全 文 ：第 26卷第 5期
2006年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26，No．5
May，2006
城市林地与非林地大气 SO2季节动态变化
闫文德 ，田大伦 ，项文化，黄志宏
(中南林业科技大学生态研究室，湖南长沙 410004)
摘要：SO2作为主要的大气污染物之一，对人体与环境具有严重危害，导致酸雨后危害更大，尤其是长江以南省区污染严重。对
长沙和株洲市区内 2种类型区域——城市林地与城市非林地空气 so2浓度通过近 1 a(2004一O1 2005一O1)的同时进行对比定位
观测，用甲醛吸收副玫瑰苯胺分光光度法分析，结果表明：从两市 2种类型采样地空气 SO2浓度水平总体与分别来看，so’浓度
年内变化均具有明显季节性波动特征(P=O．001)，冬季最高，秋季最低；除冬季二者 so2浓度较为接近外 ，其他各季株洲非林地
观测区 so2浓度均高于同季节长沙非林地观测区 so2浓度。空气 so2浓度季节性变化与当地的地理环境 、气候条件、采暖期与
工业生产布局等因素有较大的关系。其中，燃煤、降水、风速风向和气温是影响空气 SO2浓度变化主要的污染源与气候条件因
素。空气 so2浓度水平还与所在地有无林木覆盖关系密切。无林地空气 SO2浓度年均值(O．18±0．08)mg，『n3，有林地空气 so2
浓度年均值(O．09±0．07)mg／m。，二者间存在极其显著差异(P=O．001)。林木生理活性季节性变化对植物调节空气 so2浓度季
节变化的能力有一定的影响。按林地 sO 浓度减缓效应大小排序 ，依次是夏季(55．4％)>冬季(54．1％)>秋季(49．3％)>春季
(29．6％)。城市森林作为一种有效的生物措施在控制和治理城市大气 SO2污染实践中具有重要作用，不失为一种经济可行、高
效的环境保护措施，应着力提高城市森林覆盖率。
关键词：城市有林地；城市非林地 ；大气 so2浓度；季节变化
文章编号 ：1000-0933(2006)05一i367．08 中图分类号 ：Q143，Q948，$718．55，x511 文献标识码 ：A
Seasonal change in atmospheric SO2 concentration in forested and non·forested
urban lands
YAN Wen—De，TIAN Da—Lun ，XIANG Wen—Hua，HUANG Zhi—Hong (Rese。rch s耐 n f。gy， r o try un ty
．
Changsha，Hu mn 410004，China)．ActaEcologica Sinica，2006，26(5)：1367—1374．
Abstract：As one of the most dominant pollutants in the air，the po llution of sulfur dioxide can cause signifcant damage to the
surrounding population and environment．The acid rain caused by sulfur dioxide do much more harm to environment than pollution
of sulfur dioxide，which is endangering the most regions of south China．In order to assess the role played by forests in the urban
ecosystems，the atmospheric SO2 concentration was measured continualy from Jan．，2004 to Jan．，2005 in specifcally selected
forested and non-forested sites of the campus within Changsha and Zhuzhou cities，Hunan Province，representing two type s of
area，respectively．Th e prosaniline form aldehyde spectrophotometric method was employed to determine atmospheric SO2 content．
The results showed that the atmospheric SO2 concentration in both site categories exhibited a significant seasonal fluctuation(P
0．001)with the highest in winter and the lowest in autumn．The seasonal change in SO2 concentration was closely related to local
基金项目：国家科技部攻关资助项 目(2001BA510BI1．01)；国家 自然科学基金资助项 目(30271043，30571487)；国家科技部平 台建设资助项 目
(20021220)；中南林业科技大学高层次人才引进资助项 目；湖南省青年骨干教师培养对象资助项目
收稿 日期 ：2006 01．23；修订 日期 ：2006．04．20
作者简介：闫文德(1969一)，男，甘肃武威人，博士，副教授，主要从事森林生态学研究．E．mail：csfuywd@hotmail．coin
*通讯 作者 Coresponding author．E-mail：csfuywd@hotmal1．tom
Foundation item：The project was supported by Key task project of the Ministry of Science and Technology of China(No．2001BA510BI1．01)；National Natural
Science Foundation ofChina(No．30271043，30571487)；Platform construction project oftheMinistry ofScience and Technology ofChina(20021220)；Hishtalent
in&aught project of Central—south Forestry University；the pwject of training key young teachers in Hu nail Province
Received date：2006—0l一23：Accepted date：2006—04 —20
Biography：YAN Wen—De，Ph．D．，Associate professor，mainly engaged in forest ecology ．E—mail：csfuywd@ hotmail．eom
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1368 生 态 学 报 26卷
geographical condition，climatic characteristic，heating period，and distribution of urban industry district．It was found that coal
burning was the dominant polution source，and precipitation，wind spe ed and direction，and tempe rature were the domi nant
factors for afecting atmospheric S02 concentration in the cities．In addition，S02 concentration level in the atmosphere had a tight
relationship with the urban forest cover．The annual mean atmospheric SO2 concentration was significantly higher in the non-
forested sites((0．18±0．08)mg／m3)than in the forest sites((0．09±0．07)mCm3)．Tree physiological activities made a
contribution in the decrease of the atmospheric S02 concentration in urban forest sites．According to the abating efect amount of
atmospheric S02 concentration in forested sites，it ranked as summer(55．4％)>winter(54．1％)>autumn(49．3％)>spring
(29．6％)．Our results demonstrated that urban forest played an important role in controling and reducing the atmospheric SO2
concentration in urbanized areas．Th erefore ，to sustain urban forest resourees and increase urban forest canopy cover wil be
be nefit to improve environmental quality，enhance human health，and enrich urban beauty．
Key words：urban forests；urban ecosystems；forest cover；atmospheric SO2 concentration；seasonal change
酸雨是世界十大环境问题之一 。近年来 ，由于经济的快速发展，同时随着城市化进程，加快 ，我 国城市环
境污染问题 日趋严重 。大量排放 s0 和烟尘 ，导致越来越多的酸雨和大气污染 。根据 国家环保总局多年监测
结果表明，有 62．3％的城市 sO 年平均浓度超过 国家二级标准 (0．06mg／m’)，日平均浓度超过国家三级标准
(0．25mg,／m’)¨]。且我 国酸雨主要分布在长江以南各省市 ，对生态系统的危害 日益严重 ，仅对南方 11省区森
林生态效益造成的经济损失就高达 162．30亿元 ，成为制约城市可持续发展的主要障碍。冯宗炜 对我国
酸雨的生态影响和防治对策进行过较为系统的研 究。2002年 的环境保 护公报结 果显示 ，47个全国环境保护
重点城市中，其中包括长沙在内的 11个城市 sO 浓度超标 ；长沙、株洲也是湖南省境内受酸雨污染较为严
重的城市，年均 pH值 5．0以下 ，年酸雨频率 在 72．6％ 一1O．0％之间H ，是全 国酸雨污染最严 重的区域之
一
[6]
。 这些情况表明，我国南方地区城市环境保护仍然面临着巨大的压力与挑战。如何解决由 SO 引发的环
境问题，人们寄希望于城市森林生态作用的发挥。城市森林 是城市生态系统的重要组成部分，具有重要的
生态服务功能，有利于维持城市生态系统的健康和平衡，是城市可持续发展的基础和保障 。有关学者在
湖南省对此从大气污染 、大气湿沉降化学角度开展 了相关研究¨¨ ，但大气污染指标不能直接反映对植物伤
害程度的大小 ，也不能反映出城市森林对大气污染 的减缓效应。长沙 、株洲正在着力开展城市森林建设 ，以减
轻大气污染对城市生态环境所面临的压力。因此，研究城市森林对 sO 浓度调节效应对于正确评价森林作用
和科学治理大气污染具有十分重要的意义。
1 研究地概况
研究样地分别位于中南林学院长沙校区(1l2。59 E，28。08 N)和株洲校区(112。54 E，27。50 N)，两地水平距
离约 40km，海拔在 50 2Om之 间，相对高度 100m，均属低山丘陵 区，气候系典型的亚热带季风性湿润气候 。
长沙年均降水量 1378mm，年相对湿度 80％，年均气温 17．1℃；株洲年均降水量 1431am，集中于4—7月份，年
相对湿度 80％，年平均气温为 17．4~C。本区地层古老 ，母岩以变质板页岩为主 ，风化程度较深 ，土壤为森林红
壤 ，呈酸性。地带性植物为常绿阔叶林 。
在中南林学院长沙校区和株洲校区分别设有两个采样点。长沙校区非林地(城市交通干道两侧区域)采
样点在学校门口，距离采样点 50m是长沙市的交通干道——韶山南路，作为无林区代表；对照区为有林地，采
样点在校内树木园内。株洲非林地(城市交通干道两侧区域)采样点设在株洲校区校门口田龙路旁(长沙至株
洲主干道)50m处。该点处于清水塘工业区的下风向，代表无林地；其对照区为有林地，采样点也在学校树木
园内。两校区的非林地采样点与有林地对照点相距约 3Om。两校区的对照区调查的林分均为樟树人工林，
郁闭度为 0．7 0．8。林下植物主要有杉木(Cunninghamia laneeolata)、女贞(Ligustrum lucidum)、小叶女贞
(Ligustrum quihoui)、菝葜(Smilax china)、山胡椒(Lindera glauca)、木莓(Rubus swinhoei)、油茶(Camelia oleifera)、
大叶黄杨 (Buxus megistophyla)、满树星(Ilex aculeolata)、南蛇藤 (Celastrus orbiculatus)、铁芒萁 (Dicranopteris
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5期 闫文德 等 ：城市林地与非林地大气 S02季节动态变化 l369
diehotoma)等。长沙 、株洲有林地林分均处于半 自然状态。
2 研究方法
2．1 空气 SO：采样与标准曲线绘制
观测于2004年 1月 一2005年 1月期间进行。每季
监测 1次，每次监测时间为 5—7个监测 日。选取有效
数据，在监测期间内如遇恶劣气象条件，则相应补充
监测。
3，6，9，12月份采样 时间为 8：00 9：20和 13：oo
14：20，连续 5—7 d在同一地点用大气采样器——气体．
2B型采样器(武汉分析仪器厂)进行大气采样。采样离
地面高度约 1．5m，采样器流量0．5 L／min，采样持续时间
80 min(40L)，并记录现场 的气压和气温、空气湿度。共
采集样品 180个。
用甲醛吸收副玫瑰苯胺分光光度法(国际标准 GB／
香
i
l
们
c5
是
0．25
0．20
0．15
0．10
0．05
0
0 5 l0 l5 20 25
消光系数Parameter of extinguishing light
图 l S02含量标准曲线
Fig．1 S~ dard curve for S02 concent
T15262—1994)测定样品中sO 含量。用氨基磺酸铵、甲醛、盐酸副玫瑰苯胺溶液配制标准液，以水为参比，测定
吸光度。以吸光度(用消光值表示)与 SO 含量 (tg)绘制标准线 ，标准曲线见图 l。
Y=0．29+96．50x (R =0．99) (1)
式中，Y为 SO 含量(10 mg)， 为消光值。
2．2 样品分析
采集的样品用甲醛吸收副玫瑰苯胺分光光度法测定 sO 含量，然后根据样品数量计算样品中sO 浓度
(mg／m3)，计算公式如下 ：
= ×
式中， 为样品中 sO 浓度(mg／m )；Y为样品溶液中 sO 含量( g，由标准曲线查知)； 为标准状态下
的采样体积(L)(时间(min)×流速(L／rain))； 为所取样品溶液的总体积(m1)； 为测定时所用样 品溶液体
积(m1)。
3 结果与分析
3．1 长沙、株洲两观测点空气 SO 浓度总体季节变化总体特征
根据2004年观测结果，从两市总体上来看，S02浓度年变化具有季节性波动特征(图2a)。所有观测点总
体上的 sO 浓度变化季节特征表现为，春季 sO 浓度最高((0．18±0．11)mg／m3)，其次为冬季((0．14±O．07)
mg／m )，再次是夏季((O．13±0．07)mg／m )，秋季最小((O．08±0．05)mg／m )。两个城市的总体平均值为(0．13
±0．04)mg／m3。长沙 、株洲两个城市的 S0：浓度季节变化特点又各有差异(图 2b)。长沙市观测点 S0：浓度
年变化季节性特征表现为冬季 sO 浓度最高((0．14±0．07)mg／m )，其次为春季((0．13±0．06)mg／m )，接下
来是夏季((0．12±0．07)megm )，秋季最小((0．07±0．04)megm )。这种季节变化与长沙市的酸雨污染季节特
征 相似，同湖南省的大气环境质量变化特征相似 。长沙市试验区sO 浓度年均值(0．12±0．07)mg／m 。
株洲 SO 浓度年变化季节性特征与长沙有所不同，S02浓度最大值出现在春季((0．18±0．11)mg／m )；其次为
冬季((0．14±O．07)mg／m )，第三为夏季((0．13 4-0．07)mg／m )，最小值 出现在秋季((0．08±0．05)mg／m )。株
洲市试验区S02浓度年均值(0．15±0．09)mg／m ，空气 sO 污染较严重。
试验区总体 S02浓度季节变化的单因素方差分析(ANOVA)结果表明，各个季节间差异达到极其显著的水
平(P=0．001，n=328)，说明试验区sO 浓度从总体上看季节性变化特征非常明显。分别对长沙市、株洲市试
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1370 生 态 学 报 26卷
— ■一 株洲 Zhuzhou
春 Spring夏Summer秋 Autumn冬Winter 春 Spring 夏Summer 秋 Autumn 冬 Winter
2004年各季节Seasons ofthe year 2004
图2 两市观测点空气 s0 浓度季节动态(a)两样地综合值(b)两样地分开值
Fig．2 Seasonal dynamics of SO2 concentration in the two cities(a)8s a wh0le and(b)as individual in 2004
验区总体 s0 浓度季节间差异水平的单因素方差分析(ANOVA)，结果表明，二者 sO 浓度季节间差异均达到
极其显著的水平(长沙，P=0．001，n=152；株洲，P=0．001，n=176)。通过分组分析，试验区总体 sO，浓度季
节变化可分为 3组，秋季为一组，夏季、冬季可归为一组，春季单列为一组。SO 浓度季节变化特征与湖南省
酸雨污染冬季重于夏季的特征 ¨相吻合。
3．2 城市非林地 SO，浓度季节变化特征
从两个城市总体来看，非林地 SO 浓度存在一定的季节波动(图 3a)。各季节按 SO 浓度大小排序依次
为：春季((0．21±0．11)mg／m )>冬季((O．19±O．06)mg／m )>夏季((0．17±0．06)mg／m )>秋季((O．12±O．05)
rag／m3)。单因素方差分析(ANOVA)结果显示非林地 s0 浓度季节变化差异达到显著性水平 (P=0．001)。就
长沙 、株洲两市分别而言，其非林地 SO 浓度季节变化趋势有相似之处 ，株洲非林地 SO 浓度均高于同季节长
沙非林地 SO 浓度(图 3b)。城市非林 地 SO 浓度季节 变化在一定程度上更能反映城市的 SO 浓度季节性
变化 。
— ◆一 长沙 Changsha —■一 株洲 Zhuzhou
春 Spring 夏Summer秋 Autumn 冬Winter 春 Spdng 夏 Summer 秋 AuUmm 冬Winter
2004年各季节 Seasons of the year 2004
图 3 长沙、株洲两样地非林地观测点空气 SO 浓度(a)为两地平均水平，(b)为两地各自水平
Fig．3 Seashal dynamics of atmospheric[SO2]at lion．forested plots in two cities(a)for the two cities as a whole and‘(b)for each ofthem
长沙、株洲非林地空气 sO 浓度变化的季节特征与变化趋势与两个城市的区域地理环境、气象条件、采暖
n^口盖昌v吕一_量口Q口Io口 ∞ 璐 ∞
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O O O O 0 O O O
∞ ∞ ：2 0
O O O O 0 O O O
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5期 闫文德 等：城市林地与非林地大气 S 季节动态变化
期以及工业生产布局等有着密切的关系。
对长沙市而言，非林地 SO：浓度季节变化受长沙市的地理环境、全年风向与风速、城市热岛效应及采暖期
等的影响甚大。长沙市平均海拔高度为 40多米，东南西三方地势较高，北边为敞口。长沙市常年主导风向为
西北风，其频率约为 39％，且多出现在冬季，夏季主导风向为西南和东南风。大气低层有明显的逆温现象，且
具有明显的季节性变化。冬季逆温层的平均高度仅为夏季的 1／3．5，而逆温强度冬季大于夏季，不利于本地区
大气污染物的扩散。有研究表明，sO 浓度与逆温强度有较强的正相关性 引¨。长沙市区空气中sO 主要来源
于工业生产和人类活动为主H 。冬季是主要的采暖期 ，SO：的燃放量大大超过非采暖期。加之，冬春季持续
干旱，风速偏小基本上是2—3级，气流稳定，SO：的扩散比较缓慢，空气中SO：的浓度较高；长沙年平均风速为
2．6m／s，年静风频率约为 24％，小风频率约为 50％。冬季风速偏小，静风频率明显偏大；夏季不稳定频率高于
冬季；夏秋季雨水较多，风速达到 5—6级，连续的降雨和强风使得空气中 SO：被稀释沉降和扩散，空气中 SO
的浓度大大减少，空气比较纯净。长沙市区空气 sO 浓度季节变化受到了上述诸因子的综合影响，是其季节
性变化的主导因素。
同长沙市相比，株洲市的非林地空气 SO：浓度季节变化的影响因素又有其特殊性。城市空气 sO 主要来
源于矿物燃烧，其中主要是采暖与工业生产可成为当地的主要污染源“引。2004年湖南全省工业排放 SO，量
占当年排放量的 81．6％，生活排放量 占 18．4％ 。煤烟型的主要污染物之一是 sO，，表现出明显的季节
性 。株洲市地处于湖南省东部，是一个新兴的工业城市，重工业比重大，能源消耗过大，SO：排放多。如株
洲冶炼厂 SO：年排放量 占市区排放总量的67．8％；株洲电厂 SO：年排放量占市区排放 总量的 12％。株洲市 区
较高的工业生产耗能释放的 sO 量是导致该市空气 sO：浓度一直维持在较高水平的原因。桅洲非林地观测
点处在 SO 污染源主风向下风向区域 ，全年内受到明显污染 。事实上 ，株洲空气 SO：浓度各季节均高于长
沙 ，这种情况只是在冬季有所改变，即冬季长沙市空气 SO：浓度与株洲市接近(图 3b)。株洲的 SO 年排放强
度大于长沙 ，在这种情况下，污染源的排放作用可能较气象条件所起的作用更大 。这也在一定程度上说
明了冬季采暖对城市空气 SO：浓度有较大的贡献。
3．3 城市林地 SO，浓度季节变化特征
有林地空气 SO：浓度季节变化与非林地 sO：浓度季节变化相比，既具有相似之处，又有不同之处，且各季
节的林地 sO：浓度均比非林地 SO。浓度要低(图4a)。林地 SO：浓度受非林地 sO：浓度季节变化影响，因此二
者具有相似的季节变化趋势 ，另一方面还受林木 自身的生理作用所调节。长沙 、株洲有林地空气 SO：浓度季
节变化，二者具有较大的一致性(图4b)。同非林地 SO 浓度年均值相比，有林地 sO：浓度年均值相当于其中
的 53．3％，下降了45．7％。
为比较不同季节有林地对空气 SO：浓度的减缓效 应 ，可用非林地 sO 浓度减去有林地 So：浓度 ，然后与
非林地 sO，浓度相 比较 ，结 果见 图 5a、5b。从 中可 知 ，按 林地 sO：浓度 减缓 效应 大小 排序 ，依次 是 ：夏季
(55．4％)>冬季(54．1％)> 秋季 (49．3％)> 春季(29．6％)。
具有较高郁闭度的森林树木能够减弱空气的流动，使得空气中的 s0：被阻滞沉降在林内，阻碍其向周围
扩散，减轻空气污染；树木还可通过叶片气孑L吸收 sO ，同时 sO：能够促进叶片气孑L的张开，提高叶片吸收 sO：
的速率。另外，处于生长旺盛时期的树木，当光合作用达到最大值时，叶片吸收 sO 也最强烈，因为气体污染
物主要是通过气孔进入植物的 。这可能是夏季的减缓效应值最大的一个主要原因。
林地减缓 s0，浓度效应的最小值出现在春季(图 5b)，比冬季的小 ，出现这种现象 的原因可能与以下两方
面的原因有关系。一方面，与冬、春季的天气情势有一定关系。冬、春季风速偏小且静风频率明显偏大，加上
逆温强度较大。这些条件均不利于大气污染物的扩散 ，也不利于 sO：浓度向叶片间扩散 ，从而叶片的 sO：吸
收效率降低。另一方面，与冬季林木的生长生理活动有关。冬、春季节的持续低温与干旱，可能导致林木生理
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生 态 学 报 26卷
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0．10
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春 S ng 夏 Summer秋 Autumn 冬 Winter 春 S ng 夏 Summer 秋 Autumn 冬 Winter
2004年各季节Seasonsofthe year2OO4
图4 两种类型样地空气 S02浓度季节动态比较(a)非林地与林地，(b)长沙林地与株洲林地
Fig．4 Comparison of seasonal dynamics of so2 concentration(a)for[101-fon~ted vs forested sites，and(b)for Changsha V8 Zhuzhou forested sites
活动减弱；空气中SO 浓度冬、春季节一直维持在较高的水平，春季空气 SO 浓度比冬季还要高，这可能导致
林木对 SO 的吸收与代谢功能下降，并可能产生 SO 伤害。因为，SO 对植物的伤害会导致植物净光合速率、
蒸腾速率、气孔导度等的下降 ，也可导致植物的衰老 。蒋益民等 在韶山研究森林复合冠层化学沉降
时发现有类似现象，这可能与处于生长初期的树木生理活性较低有关 J。黄益江等 发现马尾松在清明前
后第 1次抽梢时受害最严重 ，新叶呈褐色坏死 ，生长受 到伤害。樟树是常绿阔叶林树种 ，但在春季 3 4月问
有较大量的落叶现象，这与经过冬季、早春长时间的低温和持续干旱有密切的关系。叶面积指数的锐减在一
定程度上明显影响叶片吸收、阻滞 SO 的能力。这可能是春季有林地对 SO 减缓 能力比冬季弱的另一方面原
因。植物不同生长阶段如发叶、落叶期等都会影响其对大气污染反应的敏感程度，也会影响植物对大气污染
物的吸收 、转化等能力。也有研究表明，大气污染能明显促进植物的衰老，并对植株后来的生长影响很大b 。
春 spring 夏 Summer秋Autumn 冬 Winter 春 Spririg 夏 Summer 秋 Autumn 冬 Winter
2004年各季节 Seasons of the year 2004
图 5 so2浓度季节变化比较(a)非林地(b)林地减缓效应
Fig．5 Comparison of seasonal variation in so2 concentration(a)for non-forested sites and(b)for abating efect of forested sites
4 结论
在推进城市化进程的过程中面临的主要环境问题之一是城市环境污染，特别是工业和生活排放 S02对环
境污染较重，已成为城市生态系统的一大难题。长沙、株洲是湖南省两个比较大型的城市，人口多、工业发展
相对较快，sO 污染较重。根据 2004年测定结果，可得出如下几条结论：
(1)城市非林地空气 sO 浓度在年内呈现出季节性变化，冬春较高、夏秋较低；长沙冬季 sO 浓度是秋季
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5期 闰文德 等：城市林地与非林地大气 s0 季节动态变化 l373
的2．02倍，株洲冬季的是秋季的 1．43倍。
(2)城市非林地空气 sO：浓度季节变化特征与当地的地理环境、气象条件及采暖期有着密切的关系，燃
煤、降水、风速风向和气温是影响空气 SO，浓度季节变化的主要因素。
(3)城市森林(有林地)空气中的sO：浓度季节变化趋势与城市非林地的 sO：浓度的相似，但城市有林地
空气中的sO：浓度明显低于城市非林地的sO：浓度。长沙、株洲有林地空气 sO：浓度年均值较非林地年均值
下降 45．7％左右。城市森林通过对空气 SO：吸收、存贮和沉降，具有明显的降低作用。
因此，提高城市造林绿化率是 目前治理城市 sO：污染比较有效的生物措施之一，加强造林绿化和森林植
被保护是林业、环保和全社会共同关注的关系人类生存问题的大事，是今后城市建设的重要工作。
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