重慶市森林的滯塵效應及凈化大氣功能

唐茜

（重慶人文科技學院，重慶401524）

環境污染是伴隨人類工業化與城市化的不斷發展而帶來的必然結果，對生物有機體的生命活動造成了不同程度的影響與威脅，大氣中的粉塵污染是環境污染的重要構成［1-2］，目前中國多個城市均出現了不同程度的大氣粉塵污染，灰霾天氣在多個城市均出現，對人們的身體健康造成了很大威脅［3-5］。重慶市為典型的生態脆弱區，是長江上游重要的生態屏障，出現了嚴重的大氣粉塵超標現象［5-6］。本文以重慶市為例，研究可吸入顆粒物中細顆粒不斷增加的現象，研究重慶市不同森林類型的葉片滯塵量，為重慶市發揮森林的環境保護功效提供指導意見［7-8］。

森林是陸地生態系統的重要構成部分，對整個生態系統具有重要的影響作用，具有多種不同的樹種［9］，由于植被類型的差異，對生態環境發揮著不同程度的影響作用。森林中每時每刻均發生大量的物質循環與能量轉換，具有大量的資源、生物與能源，能夠有效貯碳并蓄水［10］。能夠阻擋、過濾、吸附大氣中的顆粒物與粉塵，具有顯著的自凈功能，能夠有效凈化空氣、減少陽光輻射、調節氣候、改善空氣濕度。在目前環境污染治理中應當充分發揮森林的重要作用［11-12］。

長期以來，由于人們對森林資源的重要性認識不夠，對森林資源采取了大量掠奪式的開采和粗放型的管理方式，導致了森林面積逐漸減少，森林質量隨之下降，森林生態系統提供的各種服務功能減弱［13］。隨著對環境資源可持續性發展機制研究的深入，人們逐漸意識到維持和保育生態系統的重要性，尤其是森林生態系統服務功能是實現社會經濟可持續發展的基礎之一［14-15］。在過去人們只注重了森林系統直接提供物質產品的功能，而忽視了其生態服務功能，對森林系統采取了掠奪和破壞性經營，從而導致森林生態系統的面積和質量嚴重下降，致使森林系統的生態服務功能嚴重削弱。

針對森林所提供的負離子、滯塵、吸收轉化大氣污染物功能，本研究選取重慶市歌樂山的主要森林類型（闊葉混交林、針闊混交林、柏木林、針葉混交林和落葉松林），開展連續3 a的動態監測，研究和比較了主要森林滯類型塵效應及凈化大氣功能，以期引起人們對歌樂山森林生態系統的保護和重視，同時也為重慶市森林生態系統預警提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 自然地理概況

重慶市為中亞熱帶溫潤季風氣候區，具有超過300 d的無霜期，高于18 ℃的年平均氣溫及1 000 mm 年均降水量，雖然整體上降雨量較為充沛，但是降雨具有明顯的季節差異。海拔高度從73.1 m 至2 796.8 m，差異較大。水土流失面積4.35×104km2，占據總體面積的52.8%，面臨著較為嚴重的生態環境問題。

重慶市具有較為重要的生態位置，區域內具有三峽庫區，為長江流域的重要地區，具有豐富的水資源，要求重慶市響應國家生態文明的建設需求，積極優化森林生態系統的建設，從生態功能、結構、空間分布格局、質量等層面進行優化。

重慶市具有常綠闊葉林、常綠闊葉灌叢、暖性針葉林、竹林等多種植被類型，森林資源極為豐富，排在全國前列。本次研究選取針闊混交林、針葉混交林、闊葉混交林、柏木林、落葉松林等森林類型，以2015，2016及2017年時間點進行研究。其基本特征如表1所示。

表1 重慶市森林基本特征

1.2 試驗方法

1.2.1 葉片滯塵量測定 由于中國環境技術層面的研究起步較晚，因此針對植物葉片滯塵量的研究主要局限在一定的范圍內，運用范圍不夠廣泛。本文在研究中對其采用了“干洗法”稱量方式研究。操作過程中為研究設置一個裝有蒸餾水的錐形瓶，將成熟葉片封存于其中，將下葉片上的附著物浸泡在蒸餾水之中，為了保證葉片中的塵粒能夠充分溶解于水中，要求借助于一定的物質不斷攪拌，進行時長2 h的毛刷沖洗，使得葉子中的塵粒能夠充分溶解在水中。之后借助于鑷子夾出葉片，將浸泡液使用濾紙進行過濾，進行溫度60 ℃，時長12 h的烘干操作，在烘干前后分別進行2次稱重，兩次稱重的差值即為降塵顆粒物重量。葉面積滯塵量測量過程中采用葉面積測定儀，以W／A（g／m2）表示［16］。

1.2.2 葉面塵粒徑測定 將樣品置于65 ℃烘箱中烘干至恒重，稱取2 g樣品過40目篩，1.0 g溶解于300 ml蒸餾水，并使其充分擴散和溶解，粒度分析儀進行粒徑分析，PM10，PM2.5和懸浮顆粒物（total suspended particulate，TSP）濃度測定用微電腦激光粉塵儀［17］。

1.2.3 負離子數目 負離子和林分平均高采用重慶生態觀測網絡長期觀測的數據。負離子費用（K 負離子）根據臺州科利達電子有限公司生產的適用范圍30 m2（房間高3 m），功率為6 W，負離子濃度1.00×106個／cm3，使用壽命為10 a。

1.3 數據處理

統計分析：Microsoft Excel 2007 進行數據的統計和整理，Spss 18.0 進行方差分析和統計學檢驗，LSD 多重比較（顯著水平設置p＜0.05），單因素方差分析（one-way ANOVA）比較其差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 重慶市森林滯塵能力比較

本研究分別對重慶市森林滯塵全年滯塵量進行測定，比較不同植物滯塵能力大小。由圖1可知，不同林分滯塵能力存在顯著的差異（p＜0.05），植物總葉面積依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）；年平均滯塵量依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）。

圖1 重慶市森林滯塵滯塵能力比較

2.2 重慶市森林滯塵能力季節變化

對重慶市森林進行季節（春、夏、秋、冬）滯塵量連續的測定，結果如圖2所示。不同季節滯塵量方差分析表明，季節變化對植物滯塵能力的大小影響顯著（p＜0.05），由圖2可知，重慶市森林滯塵滯塵量基本表現為：春季＞冬季＞夏季＞秋季，并且春季顯著高于冬季、夏季和秋季（p＜0.05），而夏季和秋季差異不顯著（p＞0.05）。同一季節基本表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林；闊葉混交林滯塵量變化范圍在8.03～26.32 kg／hm2之間，針葉混交林滯塵量變化范圍在4.23～20.98 kg／hm2之間，針闊混交林滯塵量變化范圍在6.01～24.02 kg／hm2之間，落葉松林滯塵量變化范圍在3.12～25.08 kg／hm2之間，柏木林滯塵量變化范圍在2.47～21.78 kg／hm2之間。

2.3 重慶市森林滯塵葉面降塵粒徑

由圖3可知，重慶市森林滯塵降塵粒徑主要分布在2.5～100μm 之間，葉面降塵中顆粒物粒徑集中分布在100μm 以下（占99%以上），說明了降塵物主要為在大氣中經一定距離漂移的TSP。一般認為，PM10（＜10μm）是危害人類健康的最主要顆粒物，而PM2.5（＜2.5μm）則是能直接進入人體肺部導致肺泡發炎的顆粒物。由圖3可知，重慶市森林滯塵降塵物中PM2.5，PM10和TSP 相對含量均以闊葉混交林最高，植物降塵物中PM2.5含量范圍在0.54～1.25μm之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）；重慶市森林滯塵降塵物PM10范圍在035.1～52.6μm 之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，闊葉混交林最高（p＜0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）；TSP 范圍在62.1～73.2μm 之間，依次表現為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林、落葉松林、針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），顯著高于針葉混交林和柏木林（p＜0.05）；粒徑范圍在3.2～10.3μm之間，依次表現為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林、落葉松林、針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），顯著高于針葉混交林和柏木林（p＜0.05）。

圖2 重慶市森林滯塵滯塵能力季節變化

圖3 重慶市森林滯塵葉面降塵的粒徑分布

2.4 重慶市森林滯塵提供負氧離子功能物質量評估

根據對不同區域森林負氧離子現場長期監測結果，重慶市不同林分類型負氧離子數詳見圖4。各林分類型負氧離子數介于1 653～2 380個／cm3之間，依次表現為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）；各林分類型正氧離子數介于1 298～1 862個／cm3之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，闊葉混交林顯著高于其他林分（p＜0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）。

圖4 重慶市森林滯塵提供負氧離子功能物質量

2.5 重慶市森林滯塵凈化大氣環境功能物質量

如圖5所示，不同林分提供負離子數目為5.80×1023～1.16×1024個／cm3之間，依次表現為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和柏木林差異不顯著（p＞0.05）；吸收SO2變化范圍在8.09～16.32 g／m3之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，其中落葉松林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），其他林分差異顯著（p＜0.05）；吸收HF變化范圍在0.37～1.26 g／m3之間，依次表現為：闊葉混交林＞針葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞柏木林，針葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），其他林分差異顯著（p＜0.05）；吸收NOx變化范圍在0.21～0.85 g／m3之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林，針闊混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05），其他林分差異顯著（p＜0.05）。

圖5 重慶市森林滯塵凈化大氣環境功能物質量

2.6 重慶市森林凈化大氣環境功能價值量評估

根據物質量評估結果計算，將重慶市不同林分類型的物質量轉化為價值量（如圖6所示）。不同林分滯塵價值量變化范圍在3.24×105～6.53×105元／a之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林；吸收SO2價值量變化范圍在3.90×104～1.35×105元／a之間，依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞落葉松林＞針葉混交林＞柏木林；吸收HF價值量變化范圍在4.30×104～9.20×104元／a之間，依次表現為：落葉松林＞闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林；吸收NOx價值量變化范圍在1.50×104～4.20×104元／a之間，依次表現為：落葉松林＞闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林。

圖6 重慶市森林凈化大氣環境功能價值量評估

3 討論

作為空氣質量監測的重要手段之一，森林的葉片滯塵量可在一定程度上反映微環境中空氣顆粒物含量。近年來關于植物滯塵效應的研究報道較多［18－19］，植物葉片滯塵過程是一個復雜的動態過程，葉片滯塵與粉塵脫落同時進行，此過程中，植物葉片滯塵作用始終處于主導地位，說明了植物滯塵能力的絕對性［20］。就本研究中不同林分平均滯塵量而言，年平均滯塵量依次表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，其中闊葉混交林和針闊混交林差異不顯著（p＞0.05），針葉混交林和落葉松林差異不顯著（p＞0.05）。主要是由于，闊葉混交林葉和針闊混交林的葉面積較大，單位面積能夠滯留的粉塵較多，同時還能夠進行很好的光合作用，進而滯塵能力也較為突出，而針葉林葉面積較小，能夠滯留粉塵量也相對較少。此外，不同林分滯塵量基本表現為：春季＞冬季＞夏季＞秋季，相同季節基本表現為闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林，主要是由于秋季空氣干燥，懸浮顆粒較多和大氣濕度較小，而春季，雨水充沛，空氣濕度大，不利于葉片對粉塵的滯留，加之風力等外界因素的干擾，從而影響了植物的滯塵量［14-15］，大氣顆粒物通過干、濕沉降到植物的葉表面，而地面揚塵等塵源物質也將積累和形成［16-17］。由此表明闊葉混交林是滯塵能力優良的城市樹種，因受植物單葉面積大小、葉片組織結構以及樹冠密集度、整株葉量多少等因子制約，各滯塵量指標間不盡一致。同時，植物滯塵作用與人類活動及植物本身屬性有關，此外，還與植物的株型、葉片特性、分枝方式有關［21-22］。

本研究雖然分析了滯塵的試驗數據，但對影響植物葉片滯塵效應的因素，尚未建立全面的數學模擬模型，在未來的研究工作中，需要將更多可能的影響因素進行綜合分析研究。葉片表面細微結構對顆粒物產生的吸附作用在大多數樹種中均存在，由于細微結構的差異性，不同細微結構對顆粒物的支持固定作用效果也不同。本研究中闊葉混交林滯塵量最大，粒徑偏小，一定程度上反映了闊葉混交林粉塵污染狀況較為嚴重，并且闊葉混交林MP2.5與MP10的比例較高，不同林分滯塵量與葉面塵可吸入顆粒物百分比變化不一致，可能是因為各樣點大氣環境中顆粒物組分不同。污染物為可吸入顆粒物，不同林分葉片所吸收的灰塵中，PM1.0均占了一定比例，說明不同林分均能夠滯留可吸入顆粒物，改善環境質量［23-24］。本研究中，不同林分提供負離子數目、吸收SO2價值量、吸收HF價值量和吸收NOx價值量依次表現為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，一定程度上反映了闊葉混交林粉塵污染狀況較為嚴重，同時闊葉混交林具有較高的凈化大氣價值［25-27］。

本次研究連續3 a對重慶市森林生態系統凈化大氣功能等效益進行了評估，綜合來看，在重慶市未來的林業生態建設中，應考慮闊葉混交林為主導的森林生態系統，因地制宜選育和營造適當樹種，在林業可持續發展的同時，兼顧生態系統服務功能的提高。當前，由于技術手段的限制，獲取森林生態系統各服務功能實時更新數據比較困難。在今后的工作中，還需要進一步結合國家退耕還林導向，加強各個森林生態系統功能的時間動態變化規律，以及生態過程、結構和功能之間相互作用的研究。

4 結論

森林生態系統為人類提供了大量的木質林產品和非木質林產品，并且具有凈化大氣環境、涵養水源、保持水土、固碳釋氧等多種功能，對維持生物多樣性、保護生態環境、減免自然災害和調節自然生態平衡等具有重要作用。本研究開展了連續3 a的動態監測，研究和比較重慶市主要森林滯塵效應及凈化大氣功能。結果顯示，不同林分滯塵能力差異顯著（p＜0.05），年平均滯塵量基本表現為：闊葉混交林＞針闊混交林＞柏木林＞針葉混交林＞落葉松林；而葉面塵中滯留的顆粒物中大多數是TSP（懸浮顆粒物），同時不同林分對PM10和PM2.5均有一定量的吸收，降塵物中PM2.5，PM10和TSP 相對含量均以闊葉混交林最高；不同林分降塵粒徑主要分布在2.5～100μm，葉面降塵中顆粒物粒徑集中分布在100μm 以下（占99%以上），降塵物主要為在大氣中經一定距離漂移的TSP；不同林分負氧離子和正氧離子數、提供負離子數目、吸收SO2價值量、吸收HF 價值量和吸收NOx價值量均表現為：闊葉混交林＞落葉松林＞針闊混交林＞針葉混交林＞柏木林，由此表明闊葉混交林具有較高的進化大氣功能。

此外，森林生態系統是一個動態系統，其功能價值也具有動態性，由于技術手段的限制，獲取森林生態系統實時更新數據比較困難。本次研究只針對2015—2017年重慶市森林生態系統凈化大氣功能效益價值進行評估，部分生態服務功能由于受計量方法和手段以及研究數據難以獲得等因素影響，內容還不夠全面。在今后的工作中，我們需要不斷的探索和提高森林生態服務功能的評估方法，更需要進一步加強其功能的時間動態變化規律，以及森林生態過程、生態系統結構和森林生態系統服務功能效益之間的相互關系。