吳海龍，余新曉?，師忱，張艷，張振明

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京;2.北京林業(yè)大學自然保護區(qū)學院，100083，北京)

PM2.5特征及森林植被對其調(diào)控研究進展

吳海龍1，余新曉1?，師忱1，張艷1，張振明2

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京;2.北京林業(yè)大學自然保護區(qū)學院，100083，北京)

隨著工業(yè)化進程的加快，人類活動對自然環(huán)境的影響越來越大，大氣中PM2.5對人類健康的威脅逐步加劇，如何減輕PM2.5對人類的危害已經(jīng)成為一個迫切需要解決的問題。通過分析國內(nèi)外學者對PM2.5的研究成果，總結(jié)PM2.5的時空分布特征、組成特性、來源分類，以及世界主要國家、地區(qū)對PM2.5的監(jiān)測標準，并基于森林植被對PM2.5的調(diào)控作用，指出通過合理建設(shè)森林植被達到有效調(diào)控PM2.5、降低PM2.5對人類的危害的目的。

PM2.5;森林植被;監(jiān)測標準;調(diào)控

隨著工業(yè)的發(fā)展和城市建設(shè)的擴大，工業(yè)廢棄物、建筑揚塵以及汽車尾氣排放量急劇上升，大氣污染日益嚴重。經(jīng)過洛杉磯光化學煙霧事件和倫敦煙霧事件之后，歐美國家就開始了對大氣顆粒物的研究。國內(nèi)由于工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢，對大氣污染問題認識較晚，對大氣污染的研究起步也較晚。PM(particulate matter)即為顆粒物，PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，其直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細的1/20，也稱為可入肺顆粒物?？茖W家用PM2.5表示每m3空氣中這種顆粒物的質(zhì)量含量，這個值越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間長，輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大?，F(xiàn)階段對于PM2.5的研究可分為幾個方面，即對PM2.5本身的研究，包括分布特征研究、組成研究、來源研究等，對PM2.5的監(jiān)測方法與儀器的研究，對PM2.5危害的研究(主要集中在醫(yī)學領(lǐng)域)，以及森林植被對PM2.5的作用研究。前3類研究較為深入，最后一類則處于起步階段。

1 PM2.5特征研究

國內(nèi)外對PM2.5的特征研究主要集中在時間變化規(guī)律(日、月和季節(jié)變化)、空間變化規(guī)律(水平和垂直方向)、PM2.5組成成分和來源分析等方面。對國內(nèi)該方面的主要文獻進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，PM2.5的時間變化規(guī)律主要是由于季節(jié)性氣候條件和居民生活習慣導(dǎo)致。氣候條件如風、降水以及沙塵天氣等，不同時間段風向風速不同，對該地區(qū)大氣中顆粒物會產(chǎn)生不同的影響。居民生活習慣主要體現(xiàn)為冬春季節(jié)居民燃煤和汽車尾氣的排放，尤其是北方地區(qū)，冬春季節(jié)采暖期PM2.5會急劇上升，到非采暖期就會降低，上下班高峰期PM2.5也會出現(xiàn)峰值。

表1 國內(nèi)主要學者對PM2.5的研究成果Tab．1 Status of PM2.5 investigated by major researchers

表1 (續(xù))

從表1還可以看出，PM2.5在空間上的分布具有明顯的水平區(qū)域特性和垂直層次變化。與市區(qū)相比，郊區(qū)PM2.5低得多，在市區(qū)內(nèi)部不同地方，由于城市綠地的存在也存在很大的區(qū)別。垂直距離上，隨著離地面高度的增加，PM2.5逐漸降低。

表1顯示，PM2.5組成成分可以分為2大類，即有機粒子和非有機粒子。其中有機粒子即有機碳，是分布最廣的組成成分，非有機粒子包括元素碳和無機離子(如 Al、SO2－4)，其分布存在區(qū)域特性，與其來源有關(guān)。

細顆粒物主要來源于燃料燃燒等人為活動，按其形成方式可分為3種:直接以固態(tài)形式排出的一次粒子;在高溫狀態(tài)下以氣態(tài)形式排出、在煙羽的稀釋和冷卻過程中凝結(jié)成固態(tài)的一次可凝結(jié)粒子;由氣態(tài)前體污染物通過大氣化學反應(yīng)而生成的二次粒子［19］。雖然在不同的研究中，PM2.5的具體來源有所不同，但究其根本原因仍可歸納為3大類，即化石燃料的燃燒、生物質(zhì)的燃燒和大氣中發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生的二次PM2.5，只是在不同的地區(qū)、不同的環(huán)境背景下表現(xiàn)形式有所不同。

隨著PM2.5污染的日益加劇，其對人類出行、身體健康等都會產(chǎn)生極大的影響。1943年，在美國洛杉磯發(fā)生了人類歷史上第1次光化學煙霧事件，隨后在北美、日本、澳大利亞和歐洲也相繼出現(xiàn)了這類事件，只到1958年，經(jīng)過反復(fù)的研究才確定這是由汽車尾氣造成的。煙霧事件不僅給人類出行造成了巨大的不便，也對農(nóng)作物造成了經(jīng)濟損失，同時直接給人類帶來疾病。1952年的倫敦煙霧事件持續(xù)4天，由于煙霧事件而新增的直接死亡人數(shù)達1 800人左右，由其后遺癥死亡人數(shù)達8 000人左右。在國內(nèi)雖沒有發(fā)生類似重大事件，但在北京、上海、廣州等這類特大城市，煙霧彌漫的天氣在2000年左右經(jīng)常出現(xiàn)，近年來稍有好轉(zhuǎn)，但現(xiàn)狀仍不容樂觀。

2 PM2.5監(jiān)測標準

自20世紀四五十年代起，國外就已經(jīng)開始對空氣中顆粒物進行研究，隨著研究的深入，對空氣中顆粒物的認識也逐漸深入。研究者將大氣顆粒物分為PM10和 PM2.5，近期有學者在研究中也提出了PM1.0的概念。我國對 PM10研究較早，而對PM2.5的研究較晚。1997年首先由美國提出PM2.5的監(jiān)測標準，隨后澳大利亞、日本、歐盟等也相繼出臺了大氣中 PM2.5的監(jiān)測標準［20］(表2)。從表中可以看出，在已經(jīng)出臺標準和即將出臺標準的所有國家中，除了澳大利亞的標準符合WHO標準，且不是強制性執(zhí)行的以外，其余國家的標準均未達到WHO的標準，表明現(xiàn)階段在各國PM2.5污染狀況不容樂觀，急需治理。

表2 世界衛(wèi)生組織和各國的PM2.5標準情況Tab．2 Standards of WHO and other countries

3 植被對PM2.5的調(diào)控研究

城市樹木能夠顯著去除空氣污染物，并提高環(huán)境質(zhì)量，有益人體健康。樹木可以通過直接和間接去除污染物的方式對空氣進行凈化。直接方式是指樹木通過葉面氣孔的主要途徑吸收去除氣體污染物，而對于空氣攜帶性顆粒物質(zhì)則主要通過截留的方式清除。間接去除方式是指樹木能夠通過蔭蔽和蒸發(fā)散降低大氣溫度，從而通過節(jié)省降溫能源的方式減少相關(guān)污染物的排放，同時，降低空氣溫度能夠降低化學反應(yīng)活動，減少由此產(chǎn)生的次級污染物［21］。

利用小時氣象數(shù)據(jù)和污染物濃度數(shù)據(jù)對美國連續(xù)大片區(qū)域進行模擬研究的結(jié)果，城市樹木可以大量去除空氣污染物，并提升城市空氣質(zhì)量，年總污染物清除量可達71.1萬t，折合經(jīng)濟效益達38億美元［21］。在芝加哥進行的研究結(jié)果顯示，城市森林對凈化空氣產(chǎn)生的經(jīng)濟效益達到920萬美元［22］。采用模型模擬研究城市森林對PM的清除效果，結(jié)果表明，美國Sacramento市PM10的日清除率達到2.7 t，對顆粒物的清除可占到人為排放的1% ～2%［23］。

研究證實，相比較為矮小的植物，喬木去除氣體污染物和顆粒污染物以及截留氣溶膠性質(zhì)污染物的能力更高。喬木除了比其他植被類型具有更高的葉面積外，還能夠產(chǎn)生更多的湍流。切爾諾貝利核事故后的觀測結(jié)果表明，森林比草地更能有效地吸收細微顆粒物。吳志萍等［24］研究了6種城市綠地環(huán)境下空氣PM2.5濃度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)春、秋、冬季有喬木的綠地內(nèi)空氣PM2.5濃度較低，夏季草坪內(nèi)空氣PM2.5濃度較低。牛生杰等［25］將 APS－3310型激光空氣動力學氣溶膠粒子譜儀安裝在飛機上，于1999年春末對中國西北沙漠地區(qū)上空的氣溶膠進行探測，結(jié)果表明，植被覆蓋度好的地點上空PM2.5小于沙漠地點上空的PM2.5。任啟文等［26］對北京元大都遺址公園內(nèi)不同林地類型及其旁邊道路空氣顆粒物及微生物濃度進行了研究，發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)部PM2.5值明顯低于道路上的PM2.5，表明森林具有良好的滯塵作用。Cheng Manting等［7］對臺灣臺中和仁愛2個地區(qū)進行了細顆粒物含量對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臺中人口眾多，森林覆蓋度小，而仁愛森林覆蓋度高，人口稀少，所以，前者PM2.5是后者的1.4倍，其中PM2.5以氮氧化物為主。郭二果［27］研究了北京西山地區(qū)3種典型游憩林對空氣中顆粒物的阻滯和吸附效應(yīng)，指出游憩林對空氣中顆粒物的阻滯和吸附有良好的效果，能有效降低空氣中顆粒物的質(zhì)量含量。現(xiàn)階段對樹木調(diào)控PM2.5等顆粒物種間差異的研究較少，但已有研究發(fā)現(xiàn)這種種間差異確實存在。由于歐洲黑松(Pinus nigra)和金柏Cupressocyparis leylandii)葉子結(jié)構(gòu)更細微復(fù)雜，因此它們截獲顆粒物的效率更高［28］。這說明合理的樹種選擇能夠提高森林凈化空氣的效能。

由于人們對顆粒物濃度帶來的危險意識的日益增強，出現(xiàn)了越來越多的定量和定性檢測PM長期和短期排放的手段。在發(fā)展中國家，由于環(huán)保管理薄弱，城市化帶來的工業(yè)排放和交通尾氣污染對大氣環(huán)境造成了嚴重的問題，因此，方便快捷且成本低廉的檢測替代方法尤為重要。PM氣溶膠中的磁性礦物可能會通過工業(yè)燃燒過程、居民制暖或機動車排放，以及路面和制動系統(tǒng)的摩擦產(chǎn)物而產(chǎn)生［29－32］，因此，磁性指標，尤其是磁化率就能用于監(jiān)測一段時間內(nèi)大氣PM污染的區(qū)域分布。通過研究從道路上直接收集的灰塵樣本［33－34］、濾膜收集樣本［35－38］或葉片沉積灰塵樣本［39－41］，污染物的磁性已被用來鑒別大氣工業(yè)和交通污染，并且該方法還被用于對土壤污染物進行特性分析［29－30，32－33，42－43］。

4 總結(jié)與展望

PM2.5直接危害著人類的身體健康，如何治理和防治PM2.5是研究的最終目的。一方面是從源頭控制，盡可能地減少能夠產(chǎn)生PM2.5的污染物排放，一方面是尋求高效合理的方法消除空氣中已經(jīng)產(chǎn)生的PM2.5。由于PM2.5是伴隨著各種人類活動而產(chǎn)生的，而這些人類活動又是必須進行的，要徹底從源頭消除PM2.5是無法做到的，尤其是對于經(jīng)濟快速發(fā)展的中國來說更是不符合國情的;因此，除了從源頭控制以外，更重要的是如何消除已經(jīng)產(chǎn)生的PM2.5。森林植被作為地球上重要的組成部分，對調(diào)節(jié)生物圈生態(tài)環(huán)境具有不可替代的作用。不同的植被類型對PM2.5的消除作用不同，同時消除效果與天氣條件也密切相關(guān)。到目前為止，關(guān)于植被對PM2.5的阻滯和吸收作用仍沒有定量化的研究，只有少量的關(guān)于不同植被對PM2.5等顆粒物的阻滯和吸附的定性研究。這些研究明確了一點，即森林植被能夠有效降低空氣中PM2.5等顆粒物，但具體什么樹種能最有效地降低PM2.5等顆粒物，森林如何配置，在城市中如何合理布局等還急需進一步探討。

為了充分利用森林植被對PM2.5的消除作用，還需要對森林調(diào)控PM2.5的作用進行深入研究，主要體現(xiàn)在以下2個方面。

在充分掌握當?shù)丨h(huán)境背景數(shù)據(jù)的前提下，選擇合適的樹種(植物種)。不同的植物種除了葉片表面能夠吸附PM2.5以外，還能在一定程度上吸收消化PM2.5中的化學成分，這就需要確定目標樹種(植物種)對 PM2.5的阻滯吸收作用，例如柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex)、銀杏(Ginkgo bilobaL.)、刺槐(Robinia pseudoacacia)能吸收二氧化硫。

不同地點人們對PM2.5的要求不同，在人為活動頻率大的地方(如公園、校園、居民小區(qū)等公共場所)要求PM2.5越低越好，而在人為活動頻率低的地方(如封閉的樹林)對PM2.5的要求不嚴;因此，可以將PM2.5從人為活動頻率高的地方轉(zhuǎn)移到人為活動頻率低的地方，這就需要對不同地點的植被結(jié)構(gòu)進行不同的配置，如草坪、灌木叢、高大喬木以及三者之間的互相搭配，不僅要考慮到植被類型的配置，還要考慮到不同類型之間比例的搭配。

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Advances in the study of PM2.5 characteristic and the regulation of forests to PM2.5

Wu Hailong1，Yu Xinxiao1，Shi Chen1，Zhang Yan1，Zhang Zhenming2
(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forest University，100083，Beijing;2.College of Nature Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing:China)

The harm of PM2.5 on human is increasing with the quick development of industry and human activities.How to reduce the harm of PM2.5 is an urgent problem.By summarizing domestic and foreign researches on PM2.5，the paper analyzed its characteristics of temporal and spatial distribution，composition and sources.Also it introduced the monitoring standards of main countries or areas in the world.Finally，the relationship of PM2.5 and vegetation was emphasized.Suitable structure vegetation could help human to prevent PM2.5 effectively，so as to reduce its harm.

PM2.5;vegetation;monitoring standards;regulation

2012－07－07

2012－10－19

林業(yè)公益性行業(yè)科研項目“森林對PM2.5等顆粒物的調(diào)控功能與技術(shù)研究”

吳海龍(1986—)，男，博士研究生。主要研究方向:森林水文。E－mail:petera@bjfu.edu.cn

?責任作者簡介:余新曉(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向:森林水文，水土保持。E－mail:yuxinxiao@bjfu.edu.cn

(責任編輯:宋如華)