-
受工业发展、施工建设、燃煤供暖、汽车尾气排放等的影响,空气颗粒物污染已成为许多地区面临的主要环境问题,引起了社会各界的广泛关注[1-3]。
城市森林能够通过其复杂的叶面结构和冠层结构吸附、阻滞空气颗粒物,是“天然的空气过滤器”[2]。张新献研究得出1995年北京市城市近郊区居住区绿地总滞尘量2 170 t[4];邱媛研究发现惠州市建成区植被全年滞尘量高达4 430.7t[5];Tallis研究发现大伦敦地区城市植被可减少空气中0.7%2.6%的PM10含量[6]。正是因为城市森林所产生巨大的滞尘效益,国内外学者广泛开展了相关研究。目前滞尘效益研究的热点主要集中于植物滞尘能力对比[7-9]、滞尘机理研究[10-12]、滞尘成分分析[13-14]等方面,取得了许多研究成果,但多数研究的着眼点均为叶面尺度,对林分尺度的滞尘特性研究相对匮乏。
研究表明,林带的宽度、高度、种植密度、疏透度、郁闭度等因素对滞尘作用均有影响[15-17];不同群落结构的滞尘作用也有较大差异,多数研究均表明具有复层结构的绿地比结构单一的绿地具有更好的滞尘效果[17-19]。可见,林分滞尘除了树木自身的滞尘特性之外还受林分结构的影响。此外,树木滞尘受气象因子等的影响处在动态变化之中,王会霞研究了女贞、珊瑚树等植物的滞尘与气象因子的关系,结果显示不同植物的滞尘作用对各气象因子的响应不同[20],王蕾也得出类似结果[21];还有学者通过模拟试验研究不同气象因子在不同强度下对滞尘的影响[22-24]。林分滞尘是林分结构与气象等外界因素共同作用的结果,不同林分结构有何滞尘特征?气象因子等外界因素在不同林分结构之下对滞尘有何种影响?目前该方面的研究尚比较薄弱。
道路防护林是城市森林的重要组成部分[25]。本研究以北京市3种具有代表性的道路防护林为研究对象,以道路防护林滞尘的动态变化规律及滞尘量的空间分布特征为切入点进行研究,旨在探索气象因子对不同道路防护林滞尘的影响,以及不同林分结构与滞尘的关系,以期为今后道路防护林的营建提供参考。
-
研究地位于北京市海淀区香山路316医院至正蓝旗区间,北侧为香山路,南侧为北五环路,附近有著名的香山公园和北京市植物园,地理位置116°14′6″116°14′52″ E,40°0′8″40°0′12″ N。北京市为暖温带大陆性季风气候,年均温度11.6℃,年降水量630 mm,春季气候多变,具有降雨量少、干燥多风、风向不固定等特点。香山路和五环路为去往香山方向的主要道路,春季旅游旺季两条道路均有较高车流量。本次研究的3种道路防护林(油松林、圆柏林、银杏林)均为人工纯林,营建于2003年,使用5年生苗造林,隶属于北京市第一道绿化隔离带,养护较为粗放,树木基本无修剪,各林分内树木的树龄、长势基本一致,总面积约6.7 hm2(图 1,表 1)。
表 1 3种林分的基本特征
Table 1. The stand characteristics of study land
林分类型
Forest types郁闭度
Crown density株距Seed
spacing/m行距Row
spacing/m胸径
DBH/cm树高
Height/m枝下高Shoot
height/m冠幅Crown
width/(m×m)林带宽度
Width/m油松林Pinus tabulaeformis 0.6 5 5 13.54±0.09 3.8±0.20 0.5 2.8×2.9 50 圆柏林Sabina chinensis 0.5 5 5 11.35±0.12 3.9±0.09 0.4 1.9×2.1 40 银杏林Ginkgo biloba 1.0 5 5 14.42±0.13 6.5±0.18 1.8 2.5×2.5 90 -
在3种道路防护林内,选取树木空间分布、长势均匀的区域,根据林带宽度(表 1),自北向南,以距离香山路0 m处为起始点,10、20、30 m……,以此类推,每隔10 m设置采样点,向南到达五环路边缘,油松、圆柏、银杏3种林分采样点数量分别为6、5、10个。(图 1)
-
2016年4月22至5月27日,每隔3天进行连续采样,采样当天如遇大风、降雨天气则延后至晴天,共进行11次采样(图 2)。采样均在上午进行,以距离采样点最近的树为目标树。根据树冠高度,将树冠等分为上、中、下3部分,使用枝剪在树冠东、西、南、北4个方向及上、中、下3个高度共12个方位采集等量健康叶片,油松、圆柏各采集30 g左右(试验地圆柏全为刺形叶),银杏采集80100片,小心装入自封袋带回实验室等待处理。每个采样点重复采集3次。
-
将采集回来的叶片置入1 000 mL烧杯中,用蒸馏水浸泡2 h,然后使用小毛刷清洗叶面后再用蒸馏水冲洗干净,用镊子将叶片小心夹出。夹出的叶片在80℃下烘干至恒质量[14],使用1/1 000电子天平称质量(M)。叶片浸洗液使用事先烘干称质量(M1)的微孔滤膜(0.22 μm)过滤,再将微孔滤膜于60℃下烘干至恒质量[26],使用1/10 000电子天平称质量(M2),(M2-M1)/M即为叶片单位质量滞尘量(mg·g-1)[14],以下简称单位滞尘量。
-
将测得胸径数据代入北京市常用园林植物绿量模型[27],该模型通过对北京市常用园林植物进行大量的实地测定而建立,其中:S为总叶面积(m2),G为总叶质量(kg),W为胸径(cm)。通过100片叶子的总干质量除以总叶面积测得银杏的比叶质量LMA银杏=0.07 kg·m-2,G银杏=S银杏·LMA银杏。
$ {G_{油松}} = 0.85{W_{油松}} + 16.29 $
(1) $ {G_{圆柏}} = 1.70{W_{圆柏}} - 8.571 $
(2) $ {S_{银杏}} = 11.42{W_{银杏}} - 79.84 $
(3) -
从中国气象数据网[28]下载采样期间距离研究地最近的海淀区气象站的气象数据,包括降水、极大风速、极大风速风向和平均相对湿度(图 2);从北京市空气质量发布平台网站[29]收集采样期间海淀区每日PM10浓度数据。
-
对采样期间3种树种的叶面滞尘量、各采样点滞尘量进行单因素方差分析,并用Duncan法进行多重比较。所有统计分析均采用SPSS19.0(SPSS,IBM,USA)软件,差异显著性水平设为0.05。
北京市3种道路防护林春季滞尘规律研究
Dust-retention Effect of 3 Road Protection Forests in Spring in Beijing
-
摘要:
目的 研究不同道路防护林的滞尘能力及滞尘的动态变化和空间分布规律。 方法 在春季对3种道路防护林(油松林、圆柏林、银杏林)距道路不同宽度的滞尘量进行连续观测,对比3种道路防护林滞尘能力,分析降雨、极大风速、相对湿度、PM10等因子对滞尘动态的影响以及3种道路防护林滞尘的空间分布特征。使用单位叶干质量滞尘量(mg·g-1)表征叶面滞尘能力。 结果 表明:(1)3种植物叶面滞尘能力差异显著,圆柏 > 银杏 > 油松,分别为4.79±0.20、2.48±0.07、1.42±0.04 mg·g-1,单株和单位林分面积滞尘量均为圆柏林 > 油松林 > 银杏林;(2)3种道路防护林在外界影响下滞尘量处于动态变化之中,油松林具有比银杏和圆柏林更高的滞尘稳定性;(3)降雨量较低时3种道路防护林滞尘量均增加,降雨量较高时3种道路防护林滞尘量均降低,油松和银杏林的滞尘量更容易受降雨影响而降低;随着风速增大,3种道路防护林滞尘作用不断加强,风速继续增大时,油松和圆柏林滞尘量均有减少,银杏林滞尘量仍有显著增加。(4)3种道路防护林滞尘量在五环路侧(北)均高于香山路侧(南),油松和圆柏林均呈现为道路防护林中间位置为最低点,银杏林中间位置滞尘量最高。(5)油松和圆柏林滞尘量外部比内部变化大,银杏林滞尘量内部比外部变化大。 结论 道路防护林的滞尘效益受树种、林分结构、所处环境、天气条件等多方面因素共同影响,在营建和管理过程中应充分考虑各种因素,充分发挥滞尘作用。 Abstract:Objective To study the dust-retention ability, dynamic change and spatial distribution characteristics among three road protection forests. Method Three types of road protection forests (Pinus tabulaeformis forest, Sabina chinensis forest and Ginkgo biloba forest) were observed continuously in spring at different distances from the road, and the dust retention ability of the road protection forests was compared. Rainfall, wind speed and relative humidity, PM10 and other factors influencing the dynamics and spatial distribution characteristics of dust retention was analyzed. Result (1) There were significant differences in leaf dust retention ability among the three plant species, S. chinensis > G. biloba> P. tabulaeformis, with 4.79 ± 0.20 mg.g-1, 2.48 ± 0.07 mg.g-1, and 1.42 ± 0.04 mg.g-1, respectively; (2) The dust retention amount in the three road protection forests changed with the outside influencing factors, and the dust retention of P. tabulaeformis forest had higher stability than that of the other two species. (3) The amount of dust retention increased when the rainfall was less, and decreased when rainfall became more. The dust retention of P. tabulaeformis and G. biloba forests was more susceptible to rainfall. With the increase of wind speed, the dust retention of three road protection forests was strengthened continuously. When wind speed continued to increase, the amount of dust retention of P. tabulaeformis and Sabina chinensis forests decreased, while that of G. biloba forest significantly increased. (4) The amount of dust retention in the three forests was higher in the north side of the Fifth Ring Road than that in the south of Xiangshan Road. The dust retention in the middle position of P.s tabulaeformis and S. chinensis forests was the lowest, while that in the middle position of G. biloba forest had higher volume. (5) The change of dust retention in the outside part of P. tabulaeformis and S. chinensis forests was more active than that in the interior, while the change of dust retention in interior G. biloba forest was more active than the outside part. Conclusion Dust retention efficiency of road protection forests is affected by tree species, forest structure, environment and weather conditions. In the construction and management of urban plants, relevant factors should be taken into account to achieve full dust retention effect. -
Key words:
- road protection forest
- / dust retention
- / dynamic change
- / spatial distribution
-
表 1 3种林分的基本特征
Table 1. The stand characteristics of study land
林分类型
Forest types郁闭度
Crown density株距Seed
spacing/m行距Row
spacing/m胸径
DBH/cm树高
Height/m枝下高Shoot
height/m冠幅Crown
width/(m×m)林带宽度
Width/m油松林Pinus tabulaeformis 0.6 5 5 13.54±0.09 3.8±0.20 0.5 2.8×2.9 50 圆柏林Sabina chinensis 0.5 5 5 11.35±0.12 3.9±0.09 0.4 1.9×2.1 40 银杏林Ginkgo biloba 1.0 5 5 14.42±0.13 6.5±0.18 1.8 2.5×2.5 90 -
[1] 郭二果, 王成, 郄光发, 等.城市空气悬浮颗粒物时空变化规律及影响因素研究进展[J].城市环境与城市生态, 2010, (5):34-37. [2] 王晓磊, 王成.城市森林调控空气颗粒物功能研究进展[J].生态学报, 2014, 34(8):1910-1921. [3] 柴一新, 祝宁, 韩焕金.城市绿化树种的滞尘效应——以哈尔滨市为例[J].应用生态学报, 2002, 13(9):1121-1126. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.2002.09.016 [4] 张新献, 古润泽, 陈自新, 等.北京城市居住区绿地的滞尘效益[J].北京林业大学学报, 1997, 19(4):12-17. doi: 10.3321/j.issn:1000-1522.1997.04.003 [5] 邱媛, 管东生, 宋巍巍, 等.惠州城市植被的滞尘效应[J].生态学报, 2008, 28(6):2455-2462. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2008.06.003 [6] Tallis M, Taylor G, Sinnett D, et al. Estimating the removal of atmospheric particulate pollution by the urban tree canopy of London, under current and future environments[J]. Landscape & Urban Planning, 2011, 103(2):129-138. [7] 张家洋, 刘兴洋, 邹曼, 等. 37种道路绿化树木滞尘能力的比较[J].云南农业大学学报:自然科学, 2013, 28(6):905-912. [8] 王兵, 张维康, 牛香, 等.北京10个常绿树种颗粒物吸附能力研究[J].环境科学, 2015(2):408-414. [9] 阿丽亚·拜都热拉, 玉米提·哈力克, 塔依尔江·艾山, 等.干旱区绿洲城市主要绿化树种最大滞尘量对比[J].林业科学, 2015, 51(3):57-64. [10] 贾彦, 吴超, 董春芳, 等. 7种绿化植物滞尘的微观测定[J].中南大学学报:自然科学版, 2012, 43(11):4547-4553. [11] 高金晖, 王冬梅, 赵亮, 等.植物叶片滞尘规律研究——以北京市为例[J].北京林业大学学报, 2007, 29(2):94-99. doi: 10.3321/j.issn:1000-1522.2007.02.016 [12] 杨佳, 王会霞, 谢滨泽, 等.北京9个树种叶片滞尘量及叶面微形态解释[J].环境科学研究, 2015, 28(3):384-392. [13] 张志丹, 席本野, 曹治国, 等.植物叶片吸滞PM2.5等大气颗粒物定量研究方法初探——以毛白杨为例[J].应用生态学报, 2014, 25(8):2238-2242. [14] 王蕾, 高尚玉, 刘连友, 等.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. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.2006.04.008 [15] 蔺银鼎, 武小刚, 郝兴宇, 等.城市机动车道颗粒污染物扩散对绿化隔离带空间结构的响应[J].生态学报, 2011, 31(21):6561-6567. [16] 殷杉, 蔡静萍, 陈丽萍, 等.交通绿化带植物配置对空气颗粒物的净化效益[J].生态学报, 2007, 27(11):4590-4595. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2007.11.026 [17] 粟志峰, 刘艳, 彭倩芳.不同绿地类型在城市中的滞尘作用研究[J].干旱环境监测, 2002, 16(3):162-163. doi: 10.3969/j.issn.1007-1504.2002.03.014 [18] Baker W L. A review of models of landscape change[J]. Landscape Ecology, 1989, 2(2):111-133. doi: 10.1007/BF00137155 [19] 孙淑萍, 古润泽, 张晶.北京城区不同绿化覆盖率和绿地类型与空气中可吸入颗粒物(PM10)[J].中国园林, 2004, 20(3):77-79. doi: 10.3969/j.issn.1000-6664.2004.03.022 [20] 王会霞, 石辉, 王彦辉.典型天气下植物叶面滞尘动态变化[J].生态学报, 2015, 35(6):1696-1705. [21] 王蕾, 哈斯, 刘连友, 等.北京市春季天气状况对针叶树叶面颗粒物附着密度的影响[J].生态学杂志, 2006, 25(8):998-1002. doi: 10.3321/j.issn:1000-4890.2006.08.025 [22] Ould-Dada Z, Baghini N M. Resuspension of small particles from tree surfaces[J]. Atmospheric Environment, 2001, 35(22):3799-3809. doi: 10.1016/S1352-2310(01)00161-3 [23] Freer-Smith P H, El-Khatib A A, Taylor G. Capture of Particulate Pollution by Trees:A Comparison of Species Typical of Semi-Arid Areas (Ficus Nitida and Eucalyptus Globulus) with European and North American Species[J]. Water, Air, & Soil Pollution, 2004, 155(1):173-187. [24] Beckett K P, Freersmith P H, Taylor G. The capture of particulate pollution by trees at five contrasting urban sites.[J]. Arboricultural Association Journal, 2000, 24(2-3):209-230. doi: 10.1080/03071375.2000.9747273 [25] 王成, 蔡春菊, 陶康华.城市森林的概念、范围及其研究[J].世界林业研究, 2004, 17(2):23-27. doi: 10.3969/j.issn.1001-4241.2004.02.006 [26] Prusty B A, Mishra P C, Azeez P A. Dust accumulation and leaf pigment content in vegetation near the national highway at Sambalpur, Orissa, India.[J]. Ecotoxicology & Environmental Safety, 2005, 60(2):228-35. [27] 陈自新, 苏雪痕, 刘少宗, 等.北京城市园林绿化生态效益的研究[J].中国园林, 1998, 14(1):57-60. [28] 中国气象数据网.中国地面气象站逐小时观测资料[DB/OL]. http://data.cma.cn.[2016-04-15] [29] 北京市环境保护监测中心.北京市空气质量发布平台[DB/OL]. http://zx.bjmemc.com.cn.[2016-04-15] [30] 王会霞, 石辉, 李秧秧.城市绿化植物叶片表面特征对滞尘能力的影响[J].应用生态学报, 2010, 21(12):3077-3082. [31] 郭鑫, 张秋良, 唐力, 等.呼和浩特市几种常绿树种滞尘能力的研究[J].中国农学通报, 2009, 25(17):62-65. [32] 陈玮, 何兴元, 张粤, 等.东北地区城市针叶树冬季滞尘效应研究[J].应用生态学报, 2003, 14(12):2113-2116. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.2003.12.006 [33] Räsänen J V, Holopainen T, Joutsensaari J, et al. Effects of species-specific leaf characteristics and reduced water availability on fine particle capture efficiency of trees[J]. Environmental Pollution, 2013, 183:64-70. doi: 10.1016/j.envpol.2013.05.015 [34] 郭伟, 申屠雅瑾, 郑述强, 等.城市绿地滞尘作用机理和规律的研究进展[J].生态环境学报, 2010, 26(6):1465-1470. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2010.06.037 [35] Neinhuis C, Barthlott W. Seasonal changes of leaf surface contamination in beech, oak, and ginkgo in relation to leaf micromorphology and wettability[J]. New Phytologist, 1998, 138(1):91-98. doi: 10.1046/j.1469-8137.1998.00882.x [36] Ruijgrok W, Tieben H, Eisinga P. The dry deposition of particles to a forest canopy:A comparison of model and experimental results[J]. Atmospheric Environment, 1997, 31(3):399-415. doi: 10.1016/S1352-2310(96)00089-1 [37] 包红光, 王成, 郄光发, 等.城市公园外侧防护林结构对外源PM2.5的消减作用[J].生态环境学报, 2016, 25(6):987-993. [38] 赵松婷, 李新宇, 李延明.园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律[J].生态环境学报, 2014, 23(2):271-276. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2014.02.014 [39] Mori J, Hanslin H M, Burchi G, et al. Particulate matter and element accumulation on coniferous trees at different distances from a highway[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2014, 14(1):170-177. [40] Kardel F, Wuyts K, Maher B A, et al. Intra-urban spatial variation of magnetic particles:monitoring via leaf saturation isothermal remanent magnetisation (SIRM)[J]. Atmospheric Environment, 2012, 55:111-120. doi: 10.1016/j.atmosenv.2012.03.025 [41] 阿丽亚·拜都热拉, 玉米提·哈力克, 塔依尔江·艾山, 等.阿克苏市5种常见绿化树种滞尘规律[J].植物生态学报, 2014, 38(9):970-977. [42] 竹涛, 李冉冉, 李笑阳, 等.北京市道路扬尘时空变化特征的研究[J].环境污染与防治, 2016, 38(12):38-42. [43] 王成, 郭二果, 郄光发.北京西山典型城市森林内PM2.5动态变化规律[J].生态学报, 2014, 34(19):5650-5658. [44] 陈俊刚, 毕华兴, 许华森, 等.北京市道路防护林带内外PM2.5质量浓度特征及与气象要素的相关性[J].中国水土保持科学, 2014, 12(3):1-8. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2014.03.001