武陵山区不同类型植被叶片PM2.5滞纳量研究

罗 佳， 田育新， 朱 昕， 王育坚， 牛艳东， 曾掌权，邓 楠， 王景弟

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004；2.湖南省林业局， 湖南 长沙 410004；3.湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站， 湖南 慈利 427200；4.慈利县林业局， 湖南 慈利 427200)

近年来随着工业化、城市化的飞速发展，特别是在发展中国家，由人为因素造成的城市空气污染已成为主要的环境问题，并且直接或间接地威胁到城市生态系统的稳定和城市居民的健康[1-3]。根据中国环境状况公告，颗粒物已成为中国大中城市的主要污染物[4-5]。PM2.5浓度较高会直接危害人类健康，增加疾病的危害和导致患病人数的增加[6-7]，给社会带来极大的负担和经济损失。同时，PM2.5等颗粒物还会对人居环境产生显著影响，造成空气污浊、降低能见度等；也会降低植物的产量和活力，其浓度长期较高会使生态系统的物种多样性丧失等[8]。湖南省作为中南地区的重要省份，随着经济的快速发展，机动车和燃煤量均持续增加，严重的污染使得治理PM2.5，提高空气质量显得尤为重要[9]。

森林植被等绿色植物是PM2.5等细颗粒物的克星[10]，发挥着巨大的净化大气环境的作用[11-12]。HWANG等[13]发现针叶树种的拦截能力远远大于阔叶树种的，NEINHUIS等[14-15]认为，银杏具有“自清洁”特性，滞留颗粒物的能力较差。MATSUDA等[16]研究发现森林群落的林冠层能够有效阻滞PM2.5颗粒物，降低其浓度。陈波等[17-18]发现森林植被区的PM2.5浓度明显低于非植被区的。随着湖南社会经济的发展和城市化进程的加快，城市居民追求更高的环境质量，但目前对湖南植被滞纳颗粒物的研究较少，而对武陵山区多类型植被的PM2.5滞纳量的研究未见报道。为此，本研究在武陵山区选择18个乔、灌、草等不同植被配置模式的样地，对其植被的叶片表面PM2.5滞纳量(简称叶片PM2.5滞纳量)进行定量测试和分析，用详实的数据揭示森林对大气环境的净化功能。

1 研究区概况

试验地位于湘西武陵山区女儿寨小流域，地处湖南省张家界市慈利县零阳镇两溪村，距慈利县城西北大约7km，其地理位置为111° 12′43″E，29°25′28″N。该流域封闭相对良好，属澧水二级小支流，大致呈南北向，属武陵山脉低山区，流域总面积2.18km2，最低海拔(主沟出口处)210m，最高海拔917.4m，主沟长约为1.2km，主沟纵比降约为28.4‰。该区域森林覆盖率达80%以上，林分类型以退耕还林和次生林为主，是退耕还林集中连片区。该区成土母岩以砂页岩为主，土壤主要为黄红壤酸性土。该流域主要林分类型有马尾松Pinusmassoniana林、杜仲Eucommiaulmoides林、柑桔Citrusreticulata林及杂灌林[19]。

2 研究方法

2.1 样地设置

在武陵山区选择林龄和海拔相近的地段，设置18个乔、灌、草等不同植被配置模式的样地。样地的基本信息如表1所示。

2.2 叶片采集

主要采集武陵山区不同植被配置模式样地中乔木、灌木、草本和毛竹的叶片(要求在采集叶片之前15d内无降雨发生)，乔木选择3株样树，分别在乔木的不同高度和不同方位共采集50片叶片；灌木选择3株样树，共采集60片叶片；草本以3丛为单位，共采集50片叶片。将不同植被配置模式样地中采集的相同植物叶片样品混合存储于一个样袋(40～60片)，然后将样袋置于采样箱中，带回实验室进行PM2.5滞纳量的测定。草本植物叶片采集时主要是采集各样地林下不同草本植物叶片。样地23的优势树种是湿地松和枫香，但以湿地松为主，叶片采集时采集湿地松的叶片。以各植被配置模式样地中不同植物叶片PM2.5滞纳量的均值作为每种植被配置模式林分叶片PM2.5滞纳量。

表1 样地基本信息Tab. 1 Basic vegetation types information of sample plots 样地号海拔/m优势树种植物配置起源郁闭度灌层盖度/%草层盖度/%胸径/cm树高/m8360马尾松针叶纯林天然0.70202013.310.019355灌丛阔叶混交林天然0.70303010.75.6010270豹皮樟阔叶纯林天然0.80102013.99.7011255杜仲阔叶纯林人工0.8020308.27.5012380油桐阔叶纯林人工0.5010109.37.9013255柑桔阔叶纯林人工0.6060108.63.3014275枫香、香樟阔叶纯林人工0.80501011.38.0015275柏樟阔叶纯林人工0.80401010.18.2016245杉木针阔混交林天然0.40203010.56.7018260香樟阔叶纯林天然0.70303016.610.6019375马尾松针叶纯林天然0.70503014.29.1020200柏木针叶纯林人工0.70503015.68.5021145杉木针叶纯林人工0.50502012.88.9022350马尾松针阔混交林天然0.80401011.97.4023365湿地松、枫香针阔混交林人工0.80251011.510.5024370枫香针阔混交林人工0.70105013.39.80a-1380油茶阔叶纯林人工0.7510108.68.10a-2245毛竹毛竹林天然0.5020307.411.23

2.3 叶片表面PM2.5滞纳量测定

应用气溶胶再发生器测定叶片表面的PM2.5滞纳量，具体方法参见陈波[20]和LUO等[21]的方法。由下列公式计算单位叶面积和单位林地面积的PM2.5滞纳量。

M=n/A；

Q=M×LAI×0.1×k。

式中：M为单位叶面积PM2.5滞纳量(μg·cm-2)；n为放入气溶胶再发生器中叶片PM2.5滞纳量(μg)；A为放入气溶胶再发生器料盒中所有叶片的叶面积(cm2)；Q为每1hm2林分的PM2.5滞纳量(kg·hm-2·a-1)；LAI为叶面积指数；0.1为单位转化系数；K为年洗脱次数。

3 结果与分析

3.1 不同类型植物叶片PM2.5滞纳量

3.1.1 不同乔木树种叶片PM2.5滞纳量 由图1可知：不同乔木树种单位叶面积PM2.5滞纳量在(0.020±0.0002)～(0.230±0.0200)μg·cm-2之间，其中单位叶面积PM2.5滞纳量最大的柏木的是最小的棕榈的10.95倍；不同乔木树种单位叶面积PM2.5滞纳量排前3位的柏木、马尾松和杉木的滞纳量分别为0.230±0.0200、0.210±0.0100、0.145±0.0060μg·cm-2；居中的柑桔、豹皮樟、杉木、石栎和飞蛾槭的滞纳量分别为0.142±0.0110、0.140±0.0090、0.070±0.0030、0.050±0.0004、0.040±0.0020μg·cm-2；排后4位的香樟、湿地松、油桐和棕榈的滞纳量分别为0.036±0.0004、0.035±0.0002、0.026±0.0005、0.021±0.0002μg·cm-2。总体来看，针叶树种单位叶面积的PM2.5滞纳量最大，其次是柑桔、豹皮樟等树种的，树叶光滑的阔叶树单位叶面积PM2.5滞纳量最小。

3.1.2 不同灌木树种叶片PM2.5滞纳量 不同灌木树种单位叶面积PM2.5滞纳量如图2所示。由图2可知：不同灌木树种单位叶面积PM2.5滞纳量在(0.016±0.0003)～(0.400±0.0400)μg·cm-2之间，其中茶树、花椒和檵木位于前3位，冬青居中，铁仔和杜苓山位于最后2位。单位叶面积PM2.5滞纳量最大的茶树的是最小的杜苓山的25.00倍。总体来看，茶树和花椒多为经济树种，受人为干扰较大，其单位叶面积的PM2.5滞纳量大于其他灌木树种的；冬青、铁仔和杜苓山均比较矮小，其单位叶面积的PM2.5滞纳量小于其他灌木树种的。

图1 不同乔木树种单位叶面积PM2.5滞纳量Fig. 1 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different tree species

图2 不同灌木树种单位叶面积PM2.5滞纳量Fig. 2 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different shrub types

图3 不同草本植物单位面积PM2.5滞纳量Fig. 3 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different herbs

3.1.3 不同草本植物叶片PM2.5滞纳量 不同草本植物单位叶面积PM2.5滞纳量如图3所示。由图3看出：不同草本植物单位叶面积PM2.5滞纳量在(0.040±0.0010)～(0.290±0.0160)μg·cm-2之间，其中莎草、鳞毛蕨和蒲公英位于前3位，芒草和苔草位于最后2位，单位叶面积PM2.5滞纳量最大的莎草是最小的苔草的7.25倍。总体来看，莎草和鳞毛蕨相对芒草和苔草,其直立度较小，莎草更矮小，鳞毛蕨则叶片覆盖度较大，故莎草和鳞毛蕨单位叶面积的PM2.5滞纳量大于其他草本的。不同草本植物单位叶面积的PM2.5滞纳量排序为莎草(0.290±0.0160μg·cm-2)>鳞毛蕨(0.192±0.0020μg·cm-2)>蒲公英(0.850±0.0130μg·cm-2)>芒草(0.070±0.0020μg·cm-2)>苔草(0.040±0.0010μg·cm-2)。

3.2 不同类型植被PM2.5滞纳量比较

由图4可知：不同类型植被单位叶面积PM2.5滞纳量排序为草本(0.160±0.0910μg·cm-2)>灌木(0.120±0.0930μg·cm-2)>乔木(0.100±0.0640μg·cm-2)>毛竹(0.050±0.0100μg·cm-2)。可见，草本植被的PM2.5滞纳量最大，其PM2.5滞纳量分别是灌木、乔木和毛竹的1.33、1.60和3.20倍。

图4 不同类型植被单位叶面积PM2.5滞纳量Fig. 4 PM2.5 retaining amount of per unit leaf area of different vegetation types

3.3 不同类型林分PM2.5滞纳量

图5为不同类型林分单位面积PM2.5年滞纳量。由图5可知：单位面积马尾松林、柏木林、杉木林的PM2.5年滞纳量位居前3位，柑桔林、豹皮樟林、灌木林、油茶林、湿地松林居中，竹林、香樟林和油桐林居后3位。不同类型林分单位面积PM2.5年滞纳量在(0.160±0.0050)～(2.220±0.1200)kg·hm-2·a-1之间，最大的马尾松林的是最小的油桐林的13.88倍。总体来看，单位面积林分PM2.5年滞纳量以针叶林的最大，灌木林和油茶林的居中，香樟林和油桐林的较小。

3.4 不同植被配置类型林分PM2.5滞纳量

由图6可知：不同植被配置类型林分单位面积PM2.5年滞纳量以针叶混交林的最大，其次是针阔混交林和阔叶混交林的，天然林针叶纯林和天然阔叶纯林居中，人工针叶纯林、人工阔叶纯林和灌草排后3位。不同植被类型林分单位面积PM2.5年滞纳量在(0.290±0.0300)～(1.610±0.0600)kg·hm-2·a-1之间，最大的针阔混交林的是最小的灌草的5.55倍。不同植被配置类型林分单位面积PM2.5年滞纳量排序为针叶混交林(0.160±0.0600 kg·hm-2·a-1)>针阔混交林(1.230±0.0700kg·hm-2·a-1)>阔叶混交林(0.780±0.0600kg·hm-2·a-1)>天然针叶纯林(0.770±0.0500kg·hm-2·a-1)>天然阔叶纯林(0.600±0.0900kg·hm-2·a-1)>人工针叶纯林(0.520±0.0300kg·hm-2·a-1)>人工阔叶纯林(0.300±0.0300kg·hm-2·a-1)>灌草(0.290±0.0300kg·hm-2·a-1)。总体来看，单位面积林分PM2.5年滞纳量以混交林的最大，纯林和灌草的较小；纯林中天然林的大于人工林的。

图5 不同类型林分单位面积PM2.5年滞纳量Fig. 5 Annual PM2.5 retaining amount of per unit area in different stand types

4 结论与讨论

(1)乔木树种单位叶面积PM2.5滞纳量排序为柏木>马尾松>杉木>柑桔>豹皮樟>油茶>石栎>飞蛾槭>香樟>湿地松>油桐>棕榈；灌木树种单位叶面积PM2.5滞纳量在(0.016±0.0003)～(0.400±0.0400)μg·cm-2之间，其中茶树、花椒和檵木位于前3位，冬青居中，铁仔和杜苓山位于最后2位；不同草本植物单位叶面积PM2.5滞纳量在(0.040±0.0010)～(0.290±0.0160)μg·cm-2之间，其中莎草、鳞毛蕨和蒲公英位于前3位，芒草和苔草位于最后2位。

(2)不同类型植被单位叶面积PM2.5滞纳量排序为草本>灌木>乔木>毛竹。这是因为草本处于最底层，接近于地面，可以接触到更多的颗粒物源物质，大量的PM2.5因沉降作用降落到草本层和灌木层；乔木层虽然高大，但是单位叶面积上沉降的PM2.5源物质少于降落到草本层和灌木层的；毛竹虽比较高大，但是其叶片比较光滑，单位叶面积的PM2.5滞纳量最少。这与莫莉[22]的研究结果一致。

(3)不同类型林分单位面积年PM2.5滞纳量在(0.160±0.002 0)～(2.220±0.120 0)kg·hm2·a-1之间，最大的马尾松林的是最小的油桐林的13.88倍；单位面积PM2.5年滞纳量以针叶林的最大，灌木林和油茶林的居中，香樟林和油桐林的较小。植树造林可以有效降低空气污染[23]，因树木具有强大的去除空气颗粒物的能力[24-25]。林木吸滞PM2.5主要以叶片为载体，但不同结构的叶片对颗粒物的阻滞吸收量有差异。不同的植被，因其自身生物学和热力学特性的差异，其PM2.5滞纳量有很大差异[26]。相关研究证明，湿润性较强的树种，其表面较湿润，容易粘附更多的颗粒物，故滞纳PM2.5的能力较强；叶表面光滑的树种，其叶表面湿润性较差，故滞纳PM2.5的能力较差[27]。TOMASEVIC等[28]发现叶表面粗糙、有各种凹凸不平沟壑结构的植物滞纳PM2.5等颗粒物的能力较强，反之则较弱。对针阔树种PM2.5滞纳量的研究较少，但就目前研究的结果来看，较多研究结果支持针叶树种的PM2.5滞纳量大于阔叶树种的，原因是针叶树种叶片较粗糙，可以滞纳更多的颗粒物。本研究也得出与此一致的结果。李海梅等[29]对青岛市城阳区11种园林植物的叶表面形态结构与滞尘能力进行了研究，指出不同树种单位叶面积滞尘能力差异较大，悬铃木、女贞、大叶黄杨有较强的滞尘能力，而白蜡树的滞尘能力较小。该研究结果与赵勇等[30]的研究结果一致，说明在不同环境条件下，相同植物滞尘能力的排序即滞尘规律是一致的，这也与本研究的结果一致。

(4)不同植被配置类型林分PM2.5年滞纳量在(0.290±0.030 0)～(1.610±0.060 0)kg·hm2·a-1之间。不同生活型的城市森林滞尘能力有所差别，高大的乔木能够阻滞、过滤外界的降尘和飘尘，低矮的灌木、草本、地被等则能有效减少地面扬尘[31]。从总的滞尘量来看，高大的乔木可以大大降低绿地及周围的风速，为有效截留并吸收粉尘提供有利的条件。从单位叶面积滞尘能力来说，多数学者发现灌木植物的滞尘量大于乔木植物的，这可能主要是垂直高度不同，接受灰尘量不同的缘故[32]。植物滞留TSP与PM2.5的能力不仅与单位叶面积滞留量有关，也与植株总叶面积大小相关[33]。总体来看，具有高大树冠的乔木植物比低矮的灌木植物和草本植物滞纳PM2.5等颗粒物能力强[34]，由乔木、灌木和草本组成的有上中下三层植被配置的森林对PM2.5的滞纳能力最强，相反植被组成层次简单的森林滞纳PM2.5等颗粒物的能力较弱。本研究中混交林的PM2.5滞纳量最大，其次是天然针叶纯林和阔叶纯林的，人工针叶和阔叶纯林以及灌草结构林分的PM2.5滞纳量较小。柏木、马尾松等针叶树种由于其叶面积较大，而且叶片较粗糙，可以滞纳PM2.5等更多的颗粒物；石栎、飞蛾槭等阔叶树种单位叶面积PM2.5的滞纳量较少，而且叶片较针叶树光滑，所以PM2.5的滞纳量少于混交林和针叶纯林的。可见，混交林的植被配置模式是降低PM2.5等颗粒物污染的首选模式[35]。城市森林群落中，不同植物配置森林的PM2.5滞纳量还与其种植密度和郁闭度等因素有关，在合理的密度和郁闭度下，其滞纳PM2.5等颗粒物的能力可以达到最大化，当高于或低于适宜的密度和郁闭度时，滞纳PM2.5等颗粒物的能力均降低[36]。因此，需要根据实际情况和具体污染程度确定合理的植被配置模式，这也是在以后森林植被净化大气环境研究中需着重考虑的问题。应量化和分析不同植被配置下其净化的值到底有多大，从而获取最佳、最科学的植被配置组合。