水土保持植物措施對PM2.5的阻滯作用

馬　良

（1.山東省水利科學研究院，山東濟南250014；2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東濟南250014）

?

水土保持植物措施對PM2.5的阻滯作用

馬良1，2

（1.山東省水利科學研究院，山東濟南250014；2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東濟南250014）

【摘要】在分析城市PM2.5分布及沉降特征的基礎上，總結了水土保持植物措施與PM2.5的相互作用關系，闡述了今后該領域的研究方向，提出合理布設城市水土保持植物措施，充分發揮其阻滯PM2.5能力的幾點啟示。

【關鍵詞】PM2.5；水土保持；植物措施；阻滯作用

PM2.5指空氣動力學當量直徑≤2.5 μm的懸浮顆粒物，具有粒徑小、易擴散、難以通過自重沉降、滯留時間長、影響范圍廣等特點。大氣顆粒物排放源復雜，既有人為源、天然源排放，又有組織源、無組織開放源排放，還有固定源、流動源排放等。盡管以目前科技水平，國內外研發出袋式除塵器、濕式電除塵器、無機膜過濾器等工業用PM2.5捕獲設備，但無法在城區內大規模推廣使用。城市水土保持植物措施因其阻滯PM2.5的高效便捷性重新受到關注。水土保持植物措施既包括城市公共綠地，也包括生產建設項目內部的綠地空間，其作為城市的“綠色基礎設施”，是城市生態系統的重要組成部分。研究表明，植被能有效阻滯、吸附和移除空氣中的顆粒物，通過葉片吸收、增加湍流、改善微氣候等作用加速顆粒物的沉降過程，因此水土保持植物措施是降低城市可吸入顆粒物污染、阻滯PM2.5的有效途徑之一。

1　城市PM2.5分布及沉降特征

大量研究表明，城市PM2.5的空間分布具有水平區域性及垂直分層性。城區濃度明顯高于郊區，交通干線高于商業區，商業區高于居民區，居民區高于風景區，同時距離地面高度的增加，PM2.5含量逐漸降低。在時間分布上，個別排放源（如燃煤、揚塵、二次硫酸鹽和硝酸鹽等）呈現顯著季節變化特征，其他排放源（如機動車尾氣、烹調等）隨季節的變化不明顯。影響城市PM2.5分布的因素既包括氣象、土壤、植被、水文等自然因素，也包括居民生活、出行習慣等人為因素。

PM2.5的沉降一般分為干沉降和濕沉降。因PM2.5粒徑小，很難依靠自重脫離大氣環境，只能在湍流作用下撞擊后滯留在某一物體表面發生沉降。一般湍流作用越強，越有助于PM2.5的干沉降。濕沉降除降水日進行雨除、沖刷外，還有一種通過大氣中易吸收水分的氣溶膠，如硫酸鹽和硝酸鹽等，經氧化和光化學反應后，發生吸濕增長后降落，被稱為隱形沉降。因此，從沉降機理分析，增加湍流和濕度可以有助于PM2.5的沉降。相反，無風、溫暖、低濕性環境中，湍流作用和顆粒物吸濕能力被大大抑制，導致PM2.5在大氣中滯留較長時段。

2　植物措施與PM2.5的關系

現階段對于植物與PM2.5關系的研究正處于起步階段。通常認為，植物可以通過直接和間接阻滯顆粒物的方式對空氣進行凈化。直接方式是指植物葉片表面憑借一定的濕潤度和粗糙度，捕獲截留顆粒物；通過呼吸作用使葉面氣孔吸收顆粒物；增加近地面地表粗糙度，增加湍流促使顆粒物碰撞后沉降；利用表面電荷，在靜電作用下滯留顆粒物等。間接去除方式是指植物能夠通過冠層蔭蔽、自身蒸散發調節區域溫濕度，從而節省因消耗降溫能源產生的顆粒物排放等。

PM2.5對植物生長也有一定的不利影響。植被是將顆粒物暫時阻控在植物體表面，在一定氣象條件下顆粒物會逃脫束縛，重新回到大氣環境。但也有部分顆粒物或通過氣孔直接進入植物體，參與生長循環，或沖刷進入土壤被根系吸收。但阻滯在植物枝葉表面或參與循環的顆粒物過多，均會導致植物失綠、壞死等后果，影響植物生長。

在較大尺度上，植被覆蓋率較高、生長良好的地區，植物對PM2.5顆粒物的阻滯作用遠遠優于顆粒物對其的不利影響。研究認為，植物對PM2.5的阻滯能力既與單株植物自身的形態學特征有關，也與群落尺度上物種構成、水平及垂直結構、配置方式等因素有關。

有研究證實，與灌木和草本植物相比，喬木有較大的葉面積、可產生更多的湍流、加之有冠層調節林下溫濕度，因此，有更強的阻滯吸附PM2.5顆粒物及截留氣溶膠污染物的能力。受高度影響，灌木和草本植物雖然不能阻滯懸浮在空氣中的顆粒物，但能夠阻滯吸附因地表風蝕造成的揚塵污染，特別在溫度低、空氣混合層高度下降、低層污染物濃度上升的冬季，阻滯作用較為明顯。

在品種選擇上，針葉樹種因有更小更密集的葉子，較復雜的枝莖以及全年常綠，比闊葉樹種更能有效滯留空氣中的顆粒物。已有研究觀測到，側柏、油松吸附能力明顯優于榆葉梅、白蠟、楊樹等。此外，樹冠結構、枝葉密度、葉面傾角、葉片粗糙度及附著絨毛的疏密程度等均會對植物的阻滯能力產生影響。

在群落尺度上，灌木林和闊葉林在葉片生長成熟后吸收空氣中顆粒物的效果優于針葉林和混交林，但在冬季，常綠的針葉林和混交林阻滯空氣中的顆粒物效果最為顯著。群落規模上，公園綠地規模宜大于50 hm2，林帶寬度不低于30 m，才可顯著消減空氣中可吸入顆粒物。配置方式上，道路綠帶中“（喬+灌+草）—喬”的配置結構，對PM2.5污染的消減效果明顯優于追求美觀但缺乏復層混交的“喬—灌—草”結構。

3　今后研究方向及啟示

3.1研究方向

1）通過代表性植被調查，篩選既滿足城市綠化需求，又利于PM2.5阻滯的區域性優勢植物品種；同時根據城市排放顆粒物重點區域的主要化學成分組成，選擇阻滯特定化學顆粒物的植被。2）結合城市空間功能和土地利用方向，研究如何優化配置不同區域和環境下的植被結構，實現阻控PM2.5污染的目的。3）從葉片、單株、群落等不同尺度定量表達并解釋植物阻滯PM2.5的作用機理，并研究促使該作用永續發揮的途徑。4）植物生長及群落演替是個動態過程，其阻控PM2.5作用也會隨之發生變化，加強典型區域植被阻控PM2.5的監測及效益評價，可為今后城市植被的適應性管理和其他類似區域提供科學依據。

3.2幾點啟示

1）加強生產建設項目施工過程中臨時植被的栽植。施工揚塵、土壤風蝕這類開放源是城市PM2.5的主要排放源之一。傳統抑制風蝕的措施包括施工車輛及臨時堆土的防塵網苫蓋、定期灑水、出入口的洗車槽等，很少關注臨時性防護植被的栽植。增加臨時喬灌草是降低施工場地及周邊區域PM2.5的另一有效途徑。

2）從城區規劃到開發施工等各個環節減少對植被破壞，或保存、或假植利用現有植被。城區開發需遵循低影響理念，通過下凹式綠地、屋頂綠化、垂直綠化、生態型混凝土等技術，既減輕對區域自然水循環的影響，又減緩對大氣、生態等環境的沖擊。

3）優化植物品種、規格選擇及配置模式。城市綠化應避免選擇雌性毛白楊、柳樹等通過楊柳絮誘發和加劇PM2.5污染的品種。特定化學顆粒物排放區的綠化需有針對性選擇阻控該類顆粒物能力強的植物品種及規格。區域綠化首選闊葉、針葉混交林，以保證冬春采暖季植物對PM2.5的阻控能力。配置模式上注重營造人工生態林，避免林分結構單一的純林；同時推薦“品”字形布設，內部通暢的導風系統既對植被生長有利，也有利于植物阻滯PM2.5功能的發揮。

資助課題：水利部公益性行業科研專項“水生態文明建設關鍵技術研究與示范”（編號：201401003）、山東省重大水利科研與技術推廣項目“生態河道治理植物配置技術研究”（SDSLKY201504）、“山東省水利綜合試驗基地降雨徑流關系及雨洪綜合利用技術研究”（SDSLKY201201）

（責任編輯崔春梅）

作者簡介：馬良（1980—），男，高級工程師

收稿日期：2015-04-20

【中圖分類號】S157

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-01-0005-02