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蓝天实验室讲座实录:北京常见绿化树种能抗霾吗?

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发布者:自然之友 | 日期:2015-08-25 10:43:47 | 浏览次数:911

蓝天实验室主题讲座之——

北京空气细颗粒物污染特征及常见绿化树种滞尘效应研究

(中国科学院 生态环境研究中心 宋英石博士)


空气颗粒物与植物之间的关系是什么呢?不同植物的滞尘效应如何呢?“中科院生态中心”的宋英石博士,于7月19日在“鸿芷咖啡馆”,将近几年的科研成果——北京空气颗粒物污染特征及常见绿化树种滞尘效应研究,与大家进行分享。


分享内容:

1.观察叶片表面颗粒物的数量和形状;

2.树的滞尘效应;

3.外界环境对滞尘效应的影响;

4.核算北京市城六区的植物吸附颗粒物的能力。


颗粒物,学术上定义为固态或者液态的颗粒状的物质的总称。颗粒物在空气中按照大小可以区分出不同:直径在100微米以下的颗粒物被认为是空气中的颗粒物。PM10是直径小于10微米的颗粒物,PM2.5是直径小于2.5微米的颗粒物,以及PM0.1是直径小于0.1微米的颗粒物。颗粒物的来源分为自然来源和人为来源。自然来源是自然界本身存在的颗粒物,如火山的喷发、土壤和岩石的寝室、以及森林火灾等。人为来源包括汽车尾气、工厂、燃煤、垃圾、以及建筑工地等。此外,空气中存在二次的来源,前期的气态在空气中发生了化学反应后生产颗粒物,如二氧化碳气态在空气中与臭氧发生化学反应后,在空气中形成二次颗粒物。颗粒物的影响包括健康危害、气候影响和植物的生长影响。颗粒物本身是一种污染物,对人体有害,另外比较严重的情况是颗粒物上携带了致病的物质,如有机化合物和重金属,甚至一些化纤烃类的物质等,对人体的健康影响较大。颗粒物悬浮在大气中降低能见度,对光的散射产生影响。颗粒物本身对光有影响,对光合作用也有影响。当颗粒物在这个叶片表面汇集起来,对植物有损害。


(此图来源:宋英石博士分享幻灯片)

植物在城市中发挥着各种重要作用。如吸收二氧化碳,制造氧气;增加空气中的湿度;降低噪声等。植物对颗粒物具有吸附的作用。也就是说,植物将颗粒物在它叶片表面粘着,起到了粘黏的作用。PM1甚至0.1,内径比较小的颗粒物会经过叶片表面的一些气空进入叶片的内部,被植物吸收。大于直径是1微米的颗粒物都会吸附在叶片的表面。因此叶片表面让颗粒物长时间、长久地吸附在上面,这对植物滞尘起到一个关键的作用。植物滞尘效应的研究是为了分析不同的植物吸附颗粒物的能力。

植物吸附颗粒物的过程是一个被动的物理过程。颗粒物在空气中进行着布朗运动的扩张,在空气无规则的运动;颗粒物收到川流的影响,随着风植物叶片接触;较大的颗粒物收到重力影响,往下落时被叶片吸附了。这种颗粒物与植物叶片接触的几率越高,植物叶片吸附颗粒物就越多。另外,植物叶片的表面特征决定了颗粒物是否容易被叶片吸附。


(此图来源:宋英石博士分享幻灯片)


关于减少颗粒物的措施来看,第一类是源头控制,也就是从源头减少颗粒物的产生,另一类是减少空气中颗粒物的存量,也就是如何吸附它。

北京市区颗粒物的源解析发现北京市汽车尾气占的比例大概是30%,工业过程占22%,燃煤过程占18%,剩下的是道路扬尘、土壤源、和生物质燃烧等。当定位PM2.5平均值高于200微克/立方米并持续时间超过2小时,发现形成过程是从南部和东南部开始,往北扩散,将重污染扩散到市中心了。

颗粒物在植物表面容易在比较粗糙的周围进行聚集。聚集起来以后被植物固定下来,可以在放大1000倍 - 2000倍的情况下观察到叶片表面颗粒物的形状。确定颗粒物形状后,并根据化学成分分析,可以看到叶片表面大多数的颗粒物来自土壤和建筑材料。此外,比较油松、白皮松、次柏、侧柏和大小黄杨这五种树的滞尘效果,可以得到次柏的滞尘效果最高。

颗粒物在叶片表面的位置状态可以分为两类。第一类是叶片表面的颗粒物,第二类是树脂内的颗粒物。树脂是松树类的植物有一层黏黏的物质,在形成过程中会吸附颗粒物。这部分颗粒物一旦被树脂吸掉以后就不会再返回到大气中,树脂就起来有效的固定作用。树脂以外,在叶片表面也会聚集好多颗粒物,这部分颗粒物在收到雨水冲刷或者大风的情况会再返回到大气或者进入水体。


(此图来源:宋英石博士分享幻灯片)


根据实验结果,在阔叶树中,峦树的滞尘是最高的;在针叶树中,次柏的滞尘效果最好。另外,实验发现阔叶树在叶片表面也有树脂,针叶树树脂含量更高。树脂含量比较高,它吸附的颗粒物相对也比较高。

比较植物叶片表面和树脂吸附颗粒物能力,发现PM2.5和PM10两者的比例是1:1。再比较植物的相关性,叶面粗糙程度越高的植物叶片滞尘效果越好;树脂量越高滞尘效果就越是好。另外,比较PM2.5、PM10、PM100所占的质量百分比时,可以看到叶片表面大部分颗粒物是10到100的颗粒物,PM2.5在叶片表面仅占到2%到3%。

叶片表面的颗粒物可以再细分。一类是可被雨水冲刷下来的颗粒物,称为叶片流动颗粒物,另一类是不能被雨水冲刷下来,称为叶片的固定颗粒物。实验发现,下完雨后收集叶片测定,叶片表面仍然有颗粒物的存在,这部分是一个有效的滞尘,直到这个叶片落下来之后,跟树脂内的颗粒物一起被固定下来,不会返回到空气中。另外有一部分颗粒物在叶片表面固定下来,风也没吹走,下雨以后它会冲到土壤里,和雨水进入到下水道等等,这部分称为从空气到水体的转移。至少进入到水体以后不再返回到大气中,这也称为有效的固定,这个固定也是个吸附。

根据植物滞尘的现象观察北京市2014年的六场降雨。研究发现,六场降雨以后不能被雨水冲刷的PM2.5大概是1到2微克/立方厘米,PM10是8到14微克/立方厘米,然后大内径颗粒物是10到100的颗粒物大概是32微克/平方厘米。从下雨后随着这个时间的延长,叶片表面这个颗粒物累积也逐渐升高。但是它不是无限期的升高,它会到达一定峰值叶片表面的颗粒物就达到饱和了。


针叶树的滞尘量明显高于阔叶树的滞尘量的原因是因为阔叶树在冬季是不滞尘的,冬季落叶了。长绿树种一年四季都是绿的,它的一年滞尘量比较高,达到800多。这个发现对比了北京九大公园,包括圆明园和奥林匹克公园。研究发现景山公园、天坛、雕塑公园还有陶然亭公园,这几个公园在叶片表面颗粒物平均值就比较高,这就说明这几个公园比较脏,就是空气中比较脏,所以说它滞尘量也高。相对来说在朝阳公园,奥运公元和圆明园,它的质量就比较低。在这个叶片表面颗粒物就比较低,说明这几个公园比较干净。从它的地理位置上我们分析,越靠近市中心,景山、陶然亭、天坛,越靠近市中心二环和三环附近,空气质量越不好。越靠近北边的五环,像圆明园、奥林匹克公园还有环形公园等等,这些公园空气质量就比较好。另外研究核算了北京市城六区总的滞尘量,城六区一年所有植物吸附的PM2.5的量是105吨,PM10是1126吨,大的颗粒物是8456吨,总量是9000多吨。也就是说,9000多吨的颗粒物都会被植物吸附或转移,这就是植物所发挥的作用。除了城六区,还有远郊区,比如延庆、密云,房山等,这些地区植物分布比较高,植物发挥的作用肯定也比较强。


(此图来源:宋英石博士分享幻灯片)


总的来看,叶片表面粗糙的位置容易产生颗粒物的累积。从单位叶面积滞尘的这个角度看,峦树滞尘量最高,而针叶树中次柏滞尘量最高。叶片表面的流动尘,就是可被雨水冲刷这个部分的循环量,发挥作用比较大。另外公园从外部到内部,每进行100米空气质量会好4%到5%。城六区全年的滞尘量PM2.5大概是105吨,PM10是1126吨,大的颗粒物是8456吨,总量是9000多吨。



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