā)生變化，加強典型區(qū)域植被阻控PM2.5的監(jiān)測及效益評價，可為今后城市植被的適應(yīng)性管理和其他類似區(qū)域提供科學(xué)依據(jù)。

3.2幾點啟示

1）加強生產(chǎn)建設(shè)項目施工過程中臨時植被的栽植。施工揚塵、土壤風(fēng)蝕這類開放源是城市PM2.5的主要排放源之一。傳統(tǒng)抑制風(fēng)蝕的措施包括施工車輛及臨時堆土的防塵網(wǎng)苫蓋、定期灑水、出入口的洗車槽等，很少關(guān)注臨時性防護植被的栽植。增加臨時喬灌草是降低施工場地及周邊區(qū)域PM2.5的另一有效途徑。

2）從城區(qū)規(guī)劃到開發(fā)施工等各個環(huán)節(jié)減少對植被破壞，或保存、或假植利用現(xiàn)有植被。城區(qū)開發(fā)需遵循低影響理念，通過下凹式綠地、屋頂綠化、垂直綠化、生態(tài)型混凝土等技術(shù)，既減輕對區(qū)域自然水循環(huán)的影響，又減緩對大氣、生態(tài)等環(huán)境的沖擊。

3）優(yōu)化植物品種、規(guī)格選擇及配置模式。城市綠化應(yīng)避免選擇雌性毛白楊、柳樹等通過楊柳絮誘發(fā)和加劇PM2.5污染的品種。特定化學(xué)顆粒物排放區(qū)的綠化需有針對性選擇阻控該類顆粒物能力強的植物品種及規(guī)格。區(qū)域綠化首選闊葉、針葉混交林，以保證冬春采暖季植物對PM2.5的阻控能力。配置模式上注重營造人工生態(tài)林，避免林分結(jié)構(gòu)單一的純林；同時推薦“品”字形布設(shè)，內(nèi)部通暢的導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)既對植被生長有利，也有利于植物阻滯PM2.5功能的發(fā)揮。

資助課題：水利部公益性行業(yè)科研專項“水生態(tài)文明建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（編號：201401003）、山東省重大水利科研與技術(shù)推廣項目“生態(tài)河道治理植物配置技術(shù)研究”（SDSLKY201504）、“山東省水利綜合試驗基地降雨徑流關(guān)系及雨洪綜合利用技術(shù)研究”（SDSLKY201201）

（責(zé)任編輯崔春梅）

作者簡介：馬良（1980—），男，高級工程師

收稿日期：2015-04-20

【中圖分類號】S157

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-01-0005-02