[交大智慧]"防霾有树":上海交大刘春江团队破题城市大气雾霾污染[图]

[编者按] 一百多年来，交大人用知识和智慧创造累累硕果，谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏，聚焦交大人的智慧之光，展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。

一年一度的植树节又要到来了，每当此时，人们都用多种方法和形式来比喻森林的重要性，例如，城市的绿肺、城市空调、空气净化器、自然生态空间、绿色基础设施等。事实上，全球多数重要城市的森林覆盖率都在30%以上，而建设良好的城市森林与每一个居民生活、工作和健康都有着密切关系。    

随着经济高速发展和城市化水平提高，我国多数城市地区，特别是大中型城市，由于人口密度大，交通拥挤，自然生态空间缺乏，环境污染严重，特别是PM2.5细颗粒物的大气污染，给社会经济可持续发展和居民的身心健康带来了极大的挑战。城市森林可提供吸纳污染物、缓解热岛效应、维持生物多样性等多种生态系统服务，是城市可持续发展的重要基础。发展城市森林是促进宜居城市建设、解决城市环境问题的重要措施。

上海地处长三角都市圈的中心地区，是我国典型的国际化大都市和国家经济商业中心，也是我国大陆地区城市化水平最高(80%)和人口密度最大（3000人/km2）的城市，环境压力大，居民游憩空间较为缺乏，对城市森林生态系统服务需求强烈。

目前，上海城市森林覆盖率约为13%，仅为全国平均水平的一半。林分面积破碎度较高，林分组成优势树种单一，且纯林较多，森林生态系统服务功能较低。如何提升上海城市森林生态系统服务功能，满足宜居城市建设需要？如何能够净化空气中日益严重的雾霾污染，为居民提供舒适生活和工作环境？是上海城市林业发展当前面临的一项重要挑战。上海交通大学农业与生物学院刘春江团队历经数年研究，科研成果有望破题城市大气雾霾污染。          

破题城市大气雾霾污染

近年来，我国特大型城市的大气污染呈上升趋势，人们越来越关注城市空气质量。特别是大气中直径小于或等于2.5μm的细颗粒污染物（PM2.5），作为雾霾污染的元凶，易导致许多疾病的产生，包括过早死亡、肺炎、动脉硬化加速以及心脏功能的改变。据报道，每平方米10μg的PM2.5会增加6%的心肺疾病发生率和8%的肺癌发生率。目前，雾霾污染问题较为复杂，仅仅依靠源治理的方法还较为单一。因此利用城市森林和绿地植被，缓解日益严重的城市大气污染压力就是重要的途径之一。

城市的森林植被是城市中唯一有生命的基础设施，可以起到削减颗粒物等大气污染的作用。植物叶片和枝条可以直接截取和固持大气尘埃，使其脱离大气环境。同时，植物群落（林带、片林等）可以降低风速和改变风向，导致大气污染物的沉降。因此，用城市森林和植被来削减大气颗粒物污染，已经成为城市环境保护和生态建设的重要课题。例如，上海在“2012-2017清洁空气行动计划”中明确计划新增4600公顷城市森林，而北京市园林局已规划并启动在城市周边造林1.5万公顷治理雾霾污染。但这些绿化造林工程带来的对雾霾的防控效益还有待研究。          

“绿色卫士”森林植被显身手

干沉降（dry deposition）是植被净化大气颗粒物的主要机制。大气中的粗颗粒物通过重力沉降和惯性作用撞击到叶片和树枝，被截留和固持从而脱离大气环境；细颗粒主要通过布朗运动到达叶片表面，当细颗粒随气流环绕而接近叶片时，会被吸附或粘附，最终滞留在叶片表面。          

植物的叶片是净化大气颗粒物的主要器官，植物的滞尘量可以用单位面积植物叶片上PM2.5的干沉降通量（F）来表示：

F (μg /m2/hr)   =   C × Vd

公式中C为当地大气中PM2.5本底浓度（μg/m3），Vd为干沉降条件下植物叶片吸滞PM2.5的速率（m/hr或cm/s），随植物种类及环境因素的不同而不同。 Vd的大小直接决定了植物对PM2.5的净化能力的高低。

来自农业与生物学院的城市森林调研团队，通过的取样和分析，对上海19种常见乔木树种单位面积叶片上PM2.5和PM10的干沉降速率进行了测定，结果如下：

从图中可以看出，针叶树种尤其是松柏类的叶片具有更强的滞尘能力，但是对于整株树木来讲，松柏树种由于树型较小，整株的叶面积可能远小于阔叶树种，加之松柏类的针型叶片不易为人靠近。因此，在选择和应用上，可能更倾向于在交通道路隔离带、污染隔离林等靠近污染源而又不易被人接触到的地方种植比较合适。          

叶片滞尘能力差异何在

为什么会造成不同树种叶片对PM2.5阻滞效果的差异呢？原因是多方面的，叶片的植物学性状、表面的物理特性等都有重要影响。比如叶片的表皮毛、蜡质层和分泌物的性质。多皱、多绒毛、多分泌物的叶片结构具有更大的滞尘能力；叶片的表面粗糙度的差异，通常认为叶表皮具沟状组织、密集纤毛的树种滞尘能力强，叶表皮具瘤状或疣状突起的树种滞尘能力较差。

在上海交通大学分析测试中心，课题组通过先进的大气下的原子力显微镜对植物叶片进行扫描发现，圆柏等针叶树的叶片通常比香樟等阔叶树种具有更大的比表面积和表面粗糙度，这也是滞尘能力强的重要原因。          

圆柏叶片表面粗糙度观察

香樟叶片表面粗糙度观察

绿化带最佳配置方式

若希望绿地和植被发挥更大更能的净化雾霾的功能，除了选择滞尘能力更强的树种外，绿化带的宽度和配置方式也是重要的因素。调研团队的研究表明，靠近机动车道路两侧的绿化带，宽度越宽，对大气颗粒物的削减作用越明显。因此，在上海基本生态网络规划中，刘春江团队指出，在高速公路、城市快速路两侧应建有100m宽的绿化隔离带，最窄也应达到20m宽度，以起到阻隔交通污染的作用。绿化带内种植的植物密度也存在一个“最适宜”的范围，如果种植密度过高，对污染的效果不但没有显著提高，反而过高的植物密度会影响植物群落的生长。假设在20m宽的带状隔离林内，可沿路缘先栽植小灌木（如杜鹃、月季、黄馨、小叶黄杨、火棘等），可以对贴近地面的扬尘有较好的阻挡；其后栽植大灌木和松柏类乔木（如夹竹桃、红叶李、五针松、罗汉松、圆柏等），利用其吸滞能力强的特点，可以对0.5-3m高度内的颗粒物进行有效阻滞；最后是高大乔木（如广玉兰、女贞、青桐、杜英等），可以对3m以上高度的大气颗粒物进行阻滞，并且起到增加林带盖度，减少雾霾二次悬浮的功能。从配置密度上，建成郁闭度70%、疏透度30%的疏透式植物群落，最有利于污染物的扩散和吸滞，又能保证植物生长的空间。        

绿化带配置设计及效果图

为上海城市森林建设贡献力量

上海每年都要新增上万亩的森林，除了植树造林之外，对现有的城市森林进行长期定位观测和研究，也是城市发展中必不可少的环节。自上世纪80年代以来，上海交通大学就依托农业与生物学院及农业部都市农业（南方）重点实验室的人才和技术优势，为上海绿化和森林建设献计献策。自2013年以来，以上海交通大学和上海市林业站为主，共同建设国家林业局上海城市森林生态系统国家定位观测研究站，为上海城市森林的发展提供了一个新契机。生态站配备了专职观测和研究团队及学生调研队伍，将全面监测上海城市森林系统结构、动态、功能，定期连续评估生态系统服务价值，研发城市森林经营技术，为上海城市森林建设提供理论基础，引领全国城市森林发展。          

同时，在上海市林业局和上海交通大学支持下，通过3-5年建设，上海城市森林生态站将建成覆盖全市主要林分观测网络，实时向公众发布森林环境数据，为居民和游客出行及游憩活动提供信息服务。上海城市森林生态站观测平台和主要观测点，也将向科研人员和公众开放，成为生态科普教育的窗口，为上海的城市森林发展和生态文明建设贡献力量。