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“绿肺”新技能上线:森林也可以治污减霾 精选

已有 2787 次阅读 2017-5-5 09:06 |个人分类:科学书摘|系统分类:博客资讯|关键词:森林治污减霾功能研究:以北京市和陕西关中地区为例 科学出版社 牛香 薛恩东 王兵 张维康 党景中 姜艳 科学 防污减霾

森林生态系统是陆地生态系统的主体和重要资源,具有分布广、类型多、生态功能强等特点,并能够与人类居住区镶嵌分布(如城市森林),成为人类与环境最密切的联系界面之一。最重要的是,森林能够通过增加地表粗糙度、降低风速来达到吸收气体污染物、滞纳空气颗粒物的效果。森林高大的林冠层叶表面积、独有的叶片生物学特性、强大的空气颗粒物滞纳能力等均为净化大气环境功能提供了重要的生物学和生态学基础。


随着经济和社会的快速发展,人们对绿色、生态、健康的需求越来越迫切,良好的生态环境已成为吸引人才、科技、资源的一项重要影响因素。而森林作为影响生态环境质量的一个重要因素,已成为人类生存发展不可或缺的生态保障,关系着国家的生态安全。对森林净化大气环境功能进行科学、量化研究,能够充分体现林业在建设和谐社会和小康社会中的地位和作用。


森林植被可以有效降低空气污染物浓度,这一研究已经得到国内外科学家的证实。目前,中国环境污染问题,特别是大气污染问题日益突出,严峻的生态环境形势和严重的生态环境问题,对改善生态环境提出了迫切的要求。客观、动态、科学地研究森林治污减霾功能对于提高人们的环保意识、改善环境质量、科学指导造林规划及正确处理社会经济发展与生态环境保护之间的关系有着重要的意义。同时,通过选择高效治污减霾树种,营造森林群落,增加植被覆盖率,可以有效减少大气污染,从而为政府的大气污染防治行动计划提供科学依据。


森林治污防霾


森林治污减霾功能是森林植被降低环境污染能力的重要体现,主要途径是通过对空气污染物的吸附滞纳,以及提供负离子、释放芬多精等来完成。一般来说,空气污染物可以分为气体污染物和颗粒物污染物两类。气体污染物包括SO2、NOx、HF、CO 和O3等污染物;颗粒物污染物包括风蚀过程形成的矿物沙尘、光化学反应形成的水溶性颗粒物、石油与煤炭燃烧形成的碳质颗粒物和有机质颗粒物等。


森林治污减霾功能是指森林生态系统通过吸附、吸收、固定、转化等物理和生理生化过程,实现对空气颗粒物(PM2.5、PM10和TSP 等)、气体污染物(SO2、HF、CO、NOx 等)的消减作用,同时能够提供空气负离子、吸收二氧化碳并释放氧气,从而达到改善区域空气质量的能力。





图1 不同粒径空气颗粒物的划分(引自Science,307:1857-1861;News Focus:March 2005) 


由于颗粒物粒径分布的不同(图1),其引发的危害也不尽相同。当前,高浓度的空气颗粒物和SO2、NOx等气体污染物严重危害着人体健康,并引发一系列呼吸系统疾病;同时,颗粒物中的细颗粒物具有较强的散射作用,会引起空气能见度降低,这也是导致雾霾天气发生的重要诱因。


颗粒物按照粒径分布,一般可划分为总悬浮颗粒物(TSP,空气动力学直径小于100μm)、PM10(空气动力学直径小于或等于10μm)、PM2.5(空气动力学直径小于或等于2.5μm)、PM1.0(空气动力学直径小于或等于1.0μm)等。




图2 森林颗粒物沉降过程(Erisman and Draaijers,2003)


森林植被治污减霾功能得以实现主要有两方面原因:一是森林植被的存在使得地表粗糙度增加,并通过降低风速进而提高空气颗粒物的沉降概率;二是森林植被叶片表面结构特征及理化性质也为颗粒物的附着提供了更为有利的条件(图2)。例如,森林植被的枝、叶、茎能够通过气孔或皮孔吸收颗粒物前体物质(包括CO、SO2、NOx、O3等气体污染物)和细小的空气颗粒物,从而降低空气污染物的浓度(图2)。此外,复杂的林冠层结构(林冠大小和形状等因素)和叶片特征(形状、表面微观结构)是森林发挥治污减霾功能的基础。因此通过植树造林来增加地表覆盖率,可以有效地降低空气污染物的浓度,进而达到净化大气环境目的。


治污防霾功能方法学研究


森林治污减霾功能方法学研究分为两部分:一是森林吸收气体污染物(SO2、NOx、CO、HF等)的方法学研究;二是森林滞纳空气颗粒物(PM2.5、PM10、TSP等)的方法学研究。前者的研究方法国内外比较统一,但森林滞纳空气颗粒物的监测方法及测算方法目前还没有统一标准。因此,下面重点针对森林植被滞纳空气颗粒物的方法进行介绍。


森林吸收气体污染物方法学研究


表3 森林吸收气体污染物的主要测量方法



目前,测量植物对气体污染物的吸收,主要是从叶片角度进行阐释和研究。根据检测气体污染物的种类不同,研究方法也有差别(表3),最主要的研究方法包括滴定法和光谱测定法。滴定法一般分为人工滴定和自动电位滴定,其中人工滴定法较为常用,它可以测量植物叶片中氯、硫、氮元素的含量,主要原理是根据指示剂的颜色变化指示滴定终点,然后测量标准溶液消耗体积,最后计算分析结果。光谱测定法是利用光谱学的原理和试验方法确定植物叶片中元素含量的分析方法,该方法具有分析速度快、操作简单、灵敏度高等特点。但是,由于光谱定量分析是建立在相对比较的基础上,必须有一套标准样品作为基准,而且要求样品的组成和结构状态应与被分析的样品一致,这常常比较困难,因此限制了该方法的广泛应用。


森林滞纳空气颗粒物方法学研究


表4 叶片滞纳空气颗粒物的不同方法对比



森林滞纳空气颗粒物的方法学研究包括对不同立地条件下颗粒物沉降速率的测定,以及植物叶片对空气颗粒物滞纳能力的测定,其中沉降速率主要通过观测塔监测不同高度植被层颗粒物及污染物的浓度来获得。目前,叶片滞纳空气颗粒物的检测方法主要包括:颗粒物再悬浮方法、洗脱测试法和环境磁学法。三种检测方法的原理、特点及适用条件等见表4。


展望未来

当今社会,随着工业化迅速发展,城市空气污染问题愈来愈突出,人们愈来愈关注生存环境和健康问题,空气质量得到前所未有的重视。空气中的细颗粒物已逐渐成为空气中的首要污染物。细颗粒物(PM2.5)因其危害人体健康、携带病菌和污染物,且沉降困难、影响范围广,控制和治理难度大,已成为国内外政府和学者共同关注的重要问题。在目前尚不能完全依赖治理污染源解决环境问题的情况下,借助自然界的清除机制是缓解城市空气污染压力的有效途径,而植树造林、提高园林城市绿化率是最为有效的途径之一。


城市森林作为城市生态建设中最大的唯一具有自净功能的生态系统,不仅为城市污染环境下的居民提供了相对洁净的休闲游憩空间,在治污减霾方面也发挥着独特的生态功能。相同生境下,种植油松、雪松、侧柏、旱柳、五角枫等滞纳空气颗粒物能力强的树种更加有利于降低空气污染物浓度,提高环境质量。因此,实施城市公园建设、绿色通道建设、平原防护林更新改造、植树造林等绿化措施时,应大力种植治污减霾能力强的树种,不但可以提高城市森林覆盖率,还可以解决城市空气质量差、绿化布局不合理等问题。


针对已有的森林植被,应实施森林健康经营,加强对幼龄林、中龄林的抚育工作,积极改造生态功能低的林分类型,进一步调整和优化森林结构,大力发展针阔混交林,建立结构复杂、系统稳定、生态功能强大的森林生态系统。


因此,在今后的研究中,需要量化研究更多树种的滞尘能力,加强研究颗粒物理化性质、组成及叶片的微观结构对颗粒物滞纳能力的影响;同时要结合树种滞纳能力的动态变化情况,根据树种滞留颗粒物能力高低,筛选出研究区域适宜树种,确定研究区域调控空气颗粒物功能的优势树种组合,有针对性地挑选易于吸附相应化学物质的植被类型。


未来防治空气污染、治污减霾的过程还有很长的路要走,不仅需要从源头上控制污染物的排放,如使用清洁能源,还需要加强植树造林。通过绿色植被的生态功能、全民的参与和积极支持,相信雾霾天会在戮力同行中破局。美丽中国也一定会在共同努力中实现。






《森林治污减霾功能研究:以北京市和陕西关中地区为例》

作者:牛香 薛恩东 王兵 张维康 党景中 姜艳

责编:张会格 夏梁

北京:科学出版社,2017.4

ISBN:978-7-03-051920-7


《森林治污减霾功能研究:以北京市和陕西关中地区为例》以北京市和陕西关中地区为例,基于生态连清技术,采用分布式测算方法,研究了不同森林植被吸收气体污染物及滞纳空气颗粒物的能力。书中第1章介绍了森林治污减霾的基本范畴、国内外研究进展等;第2章介绍了森林治污减霾功能生态连清体系的构建;第3章针对森林滞纳颗粒物监测方法的构建,对比了不同测试方法的研究结果;第4章研究了陕西关中地区2010~2015年造林规划实施以来森林植被在治污减霾中的作用;第5章研究了北京市现有森林植被吸滞空气污染物的功能量,并对北京市百万亩造林规划提出了造林树种建议;第6章阐释了森林治污减霾的特征,并对未来森林植被在治污减霾中的功能进行了展望。


(本期责编:李文超)



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