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Assessing past atmospheric particulate matter composition in Xi'an and northwestern Shaanxi Province (Northern China) using novel tree-ring analyses

Applicant Cherubini Paolo
Number 182042
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Research Inst. WSL Direktion
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.01.2019 - 31.12.2022
Approved amount 340'964.00
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All Disciplines (2)

Other disciplines of Environmental Sciences
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy

Keywords (12)

laser ablation ICP-MS; particulate matter; stable isotopes; radiocarbon; air pollution; forest ecology; dendrochronology; nanoparticles; sandstorms; tree rings; dendrochemistry; synchrotron analyses

Lay Summary (Italian)

Titolo del progetto di ricerca?Bewertung der vergangenen Luftpartikelzusammensetzung in Xi'an und der nordwestlichen Shaanxi-Provinz (Nordchina) mit Hilfe neuartiger Baumringanalysen.Évaluation de la composition des particules atmosphériques à Xi'an e dans le nord-ouest de la province Shaanxi (Chine du nord) en utilisant innovantes analyses des cernes annuelles des arbresValutazione della composizione del particolato atmosferico a Xi'an e nel nord-ovest della provincia Shaanxi (Cina settentrionale) usando innovative analisi degli anelli annuali degli alberiAssessing past atmospheric particulate matter composition in Xi'an and Northwestern Shaanxi Province (Northern China) using novel tree-ring analyses
Lay summary

In sintesi

L'inquinamento atmosferico è uno dei problemi più importanti legati all'industrializzazione e preoccupa per i suoi effetti sull'ambiente e sulla salute umana. Nei Paesi a rapida industrializzazione, come la Cina, l'inquinamento da particolato è un grave problema ambientale. Huang et al. (2014) hanno studiato le fonti e la natura chimica delle particelle in diversisiti urbani cinesi, individuando la combustione di combustibili fossili come fonte principale, ma anche una percentuale notevole di particelle derivanti da tempeste di sabbia, ad esempio a Xi'an (provincia dello Shaanxi). Le piante vascolari sono state usate per molti anni come bioindicatori e bioconcentratori naturali di inquinanti atmosferici. Tuttavia l'effetto dell'inquinamento da particolato sulle piante è ancora in gran parte sconosciuto e negli alberi quasi inesplorato, così come i servizi che gli alberi possono fornire in termini di rimozione del particolato.


Soggetto ed obiettivi

In precedenti studi pilota, utilizzando innovative tecniche al sincrotrone, abbiamo trovato la prima testimonianza di piccole particelle presenti nel legno di alberi cresciuti su un vulcano, probabilmente originatesi da esplosioni vulcaniche. Per comprendere meglio il destino delle particelle all’interno degli alberi, abbiamo dimostrato sperimentalmente per la prima volta che le nanoparticelle di argento vengono traslocate all’interno del fusto di tre diverse specie arboree più velocemente attraverso le foglie che attraverso le radici (Cocozza et al. in prep.).

Sulla base di questi risultati, l'obiettivo dello studio proposto è di valutare la presenza di particelle negli alberi e di correlarli attraverso la datazione di episodi di inquinamento atmosferico noti e di tempeste di sabbia. Più precisamente, il progetto proposto mira in modo specifico a 1) stabilire se gli alberi assorbono il particolato atmosferico, 2) rilevarlo e 3) localizzarlo all'interno del legno, 4) caratterizzarlo chimicamente, 5) valutare se viene traslocato in tutte le cellule del legno o se è stabile negli anelli degli alberi, 6) datare il suo accumulo nel legno, 7) fornire dati spazio-temporali sull'inquinamento da particolato nel tempo.

Contesto socio-scientifico

Il rilevamento di particolato fine nel legno e la loro datazione consentiranno la ricostruzione spazio-temporale degli episodi di inquinamento atmosferico del passato. Comprendere il destino delle particelle nel legno degli alberi è di grande interesse per l'ecofisiologia degli alberi. Inoltre, se gli anelli degli alberi possono essere utilizzati per ricostruire eventi passati di inquinamento atmosferico, sarà possibile ricostruirne la storia, con conseguenze sia su monitoraggio e modellizzazione che sulla comprensione dell'impatto dell'inquinamento atmosferico sulla salute umana e sugli ecosistemi. Questa scoperta sarà di importanza globale e avrà un enorme impatto sulla valutazione e gestione del rischio.


Direct link to Lay Summary Last update: 25.04.2019

Responsible applicant and co-applicants


Name Institute

Project partner


Air pollution is one of the most important problems related with industrialisation and is of concern to societies for its effects on the environment and on human health. In the past two decades the attention of science and society has been particularly focused on the effects of particulate pollution, of major concern for human health. In rapidly industrializing regions of the world, such as China, particulate pollution is a serious environmental problem that is influencing air quality and human health. Huang et al. (2014) investigated the chemical nature and sources of particulate matter at several Chinese urban locations, and found the burning of fossil fuels as the main source, but also a remarkable per cent of particles originated from sandstorms, e.g., at Xi'an (Shaanxi Province), which is in the area being affected by desertification, very close to major sources of wind-blown sand and silt. Higher plants have been used for many years as bioindicators and as natural bioconcentrators of air pollutant. However the effect of particulate pollution on plants is still largely unknown and in trees almost unexplored, as well as the services trees may provide in terms of particulate removal.In previous pilot studies, using cutting-edge novel techniques at the synchrotron, we found first evidence of small particles in the wood of trees growing on a volcano, probably originated from volcanic explosions, and in an experiment carried out in a greenhouse on three different tree species, we demonstrated for the first time that silver nanoparticles entered into tree stems faster through the leaves than through the roots.Based on these findings, the proposed study aims to assess the presence of particles in trees and to correlate them through dating to known air pollution and sandstorms' episodes. More precisely, the proposed project aims at 1) establishing if trees take up atmospheric particulate matter, 2) detect it and 3) localise it within the wood, 4) chemically characterize it, 5) assessing if it is translocated throughout the wood cells or if it is stable in tree rings, 6) date its accumulation in the wood, 7) provide spatiotemporal data on past atmospheric particulate pollution over time.Tree-ring wood of samples collected from Chinese pine (Pinus tabuliformis Carrière) trees growing at sites affected by a) heavy pollution, in Xi'an (Shaanxi, China), b) sandstorm areas in NW Shaanxi Province (China), and at an unaffected c) control site in central Shaanxi Province will be analysed. The sites will be selected according to air quality data assessed using the existing air-chemistry monitoring networks in the Shaanxi Province. Using standard dendrochronological methods, tree-ring stable isotopic (13C, 18O, 15N) analyses, radiocarbon analyses (14C), chemical analysis using Laser Ablation ICP Mass Spectrometry, computer tomography imaging (beamline TOMCAT) and chemical microanalysis (beamline MicroXAS) at the synchrotron, we will analyse tree rings formed in different years, i.e., in years when air pollution in Xi'an was not a problem (roughly before the 1990s) and in the past decade, characterized by much heavier particulate pollution. We shall compare changes in the tree-ring chemical composition over time, comparing tree-ring wood formed before the increase in air pollution at Xi'an and wood formed in the past decades at the sandstorm sites, to wood formed over time at the control sites, unaffected by air pollution or sandstorms. The results will be compared with air quality data, meteorological data and public health data, interpreted and discussed by all the participants and with external collaborators, and published in coauthored publications in international scholarly journals.