城市道路林對細顆粒物(PM2.5)的阻滯作用解析

劉浩棟，陳亞靜，李清殿，肖 茂，郭慧玲，申衛星，譚亞軍，李傳榮

（1.中國林業科學研究院 資源信息研究所，北京 100091；2.山東農業大學 山東泰山森林生態系統國家定位觀測研究站/黃河下游森林培育國家林業和草原局重點實驗室，山東 泰安 271018；3.鄒城市自然資源和規劃局，山東 濟寧 273500；4.泰山風景名勝區管理委員會，山東 泰安 271000）

有研究表明，植物的葉表面結構和生理生化特性對細顆粒物(PM2.5)有吸附和凈化作用，植物類型不同其所發揮的效果也不同[1-2]。目前，國內外學者針對PM2.5的詳細研究主要包括其組成來源[3-4]、化學組成分析[5-6]、去除途徑等方面[7]；有關城市森林對PM2.5的阻滯作用研究也多有涉及，尤其是不同配置模式的城市綠地對PM2.5的阻滯作用，以及小氣候因子與林帶減塵率的關系等[8-11]。可見，城市森林阻滯PM2.5作用研究一直是相當重要的研究方向。城市道路林是城市森林的重要組成部分，在阻滯吸附大氣顆粒物、改善空氣質量、美化城市環境等方面發揮著重要作用[12-13]。因此，如何利用有限的城市用地，構建防塵抑霾且兼具美學功能的環境友好型城市道路林是亟待解決的難題之一。基于此，本研究選擇了山東省泰安市3種結構共12種不同配置模式的城市道路林，通過分析林帶內外的PM2.5在時間和空間中的變化規律，不同配置模式的道路林對PM2.5的阻滯效果以及小氣候因子與林帶阻滯率的關系等方面探討以下問題：①PM2.5在城市道路林內外是如何隨著時間和空間變化的？②不同配置模式的道路林對PM2.5的阻滯功效是否相似？何種配置的林帶減塵率最佳?③林帶在發揮減塵效果時，小氣候因子是否發揮了功效？它們之間有何關系？最終目的是探索何種配置的城市道路林的防塵抑霾效果最佳，并根據研究結果對城市森林的合理建設提供建議和數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省泰安市(35°38′～36°28′N，116°20′～117°59′E)，屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫為13.0 ℃，7月氣溫最高，平均26.4 ℃；1月份最低，平均-2.6 ℃；年平均降水量697.0 mm。主導風向為東北季風，多年平均風速2.7 m·s-1，8、9月最小，平均2.0 m·s-1以下；3、4月最大，平均3.7 m·s-1。市內植物資源豐富，泰山風景區和徂徠山國家森林公園坐落其中，綠化總面積為215 km2，森林覆蓋率達80%，植物種類繁多。中心城區行道樹、濱河綠地、環城綠帶、城郊結合部的路網綠帶發達，可為城市和郊區之間開辟輸氧通道，進一步改善城市生態環境。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與調查 于2016年3月選取了3種道路林結構類型：針闊混交喬木(A)、喬灌草(B)、單行喬木(C)，每種結構類型選擇3～6塊具有不同植物配置模式的樣地，各樣地內的植被組成見表1。為比較PM2.5在不同水平梯度的城市道路林內的變化規律，A結構設置樣地為20 m×20 m，B結構設置樣地為40 m×40 m，C結構設置樣地為10 m×10 m，林內垂直于道路邊每隔5 m設置一組取樣點，3組重復，在每處樣地的林外裸地無植被處設置對照點(ck)，計算平均減塵率。對樣地進行植物群落學調查，包括林分郁閉度，喬木層平均冠幅、平均高度；灌木、草本層的平均高度和蓋度(表2)。

表1 12種城市道路林樣地的植被組成Table 1 Vegetation composition of 12 urban road forest plots

表2 12種城市道路林樣地的林分特征Table 2 Stand characteristics of 12 urban road forest plots

1.2.2 監測內容與指標 于2016年4月至2017年1月，選擇晴朗或微風(風力＜3級)天氣，每個月上中下旬各取3 d，使用Dustmate粉塵測試儀(分辨率：0.001 μg·m-3)同步監測所有樣地，每個監測點取3次重復，監測時間段為8:00-18:00，隔2 h監測1次。采樣高度為距離地面1.5 m處(人體的呼吸高度)。氣象因子對PM2.5質量濃度影響顯著，尤其是霧霾天或濕度較大的天氣，故同步監測相對濕度、溫度和風速3種氣象因子。

1.3 數據處理

使用Excel 2013匯總整理原始實驗數據，各樣地內調查指標計算平均值和標準偏差；依據PM2.5質量濃度限值標準[14](表3)評價污染等級；計算各樣地PM2.5阻滯率[14]，計算公式：BPMi=[(Cs-Ci)/Cs]×100%。其中：BPMi為第i個樣地PM2.5阻滯率，Cs為對照點PM2.5質量濃度，Ci為第i個樣地的PM2.5質量濃度。

使用SPSS 18.0進行數理統計與分析，對林地內PM2.5質量濃度和阻滯率進行單因素方差分析，并和氣象因子間進行相關性分析，顯著性水平設定為α=0.05。

表3 空氣質量分級指數及對應PM2.5質量濃度限值Table 3 Air quality grading index and corresponding PM2.5 concentration limit

2 結果分析

2.1 城市道路林內外PM2.5時間變化特征

如圖1所示：12種道路林及ck內的PM2.5日變化表現出相似性，早晚高，中間低，變化曲線近似“U”形。8:00最高，之后逐漸下降，10:00達到低谷后逐漸上升，12:00左右達到峰值后又逐漸下降，14:00達到最小值，之后逐漸升高，18:00又達到峰值。從全年變化角度分析，道路林及ck內的PM2.5年變化規律表現為冬季(136.74～194.18 μg·m-3)＞秋季(63.48～104.96 μg·m-3)＞春季(28.68～36.31 μg·m-3)＞夏季(13.30～19.13 μg·m-3) (表4)；4個季節及季節均值都表現為林內＜ck；春夏季節，林內對比ck差異較小，差值分別在8.00 和6.00 μg·m-3范圍內波動，ck與林內的PM2.5質量濃度之比分別為1.00∶1.27和1.00∶1.44；秋冬季節差值分別在41.00和57.00 μg·m-3范圍內波動，PM2.5質量濃度之比分別為1.00∶1.65和1.00∶1.42。

圖1 城市道路林內外PM2.5日變化特征Figure 1 Diurnal variation characteristics of PM2.5 inside and outside urban forests

依據環境空氣質量標準(表3)，春夏季節道路林內PM2.5質量濃度在所有監測時段空氣質量為優；秋冬季節在8:00和18:00，空氣質量達到中重度污染，其他時間監測時段為良。

2.2 PM2.5水平空間變化特征

PM2.5在水平空間上的變化因季節表現出差異(圖2～4)。春夏季節，PM2.5質量濃度在不同水平梯度(10、20、30 m)中表現為從ck向林內逐漸遞減，即PM2.5質量濃度從大到小依次為10、20、30 m，減少幅度為12.53%～16.79%。秋冬兩季，PM2.5質量濃度則從ck向林內呈遞增趨勢，具體表現為從林帶邊緣1 m處開始增加，15～25 m處達到峰值，25 m之后逐漸減少，30 m位置處達到最低值。對比ck發現，PM2.5質量濃度在0～25 m以內高于ck，只在25～30 m處低于ck，減少幅度為4.37%～10.76%，且表現出林帶寬度越大，阻滯率越高的趨勢。

表4 城市道路林內外PM2.5季節均值Table 4 Seasonal mean value of PM2.5 inside and outside urban roads

圖2 A結構城市道路林PM2.5水平空間變化特征Figure 2 Horizontal spatial variation characteristics of PM2.5 in urban forests with A structure

2.3 城市道路林對PM2.5阻滯效果

根據圖5可知：春季，12種道路林對PM2.5均有阻滯效果，減幅最高的是A1(針闊混交喬木)、C1(喬灌草)、C2(喬灌草)，分別減少15.12%、12.89%、13.63%，顯著高于其他林帶(5.86%～9.52%)(P＜0.05)；夏季，減幅最高的是C3(喬灌草)、A2(針闊混交喬木)，分別減少28.84%、27.26%，其他林帶平均減幅為13.86%～25.78%。可見，夏季雨水多，林帶內植物經過風力和雨水的沖刷后滯塵能力較強。秋季，林帶滯塵效果均較差，且差異性顯著(P＜0.05)，只有A5(針闊混交喬木)、B3(單排喬木)有正消減，平均減幅分別為4.68%和5.62%，其他林帶均為負值(-1.35%～-11.50%)。冬季削減能力也較差，且差異性顯著(P＜0.05)，只有B1～B3(單排喬木)和喬灌草結構(C2、C3)阻滯率為正值，分別為7.22%、3.15%、8.08%、1.53%、3.47%，其他均為負值(-0.17%～-7.59%)。

圖3 B結構城市道路林PM2.5水平空間變化特征Figure 3 Horizontal spatial variation characteristics of PM2.5 in urban forests with B structure

圖4 C結構城市道路林PM2.5水平空間變化特征Figure 4 Horizontal spatial variation characteristics of PM2.5 in urban forests with C structure

圖5 12種配置模式的城市道路林對PM2.5阻滯效果Figure 5 Blocking effect of urban road forests in 12 configuration modes on PM2.5

2.4 氣象因子的影響

2.4.1 氣象因子與林帶內PM2.5質量濃度的相關性 如表5所示：在一定范圍內，PM2.5質量濃度與風速存在負相關(P＜0.05)，春、秋、冬3個季節相關性分別達到顯著、極顯著、顯著(r=-0.619 0、-0.862 0、-0.680 0)，夏季相關不顯著；與相對濕度存在正相關(P＜0.05)，春、夏2季相關性達到顯著、極顯著(r=0.670 0、0.767 0)，其他季節相關性不顯著；與氣溫存在正相關關系(P＜0.05)，秋、冬2季相關性達到極顯著(r=0.924 0、0.853 0)，其他季節相關性不顯著。

2.4.2 氣象因子與城市道路林PM2.5阻滯率的相關性 由表6可知：PM2.5阻滯率與氣象因子存在一定的相關性，4個季節與風速基本呈負相關，但相關性不顯著；PM2.5阻滯率與相對濕度在秋季達到極顯著正相關(P＜0.01，r=-0.847 0)，其他季節均不顯著；與氣溫存在負相關關系(P＜0.05)，秋、冬2個季節下相關性分別達到極顯著、顯著(r=-0.862 0、r=-0.654 0)，其他季節相關性不顯著。

表5 PM2.5質量濃度與氣象因子的偏相關系數Table 5 Partial correlation coefficient between PM2.5 concentration and meteorological factors

表6 城市道路林PM2.5阻滯率與氣象因子的偏相關系數Table 6 Partial correlation coefficient between PM2.5 block rate and meteorological factors in urban road forests

3 討論和結論

城市中的PM2.5主要來源于生活排放、地面揚塵和交通排放等。PM2.5的變化和人們的生活習慣密切相關，而其沉降是一個復雜的過程，氣流運動、環境因子等因素都可能會對PM2.5的沉降產生影響。本研究中，道路中(ck)PM2.5日變化規律均表現為早晚高，中間低，峰值出現在8:00和18:00，主要原因是此時正值上下班高峰期，道路上車輛增加，導致排放的顆粒物增加，其次是來往的車輛會引起地面揚塵。而林帶內PM2.5日變化與道路一致，這說明林帶對PM2.5的阻滯作用有協同作用。早晚溫度較低，濕度較大，不利于大氣的輸送和擴散，因此導致PM2.5在林內外積聚，不易擴散[15-16]；正午前后，車輛減少，氣溫升高，相對濕度減小，太陽光照增強，大氣對流和湍流強烈，有利于大氣的擴散運動[17]，PM2.5由林緣向林內逐漸擴散，同時，林內植物對顆粒物發揮了阻滯作用，故PM2.5質量濃度下降且低于早晚[18]。

一般來說，PM2.5存在季節性差異。前人研究表明：PM2.5質量濃度年變化從高到低依次為冬季、春季、秋季、夏季[19]。也有學者認為：PM2.5質量濃度秋季高于春季[20]。本研究結果顯示：PM2.5質量濃度年變化從高到低依次為冬季、秋季、春季、夏季，與前人結果存在一定差異；這種季節性規律的主要原因應該與大氣擴散條件的季節差異以及排放源的冬、夏季差異有關。研究表明：降水通過慣性碰并過程和布朗擴散作用可沖刷附著在葉面上的顆粒物，同時也能有效減少空氣中顆粒物含量及地表揚塵，從而增加植物葉片對顆粒物的循環吸附能力[21-22]。泰安市夏天雨水充沛，對PM2.5的沖刷效果明顯，同時，氣溫高，大氣垂直對流作用強，這些因素使得PM2.5不易聚集，質量濃度減少，故夏季達到最低[20]；而秋冬季燃煤排放源增加及霧霾天氣多發，導致在秋冬季居高不下。而春秋季節的差異主要和植物的生長期、氣候變化等有關[23]。相關植物和氣象因素是影響空氣中PM2.5阻滯效應的主要因素。本研究表明：PM2.5在水平空間上具有季節性差異，其主要原因是城市道路污染源向四周持續線性擴散輸送污染物，表現為進入慢、累積慢、消散慢的特點，道路林內的植被在吸附PM2.5時過程緩慢，短時間內容易累積在林內，隨著林帶寬度的增加，林內參與削減PM2.5的植被增加，因此，春夏季節呈現ck至林內逐漸降低的趨勢。但秋冬季節，在林帶內25 m處，PM2.5質量濃度增加，這可能是由于此處的的風速降低，導致PM2.5沉降[18,24]。

不同配置模式的城市道路林對PM2.5的阻滯率季節差異明顯。本研究結果表明：春夏季節對PM2.5有正向的阻滯效應，阻滯能力最強的是喬灌草結構，其次是針闊混交喬木結構、單排喬木結構；主要原因是喬灌草結構具有良好的降低風速的功能和立體化滯塵效果；而秋冬季節，只有A5(針闊混交喬木)、B1～B3(單排喬木)和喬灌草(C2、C3)阻滯效果較好，其余均富集PM2.5。這可能和樣地內樹種組成以及環境因子有關。本研究樣地內種植有松柏類和高大闊葉類喬木植物，松柏類針葉樹針葉細長、枝莖復雜且全年有葉期，其吸附顆粒物的能力在秋冬季節強于闊葉樹，且能夠分泌樹脂，可減少吸附顆粒物的彈回比例[25-27]；而喬木類樹種林冠層茂盛、葉面積指數大、林分郁閉度較高等比灌木和草本植物更能有效阻滯大氣顆粒物，同時對空氣流動的影響比針葉類喬木更強，更易使周邊空氣形成湍流，從而為顆粒物沉降提供有利條件，促進植物對顆粒物的吸附[28-29]。但大氣顆粒物的組成成分復雜，不同樹種的滯塵能力又有很大差異[30]，對于單一樹種的滯塵能力需進一步研究和探討。

一般來說，風速與PM2.5呈負相關關系，而溫濕度呈正相關關系。本研究結果顯示：氣象因子和PM2.5相關關系與前人的研究結果一致，但是阻滯率與氣象因子的相關關系變具有季節性。本研究表明：阻滯率和氣溫為負相關關系，與吳兌[31]的研究結果相反。這可能是植物葉面氣孔的張合有關；春秋冬季阻滯率與風速成負相關，主要是和風力大小有關，合適的風力(5 m·s-1)可通過水平輸送和稀釋擴散效應降低顆粒物濃度，風力過強或過弱都可能會對植物吸附能力產生反效果，也有學者認為：風力大時較風力小時吸附效果更好[32]。春季阻滯率與相對濕度呈負相關關系，這和呂鈴鑰等[23]的研究結構相反。這可能和春季植物生長有關。

本研究結果表明：林帶對PM2.5阻滯效應表現出強烈的季節性，受車輛、氣候和植被類型等多維生態因子的交互作用，尤其是植被的作用機制，因此，在探討道路林對PM2.5的作用時應充分考慮多維生態因子的協同作用。建議在城市道路林建設中合理增加林帶寬度及加大常綠針葉喬木和灌草的比例。