包紅光,王 成,杜萬光,郭二果,王曉磊,賀 然

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,呼和浩特 010018

2 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室 國家林業(yè)和草原局城市森林研究中心,北京 100091

3 北京市園林綠化局,北京 100013

4 呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測中心站,呼和浩特 010030

5 東營市水務(wù)局,東營 257091

6 北京植物園,北京 100000

隨著城市化進程加快,城市人口不斷聚集,城市環(huán)境不斷惡化,城市PM2.5污染引起人們的廣泛關(guān)注。PM2.5粒徑≤2.5 μm,具有沉降速度慢、滯留時間長、影響范圍廣、危害程度大等特點,給城市居民生活造成了諸多不利影響。許多城市因PM2.5污染所造成的健康和經(jīng)濟損失呈逐年上升趨勢[1],因PM2.5所引起的健康問題也屢見不鮮[2- 4]。城市林木為城市生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)提供至關(guān)重要的保障,是城市綠色基礎(chǔ)的基本組成[5],是極好的天然過濾器,可以有效減少PM2.5污染,很多國家均把林木栽植作為首要的舉措來改善空氣環(huán)境質(zhì)量[6- 7]；其過濾功能,有助于大幅減少對人體健康造成的不利影響[8]。目前,城市林木調(diào)控PM2.5污染效應(yīng)主要通過實地監(jiān)測進行研究,實地監(jiān)測作為尺度外推的重要基礎(chǔ),監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠直接、準確地表征城市林木PM2.5動態(tài)變化特征以及相關(guān)關(guān)系。本文基于實地監(jiān)測的城市林木調(diào)控PM2.5效應(yīng)的相關(guān)文獻進行系統(tǒng)概述,從林木樹種單位葉面積與形狀特征、林木結(jié)構(gòu)特征、時空變化特征、主要氣象條件以及其他影響因素等方面進行歸納總結(jié)。

1 單位葉面積與形態(tài)特征

研究表明,單位葉面積大小以及葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)對吸滯PM2.5能力有直接影響,園林常見樹種、經(jīng)濟林樹種與生態(tài)樹種調(diào)控PM2.5能力方面,通過直接采樣、空氣氣溶膠再發(fā)生器,電鏡掃描、水洗稱重法、X射線能譜儀、原子力顯微鏡(AFM)等方法進行定量和葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)進行對比分析[9- 15]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同監(jiān)測地點和研究對象得出的研究結(jié)果和相應(yīng)結(jié)論不盡相同,總體來看,大葉黃楊(BuxusmegistophyllaLevl.)、小葉黃楊(Buxussinica(Rehd.etWils.)Chengsubsp.sinicavar.parvifoliaM.Cheng)、銀杏(GinkgobilobaL.)、板栗(Castaneamollissima)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)、柳樹(Salixbabylonica)、金葉女貞(Ligustrum×vicaryiHort)、國槐(EuonymusjaponzcusThunb.)、雪松(Cedrusdeodara(Roxb.)G.Don)等樹種單位面積滯留能力較為突出,這可能是由于環(huán)境中PM2.5為影響葉片表面滯留顆粒物數(shù)量的主要原因,也有學(xué)者認為,不同樹種葉片在萌芽階段、葉片生長階段、滿葉期階段吸滯PM2.5表現(xiàn)均有不同,葉片結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越有利于吸附PM2.5[16- 18]。不同葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)能影響滯留PM2.5,且不同葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)均有差異表現(xiàn),例如,形態(tài)結(jié)構(gòu)(蠟質(zhì),絨毛,溝槽,條狀,紋理,分泌物,自由能)、因針葉樹種生長密度,冠幅大小、溝槽寬度、葉量、葉面傾角、接觸角均與調(diào)控PM2.5能力有關(guān),所受時間、地點的影響較小,相關(guān)內(nèi)容還需進一步詳細研究,下一步應(yīng)依據(jù)不同地區(qū)或植物科屬進行系統(tǒng)分類,定量與定性研究時宏觀與微觀相結(jié)合,進一步研究林木樹種葉面微結(jié)構(gòu)特征的同時,對林木樹種及林分年滯留量進行動態(tài)研究,同時進行相互比較驗證[19- 23]。

2 城市林木結(jié)構(gòu)特征

2.1 城市林木不同樹種調(diào)控PM2.5能力

城市林木是城市生態(tài)系統(tǒng)中具有自凈功能的主要組成部分[24- 25],通過手持采樣儀器進行定位監(jiān)測、干沉降、采樣及稱重、風(fēng)洞模擬實驗等得出不同樹種調(diào)控PM2.5能力。研究發(fā)現(xiàn),針葉樹種因其單位葉面積大的原因,吸滯PM2.5能力表現(xiàn)較好,落葉喬木其次,草地吸滯PM2.5表現(xiàn)能力最差[17]。Lin等[26]發(fā)現(xiàn)松樹(Pinus)和杜松(JuniperusrigidaS.etZ.)對細顆粒物的清除效率表現(xiàn)較好,同時發(fā)現(xiàn),空氣流通越大清除效率越高,種植密度越大則清除效率越低,其分枝方向不影響樹種本身清除效率。有學(xué)者對全球范圍內(nèi)常見城市林木學(xué)削減PM2.5能力進行研究,發(fā)現(xiàn)削減能力不突出,但懸鈴木(Platanusacerifolia(Aiton)Wild.),銀白槭(AcersaccharinumL.),美國皂夾(GleditsiatriacanthosL.)削減PM2.5的能力高于平均水平,針葉樹種相比較闊葉樹種因其葉面積指數(shù),樹冠密度等因素清除PM2.5能力較好,這也與其他學(xué)者研究結(jié)果相同[17,27- 29]；也有學(xué)者長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn),針葉樹種清除PM2.5能力1.32倍于闊葉樹種[30]。

2.2 城市林木不同配置結(jié)構(gòu)調(diào)控PM2.5能力

城市林木不同配置結(jié)構(gòu)影響PM2.5[7,31- 32]。吳志萍等[33]發(fā)現(xiàn),多層復(fù)合結(jié)構(gòu)且綠量較大、郁閉度和覆蓋度較高的綠地內(nèi)PM2.5要高于單層結(jié)構(gòu)綠地,這可能是由于聚集效應(yīng)形成內(nèi)環(huán)境而造成局部效應(yīng)；郭二果等[34],王成等[35]發(fā)現(xiàn),黃櫨林、側(cè)柏林和混交林內(nèi)PM2.5年均值均能到國家環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準。段文軍等[36]發(fā)現(xiàn),深圳市園山森林公園整體上具有降低局部區(qū)域內(nèi)PM2.5,但不同監(jiān)測點略有不同,山麓林、河谷林內(nèi)表現(xiàn)為聚集效應(yīng),山脊林內(nèi)為削減效應(yīng)。有學(xué)者表明[37],純林綠地或喬草配置綠地削減PM2.5表現(xiàn)最好,其余配置結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不明顯。王軼浩等[38]發(fā)現(xiàn),針葉林削減PM2.5的作用優(yōu)于其他林分,以及對顆粒物有再分配的作用。Gao等[39]、Liu等[40]發(fā)現(xiàn),針葉混交林和闊葉林內(nèi)PM2.5相比較其他林分表現(xiàn)較低,主要是由于夏季混交林表現(xiàn)為多維度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,以及造成的森林小氣候?qū)M2.5產(chǎn)生一定的影響,其中針葉林表現(xiàn)較為突出,同時發(fā)現(xiàn)冠層密度和葉面積指數(shù)對PM2.5影響較為顯著。古琳等[41]發(fā)現(xiàn),不同配置結(jié)構(gòu)綠地PM2.5均低于道路PM2.5；Zhao等[42]認為夏季喬灌草、灌草結(jié)構(gòu)對PM2.5的吸滯能力最強。Wagner等[43]、Salmond等[44]發(fā)現(xiàn),應(yīng)優(yōu)化街道峽谷內(nèi)城市林木配置結(jié)構(gòu),減少因林木植源性污染造成的PM2.5污染；Janh?ll等[45]表明,為有效治理PM2.5污染應(yīng)優(yōu)先選擇較低或者貼近地面的樹種,同時應(yīng)注意靠近污染源。有學(xué)者認為[5,46],城市林木調(diào)控PM2.5的功能與其配置結(jié)構(gòu)類型無關(guān),甚至沒有表現(xiàn)出特定的相關(guān)性,主要取決于城市林木面積的大小、連續(xù)性,并進一步表明城市林木在消除PM2.5方面的潛在效果取決于多種因素的相關(guān)性以及城市林木自身的不確定性。Nowak等[6]通過對比研究加拿大86個城市森林表明,樹木冠層可以有效改善PM2.5,但會導(dǎo)致樹木冠層以下PM2.5會升高。Liu等[47]發(fā)現(xiàn),北京市奧林匹克森林公園人工林樹木冠層在不同季節(jié)PM2.5削減率高于濕地和湖水表面。

2.3 城市林木面積大小調(diào)控PM2.5能力

除不同樹種以及林木結(jié)構(gòu)影響城市林木調(diào)控PM2.5能力之外,城市林木面積大小也會影響調(diào)控PM2.5。Hao等[48]發(fā)現(xiàn),通過綠道提高社區(qū)、城市邊緣與城市郊區(qū)綠道、綠地的空間連接,確保綠色斑塊之間的可達性,可以有效分散、稀釋、緩解和降解PM2.5。Wu等[49]表明,綠地覆蓋率越大削減PM2.5效應(yīng)越顯著,同時發(fā)現(xiàn),其綠地覆蓋率削減效應(yīng)影響大于綠地總周長的影響。曹宏亮等[50]發(fā)現(xiàn),通過增加常綠針葉林面積,可以有效調(diào)控上海市PM2.5,通過提高城市森林面積可以發(fā)揮更大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。張祥[51]發(fā)現(xiàn),綠地率大于75%的綠地類型對于減少PM2.5具有明顯效果。何亮[52]認為,綠地面積對削減PM2.5并無顯著相關(guān),但表現(xiàn)為正值,說明在一定程度上綠地面積越大,其對PM2.5凈化效益越好。朱柳燕[53]發(fā)現(xiàn),南京市常綠闊葉林春季半徑為1—2 km范圍,秋季半徑為2—3 km范圍的綠地面積；廣州市常綠林半徑為5—6 km范圍,北京市干旱森林春季、秋季半徑為1—6 km范圍,夏季半徑為3—4 km范圍時可以有效減輕PM2.5?？傮w來說,不同地區(qū)因林木自身應(yīng)用特點的不同城市林木面積大小調(diào)控PM2.5能力有所差異。

3 影響PM2.5主要氣象條件及其他因素

城市綠地調(diào)控PM2.5能力除了受葉表面積、林木結(jié)構(gòu)、林木面積大小影響之外,氣象條件、其他污染氣體、不同天氣對城市林木調(diào)控PM2.5也具有一定影響。目前,有學(xué)者用氣候模型、氣象數(shù)據(jù)的存檔以及實地監(jiān)測研究PM2.5與氣象因素之間的相關(guān)性[54- 56]。下面主要對降水(降雨、降雪)、溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因素,臭氧(O3)、NOX、SO2,不同天氣條件影響調(diào)控PM2.5能力方面進行概述。

3.1 降水(降雨、降雪)

降雨能夠洗脫植物葉表面滯留的顆粒物,使葉表面具有反復(fù)滯留顆粒物的能力,不同降雨量對PM2.5去除效果不同。郭二果等[34]發(fā)現(xiàn),降雨能使大氣顆粒物,尤其為粗顆粒物濃度降低,但PM2.5等細顆粒物濃度增加,可能是由于降雨首先沖刷減少粗顆粒物,所以小粒徑所占比例會增加所導(dǎo)致。曹宏亮[50]等發(fā)現(xiàn),降水量和降雨時數(shù)增加時,上海市城市森林PM2.5下降,城市森林削減PM2.5總量會下降。陳波等[57]對降雨前后對城市森林內(nèi)PM2.5對比發(fā)現(xiàn),雨前和雨中PM2.5波動較大,監(jiān)測期間累計降雨量達70 mm,雨后1 d PM2.5下降(89.36±4.78)%左右,說明降雨對森林植被區(qū)域降低PM2.5作用更明顯些。Przybysz等[58]通過模擬實驗表明,20 mm模擬降雨量對樟子松(P.sylvestris)PM2.5等細顆粒物的沖刷量在21%—30%,但大部分細顆粒物均留在樹木枝條上。有部分學(xué)者研究結(jié)果與上述結(jié)果有所不同,5 d總降雨量為34 mm,對林內(nèi)PM2.5變化影響不大,變化趨勢一致；但在降雨量分別為1 mm,27 mm時,林內(nèi)PM2.5無明顯變化,但在27 mm雨后2 h林內(nèi)PM2.5降幅最大,達76.1%[59]。劉辰明等[15]研究不同樹種在不同降雨條件對PM2.5沖刷率時發(fā)現(xiàn),14 mm降雨條件下大葉黃楊(BuxusmegistophyllaLevl.)PM2.5沖刷接近30%,欒樹(Koelreuteriapaniculata)、杜仲(EucommiaulmoidesOliver)對PM2.5沒有沖刷作用,說明在特定降雨條件下對部分樹種葉表面去除PM2.5能力有限,這可能與葉表面結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系,需進一步研究在降雨條件下不同林木樹種調(diào)控PM2.5能力?？傮w來講,降雨對PM2.5的影響具有不確定性,其作用也無統(tǒng)一結(jié)論,同時發(fā)現(xiàn)降雪影響城市林木調(diào)控PM2.5能力的研究較少,應(yīng)加強研究降雪對于城市林木調(diào)控PM2.5的影響。

3.2 風(fēng)速

城市林木可以阻礙風(fēng)流,同時可以減少湍流動力學(xué)能量[60]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[35,61- 62],PM2.5隨著風(fēng)速的增大而增加,且粒徑越小,關(guān)系系數(shù)越大,這可能是由于風(fēng)吹動樹葉等摩擦機械作用產(chǎn)生氣溶膠有關(guān)。陳波等[20]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在0.4—5 m/s之間時,植物園內(nèi)PM2.5變化浮動不大,5.1 m/s時植物園內(nèi)PM2.5下降一倍左右,7.6 m/s時植物園內(nèi)PM2.5下降一倍以上,PM2.5與空氣相對濕度呈較好的一致性,PM2.5與近地層逆溫層的出現(xiàn)相對應(yīng),風(fēng)速減小的同時逆溫層加厚時PM2.5會持續(xù)積累,質(zhì)量濃度升高。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),風(fēng)速在8 m/s時與PM2.5呈正相關(guān),大于8 m/s時與PM2.5呈負相關(guān)[63]。將燕[59]認為,當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時,林內(nèi)PM2.5下降21.4%,風(fēng)后1 h林內(nèi)PM2.5下降72.7%,風(fēng)后1 h下降幅度達到最大。Jean等[64]在街道峽谷環(huán)境下通過CFD(計算流體力學(xué))模型模擬研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)速為4.6 m/s時相比較風(fēng)速為1 m/s城市林木滯留PM2.5效應(yīng)更加顯著,風(fēng)速為1 m/s時PM2.5會增加8%,這可能是由于當(dāng)時風(fēng)速下不會發(fā)生湍流分散作用而產(chǎn)生?？傮w來講,不同學(xué)者對于風(fēng)速與PM2.5的關(guān)系有不同的界定。

3.3 溫度

太陽輻射與溫度高低有直接的關(guān)系,大氣及地面的累積溫度升高,局部溫度差異增大,空氣流動性增強,使得PM2.5降低,同時隨著日照時數(shù)的增加,加強大氣的擴散能力,有利于大氣中的PM2.5遷移和擴散[65-67]。翟廣宇等[68]發(fā)現(xiàn),日均氣溫在- 3—0℃之間時與PM2.5之間的線性關(guān)系較強,在日均氣溫14—16℃時與PM2.5之間的相關(guān)性又有所增加,說明太陽輻射加速了水溶性離子形成的過程,從而使得PM2.5增加。

3.4 濕度

一般情況下PM2.5與相對濕度呈正相關(guān),因不同季節(jié)相對濕度的變化PM2.5也有一定的變化,相對濕度越大加重PM2.5積聚污染[41,66],同時也通過影響水溶性離子的成核和凝聚的過程影響PM2.5[65,69]。有學(xué)者表明[62],相對濕度達到一定程度后PM2.5呈一定閾值,閾值還需界定。研究發(fā)現(xiàn),在一年大部分月份里PM2.5與相對濕度呈顯著負相關(guān),只有少數(shù)幾個月份呈正相關(guān),當(dāng)相對濕度足夠高時,顆粒物變得太重而不能留在空中,進而生干沉降,使PM2.5下降[70]。

3.5 臭氧(O3)、NOX、SO2

高濃度SO2促進植物揮發(fā)性氣體(VOCs)的排放[71- 72],揮發(fā)性氣體(VOCs)對近地大氣對流層臭氧光化學(xué)合成有顯著影響,植物排放的揮發(fā)性氣體(VOCs)將會導(dǎo)致大氣對流層中臭氧(O3)濃度上升,說明揮發(fā)性氣體(VOCs)的排放與臭氧呈顯著相關(guān)。城市林木產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體(VOCs)為臭氧前體物[73],揮發(fā)性氣體(VOCs)與NOX反應(yīng)形成臭氧以及其他污染物[74],同時發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性氣體(VOCs)為二次氣溶膠的重要前體物,二次氣溶膠是PM2.5的重要組成部分[75- 76]。如何準確量化揮發(fā)性氣體(VOCs)向二次氣溶膠的轉(zhuǎn)化過程以及影響城市林木的生產(chǎn)力將是未來的重要研究工作,雖然PM2.5與臭氧沒有直接的關(guān)系,但間接相關(guān)[77]。總體來講,臭氧(O3)、NOX、SO2等氣體復(fù)合效應(yīng)對城市林木調(diào)控PM2.5有一定的影響。

3.6 不同天氣狀況

城市林木調(diào)控PM2.5受不同天氣條件的影響。陳博等[78]發(fā)現(xiàn),晴朗天氣景觀生態(tài)林內(nèi)PM2.5處于較低水平,霧霾天氣下景觀生態(tài)林內(nèi)PM2.5具有增加效應(yīng),并且效果更佳明顯,霧滴對PM2.5具有一定的清除作用。趙松婷等[79]對北京市小公河公園綠地內(nèi)PM2.5進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)無污染、輕度污染(PM2.5≤150)、中度污染(115150)天氣條件下,公園綠地對PM2.5滯留作用受到一定的制約,說明公園綠地調(diào)控PM2.5能力受不同天氣條件的影響。叢嶺等[80]證實,林地在空氣質(zhì)量優(yōu)、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染時對PM2.5阻滯率分別為289.7%,19.9%,65.6%,97.2%,14.99%,說明在不同空氣質(zhì)量等級背景條件下林地阻滯PM2.5效果有所差異。有學(xué)者認為[35,57,61],多云和霧霾天氣使城市森林內(nèi)PM2.5顯著增加,尤其為高溫高濕“桑拿天”,能使郁閉度較大城市森林內(nèi)細顆粒物垂直擴散受到影響,其PM2.5所占比例顯著增加。

4 城市林木調(diào)控PM2.5時空特征

4.1 城市林木調(diào)控PM2.5時間變化特征

4.1.1季節(jié)、月份變化規(guī)律

城市林木在不同季節(jié)、不同月份生長勢有所不同,因此城市林木調(diào)控PM2.5能力季節(jié)變化、月份變化有所差異。陳波等[14]發(fā)現(xiàn),柳樹(Salixbabylonica)、五角楓(Acermono)、銀杏(Ginkgobiloba)、楊樹(Populusspp)對PM2.5吸附量秋季高于夏季,可能是由于秋季各樹種濕潤性大于夏季所致。Chen等[30]發(fā)現(xiàn),北京市一年內(nèi)PM2.5最高的均為海淀萬柳(非植被區(qū)),而最低的為海淀北京植物園內(nèi),海淀萬柳(非植被區(qū))PM2.5要高于北京植物園83.33%,可能是由于植被區(qū)的吸滯PM2.5作用而引起。王成等[35]發(fā)現(xiàn),北京西山不同游憩林內(nèi)PM2.5變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)冬季最高,夏季、秋季次之,春季最低變化規(guī)律。Gao等[39]發(fā)現(xiàn),六種不同城市綠地內(nèi)PM2.5秋季較比其他季節(jié)要高,夏季PM2.5顯著低于其他季節(jié),尤其為8月、10月。古琳等[41]對香樟林(Cinnamomumcamphora)、濕地松林(Pinuselliotii)、栓皮櫟林(Quercusvariabilis)內(nèi)PM2.5變化研究發(fā)現(xiàn),季節(jié)變化特征為春季>冬季>秋季>夏季。Hua等[81]研究北京市道路防護林內(nèi)PM2.5季節(jié)、月份變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)季節(jié)變化為冬季>秋季>夏季,夏季PM2.5顯著低于其他季節(jié),尤其在八月和十月,可能是由于夏季植被生理活動旺盛導(dǎo)致。史宇等[82]發(fā)現(xiàn),北京市林地PM2.5季節(jié)變化為冬季>春季>秋季>夏季,林地覆蓋率較高的區(qū)域?qū)M2.5有一定的削減作用,同時發(fā)現(xiàn)下墊面為林地的區(qū)域PM2.5在各個季節(jié)均表現(xiàn)為較低值,說明林地覆蓋率與PM2.5呈負相關(guān),至于林地覆蓋面積與PM2.5之間的關(guān)系,需進一步研究。李少寧等[83]發(fā)現(xiàn)北京市大興區(qū)南海子公園植被區(qū)冬季PM2.5明顯高于其他季節(jié),最低值出現(xiàn)在夏季6月、8月。汪結(jié)明等[84]發(fā)現(xiàn),長沙市不同類型園林綠地PM2.5月份表現(xiàn)為10月最低,8月最高,季節(jié)變化為夏季>冬季>春季>秋季,這可能是由于夏季高溫高濕氣候持續(xù)時間較長導(dǎo)致不同類型園林綠地PM2.5較為突出。陳波等[85]、魯紹偉等[86]發(fā)現(xiàn)北京市植物園、西山典型游憩林內(nèi)PM2.5季節(jié)變化均為冬季>春季>秋季>夏季,可能是由于冬季大氣層更為穩(wěn)定,降水少,不利于濕沉降發(fā)生所導(dǎo)致。蘇維等[87]發(fā)現(xiàn)南昌市林地斑塊林冠層春季、夏季、秋季削減PM2.5差異不顯著,但均高于冬季削減率,可能是由于城市森林斑塊總?cè)~面積的大小影響削減PM2.5程度,總?cè)~面積大,林地斑塊滯留PM2.5越多,凈化效果越明顯?？傮w來說,一般情況下冬季城市林木內(nèi)PM2.5最高,夏季PM2.5最低,但也有夏季最高等情況出現(xiàn),除PM2.5受到季節(jié)等因素之外,林地覆蓋面積、林木冠層面積均在不同季節(jié)影響PM2.5的原因。

4.1.2日變化規(guī)律

Gao等[39]對六種不同綠地內(nèi)PM2.5日變化規(guī)律進行監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn),在黎明和黃昏PM2.5較高,中午時候出現(xiàn)較低值,相比較黃昏,黎明時較比黃昏低,晚間和黃昏均出現(xiàn)較高數(shù)值的PM2.5,這可能是由于空氣中較高的濕度引起的。郭含文等[88]發(fā)現(xiàn),綠地率不同對PM2.5有一定的影響,綠地率越高其PM2.5日變化幅度很小；王軼浩等[38]研究重慶城郊森林PM2.5時發(fā)現(xiàn),下午PM2.5低于上午,12:00時出現(xiàn)峰值,19:00時出現(xiàn)最低值；段文軍等[36]發(fā)現(xiàn),深圳市園山風(fēng)景區(qū)內(nèi)夏季PM2.5日均值達到一類環(huán)境功能區(qū)要求,說明風(fēng)景區(qū)有較為穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。陳上杰等[89]發(fā)現(xiàn),北京市五環(huán)路道路綠化帶內(nèi)外PM2.5變化基本一致,峰值出現(xiàn)在8:00時、18:00時,谷值出現(xiàn)在16:00時,同時發(fā)現(xiàn)單位三維綠量與PM2.5顯著正相關(guān)。監(jiān)測時段內(nèi)受到不同時間段車流量、人流量以及氣象因素的影響,城市林木內(nèi)PM2.5出現(xiàn)峰值、最低值的時段有所不同,除車流量、人流量、氣象因素之外,監(jiān)測點的位置、綠地率、單位面積三維綠量均對PM2.5日變化有一定的影響。除此之外,峰值、谷值的不同還與當(dāng)時的人流量、車流量等情況也有很大的關(guān)系,需進一步深入研究。

4.2 城市林木調(diào)控PM2.5空間變化特征

4.2.1城市林木調(diào)控PM2.5水平變化特征

城市林木調(diào)控PM2.5不僅受林木樹種、配置結(jié)構(gòu)以及面積大小的影響還與林木邊界的距離等因素有關(guān)。Chen等[90]發(fā)現(xiàn),白楊林(Populustomentosa)內(nèi)PM2.5距路緣40 m處達到最高值,之后開始下降,說明毛白楊林(Populustomentosa)距路緣40 m以上能有效阻滯PM2.5污染。李素莉等[91]發(fā)現(xiàn),道路防護林距道路不同水平觀測點PM2.5有升有降,并沒表現(xiàn)出特定的規(guī)律,說明道路防護林對道路來源PM2.5擴散具有一定影響。陳上杰等[89]發(fā)現(xiàn),道路防護林不同寬度處PM2.5阻滯作用比較復(fù)雜,但距道路50 m外PM2.5下降到一定程度并趨于穩(wěn)定。包紅光[92]則證實,城市公園綠地環(huán)城高速路、城市主干道165 m,距城市次干道60 m以上寬度處PM2.5表現(xiàn)為下降趨勢,并持續(xù)下降,這與Viippola等[93]研究結(jié)果不盡相同,因PM2.5有較長時間停留等的特點,不會隨道路距離的增加而增加,反而會造成較高的內(nèi)環(huán)境。Tiwary等[94]發(fā)現(xiàn),寬度為2.2 m的山楂樹籬可以有效減少PM2.5濃度,樹籬高度為1.6 m時會達到最佳滯留PM2.5效果。有學(xué)者對城市水平梯度景觀格局調(diào)控PM2.5能力研究發(fā)現(xiàn),北京市五環(huán)道路綠地以外PM2.5單位面積削減量、削減總量以及去除率均高于五環(huán)以內(nèi)城市道路綠地[95]?？傮w來講,城市林木在不同立地環(huán)境條件下所能阻滯PM2.5有效半徑有所不同。

城市林木調(diào)控PM2.5水平調(diào)控效益還與天氣狀況及污染程度相關(guān)。王曉磊等[96]發(fā)現(xiàn),在晴天、多云、雨后陰天等不同天氣條件下,城市街頭綠地距路緣55—85 m、40—85 m、55 m處對PM2.5凈化效益較好；同時李新宇等[97]發(fā)現(xiàn),道路綠地在無污染或者輕度污染條件下距路緣6 m、16 m、26 m、36 m處均能表現(xiàn)出對PM2.5不同程度的削減作用,中度污染或者重度污染條件下各個觀測點削減作用不明顯,甚至?xí)霈F(xiàn)無作用的觀測點。

4.2.2城市林木調(diào)控PM2.5垂直變化特征

Jin等[46]發(fā)現(xiàn),由樟樹(Cinnamomumcamphora(L.) Presl)、法國梧桐(PlatanusorientalisLinn.)組成的道路綠地在0.3 m、1.5 m、4 m、8 m、12 m垂直高度處在不同季節(jié)調(diào)控PM2.5能力為遞減趨勢,說明道路綠地林冠層部分PM2.5削減能力較好。魯紹偉等[98]對不同海拔高度油松林吸附PM2.5研究發(fā)現(xiàn),低海拔的植物吸附多于高海拔,這可能是由于不同海拔高度葉表面形態(tài)特征有關(guān)。相對于PM2.5水平變化規(guī)律,垂直變化規(guī)律的研究相對較少,以后可以重點研究城市林木內(nèi)PM2.5垂直變化規(guī)律。楊貌等[99]研究道路不同綠地配置不同模式PM2.5削減作用時發(fā)現(xiàn),垂直向下1.5—3 m高度方向上對PM2.5有明顯的削減作用,植被郁閉度、疏透度以及配置類型是影響垂直削減作用的主要因素。Abhijith等[60]表明,在街道峽谷環(huán)境中,較高的林木會導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化,而較低的林木會改善空氣質(zhì)量狀況。Sun等[18]對監(jiān)測鷲峰國家森林公園PM2.5發(fā)現(xiàn),僅在側(cè)柏林內(nèi)15 m時濃度高于9 m時的濃度。

4.2.3城市林木內(nèi)外調(diào)控PM2.5變化特征

不同學(xué)者對城市林木內(nèi)外PM2.5變化研究狀況均有所不同。Chen等[30]發(fā)現(xiàn),白蠟純林、胡楊純林內(nèi)PM2.5高于純林外,可能是由于純林空間結(jié)構(gòu)影響小氣候的同時細顆粒物被林帶內(nèi)葉子和樹枝攔截并通過干沉降和濕沉降到達地面,故而林內(nèi)PM2.5高于林外。Jin等[46]發(fā)現(xiàn),城市林木冠層密度和葉面積指數(shù)分別為50%—60%、1.5—2.0時調(diào)控PM2.5效益達到最佳。Liu等[40]發(fā)現(xiàn)純林內(nèi)PM2.5因積聚效應(yīng)均比空白對照要高,除此之外,呼吸作用和一系列化學(xué)反應(yīng)會使PM2.5懸浮于葉片上,同時植物的呼吸作用和較高的相對濕度更有利于PM2.5沉積,使純林內(nèi)PM2.5積聚升高。陳上杰[89]等認為,大多數(shù)監(jiān)測時段混交林內(nèi)PM2.5較高,并發(fā)現(xiàn)不同林帶出現(xiàn)的狀況有所不同；但也有學(xué)者持不同觀點,李新宇等[100]認為公園綠地內(nèi)PM2.5要比公園外裸露地低20%。總體來講,城市林內(nèi)外PM2.5差異的情況是由于不同植被葉片、配置結(jié)構(gòu)、郁閉度、疏透度以及當(dāng)時的氣象因素等情況所導(dǎo)致。

5 存在問題與研究展望

實地監(jiān)測能夠直觀、準確地表征城市林木調(diào)控PM2.5的影響,但研究過程中仍有以下不足。基于城市林木調(diào)控PM2.5研究大多集中在葉片微結(jié)構(gòu),樹種以及林分尺度上[9- 15,16-23]。不管從單位葉面積以及形態(tài)結(jié)構(gòu)特征上,其監(jiān)測結(jié)果均證明城市林木不同樹種對調(diào)控PM2.5具有明顯作用,因不同樹種單位葉面積以及微形態(tài)特征存在較大差異[9- 15,16- 18],僅考慮以上因素不足以指導(dǎo)城市林木調(diào)控PM2.5的樹種選擇,并且對于樹種的選擇較為隨機[17,26-29]。下一步應(yīng)系統(tǒng)有效的進行地區(qū)、樹種分類,有利于從單葉調(diào)控PM2.5能力尺度上推至單木再到林分進行對比分析行,同時從城市與區(qū)域等不同尺度上提出切實、可操作的城市林木種植規(guī)劃方案,充分發(fā)揮城市林木生態(tài)環(huán)境效益。

城市林木調(diào)控PM2.5機制方面研究成果較多,但調(diào)控機理問題研究較少,具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)有限并且較難相互比較和驗證,葉片微結(jié)構(gòu)和生理機制及機理對調(diào)控PM2.5的作用還需大量研究和數(shù)據(jù)積累。城市林木調(diào)控PM2.5的研究大多涉及日變化及季節(jié)變化[30,35-36,38-39,41,81- 86,88- 89,91],而對于連續(xù)幾天、不同天氣條件下,或者連續(xù)幾年的持續(xù)性研究較少[101]。多數(shù)研究通過選擇晴朗無風(fēng)的條件進行觀測,以排除其他或者特殊氣象因素的影響,并且主要以在林木種類、林木結(jié)構(gòu)或林木面積大小對調(diào)控PM2.5能力為主,很少涉及特殊天氣,例如,不同降水量、降水前后、不同等級污染、不同等級風(fēng)速等氣象因素作為觀測變量的研究。下一步應(yīng)在氣象因素變量多樣化的基礎(chǔ)上,研究城市林木調(diào)控PM2.5時間變化特征。

城市林木調(diào)控PM2.5的距離衰減效應(yīng)主要集中在水平方向上[90- 97]。通過定量評估PM2.5二維空間變化,其結(jié)果主要為提高城市林木在不同水平方向、垂直方向調(diào)控PM2.5提供有效依據(jù),但不同空間尺度的城市林木與PM2.5之間的關(guān)系仍然不明確,更很少同時涉及水平方向以及垂直方向結(jié)合的三維空間上。近年來,隨著數(shù)值模擬方法得到廣泛應(yīng)用以及計算機運用能力的不斷提高[64,102- 103],計算機模擬方法逐漸流行,涌現(xiàn)出大量模擬軟件,模擬與實地監(jiān)測相結(jié)合為城市林木調(diào)控PM2.5三維研究提供機遇。下一步應(yīng)深入探究城市林木調(diào)控PM2.5效應(yīng)的三維特征,將有利于更好地挖掘其三維空間變化的影響機制,從而更好地指導(dǎo)城市林木的種植規(guī)劃與空間優(yōu)化,進而實現(xiàn)城市林木調(diào)控PM2.5效益的最大化、最優(yōu)化[104- 105]。