一、森林植被调控PM2.5等颗粒物机理

森林通过其叶片、枝条以及复杂的冠层结构来起到阻滞吸附颗粒物的作用，是削减城市大气颗粒物的重要措施。森林对大气颗粒物的阻滞吸附吸附作用主要通过以下5个方面实现：

减尘作用，覆盖地表减少颗粒物的来源（杨进怀，2012）；

滞尘作用，叶面吸附直接捕获颗粒物（王赞红等，2006）；

吸尘作用，叶孔组织容存吸收颗粒物；

降尘作用，降低风速促进颗粒沉降；

阻尘作用，改变风场阻拦颗粒物进入局部区域（Sehmel，1980）。

1森林植被对于PM2.5等颗粒物的滞尘作用

全美国城市中的灌木和乔木每年大约能够沉降215,000吨的PM10颗粒物（Nowak DJ et al., 2006）。英国城市中，植被绿化面积大约为城市面积的四分之一，其植被对PM10的减少量在2%到10%之间（McDonald AG et al., 2007）。Yang 采用模型研究北京森林覆被对于PM10的滞尘，研究结果表明每年每公顷可以滞留PM10 720吨占到总颗粒物的61%。Nowak采用模型分析了美国亚特兰大城市森林的滞尘情况，研究表明树木可以移除4.7吨—64.5吨的颗粒物。

Fowler等研究表明，乔木植被对于大气中的气体、颗粒物以及气溶胶的截留和吸收要比陆地上其他下垫面效果都要好。乔木组成的植被拥有更大的树冠表面积，同时可以影响林带内的空气湍流扰动，所以它们相比矮小的植被能更有效地吸收大气颗粒物。国内外对于不同林带结构对PM2.5的调控、林带内PM2.5的运移规律、林带内小气候对PM2.5的影响、林带内哪些要素会对PM2.5的扩散和运移起主要作用等方面的研究较少，而这些方面却是目前急需深入研究的问题。

城市森林对削减大气颗粒物、改善空气质量具有明显作用，城市森林植被覆盖率越大，对颗粒物的阻滞吸附能力也就越强。唐明等以北京市城区为研究区域，分析了可吸入颗粒物与土地覆盖的关系，结果显示植被覆盖率和绿地百分比与可吸入颗粒物浓度呈负相关关系，海淀区和石景山区植被覆盖率最大，颗粒物浓度也最小（唐明，2011）。McDonald等模拟了英国西米德兰兹郡和格拉斯哥郡空气中PM10与植被覆盖率的关系（McDonald et al.，2007），模拟结果表明：（1）当西米德兰兹郡的植被覆盖率由3.7%提高到16.5%时，PM10的浓度将下降10%，每年消除10t大气中的PM10，当植被覆盖率达到理论最大值54%时，PM10浓度下降26%，每年消除PM10的质量达200t；（2）对于格拉斯哥郡，当其植被覆盖率由3.6%增加到8%时，PM10的浓度下降2%，覆盖率增加到21%时，PM10的浓度将下降7%。以色列类似研究发现，当植被覆盖时增加了19%—25%，PM10浓度减少5—20%（Freiman et al.，2006）。

森林边界影响着森林斑块的许多生命因子和非生命因子，包括大气中化学物质等的传输转移。边缘效应能够使风速和湍流发生变化，因此也影响了PM2.5等大气颗粒物的干沉降模式。在不同的林分配置下，林缘的颗粒物沉降量总是最大（Wuyts et al.，2008），到林缘的距离和林缘的过渡形式都显著影响着颗粒物的沉降量。Ould-Dada等通过风洞实验发现，随着从森林与草地的边界进入到森林内部，放射性铀的沉降通量逐渐减少（Ould-Dada et al.，2002）。对荷兰森林的干沉降的研究指出干沉降受森林密度、森林边缘的影响，并认为荷兰50%以上的森林面积都受到边缘效应的影响(Draaijers et al.，1994)。

林分的透风系数对颗粒物的沉降也有着重要影响。Gardiner等的研究结果表示，稀疏森林冠层内的风速更高（在一定范围内，林木滞留颗粒物的能力随着风速的增大而增加），在相同的有效收集区内，稀疏的森林林木的滞尘量较大（Gardiner et al.，1997）。Wuyts等发现稀疏森林林缘区域的颗粒物沉降量平均比密集森林林缘沉降量高40%（Wuyts et al.，2008）。Tiwary等通过模拟实验也证明了稀疏森林对颗粒物的捕获效率较高（Tiwary et al.，2006）。对上海浦东某条街道绿地的研究发现最适宜的林冠郁闷度和林带孔隙度分别是0.70—0.85和0.25—0.33（Shan et al.，2007）。

2叶表面微形态对颗粒物滞留的影响

不同树种的形态特征不同，不仅叶面积大小会影响叶片对颗粒物的捕获效率，叶表面一些特殊形态，如毛状体（Smith et al.，1997）、气孔（Hewitt，2003）和叶表面角质层蜡的化学成分和结构（Jouraeva et al.，2002；Kaupp et al.，2000）等，也能够促进颗粒物的沉积吸附。

我国学者对叶表面微形态影响滞尘能力的研究较多，俞学如等从定量角度分析，发现植物叶面滞尘量随着气孔数量的增加而增加；毛被数量多的滞尘量大，且毛被短而多的滞尘能力强（俞学如，2008）。柴一新等通过电镜叶表面进行观察，发现叶表皮具沟状组织、密集纤毛的树种滞尘能力比具瘤状或疣状突起的树种强（柴一新等，2002）。针叶树叶表面结构也对其滞尘能力有较大影响：叶表面平滑，细胞与气孔排列整齐，滞尘量较小；叶表皮较粗糙，细胞与气孔排列不规则的树种滞尘量较大；沙松、冷杉和东北红豆杉等的叶断面形状呈四棱形，叶片扁、平，滞尘量最大（陈玮等，2003）。叶片表面不同微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物，这些微形态结构滞留大气颗粒物的能力由高到低依次是绒毛、沟槽、叶脉+小室、小室、条状突起（王蕾等，2006；齐飞艳，2006）。

叶表面微形态结构不仅影响着叶片滞尘量，也影响着颗粒物在叶面的附着牢固程度。例如侧柏和圆柏叶表面具有密集脊状突起的沟槽，可牢固藏纳大量颗粒物；油松叶表面光滑，颗粒物容量较低，且附着不牢固，易被降雨和大风带走（王蕾等，2004）。

3不同树种对颗粒物的滞留能力分析

不同树种具有不同的形态特征，其滞留颗粒物的能力也不同。就北京市常见园林植物的滞尘作用而言，滞尘能力最强的常绿乔木类首选（陈自新等，1998）桧柏、侧柏、洒金柏，其次为油松、华山松、雪松、白皮松；滞尘能力最强的落叶乔木类首选槐树、元宝枫、银杏、绒毛白蜡、构树、毛泡桐，其次为栾树、臭椿、合欢等。

针叶树比阔叶树有更小的叶子和更复杂的枝茎，能够滞留更多的大气颗粒物。Beckett 、Freer-Smith等通过风洞模拟实验证明，针叶树对颗粒物的沉积速率和捕获效率均大于阔叶树，针叶树具有更强的滞留颗粒物的能力（Beckett et al.，2000；Freer-Smith et al.，2004）。刘霞等对青岛市城阳区主要绿化树种滞尘能力的研究（刘霞等，2008），也证明了这一观点。几种针叶树种的滞尘能力云杉＞杜松＞圆柏＞油松（郭鑫等，2009）。几种阔叶树种的滞尘量大小为悬铃木＞紫叶李＞紫薇＞连翘＞火棘（李海梅等，2008）。

针叶树不仅具有较大的颗粒物滞留量，且更易吸附细小颗粒物，王亚超等对南京市典型树种叶面颗粒物粒径的研究证明，雪松、侧柏等针叶树相对于阔叶树滞留细小颗粒物的能力更强（王亚超，2007）。俞学如等发现叶面尘粒径呈双峰分布，阔叶树主峰在 10—100μm 范围内，针叶树主峰在 0—10μm 范围内；在所研究的29种植物中，对PM2.5滞留能力较强的 5 种植物分别是：雪松、桧柏、龙柏、桂花、落羽杉（俞学如，2008）。

4不同植被类型阻滞吸附颗粒物的比较

不同类型植物滞尘能力不同，就单位叶面积来说，滞尘能力大小排序为草本植物＞灌木植物＞乔木植物＞藤本植物；但就植物个体而言，常表现为乔木植物＞灌木植物＞草本植物。树木较其他土地覆盖类型有更大的表面积，树木冠层提供了比树木本身所占面积大2—10倍的叶面积（Gallagher et al.，1997），有很大的表面粗糙度，根据空气动力学原理，树冠结构导致空气湍流运动，增加了叶表面颗粒物的沉积（Fowler et al.，1989），湍流气流和气流引起的撞击是导致大气颗粒物沉积在树木而非较矮植被的主要机制。

大量研究已经证实，有林地比灌草植被具有更有效的拦截气态污染物、颗粒物和气溶胶的能力。冯朝阳等测定了北京门头沟区常绿乔木、落叶阔叶乔木、灌木以及草地4种不同植物类型的平均滞尘能力，并结合叶面积指数，评估了自然植被总体的滞尘能力和滞尘量，得出常绿乔木林的滞尘能力高于草地、落叶阔叶乔木林的滞尘能力略高于灌木林的结果（冯朝阳等，2007）。周志翔等对武钢厂区绿地景观类型的空间结构及滞尘效应的研究，发现多行复层绿带滞尘效果最好，其次是乔木防护林，专类园和观赏草坪的滞尘效果最差（周志翔等，2002）。张新献等测定了乔灌草型、灌草型、草坪三种绿地类型的减尘效应，结果显示乔灌草型绿地减尘作用最为显著（张新献等，1997）。从城市绿地群落的垂直结构来看，乔灌草型绿地具有相对较好的滞尘能力，是目前阻滞大气颗粒物较为理想的绿地类型。

Fowler等研究了英国西米兰德地区草地和森林的气溶胶干沉降，发现森林土壤中沉积的210Pb浓度比草地土壤中的高；草地气溶胶沉降速度平均为3.3mm/s，森林内气溶胶沉降速度平均为9mm/s，森林的降尘作用远远大于草地（Fowler et al.，2004）。Bunzl等研究发现云杉林放射性铯和放射性钌的沉降量比周围草地的沉降量分别高出20%和24%（Bunzl et al.，1989）。Ould-Dada等发现森林边缘内铀的沉降通量是附近草地上方沉降通量的3倍（Ould-Dada et al.，2002）。Branford等测定了荒野与森林干燥土壤样品中的210Pb和137Cs，测量结果表明，森林相对荒野增加了36±12％的沉降量（Branford et al.，2004）与采样点隐性沉降的独立测量和模型的估计相一致（Bunzl et al.，1989）。这些均为森林调控大气颗粒物的作用提供了一个明显的证据。

森林削减大气颗粒物不仅具有环境效益，更是一种经济措施（Jim et al.，2008 ；Escobedo et al.，2008）。Escobedo等比较了圣地亚哥管理城市森林和街道树木与其他控制策略(如替代燃料)减少PM10的经济效益，确定城市森林的效益类似于这些其他的空气质量改进措施。在营造城市绿地时，充分考虑园林景观的基础上，选择滞尘能力强的树种，合理配置绿地结构，最大可能地在提高城市绿地质量的同时，又具有良好的环境价值和经济效益。

三、影响森林调控PM2.5等颗粒物的影响因素

影响森林滞尘的因素是复杂的，植物特性、气象条件以及颗粒物浓度植物也会排放出一些有机挥发物，这些物质在特殊的天气情况下也会发生一系列化学和光化学反应，产生二次气溶胶，这也会导致林带内颗粒物浓度升高。这些因素都是影响森林去除PM10和PM2.5的重要因素。通常来说常绿树种因为叶片能够四季更新，这使其能够长时间的固定颗粒物。树种的大小也影响着CO2的吸收，速生树种能够更快的吸收CO2，这样可以有充足的叶面积来吸收颗粒物（Nowak et al.,2002）。

叶片特性也影响着植物对于颗粒物的截留，研究表明具有多毛、树脂、有鳞、粗糙表面的叶片能够捕获更多的颗粒物，而叶片光滑则滞尘较少。不同树种的形态特征不同，不仅叶面积大小会影响叶片对颗粒物的捕获效率，叶表面一些特殊形态，如毛状体（Smith et al.，1997）、气孔（Hewitt，2003）和叶表面角质层蜡的化学成分和结构（Jouraeva et al.，2002；Kaupp et al.，2000）等，也能够促进颗粒物的沉积吸附。

我国学者对叶表面微形态影响滞尘能力的研究较多，俞学如等从定量角度分析，发现植物叶面滞尘量随着气孔数量的增加而增加；毛被数量多的滞尘量大，且毛被短而多的滞尘能力强（俞学如，2008）。柴一新等通过电镜叶表面进行观察，发现叶表皮具沟状组织、密集纤毛的树种滞尘能力比具瘤状或疣状突起的树种强（柴一新等，2002）。针叶树叶表面结构也对其滞尘能力有较大影响：叶表面平滑，细胞与气孔排列整齐，滞尘量较小；叶表皮较粗糙，细胞与气孔排列不规则的树种滞尘量较大；沙松、冷杉和东北红豆杉等的叶断面形状呈四棱形，叶片扁、平，滞尘量最大（陈玮等，2003）。叶片表面不同微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物，这些微形态结构滞留大气颗粒物的能力由高到低依次是绒毛、沟槽、叶脉+小室、小室、条状突起（王蕾等，2006；齐飞艳，2006）。

叶表面微形态结构不仅影响着叶片滞尘量，也影响着颗粒物在叶面的附着牢固程度。例如侧柏和圆柏叶表面具有密集脊状突起的沟槽，可牢固藏纳大量颗粒物；油松叶表面光滑，颗粒物容量较低，且附着不牢固，易被降雨和大风带走（王蕾等，2004）。

四、森林调控PM2.5等颗粒物存在问题与发展趋势

目前，中国对PM2.5等颗粒物的监测多是区域性监测，数据零散且间断、系统性较差，观测的结果有限，不能全面地反映我国颗粒物污染的整体状况（杨春雪等，2011），难以深入分析和比较。

近阶段对植物叶片滞尘的研究要么只侧重于植物滞尘能力，要么只侧重于大气污染物质对植物的伤害作用，对林木结构与其减尘、滞尘、阻尘等功能的作用机理等还未开展深入研究。尽管部分研究表明森林的确能有效滞留颗粒物，但是，对城市绿地的研究多以小范围绿地，不能很好地在全局上反映绿地对城市的滞尘作用。

森林能有效滞留PM2.5（Tomasevic et al., 2005），但目前对森林减少空气颗粒物污染的研究主要集中在总悬浮颗粒物（TSP）和PM10等大粒径粉尘上，对净化PM2.5的研究成果还很少。只有少量的关于不同植被对PM2.5等颗粒物的阻滞和吸附的定性研究，关于植被对PM2.5的阻滞和吸收作用仍没有定量化的研究。尽管部分学者建立了植被覆盖率与颗粒物浓度的模型，对于森林阻滞吸附颗粒物的研究具有一定的指导作用，但由于很多模型缺乏模型验证支持，且影响颗粒物浓度的参数较多，适用性需要进一步研究，难以推广应用。

国内外对道路林带阻滞颗粒物的研究主要是林带削减颗粒物浓度的效率，国外学者对影响林带阻滞吸附颗粒物的机理虽然有一些阐述，但是由于此机理受众多因素影响，并没有全面的数据资料可以参考。在目前的研究中，对林带结构阻滞吸附颗粒物效果仅仅是刚刚起步。

国内外的研究虽然明确森林植被能够有效降低空气中PM2.5等颗粒物，但具体什么树种能最有效的降低PM2.5等颗粒物，森林如何配置，在城市中如何合理布局还急需深入研究。城市森林中经常存在地表覆盖缺乏的现象，如何通过改善森林结构而增强其滞留PM2.5等颗粒物的整体能力的结构调控技术急需开发。

绿地系统的滞尘研究今后将侧重于定量地分析出某个区域以阻滞吸附颗粒物为目的所需要的绿地系统的面积，及系统内植物种类配比和不同植物种类的数量，即通过对不同绿地系统滞尘的研究，根据一定区域内空气中的粉尘含量及阻滞吸附目标，制定出针对此区域绿地系统的一套绿化标准。

开展长期的森林对PM2.5等颗粒物的调控的基础性研究，确定森林削减大气颗粒物的主要作用机理及过程，定量分析和评价典型森林生态系统阻滞吸收PM2.5等颗粒物的功能和调控技术，对于北京大都市和其它区域城市森林恢复和重建意义重大，这也将是未来研究必要的发展趋势。

目前，国内学者对各园林树种的滞尘能力的研究较多，下一个重要的研究方向将是针对一定宽度的绿化林带滞留颗粒物的能力，特别是城市主要交通要道和高速路上的绿化林带滞尘能力的研究。

本文由刘四旦摘编自余新晓等编著《水土保持学前沿》一书中“水土保持与PM2.5防治原理与技术”专题。《水土保持学前沿》立足于水土保持学最新理论研究和学科前沿，分11个专题，系统地阐述了当今水土保持学的最新理论、方法和技术，为今后水土保持的学科发展与实践经验推广起到推动作用。

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