冬季 3 種高綠量道路防護林對PM2.5的消減作用

劉宇 王曉立 許純領 蔣亞華 葛珩 董蓉

摘要：【目的】明確不同道路防護林對PM2.5的消減作用及其與主要氣象因子的相關性，為篩選消減能力較強的道路防護林結構提供科學依據?！痉椒ā恳远咎K北地區綠量較高的3種道路防護林[常綠針葉雪松（Cedrus deodara）純林、常綠闊葉香樟（Cinnamomum camphora）純林及垂柳（Salix babylonica）與龍柏（Sabina chinensis）混交林]為研究對象，連續監測防護林距道路不同林帶寬度（10、20、30、40、50和60 m）處的PM2.5濃度、溫度、相對濕度、風速及光照強度，以防護林與城市主干道邊緣的交接處（0 m）為參照，分析不同道路防護林對PM2.5的消減作用及其與主要氣象因子的相關性?！窘Y果】3種道路防護林不同林帶寬度的PM2.5濃度日變化規律均呈午間高、早晚低的特征;對應的PM2.5濃度均值分別在106～131、100～125和100～127 μg/m3，均超出GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的二級濃度標準（PM2.5二級濃度標準限值為75 μg/m3），說明監測期間3種道路防護林的PM2.5污染較嚴重。3種道路防護林對PM2.5的消減率均值排序為雪松純林（8.09%）>香樟純林（4.54%）>垂柳與龍柏混交林（1.82%）。其中，雪松純林對PM2.5的消減率隨著林帶寬度的增加逐步上升;香樟純林除了在林帶寬度20～30 m處的PM2.5消減率略有下降外，其消減率也隨著林帶寬度的增加呈上升趨勢;垂柳與龍柏混交林的PM2.5消減率較低，且隨著林帶寬度的增加其消減率出現明顯起伏變化，但整體上呈下降趨勢。3種道路防護林的PM2.5消減率與溫度呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與相對濕度呈極顯著負相關;對應線性回歸方程分別為y=0.484x+0.654（R2=0.175）和y=-0.095x+11.682（R2=0.377）?！窘Y論】雪松純林對PM2.5的消減能力較強，可作為強滯塵能力防護林帶選用;而垂柳與龍柏混交林在林帶寬度0～20 m處的PM2.5消減作用較明顯，可作為道路邊緣綠化帶選用。

關鍵詞： 道路防護林;PM2.5;消減作用;氣象因子

中圖分類號： S731.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2020）09-2220-07

Role of three kinds of road shelterbelts with high green biomass in reducing PM2.5 in winter

LIU Yu1，2， WANG Xiao-li1，2， XU Chun-ling3， JIANG Ya-hua1， GE Heng1， DONG Rong1

（1Architecture and Civil Engineering of Suqian College， Suqian，Jiangsu? 223800，China; 2College of Biology and Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing? 210095， China; 3Jiangsu Suqian Environmental

Monitoring Center，Suqian， Jiangsu? 223800， China）

Abstract：【Objective】The objective of the research was to clarify the reduction effect of different road shelter forests on PM2.5 and their correlation with the major meteorological factors， thus providing a scientific basis for screening the structure of road shelter forests with strong reduction ability. 【Method】Three kinds of road shelter forests （Cedrus deodara forest， Cinnamomum camphora forest and mixed forest of Salix babylonica and Sabina chinensis） with high green biomass in the northern area of Jiangsu Province in winter were taken as the research objects to continuously monitor the PM2.5 concentration， temperature， relative humidity， wind velocity and light intensity at different forest belt widths （10， 20， 30， 40， 50 and 60 m） of the shelter forest away from the road. And then， the junction （0 m） of the shelter forest and the edge of urban main road was regarded as a reference to analyze PM2.5 reduction effects of different road shelter forests and their relation with main meteorological factors. 【Result】The daily variation of PM2.5 concentration at different forest belt widths of the three kinds of road shelter forests showed the characteristics of high in the daytime and low in the mor-ning and evening. Meanwhile， the corresponding mean PM2.5 concentrations were 106-131， 100-125 and 100-127 μg/m3， respectively， all of which exceeded the secondary concentration standard in GB 3095-2012 Ambient Air Quality Standard （the standard limit of PM2.5 secondary concentration was 75 μg/m3）， indicating that the PM2.5 pollution of the three kinds of road shelter forests was serious during the monitoring period. The mean reduction rate of PM2.5 in the three kinds of road shelter forests was sorted as C. deodara forest （8.09%）>C. camphora forest（4.54%）>mixed forest of S. babylonica and S. chinensis （1.82%）. Among them， the reduction rate of PM2.5 in the C. deodara forest gradually increased with the increase of the forest belt width; the reduction rate of PM2.5 in the C. camphora forest increased with the increase of the forest belt width， except that the reduction rate of PM2.5 at the forest belt width of 20-30 m decreased slightly. The reduction rate of PM2.5 in the mixed forest of S. babylonica and S. chinensis was relatively low and showed obvious fluctuations with the increase of forest belt width， and presented downward trend in general. The reduction rate of PM2.5 in the three kinds of fo-rests were extremely positively correlated with temperature（P<0.01，? the same below）， and extremely negatively correla-ted with humidity， the corresponding linear regression? equations were y=0.484x+0.654（R2=0.175） and y=-0.095x+11.682（R2=0.377）. 【Conclusion】C. deodara shows superb capability of PM2.5 reduction， which can be used as protection forest belt for dust retention. Mingled forests of S. babylonica and S. chinensis shows obvious PM2.5 reduction at 0-20 m of forest belt width， which can be used as green belt for road edges.

Key words： road shelterbelts; PM2.5; reduction effect; meteorological factor

Foundation item： National Spark Program（2013GA690424）;Suqian Industry Development Guiding Project（S201710）; The 13th Five-Year Plan of Jiangsu Institute of Higher Education（16YB186）

0 引言

【研究意義】冬季地面溫度低，不利于空氣上下對流，易形成逆溫層而導致霧霾天氣頻繁發生，嚴重影響市民正常生活（柴一新等，2002;張衍燊等，2013;王曉磊和王成，2014）。霧霾主要由大氣細顆粒物（空氣動力學直徑小于2.5 μm的空氣顆粒物，PM2.5）組成（韓毓，2009;張桂芹等，2012）。相對于較粗的顆粒物，PM2.5的粒徑小、比表面積大、活性強，易攜帶有害物質，且在大氣層中停留時間長（Chan et al.，1999;Pope et al.，2002）。機動車尾氣是PM2.5的主要來源之一（徐偉嘉等，2014），以質量更輕、粒徑更小的氣溶膠停留在大氣層中，遇到冬季靜穩的天氣狀況時極易形成霧霾。道路防護林通過植物復雜的葉表結構、冠層結構及生理生化特性，可滯留和吸附大氣顆粒物（陳波等，2018;邱玲等，2018），是消減交通污染源的重要途徑（Beckett et al.，1998），已得到廣泛關注和重視。因此，探究不同道路防護林對PM2.5的消減能力及其與氣象因子的關系，分析道路防護林滯塵的空間分布特征，對篩選消減能力較強的道路防護林結構具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】道路防護林對顆粒物的消減作用受其林帶結構（粟志峰等，2002;殷彬等，2007）及植物種類（高海波，2019）等因素協同影響，且消減作用與顆粒物所在區域的氣象因子有關（趙文慧等，2010）。劉青等（2009）通過觀察道路灰塵飄落規律和測算樹種葉面積，發現松科植物滯塵量明顯高于其他園林樹種;藺銀鼎等（2011）研究林帶對機動車道的凈化效應，結果發現林帶對可吸入顆粒物的重要性排序為高度>疏透度>寬度，而凈化總懸浮顆粒物的重要性依次為疏透度>高度>寬度;王月容等（2013）分析北京市道路綠地對PM2.5的消減作用，指出綠地內PM2.5濃度的日變化趨勢均呈雙峰單谷型特征;劉萌萌（2014）對道路林帶內外的PM2.5化學成分進行分析，結果發現PM2.5中SO42-、NO3-和NH4+等3種離子濃度與溫度均呈正相關，而SO42-和NO3-濃度與大氣壓呈顯著負相關;包紅光等（2016）通過監測不同結構外側防護林的PM2.5濃度，發現林帶在11：00和13：00時對PM2.5消減作用最強;馬遠等（2018a，2018b）分析降水量等氣象因子與道路防護林滯塵的相關性，發現降水量是影響道路滯塵的最主要限制因子;Zhao等（2018）研究不同植物配置對北京風速和滯塵的影響，發現在不同方位配置相應植物群落可加強綠地滯塵效益?！颈狙芯壳腥朦c】目前，有關道路防護林消減顆粒物的研究主要集中在不同樹種消減顆粒物量差異及其成分分析等方面，而針對冬季道路防護林不同寬度及不同林分結構消減PM2.5等方面的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以蘇北地區冬季綠量較高的3種道路防護林為研究對象，連續監測其距道路不同林帶寬度處的PM2.5濃度和主要氣象因子，分析不同道路防護林對PM2.5的消減作用及其與主要氣象因子的相關性，為篩選消減能力較強的道路防護林結構提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

試驗監測區位于江蘇省宿遷市宿城區黃河南路西側（東經118°17′36″，北緯33°56′10″），屬于亞熱帶常綠闊葉林向暖溫帶落葉闊葉林過渡地帶。選擇蘇北地區冬季綠量較高的道路防護林雪松（Cedrus deodara）純林（常綠針葉林）、香樟（Cinnamomum camphora）純林（常綠闊葉林）及垂柳（Salix babylonica）與龍柏（Sabina chinensis）混交林（針闊葉混交林）為研究對象，分別采用Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示這3種防護林類型，各防護林樣地概況見表1。主要儀器設備：賽納威HAT200便攜式氣溶膠顆粒物檢測儀（深圳市賽納威環境科技有限公司），DEM6型輕便三杯風向風速表（上海隆拓儀器設備有限公司），DJL-18-G溫濕光三參數記錄儀（浙江托普儀器有限公司）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 試驗設計 3種防護林相鄰，均為東西走向排列，沿道路垂直方向布設0、10、20、30、40、50和60 m等7個監測點，其中0 m為城市主干道邊緣。2017年12月—2018年2月，于每月上、中、下旬選擇3個天氣狀況穩定的無雨天，在7：00—19：00期間每隔2 h分別在3種防護林類型（Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）不同林帶寬度監測點進行同步觀測。采樣高度在距離地面1.5 m處，每個監測點設3次重復。

1. 2. 2 監測內容及指標 應用賽納威HAT200便攜式氣溶膠顆粒物檢測儀測定PM2.5濃度，采用DEM6型輕便三杯風向風速表測定風速，利用DJL-18-G溫濕光三參數記錄儀記錄各監測點的溫度、相對濕度和光照強度。參考蘇維（2018）的方法，計算3種道路防護林對PM2.5的消減率。

W（%）=（C0-Ca）/C0×100

式中，W為消減率，C0為3種道路防護林0 m處的PM2.5濃度（μg/m3），Ca為3種道路防護林不同林帶寬度（10、20、30、40、50和60 m）監測點的PM2.5濃度（μg/m3）。

1. 3 統計分析

試驗數據采用SPSS 21.0進行統計分析，以最小顯著性差異法（LSD）檢測數據間的差異顯著性，并采用Excel 2007繪制圖表。

2 結果與分析

2. 1 3種道路防護林PM2.5濃度的日變化規律

從圖1可看出，3種道路防護林不同監測點的PM2.5濃度日變化規律均呈午間高、早晚低的特征;PM2.5濃度在市民下班高峰期（17：00—19：00）略有上升。從7：00開始，雪松純林（圖1-A）和香樟純林（圖1-B）的PM2.5濃度逐步上升，至13：00時達峰值后開始下降;垂柳與龍柏混交林（圖1-C）的PM2.5濃度則在11：00時達最高值，而后開始逐步下降。3種道路防護林各監測時段的PM2.5濃度均值分別在106～131、100～125和100～127 μg/m3，均超出GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的二級濃度標準（PM2.5二級濃度標準限值為75 μg/m3），說明監測期間3種道路防護林的PM2.5污染較嚴重。

2. 2 3種道路防護林對PM2.5消減作用的日變化規律

由圖2可看出，雪松純林對PM2.5的消減作用出現2個峰值，分別在9：00和13：00時，對應的PM2.5消減率為11.13%和11.76%;11：00時的PM2.5消減率最低，僅為3.89%。香樟純林的PM2.5消減率在上午（7：00—11：00）出現起伏變化，但從13：00時以后其消減率穩步上升，最高值為5.99%。垂柳與龍柏混交林對PM2.5的消減作用較弱，PM2.5消減率變化范圍在1.31%～3.01%。

2. 3 3種道路防護林不同林帶寬度對PM2.5的消減作用

如圖3所示，3種道路防護林對PM2.5的消減率均值排序為雪松純林（8.09%）>香樟純林（4.54%）>垂柳與龍柏混交林（1.82%）。雪松純林對PM2.5的消減率隨著林帶寬度的增加呈逐漸上升趨勢，從10 m處的4.96%上升到60 m處的12.40%。香樟純林除了在林帶寬度20～30 m處的PM2.5消減率略有下降外，其消減率也隨著林帶寬度的增加呈上升趨勢，最高值為60 m處的6.69%，最小值為10 m處的1.88%。垂柳與龍柏混交林的PM2.5消減率較低，且隨著林帶寬度的增加其消減率出現明顯起伏變化，但整體上呈下降趨勢;綜合圖1可知，垂柳與龍柏混交林在距離道路0～20 m處對PM2.5的消減作用最佳。

2. 4 PM2.5消減率與氣象因子的相關性

將3種道路防護林對PM2.5的消減率與氣象因子進行偏相關分析，結果（表2）表明，PM2.5消減率與溫度呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與相對濕度呈極顯著負相關;香樟純林對PM2.5的消減率與風速和光照呈顯著負相關（P<0.05），但雪松純林和垂柳與龍柏混交林對PM2.5的消減率與風速和光照的相關性不顯著（P>0.05）。將3種道路防護林不同監測點的PM2.5消減率分別與溫度和相對濕度進行線性擬合，結果（圖4）得知，PM2.5消減率與溫度的線性回歸方程為y=0.484x+0.654（R2=0.175），F=62.132;PM2.5消減率與相對濕度的線性回歸方程為y=-0.095x+11.682（R2=0.377），F=23.674，說明均具有顯著的統計學意義。

3 討論

3. 1 冬季3種道路防護林消減PM2.5的能力比較

至今，有關喬灌草結構和喬草結構林地消減PM2.5的研究結果存在明顯差異，可能與研究季節、林帶寬度、地被覆蓋物狀況、樹木類型及葉片滯塵能力不同有關（王曉磊和王成，2014）。方穎等（2007）研究認為，稀疏林地冠層內的滯塵量較喬灌草結構的高;李新宇等（2016）研究發現，純林結構和喬草結構林地對PM2.5的消減能力優于喬灌草結構;孫曉丹等（2017）研究顯示，喬灌草結構林地消減PM2.5的能力優于喬草結構林地。本研究中，在林帶寬度0～40 m，雪松純林和香樟純林內的PM2.5濃度高于垂柳與龍柏混交林;在林帶寬度40～60 m，由于垂柳與龍柏混交林的緊密結構及無風環境致使PM2.5擴散能力減弱，混交林內的PM2.5濃度開始超過雪松純林和香樟純林，且冬季大氣環境穩定，垂柳與龍柏混交林（喬灌草結構）內高濕環境下，空氣中的細顆粒物多附著于霧氣中不易沉降，導致各監測點的PM2.5濃度相對較平穩。此外，細顆粒物能與其他污染物發生化學反應，形成二次氣溶膠（包紅光等，2016;屈海燕和陸秀君，2017），導致林內PM2.5濃度甚至出現升高趨勢。

3. 2 冬季3種道路防護林不同林帶寬度對PM2.5的消減作用

林內的PM2.5濃度明顯小于林外的PM2.5濃度，即道路防護林對細顆粒物的吸附和凈化作用已得到普遍認同，但有關不同林帶寬度消減PM2.5效率方面的結論并不一致。在本研究中，雪松純林對PM2.5濃度的消減率隨著林帶寬度的增加而穩步上升，香樟純林除了在林帶寬度20～30 m處的PM2.5消減率略有下降外，整體上呈上升趨勢，與陳瑋等（2003）、Mori等（2014）的研究結果基本相似;垂柳與龍柏混交林的PM2.5消減率較低，且隨著林帶寬度的增加，其消減率出現明顯起伏變化，但整體上呈下降趨勢。童明坤等（2015）研究發現，在距離污染源26 m處，混交防護林對顆粒物的消減作用最佳，但隨著距離的增加，其顆粒物濃度下降不明顯。綜上所述，冬季純林結構的道路防護林更有利于PM2.5擴散和沉降，而上下結構緊密的混交林在超過一定林帶寬度后對PM2.5的消減作用并不明顯。此外，冬季道路防護林綠量較高，選用常綠喬木的純林結構可增強防護林對顆粒物的吸收和滯留。

3. 3 PM2.5消減率與氣象因子的相關性

本研究結果表明，3種道路防護林的PM2.5消減率與溫度呈極顯著正相關，與相對濕度呈極顯著負相關。李新宇等（2016）研究發現，隨著溫度的上升，大氣交換頻繁，有利于空氣顆粒物的擴散和遷移，致使防護林消減PM2.5的能力增強。Yan等（2016）研究認為，相對濕度增大，顆粒物易被吸附在大氣層水汽中，且PM2.5粒徑小，更有利于作為凝結核而凝聚，造成林內PM2.5濃度升高，消減率下降，與本研究結果基本一致。也有研究認為，當相對濕度超過一定范圍后，顆粒物濕沉降增加，而造成顆粒物濃度下降（馬遠等，2018a）。在通透環境及一定風速范圍內，風速增加有利于PM2.5的擴散和稀釋（王曉磊和王成，2014）。Beckett等（2000）研究證實，風速小于8 m/s時顆粒物沉降速率隨風速增加而增大，超過該值則葉片滯塵及顆粒物沉降速率降低。王會霞等（2015）研究發現，空氣顆粒物濃度隨著風速的增加呈先升高后降低的變化趨勢。但在本研究中，3種道路防護林對PM2.5的消減率與風速無顯著相關性，可能與研究期間風速較小有關（最大風速小于3 m/s），隨著林帶寬度的增加，風力在冠層的阻擋下逐步減弱，林內PM2.5的水平擴散和垂直運動受到限制，因此對PM2.5濃度的影響較小。光照強度增強，植物的蒸騰作用加強，其葉表面更濕潤而有利于顆粒物沉降，但光照同時加強大氣的光化學反應，有利于二次氣溶膠生成（童堯青等，2007），促使林內顆粒物濃度升高，可能是3種道路防護林對PM2.5消減作用與光照不顯著相關的原因之一。

4 結論

雪松純林對PM2.5的消減能力較強，可作為強滯塵能力防護林帶選用;而垂柳與龍柏混交林在林帶寬度0～20 m處的PM2.5消減作用較明顯，可作為道路邊緣綠化帶選用。

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（責任編輯 蘭宗寶）