園林植物對大氣細顆粒物濃度的正負作用評價

李新宇，趙松婷，許 蕊，李延明

（北京市園林科學研究院/園林綠地生態功能評價與調控技術北京市重點實驗室，北京100102）

0 引言

園林綠地對城市大氣環境中發揮雙重作用，既要評價城市園林植物對細顆粒物的吸附能力，又要定量分析其所釋放的VOCs 的量，因為VOCs 會作為重要的前體物參與生成SOA，因此綜合評價的研究結果有助于綠化樹種的合理選擇。國內外在構建模型評價植物消減細顆粒濃度的能力方面已有研究。國外學者主要通過結合場景對象的生態模型在城市尺度上進行城市樹木與草通過擴散和沉積減少PM2.5的效果模擬，估計城市樹木的空氣污染的去除能力[1-2]；或基于城市森林污染沉積速率、空氣污染排放和周邊環境空氣質量的大小和空間分布差異分析，利用模型研究PM2.5與林木冠層指標的關系[3]。國內學者基于不同尺度研究植物對PM2.5的削減及滯留影響，通過模型估算城市尺度林冠覆蓋面積上的PM2.5的年均削減量[4]；基于林帶對阻滯吸附PM2.5等顆粒物的影響研究，建立林帶阻滯吸附顆粒物有效寬度的模型[5]。但目前研究均未提及考慮植物釋放VOC對大氣顆粒物濃度的貢獻量，并作為一個影響因子參與計算。而植物會在生理過程中向大氣釋放出大量揮發性有機化合物(volatile organic compound，VOCs)[6-9]，在一定的光照等氣象條件下，可通過參與光化學反應，以前體物的形式對大氣中的臭氧(O3)和二次有機氣溶膠(secondary organic aerosol，SOA)的形成產生重要影響[10-11]，這會直接或間接影響氣候變化與大氣質量，且影響大小通常與排放清單總量呈正相關關系[12-14]。針對于園林綠地對城市大氣環境中發揮的雙重作用，本研究在考慮園林植物對細顆粒物的滯留能力及植物釋放VOC 的前提下，構建植物消減細顆粒物模型，分析評價植物種類差異對消減PM2.5污染的能力，以期為城市綠地功能優化與提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

研究田間試驗于2016 年5—8 月在北京市園林科學研究院內(116°27'52''E，39°58'31''N)進行，室內試驗在北京市園林生態功能評價與調控技術北京市重點實驗室及北京大學環境科學與工程學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室進行。采樣點為人工種植植被區域，植被覆蓋度較高。

1.2 試驗材料

選擇北京市常用的15 種園林植物作為研究對象（表1），包括6 種落葉闊葉喬木、2 種常綠針葉喬木、3種落葉闊葉小喬木、4 種灌木（包括3 種落葉闊葉灌木和1種常綠闊葉灌木），每種植物分別選取3棵樹齡接近、生長良好、無病蟲害的健康成樹進行測量。

植物滯留PM2.5試驗采用干洗法稱重結合掃描電鏡觀測方法。對選好的樹種依據其自身特點從樹冠四周及上中下各部位均勻采集葉片30～300片，采集時選擇生長狀態良好且具有代表性的葉片，對每種樹種進行3 次重復采樣，并同時立即將葉片封存于干凈防塵盒內以防擠壓或葉毛被破壞。一般認為，15 mm 的降雨量就可以沖掉植物葉片的降塵，然后重新滯塵。根據北京市的降雨特點，于雨量大于15 mm 后7 天進行采樣。全年內共采集到7天滯塵樣本3次。

表1 采樣基本信息

采用半靜態封閉式采樣法采集植被排放的VOCs樣品[15]。選擇風速較低、空氣質量較好、無降雨、溫度與光合有效輻射(PAR)接近標準條件（溫度30℃，PAR1000 μmol/(m2·s)）的天氣進行測量采樣。每種樹分別采集3 個平行樣。采樣結束后，剪下所罩樹枝的所有樹葉，放置于密封袋中，帶回實驗室，測量其葉面積后置于烘箱中于70℃烘干48 h后稱重，記錄葉片干重。

1.3 試驗方法

1.3.1 園林植物對細顆粒物的滯留能力評價 利用一種植物滯留細顆粒物質量的檢測方法（國家發明專利，授權申請號201410398759.X），對選定園林植物滯留顆粒物尤其是細顆粒物PM2.5的能力進行定量計算。

1.3.2 植物夏季SOA 生成濃度估算 采用半靜態封閉式采樣裝置收集15 種北京常用園林植物的揮發性有機化合物并進行測定。采用低溫冷阱預濃縮和氣相色譜質譜聯用技術(Gas Chromatography-Mass Spectrometer/Flame Ionization Detector, GC-MS/FID)，分析植被排放樣品中的VOCs濃度和背景空氣樣品中的VOCs 濃度，使用的儀器為北京大學環境科學與工程學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室自主研發、武漢市天虹儀表有限責任公司生產的在線GCMS/FID系統。該系統可實現VOCs樣品的采集、預濃縮、在線分析、數據采集與處理。利用該系統對采集樣品植被排放VOCs 的主要類別組成與植被排放VOCs的物種濃度特征進行分析。

根據北京市夏季氣溶膠變化特征，使用國內外研究中應用較多的氣溶膠生成系數法，根據實測的VOCs 濃度，使用參數化的方法計算SOA 的生成量[16-17]。

1.3.3 單位葉面積植物消減顆粒物量(NLW2.5S)計算方法 式(1)中，NLW2.5S為植物單位葉面積真正消減PM2.5的質量，LW2.5S為植物單位葉面積滯留PM2.5的質量，SOA2.5S為植物單位葉面積生成二次有機氣溶膠的質量。

2 結果與分析

2.1 園林植物單位葉面積PM2.5周滯留量比較

在植物滯塵量計算的基礎上，結合電鏡觀測結果，計算得出單位葉面積滯留PM2.5的質量。由圖1可以看出，不同植物之間滯留細顆粒物能力有很大的差異，單位面積PM2.5滯留量最多的元寶楓(0.606 g/m2)是單位面積PM2.5滯留量最少的七葉樹(0.044 g/m2)的13.8倍。

圖1 全部植物單位葉面積PM2.5滯留量比較

單位葉面積PM2.5滯留量較多的植物有元寶楓、大葉黃楊、胡枝子、錦帶花、櫻花，其單位葉面積PM2.5每周滯留量均在0.2 g/m2以上；較少的為黃櫨、旱柳、油松、七葉樹，其單位葉面積PM2.5滯留量均在0.1 g/m2以下。

2.2 植物夏季SOA生成濃度估算

參考北京市夏季植物二次有機氣溶膠SOA 生成潛勢估算值FAC，有31 種VOCs 會生成二次有機氣溶膠（表2[17]），其中α-蒎烯、β-蒎烯生成潛勢最高，達到30%。根據測定的植物釋放VOCs 種類的不同，計算15 種植物單位葉面積生成SOA 量（圖2a,2b,2c）。由于油松、黃櫨、圓柏等3 種植物釋放α-蒎烯的量較高，所以植物釋放VOCs 對SOA 的貢獻較高，大于0.1 g/(m2·周)。七葉樹、紫丁香、絳柳、旱柳、鉆石海棠等5 種植物釋放的VOCs 中也因含有一定量的α-蒎烯，對 SOA 的貢獻大于 0.001 g/(m2·周)。其他 7 種植物釋放的VOCs 中，除櫻花外，其余均不釋放α-蒎烯，對SOA的貢獻均較小。

表2 北京市夏季SOA生成潛勢估算

2.3 植物對PM2.5的消減量

根據單位葉面積植物消減顆粒物量計算方法，對比分析北京市15種喬灌木在夏季時對PM2.5的消減能力（表3）。除黃櫨與油松外，其余13 種植物吸附細顆粒物的能力(LW2.5S)遠強于其自身釋放SOA2.5量，兩者差別在幾千倍到幾倍不等。錦帶花與元寶楓2種植物單位葉面積對PM2.5的消減能力最強，兩者都大于0.600 g/(m2·周)。紫丁香、大葉黃楊、胡枝子、櫻花、金鐘花、鉆石海棠、七葉樹、旱柳等8種植物對PM2.5具有一定的消減作用，消減能力大于0.100 g/(m2·周)。圓柏、白蠟、絳柳等3 種植物對PM2.5也具有一定消減作用。黃櫨與油松由于釋放VOCs 物質對SOA 貢獻較大，因此這2種植物會增加空氣PM2.5濃度。

3 結論

（1）植物個體之間滯留細顆粒物能力有很大的差異，單位葉面積PM2.5滯留量較多的植物有元寶楓、大葉黃楊、胡枝子、錦帶花、櫻花，較少的為黃櫨、旱柳、油松、七葉樹。

（2）不同樹種排放的VOCs類別組成差異較大，且每種物質生成SOA潛勢各不相同。油松、黃櫨、圓柏3種植物由于釋放α-蒎烯的量較高，植物對生成SOA的貢獻較高。七葉樹、紫丁香、絳柳、旱柳、鉆石海棠等5種植物對SOA 也具有一定的貢獻。其他7 種植物對SOA的貢獻較小。

圖2 北京市不同植物夏季SOA生成濃度估算

表3 北京市不同植物SOA的生成量及對PM2.5的消減量

（3）錦帶花與元寶楓2 種植物單位葉面積對PM2.5的消減能力最強。紫丁香、大葉黃楊、胡枝子、櫻花、金鐘花、鉆石海棠、七葉樹、旱柳等8種植物對PM2.5消減作用其次。黃櫨與油松2 種植物對PM2.5沒有消減作用，反而增加空氣PM2.5濃度。

4 討論

針對于園林綠地對城市大氣環境中發揮的雙重作用，既要綜合分析城市園林植物對細顆粒物的吸附能力，又要定量分析其所釋放的VOCs 排放總量對SOA形成的貢獻，研究結果有助于綠化樹種的合理選擇。已有研究結果表明[18-20]，不同植物個體之間滯留細顆粒物及釋放VOCs 的量差異顯著，雖然植物都會不同程度釋放VOCs，但大多數揮發物對人體有益無害[21]，人為源對SOA的貢獻遠大于天然源的貢獻，比較其滯塵量，植物間接生成SOA的量較少[22-23]，大多數植物主要通過葉片及樹冠對顆粒物沉降速度產生影響，能夠吸附和過濾灰塵，減少空氣中顆粒物濃度。

研究雖然對于北京地區主要樹種典型天氣條件下VOCs 排放的種類及排放速率的特征有了初步了解，但溫度、輻射等環境因子對VOCs 排放速率都有很大的影響[24]，仍然缺乏對它們的日、月、季、年變化規律，特別是冠層尺度上森林VOCs 排放的準確了解和模擬。因此，在以后的相關研究中，應該更系統地研究包括植物體內、植物釋放到外界、群落空氣中的VOCs種類、含量及其變化規律，了解各種揮發性有機物的釋放源、分布規律、遷移變化等，為城市綠地植物配植提供更可靠的理論依據。