城市不同功能區道路綠地對PM2.5和PM10的消減作用

張純曦,阿麗亞?拜都熱拉,占玉芳,魯延芳,曾萬祺

城市不同功能區道路綠地對PM2.5和PM10的消減作用

張純曦1,阿麗亞?拜都熱拉2,占玉芳1,魯延芳1,曾萬祺3

1. 張掖市林業科學研究院, 甘肅 張掖 734000;2. 新疆農業大學林學與風景園林學院, 新疆 烏魯木齊 830052 3.甘肅省祁連山水源涵養林研究院, 甘肅 張掖 734000

為研究托克遜城市不同功能區道路綠地對PM2.5、PM10的削減作用，在不同寬度和不同配置結構的綠地內布設監測點對PM2.5、PM10濃度進行監測，并計算其消減率。結果顯示：不同功能區道路綠地內PM2.5、PM10濃度差異顯著；顆粒物從道路擴散至綠地內3～10 m處濃度增加，隨后規律不同；不同功能區道路綠地對PM2.5、PM10的削減作用存在差異，不同功能區道路綠地內PM2.5、PM10濃度表現為：空地>交通樞紐區>住宅區>公園綠地>城郊區；削減率表現為：空地>城郊區>交通樞紐區>公園綠地>住宅區；寬度上，城郊區道路綠地配置在30 m處效果優良；交通樞紐區、空地道路綠地應配置50 m，以發揮最佳滯塵效果；配置結構為喬-灌-草的郁閉度較高的綠地對顆粒物的削減作用較好。

城市綠地; 顆粒物; 消減率

PM2.5污染事件近年來屢見不鮮，已成為全社會關注的熱點。近年來，托克遜空氣質量較為良好，但是隨著城市化進程的加快，道路交通也在快速發展，而道路交通產生的污染物使城市空氣質量備受挑戰，加之新疆地區土地資源稀缺，綠洲等可利用土地資源較為有限，因此如何合理保護大氣環境，促進綠洲城市的可持續發展顯得尤為重要。現今關于控制PM2.5等顆粒物污染的主要方法是減排，有研究報道，植物可通過自身特征加速空氣中顆粒物的沉降，通過減少二次揚塵等方式來調控PM2.5等顆粒物濃度，以降低污染[1]。Tong Z等進一步研究表明：城市道路綠化林帶可較好地削減顆粒物，配置結構較為復雜的林帶對顆粒物的消減作用更好，同時隨著林帶寬度的增加，對顆粒物的削減作用更突出[2]。Islam MN研究發現道路林帶寬度配置在7 m時對顆粒物的削減率能達到50%左右[3]。陳小平對武漢城市干道綠化隔離帶消減顆粒物效益的研究中得出，顆粒物消減效率與道路綠化帶疏透度有密切關系，尤其是與0～2 m高度范圍內的植物配置有顯著關系[4]。徐曉男對山東諸城市不同林分結構和作用的林帶研究發現，不同林分在冬季和夏季對PM2.5的凈化能力不同，夏季表現為：山地林＞河岸林＞道路林，冬季相反，表現為：道路林＞河岸林＞山地林[5]。目前，國內外在森林、草原等不同土地利用方式以及景觀格局對PM2.5的阻滯和吸收方面的研究比較常見[6,7]，而對不同城市功能區道路綠地消減顆粒物的研究較少。但也有部分研究關注道路綠地、居住小區綠地、公園綠地對大氣顆粒物的削減作用。其中，史小麗對北京行道樹滯塵效益的探究中有結論表示植物的滯塵量道路>校園[8]。陳博探討居住小區不同功能綠地、不同配置方式對大氣顆粒物的消減效應發現，小區綠地對居住區內顆粒物的消減率較高，懸鈴木（和大葉黃楊（）配置的道路林帶對TSP、PM10、PM2.5的消減率分別為18.87%、6.40%、6.02%[9]。陳博對奧林匹克森林公園不同植被配置模式對PM2.5的消減研究發現，不同林分結構、不同配置的公園綠地對PM2.5的削減率存在差異性。有關新疆地區城市不同功能綠地對PM2.5等顆粒物的影響以及綠地削減顆粒物作用的研究還鮮有報道。本文以吐魯番托克遜縣為研究區域，主要研究托克遜城市不同功能、不同配置寬度綠地對PM2.5、PM10濃度特征的影響，為提高托克遜城市綠地調控、削減PM2.5等顆粒物功能提供參考。基于此，擬解決的問題有：（1）托克遜縣不同功能綠地內PM2.5、PM10濃度特征是否存在差異；（2）不同功能綠地對PM2.5、PM10的削減作用是否存在差異。

1 材料與方法

實驗采樣點布設在托克遜縣域（87°14′05″-89°11′08″E，41°21′14″-43°18′11″N）不同功能區道路綠地中，分別為城郊區道路綠化林帶、城市公園綠地、濱河小區綠地、交通樞紐區綠化林帶、以及空地對照，各道路綠地植物群落結構特征不盡相同，具體數據如表1。以靠近道路綠地一側的道路邊緣為起點，向綠化林帶側以3 m、10 m、20 m、30 m、50 m水平梯度作為采樣點，具體布設如圖1所示。采用BRAMC公司授權的BR-HOl-1210（北京）手持空氣質量檢測儀布設在距離地面1.5 m（成人呼吸高度）高度處，于2019.4.13 - 2019.4.15連續3 d分早中晚進行同步觀測，觀測記錄的指標有PM2.5、PM10。數據借助于SPSS19.0進行單因素方差分析（one-way ANOVA），采用最小顯著性差異法（LSD）進行各功能區間的多重比較，判斷各功能區之間、同一功能區道路綠地不同寬度之間是否存在顯著性差異。圖形借助于Origin9.1進行繪制。不同水平梯度上林帶對PM2.5的消減率計算公式參照王曉磊[10]、李新宇[11]等。

式中P表示水平梯處顆粒物削減率；C表示道路邊緣0 m處顆粒物濃度；C表示林帶內不同水平梯度顆粒物濃度。

表 1 托克遜不同功能區道路綠地群落基本信息

圖 1 采樣點布設示意圖

2 結果與分析

2.1 不同功能區道路綠地內顆粒物濃度對比

對不同功能區的PM2.5、PM10濃度值進行單因素方差分析，結果發現PM2.5和PM10濃度在不同功能區之間存在一定的差異性，城郊區和城市公園道路綠地沒有明顯差異，但兩者均顯著小于住宅區、交通樞紐區及空地道路綠地，交通樞紐區和空地對照道路林帶內顆粒物濃度最高，但此二者之間并沒有差異性，總體表現為：空地對照>交通樞紐區>住宅區>城市公園綠地>城郊區。

圖 2 不同功能區道路綠地PM2.5、PM10濃度差異

注：不同字母代表不同功能區顆粒物濃度差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters represent significant differences in particle concentration between different functional areas (<0.05).

2.2 不同距離梯度道路綠地內顆粒物濃度變化

將同一城市功能區各梯度檢測點的數據加和平均，得到托克遜不同功能區道路綠地內顆粒物濃度的水平分布規律。道路綠地內顆粒物隨水平梯度的變化總體上均是先升高至3～10 m后下降，其后不同功能區綠地內PM2.5、PM10隨距離道路遠近呈現出不同的規律。城郊區PM2.5、PM10濃度隨著梯度的變化顆粒物濃度處于波動狀態，50 m處PM2.5、PM10濃度最高，最低值出現在20～30 m，并與其它梯度存在明顯差異；城市公園綠地、住宅區道路綠地內PM2.5濃度最大值出現在30 m，PM10濃度最大值出現在20 m，除城市公園綠地PM10濃度外，其余最小值均出現在0 m處，但PM2.5和PM10濃度各個梯度之間并不存在顯著差異；交通樞紐區和空地對照PM2.5、PM10濃度在各個梯度都高于其它三個功能區，除空地對照PM10之外，其它梯度PM2.5和PM10濃度最大值均大致出現在3～10 m處，最小值在50 m處，尤其交通樞紐區10 m處與其它梯度PM2.5濃度差異顯著。

表 2 不同功能區顆粒物濃度方差分析表/(μg/m3)

注：大寫字母表示相同寬度不同功能區之間的差異性；小寫字母表示相同功能區不同寬度之間的差異性（<0.05）。

Note: Uppercase letters indicate differences between functional areas of the same width; lowercase letters indicate differences between different widths of the same functional area (<0.05).

2.3 不同功能區道路綠地對顆粒物的消減作用分析

對不同功能區道路綠地削減PM2.5、PM10的能力進行計算（如圖3），對比削減率發現，不同功能區綠地在不同寬度處對PM2.5、PM10的削減作用存在差異。各功能區道路綠地對PM2.5的削減率變幅在-19.83%～17.66%之間，對PM10的削減率變幅在-20.00%～13.00%。城郊區（圖a）道路綠地和空地道路綠地（圖e）對PM2.5、PM10的消減多為正；住宅區（圖c）道路綠地對PM2.5、PM10的消減在各個寬度均為負；城市公園綠地（圖b）對PM2.5、PM10的削減率在50 m寬度處為0或者正消減，其余寬度處均表現為負削減；交通樞紐區（圖d）道路綠地對PM2.5、PM10的削減率在30 m和50 m處為正削減，其它寬度處為負削減。不同功能區道路綠地對顆粒物的削減率總體表現為：空地>城郊區>交通樞紐區>城市公園綠地>住宅區。在寬度上，城郊區在20 m處PM2.5削減率最大，30 m處PM10削減率最大；城市公園綠地PM2.5在3 m處削減率最大，PM10在50 m處削減率最大；住宅區PM2.5、PM10在10 m處相比較其它距離觀測處負削減最小；交通樞紐區在50 m處PM2.5、PM10削減率最大；空地林帶對PM2.5的削減率在50 m最大，對PM10的削減率在20 m最大。

圖 3 不同功能區道路綠地對PM2.5、PM10的削減率比較

3 討論

空地因植被寬度較小（小于15 m），大面積裸地易產生揚塵，顆粒物來源固定且持續，因此引起空地道路綠地內PM2.5、PM10濃度升高；交通樞紐區因交通繁忙，人車流量較大，汽車尾氣排放成為主要污染源[12]，污染物自道路擴散至綠地林帶內，在林帶內匯集，短時間內無法沉淀吸附；住宅區因為建筑密集，對氣流的循環和對流產生阻礙，影響PM2.5等污染物擴散，因此產生區域性集聚現象[13]；城市公園作為城市居民游憩集聚的場所，綠地面積占比較高，且綠地覆蓋率和配置結構最為完善，對顆粒物產生明顯的吸附、降解作用，因此PM2.5、PM10的濃度顯著低于住宅區等建筑區，與趙孫婷研究所得結論一致[14]；城郊區是城市最外圍的區域，較城市中心區車流量等人類活動少，污染物來源較少[15]，使得城郊區道路綠地內顆粒物濃度在各功能區道路綠地內積累的最少。

綠地林緣處因臨接道路，快速行駛的機動車輛會引起局部空氣湍流，顆粒物被快速帶入道路綠地，在林緣部分發生累積，導致在一定范圍內綠地內顆粒物濃度高于道路邊緣處[16]。城郊區在50 m處無綠地覆蓋，地表極易產生揚塵，導致濃度增大；城市公園綠地和住宅區觀測發現在20 m～30 m處，常布設一些供游客休憩、健身、乘涼的文娛活動設施，因此人為擾動，致使該處PM2.5、PM10濃度略微高于其它梯度,因此布設寬度應不低于30 m，以保證公園綠地具有一定的規模，來保障綠地應對PM2.5污染的規模效益[17]。交通樞紐區和空地對照綠地在10 m之后顆粒物濃度呈明顯的下降趨勢，至50 m處降至觀測最低值，表明在此類城市功能綠地在配置時可將寬度設置在10 m，這與殷杉研究交通綠化帶配置所得的結論類似[18]。

道路綠地對PM2.5、PM10的削減效率受不同功能區和植物配置結構的的影響，據解韓瑋研究表明：綠地類型是改變PM2.5濃度的主要因素，占總變異的24.95%，城市不同功能區對PM2.5濃度也存在顯著影響，占總變異系數的11.84%[19]。空地和城郊區因人為活動較少，對道路綠地植物的覆蓋度及其生物多樣性的影響小，因此滯塵的特征明顯，滯塵作用在20 m～30 m梯度上最好，與王月榮研究結論相同[20]。交通樞紐區、城市公園綠地、住宅區等屬于人口集中區，靠近道路的綠地處于強度干擾狀態，一定條件下限制了個體較高大草本植物的生長。踐踏、仰臥等使得草被和矮小灌木損傷，植物的-多樣性指數和均勻度指數下降[21]，因此對于大氣顆粒物的削減能力降低，除交通樞紐區在50 m處削減率較好之外，其它梯度呈現出在水平梯度上的不規律性。同時道路綠地對顆粒物的削減作用受植物配置方式的影響，以國槐、大葉榆、連翹為主的空地道路林帶和以國槐、榆樹為主要樹種的城郊區道路綠地，其配置模式為喬-灌-草，郁閉度>80%，結構更為復雜。這種配置模式下的道路綠地對顆粒物的削減率明顯比以紫穗槐、國槐為主要樹種，配置模式為喬-草的住宅區道路綠地對顆粒物的削減率高，這與羅曼研究不同群落結構綠地對PM2.5、PM10的消減率排序為喬-灌-草>喬-草的結論一致[22]。說明配置結構復雜的復合式群落結構組成的道路綠地對PM2.5、PM10的削減作用優于簡單群落結構的道路綠地。

4 結論

（1）不同功能區道路綠地內顆粒物濃度差異明顯，主要是受城市不同功能區污染物排放源數量變化情況的影響，道路林帶內PM2.5、PM10濃度整體表現為空地對照>交通樞紐區>住宅區>城市公園綠地>城郊區；

（2）托克遜城市不同功能道路綠地寬度與顆粒物濃度之間關系復雜。顆粒物從道路擴散至綠地內3 m～10 m濃度增加，隨后在不同功能區表現出不同的規律，交通強度高的道路兩側綠地寬度至少達到50 m，而對于其他功能區建議結合實際情況，在使綠地配置結構復雜的基礎上可以適當減小綠地的寬度；

（3）托克遜不同城市功能區道路綠地對PM2.5、PM10的削減作用不同，在功能區上表現為空地>城郊區>交通樞紐區>城市公園綠地>住宅區。在寬度上，城郊區道路綠地在20 m～30 m對顆粒物的削減作用較好，寬度配置在30 m處最為優良；城市公園綠地、住宅區道路綠地對PM2.5、PM10的削減規律不明顯；交通樞紐區道綠地在50 m處對PM2.5、PM10的削減效果最好，空地道路林帶在20 m～50 m處削減率最明顯，因此在交通樞紐區和空地，道路綠地應配置50 m，已發揮最佳滯塵效果；

（4）道路綠地對PM2.5、PM10削減效果受植物配置方式的影響，配置結構為喬-灌-草的郁閉度較高的復合結構綠地對大氣顆粒物的削減作用較好，配置結構單一的綠地對大氣顆粒物的削減作用不明顯。

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The Reduction Roles of PM2.5and PM10by Different Functional Green Spaces in Toksun City

ZHANG Chun-xi1, ALIYA Baidourela2, ZHAN Yu-fang1, LU Yan-fang1, ZENG Wan-qi3

1.734000,2.830052,3.734000,

in order to study the reduction of PM2.5and PM10by road green space in different functional areas of the Toksun city, monitoring points were set up in green space of different width and configuration structure to monitor the concentration of PM2.5and PM10, and the reduction rate was calculated. The results showed that the concentrations of PM2.5and PM10were significantly different in the road green space of different functional areas, and the concentration of particulate matter increased from the road to 3～10 m in the green space, then the rule was different. There are differences in the reduction of PM2.5and PM10by road green spaces in different functional areas. The concentrations of PM2.5and PM10in road green spaces in different functional areas are expressed as: vacant land> transportation hub area> residential area> park green space> urban suburbs. In terms of width, the effect of urban suburban road green space configuration at 30 m is excellent. The transportation hub area and the vacant land road green space shall be equipped with 50 m to play the best effect of dust retention. Green space with high canopy density and structure of trees-shrubs-herbs has a better effect on reducing particulate matter.

Urban green space; particulate matter; reduction rate

S725.1

A

1000-2324(2021)06-0949-06

2019-12-18

2019-12-24

國家自然科學基金:綠洲城市路側樹種不同器官對降塵和土壤重金屬的富集及轉運機理研究(31971713);國家自然科學基金青年基金:烏魯木齊市快速公路林帶對PM2.5等顆粒物的阻滯作用研究(31600572);國家博士后基金:吐魯番城郊工業區人工防護林對土壤重金屬的富集及防風蝕機理研究(2020T130554)

張純曦(1995-),女,碩士研究生,主要從事林業生態工程與管理方面的研究. E-mail:zcx@c4dlx.com