城市道路大氣中粉塵濃度的時空變異及滯塵植物配置研究

陳穎佳 劉中兵

摘要：對城市道路大氣中粉塵濃度的季節變化、日變化、道路平面橫向變化、道路立面縱向變化等時空變異規律進行綜述和分析，將道路大氣中粉塵濃度時空變異的原因歸納為季候變化、天氣變化、街道特征變化、道路級別與方位變化和交通流量變化，并提出了基于大氣中粉塵濃度時空變異的滯塵植物配置。

關鍵詞：城市道路；大氣粉塵濃度；時空變異；滯塵植物配置

中圖分類號：S731.2；X513 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）04-0051-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.04.013

Study on Spatio-Temporal Variability of Atmospheric Dust Concentration and Dust-retention Plant Design in Urban Road

CHEN Ying-jia，LIU Zhong-bing

（Department of Landscape Architecture，Wuhan Institute of Biological Engineering，Wuhan 430415，China）

Abstract： The spatio-temporal variation rules of seasonal and diurnal variation， lateral plane variation and longitudinal elevation variation of atmospheric dust concentration in urban road were summarized and anylazed. The reasons of spatio-temporal variation of atmospheric dust concentration were come down to changes of season，weather， road characteristic， road class and direction， magnitude of traffic flow. And it was come up with the dust-retention plant design according to the spatio-temporal variation rules of atmospheric dust concentration.

Key words： urban road； atmospheric dust concentration； spatio-temporal variability； dust-retention plant design

城市道路是人、車、物流動量和污廢物質排放量較大因而產塵量大而持久的地帶，其塵埃影響范圍不僅是線，而且還控制著一定區域內的面和立體空間。與其他綠地相比，道路綠地的平均單位面積綠量較小，而單位綠量所承載的塵埃量較大；單位綠量所暴露的綠體表面積較大，所承當的塵埃量較大；道路綠地受塵埃污染變化的影響較多、較頻繁；道路綠地受塵埃污染的時間較長；道路綠地的植物組合結構較復雜，對環境的要求和適應性較復雜；對道路綠地的綜合功能要求較多、較高。因此，城市道路大氣中粉塵濃度變化對于城市道路植物的合理配置及其對城市生態環境、生活、生產和經濟的發展有著重要的影響。本研究旨在通過對城市道路大氣中粉塵濃度變化規律及植物滯塵能力已有研究的綜合分析，提出基于大氣中粉塵濃度時空變異的滯塵植物配置，以便為進一步開展道路園林植物滯塵能力研究和充分發揮城市道路園林綠地在治理大氣中粉塵污染方面的作用提供資料。

1 道路大氣中粉塵濃度的時空變異規律

植物滯塵環境中大氣顆粒物質濃度和植物滯塵能力都能反映出植物滯塵的粉塵環境狀況，顆粒物質量濃度高，表明大氣中粉塵污染嚴重。杜雙洋等[1]研究表明，同一樹種因其栽植地不同，其滯塵量也有較大差異，即在道路上的滯塵能力遠高于其在公園內的滯塵能力。張家洋等[2]研究表明，同種道路綠化樹木的滯塵能力表現為污染區>清潔區。高國軍等[3]研究表明，道路的植物葉片吸附顆粒物總量高于校園內的植物，大葉黃楊在道路上吸附顆粒物總量最大，3種植物在道路上對不同粒徑的顆粒物吸附量均大于校園環境下的吸附量，植物葉片對顆粒物的吸附量隨大氣顆粒物濃度增加而增加。亦可表明同一植物滯塵能力強的地方，大氣中粉塵污染嚴重。因此，可用大氣中顆粒物質量濃度和植物滯塵能力的變化表明大氣中粉塵濃度的變化。

1.1 道路大氣中粉塵濃度的時間變異規律

1.1.1 季節變化規律 研究表明，一年中不同季節道路大氣中粉塵濃度有著明顯差別。李龍鳳等[4]研究表明PM10、PM2.5質量濃度在季節變化規律上表現為秋、冬季節高于春、夏季節。趙利容等[5]研究顯示廣州市街道PM2.5、PM10質量濃度的季節變化，冬、春季污染最為嚴重，秋季次之，夏季空氣質量相對較好。張莉[6]研究表明同一采樣地點大部分道路綠化樹種滯塵量的季節動態規律為冬季>秋季>春季>夏季，冬季達到一年的最大值。殷杉等[7]研究顯示交通綠化帶對機動車引起的TSP污染有明顯的凈化作用，其中夏、秋季凈化百分率較高，春、冬季較低。張家洋等[2]研究表明同種道路綠化樹木的滯塵能力表現為秋季>春季。陳治宇[8]對佛山市城區交通PM2.5污染特征的研究中，PM2.5濃度的季節變化規律為秋季>冬季>春季>夏季。劉海榮等[9]以天津市5種常綠灌木為研究對象，表明不同季節植物表現出了不同的滯塵能力，大葉黃楊、沙地柏、小龍柏為秋季>冬季>春季>夏季，鳳尾蘭為冬季>春季>秋季、夏季，小葉黃楊為冬季>秋季>春季>夏季。

1.1.2 日變化規律 研究表明，一日中不同時間道路大氣中粉塵濃度有著明顯差別。李龍鳳等[4]對廣州市街道PM10、PM2.5測定結果表明，PM10、PM2.5質量濃度日變化都呈上午低、下午高、21：00左右（夜間）出現峰值的特征。齊飛艷等[10]研究表明4種粒徑（TSP、PM10、PM2.5、PM1）的空氣顆粒物的濃度在8：00-18：00的日變化趨勢呈傾斜L形，顆粒物濃度上午高，下午低。王月容等[11]、李新宇等[12]對北京市不同主干道綠地群落對大氣PM2.5濃度消減作用的研究表明顆粒物的日變化呈現雙峰單谷型特征，即早晚高，白天低。張靈藝等[13]研究表明植物群落中PM2.5隨時間的大致變化在9：00濃度最低，之后曲折上升，在15：00達到最高，隨后呈現緩慢下降趨勢。徐歡等[14]研究表明綜合各路段監測點以及不同時間段測得的PM2.5濃度，發現其日變化曲線大致呈M形，也是早晚較高、白天則略低。

1.2 道路大氣中粉塵濃度的空間變異規律

1.2.1 道路平面橫向變化規律 垂直道路方向自道路由近及遠大氣中粉塵濃度存在著橫向變化規律。劉青等[15]研究表明粉塵飄落則顯示出在不同距離點，由近及遠呈現規律遞減的現象。灰塵飄落有一定的規律性，在道路兩旁水平方向2 m內灰塵量比較大，當距離在2 m以上位置時，灰塵有明顯的下降，并出現逐步遞減效果。鄭敬剛[16]研究表明6種樹種構成的綠化帶其內側滯塵量均大于外側。王丹丹等[17]研究表明隨著距離的增加滯塵量逐漸減少。

1.2.2 道路立面縱向變化規律 垂直地面方向自道路由近地面向大氣中粉塵濃度存在著縱向變化規律。邱洪斌等[18]研究表明街道附近大氣懸浮顆粒物污染相當嚴重，其中IP濃度在1.5、5.0、10 m 3個高度皆超過國家大氣質量（GB3095-82）三級標準，TSP濃度也大部分超過三級標準。劉青等[15]研究表明垂直方向0.5 m之內揚塵濃度最高，并在0.5 m以上，灰塵呈現遞減規律，在開敞式環境條件下，對同株植物葉片縱向不同高度滯塵量的比較發現，“低”位的滯塵量明顯高于“高”位和“中”位，這是由于北京市在開敞式環境條件下，車輛行人繁多，造成路面較大程度的二次揚塵。江勝利等[19]研究表明在植物葉片不同高度的滯塵能力均表現為下部明顯高于中部和上部。王丹丹等[17]研究表明隨著高度的增加滯塵量逐漸減少。鄭敬剛[16]研究表明由6種樹種構成的綠化帶不同部位的滯塵量表現為下部>中部>上部。

2 道路大氣中粉塵濃度時空變異的原因分析

不同城區不同道路大氣中粉塵濃度時空變異有著其與城市道路自然地理條件、街道道路狀況、交通流量情況等相適應的特點，引起其大氣中粉塵濃度時空變異的原因可歸納為季候變化、天氣變化、街道特征變化、道路級別與方位變化、交通流量變化。

2.1 季候變化

李龍鳳等[4]研究顯示PM10、PM2.5質量濃度在季節變化規律上表現為秋、冬季節高于春、夏季節，這與廣州春、夏季節大氣擴散條件好、降水多，而秋冬季節氣候干燥、少雨、逆溫天氣頻繁出現等氣象條件有關。趙利容等[5]研究顯示廣州市區街道PM2.5、PM10質量濃度的季節變化與廣州亞熱帶季風氣候有關，均在12月出現最高值，7月出現最小值。

2.2 天氣變化

邱洪斌等[18]研究表明TSP濃度與絕對氣溫呈負相關關系，與氣壓呈正相關關系，相對濕度大，TSP濃度降低，TSP濃度隨風速增加而減小，當風速超過一定界限時，風速越大，揚塵污染越重。齊飛艷等[10]研究表明風速和風向對綠化林帶凈化顆粒物有影響，風向與揚塵飄向相反時，不利于來回車輛引起的揚塵的沉降及擴散，風速大時空氣中顆粒物的濃度相對較小，呈負相關。樊文雁等[20]對8、80、240 m 3種高度觀測結果表明，霧、霾、晴3種典型天氣狀況大氣細粒子（PM2.5）質量濃度垂直分布各有特點，霧天低層濃度明顯偏高，霾天細粒子上下混合均勻，晴天細粒子晝夜變化明顯。

2.3 街道特征變化

趙利容等[5]研究表明廣州市街道的顯著特征是路面狹窄，路口多，高架橋縱橫交錯，在近地面形成立體式的污染排放。加之高大密齊的建筑群等產生的峽谷效應，以及廣州地面小風和靜風多的氣象特點均不利于污染物的擴散，污染物在近地面層容易產生累積效應，加重了廣州市區街道的空氣污染。

2.4 道路級別與方位變化

陳瑋等[21]研究表明在沈陽，以檜柏為例，在不同位置的滯塵能力排序為機動車與自行車道分車帶>自行車與人行道分隔帶>公園內同株樹面對街道面>公園內同株樹背離街道面。樊守彬等[22]研究表明城區主干道、次干道PM10排放強度大，郊區國道、市道、縣道和鄉道PM10排放強度逐漸降低。鄭敬剛[16]研究表明不同的道路等級塵埃濃度不同。許妍等[23]研究表明受到每種類型道路車流量不同的影響，TSP、PM10、PM2.5排放強度為環線>主干路>次干路>支路。

2.5 交通流量變化

樊守彬等[22]研究表明交通揚塵PM10排放強度隨車流量的增大而增強。齊飛艷等[10]研究表明道路空氣顆粒物主要來源于來回車輛引起的揚塵，車流量與顆粒物濃度呈正相關。余曼等[24]研究表明滯塵能力與車流量呈正相關。楊柳等[25]研究表明北京常規交通狀況下道路邊大氣中顆粒物濃度在午夜前后、正午前后和交通晚高峰期間顯著增加，符合交通流量的遂時變化規律。楊麗[26]研究表明3種植物滯塵能力與車流量呈顯著正相關關系。徐歡等[14]研究表明PM2.5濃度的日變化曲線與道路車流量變化曲線起伏基本一致。

3 基于道路大氣中粉塵濃度時空變異的滯塵植物配置

城市道路大氣中粉塵濃度存在明顯的時空變異，為了全時域、全方位防治城市大氣粉塵污染，優選出相應的滯塵植物配置模式，需從滯塵植物種的選擇、滯塵植物群落選擇、滯塵綠地系統選擇進行三級優選，構建適應道路大氣中粉塵濃度時空變異規律的、滯塵效益高的滯塵植物配置模式。

3.1 適于當地生長、滯塵效率高、滯塵持久的植物種選擇

城市街道上植物生長的土壤和大氣環境條件較差，地面有行人的踐踏搖碰、損傷和鋪裝路面的強烈輻射，空中有電線電纜的障礙和建筑物的遮陰，地下有地下管線的障礙和傷害等。因此，城市道路綠化植物首先要選擇對城市街道上各種不良條件有較高抗性、較強適生性的植物種，這是滯塵植物種選擇的先決條件。在不同植物種類滯塵能力強弱方面的研究較多，因植物所處位置、環境差異及受研究者主觀因素等影響，導致結論不同，甚至有較大差異。應根據立地條件選擇滯塵能力強的植物種類作為城市道路綠地滯塵植物種。應根據植物滯塵飽和時間和飽和量的不同選擇植物配置。王鳳珍等[27]研究表明各樹種滯塵能力隨時間變化其變化趨勢不同。有的滯塵能力隨時間延長而增大幅度較大，一段時間后達到最大值，如勒杜鵑；有的增大幅度較小，一段時間后達到最大值，如鳳凰木；有的在較短時間內達到其最大值，在一個滯塵周期內滯塵能力變化幅度較小，如蘇鐵。樹種的滯塵能力可能決定其達到最大滯塵量的時間。張放等[28]研究表明，植物葉片的滯塵量不是隨時間無限增長的，隨著滯塵時間的延長，單位時間內的滯塵量緩慢減少。植物葉片的滯塵能力與環境中的降塵量以及滯塵時間有關，植物不同的葉表面結構也對其有一定的影響。楊麗[26]研究表明不同綠化植物葉面滯塵量達到飽和的時間夏季約為12 d，秋季約9 d，且3種植物秋季葉片平均滯塵量大于夏季。高國軍等[3]研究表明不同植物葉片吸附顆粒物能力差異顯著，3種植物中大葉黃楊吸附顆粒物能力最強，毛白楊與洋白蠟吸附顆粒物的能力相近，洋白蠟葉表面易達到最大飽和量。植物種的組成是植物群落的基礎，因此選擇適宜的滯塵植物種不僅保證了植物種具有高效持久的滯塵能力，也是提高植物群落滯塵能力的基礎。

3.2 適于當地道路大氣中粉塵濃度時空變異、植物量合宜的滯塵植物群落的選擇

要求建立適于當地道路大氣中粉塵濃度時空變異的植物群落結構，常綠與落葉植物合理搭配，葉面積與綠量合宜、郁閉度與疏透度適當的滯塵植物群落。

3.2.1 建立適于當地道路大氣中粉塵濃度時空變異的滯塵植物群落結構 馮建軍等[29]研究表明若植物種類多、喬-灌-草立體結構明顯、綠化帶寬，則對大氣污染的凈化效果越顯著，喬-灌-草結構的滯塵能力越強。周志翔等[30]研究表明植物群落滯塵率是多行復層綠帶>單行喬木綠帶。羅曼[31]對武漢市青山區不同群落結構綠地研究表明，對PM2.5、PM5和PM10的消減率為喬-灌-草>喬-草>灌-草>喬木>草坪，對TSP的消減率為喬-灌-草>灌-草>喬-草>喬木>草坪。陳小平等[32]研究表明主干道機非隔離綠化帶的最優結構是喬灌結構，次干道最優結構是喬-灌-草結構，支路3種結構類型（喬灌草、喬灌、灌木）的道路綠化帶對TSP凈化效率差異不明顯。高國軍等[3]研究表明低矮灌木（大葉黃楊）主要吸附地面揚塵，對10～100 μm粒徑的顆粒物吸附比例高于喬木；喬木（毛白楊和洋白蠟）對0.2～2.5 μm粒徑的顆粒物吸附比例高于低矮灌木。徐歡等[14]提出PM2.5的消減作用的強弱與其植物配置方式與植物種類組成有一定的關系，郁閉度較高的多復層群落結構明顯優于郁閉度較低的單層群落結構。對比3塊綠地的植物配置，無論是在遮陰效果還是在PM2.5污染的消減能力上，相對于喬-灌-草的漸次配置類型，道路綠帶中喬+灌+草-喬配置結構都更有優勢。這一點可證明在應對PM2.5方面，喬木能夠起到十分重要的作用。因此，選擇滯塵能力強的喬灌草植物，并以喬灌草不同生活型植物進行合理配置，是提高城市道路綠地滯塵效益的有效途徑。

3.2.2 常綠與落葉植物的選擇與搭配 已有研究表明，常綠與落葉植物的生理特性、生長發育習性、生態環境功能、景觀、栽培管理要點等都有不同，應在綜合各相關影響因素的情況下，基于大氣中粉塵濃度時空變異合理進行常綠與落葉植物的配置。張智勇等[33]研究表明常綠樹與落葉樹在環境景觀、區域生態、落葉清掃、工程建設、樹木養護等方面各有利弊；常綠植物具有樹葉常年保持不變的形態，其四季景色變化較少，只有一些花、果實的變化，而落葉植物則四季變化較大；落葉樹枝葉一般都較大、密集、且多為薄質，而常綠樹一般為小枝葉，且厚革質，對于遮陰降溫的效果落葉樹比常綠樹強；常綠樹的生長速度較慢，且成材較慢，落葉樹則不同，一般生長速度和成材都很快。宜麗娜等[34]研究表明落葉樹葉片內，SOD（超氧化物歧化酶）、CAT（過氧化氫酶）活性、可溶性糖含量和Pro（脯氨酸）含量基本上都高于常綠樹，初步認為落葉樹的抗逆性高于常綠樹。歐陽明等[35]研究表明，落葉與常綠樹種葉的NSC（非結構性碳水化合物）含量差異顯著，常綠樹種葉的NSC大于落葉樹種。亞熱帶落葉與常綠樹種的NSC的儲存、季節動態、轉移和轉化特征均反映出2種生活型樹種的糖適應機制不同，落葉樹通過低存儲、快變化、葉與多年生枝的糖轉移和轉化關系顯著的適應策略，常綠樹則采取高存儲、慢變化、葉與1年生枝的糖轉移和轉化關系顯著的適應策略。廖德寶等[36]研究表明與落葉闊葉樹相反，常綠植物卻可以通過氣孔調節提高水分利用效率和通過電子分配耗散多余能量來適應干旱和低溫的脅迫而使葉片維持四季常綠。白坤棟等[37]研究表明落葉樹種的PNUE（光合氮利用效率）都顯著高于常綠樹種。白坤棟等[38]研究表明常綠樹種比落葉樹種有顯著較高的氮再吸收效率和磷再吸收效率。一些研究者結合當地情況提出了城市道路綠化常綠樹與落葉樹的比例。楊琴軍等[39]認為武漢市道路綠化常綠樹種與落葉樹種1∶1.5較為合適。馬躍等[40]認為重慶市主城區行道樹中常綠喬木與落葉喬木在數量上以1.5∶1為宜。基于常綠植物與落葉植物生理生態特性、栽培管理特點、滯塵作用效果及其時空分配等情況進行常綠與落葉植物的選擇與搭配是提高植物群落滯塵效果的重要環節。

3.2.3 葉面積與綠量合宜、郁閉度與疏透度適當的滯塵植物群落的選擇 殷杉等[7]研究顯示為達到較高的TSP凈化效益，交通綠化帶寬度應不小于5 m，最佳為10 m，采用先灌后喬的配置方式，并更多選常綠樹種；綠地對TSP的凈化百分率同植物群落的郁閉度呈正相關，同疏透度呈負相關關系；綠地內植物郁閉度的最佳范圍為0.70～0.85，疏透度的最佳范圍為0.25～0.33。藺銀鼎等[41]研究表明凈化PM10過程中三因子的重要性排序依次為高度、疏透度、寬度。凈化TSP過程中的重要性依次為疏透度、高度、寬度。王月容等[11]對北京市道路綠地對PM2.5的消減作用的研究指出，其寬度至少要達到30 m左右才能取得較好的滯留顆粒物的作用，同時，復層綠帶要優于單層綠帶。牟浩[42]研究表明道路綠帶對各種大氣污染物削減效率最佳的寬度為10 m。陳小平等[32]研究表明TSP凈化效率與郁閉度呈顯著正相關，當郁閉度在75%～90%時凈化效率保持較高的值，且當郁閉度在85%左右時，凈化效率達到最高值。TSP凈化效率與疏透度呈顯著負相關，在疏透度為15%左右時，凈化效率達到峰值。當疏透度低于10%時，凈化效率呈降低趨勢。王國玉等[43]研究表明道路綠地隨著綠地寬度的增加，綠地消減PM2.5效率呈先升后降，后段趨于平穩的趨勢，根據現有數據情況，在綠地寬度26～36 m段內，PM2.5平均消減率均為負值，且趨勢趨平。因此，在選擇好適宜當地生長的、滯塵能力強的植物種，合理地進行各植物種搭配的情況下，建立起葉面積與綠量合宜、郁閉度與疏透度適當的滯塵植物群落，才能更好地發揮其滯塵作用。

3.3 道路滯塵綠地系統的配置

在依據城市道路大氣中粉塵濃度的時空變異進行植物配置時，植物種類滯塵能力是植物群落滯塵能力的基礎，植物群落滯塵能力是植物綠地系統滯塵能力的基礎，而植物綠地系統則是發揮植物滯塵效益的最高級植物配置形式，因而應通過城市道路綠地系統的規劃和管理，充分發揮植物滯塵效益。祝寧等[44]提出，從綠地到綠地系統是一個很大的進步，因為它的起點更高，視角更廣，從而使城市綠地系統的規劃和管理更全面、更科學。周志翔等[45]提出，當綠地覆蓋率小于40%時，綠地整體生態效益的發揮主要取決于綠地的內部結構和空間布局。魏斌等[46]提出，通過對國內外城市綠地效果的分析發現，當綠地覆蓋率小于40%～60%時，綠地的內部結構和空間分布的程度更顯示其重要性。道路滯塵綠地系統包括各級道路廊道綠地、路旁小游園、高架橋綠地、路角綠地斑塊、導向島綠地等，這是一個通過將各級道路廊道綠地與各類塊狀綠地在平面與立面數量、規模、層次和分布上，在結構、特性和功能上，構成的相互聯系、相互制約的有機的、系統的、動態的、開放的、網絡化的綠地系統。合理地進行道路滯塵綠地系統的配置需考慮區域立地條件（地形、地貌、土壤、氣候等）、區域滯塵環境（滯塵環境的平面、立面、季節、日變化等）、交通狀況（街道特征、道路級別與方位、交通流量等）、植物配置（植物種類、植物群落結構、植物生長特性如生長快慢與體型大小等）、功能需求（景觀、生態、環境、建造、文教功能等）等方面的基礎。

4 小結

對城市道路大氣中粉塵濃度的季節變化、日變化、道路平面橫向變化、道路立面縱向變化等時空變異規律進行綜述和分析，將道路大氣中粉塵濃度時空變異的原因歸納為季候變化、天氣變化、街道特征變化、道路級別與方位變化和交通流量變化。對適于當地生長、滯塵效率高、滯塵持久的植物種選擇、適于當地道路大氣中粉塵濃度時空變異、植物量合宜的滯塵植物群落的選擇、道路滯塵綠地系統的配置進行了分析，提出了基于道路大氣中粉塵濃度時空變異的滯塵植物配置。

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