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  世界林业研究  2018, Vol. 31 Issue (6): 25-30  DOI: 10.13348/j.cnki.sjlyyj.2018.0080.y
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引用本文  

徐兰, 李少宁, 鲁绍伟, 等. 森林吸滞大气气态污染物研究进展[J]. 世界林业研究, 2018, 31(6): 25-30.
Xu Lan, Li Shaoning, Lu Shaowei, et al. Research Advances in Forest Absorption of Gaseous Air Pollutants[J]. World Forestry Research, 2018, 31(6): 25-30.

基金项目

北京市农林科学院科技创新能力建设项目(KJCX20180202,KJCX20160301,KJCX20170601);北京市农林科学院科技创新团队资助项目(TWKST201609);北京市农林科学院科技创新服务能力建设—科研基地建设—林果业生态环境功能提升协同创新中心(2011协同创新中心)(市级)(PXM2017014207000024)

通信作者

李少宁, 男, 博士, 副研究员, 主要从事森林生态功能研究, E-mail:lishaoning@126.com

作者简介

徐兰(1994-), 女, 硕士, 主要研究方向为风景园林学, E-mail:871777710@qq.com

文章历史

收稿日期:2018-04-10
修回日期:2018-07-25
森林吸滞大气气态污染物研究进展
徐兰1 , 李少宁2,3 , 鲁绍伟2,3 , 赵娜2 , 陈波2 , 郑书旗2     
1. 沈阳农业大学林学院, 沈阳 110031;
2. 北京市林业果树科学研究院, 北京 100093;
3. 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心, 北京 100093
摘要:随着工业活动的增加,大气中气态污染物浓度严重超标,对生存环境、人类健康及工农业生产等产生很大危害,而森林具有强大的净化气态污染物功能。文中从森林吸滞气态污染物的机理、测定方法、影响因素3个方面综述森林吸滞气体污染物的研究现状。研究表明:森林吸滞气态污染物的作用机理分为直接与间接,其中气孔吸收作为直接机理之一,占气态污染物总吸收量的60%~80%;通过直接测量叶片吸滞能力和建模测量森林内气态污染物变化2种方式可估测森林吸滞气态污染物含量;植物体、气候条件和污染物浓度都对森林吸滞气态污染物有着重要影响;营造林时应因地制宜地进行选择规划和种植配置,使资源利用最大化,生态效益最大化。随着城市化的快速发展,如何通过更加高效合理地建设、利用森林来缓解大气污染,发展森林的生态价值是未来发展面临的重要课题。
关键词森林净化    气态污染物    机理    测定方法    影响因素    
Research Advances in Forest Absorption of Gaseous Air Pollutants
Xu Lan1, Li Shaoning2,3, Lu Shaowei2,3, Zhao Na2, Chen Bo2, Zheng Shuqi2     
1. College of Forestry, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110031, China;
2. Beijing Forestry Fruit Science Research Institute, Beijing 100093, China;
3. Beijing Collaborative Innovation Center for Eco-environmental Improvement with Forestry and Fruit Trees, Beijing 100093, China
Abstract: The increase of industrial activities has made the concentration of gaseous pollutants in the atmosphere much higher than the standard, doing a great harm to the environment, human health, and industry and agriculture production, while forests have the strong function of purifying gaseous pollutants. This paper summarizes the research on forests' uptake of gaseous pollutants in terms of the mechanism, the measuring method and the influencing factors. The mechanism of the gaseous pollutants absorption by forests is divided into direct and indirect mechanism. Stomatal absorption, as one of direct mechanisms, accounts for 60%-80% of total absorption of gaseous pollutants. Two methods are used to estimate the content of gaseous pollutants uptake of the forest, i.e., direct measurement of blade suction lag capacity and modeling measurements of changes in gaseous pollutants in forests. Plant body, climate and pollutant concentration have important effects on the absorption of gaseous pollutants by forests. The forest should be established according to local conditions in order to maximize the resources use and ecological benefits. With the rapid development of urbanization, how to effectively and rationally establish and utilize forests to ease air pollution and develop the ecological benefit of forests is an important topic for the future development.
Key words: purification via forest    gaseous pollutant    mechanism    measuring method    influencing factor    

随着城市化、工业化和现代化的迅猛发展,尤其是工业活动的增加,产生了大量的气态污染物,对生存环境、人类健康及工农业生产等产生很大危害,大气污染已经成为一个公众关注的焦点问题。造成大气污染的气态污染物主要包括SO2、NO2和O3等。自20世纪中期起,美国和欧洲一些国家对气态污染物开展了广泛研究, 包括气态污染物在大气循环中的影响以及污染物相互作用等问题。我国于20世纪80年代陆续开始启动相关研究课题[1]。目前,研究内容主要集中在气态污染物来源与成分解析、危害评价、变化规律等方面。而森林作为地球上多功能与多效益相结合的巨大生态系统,对气态污染物具有较强的净化作用,能够绿色、经济、高效地防治气态污染物导致的大气污染[2]。本文将从森林吸滞气态污染物的机理、研究方法、影响因素3个方面总结森林吸滞气态污染物的研究现状,并对今后的研究方向进行展望,以期为森林生态效益研究及森林布局优化提供参考。

1 森林吸滞大气气态污染物机理

森林作为一个巨大的陆地生态系统,包含着许多植物体、土壤以及微生物等,具有分布范围广、生物产量高、生命活动持续时间长的特点,对环境具有调节功能,1 hm2森林每年可吸收74 t SO2和0.38 t NO2[2]。而且森林生态系统对大气环境的作用远远超过其他植被类型,不能单纯地用森林植物体吸滞气态污染物量的总和来说明。早在80年前,欧美科学家就认识到植物对于净化气态污染物质有着不可替代的重要作用[3]。研究发现,植物主要通过直接从空气中吸收和间接改变其他因素2种方式来减少空气中的气态污染物[4]

1.1 直接方式

直接方式是植物体通过叶片气孔及茎叶表面对大气气态污染物的滞留、吸收和同化的过程[5],主要有3种形式。

1) 吸附和吸收。植物体通过叶片气孔吸收气态污染物,并经由植物维管系统进行运输和分布[6];或在潮湿的叶片表面溶解吸附水溶性的气态污染物,并通过角质层吸收进植物体内[7]。日间植物通过气孔途径会吸收生态系统中80%的O3;一些生长季植物的树冠能够吸收大气中50%~70%的H+、NO3-和NH4+以及几乎全部的NH3[8]。这表明吸附和吸收方式在直接方式中所占比重较高。

2) 降解和转化。由于植物体具有某些独特的生理过程,可以将大气中特定气态污染物的原有形态转化为对大气无毒害的另一种形态,或分解成无害物质[6]。例如,空气中的SO2被植物体吸收后形成的水合SO2在亚硫酸氧化酶的催化作用下被氧化生成SO4-2,其中98%贮存在液泡中,以此缓解多余的SO2毒害植物[9];专性植物可以有效吸收空气中的O3,并利用其体内的一系列酶如超氧化物歧化酶等进行转化清除[10]。这些过程既能消除大气中的污染物,也可降低污染物对植物体的富集影响。

3) 同化与超同化。植物将吸收的气态污染物中含有的所需元素转化成自身所用。植物体内的硫酸盐化合物可以被运转至液泡储存,也可以运输到质体或者叶绿体中,在被激活后进入植物的同化作用,生成含硫氨基酸如半胱氨酸等[11]。在受体植株中转入促进植物同化NO2RS基因,并随着转入基因的表达和相应酶活性的提高,可在很大程度上提高转基因植株同化NO2的能力[12]

1.2 间接方式

植物的间接作用主要是通过改变周围环境条件来间接影响大气中的气态污染物,从而影响自身对气态污染物的吸收。

1) 降温。树木可以通过树冠的阴影和蒸散来降低夏季的空气温度,从而减少用于降温目的的能量消耗,减少各种人为源的气态污染物排放[13]。例如,建筑物周围的树木可以改变建筑能源的使用以及发电厂的排放物[14]。对加利福尼亚南海岸的植被增加进行模拟得出,在中等植被增加的情况下能够在下午3点降低温度2 ℃;在高等植被增加的情况下,西部盆地能够降低3.5 ℃[15]。此外,空气温度的降低可以降低能够产生二次污染物的化学反应活性, 减少植被温度依赖性生物碳氢化合物的释放,并且导致混合层深度的变化,使植被冠层中污染物沉积增加[15]

2) 影响气体干沉积。干沉积是污染物从大气中清除的重要途径之一。气体的干沉积速度影响植物体对气态污染物的吸收,因为导致沉积速度增加的因素会造成更大的向下通量和总去除率[16]。植物性沉积面上气体的干沉降速度一般大于非植物性沉积面,森林的干沉降速度最大可达到0.8 cm/s;而城市的速度偏小,只有0.1 cm/s [17]。树木会降低风速,降低混合层高度,提高空气中的污染浓度,从而增加气体污染物的干沉积速度。在宾夕法尼亚中部的住宅区内,当树木覆盖率达到67%时,其距地面2 m以上的风速比附近没有植被处的风速在冬季和夏季分别降低67%和60%[18]。因此,混合的树冠效应可以通过影响风速来影响污染物的沉积,从而间接影响植物对污染物的吸收。

3) 释放气体。植物自身释放出的NO和萜类等气体能够中和大气中的O3,因为单萜类化合物能够使植物抵消氧化应激作用[19]。地中海常绿硬叶植物通过排放大量单萜类化合物来降低空气中的O3和NO2浓度[20]。而植物自身释放的另一些挥发性有机物如类异戊二烯却有助于对流层O3的形成。在挥发性有机化合物(VOCs)的作用下,大气中NO2的光解会导致O3的净生成[21]。在研究冬青对佛罗伦萨城市环境的影响中,估算出每棵树年去除O3量为70 g,却排放了341 g VOCs[22],其排放的VOCs对环境的影响远远大于其去除O3的影响。

2 森林吸滞大气气态污染物测定方法

测定森林吸滞大气气态污染物含量主要有2个方面:一方面测定森林中主要树种或小部分区域植物吸滞气态污染物的精确含量;另一方面需要精确建模以模拟森林条件及污染物变量,大体估计出森林吸滞气态污染物的总量。

在植物吸滞气态污染物的测定中,可以根据植物受害症状的有无来确定其最大吸污量。江苏省植物研究所在污染区测定得出,女贞叶片在含硫量为4.9 mg/g时未出现受害症状,而在含硫量为8.85 mg/g时出现了轻度症状,则其容硫量应在这2个数值之间[3]。而通过人工熏气试验可以计算不同植物对污染物的吸收量。在1.5 mg/kg SO2浓度下暴露8 h后,加拿大杨的吸硫量最大,为2.35 mg/g;针叶树的吸收量远远低于阔叶树种,沙松仅为0.84 mg/g[25]。利用被动采样器对距离冬青树冠下和开阔地1、5、10 m处的O3浓度进行长期检测,通过对比可以直接计算出冬青树对O3的去除量,从而描述空气污染的局部变化[21]

在估算森林吸滞气态污染物含量的方法中,利用计算机构建能够快速计算SO2在森林冠层内部、上方以及下沉区的不同浓度的模型,从而估算出森林吸收SO2量,计算得出占地面积达778 km2的萨凡那河植被吸收SO2量为11 t/d[26]。该模型可以用于估算许多气体污染物的轻微变化,也可以通过森林中树木吸收气态污染物的实地测量值来推断整个森林对于气态污染物的净化减排作用[27],能较为直接地计算出吸滞污染物含量。

利用城市森林效应模型研究得出,2002年北京市中心地区的树木清除了1 261.4 t空气污染物,其中O3占20%,SO2占8%,NO2占11%[4]。对比研究不同森林吸滞污染物含量的测定方法得出,通过分析城市森林位置、大小和种类组成来对森林空气污染物浓度进行建模,可以更精确地估算出污染物变化量。将详细的空气污染物扩散模式和城市扩散模型系统与u-fore模型结合,也可以更精确地估算出森林吸滞气态污染物的含量。

经现场测量树木数据,利用当地的气象和空气污染浓度的预处理数据,可通过i-Tree Eoc模拟来计算森林去除气体污染物量以及评价空气质量改善程度[28]。但是,该模型不能够准确估算出森林的局部影响和未知植被地点导致的误差。利用WRF/CMAQ/i-Tree Eco三者的耦合系统来对森林吸滞气体污染物进行模拟,通过3种系统数据差异来更加准确地估算森林去除气态污染物量,可以减少森林局部影响和未知植被地点的误差[29]。基于网络标准的i-Tree Eoc开发的i-TreeEocD能够通过输入温度、叶面积指数(LAI)与空气污染物浓度的空间分布数据,来判断出3个要素对森林吸收空气污染物的影响[30]

3 森林吸滞大气气态污染物的影响因素 3.1 植物

植物吸收积累气态污染物能力的大小与植物本身的生物与生态学特性有关,也与植物冠形、高度、叶量、配置模式等密切相关。

3.1.1 植物种类

落叶阔叶类植被与常绿针叶类相比具有更高的O3去除效率。例如,在意大利不同森林中榉木和栗树林的去除值分别为5.62和4.71 g/(m2·a);地中海灌木丛林和圣栎林的去除率较低,分别为3.36和2.30 g/(m2·a)[24]。不同树种的叶片对NO2的吸收能力差异很大,最大超过了600倍,而且多数植物叶片NO2吸收指数值低于5%[31]。这说明树种对污染物的选择吸收影响很大,不可忽视。

另外,植物排放的某些挥发性有机物能够促进大气中O3和CO的产生。如果某树种排放异戊二烯量超过2 μg/(g·h),说明该树种不适合种植于当地,否则会破坏当地空气质量的平衡[15]。在已知树种中低VOC排放的有白蜡树属、苹果和榆属,高VOC排放的有栎属、悬铃木属和柳属[18]。因此,应选择挥发性有机物排放量少的植被,或将排放量大的树种与吸滞能力高的树种相互搭配,以尽可能减少挥发性有机物排放对大气环境的影响。

3.1.2 植物形态

空气污染物吸收效率的降低有一部分原因是对植物的过度修剪,因为树冠的大小及叶生物量多少都会影响吸滞气态污染物的总量[4]

树木冠层不同导致树冠内部光分布的差异,也会影响植物对气态污染物的吸收[32]。例如,将城市树木覆盖率从20%增加到40%,可使白天城市地区每小时的平均O3浓度从2.4的峰值降到1 μg/kg[33]。因此,适当增加森林盖度可以降低空气中的O3浓度。

植物叶片的形态也会影响对气态污染物的吸滞。如果叶片粗糙,其滞尘能力较强,会堵塞叶表的气孔,从而降低植物对气态污染物的吸滞[34]。例如,针叶树种表面积小,气孔数量也不多,并且气孔容易被油脂堵塞[35],所以其对大气中SO2和NO2的净化作用较少。

在一定浓度范围内,叶片对NO2的吸收速率随着气孔导度的增加而增加。当气孔导度<0.25 mol/(m2·s)时, 叶片对NO2的吸收速率随着气孔导度的增加而增加;但当气孔导度>0.25 mol/(m2·s)时,吸收速率变化较小[36]。因此,叶片气孔导度的变化也对植物吸滞气态污染物有着一定的作用。

3.1.3 植物配置

植物配置在森林吸滞气态污染物过程中也起着重要作用。乔木密度、多样性指数和盖度等绿地结构对气体污染物的净化有着显著影响,可以根据这些指标来进行植物配置,达到森林植被的最大净化效率[37]

在各种群落对气体污染物的吸滞中,灌草结构具有显著优势。实验证明,乔灌草的复合群落结构对NO2净化能力最强,达到66.8 μg/m3;单一的草坪结构最弱, 不到前者的一半[38]。树木对SO2的吸滞能力表现为落叶乔木>灌木>常绿针叶树[38],表明落叶阔叶乔木对气态污染物具有更高的吸滞效率,而常绿乔木由于树叶保留时间相对较长,在冬季对气态污染物的吸收起着重要作用。

目前森林植被对大气主要污染物的净化以人工阔叶幼林为主,天然林次之[39]。这些更加突出了规划森林植被配置的重要性。

3.2 气候条件

气候条件影响植物内部的生理效应以及环境中污染物的状态,从而影响植物以及森林对气态污染物的吸收。

3.2.1 温度

植物会直接吸收和溶解叶表面上的气态污染物,而气态污染物的溶解度与气孔阻力都受温度的影响。例如,SO2的溶解度与温度呈负相关,寒冷的天气会导致气孔关闭,从而限制对SO2的吸收[26]

Gessler等[40]研究了山毛榉与大气间的NO2流通、相关气候参数及生理参数的关系,发现在环境温度变化(从15 ℃增加到32 ℃)的条件下,叶片对NO2的吸收呈现出抛物线式的变化,即随着温度的增加吸收速率先增加后降低;同时发现叶片气孔导度随着温度的变化与NO2吸收速率随着温度的变化趋势相一致,因此证明温度与植物体吸收NO2速率有着很高的相关性。

3.2.2 湿度

大气湿度影响气态污染物的溶解度,从而影响植物体吸滞气态污染的含量。例如,SO2、NO2等气体属于易溶气体,湿度的增加可以导致气体大量溶于叶表面、土壤和水体中,植物体可以通过角质层、根系作用等对气体进行吸收净化[6]

较高的相对湿度也会导致气态污染物浓度的增加,从而增加森林对其吸收量[41]。例如,大雾天气会增加NO2浓度[21]。当天气湿润时,会造成植物气孔张开,提高气孔导度,从而增加植被对气态污染物的吸收[42]。因此,湿度从内外2个方面影响着森林对污染物的吸收。

3.2.3 光照

光照条件可以显著影响植物的生理活动,尤其是控制叶片气孔的开闭[6],从而间接影响植物体对气态污染物的吸收[32]。例如,低光照强度会造成气孔关闭,限制植物对气态污染物的吸收[26]

在一定程度上,随着光强的增加,植物对NO2的吸收量会显著下降,将PAR强度从450调整到900 μmol/(m2·s),可造成气孔导度在统计学上显著下降,水苏的气孔导度从0.2降到0.09 mol/(m2·s),银杏从0.14降到0.07 mol/(m2·s),栎从0.13降到0.06 mol/(m2·s)[20]

在阳光照射下,VOCs会与氮氧化物相互作用,发生光化学反应而产生O3,从而增加O3浓度[21]。例如,典型的地中海夏季气候通常以高辐照度为特点,特别有利于光化学反应的发生,从而导致O3浓度增加[42]

3.3 污染物浓度

气体污染与森林之间存在一定关系。在气体浓度较低的条件下,气体污染可能不会损伤到森林,甚至有利于森林树木的生长;在气体浓度相对较高的情况下,气体污染可能也不会对森林造成明显的损伤,但会导致森林光合产量降低,影响气孔导度[26]

研究表明,低浓度(80~135 ml/L)NO2会引起萝卜叶片气孔的关闭[43]。在北京市重度污染区内叶片硫含量的浮动范围为6.98~1.52 mg/g,而在中度污染区内为3.27~1.23 mg/g,不同程度污染区内的绿化树种对SO2的积累量不同[44]。因此,在一定SO2污染浓度下,绿化树种对SO2的积累量与其所处环境中SO2的浓度呈正比。

4 研究展望

随着城市快速发展,包括气态污染物在内的大气污染问题日益突出,如何通过更加高效合理地建设、利用森林来缓解大气污染,为居民提供清新的空气,发挥森林的生态价值是未来发展面临的重要课题。

1) 目前有关森林吸滞大气气态污染物机理的直接作用研究较多,而由于森林环境较为复杂,难以准确测量和模拟。对于促使气态污染物浓度降低的间接作用和整体综合作用的研究分析尚欠缺,应加强森林内气态污染物的组成成分以及与城市森林生态功能相结合的研究,以揭示森林吸滞大气气态污染物的机理。

2) 目前能够较为精准地测定植物体对于气态污染物的吸滞量,而对于森林吸滞空气污染物模型建立的精确度,以及模型建立与森林的位置、大小和种类组成的关系及其与空气污染物扩散模式等方面的结合还有待深入研究;森林吸滞大气气态污染物的测定方法尚不够精确,森林条件复杂多变,需要用更加精确的模型来进行模拟实验,以探究不同条件下最适宜的森林营造类型,应因地制宜地选择合适的模拟方法,做到生态效益最大化。

3) 目前的研究多是在微观和局部视角下分析森林对于气态污染物的影响,对森林受演替和大气环境全球化影响等时间和空间的延伸性方面的研究尚欠缺。在研究森林对气态污染物的作用时,考虑时空因素能够更加全面深入地将研究进一步细化,使其具有更广泛的意义。

在未来一段时间内,森林吸滞气态污染物的多方面、系统性研究及相关研究成果的转化与实际应用也将会是重要的研究方向。

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