春季城區道路不同綠地配置模式對大氣顆粒物的削減作用

楊　貌, 張志強, 陳立欣, 劉辰明, 鄒　瑞

教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京林業大學水土保持學院，北京　100083

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春季城區道路不同綠地配置模式對大氣顆粒物的削減作用

楊貌, 張志強*, 陳立欣, 劉辰明, 鄒瑞

教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京林業大學水土保持學院，北京100083

摘要:研究城市道路不同綠地類型對大氣顆粒物的吸附削減作用，是提高城市綠地大氣污染治理功能綠地配置模式優化的重要基礎。以位于北京市海淀區的3條典型主干道道路為對象，選取喬木、灌木、草本、喬-灌、喬-草、喬-灌-草6種典型綠地配置模式，在大氣顆粒物污染嚴重以及城市植被發芽、開花、展葉完成的春季(3月中旬至4月上旬)，采用Dustmate便攜式顆粒物采樣器和NK4500手持自動氣象儀分1.5m和3m兩個高度同步測定距污染源不同位置的大氣顆粒物濃度與小氣候因子，分析不同綠地配置模式對顆粒物削減能力的差異及其主要影響因素。研究結果表明：復合配置模式比單一配置模式下空氣顆粒物濃度穩定程度高，其主要受風速與空氣相對濕度的影響；大氣顆粒物粒徑越大綠地對其削減作用越強；地表覆蓋程度是影響不同綠地配置模式對大氣顆粒物垂直削減的關鍵因素，地表覆蓋越好垂直削減效果越好，且垂直削減率與溫度成正相關關系；草本、灌木對大氣顆粒物的垂直削減作用比其他4種配置模式更好；由于受植被郁閉度、疏透度以及配置種類的綜合影響，喬-草、灌木綠地配置對大氣顆粒物的水平削減作用比其他4種模式更好。

關鍵詞：城區道路；綠地配置模式；大氣顆粒物；削減作用

大氣污染是當前發展中國家城市面臨的主要環境問題之一，其中顆粒物是大氣污染的主要組成部分[1]。目前，城市大氣顆粒物污染研究主要集中在顆粒物來源、成分及其變化規律，顆粒物與人類健康以及顆粒物污染治理[2- 5]等方面。大量研究表明，植物對大氣顆粒物有顯著的削減作用[6]，但不同綠地配置模式對顆粒物擴散與沉降的影響有一定的差異[7]。研究春季不同植物種與綠地配置模式對大氣顆粒物削減作用的特點與差異，為提高城市道路綠化治理大氣顆粒物污染效益的樹種選擇和綠地配置模式優化提供重要的科學依據。有研究表明，不同街區綠地配置模式對大氣顆粒物削減有明顯的差異[8- 9]，大氣顆粒物削減在垂直梯度[10- 11]、水平梯度[8]的變化上存在一定的規律。但由于受植被條件、顆粒物來源與濃度以及氣象條件等多種因素的影響[12]，城區不同綠地配置模式對大氣顆粒物的吸附削減作用呈現非常復雜變化的特點，只有從多角度對大氣顆粒物濃度和環境因子進行連續動態測定才能為提高大氣顆粒物污染控制功能的綠地系統配置模式提供可靠的依據。冬季燃煤取暖和春季沙塵天氣造成中國北方城市春季大氣顆粒物污染嚴重[13]，冬季燃煤取暖和春季沙塵天氣造成中國北方城市春季大氣顆粒物污染嚴重[13]，而春季(3月中旬至4月上旬)正值北京城市植被發芽、開花、展葉期，研究這一季節城區道路綠地削減大氣顆粒物的特點具有一定的實際意義。因此，本文選取北京市海淀區街道6種典型綠地配置模式，通過連續動態測定大氣顆粒物濃度與小氣候因子，通過定量比較與定性分析相結合，分析不同綠地配置模式對顆粒物影響的差異及其主要影響因素，為城市街道綠地設計提供一定的理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

北京市海淀區位于北緯39°53′—40°09′，東經116°03′—116°23′，地處溫帶濕潤季風氣候區，冬季寒冷干燥，盛行西北風，夏季高溫多雨，盛行東南風。年均氣溫12.5℃，年日照數2662h，年平均降水量628.9mm。春季干燥多風，主風向為西北風；春季雨量為45—48mm，約占全年降雨量的10%左右。全區道路面積11.53萬m2，已綠化道路長度523.05km，綠地總面積約為1.04km2[14]。

1.2實驗設計與樣地選擇

1.2.1實驗假設

交通流量與大氣顆粒物濃度有顯著的相關性[15]，且街道內風速和風向會影響大氣顆粒物的分布[16]，研究區綠化帶與機動車道平行，因而假設機動車對整條綠帶大氣顆粒物濃度的影響一致，只考慮沿綠化帶方向風速對大氣顆粒物削減的作用。

1.2.2樣地選擇

街道周圍建筑高度對大氣顆粒物垂直分布存在影響[17]，本研究選取位于北京市海淀區的3條周圍無連續高大建筑群的街道路口作為研究地點。基于對綠地生態效應輻射距離[18]要求的考慮，選取6種不同綠地配置模式(以L1—L6表示)進行研究，所選綠化帶沿道路延伸方向距離均>50m，綠地寬1m，各綠地植物種類、植被配置結構如表1所示。

1.2.3實驗設計

實驗選擇空氣濕度較小(相對濕度<60%)、無風或者微風(風力小于3級)的晴朗天氣下進行，采樣時間選在白天車流與居民活動頻繁的時間段內(7:00—19:00)，每次連續監測12h，每個樣點持續監測3d。沿道路綠化帶方向，以垂直綠化帶的機動車車道路基為起點，在綠化帶中央離人行道0.5m和距離路基10m(A)、20m(B)處安裝實驗儀器(圖1)。在每處離地面1.5m(人平均呼吸高度)和3m高度采用顆粒物濃度檢測儀(Dustmate，英國Tunkey公司)測定不同顆粒物濃度，包括：總懸浮顆粒物(Total suspended particulate,TSP)、直徑小于等于10微粒的顆粒物(Particulate matter 10,PM10)、直徑小于等于2.5μm的顆粒物(Particulate matter 2.5,PM2.5)、直徑小于等于1μm的顆粒物(Particulate matter 1,PM1)，并在1.5m高度處安裝自動氣象儀(NK4500，美國Kestrel公司)同步測定氣象因子，大氣顆粒物濃度與氣象因子均設定每1min計量1次數。

1.3數據處理

綠化帶削減大氣顆粒物濃度效率采用公式[19]計算，其中，垂直削減率計算式為：

(1)

式中，P1為大氣顆粒物垂直削減率；C1為1.5m高度大氣顆粒物濃度；C2為3m高度測點大氣顆粒物濃度。

水平削減率計算式：

(2)

式中，P2為大氣顆粒物垂直削減率；C3為10m測點空氣大氣顆粒物濃度；C4為20m測點大氣顆粒物濃度。

2結果與分析

2.1大氣顆粒物濃度日動態變化

在街道綠地環境下，TSP與PM2.5濃度在白天均無明顯的峰值波動，PM2.5濃度日變化幅度高于TSP變化。在6種綠地配置模式下，喬-灌-草和喬-灌的大氣顆粒物濃度日變化較其他4種綠地配置模式穩定(圖2)。

2.2不同綠地配置模式對不同粒徑顆粒物水平削減作用的比較

在顆粒物濃度(CPM2.5<75ug/m3)、氣溫(15±2)℃、相對濕度(40±10)%最接近的條件下，6種綠地配置模式對TSP、PM10均有顯著的削減作用。整體上看，綠地對不同粒徑顆粒物削減作用依次為PM10>PM2.5>PM1，表明大氣顆粒物粒徑越大植被對其削減能力越強(圖3)。

PM2.5水平削減率與氣象因子相關分析表明，PM2.5水平削減率與相對濕度呈顯著負相關，風速對不同綠地配置模式PM2.5水平削減率的影響存在差異，草本(L4)配置模式PM2.5水平削減率與風速呈顯著負相關而有別于其他綠地配置模式(表2)。從圖3中還可以看出，喬-灌-草、草本這兩種綠地配置模式下，PM2.5、PM1出現“逆向削減”現象，這主要是因為植被對大氣細顆粒物削減作用受風速影響明顯。此外，受街道園林綠化灌溉增大相對濕度的影響，喬-灌-草配置模式水平削減率總體上低于其他5種綠地配置模式。

2.3不同配置模式對大氣顆粒物濃度削減的影響

2.3.1垂直削減

6種綠地配置模式下TSP 消減率(P1)均為正值，表明近地面1.5m高度TSP濃度明顯高于3m位置，綠地在垂直向上方向1.5—3m高度對TSP能夠起到有效的削減作用，且草本、灌木配置模式下P1(TSP)最高，喬木配置下P1(TSP)最低; 在11：00—13：00時間段，綠地對TSP垂向削減能力達到最大，早晨和傍晚削減能力最小。6種綠地配置模式下PM2.5消減率(P1)大體為負值，說明綠地在垂直向下方向1.5—3m高度對PM2.5有明顯的削減作用，其中草本對PM2.5的向下削減作用高于其它5種綠地配置模式(圖4)。

*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關;** 在0.01水平(雙側)上顯著相關

2.3.2水平削減

不同綠地配置模式對TSP均有明顯的水平削減作用，削減能力強弱大體表現為：喬-草>灌木>喬木>草本>喬-灌>喬-灌-草。不同綠地配置模式對PM2.5水平削減作用有明顯差異，喬-草、灌木、喬木配置P2(PM2.5)為正值，喬-灌、喬-灌-草、草本配置下P2(PM2.5)多為負值，表明不同綠地配置模式PM2.5削減方向存在差異(圖5)。

綠地對大氣顆粒物的削減受植被配置條件、氣象因素的共同影響。由表4可見，在一定氣象條件下，綠地配置之間對P1(TSP)、P2(TSP)、P2(PM2.5)的影響有著顯著差異(顯著性(sig)<0.05)。同時，在一定綠地配置下，大氣顆粒物削減率與溫度呈顯著正相關(sig<0.001)；大氣顆粒物水平削減率與風速呈顯著負相關(sig<0.05)；TSP削減率與相對濕度呈顯著正相關(sig<0.05)；PM2.5垂直削減率與相對濕度顯著負相關(sig<0.001)。

表4不同削減條件下顆粒物削減率和綠地配置模式、風速、溫度和相對濕度的偏相關系數

Table 4The second order correlation coefficient between removal rates and green space, wind speed (WS), temperature (T), and relative humidity (RH) in different removal conditions

3討論與結論

總體來看，復合配置模式比單一配置模式下空氣顆粒物濃度穩定程度高，其主要受風速與空氣相對濕度的影響；大氣顆粒物粒徑越大綠地對其削減作用越強；地表覆蓋程度是影響不同綠地配置模式對大氣顆粒物垂直削減的關鍵因素，地表覆蓋越好垂直削減效果越好，且垂直削減率與溫度成正相關關系；草本、灌木對大氣顆粒物的水平削減作用比其他4種配置模式更好；植被郁閉度、植被疏透度以及植物配置種類是影響綠地系統對大氣顆粒物垂直削減作用的主要因素，植被郁閉度與疏透度適中且植被類型多樣的綠地配置模式水平削減效果越好，本研究中，喬-草、灌木綠地配置對大氣顆粒物的水平削減作用比其他4種模式更好。

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Effects of different roadside urban vegetative models on airborneparticulate matter in Beijing, China

YANG Mao, ZHANG Zhiqiang*, CHEN Lixin, LIU Chenming, ZOU Rui

KeyLaboratorySoilandWaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

Key Words:urban street；roadside vegetative model；airborne particulate matter；removal effect

Abstract：Development of effective roadside vegetative models is important for achieving urban air-pollution-control objectives in metropolitan cities worldwide. However, there are a number of interactive factors contributing to the effectiveness of the removal of particulate matter (PM) from urban vegetation such as species composition, vegetation alignment, and environmental factors including air temperature, humidity, wind, and sources of PMs. We selected six types of roadside vegetative models including arbor, shrub, herb, arbor-shrub, arbor-herb, and arbor-shrub-herb according to three typical urban streets of Haidian District, Beijing, China to study their effectiveness on PMs. PM samplers (Dustmate) and a portable weather station (NK4500) were placed in the central part of a roadside green belt at 10 m and 20 m away from the edge of the outer lane. PM concentration and environmental factors were determined at 1.5 m and 3 m heights, respectively. The study period was from spring between mid-March and early April in 2014 when PM concentration was usually high and urban vegetation had phenologically recovered. We found that the concentration of airborne PM under a multi life form model was more stable than under a single life form vegetative model because of the effect of wind speed and relative humidity. In addition, there was a general trend showing that PMs with larger size were removed more efficiently in green belts. Vertical removal rate of airborne particulates was mainly affected by the degree of surface coverage of green belts. However, the vertical removal rate did not increase with higher surface coverage, even though it was positively correlated with air temperature. Herbs and shrubs showed stronger ability in aiding particulate matter diffusion than the other four types. Overall, the vegetative models of arbor-herb and shrubs are preferred for removing airborne PM over the other four models because of the vegetation canopy density, porosity, and species composition.

基金項目:國家林業公益性行業科研專項(20130430103)

收稿日期:2014- 09- 25;

修訂日期:2015- 05- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zhqzhang@bjfu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201409251902

楊貌, 張志強, 陳立欣, 劉辰明, 鄒瑞.春季城區道路不同綠地配置模式對大氣顆粒物的削減作用.生態學報,2016,36(7):2076- 2083.

Yang M, Zhang Z Q, Chen L X, Liu C M, Zou R.Effects of different roadside urban vegetative models on airborneparticulate matter in Beijing, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):2076- 2083.