中国园林
期刊搜索:
  • 当期推荐
  • 期刊检索
  • 目录索引
  • 业界新闻
  • 投稿须知
  • 广告服务
  • 友情链接
  • 联系我们
  • 返回首页
远程稿件处理
期刊杂志

    北京地区控制PM2.5污染的城市绿化树种选择建议

    关键词:园林植物;综合评价;PM2.5;吸附;城市环境适应性

    Key words:landscape plants; comprehensive evaluation; PM2.5; absorption; suitability for urban environment

    摘要:对影响树木阻滞吸附PM2.5能力的树种生物学特性进行了分析,并结合树种对城市环境的适应性建立了适用于控制PM2.5污染的城市绿化树种的选择方法,应用该方法对北京城市绿化常用的51种乔木树种和14种灌木树种进行了评价。结果显示,圆柏等7种乔木树种和金银木等3种灌木树种的PM2.5阻滞吸附能力和城市环境适应能力都为强等级,而其余的大部分树种的2项能力为中或强等级。建议在北京针对PM2.5污染进行的城市绿化中可以优先考虑使用这些树种。

    Abstract:In this study the biophysical characteristics of tree species that can affect their effectiveness in removing PM2.5 from the air were analyzed. Basing on these features and the adaptive capacity of species to urban environments, an evaluation system was constructed to assess 51 tree species and 14 shrub species commonly used in Beijing. The results show that Sabina Chinensis and other six tree species were ranked as "strong" in both the effectiveness of PM2.5 removal and suitability for urban environments. Lonicera maackii and other two shrub species also achieved the same status. The rest species were mainly ranked as "average" or "strong" in either one of the two capacities. Those species should be preferred in urban greening in Beijing.

    内容:      PM2.5(空气动力学直径≤2.5μm的大气颗粒物)是北京市一种主要大气污染物,因其能够被人体吸入并沉积在支气管内和肺部,诱发呼吸系统疾病甚至死亡而倍受关注[1]。北京地区的PM2.5浓度远高于发达国家大城市大气中的浓度,采取有效措施治理PM2.5污染是一项刻不容缓的任务。PM2.5的传统治理方法主要是以源头控制为主,在北京,地面扬尘、建筑源、生物质燃烧、二次源、机动车排放和燃煤是其主要来源[2],目前政府已经制定了严格的措施对这些源头加以控制。但是,即使采取最严格的措施也无法避免PM2.5进入到大气中,传统的治理方法无法应对这部分已经进入环境中的PM2.5,因此城市环境管理部门迫切需要新方法来减少大气中的PM2.5。
          树木对空气中颗粒物的吸附和阻滞作用早在古罗马时期就已经被人们所认识[3]。近期大量研究显示,树木吸附PM2.5的主要途径为布朗扩散、拦截和重力沉降,影响这3个途径的主要因子有树木的整体结构、叶表面微观结构及树木的生长特性。另外,单株树木或树木群体还可以通过改变空气流动的方向和速度来影响PM2.5的沉降[4-9]。与此同时,一些树种也可能成为PM2.5的来源,这类树种能释放大量的活性有机挥发物,与空气中的氮氧化合物发生光化学反应,生成臭氧或细颗粒物[10-11]。这些研究都显示不同树种在减少PM2.5污染的功能上存在差异。因此,在城市绿化过程中可以有意识地选择具有较高PM2.5阻滞吸附能力的树种以增强城市绿地减少PM2.5的功能。然而当前对城市树木减少PM2.5污染的研究主要是围绕相关的过程和机理机制进行,缺乏对常用绿化树种减少PM2.5能力的简单易用的评价方法和结果[12],难以满足北京和其他城市在城市绿化建设上的急迫需求。针对上述问题,本研究对影响树种阻滞吸附PM2.5能力的生物学特性进行了综合分析,从树种阻滞吸附PM2.5的效率和对城市环境的适应性两方面出发,建立了绿化树种控制PM2.5污染适宜性的评价方法,并对北京市65种常用的城市绿化乔木和灌木树种进行评价分析。

    1  研究方法
    1.1  树种阻滞吸附PM2.5能力评价
            多项研究显示,树种阻滞吸附PM2.5的效率和树种类型、个体大小、树冠特性、生长速率和叶片微观特征密切相关。和落叶树相比,常绿树着叶期长,冬季仍能够发挥较好的滞尘作用[13]。从树木个体大小而言,高大树木比矮小树木对空气流动的影响大,易形成湍流,为PM2.5沉降提供有利条件[7]。从生长速率来看,生长迅速的树木能够更快地增加吸附PM2.5的叶面积。树冠紧密,枝叶结构密度大的树木对颗粒物的阻滞作用大[14]。叶片细小、或多裂、边缘不规则如阔叶树种的裂叶、一回或多回羽状复叶,针叶树松科、柏科树种的圆柱形针叶、刺叶或鳞叶等,叶片形状复杂,易形成湍流,有助于空气中PM2.5沉降[7],同时比表面积较大,增加了树木吸附颗粒物的面积。而且树种的叶片表面粗糙、有绒毛或纤毛、或能分泌树脂,能够减少吸附的颗粒物重新悬浮回大气中[15-16]。除以上生物学特性外,要注意的是树种释放生物挥发性有机化合物(Biogenic volatile organic compounds,BVOCs)的能力。BVOC包括单萜、异戊二烯等,能够与空气中其他污染物发生化学反应,生成有机气溶胶,是PM2.5的一个来源[10]。基于以上总结,本研究参考了美国林务局提出的控制空气污染树种选择方法[17],选择表1中所列的8项评价因子,采用指数判断法对各树种的生物学特性对阻滞吸附PM2.5的影响进行评价。
          其中树木基本植物学特征主要参考北京植物志等[18-24]多个文献资料,BVOC排放速率参考Benjamin[11,25]等多人[26-29]的研究结果获得或计算得出。各树种阻滞吸附PM2.5的能力即为各项指数的得分之和。
    1.2  树种对城市环境适应能力评价
          城市环境的特殊性,如水分胁迫、空气污染、土壤条件等限制了城市树种的生长环境[30-32],因此,选择的树种在具备高PM2.5吸附效率的同时必须能够适应城市的环境,从而减少维护和替换的需求。这不但有利于降低成本,也可避免在维护过程中释放PM2.5,如树苗运输过程中汽车尾气排放,病虫害防治中化学药品喷雾等。在对城市树种选择的文献分析的基础上[33-38],本研究选择了表2中所列的6个因子对树种的城市环境适应性进行评价。
    树种的气候适应性、土壤适应性、耐干旱性、病虫害抗性根据北京植物志等[18-19,21-24,39-46]等多个国内外文献及植物数据库的记载和描述确定。空气污染耐性参考佛罗里达大学680 Tree Fact Sheets[22]、孔国辉等多人[46-60]的研究结果表明,如果该树种有害气体污染耐性数据缺失时,按照与其相近的同属或同科的树种值代替。各树种适应城市环境的综合能力即为各项指数的得分之和。
    1.3  控制PM2.5污染绿化树种的综合选择
          在得到各树种的阻滞吸附PM2.5和适应城市环境的综合能力之后,分别计算所有树种综合能力值的第一个四分位数(25%)和第3个四分位数(75%),并以此将各树种的阻滞吸附PM2.5和适应城市环境的综合能力进行相对排序。凡是数值低于第一个四分位数的判断为能力相对较弱,数值高于或等于第3个四分位数的判断为能力较强,其余数值为能力中等。
          根据赵黎芳等多人[61-70]2004—2013年北京市城市植被调查的研究结果共计10篇文献,对树种的出现次数进行统计,并结合北京市城市园林绿化普查资料汇编2005[71]中的树种实际调查数量,筛选北京市常用绿化树种,对得到的树种采用上述方法进行分析。

    2  结果与分析 
    2.1  树种筛选结果及评价得分
          根据树种出现次数,综合普查数据,筛选出52种乔木和14种灌木树种,各树种的PM2.5吸附能力和城市环境适应性指数结果见表3、4。
    2.2  乔木和灌木树种的综合评价结果
          根据乔木树种的PM2.5阻滞吸附能力和城市环境适应性综合得分值,可以将乔木树种分为9类(表5)。
          表5所列的51种乔木树种中,所有针叶树种的PM2.5阻滞吸附能力均为强,在PM2.5阻滞吸附能力为强的树种(14种)中比例达到78.6%。针叶树种的PM2.5阻滞吸附能力强,这与其针叶比表面积大并能分泌树脂等减少吸附的PM2.5颗粒弹回比例有关。最后,针叶树在冬季和早春仍然保持大部分针叶,而冬季和早春是北京雾霾的高发期,因此针叶树在北京削减PM2.5的有效时长要远高于落叶阔叶树。
          阔叶树种中,绒毛白蜡和白榆的2项指标均为强,15种阔叶树种的2项指标为中等,这其中包括了常用的城市绿化树种,如旱柳、悬铃木等。过往的研究认为阔叶树中树大荫浓、叶表面较为粗糙、有绒毛等表皮结构的树种滞尘效果好,毛白杨、构树、悬铃木等都属于这一类。但杨属、柳属、构树属和悬铃木科的树种BOVC释放速率高。因此树种选择时还应当考虑其BVOC排放速率,综合进行评价。几种常用的观花小乔木如玉兰、西府海棠、暴马丁香等的PM2.5阻滞吸附能力弱,而山樱花的城市环境适应能力弱。
          同样14种灌木树种也被分为9类(表6)。

    3  结论与讨论
          本研究通过建立PM2.5阻滞吸附能力和城市环境适应性两方面的评价指标,对北京城市绿化常用的51个乔木树种和14个灌木树种进行了分析,研究结果显示,目前北京常用的绿化树种大部分的2项指标都在中等及以上。65个树种中没有一个树种是PM2.5阻滞吸附能力和城市环境适应性都较弱的。本研究评价的树种中有30个树种是属于北京市百万亩平原造林规划[72]中建议使用的20种(类)乔木和20种花灌木树种。这30个树种中2项指标均为强的树种比例为23.3%,均为中等及以上的树种比例达到了76.7%。可见目前北京市大规模城市绿化的树种规划基本上是合理的,但还有提高的空间。
           对65个常用树种PM2.5削减能力和城市环境适应性的分类结果可以为北京或其他环境条件相似的北方城市采用绿化手段来控制PM2.5污染提供一定的参考。例如,2项能力评价都为强的树种可以广泛使用。而PM2.5削减能力强但环境适应性差的树种可用在具有一定管护措施的地段。在绿化中还可以考虑充分利用小环境条件,搭配使用得分中等的阔叶树和得分高的针叶树,既满足景观的要求,又增强绿地对PM2.5的削减能力。此外,本研究中的评价是基于树种具有的自然冠型之上的,绿化中应避免过度修剪从而削弱树种本身所具有的PM2.5阻滞吸附能力。
          需要明确的是,本研究的主要目的是为满足生产实践的急迫需求而建立一个以控制PM2.5污染为目的、简易的城市绿化树种选择方法。因此在借鉴国外研究成果的基础上,在对因子的代表性、评价系统的易操作性和数据的可得性进行综合考量后只选择了14个因子进行评价,使用者在应用本文建立的方法时可根据自身需求和地域特点,增加有数据支撑的因子来参与评价。
           文中所建立的评价方法受到目前对树木和PM2.5之间相互作用的有限研究的制约,在未来的研究中可以从更准确的定性树种的各项评价因子和对其进行权重赋值2个方面进一步深入。本研究中对树种各项因子的赋值都是采用定性方法分为三等,这主要是由于同一树种不同个体之间存在差异,且不同的环境条件组合会影响到树种某一特定因子的数值,因此精确地定量一个树种某一因子的值尚不可行。本研究中对一个树种的因子的定性赋值更多的是代表了一个树种和其他树种相比较下的平均状况,是根据对文献的分析获得,将来可以根据新的相关方面的研究成果进行更精细的赋值。


    参考文献:
    [1] Kampa M, Castanas E. Human health effects of air pollution[J]. Environmental Pollution, 2008(151): 362-367. 
    [2] 徐敬,丁国安,颜鹏,等.北京地区PM2.5的成分特征及来源分析[J].应用气象学报,2007,18(5):645-654. 
    [3] Cowell F R. The garden as a fine art: From antiquity to modern times[M]. London: Weidenfeld and Nicolson, 1978. 
    [4] Beckett K P, Freer-smith P H, Taylor G. Particulate pollution capture by urban trees: effect of species and windspeed[J]. Global Change Biology, 2000(6): 995-1003. 
    [5] Huang C W, Lin M Y, Khlystov A, et al. The effects of leaf area density variation on the particle collection efficiency in the size range of ultrafine particles (UFP)[J]. Environmental Science & Technology, 2013(47): 11607-11615. 
    [6] 吴志萍,王成,侯晓静,等.6种城市绿地空气PM2.5浓度变化规律的研究[J].安徽农业大学学报,2008(4):494-498. 
    [7] 赵晨曦,王玉杰,王云琦,等.细颗粒物(PM2.5)与植被关系的研究综述[J].生态学杂志,2013(8):2203-2210. 
    [8] 戚继忠,魏进华,张倩,等.城市树木滞尘能力研究及存在的问题与对策[J].世界林业研究,2013(3):52-57. 
    [9] Liu L, Guan D S, Peart M R. The dust retention capacities of urban vegetation—a case study of Guangzhou, South China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2013, 20(9): 6601-6610. 
    [10] Claeys M, Graham B, Vas G, et al. Formation of secondary organic aerosols through photooxidation of isoprene[J]. Science, 2004, 5661: 1173-1176. 
    [11] Benjamin M T, Winer A M. Estimating the ozone-forming potential of urban trees and shrubs[J]. Atmospheric Environment, 1998, 32(1): 53-68. 
    [12] 吴海龙,余新晓,师忱,等.PM2.5特征及森林植被对其调控研究进展[J].中国水土保持科学,2012(6):116-122. 
    [13] 王蕾,高尚玉.北京市11种园林植物滞留大气颗粒物能力研究[J].应用生态学报, 2006,17(4): 597-601. 
    [14] Hwanga H J, Yooka S J, Ahnb K H. Experimental investigation of submicron and ultrafine soot particle removal by tree leaves[J]. Atmospheric Environment, 2011(45): 6987-6994. 
    [15] Little P. Deposition of 2.75, 5.0 and 8.5μm particles to plant and soil surfaces[J]. Environmental Pollution, 1977, 12(4): 293-305. 
    [16] 齐飞艳.道路大气颗粒物的分布特征及绿化带的滞留作用[D].郑州:河南农业大学,2009. 
    [17] Nowak D J. Species selector (beta) utility[EB/OL]. [2013-11-30]. http://www.itreetools. org. 
    [18] 贺士元,邢其华,尹祖棠,等.北京植物志[M].北京:北京出版社,1993. 
    [19] 张天麟.园林树木1600种[M].北京:中国建筑工业出版社,2010. 
    [20] 张志翔.树木学(北方本)[M].北京:中国林业出版社,2008. 
    [21] 蒋永明,翁智林.园林绿化树种手册[M].上海:上海科学技术出版社,2006. 
    [22] University of Florida. 680 Tree Fact Sheets[EB/OL]. [2014-01-07]. http://hort.ifas.ufl.edu/database/trees/trees_scientific.shtml. 
    [23] Urban Forest Ecosystems Institute, NRES Department, California Polytechnic State University. SelecTree-Tree List[EB/OL]. [2013-11-30]. http://selectree.calpoly.edu/treelist.lasso. 
    [24] Brand M H. UCONN Plant Database of trees, shrubs andvines[EB/OL]. [2014-2-14]http://www.hort.uconn.edu/plants/index. html. 
    [25] Benjamin M T. Low-emitting urban forests: a taxonomic methodology for assigning isoprene and monoterpene emission rates[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(9): 1437-1452. 
    [26] Biosphere atmosphere interactions research group. Biogenic Volatile Organic Compounds (BVOC) Data[EB/OL]. [2014-02-14]. http://bai.acd.ucar.edu/Data/BVOC/index.shtml. 
    [27] 牟玉静,宋文质,张晓山,等.落叶阔叶树异戊二烯排放研究[J].环境化学,1999,18(1):21-27. 
    [28] 陈颖,李德文,史奕,等.沈阳地区典型绿化树种生物源挥发性有机物的排放速率[J].东北林业大学学报,2009,37(3):47-49. 
    [29] 王效科,牟玉静,欧阳志云,等.太湖流域主要植物异戊二烯排放研究[J].植物学通报,2002(2):223-230. 
    [30] Sæbø A, Benedikz T, Randrup T B. Selection of trees for urban forestry in the Nordic countries[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2003, 2(2): 101-114.
    [31] Whitlow T H, Bassuk N L, Reichert D L. A 3-year study of water relations of urban street trees[J]. Journal of Applied Ecology, 1992: 436-450.
    [32] Whitlow T H, Bassuk N L. Ecophysiology of urban trees and their management: The North American experience[J]. Hort Science, 1988, 23(3): 542-546.
    [33] 张宝鑫,张治明,李延明.北京地区园林树种选择和应用研究[J].中国园林,2009(4):94-98. 
    [34] 柴思宇,刘燕.国外城市树种选择指导及其借鉴[J].中国园林,2011(9):82-85. 
    [35] 韩轶,高润宏,刘子龙,等.北方城市森林绿地植物群落的树种选择与配置[J].内蒙古农业大学学报:自然科学版,2004(3):9-13. 
    [36] 鲁敏,姜风岐,李英杰.沈阳城市绿化生态工程树种综合评价分级选择[J].应用生态学报,2004,15(7):1153-1156. 
    [37] 王瑞辉,马履一,奚如春.论城市森林建设树种选择的原则[J].中南林学院学报,2005(3):58-62. 
    [38] 童丽丽,吴祝慧,王哲宇,等.层次分析法与熵技术评价在南京城市绿化生态树种选择中的应用[J].东北林业大学学报,2010(9):58-61. 
    [39] 郑万钧.中国树木志[M].北京:中国林业出版社,1985. 
    [40] 陈有民.园林树木学[M].北京:中国林业出版社,1990. 
    [41] 谭伯禹,贺贤育.园林绿化树种选择[M].北京:中国建筑工业出版社,1983. 
    [42] 王湘勇.应用特尔菲法进行抗性树种选择:以唐山市为例[J].中国城市林业,2012(2):51-53. 
    [43] 郭鑫.呼和浩特市城市绿地景观格局与树种选择及其规划研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2010. 
    [44] 张慎鹏.山东省主要耐干旱树种资源和部分经济林树种抗旱性评价的研究[D].泰安:山东农业大学,2009. 
    [45] 谭雪红.河北省廊涿高速公路抗旱植物筛选及地表覆盖研究[D].北京:北京林业大学,2011. 
    [46] Horticopia[EB/OL]. [2006]. http://www.horticopia.com/hortpip/index.shtml.
    [47] 孔国辉,汪嘉熙,陈庆诚.大气污染与植物[M].北京:中国林业出版社,1985. 
    [48] 刘艳菊,丁辉.植物对大气污染的反应与城市绿化[J].植物学通报,2001,18(5):576-586. 
    [49] 李吉跃,罗红艳,刘增.北京市抗污染绿化树种的选择[C]//中国林学会造林分会理事会暨学术讨论会,1998:48-53. 
    [50] 王勋陵,陈庆诚.熏气实验条件下植物对臭氧反应的初步研究[J].兰州大学学报,1980(2):87-99. 
    [51] 李嘉珏,殷长寿.绿化植物对臭氧的反应与相对抗性[J].林业科技通讯,1983(9):22-24. 
    [52] 李馨.内蒙古包头市耐大气和土壤重金属污染的园林树种选择研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2008. 
    [53] 周忠梁,常卫民,王若祥,等.北京地区抗污染树种的筛选繁殖和示范的研究[J].园林科技信息,1996(3):1-19;45. 
    [54] 孙文哲,任振江,赵建,等.园林绿化树木对大气污染的净化和指示作用[J].绿色科技,2011(4):122-124. 
    [55] 哈申格日乐.北京城市生态环境变化与城市绿化建设研究[D].北京:北京林业大学,2006. 
    [56] 朱俊.中国城市森林学理论与实证研究[D].上海:复旦大学,2004. 
    [57] 李德生,孙旭红,李荣花,等.经济树种苗木对二氧化硫和二氧化氮的抗性分析[J].天津理工大学学报,2007(1):44-46;51. 
    [58] Elisabeth H, Skelly J M, Fredericksen T S. Foliar response of ozone-sensitive hardwood tree species from 1991 to 1993 in the Shenandoah national Park, Virginia[J]. Canadian Journal of Forest Research, 1996, 26(4): 658-669. 
    [59] 万五星,夏亚军,张红星,等.北京远郊区臭氧污染及其对敏感植物叶片的伤害[J].生态学报,2013(4):1098-1105. 
    [60] 罗红艳,李吉跃,刘增.绿化树种对大气SO2的净化作用[J].北京林业大学学报,2000(1):45-50. 
    [61] 曲琛.北海公园植物群落造景探讨[J].绿色科技,2012(8):9-11;13.
    [62] Zhao J, Ouyang Z, Zheng H. Plant species composition in green spaces within the built-up areas of Beijing, China[J]. Plant Ecology, 2010, 209(2): 189-204.
    [63] 张田.北京城市植物选择方法研究[D].北京:北京林业大学,2013.
    [64] 胡赫,刘艳红.北京市建成区行道树调查分析[J].河北林业科技,2008(3):20-22.
    [65] Li W, Ouyang Z, Meng X. Plant species composition in relation to green cover configuration and function of urban parks in Beijing, China[J]. Ecological Research, 2006, 21(2): 221-237.
    [66] 张宝鑫,张治明,李延明.北京地区园林树种选择和应用研究[J].中国园林,2009(4):94-98.
    [67] 赵黎芳.北京园林绿地生物多样性现状和发展对策[C]//全国观赏植物多样性及其应用研讨会/中国观赏园艺研究进展,2005.
    [68] 张国静,杨伟强.北京地区主要行道树树种适应性评价及病虫害防治[J].中国城市林业,2012(3):47-50.
    [69] Wang H F, MacGregor-Fors I, López-Pujol J. Warm-temperate, immense, and sprawling: plant diversity drivers in urban Beijing, China[J]. Plant Ecology, 2012, 213(6): 967-992.
    [70] 郄光发.北京建成区城市森林结构与空间发展潜力研究[D].北京:中国林业科学研究院,2006.
    [71] 北京市园林绿化局.北京市城市园林绿化普查资料汇编2005[M].北京:北京出版社,2006. 
    [72] 首都园林绿化政务网.北京平原地区造林工程技术指导意见(试行)[EB/OL].[2014-02-14].http://bjyl.gov.cn/ztxx/bjs20wmzlgc/zlgcjsgf/201202/t20120215_102710.html. 



    作者简介:

    常亚敏/1990年生/女/河南人/北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室在读硕士研究生(北京 100083) 
    闫蓬勃/1982年生/女/河北人/北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室在读博士研究生(北京 100083)
    杨   军/1973年生/男/四川人/清华大学地球系统科学研究中心副教授/研究方向为城市植被与空气污染物的相互作用机制、城市生态和全球城市环境变化(北京 100084)