不同配置模式的城市森林植被对PM2.5的吸附研究

王 冰，赵新新

（沈阳大学a.环境学院，b.生命科学与工程学院，沈阳 110044）

PM作为一种可以进入人体肺部的颗粒物，其粒径非常小，在大气环境中能够长期停留，且不易扩散，常常因城市环境不同，呈现出多种不同的化学成分；当大气环境中PM达到一定浓度时，可以形成雾霾，严重时能够降低空气能见度，还能够对大气辐射以及气候环境变化产生严重影响，同时还能够降低生态系统生物多样性等。研究表明，PM含有大量的有毒、有害物质，对人体心肺功能会造成一定的负面影响。因此，有效消减城市空气中PM的污染已成为亟待解决的问题。通过大量研究，目前国内外学者已经基本达成共识，城市森林植被可以吸附大量空气中的污染物，包括PM，它们具有较强的净化城市大气环境功能。正因如此，国内外相关部门都在大力推动城市森林建设，积极发展城市林业，有效增加城市绿地面积，优化城市大气环境，例如北京著名的平原造林工程。

相关学者对城市森林不同树种及不同森林植被配置模式的林地消减城市空气中颗粒物功能进行了系列研究。张桐等发现，城市居住区具有强效滞留颗粒物能力的常见树种有石楠、栾树、三角梅、樟树、银杏、红花檵木、红叶石楠、海桐、八角金盘和枇杷等；杨金红等发现，城市中灌木滞尘能力大于乔木；李新宇等通过调查北京4 个不同公园内典型的植被配置模式，发现消减PM能力最强的是纯林配置模式或是乔草配置模式的林地，消减PM能力最弱的是纯草配置模式的绿地；崔磊等通过对比9 种落叶乔木滞留颗粒物的能力，发现银中杨与山杏在5～8 月中单位叶面积滞尘量显著高于其他7 种落叶乔木；田志会等通过研究发现，乔灌草植被配置模式的林地对大气颗粒物消减作用最显著；稀树草坪对PM的净化能力显著低于林地；谢滨泽发现，泡桐、油松和桧柏滞留PM和TSP 的能力皆大于小叶女贞、大叶黄杨和木槿；植物滞尘量的大小与叶面积相关，高大乔木滞留颗粒物的能力强于低矮灌木。根据查阅的文献，城市森林植被配置模式相关研究有一定的局限性，即研究的配置模式类型较少，不能将城市森林植被典型的配置模式完全反映出来，因此开展此项研究。

本研究通过采集沈阳市区城市森林典型的6 种植被配置模式，即针叶混、针阔混、针叶纯林、阔叶混、阔叶纯林和乔灌混，分析不同植被配置模式空气PM质量浓度日变化，测定不同配置模式森林植被吸附空气PM量，为寻求准确的森林植被配置模式，有效净化城市大气环境提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沈阳地处北温带，受季风影响较大，属于半湿润大陆性气候，全年气温和降水量的分布由西南向东北和由东南向西北方向递减。沈阳四季分明，春秋两季持续时间较短，年平均气温6～11℃，1月气温最低，7月气温最高。沈阳冬季盛行偏北风；春秋两季南北风交替出现；夏季偏南风出现的频率最高。

试验地沈阳植物园位于沈阳东部，距离市中心23km，地理坐标为l23°37’52"～54"E，41°51’35"～37"N。试验地绝对最低温度-33.1℃，绝对最高温度38.1℃，年平均温度7.8℃；年平均降水量734mm，年平均相对湿度65%，年平均日照数2630.6h，无霜期平均155d。到目前为止，沈阳植物园引种栽培植物共计1778 个种（包括亚种、变种、变型、栽培品种），分别属于148科601属，其中木本植物56科518种，草本植物76科845种，温室植物80科411种。

1.2 方法

1.2.1 不同配置模式的设置 不同植被配置模式共计设置20 块样地，其中包括针叶混、针阔混、针叶纯林、阔叶混、阔叶纯林和乔灌混6种配置模式；不同样地设置的面积存在一定的差异，受到地域条件的限制，乔灌混设置的样地面积小于其他样地。混交林植株的高度和胸径（地径）均取不同树种的平均值。不同样地的林下均有地被，乔灌混和针阔混样地下面有部分灌木，灌木数量少、所占面积小。

1.2.2 不同配置模式空气PM质量浓度日变化监测 在距离地面1.5m处，使用手持粉尘监测仪（Dustmate）监测该处空气PM（

d

≤2.5μm，可吸入颗粒物）的质量浓度，每天7∶00～17∶00，每隔2h监测1次，每次同步监测不同配置模式下空气PM质量浓度，每次测定重复3次。

表1 不同配置模式植被信息
Table1 Vegetation information of different configuration modes

1.2.3 植被叶片采集 在5～10月每月月底，采集不同配置模式中树种的叶片，每种配置模式选择3块样地，在每块样地内选取生长良好的树种各3株，并在每株树木的树冠上采集叶片。在每个样地中，每个树种采样叶片的数量约为50 片，按照不同树种放入各自不同自封袋中，并给予标明，然后再将其放入装有冰块的箱子中，运回实验室进行处理。每次采集的叶片都来自于相同的样树。

1.2.4 叶片PM吸附量 将采集的叶片放入气溶胶再发生器（QRJZFSQ—I）制成气溶胶，之后用手持粉尘监测仪测定气溶胶中PM的质量浓度，进而推算叶片上的PM吸附量（

m

），每个配置模式中的监测重复进行3次；利用叶面积软件和叶面积扫描仪计算放入料盒中所有叶片的叶面积（

S

），通过式（1）计算单位叶面积PM吸附量（

M

），通过公式（2）计算年单位公顷林地吸附PM质量（kg·hm·a）。

式中：

M

为单位叶面积PM吸附量（μg·cm）；

m

为放入气溶胶再发生器中叶片PM吸附量（μg）；

S

为放入气溶胶再发生器料盒中所有叶片的叶面积（cm）；

Q

为年每公顷林地吸附PM质量（kg·hm·a）；

LAI

为叶面积指数（油松、桧柏、侧柏、云杉、五角枫、刺槐、银中杨、白桦、山樱和蒙古栎的叶面积指数分别为3.8，3.2，3.1，3.2，2.5，2.4，2.4，2.4，2.4，2.3）；单位转化系数为0.1；

k

为PM年洗脱次数（本研究取值为16）。

1.3 数据处理

试验所得数据结果为3次重复的平均值，利用Microsoft Excel 2010 软件、SPSS 19.0 软件对试验数据进行统计分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同配置模式空气PM2.5质量浓度变化

图2 为5～10 月每日7∶00～17∶00 不同配置模式空气PM质量浓度日变化，从图中可以看到不同月份不同配置模式的峰值多半在7∶00。其中5月针叶混、针阔混、针叶纯林、阔叶混、阔叶纯林和乔灌混6种配置模式空气PM浓度峰值在7∶00，其值分别为39.54，37.43，36.58，35.66，34.56，38.57μg·m；除9～10 月外，6～8 月也表现出相同的变化规律。不同月份针叶混配置模式空气PM质量浓度日变化最大、其次是乔灌混、阔叶纯林配置模式的最低，5 月的针叶混（24.72μg·m）>乔灌混（23.47μg·m）>针叶纯林（23.29μg·m）>针阔混（23.01μg·m）>阔叶混（22.56μg·m）>阔叶纯林（21.78μg·m）；即使在空气PM质量浓度日变化最低的8月，也表现为针叶混（29.88μg·m）>乔灌混（26.00μg·m）>针叶纯林（24.44μg·m）>针阔混（23.26μg·m）>阔叶混（22.59μg·m）>阔叶纯林（20.93μg·m）；在空气PM质量浓度日变化最高的10 月，表现为针叶混（41.33μg·m）>乔灌混（39.54μg·m）>针叶纯林（46.00μg·m）>针阔混（46.57μg·m）>阔叶混（44.34μg·m）>阔叶纯林（40.54μg·m）。由此可见，混交林配置模式空气PM质量浓度日变化高于纯林配置模式，针叶林配置模式空气PM质量浓度日变化高于阔叶林配置模式。

综上所述，不同配置模式空气PM质量浓度日变化呈单峰型，在7∶00～17∶00这段时间内，空气PM质量浓度峰值多半在7∶00；不同配置模式空气PM质量浓度日均值呈现出针叶混配置模式的最大，其次是乔灌混，阔叶纯林最小，这表明了混交林吸附PM的能力更强。

图1 不同配置模式PM2.5质量浓度日变化Figure1 Diurnal variation of PM2.5 mass concentration in different configuration modes

图2 相同时间不同配置模式空气PM2.5质量浓度Figure2 Air PM2.5 mass concentration in different configuration modes at the same time

2.2 不同配置模式空气PM2.5质量浓度日变化特征

由图3 可知，7∶00 是一天中空气PM质量浓度最高的时刻，之后空气PM质量浓度逐渐降低，17∶00 空气PM质量浓度达到一天中的最低值；从不同配置模式观测的结果上来看，针叶混配置模式空气PM质量浓度最大，其次是乔灌混，最小的是阔叶纯林。7∶00 时不同配置模式空气PM质量浓度排序为针叶混（39.54μg·m）>乔灌混（38.57μg·m）>针阔混（37.43μg·m）>针叶纯林（36.58μg·m）>阔叶混（35.66μg·m）>阔叶纯林（34.56μg·m）；17∶00 时的排序为针叶混（18.59μg·m）>乔灌混（18.55μg·m）>针叶纯林（18.14μg·m）>针阔混（17.28μg·m）>阔叶混（15.64μg·m）>阔叶纯林（15.45μg·m）。由此可见，针叶混吸纳、聚集PM的能力最强，阔叶纯林最弱。

图3 不同配置模式森林植被不同月份PM2.5吸附量Figure3 PM2.5 adsorption capacity of forest vegetation in different configuration modes in different months

2.3 不同配置模式森林植被对PM2.5的吸附量

由表2 可知，5～10 月不同配置模式单位叶面积PM吸附量排序为针叶混（0.744μg·cm）>乔灌混（0.709μg·cm）>针叶纯林（0.625μg·cm）>针阔混（0.53μg·cm）>阔叶混（0.483μg·cm）>阔叶纯林（0.407μg·cm），其中针叶混是阔叶纯林的1.83倍。可见，针叶混PM吸附量最大，纯林PM吸附量较小，特别是阔叶纯林PM吸附量最小。这样的结果也表明混交林自身叶片特性决定其可以吸附更多的颗粒物，特别是针叶混、乔灌混，其中灌木本身低矮，因为空气PM在越低的地方其浓度越高，所以灌木林才有可能吸附大量的PM。另外，混交林可以弥补纯林的单一功能，增加林分的熟透度，从而增加对PM的拦截量。

表2 不同配置模式的PM吸附量
Table2 PM adsorption capacity in different configuration modes

注：不同行和列的小写字母、大写字母均表示差异显著（<0.05）。
Note:Lowercase letters and uppercase letters in different rows and columns indicate significant differences(<0.05).

从不同月份观测结果来看，9 月和10 月森林植被空气PM吸附量较多，从5 月开始，不同配置模式森林植被空气PM吸附量在不断增加，一方面是由于时间累计的过程，另一方面也与9 月和10 月森林植被外界空气PM质量浓度较高有关系。

2.4 不同配置模式森林植被空气PM2.5吸附量的月度变化

由图4可知，针叶混配置模式5～10月的空气PM吸附能力均高于其他配置模式。5月不同配置模式单位叶面积PM吸附量最低，10月不同配置模式单位叶面积PM吸附量最高。5月不同配置模式单位叶面积PM吸附量排序为，针叶混（0.54μg·cm）>乔灌混（0.53μg·cm）>针叶纯林（0.43μg·cm）>针阔混（0.42μg·cm）>阔叶混（0.39μg·cm）>阔叶纯林（0.31μg·cm）；10月单位叶面积PM吸附量排序为针叶混（0.94μg·cm）>乔灌混（0.88μg·cm）>针叶纯林（0.82μg·cm）>针阔混（0.69μg·cm）>阔叶混（0.59μg·cm）>阔叶纯林（0.50μg·cm）。从排序结果来看，针叶混配置模式叶片吸附PM的能力最强，阔叶纯林配置模式吸附PM能力最弱。从时间变化来看，不同配置模式的森林植被随着时间的延长，对PM的吸附量会逐渐增加，呈现出10月（0.74μg·cm）>9月（0.62μg·cm）>7月（0.60μg·cm）>8月（0.57μg·cm）>6月（0.53μg·cm）>5月（0.44μg·cm）。

表3为不同配置模式在不同月份的方差分析，在0.05水平下，不同月份和不同配置模式单位叶面积PM吸附量均有显著性（

p

<0.0001），

Fcrit

值均小于

F

值，二者之间的关系极其显著。

表3 不同配置模式不同月份的方差分析
Table3 Variance analysis of different configuration modes in different months

2.5 基于森林植被吸附PM2.5功能的树种配植选择

城市森林植被树种选择要结合城市景观环境搭配方面的充分考虑，既要做到审美上的需求，实现形态、色彩上的合理搭配，也要做到城市森林整体上的统筹兼顾，满足其可持续性发展；同时还要充分考虑城市森林的生态效益，选择一些净化大气环境与滞纳颗粒物能力强的树种。根据不同树种与不同配置模式森林植被PM吸附量的结果，针对不同的城市污染区提出了相应的建议选择树种与最佳优化、组合的森林植被配置模式。

针对城市所在地大气环境质量和不同污染区的污染程度，建议提出的选择树种如下：重度污染区建议选择的树种为云杉(

Picea asperata

)、油松(

Pinus tabuliformis

)、侧柏(

Platycladus orientalis

)、刺槐(

Robinia pseudoacacia

)、五角枫(

Acer pictum

)、云杉-油松(

Picea asperata-Pinus tabuliformis

)、油松-侧柏(

Pinus tabuliformis-Platycladus ori⁃entalis

)、油松-连翘(

Pinus tabuliformis-Forsythia suspensa

)；中度污染区建议选择的树种为油松(

Pinus tabulifor⁃mis

)、侧柏(

Platycladus orientalis

)、云杉(

Picea asperata

)、刺槐(

Robinia pseudoacacia

)、银中杨(

Populusalba'Berolinen⁃sis

)、油松-榆叶梅-忍冬(

Pinus tabuliformis-Amygdalus triloba-Lonicera japonica

)；轻度污染区建议选择的树种为银中杨(

Populusalba'Berolinensis

)、蒙古栎(

Quercus mongolica

)、侧柏(

Platycladus orientalis

)、油松(

Pinus tabulifor⁃mis

)、油松-蒙古栎(

Pinus tabuliformis-Quercus mongolica

)；相对清洁区建议选择的树种为蒙古栎(

Quercus mongoli⁃ca

)、山樱(

Prunus serrulata

)、白桦(

Betula platyphylla

)、银中杨(

Populusalba'Berolinensis

)、油松(

Pinus tabuliformis

)、云杉-茶条槭(

Picea asperata-Acer ginnala

)。

3 讨论与结论

5～10 月不同配置模式空气PM质量浓度多半在7∶00 时最大，之后开始下降，8～10 月有的配置模式在15∶00～16∶00 PM质量浓度开始出现上升。每日PM质量浓度下降、上升呈往复变化趋势。由于早晨大气垂直运动比较缓慢，对流运动不够活跃，空气中的颗粒物易于堆积；同时还易于发生逆温现象，使得距离地表层大气对流较为缓慢，不利于空气中的颗粒物扩散运动，导致其浓度逐渐增大，PM质量浓度也逐渐升高。进入午后时段，随着山谷风的移动，周边城镇污染物随着风向输送到中心城区，这也会对空气中细粒子浓度的上升产生一定的影响。在15∶00和16∶00，空气中PM质量浓度出现提升，之后又开始下降。由于午后大气对流比较旺盛，垂直运动增强，含有底层污染物质的大气与高层清洁大气相互对流，互相交换，导致污染物的迅速扩散，与此同时，午后山谷风的出现，也使空气中的颗粒物在一定空间和时间内随风飘散，使空气中PM质量浓度迅速下降。7∶00～17∶00 不同配置模式空气PM质量浓度日变化峰值多半在7∶00；不同配置模式PM质量浓度日均值表现为针叶混最大、其次是针叶混和乔灌混，阔叶纯林最小。

森林植被配置模式与其滞尘效果密切相关，其中叶片是植物滞留PM等颗粒物的主要载体，叶表面形态特征的变化大小对森林植被滞纳和吸附PM等颗粒物的量值具有显著影响。研究表明，油松、侧柏等针叶树的单位叶面积吸附PM的能力较强，更多的颗粒物滞留与叶片特性相关；针叶阔叶树种中刺槐、五角枫相比于银杏和杨树的叶片粗糙度大，故混交林分吸附PM的能力优于纯林。本研究结果表明，针叶混是滞纳与吸附PM能力最强的配置模式，这是因为乔木高大、吸附能力较强的缘故；乔灌混仅次于针叶混，这是因为乔灌配置模式使得森林植被上层、中层都可以滞纳和吸附空气中的PM等颗粒物，其中灌木主要是以吸附森林植被底层的粗颗粒物为主，灌木叶片粗糙度较小，因此其吸附PM能力要低于针叶混。

不同配置模式的森林植被，其种植密度也是必须要考虑的重要因素，如果种植密度过大，可能会最大限度地截留颗粒物，不利于颗粒物的扩散，导致森林植被空气颗粒物浓度升高；种植密度过大也会使植物之间产生激烈竞争，如争夺阳光和土壤中的养分和水分，不利于植物正常生长。5～10 月，不同配置模式PM单位叶面积吸附量排序为针叶混>乔灌混>针叶纯林>针阔混>阔叶混>阔叶纯林，其中针叶混是阔叶纯林的1.83 倍。在不同的配置模式中，针叶混的PM吸附量最大，纯林的PM吸附量较小，阔叶纯林的PM吸附量最小。谢滨泽等研究不同配置模式下植物滞尘能力的变化，得出乔木对颗粒物的吸附能力要比灌木强，认为乔木冠幅大于灌木冠幅，大的冠幅可以滞纳大量的PM等颗粒物，与本项研究结果一致，本项研究中的乔灌混配置模式吸附PM的能力也较强，仅次于针叶混。