唐茜

（重慶人文科技學(xué)院，重慶401524）

環(huán)境污染是伴隨人類工業(yè)化與城市化的不斷發(fā)展而帶來的必然結(jié)果，對生物有機體的生命活動造成了不同程度的影響與威脅，大氣中的粉塵污染是環(huán)境污染的重要構(gòu)成［1-2］，目前中國多個城市均出現(xiàn)了不同程度的大氣粉塵污染，灰霾天氣在多個城市均出現(xiàn)，對人們的身體健康造成了很大威脅［3-5］。重慶市為典型的生態(tài)脆弱區(qū)，是長江上游重要的生態(tài)屏障，出現(xiàn)了嚴(yán)重的大氣粉塵超標(biāo)現(xiàn)象［5-6］。本文以重慶市為例，研究可吸入顆粒物中細(xì)顆粒不斷增加的現(xiàn)象，研究重慶市不同森林類型的葉片滯塵量，為重慶市發(fā)揮森林的環(huán)境保護(hù)功效提供指導(dǎo)意見［7-8］。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，對整個生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響作用，具有多種不同的樹種［9］，由于植被類型的差異，對生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著不同程度的影響作用。森林中每時每刻均發(fā)生大量的物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換，具有大量的資源、生物與能源，能夠有效貯碳并蓄水［10］。能夠阻擋、過濾、吸附大氣中的顆粒物與粉塵，具有顯著的自凈功能，能夠有效凈化空氣、減少陽光輻射、調(diào)節(jié)氣候、改善空氣濕度。在目前環(huán)境污染治理中應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮森林的重要作用［11-12］。

長期以來，由于人們對森林資源的重要性認(rèn)識不夠，對森林資源采取了大量掠奪式的開采和粗放型的管理方式，導(dǎo)致了森林面積逐漸減少，森林質(zhì)量隨之下降，森林生態(tài)系統(tǒng)提供的各種服務(wù)功能減弱［13］。隨著對環(huán)境資源可持續(xù)性發(fā)展機制研究的深入，人們逐漸意識到維持和保育生態(tài)系統(tǒng)的重要性，尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)之一［14-15］。在過去人們只注重了森林系統(tǒng)直接提供物質(zhì)產(chǎn)品的功能，而忽視了其生態(tài)服務(wù)功能，對森林系統(tǒng)采取了掠奪和破壞性經(jīng)營，從而導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的面積和質(zhì)量嚴(yán)重下降，致使森林系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能嚴(yán)重削弱。

針對森林所提供的負(fù)離子、滯塵、吸收轉(zhuǎn)化大氣污染物功能，本研究選取重慶市歌樂山的主要森林類型（闊葉混交林、針闊混交林、柏木林、針葉混交林和落葉松林），開展連續(xù)3 a的動態(tài)監(jiān)測，研究和比較了主要森林滯類型塵效應(yīng)及凈化大氣功能，以期引起人們對歌樂山森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和重視，同時也為重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然地理概況

重慶市為中亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有超過300 d的無霜期，高于18 ℃的年平均氣溫及1 000 mm 年均降水量，雖然整體上降雨量較為充沛，但是降雨具有明顯的季節(jié)差異。海拔高度從73.1 m 至2 796.8 m，差異較大。水土流失面積4.35×104km2，占據(jù)總體面積的52.8%，面臨著較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。

重慶市具有較為重要的生態(tài)位置，區(qū)域內(nèi)具有三峽庫區(qū)，為長江流域的重要地區(qū)，具有豐富的水資源，要求重慶市響應(yīng)國家生態(tài)文明的建設(shè)需求，積極優(yōu)化森林生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)，從生態(tài)功能、結(jié)構(gòu)、空間分布格局、質(zhì)量等層面進(jìn)行優(yōu)化。

重慶市具有常綠闊葉林、常綠闊葉灌叢、暖性針葉林、竹林等多種植被類型，森林資源極為豐富，排在全國前列。本次研究選取針闊混交林、針葉混交林、闊葉混交林、柏木林、落葉松林等森林類型，以2015，2016及2017年時間點進(jìn)行研究。其基本特征如表1所示。

表1 重慶市森林基本特征

1.2 試驗方法

1.2.1 葉片滯塵量測定 由于中國環(huán)境技術(shù)層面的研究起步較晚，因此針對植物葉片滯塵量的研究主要局限在一定的范圍內(nèi)，運用范圍不夠廣泛。本文在研究中對其采用了“干洗法”稱量方式研究。操作過程中為研究設(shè)置一個裝有蒸餾水的錐形瓶，將成熟葉片封存于其中，將下葉片上的附著物浸泡在蒸餾水之中，為了保證葉片中的塵粒能夠充分溶解于水中，要求借助于一定的物質(zhì)不斷攪拌，進(jìn)行時長2 h的毛刷沖洗，使得葉子中的塵粒能夠充分溶解在水中。之后借助于鑷子夾出葉片，將浸泡液使用濾紙進(jìn)行過濾，進(jìn)行溫度60 ℃，時長12 h的烘干操作，在烘干前后分別進(jìn)行2次稱重，兩次稱重的差值即為降塵顆粒物重量。葉面積滯塵量測量過程中采用葉面積測定儀，以W／A（g／m2）表示［16］。

1.2.2 葉面塵粒徑測定 將樣品置于65 ℃烘箱中烘干至恒重，稱取2 g樣品過40目篩，1.0 g溶解于300 ml蒸餾水，并使其充分?jǐn)U散和溶解，粒度分析儀進(jìn)行粒徑分析，PM10，PM2.5和懸浮顆粒物（total suspended particulate，TSP）濃度測定用微電腦激光粉塵儀［17］。

1.2.3 負(fù)離子數(shù)目 負(fù)離子和林分平均高采用重慶生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)長期觀測的數(shù)據(jù)。負(fù)離子費用（K 負(fù)離子）根據(jù)臺州科利達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的適用范圍30 m2（房間高3 m），功率為6 W，負(fù)離子濃度1.00×106個／cm3，使用壽命為10 a。

1.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計分析：Microsoft Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和整理，Spss 18.0 進(jìn)行方差分析和統(tǒng)計學(xué)檢驗，LSD 多重比較（顯著水平設(shè)置p＜0.05），單因素方差分析（one-way ANOVA）比較其差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 重慶市森林滯塵能力比較

本研究分別對重慶市森林滯塵全年滯塵量進(jìn)行測定，比較不同植物滯塵能力大小。由圖1可知，不同林分滯塵能力存在顯著的差異（p＜0.05），植物總?cè)~面積依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）；年平均滯塵量依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）。

圖1 重慶市森林滯塵滯塵能力比較

2.2 重慶市森林滯塵能力季節(jié)變化

對重慶市森林進(jìn)行季節(jié)（春、夏、秋、冬）滯塵量連續(xù)的測定，結(jié)果如圖2所示。不同季節(jié)滯塵量方差分析表明，季節(jié)變化對植物滯塵能力的大小影響顯著（p＜0.05），由圖2可知，重慶市森林滯塵滯塵量基本表現(xiàn)為：春季＞冬季＞夏季＞秋季，并且春季顯著高于冬季、夏季和秋季（p＜0.05），而夏季和秋季差異不顯著（p＞0.05）。同一季節(jié)基本表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林；闊葉混交林滯塵量變化范圍在8.03～26.32 kg／hm2之間，針葉混交林滯塵量變化范圍在4.23～20.98 kg／hm2之間，針闊混交林滯塵量變化范圍在6.01～24.02 kg／hm2之間，落葉松林滯塵量變化范圍在3.12～25.08 kg／hm2之間，柏木林滯塵量變化范圍在2.47～21.78 kg／hm2之間。

2.3 重慶市森林滯塵葉面降塵粒徑

由圖3可知，重慶市森林滯塵降塵粒徑主要分布在2.5～100μm 之間，葉面降塵中顆粒物粒徑集中分布在100μm 以下（占99%以上），說明了降塵物主要為在大氣中經(jīng)一定距離漂移的TSP。一般認(rèn)為，PM10（＜10μm）是危害人類健康的最主要顆粒物，而PM2.5（＜2.5μm）則是能直接進(jìn)入人體肺部導(dǎo)致肺泡發(fā)炎的顆粒物。由圖3可知，重慶市森林滯塵降塵物中PM2.5，PM10和TSP 相對含量均以闊葉混交林最高，植物降塵物中PM2.5含量范圍在0.54～1.25μm之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）；重慶市森林滯塵降塵物PM10范圍在035.1～52.6μm 之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，闊葉混交林最高（p＜0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）；TSP 范圍在62.1～73.2μm 之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林、落葉松林、針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），顯著高于針葉混交林和柏木林（p＜0.05）；粒徑范圍在3.2～10.3μm之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林、落葉松林、針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），顯著高于針葉混交林和柏木林（p＜0.05）。

圖2 重慶市森林滯塵滯塵能力季節(jié)變化

圖3 重慶市森林滯塵葉面降塵的粒徑分布

2.4 重慶市森林滯塵提供負(fù)氧離子功能物質(zhì)量評估

根據(jù)對不同區(qū)域森林負(fù)氧離子現(xiàn)場長期監(jiān)測結(jié)果，重慶市不同林分類型負(fù)氧離子數(shù)詳見圖4。各林分類型負(fù)氧離子數(shù)介于1 653～2 380個／cm3之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）；各林分類型正氧離子數(shù)介于1 298～1 862個／cm3之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，闊葉混交林顯著高于其他林分（p＜0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）。

圖4 重慶市森林滯塵提供負(fù)氧離子功能物質(zhì)量

2.5 重慶市森林滯塵凈化大氣環(huán)境功能物質(zhì)量

如圖5所示，不同林分提供負(fù)離子數(shù)目為5.80×1023～1.16×1024個／cm3之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）；吸收SO2變化范圍在8.09～16.32 g／m3之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，其中落葉松林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），其他林分差異顯著（p＜0.05）；吸收HF變化范圍在0.37～1.26 g／m3之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞柏木林，針葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），其他林分差異顯著（p＜0.05）；吸收NOx變化范圍在0.21～0.85 g／m3之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，針闊混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05），其他林分差異顯著（p＜0.05）。

圖5 重慶市森林滯塵凈化大氣環(huán)境功能物質(zhì)量

2.6 重慶市森林凈化大氣環(huán)境功能價值量評估

根據(jù)物質(zhì)量評估結(jié)果計算，將重慶市不同林分類型的物質(zhì)量轉(zhuǎn)化為價值量（如圖6所示）。不同林分滯塵價值量變化范圍在3.24×105～6.53×105元／a之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林；吸收SO2價值量變化范圍在3.90×104～1.35×105元／a之間，依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林；吸收HF價值量變化范圍在4.30×104～9.20×104元／a之間，依次表現(xiàn)為：落葉松林＞闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林；吸收NOx價值量變化范圍在1.50×104～4.20×104元／a之間，依次表現(xiàn)為：落葉松林＞闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林。

圖6 重慶市森林凈化大氣環(huán)境功能價值量評估

3 討論

作為空氣質(zhì)量監(jiān)測的重要手段之一，森林的葉片滯塵量可在一定程度上反映微環(huán)境中空氣顆粒物含量。近年來關(guān)于植物滯塵效應(yīng)的研究報道較多［18－19］，植物葉片滯塵過程是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，葉片滯塵與粉塵脫落同時進(jìn)行，此過程中，植物葉片滯塵作用始終處于主導(dǎo)地位，說明了植物滯塵能力的絕對性［20］。就本研究中不同林分平均滯塵量而言，年平均滯塵量依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）。主要是由于，闊葉混交林葉和針闊混交林的葉面積較大，單位面積能夠滯留的粉塵較多，同時還能夠進(jìn)行很好的光合作用，進(jìn)而滯塵能力也較為突出，而針葉林葉面積較小，能夠滯留粉塵量也相對較少。此外，不同林分滯塵量基本表現(xiàn)為：春季＞冬季＞夏季＞秋季，相同季節(jié)基本表現(xiàn)為闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，主要是由于秋季空氣干燥，懸浮顆粒較多和大氣濕度較小，而春季，雨水充沛，空氣濕度大，不利于葉片對粉塵的滯留，加之風(fēng)力等外界因素的干擾，從而影響了植物的滯塵量［14-15］，大氣顆粒物通過干、濕沉降到植物的葉表面，而地面揚塵等塵源物質(zhì)也將積累和形成［16-17］。由此表明闊葉混交林是滯塵能力優(yōu)良的城市樹種，因受植物單葉面積大小、葉片組織結(jié)構(gòu)以及樹冠密集度、整株葉量多少等因子制約，各滯塵量指標(biāo)間不盡一致。同時，植物滯塵作用與人類活動及植物本身屬性有關(guān)，此外，還與植物的株型、葉片特性、分枝方式有關(guān)［21-22］。

本研究雖然分析了滯塵的試驗數(shù)據(jù)，但對影響植物葉片滯塵效應(yīng)的因素，尚未建立全面的數(shù)學(xué)模擬模型，在未來的研究工作中，需要將更多可能的影響因素進(jìn)行綜合分析研究。葉片表面細(xì)微結(jié)構(gòu)對顆粒物產(chǎn)生的吸附作用在大多數(shù)樹種中均存在，由于細(xì)微結(jié)構(gòu)的差異性，不同細(xì)微結(jié)構(gòu)對顆粒物的支持固定作用效果也不同。本研究中闊葉混交林滯塵量最大，粒徑偏小，一定程度上反映了闊葉混交林粉塵污染狀況較為嚴(yán)重，并且闊葉混交林MP2.5與MP10的比例較高，不同林分滯塵量與葉面塵可吸入顆粒物百分比變化不一致，可能是因為各樣點大氣環(huán)境中顆粒物組分不同。污染物為可吸入顆粒物，不同林分葉片所吸收的灰塵中，PM1.0均占了一定比例，說明不同林分均能夠滯留可吸入顆粒物，改善環(huán)境質(zhì)量［23-24］。本研究中，不同林分提供負(fù)離子數(shù)目、吸收SO2價值量、吸收HF價值量和吸收NOx價值量依次表現(xiàn)為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，一定程度上反映了闊葉混交林粉塵污染狀況較為嚴(yán)重，同時闊葉混交林具有較高的凈化大氣價值［25-27］。

本次研究連續(xù)3 a對重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)凈化大氣功能等效益進(jìn)行了評估，綜合來看，在重慶市未來的林業(yè)生態(tài)建設(shè)中，應(yīng)考慮闊葉混交林為主導(dǎo)的森林生態(tài)系統(tǒng)，因地制宜選育和營造適當(dāng)樹種，在林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的同時，兼顧生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提高。當(dāng)前，由于技術(shù)手段的限制，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能實時更新數(shù)據(jù)比較困難。在今后的工作中，還需要進(jìn)一步結(jié)合國家退耕還林導(dǎo)向，加強各個森林生態(tài)系統(tǒng)功能的時間動態(tài)變化規(guī)律，以及生態(tài)過程、結(jié)構(gòu)和功能之間相互作用的研究。

4 結(jié)論

森林生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了大量的木質(zhì)林產(chǎn)品和非木質(zhì)林產(chǎn)品，并且具有凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保持水土、固碳釋氧等多種功能，對維持生物多樣性、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減免自然災(zāi)害和調(diào)節(jié)自然生態(tài)平衡等具有重要作用。本研究開展了連續(xù)3 a的動態(tài)監(jiān)測，研究和比較重慶市主要森林滯塵效應(yīng)及凈化大氣功能。結(jié)果顯示，不同林分滯塵能力差異顯著（p＜0.05），年平均滯塵量基本表現(xiàn)為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林；而葉面塵中滯留的顆粒物中大多數(shù)是TSP（懸浮顆粒物），同時不同林分對PM10和PM2.5均有一定量的吸收，降塵物中PM2.5，PM10和TSP 相對含量均以闊葉混交林最高；不同林分降塵粒徑主要分布在2.5～100μm，葉面降塵中顆粒物粒徑集中分布在100μm 以下（占99%以上），降塵物主要為在大氣中經(jīng)一定距離漂移的TSP；不同林分負(fù)氧離子和正氧離子數(shù)、提供負(fù)離子數(shù)目、吸收SO2價值量、吸收HF 價值量和吸收NOx價值量均表現(xiàn)為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，由此表明闊葉混交林具有較高的進(jìn)化大氣功能。

此外，森林生態(tài)系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，其功能價值也具有動態(tài)性，由于技術(shù)手段的限制，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)實時更新數(shù)據(jù)比較困難。本次研究只針對2015—2017年重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)凈化大氣功能效益價值進(jìn)行評估，部分生態(tài)服務(wù)功能由于受計量方法和手段以及研究數(shù)據(jù)難以獲得等因素影響，內(nèi)容還不夠全面。在今后的工作中，我們需要不斷的探索和提高森林生態(tài)服務(wù)功能的評估方法，更需要進(jìn)一步加強其功能的時間動態(tài)變化規(guī)律，以及森林生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能效益之間的相互關(guān)系。