城市尺度下城市树木对PM2.5的去除作用：i-Tree Eco模型验证及PM2.5结合态微量元素生物监测

《Ecological Indicators》：City-scale PM 2.5 removal by urban trees: validation of i-Tree eco and biomonitoring of PM 2.5-bound trace elements

　　

城市树木通过干沉降在缓解细颗粒物（PM2.5）污染方面发挥关键作用，然而广泛应用的模型如i-Tree Eco仍缺乏充分验证，常依赖单物种或短期研究而忽视时空变异性。研究人员基于台湾五个阔叶树种、三个城市站点及五个时段的叶面PM2.5干沉降实测，首次开展多物种、时空实证验证。实测平均沉降通量为33.91 μg m?2 h?1，i-Tree Eco平均低估7%，表明其在广域、多物种与时空应用中表现稳健。低风速稳定条件下，偏差主要源于环境PM2.5数据对树体微环境代表性不足，凸显本地化空气质量测量对精化模型之必要。物种差异亦影响干沉降通量，厚革叶的Bischofia javanica Bl.值最接近物种均值。研究人员进一步识别PM2.5干沉降饱和阈值（约442 h），揭示i-Tree Eco未表征的去除动态。元素分析显示城市站点Fe、Cu、Zn、Pb、Cr、Ni浓度高于城乡过渡带，尽管PM2.5质量相近，强调PM2.5结合重金属评估及树木作为大气重金属生物监测器之价值。综上，研究为校准i-Tree Eco提供实证基础，并示范城市树木作为PM2.5及其结合污染物被动采样器之潜力，推进生态系统服务量化与城市空气质量管理。

研究背景与问题提出

城市树木与森林提供的空气净化功能被公认为城市最重要的生态系统服务之一。在诸多大气污染物中，细颗粒物（PM_2.5）因粒径小、可吸入性强并能携带有害物深入呼吸系统而备受关注。树木通过叶、枝、干表面截留颗粒物从大气移除PM，但准确量化城市森林PM_2.5去除能力仍具挑战。当前常用方法中，涡动协方差法受城市下垫面破碎化限制，叶面提取法虽能反映物种差异但缺乏大尺度外推能力。i-Tree Eco作为美国林务局开发、基于大叶模型框架的广域工具，其PM_2.5去除估算依赖风洞实验得出的少数物种干沉降速度并统一套用全部物种，未考虑叶面微形态与环境微气候变异，已有实证校验稀缺且多限于单种或短时。与此同时，PM_2.5毒性不仅取决于质量浓度，更受其化学组成如重金属与微量元素驱动，城市树木作为被动采样器监测结合态元素的潜力尚未系统挖掘。该研究即在此背景下，于台湾台中市开展多物种、多站点、多时段田间校验，并耦合元素分析，旨在评估i-Tree Eco精度、解析城市尺度沉降变异源、探索模型改进方向，并论证树木对PM_2.5结合微量元素的生物监测能力。论文发表于《Ecological Indicators》。

主要技术方法概括

研究人员在台中市沿南北梯度选取南屯（高密度交通）、大里（城乡居住过渡）、雾峰（农业城乡过渡带）三站点，各站周边选五种常见阔叶行道树（Melia azedarach、Koelreuteria henryi、Camphora officinarum、Bischofia javanica、Pongamia pinnata），每物种三株重复，于2018年10月至2019年3月五个时段采集5 m高健康叶样。采用去离子水漂洗—100 μm筛预滤—2.5 μm纤维素滤膜与0.45 μm混合纤维素酯（MCE）滤膜真空抽滤联用法定量叶面0.45–2.5 μm不可溶PM_2.5；以叶面积与上次有效降雨（阈值为1 mm）至今时长算干沉降通量（μg m^?2 h^?1）与沉降速度（Vd=F/C）。i-Tree Eco模拟则依Hirabayashi等给定风速—Vd线性插值逐时推演。元素分析取MCE载样经王水消解后以电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测Al、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd。统计上以三因素ANOVA、Tukey HSD、二次回归估饱和点、PCA与Spearman相关处理75组物种—时段—站点均值。

研究结果

3.1 站点、时间与树种对PM_2.5干沉降通量的影响

三因素ANOVA显示站点、采样时间、树种及其两两交互均显著（p<0.001），三者交互不显著。M. azedarach与K. henryi通量最高，C. officinarum最低，B. javanica居中；通量范围约10–150 μg m^?2 h^?1，同址同种差异可达3–6倍。雾峰总体通量偏高且T5达峰，南屯与大里在T4陷谷。表明物种表现具时空一致性趋势但绝对值受微环境调控。

3.2 田间测算与i-Tree Eco估算对比

全市平均实测33.91 μg m^?2 h^?1，模型31.53 μg m^?2 h^?1，仅低估7%，广域长期匹配佳。但南屯T4模型高估近7倍，雾峰全程低估最多11倍。说明i-Tree Eco适于城市尺度长期评估，邻里/街道尺度受监测站代表性拖累偏差放大。

3.3 干沉降变量与环境因子相关

通量与站测PM_2.5浓度Spearman ρ=0.379（p<0.001）弱正关；Vd与风速ρ=?0.207（p=0.075）无显著负关，悖于i-Tree Eco“风速升Vd升”假设。近静风（<0.5 m s^?1）下Vd仍跨0.5–6.5 m h^?1，印证田间微气候偏离风洞理想条件。

3.4 叶面PM_2.5沉降饱和模式

以沉积距离D=A/C对沉积时长做二次回归，跨种平均饱和点约442 h（R²=0.54），M. azedarach可达530 h，C. officinarum拟合差（R²=0.15）。饱和机制i-Tree Eco未内嵌，长无雨期模型可能高估净去除。

3.5 PM_2.5结合态微量元素时空变异

Cd低于检出限剔除。Fe、Al可达30000–40000 μg g^?1，Zn、Cr次之，Mn/Pb/Cu约数百，Ni最低<100。空间呈南屯、大里高于雾峰之城乡梯度；时间上南屯双峰（T1、T3/T4），雾峰多时段下降。证明相同PM_2.5质量下金属组成差异显著。

3.6 微量元素PCA

三主成分累释77.4%方差：PC1（45.0%）载Fe/Cu/Zn/Pb/Cr为交通—工业混合源；PC2（19.8%）载Al/Mn为地壳尘源；PC3（12.6%）载Ni为重油燃烧源。PCA印证树木被动富集指纹可溯源。

讨论部分总结

讨论指出物种×时空交互显著但三阶交互不显，说明单一时点/位点种间排序会偏，多时序多站监测不可或缺。i-Tree Eco在城市均值吻合但在雾峰低估主因站测浓度未代表冠层近地微环境，而非风速输入；模型不宜直接调参但田间数据可作后验校准。Vd与风速田间弱负向，因低速段动能效应让位于浓度代表性。饱和阈值442 h与受控实验16–21 d同量级，长旱期再悬浮可致负净通量，模型缺饱和项会高估。元素生物监测显示城乡金属梯度比质量浓度更敏锐，PC源解析与已知电厂、交通、锅炉排放一致；树木作为被动采样器具低成本、近人暴露、积时集成优势，但水溶性态未涵盖待主动采样补强。

结论翻译

该研究论证了结合田间测算与生物监测评估城市环境PM_2.5干沉降及模型表现之价值。i-Tree Eco能有效复现长期城市尺度沉降趋势，但精细时空偏差凸显站点特异性校验之必要；静风高污条件下站测PM_2.5浓度代表性比风速更大程度左右Vd推算，需强化监测输入与植被采样空间对齐。叶面微量元素生物监测揭示工业、交通、地壳源指纹，明示城市树木可作PM_2.5结合有毒元素被动采样器，补常规网盲区。实证校验、位点校准与跨种生物监测共同提升i-Tree Eco评估城市森林空气质量调节服务之精度与适用性。