植物配置對交通道路氣態(tài)污染物的凈化效益研究

胡 眸，殷 杉，湯曉敏

（上海交通大學，上海 200240）

近年來，隨著城市化進程加快，機動車保有量不斷增加，成為PM2.5、SO2、氮氧化物等污染物的主要來源[1-3]。我國城市大氣污染類型已經(jīng)從煤煙型污染轉化為煤煙型與機動車尾氣污染共存的復合型污染[4]。 研究表明，受交通污染危害最嚴重的是交通干道及兩側街道50 m 以內(nèi)、1.7 m 以下的低空范圍，此范圍也正是行人的呼吸區(qū)域，極易對行人造成傷害[5]。因此，有效控制機動車污染是改善空氣質(zhì)量的必要舉措。綠色植物可通過吸收有害氣體、吸滯粉塵等作用改善空氣質(zhì)量。因此，利用植物群落來緩解大氣污染狀況已經(jīng)成為城市生態(tài)研究中一個新興領域，國內(nèi)外近年來有大量相關研究報道[6-9]。例如：Joshi[10]研究認為干沉降過程是城市植被凈化污染物的主要機制；關文彬等[11]和周堅華等[12]研究表明大氣顆粒物通過重力沉降或者碰撞作用，從大氣中沉降到葉片表面；還有學者認為植物進行光合作用和呼吸作用時會發(fā)生氣體交換，氣態(tài)污染物如SO2和NO2可以被植物葉孔吸收。

目前已報道的研究有從微觀尺度關注植物葉片如何凈化污染物的，也有從宏觀尺度關注城市全部綠地對空氣污染凈化效果的。但從植物群落這個尺度上開展研究的較少，而植物配置可由市政綠化工程控制，該尺度的研究成果可直接應用于城市綠化，具有較強的現(xiàn)實指導意義。該研究通過采集環(huán)境樣本，對植物群落生態(tài)效益和植物群落配置指標進行量化表征，分析各指標之間的關系，以期探明不同植物群落配置模式對空氣污染的凈化能力。該研究結論可用于評價現(xiàn)有城市綠化植物配置的合理性，進而為城市綠化種植模式設計提供指導和建議。

1 技術路線

該研究的技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線

2 材料與方法

2.1 研究樣地的選擇

在上海浦東地區(qū)選擇了有代表性的龍東大道作為研究區(qū)域。道路旁側有寬于15 m 的綠化帶，綠化帶后多為空曠地或者低矮的房屋。在由西至東長10 km的路段（緯度31°13′附近，經(jīng)度121°34′～121°39′之間）選擇了10 個樣地（從LD-1 到LD-10 依次編號）與1個空白對照（LD-0）。單個樣地大小為20 m×15 m，每塊樣地按離道路邊緣的距離0、5、10、15 m 設置4個取樣點，每個樣品重復3 次。

2.2 植物群落配置狀況的表征

郁閉度和疏透度能比較直觀的反應植物結構緊密程度，以葉面積指數(shù)和冠容積為主要標志的綠量，是決定綠地系統(tǒng)生態(tài)效益大小最具實質(zhì)性的因素[9]。郁閉度、疏透度和綠量可以作為衡量不同綠地生態(tài)效益的重要參數(shù)。該研究首先對10 個采樣區(qū)域內(nèi)的植物群落進行了詳細調(diào)查，并計算出各采樣區(qū)域內(nèi)植物群落的郁閉度、疏透度、二維綠量和三維綠量。

郁閉度指樹冠垂直投影面積與林地總面積之比；郁閉度越大表明植物結構越密；該指標計算方法為樣地兩對角線上樹冠覆蓋的總長度與兩對角線的總長之比[10]。疏透度是指林帶縱斷面透光空隙的面積與縱斷面面積之比；疏透度越小表明植物結構越緊密；該指標采用數(shù)碼相機拍攝樣地照片，用“數(shù)字圖像處理法”進行計算[11]。植物群落的二維綠量指單位土地面積上植物葉片面積占土地面積的倍數(shù)，采用冠層分析儀直接測量。三維綠量采用周堅華等[12]“以平面量模擬立體量”的方法計算，利用樹冠體積綠量模型可以計算出一定冠徑植株的樹冠體積，即：將樣地所有植物的樹冠體積相加得出總冠體積，除以樣地面積300 m2，再除以單位長度1 m，得到不含單位的標準指標值。

2.3 污染物凈化效益的測量與計算

采用Graywolf 氣體檢測儀檢測SO2和NO2濃度，每個采樣點連續(xù)記錄5 min 數(shù)據(jù)。對照組為龍東大道某段無植被覆蓋的鋪裝地面，采用相同方法同步采樣。選擇晴朗、無風或者微風天氣采樣，采樣高度1.5 m，接近人呼吸道高度。每次在各采樣點采集3 個平行樣，取其平均值作為采樣值。該研究中，植物群落對污染物的凈化效益用污染物的凈化百分率進行表征，凈化百分率（%）= （Cs-Cm）/Cs×100，其中，Cs為道路邊的污染物濃度，Cm為綠地中相應污染物的濃度。

2.4 數(shù)據(jù)記錄與處理方法

該研究使用Microsoft Excel 軟件進行數(shù)據(jù)記錄和作圖。使用SPSS 軟件對植物群落各項參數(shù)（郁閉度、疏透度、二維綠量、三位綠量）與污染物凈化效益（NO2的凈化百分率、SO2的凈化百分率）兩兩分別進行相關性分析和顯著性檢驗，得到相關性系數(shù)R和顯著性水平P。兩變量是否相關看P值，如果P＜0.05，就說明兩變量有線性關系，顯著相關；如果P＜0.01，則認為極顯著相關。相關的程度則看相關系數(shù)R值，取絕對值后，0～0.09 為沒有相關性，0.1～0.3 為弱相關，0.3～0.8 為一般相關，0.8～1.0 為強相關。

3 結果與分析

3.1 不同樣地的氣體污染物凈化效益比較與分析

3.1.1 NO2凈化效益分析 調(diào)查顯示，各樣地植物群落的NO2凈化效益從路邊向外擴均呈上升趨勢。有植被覆蓋的綠地對NO2的凈化百分率在10.0%～25.0%之間，而無植被覆蓋的裸地（CK）對NO2的凈化百分率約為5.0%，說明植物群落對NO2有較顯著的凈化效益。從圖2 可以看出，各采樣點對NO2的凈化效益也存在差異，采樣點LD-5 和LD-6 對NO2的凈化作用最好，凈化百分率接近25%。各樣地之間凈化效益的差異與各樣地植物群落配置情況差異有關。從4季平均值來看，各樣地NO2凈化效益由高到低排序依次為LD-5 ＞LD-6 ＞LD-9 ＞LD-3 ＞LD-10 ＞LD-8＞LD-7 ＞LD-4 ＞LD-1 ＞LD-2。

3.1.2 SO2凈化效益分析 調(diào)查顯示，各樣地植物群落的SO2凈化效益從路邊向外擴也表現(xiàn)出上升趨勢。有植被覆蓋的綠地對SO2的凈化百分率在15.0%～ 30.0%之間，而無植被覆蓋的裸地（CK）對SO2的凈化百分率約為5.0%，說明植物群落對SO2有較顯著的凈化效益。從圖3 可以看出，各采樣點對SO2的凈化效益也存在差異，采樣點LD-5 和LD-6 對SO2的凈化作用最好，凈化百分率接近30%。各樣地之間凈化效益的差異與各樣地植物群落配置情況差異有關。從4 季平均值來看，各樣地對SO2凈化效益由高到低排序依次為LD-6 ＞LD-5 ＞LD-10 ＞LD-4 ＞LD-8 ＞LD-9 ＞LD-7 ＞LD-3 ＞LD-2 ＞LD-1。

3.2 氣體污染物凈化效益與植物群落表征指標的關系

經(jīng)過調(diào)查和計算，得到各采樣區(qū)域不同季節(jié)植物群落的配置參數(shù)。在植物生長旺盛的夏季，采樣區(qū)域內(nèi)的郁閉度、綠量較大；而在冬季，郁閉度、綠量則較小。疏透度反之。將污染物凈化百分率與植物群落表征指標進行線性回歸分析，可以得出如下結論。

3.2.1 NO2、SO2的凈化百分率與郁閉度的關系 植物群落對2 種氣體污染物的凈化效益與郁閉度成正相關關系，NO2的凈化百分率與郁閉度的相關性系數(shù)R=0.237，P=0.141 ＞0.05，表明郁閉度與NO2凈化效益相關性不顯著。SO2的凈化百分率與郁閉度的相關性系數(shù)R= 0.233，P=0.148 ＞0.05，表明郁閉度與SO2凈化效益之間的相關性同樣不顯著。

3.2.2 NO2、SO2的凈化百分率與疏透度的關系 植物群落對2 種氣體污染物的凈化效益與疏透度成負相關關系，NO2的凈化百分率與疏透度的相關性系數(shù)R=-0.347，P=0.028 ＜0.05，表明疏透度與NO2凈化效益顯著相關，但相關性較弱。SO2的凈化百分率與疏透度 的相關性系數(shù)R=-0.323，P=0.042 ＜0.05，表明疏透度與SO2凈化效益之間同樣顯著相關，但相關性較弱。

圖2 不同樣地不同季節(jié)植物群落的NO2 凈化效益

圖3 不同樣地不同季節(jié)植物群落的SO2 凈化效益

3.2.3 NO2、SO2的凈化百分率與二維綠量的關系 植物群落對2 種氣體污染物的凈化效益與二維綠量成正相關關系，NO2的凈化百分率與二維綠量的相關性系數(shù)R=0.574，P=0.000 ＜0.01，表明二維綠量與NO2凈化效益極顯著相關，但相關性一般。SO2的凈化百分率與二維綠量的相關性系數(shù)R=0.494，P=0.001＜0.01，表明二維綠量與SO2凈化效益之間同樣極顯著相關，但相關性一般。

3.2.4 NO2、SO2的凈化百分率與三維綠量的關系 植物群落對2 種氣體污染物的凈化效益與三維綠量成正相關關系，NO2的凈化百分率與三維綠量的相關性系數(shù)R=0.854，P=0.000 ＜0.01，表明三維綠量與NO2凈化效益極顯著相關，且相關性較強。SO2的凈化百分率與三維綠量的相關性系數(shù)R=0.740，P=0.000＜0.01，表明三維綠量與SO2凈化效益之間同樣極顯著相關，但相關性一般。研究還發(fā)現(xiàn)，當三維綠量達到5 m3/m2以上時，空氣中的NO2和SO2能獲得20%以上凈化率，而對三維綠量影響較大的是植物群落中常綠樹種的占比。

3.3 交通綠化帶植物群落配置模式建議

通過對市政園林部門、景觀公司的調(diào)研，結合該研究結果，給出交通綠化帶植物群落配置建議如下：在不影響植物自身生長的情況下，保證合理的郁閉度、疏透度的同時，盡可能提高二維綠量、三維綠量；從距離路邊由近到遠，依次為草本、灌+草結構、喬+草結構；灌木高度應高于喬木第一枝（由下往上）高，可以較好的提高污染凈化效益，同時避免喬灌草結構帶來的植物生長不良；常綠樹種比例要較高，同時要保證景觀的季相變化之美以及群落的生物多樣性，推薦常綠植物比例在65%～85%。該研究對典型交通綠化帶進行了初步的景觀設計配置，如圖4 和圖5 所示。

4 小 結

植物群落對大氣污染中的氣體污染物有較為明顯的凈化作用，交通干道兩側15 m 寬的綠地對氣體污染物NO2的凈化百分率為10%～25%，對SO2的凈化百分率為15%～30%。對氣體污染物的凈化效益均表現(xiàn)出夏季高于冬季。

圖4 交通綠化帶植物群落配置模式一

圖5 交通綠化帶植物群落配置模式二

植物群落對氣體污染物的凈化效益是與郁閉度成正相關關系，但相關性不顯著；與疏透度成顯著負相關關系，相關性一般；與二維綠量、三維綠量均成極顯著正相關關系，其中與三維綠量的相關性最強，當三維綠量達到5 m3/m2以上時，空氣中的NO2和SO2能獲得20%以上凈化百分率。

根據(jù)研究結論和景觀設計學相關知識，對交通綠化帶植物群落配置提出相關建議，并設計了2 種具體的植物群落配置模式；從距離路邊由近到遠，模式一依次為麥冬、火棘、雪松、桂花、狗牙根、香樟，模式二依次為小葉黃楊+紅花檵木、紅花酢漿草+狗牙根、夾竹桃、女貞、二月蘭、水杉。