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三北防护林对大气污染物的清除效应
  发布单位: 《国土绿化》杂志社 发布时间: 2018.03.27

  编者按:又到春季,沙尘一来,社会上就流传三北防护林挡住风吹霾的不科学观点。优选《三北防护林对大气污染物的清除效应》一文,此文是北京大学城市与环境学院的马建民教授及其团队科研人员近一段时间的研究结果,将从根本上为大家释疑解惑,让人们真正了解三北防护林的作用与功效。

 

三北防护林大气污染物的清除效应

马建民

    作为人类历史上最大规模的植树造林活动,三北防护林建设不仅对改善我国北方生态和局地气候起到了显著作用,也为评估人类活动对气候变化的影响和植被对环境污染物的清除提供了一个得天独厚的天然试验场所。

    三北防护林建设的初始目的是防风固沙,防治水土流失。但随着我国上世纪80年代以来改革开放所带来的经济发展、城市化快速推进和机动车保有量的急剧上升,近年来我国许多城市、区域开始大面积爆发的持续性灰(雾)霾污染天气已成为区域性空气质量恶化的一个信号,引起了我国政府和公众的高度关注。防治大气污染、改善生态和人居环境,已成为我国首要的民生工程;研究与防治大气污染,已成为建设“美丽中国”的迫切需求。

    大量的观测和模拟研究结果表明,植被不仅能改善生态环境,还对改善空气质量及大气污染物的沉积、吸附、迁移、排放和演变行为有着广泛影响。因此,大气污染的植物修复被视为大气污染治理的一个有效手段。三北防护林建设对减缓我国北方空气污染和改善空气质量的作用,已经引起科技人员、民众和政府有关部门的重视。

    一、 森林植被对大气污染物的清除机制

    森林植被对空气污染物的清除作用主要有宏观(物理)和微观(生物)两种机制。对于近年来公众非常关注的常规大气污染物,如从工厂企业和机动车等主要污染源排放的二氧化硫、氮氧化物等气态污染物和经过大气化学反应生成的二次污染物如PM2.5、近地面臭氧等,其大气的宏观清除机制主要包括干、湿沉降作用。湿沉降清除机制主要是来自于大气中降水(雨、雪、冰雹等)对污染物造成的“洗脱”作用。但在大多数情形下,湿沉降过程和森林植被没有直接的联系,因为除了某些大范围的原始森林和气候意义上的统计差别,人们还难以区分森林区内外降水量的不同。区别于裸露地表,植被对大气污染物的清除过程主要是通过干沉降来实现。地表的植被和各种建筑物的存在使得地表粗糙不平,流动的空气在接近地面时由于与粗糙地面的摩擦会产生湍流,从而导致了地表与空气的湍流和分子交换,一部分空气污染物通过这种交换下沉到地面和植物的叶面上。故而森林植被的作用一是增加了地表粗糙度和湍流交换,二是为污染物提供了吸附叶面。

    对于大气气相和颗粒相中多达几十种(类)的有毒有害有机污染物,如二恶英、多氯联苯、多环芳烃等,除了上述宏观清除机制外,陆生生态系统中土壤也会通过“吸附”作用加以清除。因为森林植被的增长增加了土壤中的有机质(碳),由于有机污染物易于从气相和液相分解为有机相,因此森林生态系统为大气中的有机污染物提供了一个主要的储存库,通过落叶和土壤吸附持留过程将有机污染物从空气“吸附”到土壤中。而这个土壤吸附机制对有机污染物的大气清除通常要远大于通过干沉降对其的清除。因此,森林植被对有机污染物的清除,也明显大于对大气常规污染物的清除。

    植被清除大气污染物的微观机制主要依赖于植被叶面的生理结构。影响植物吸附常规大气污染物和滞留的因素包括叶面大小、孔径和粗糙度。叶面湿度也会显著影响水溶性化合物,如二氧化硫等的叶面吸附。植被对有机污染物的吸附则主要通过气孔吸收、叶面滞留、生物降解和角质层吸附来实现。其中,角质层吸附起主要作用。由于很多有机污染物是脂溶性或憎水性化合物,而叶片表面角质层通常富含疏水亲油的叶蜡,因此具有强烈的吸附和富集大气有机污染物的能力。

    二、科学问题、研究进展和成果

    目前,国内关于三北防护林对大气污染物的“过滤和清除”机制和效应的相关研究还仅仅停留在一个起始阶段,其科学问题可以大致归结为:

    (一)作为人类历史上最大规模改善生态环境的工程,三北防护林的建设是否会影响我国北方大气污染物的分布和长期变化?三北防护林对大气污染物的年清除量及其长期趋势如何变化? 

    (二)三北防护林如何影响我国北方大气污染物的沉降、吸附和循环过程?其影响机制是什么?

    (三)通过集成大气污染物在三北防护林的沉降、吸附、排放、迁移扩散过程、植物生理和土壤有机质变化的研究,揭示大气污染物在三北防护林的源-汇关系。

    为回答这些科学问题,我们利用卫星观测数据对三北防护林区大气气态及颗粒态污染物的长期变化趋势及通过干沉降的清除量进行了研究;对有机污染物的多介质迁移过程及清除进行了量化模拟研究。首先利用卫星观测数据估算了三北防护林地表粗糙度和叶面指数的长期变化,模拟计算了自20世纪80年代以来,三北防护林区常规大气污染物干沉降速率的变化,以及大气干沉降过程对二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和PM2.5清除量的年变化和长期趋势。

    结果发现,三北防护林区SO2和NOx的干沉降速率在过去30多年一直呈现增加的趋势,增加最大的林区分别增长了118%和112%。在这期间,干沉降过程清除了总量82万吨的SO2和约22万吨的NOx,其中50%的清除量发生在防护林的华北片,也是三北防护林建设工程最为成功的地区。与同期这两个污染物在我国北方的总排放量相比,防护林大约清除了0.6%的SO2和0.4%的NOx。需要指出的是,我们仅仅估计了SO2和NOx的沉降量,没有包括SO2的氧化产物和与NOx发生化学反应后生成的硫酸盐,以及NOx通过光化学反应生成的硝酸盐。而这两种化合物是生成PM2.5的主要大气气溶胶。因此,可以推测三北防护林对这些化合物的清除会明显高于对SO2和NOx的清除。我们选取了防护林华北片的一个林区和附近的农田干沉降对这两个污染物大气清除量进行对比,发现林区的清除量要比农田大2-3倍。这进一步揭示了三北防护林清除空气污染物的作用。

    三北防护林PM2.5干沉降速率的估算结果显示,与1999年时的相比,2010年防护林华北片的干沉降速率最大增加了34%。通过设定“有”“无”三北防护林的情景,我们还进一步比较了三北防护林建设发展对PM2.5沉降通量的影响。结果表明,在1980年至2010年的30年间,三北防护林的建设对PM2.5的清除与1980年时的相比,最大增长了约30%,增长最大的地区为防护林华北片的东部和陕北地区,与这一期间华北东部的植树造林和陕北的退耕还林具有较好的重合关系。而对1999年至2010年间PM2.5总沉降量的计算显示,三北防护林在这期间清除了总量近3000万吨的PM2.5。对总清除量贡献最大的地区仍然是防护林的华北片。这不仅是由于华北片是三北防护林植树造林最为成功的地区,也由于该区域是我国空气污染和灰霾最为严重的地区。这一区域森林对PM2.5的清除率达到了其总质量浓度的0.9% 。该清除率已很接近我们估算的位于四川(1.14%)和东北大兴安岭(0.92%)原始林区对PM2.5的清除率。

    为了量化三北防护林对有机污染物的清除作用,我们构建了一个包括有机污染物大气迁移扩散、土壤-空气交换、植被-空气交换、干湿沉降等主要过程的数学模型。通过设计有无三北防护林、20世纪和21世纪防护林增长趋势、土壤有机质变化、污染物年排放变化和常量排放等假设与情景模拟,全面模拟了1990年至2010年间三北防护林对我国北方多环芳烃环境行为的影响和大气清除机制。结果显示,对气态多环芳烃,三北防护林中的土壤吸附贡献了最多的大气清除,其次是干沉降、植物叶面吸附和湿沉降;对颗粒相的多环芳烃,如PM2.5内主要的致癌物质苯并芘(BaP),干沉降贡献了最大的BaP大气清除,其次是土壤吸附、叶面吸附和湿沉降。三北防护林对多环芳烃的清除量分别从1990年时的36.4吨和2.2吨增加到2010年时的76.8吨和4.5吨,增加了一倍。2010年,三北防护林约清除了我国北方大气中3%的菲(PHE)(三环多环芳烃)和1.6%的BaP。与常规大气污染物相比,三北防护林对清除有机污染物具有更高的效率。在张家口、兴隆等地,防护林内外大气和土壤观测分析结果也表明,三北防护林森林生态系统明显富集并清除了更多的多环芳烃。研究结果还证实,如果没有三北防护林,三北地区对有机污染物的吸附或清除作用就会降低30%,对强致癌物BaP的清除将会降低50%。

   (表1)列出了三北防护林对主要常规大气污染物和有机污染物多环芳烃的年平均清除量和清除率。应该承认,三北防护林对单一污染物而言其大气清除的作用不是很显著,但是,不能因为吸附和清除单一大气污染物的作用小,就可以忽视二者之间的关系,还需要重视研究。如果考虑防护林可以同时清除许多种大气污染物,如不同粒径的大气颗粒物和多种有机污染物,三北防护林的作用不容忽视。三北防护林的初期目标之一是将我国北方的植被覆盖率从1978年的5%提高到2050年的15%。到防护林第四期工程(2010)完成时,三北地区的植被覆盖率已经达到12.4%。可以预计,三北防护林未来的继续发展将会为大气污染的植物修复作出更大的贡献。

表1 :

 

SO2

NOx

PM2.5

BaP

PHE    

清除量(t)

16310

3483

950,000

0.26

5.4

清除率

0.6%

0.4%

0.9%

1.6%

2.9%

    另一方面需要引起有关部门和科技人员注意的是,三北防护林工程的建设也增加了我国北方挥发性有机化合物(VOC)异戊二烯的生物排放。有数据显示,在三北防护林工程建设中,由于树木的生长和植被覆盖的增加,异戊二烯的生物排放量近30年出现了明显的增长,尤其是华北地区,与1982年时的相比,排放量增加高达58%。

    近年来,地面臭氧已成为北京等华北城市夏季的首要污染物。异戊二烯是大气发生光化学反应形成二次污染物如:PM2.5和地面臭氧的前体化合物。作为三北防护林的一部分,北京周边地区植树造林对臭氧生成的潜在贡献也是非常需要进一步开展深入细致研究的领域。

    目前,我们对三北防护林清除大气污染物的作用机制认识还仅停留在较粗浅的层面,还有众多科学问题和未解之谜等待进一步探索研究。进一步的科学研究需要大量的观测数据来印证和支持,而三北防护林内大气污染物的监测还几乎是一个空白;防护林对二次污染物,如地面臭氧、对灰霾生成起关键作用的二次气溶胶等的大气清除作用机制和贡献也不清晰,这需要使用复杂的天气预报和大气化学模型进行大量的数值模拟研究。特别是亟待开展三北防护林工程的主要树种对大气污染物吸附滞留和挥发性有机化合物生物排放的微观机制研究。

    三北防护林的建设在防治水土流失、改善生态环境等方面已经取得了举世瞩目的成就。其对大气污染的清除作用和机制也已经取得了初步的认识。在京津冀及周边地区2013年制定的落实大气污染防治行动计划实施细则中,也特别强调了加强三北防护林建设治理大气污染的措施。

    人类活动是环境问题的根源。在我国政府和人民群众日益关注大气污染的新形势下,有必要对三北防护林这一造福千秋万代的生态工程对大气污染的影响和调控机制进行研究和评估。这不仅对于我国建设三北防护林改善北方生态环境的初始目的以外新的环境意义(如减少大气污染)具有显著而重要的科学研究价值,还可揭示该类大型生态工程项目对大尺度区域大气环境质量的影响机制,为国家有关决策部门评估防护林建设对于我国环境污染的影响、趋势以及调控机理提供科学依据和对策,为区域大气污染治理拓展新思路。

 

   马建民,1994年在澳大利亚詹姆斯库克大学获得博士学位,1995-2014年任加拿大环境部空气质量研究所研究员,2012年入选中组部千人计划教授,先后在兰州大学、北京大学任特聘教授,甘肃省环境污染预警和控制重点实验室主任;长期从事大气物理、大气污染、持久性有机污染物数值模式, 大气污染物传输模式和源汇关系、气候变化影响等方面的研究;曾担任联合国环保署等多个国际组织有关持久性有机污染物和环境污染的专家工作组成员,中科院青藏地球科学卓越中心特聘研究员、美国化学学会《环境科学与技术》等杂志的编委会成员;在国际著名大气和环境SCI杂志发表学术论著和科学报告100余篇;主讲环境科学综述、大气物理、数值方法与建模本科生课程和专业外语研究生课程。

 

 

   
 
   
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