[腾讯·大申网]上海交大农生学院设计城市森林 破题城市大气雾霾污染[图]
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。上海交大农生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（表格数据供参考）：
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（图1）通常比香樟等阔叶树种（图2）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。
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。
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。
来源：腾讯·大申网 2015.03.11