羅 佳， 田育新， 朱 昕， 王育堅(jiān)， 牛艷東， 曾掌權(quán)，鄧 楠， 王景弟

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004；2.湖南省林業(yè)局， 湖南 長沙 410004；3.湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 湖南 慈利 427200；4.慈利縣林業(yè)局， 湖南 慈利 427200)

近年來隨著工業(yè)化、城市化的飛速發(fā)展，特別是在發(fā)展中國家，由人為因素造成的城市空氣污染已成為主要的環(huán)境問題，并且直接或間接地威脅到城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和城市居民的健康[1-3]。根據(jù)中國環(huán)境狀況公告，顆粒物已成為中國大中城市的主要污染物[4-5]。PM2.5濃度較高會直接危害人類健康，增加疾病的危害和導(dǎo)致患病人數(shù)的增加[6-7]，給社會帶來極大的負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)損失。同時，PM2.5等顆粒物還會對人居環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，造成空氣污濁、降低能見度等；也會降低植物的產(chǎn)量和活力，其濃度長期較高會使生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性喪失等[8]。湖南省作為中南地區(qū)的重要省份，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)動車和燃煤量均持續(xù)增加，嚴(yán)重的污染使得治理PM2.5，提高空氣質(zhì)量顯得尤為重要[9]。

森林植被等綠色植物是PM2.5等細(xì)顆粒物的克星[10]，發(fā)揮著巨大的凈化大氣環(huán)境的作用[11-12]。HWANG等[13]發(fā)現(xiàn)針葉樹種的攔截能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于闊葉樹種的，NEINHUIS等[14-15]認(rèn)為，銀杏具有“自清潔”特性，滯留顆粒物的能力較差。MATSUDA等[16]研究發(fā)現(xiàn)森林群落的林冠層能夠有效阻滯PM2.5顆粒物，降低其濃度。陳波等[17-18]發(fā)現(xiàn)森林植被區(qū)的PM2.5濃度明顯低于非植被區(qū)的。隨著湖南社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市居民追求更高的環(huán)境質(zhì)量，但目前對湖南植被滯納顆粒物的研究較少，而對武陵山區(qū)多類型植被的PM2.5滯納量的研究未見報(bào)道。為此，本研究在武陵山區(qū)選擇18個喬、灌、草等不同植被配置模式的樣地，對其植被的葉片表面PM2.5滯納量(簡稱葉片PM2.5滯納量)進(jìn)行定量測試和分析，用詳實(shí)的數(shù)據(jù)揭示森林對大氣環(huán)境的凈化功能。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于湘西武陵山區(qū)女兒寨小流域，地處湖南省張家界市慈利縣零陽鎮(zhèn)兩溪村，距慈利縣城西北大約7km，其地理位置為111° 12′43″E，29°25′28″N。該流域封閉相對良好，屬澧水二級小支流，大致呈南北向，屬武陵山脈低山區(qū)，流域總面積2.18km2，最低海拔(主溝出口處)210m，最高海拔917.4m，主溝長約為1.2km，主溝縱比降約為28.4‰。該區(qū)域森林覆蓋率達(dá)80%以上，林分類型以退耕還林和次生林為主，是退耕還林集中連片區(qū)。該區(qū)成土母巖以砂頁巖為主，土壤主要為黃紅壤酸性土。該流域主要林分類型有馬尾松Pinusmassoniana林、杜仲Eucommiaulmoides林、柑桔Citrusreticulata林及雜灌林[19]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在武陵山區(qū)選擇林齡和海拔相近的地段，設(shè)置18個喬、灌、草等不同植被配置模式的樣地。樣地的基本信息如表1所示。

2.2 葉片采集

主要采集武陵山區(qū)不同植被配置模式樣地中喬木、灌木、草本和毛竹的葉片(要求在采集葉片之前15d內(nèi)無降雨發(fā)生)，喬木選擇3株樣樹，分別在喬木的不同高度和不同方位共采集50片葉片；灌木選擇3株樣樹，共采集60片葉片；草本以3叢為單位，共采集50片葉片。將不同植被配置模式樣地中采集的相同植物葉片樣品混合存儲于一個樣袋(40～60片)，然后將樣袋置于采樣箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行PM2.5滯納量的測定。草本植物葉片采集時主要是采集各樣地林下不同草本植物葉片。樣地23的優(yōu)勢樹種是濕地松和楓香，但以濕地松為主，葉片采集時采集濕地松的葉片。以各植被配置模式樣地中不同植物葉片PM2.5滯納量的均值作為每種植被配置模式林分葉片PM2.5滯納量。

表1 樣地基本信息Tab. 1 Basic vegetation types information of sample plots 樣地號海拔/m優(yōu)勢樹種植物配置起源郁閉度灌層蓋度/%草層蓋度/%胸徑/cm樹高/m8360馬尾松針葉純林天然0.70202013.310.019355灌叢闊葉混交林天然0.70303010.75.6010270豹皮樟闊葉純林天然0.80102013.99.7011255杜仲闊葉純林人工0.8020308.27.5012380油桐闊葉純林人工0.5010109.37.9013255柑桔闊葉純林人工0.6060108.63.3014275楓香、香樟闊葉純林人工0.80501011.38.0015275柏樟闊葉純林人工0.80401010.18.2016245杉木針闊混交林天然0.40203010.56.7018260香樟闊葉純林天然0.70303016.610.6019375馬尾松針葉純林天然0.70503014.29.1020200柏木針葉純林人工0.70503015.68.5021145杉木針葉純林人工0.50502012.88.9022350馬尾松針闊混交林天然0.80401011.97.4023365濕地松、楓香針闊混交林人工0.80251011.510.5024370楓香針闊混交林人工0.70105013.39.80a-1380油茶闊葉純林人工0.7510108.68.10a-2245毛竹毛竹林天然0.5020307.411.23

2.3 葉片表面PM2.5滯納量測定

應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器測定葉片表面的PM2.5滯納量，具體方法參見陳波[20]和LUO等[21]的方法。由下列公式計(jì)算單位葉面積和單位林地面積的PM2.5滯納量。

M=n/A；

Q=M×LAI×0.1×k。

式中：M為單位葉面積PM2.5滯納量(μg·cm-2)；n為放入氣溶膠再發(fā)生器中葉片PM2.5滯納量(μg)；A為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積(cm2)；Q為每1hm2林分的PM2.5滯納量(kg·hm-2·a-1)；LAI為葉面積指數(shù)；0.1為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；K為年洗脫次數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型植物葉片PM2.5滯納量

3.1.1 不同喬木樹種葉片PM2.5滯納量 由圖1可知：不同喬木樹種單位葉面積PM2.5滯納量在(0.020±0.0002)～(0.230±0.0200)μg·cm-2之間，其中單位葉面積PM2.5滯納量最大的柏木的是最小的棕櫚的10.95倍；不同喬木樹種單位葉面積PM2.5滯納量排前3位的柏木、馬尾松和杉木的滯納量分別為0.230±0.0200、0.210±0.0100、0.145±0.0060μg·cm-2；居中的柑桔、豹皮樟、杉木、石櫟和飛蛾槭的滯納量分別為0.142±0.0110、0.140±0.0090、0.070±0.0030、0.050±0.0004、0.040±0.0020μg·cm-2；排后4位的香樟、濕地松、油桐和棕櫚的滯納量分別為0.036±0.0004、0.035±0.0002、0.026±0.0005、0.021±0.0002μg·cm-2?？傮w來看，針葉樹種單位葉面積的PM2.5滯納量最大，其次是柑桔、豹皮樟等樹種的，樹葉光滑的闊葉樹單位葉面積PM2.5滯納量最小。

3.1.2 不同灌木樹種葉片PM2.5滯納量 不同灌木樹種單位葉面積PM2.5滯納量如圖2所示。由圖2可知：不同灌木樹種單位葉面積PM2.5滯納量在(0.016±0.0003)～(0.400±0.0400)μg·cm-2之間，其中茶樹、花椒和檵木位于前3位，冬青居中，鐵仔和杜苓山位于最后2位。單位葉面積PM2.5滯納量最大的茶樹的是最小的杜苓山的25.00倍。總體來看，茶樹和花椒多為經(jīng)濟(jì)樹種，受人為干擾較大，其單位葉面積的PM2.5滯納量大于其他灌木樹種的；冬青、鐵仔和杜苓山均比較矮小，其單位葉面積的PM2.5滯納量小于其他灌木樹種的。

圖1 不同喬木樹種單位葉面積PM2.5滯納量Fig. 1 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different tree species

圖2 不同灌木樹種單位葉面積PM2.5滯納量Fig. 2 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different shrub types

圖3 不同草本植物單位面積PM2.5滯納量Fig. 3 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different herbs

3.1.3 不同草本植物葉片PM2.5滯納量 不同草本植物單位葉面積PM2.5滯納量如圖3所示。由圖3看出：不同草本植物單位葉面積PM2.5滯納量在(0.040±0.0010)～(0.290±0.0160)μg·cm-2之間，其中莎草、鱗毛蕨和蒲公英位于前3位，芒草和苔草位于最后2位，單位葉面積PM2.5滯納量最大的莎草是最小的苔草的7.25倍?？傮w來看，莎草和鱗毛蕨相對芒草和苔草,其直立度較小，莎草更矮小，鱗毛蕨則葉片覆蓋度較大，故莎草和鱗毛蕨單位葉面積的PM2.5滯納量大于其他草本的。不同草本植物單位葉面積的PM2.5滯納量排序?yàn)樯?0.290±0.0160μg·cm-2)>鱗毛蕨(0.192±0.0020μg·cm-2)>蒲公英(0.850±0.0130μg·cm-2)>芒草(0.070±0.0020μg·cm-2)>苔草(0.040±0.0010μg·cm-2)。

3.2 不同類型植被PM2.5滯納量比較

由圖4可知：不同類型植被單位葉面積PM2.5滯納量排序?yàn)椴荼?0.160±0.0910μg·cm-2)>灌木(0.120±0.0930μg·cm-2)>喬木(0.100±0.0640μg·cm-2)>毛竹(0.050±0.0100μg·cm-2)?？梢?，草本植被的PM2.5滯納量最大，其PM2.5滯納量分別是灌木、喬木和毛竹的1.33、1.60和3.20倍。

圖4 不同類型植被單位葉面積PM2.5滯納量Fig. 4 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different vegetation types

3.3 不同類型林分PM2.5滯納量

圖5為不同類型林分單位面積PM2.5年滯納量。由圖5可知：單位面積馬尾松林、柏木林、杉木林的PM2.5年滯納量位居前3位，柑桔林、豹皮樟林、灌木林、油茶林、濕地松林居中，竹林、香樟林和油桐林居后3位。不同類型林分單位面積PM2.5年滯納量在(0.160±0.0050)～(2.220±0.1200)kg·hm-2·a-1之間，最大的馬尾松林的是最小的油桐林的13.88倍?？傮w來看，單位面積林分PM2.5年滯納量以針葉林的最大，灌木林和油茶林的居中，香樟林和油桐林的較小。

3.4 不同植被配置類型林分PM2.5滯納量

由圖6可知：不同植被配置類型林分單位面積PM2.5年滯納量以針葉混交林的最大，其次是針闊混交林和闊葉混交林的，天然林針葉純林和天然闊葉純林居中，人工針葉純林、人工闊葉純林和灌草排后3位。不同植被類型林分單位面積PM2.5年滯納量在(0.290±0.0300)～(1.610±0.0600)kg·hm-2·a-1之間，最大的針闊混交林的是最小的灌草的5.55倍。不同植被配置類型林分單位面積PM2.5年滯納量排序?yàn)獒樔~混交林(0.160±0.0600 kg·hm-2·a-1)>針闊混交林(1.230±0.0700kg·hm-2·a-1)>闊葉混交林(0.780±0.0600kg·hm-2·a-1)>天然針葉純林(0.770±0.0500kg·hm-2·a-1)>天然闊葉純林(0.600±0.0900kg·hm-2·a-1)>人工針葉純林(0.520±0.0300kg·hm-2·a-1)>人工闊葉純林(0.300±0.0300kg·hm-2·a-1)>灌草(0.290±0.0300kg·hm-2·a-1)?？傮w來看，單位面積林分PM2.5年滯納量以混交林的最大，純林和灌草的較??；純林中天然林的大于人工林的。

圖5 不同類型林分單位面積PM2.5年滯納量Fig. 5 Annual PM2.5 retaining amount of per unit area in different stand types

4 結(jié)論與討論

(1)喬木樹種單位葉面積PM2.5滯納量排序?yàn)榘啬?馬尾松>杉木>柑桔>豹皮樟>油茶>石櫟>飛蛾槭>香樟>濕地松>油桐>棕櫚；灌木樹種單位葉面積PM2.5滯納量在(0.016±0.0003)～(0.400±0.0400)μg·cm-2之間，其中茶樹、花椒和檵木位于前3位，冬青居中，鐵仔和杜苓山位于最后2位；不同草本植物單位葉面積PM2.5滯納量在(0.040±0.0010)～(0.290±0.0160)μg·cm-2之間，其中莎草、鱗毛蕨和蒲公英位于前3位，芒草和苔草位于最后2位。

(2)不同類型植被單位葉面積PM2.5滯納量排序?yàn)椴荼?灌木>喬木>毛竹。這是因?yàn)椴荼咎幱谧畹讓?，接近于地面，可以接觸到更多的顆粒物源物質(zhì)，大量的PM2.5因沉降作用降落到草本層和灌木層；喬木層雖然高大，但是單位葉面積上沉降的PM2.5源物質(zhì)少于降落到草本層和灌木層的；毛竹雖比較高大，但是其葉片比較光滑，單位葉面積的PM2.5滯納量最少。這與莫莉[22]的研究結(jié)果一致。

(3)不同類型林分單位面積年P(guān)M2.5滯納量在(0.160±0.002 0)～(2.220±0.120 0)kg·hm2·a-1之間，最大的馬尾松林的是最小的油桐林的13.88倍；單位面積PM2.5年滯納量以針葉林的最大，灌木林和油茶林的居中，香樟林和油桐林的較小。植樹造林可以有效降低空氣污染[23]，因樹木具有強(qiáng)大的去除空氣顆粒物的能力[24-25]。林木吸滯PM2.5主要以葉片為載體，但不同結(jié)構(gòu)的葉片對顆粒物的阻滯吸收量有差異。不同的植被，因其自身生物學(xué)和熱力學(xué)特性的差異，其PM2.5滯納量有很大差異[26]。相關(guān)研究證明，濕潤性較強(qiáng)的樹種，其表面較濕潤，容易粘附更多的顆粒物，故滯納PM2.5的能力較強(qiáng)；葉表面光滑的樹種，其葉表面濕潤性較差，故滯納PM2.5的能力較差[27]。TOMASEVIC等[28]發(fā)現(xiàn)葉表面粗糙、有各種凹凸不平溝壑結(jié)構(gòu)的植物滯納PM2.5等顆粒物的能力較強(qiáng)，反之則較弱。對針闊樹種PM2.5滯納量的研究較少，但就目前研究的結(jié)果來看，較多研究結(jié)果支持針葉樹種的PM2.5滯納量大于闊葉樹種的，原因是針葉樹種葉片較粗糙，可以滯納更多的顆粒物。本研究也得出與此一致的結(jié)果。李海梅等[29]對青島市城陽區(qū)11種園林植物的葉表面形態(tài)結(jié)構(gòu)與滯塵能力進(jìn)行了研究，指出不同樹種單位葉面積滯塵能力差異較大，懸鈴木、女貞、大葉黃楊有較強(qiáng)的滯塵能力，而白蠟樹的滯塵能力較小。該研究結(jié)果與趙勇等[30]的研究結(jié)果一致，說明在不同環(huán)境條件下，相同植物滯塵能力的排序即滯塵規(guī)律是一致的，這也與本研究的結(jié)果一致。

(4)不同植被配置類型林分PM2.5年滯納量在(0.290±0.030 0)～(1.610±0.060 0)kg·hm2·a-1之間。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(yáng)塵[31]。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有利的條件。從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的，這可能主要是垂直高度不同，接受灰塵量不同的緣故[32]。植物滯留TSP與PM2.5的能力不僅與單位葉面積滯留量有關(guān)，也與植株總?cè)~面積大小相關(guān)[33]?？傮w來看，具有高大樹冠的喬木植物比低矮的灌木植物和草本植物滯納PM2.5等顆粒物能力強(qiáng)[34]，由喬木、灌木和草本組成的有上中下三層植被配置的森林對PM2.5的滯納能力最強(qiáng)，相反植被組成層次簡單的森林滯納PM2.5等顆粒物的能力較弱。本研究中混交林的PM2.5滯納量最大，其次是天然針葉純林和闊葉純林的，人工針葉和闊葉純林以及灌草結(jié)構(gòu)林分的PM2.5滯納量較小。柏木、馬尾松等針葉樹種由于其葉面積較大，而且葉片較粗糙，可以滯納PM2.5等更多的顆粒物；石櫟、飛蛾槭等闊葉樹種單位葉面積PM2.5的滯納量較少，而且葉片較針葉樹光滑，所以PM2.5的滯納量少于混交林和針葉純林的。可見，混交林的植被配置模式是降低PM2.5等顆粒物污染的首選模式[35]。城市森林群落中，不同植物配置森林的PM2.5滯納量還與其種植密度和郁閉度等因素有關(guān)，在合理的密度和郁閉度下，其滯納PM2.5等顆粒物的能力可以達(dá)到最大化，當(dāng)高于或低于適宜的密度和郁閉度時，滯納PM2.5等顆粒物的能力均降低[36]。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況和具體污染程度確定合理的植被配置模式，這也是在以后森林植被凈化大氣環(huán)境研究中需著重考慮的問題。應(yīng)量化和分析不同植被配置下其凈化的值到底有多大，從而獲取最佳、最科學(xué)的植被配置組合。