中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年 第2期 No.2 1999



以绿化三维量分析植物群降解SO2的宏观效应
周坚华
　　摘要：控制和降低城市上空SO2的环境浓度对于改善城市环境,促进城市生态的良性循环具有十分重要的意义.本文从上海市绿化三维量分布模型、与SO2浓度分布模型的相关分析入手,以季节变化作为对比因子,讨论了城市绿化植物群的数量及分布对城市上空SO2浓度分布的宏观影响；并据此提出了可有效地控制城市上空SO2浓度的绿地建设的基本原则.
　　关键词：绿化三维量；SO2；复合分布模型
　　中图分类号：X511　　文献标识码：A　　文章编号：1000-6923(1999)02-0161-04
An analysis of the macro effect of vegetable’s deducing and decomposing sulphur dioxide through the 3-dimensional vegetable quantity.
ZHOU Jian-hua
(The Open Laboratory of State Educational Department of China on Urban and Environmental Archaeology Remote Sensing Research, East China Normal University,Shanghai 200062, China). China Environmental Science. 1999,19(2)：161～164
Abstract：Controlling and decreasing the environmental density of sulphur dioxide (SO2) in the air have a important significance in both improvement of environmental quality and promotion of reasonable circle of ecology in city area. In this paper with analyzing the relationship between the environmental quality and the greenery which is described by the 3-dimensional vegetable quantity, the macro influence by the amount and distribution of urban greenery on the SO2 density in the air was discussed through the overlapping model of the relative difference of the 3-dimensional vegetable quantity and the difference of SO2 density between summer and winter in Shanghai, and then put forward several essential principles of making the city green which could effectively decrease SO2 density in the air. 
Key words：3-dimensional vegetable quantity；sulphur dioxide；overlapped distribution models
　　上海市区上空大气中的SO2主要来自工业与民用燃煤,它使老城区和工业区及附近地区形成SO2的高浓度区,直接影响城市大气的环境质量和居民的身体健康[1,2].此外,SO2还是形成酸雨的主要因素之一.上海市自1980年9月发现酸雨现象以来,酸雨出现的地区范围逐渐扩大,酸度亦有所增强[3].大多数植物对SO2具有较好的吸收作用,研究城市绿化植物群降解SO2的宏观效应,对于从环境科学的角度进一步完善城市绿化的布局和结构具有一定的指导意义.
1 植物吸收SO2的机理及吸硫能力试验值
　　SO2在水中溶解度很大,因此当植物枝叶表面湿润时,便能吸收和溶解大量SO2；在空气干燥的情况下,SO2是通过植物叶面的气孔被摄入植物体内的.因为各种植物在白天都要通过其叶面上的气孔释放大量的水蒸气和摄取为数可观的CO2.这时,在叶子附近的其它气体,包括SO2等微量污染气体也被一起摄入叶内.进入叶内的SO2能被叶肉细胞迅速氧化为硫酸盐,然后经植物的茎干、根系输送到土壤中.有关试验表明,当空气中SO2的浓度不高时,SO2对植物的生长不但无害,反而有益[4].大多数植物可在较短时间内恢复其吸收和溶解SO2的能力,所以植物是廉价长效的吸收和处理SO2的“机器”.
　　已见报道的植物吸硫能力的试验值很多,有代表性的如[2,4-6]:1m2柳杉林每年可吸收SO2720kg；1m2垂柳林每年可吸收SO2 120kg；美国Savarrah地区春季SO2浓度为0.021mg/m3时,每1m2南方松林每天可吸收SO2 0.14kg；美国纽约长岛地区6月份空气中SO2 浓度为0.084mg/m3时,每万平方米混生林每日可吸收SO2 0.60 kg；美国环保局建立的标准林(在80×80m2的松林外镶一圈10m宽的阔叶林带),每万平方米去除SO2的能力为每年748 kg等.值得注意的是,SO2的环境浓度对植物吸硫量的影响很大.本研究认为采用纽约长岛的混生林的吸硫量试验值来估算上海市绿化植物群的吸硫量较为适宜.这是因为长岛的试验值是目前已见报道的野外森林吸硫量测定值中较居中的一个；其次纽约与上海的城市功能与规模较接近,SO2的环境浓度具有可比性(长岛的值为0.084mg/m3,而上海的年均浓度日平均值亦在0.08mg/m3左右)；另外长岛的试验值取自1723km2混生林,它反映的是多种植物吸收SO2的平均能力,比较容易套用到城市绿化这样一个多树种、多结构形态的特例中来.
2 上海市的总绿量及理论吸硫量
　　城市绿化群在空间结构方面的差异很大程度上影响其环境效益,以吸碳产氧能力为例,森林是同面积草地的5倍左右[5].所以,通常采用的以绿化平面量进行绿化与环境相关分析的方法比较粗略.几年前,作者曾首次提出了城市“绿化三维量”(简称“绿量”)的概念,并应用遥感技术实际测算了上海市的绿量[7].绿量指绿色植物茎叶所占居的空间体积.相对于平面量而言,绿量指标能更好地反映城市绿化在空间结构方面的差异,因而可用于更准确地计算绿化群吸收SO2的理论值和进行相关分析等.
　　根据上海市动物园模式林的数据,每万平方米混生林的绿量为72 356.9m3,由长岛的试验值可知,这些绿量每日可吸收SO2 0.60 kg（或每万立方米绿量0.0303 t/a）.由上海市绿量数据库的统计值可知,上海市区常绿与落叶类绿化植物的总绿量分别为：59 901 959和96 820 909m3,年吸收SO2能力分别为181.5和207.4t/a,即年吸收SO2能力为388.9t.
　　上海市近年来在大气中SO2浓度的分布情况可参见图1.由图1可见,上海市大多数地区的平均浓度都已达到或超过0.04mg/m3,或称浅度伤害值(人能闻到臭味并出现呼吸道阻力增加等生理变化[6])；特别在冬季的三个高值岛范围内,SO2的浓度达到浅度伤害值的2～3倍,在近排放点的少数地区,SO2瞬时浓度可能达到深度伤害值(人只要每天吸入8h,就将表现出支气管和肺受显著刺激的症状,并使肺部组织受伤[6]).


图1 上海市绿量相对差值与冬、夏季SO2浓度分布
Fig.1 Overlapping map of the relative difference of the 3D vegetable quantity and the difference of SO2 densitybetween summer and winter in Shanghai
3 绿量的季节变化与SO2浓度季节变化的相关关系
　　上海市SO2的平均环境浓度存在着明显的季节变化.据1989年测定的数据,1、4、7、10月份分别为0.1012、0.0535、0.0375、0.0545,年均0.0617mg/m3(凡观测日出现降水,观测值剔除)[3].冬季浓度最高,是夏季浓度的近2.7倍.因为上海市不存在冬季取暖集中燃煤的情况,所以冬、夏季燃煤量和由此产生的SO2排放量相差不大.研究结果表明,除了气候条件的季节变化外,绿量的季节变化也是引起SO2浓度季节变化的主要原因之一. 
　　据上海市绿量库的统计,该市的绿化植物夏季和冬季的吸硫量分别为1.3、0.5 t/d.即夏季植物吸硫量为冬季的2.6倍.由此可见,冬、夏季 SO2实测浓度的相差倍数与绿化植物冬、夏季吸硫能力的相差倍数是非常接近的,于是首先推论植物吸硫能力的显著季节变化会影响到大气中SO2浓度的季节变化；绿量季节变化分布模型与环境浓度季节变化分布模型的复合分析为这个推论提供了理论证明.
　　图1中的绿量相对差值R由下式给出:R＝(夏季绿量－冬季绿量)/夏季绿量.当冬、夏季绿量差值较大和夏季绿量较小时,R值较大,在图中表现为较密网线或深色调；反之R值较小,表现为较稀网线或较淡色调.图1较好地显示了绿量的夏季值和冬季较夏季减少值的分布情况；同时它还表示了上海市冬、夏季SO2浓度空间分布的变化情况,图1中的等值线是根据SO2浓度实际监测值的5年平均值绘成.由图1可见,在冬季(图中以粗实线表示)SO2高浓度区分布于西部的长宁工业区、市中心老城区、及东部杨浦工业区一线.并在这3个地区形成3个高浓度岛,其值分别为:>0.12、>0.12、>0.10mg/m3.这3个地区是工业及生活燃煤比较集中、即SO2排放比较集中的地区.夏季(图中以粗虚线表示)全市SO2浓度普遍下降0.02mg/m3左右,但东部和中部两个高浓度岛区,浓度却平均下降0.04～0.06 mg/m3,高浓度岛消失.从图1中绘出的冬、夏季SO2浓度差>0.04mg/m3的范围中可以看出,该范围与复合显示的高R值区域基本吻合.这个SO2季节差>0.04mg/m3或高R值区域是落叶乔木二球悬铃木行道树的集中分布区,且这里其它绿地极少,植物的常绿、落叶比约为1: 5,到冬季则近乎“不毛之地”.由于没有植被的吸附, SO2在这个地区形成浓集区.但到了夏季,行道树枝叶繁茂时,这个地区的相对绿量也可达到1000m3/hm2左右,SO2的高浓度岛便随之消失.
　　与此相比,西部的长宁工业区二球悬铃木行道树在绿化系统中占的比例很小,绿化以各类专用绿化地为主.而专用绿地中,常绿、落叶比一般较大,即冬、夏季绿量相差不大,而且绿化总数较少.所以在该区域的SO2浓度在夏季只平均下降0.02 mg/m3左右,高浓度岛依然存在.
　　SO2浓度分布情况的季节变化可按起因不同大致分为2个层面.第一个为均匀变化的层面,变化值约为0.02 mg/m3,主要由气候等条件的变化引起；第二个为非均匀变化的层面,变化值约为0.02～0.04mg/m3,由于该层面的分布情况与绿量季节变化的分布情况基本吻合,可以解释为主要由绿量的季节变化引起.
4 关于控制城市上空SO2环境浓度的绿地建设基本原则
　　季节变化引起的绿量数量与分布情况的变化,会对SO2的环境浓度分布产生显著的影响；同时说明增大绿量及改善绿地的布局与结构可以有效地控制SO2的环境浓度.所以要控制城市上空SO2的环境浓度,绿地建设需遵循以下基本原则.
4.1 就近植绿
　　即在靠近SO2排放源附近应保持较高的绿量.因为植物吸收SO2的速率和吸收量主要与植物周围空气中SO2的浓度有关.即在同一时段里,对于呼吸代谢空气量相同的植物,位于高浓度区的可以吸收较多的SO2. Martin、Marber[美]等人曾测定某工厂外一条高4m、厚3m的山楂绿篱附近的SO2浓度的变化,发现当SO2的环境浓度为262 mg/m3时,绿篱枝叶附近15 mm范围内SO2的浓度明显降低；当枝叶潮湿时,降低更明显.即只有当极高SO2环境浓度、极近距离时,植物对SO2的吸收才是明显的.所以应当采取有效措施,加大SO2排放源附近的绿量,同时为避免SO2对植物的伤害,应选用吸硫效率高和对SO2抗性强的植物材料,这样既可以最好地发挥绿化植物的吸硫功能,又可以有效地减少SO2的扩散.不过,对于排硫量过大的工厂企业,还是应当考虑将它们迁出市区及人口居住密集区.
4.2 提高常绿、落叶比
　　上海市冬季SO2环境浓度超标一直是一个突出的环境问题,特别在那些常绿、落叶比较低或冬、夏季绿量相差较大的区域,冬季SO2环境浓度的上升值比其他区域更大.为了使城市在冬季也保持较好的环境质量,应当在新建城市绿地中种植较高比例的常绿植物,及在原有绿地的改造过程中适当补种常绿植物.
4.3 采用复层结构
　　SO2的环境浓度相同的情况下,绿化系统的吸硫效率与绿量的大小成正比.由于乔灌草多复层绿化结构较单一的乔木林、灌木林及地被植物具有更高的相对绿量,所以应当提倡在城市绿化系统中,尽可能采用复层绿地结构,这样才能有效地利用城市的土地和空间,使绿化系统发挥更大的环境效益.
　　对上海市而言,应当在市中心区及东部 SO2高值区,补种常绿树提高常绿、落叶比和新建绿地增大绿量,这是缓解这个地区冬季SO2浓度超标现象的有效途径.对于西部高值区,则要通过继续增加绿量和控制SO2排放量的双重方法来解决.
5 结论
　　绿化三维量是分析绿化与环境相关关系方面的一个实用和可靠的指标；绿化植物群具有控制SO2环境浓度的宏观效应.可以通过调整绿化布局,提高常绿、落叶比例和改进绿化空间结构等方法提高绿化植物群降解和吸收SO2的效率.如同时综合考虑其他环境因子的影响,经过多次规划、建设、监测、调整,逐步形成一个完整、合理的城市绿色环保体系是完全可行的.
作者单位：周坚华（华东师范大学国家教委城市与环境考古遥感开放研究实验室,上海 200062）
作者简介：周坚华(1956-),女,上海人,华东师范大学国家教委城市与环境考古遥感开放研究实验室工程师,主要从事环境遥感应用方面的研究工作.承担的“上海市绿化航空遥感综合调查”课题获上海市科技成果三等奖、“上海市绿化三维量遥感研究”课题获国家建设部科技成果二等奖.发表论文30余篇.
收稿日期：1998-07-13
参考文献：
　[1]孙天纵,周坚华. 城市遥感[M].上海:上海科技文献出版社,1995. 132-282.
　[2]许泽新.生态经济学[M].浙江:浙江人民出版社,1986. 314-327
　[3]周淑贞,张 超,郑景春.城市气候与区域气候[M].上海:华东师范大学出版社,1989.
　[4]中国科学院植物研究所二室.环境污染与植物[M].北京:科学出版社,1978. 104-140.
　[5]王铸豪. 植物与环境[M].北京:科学出版社,1986. 19-157.
　[6]蒙特恩J L.卢其尧译. 植被与大气原理[M]. 北京:农业出版社, 1975.132-225.
　[7]周坚华,孙天纵.三维绿色生物量的遥感模式研究与绿化环境效益估算[J].环境遥感, 1995, 10(3):162-174.
