冬季3種常綠景觀林對可吸入顆粒物(PM10)的阻滯作用

劉 宇，張 楠，董 蓉，王 輝，周力行，王曉立,3

（1.宿遷學院 建筑工程學院，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省宿遷環境監測中心，江蘇 宿遷 223800;3.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210095）

入冬以后，受居民供暖燃煤及氣候因素的影響，江蘇北方城市霧霾天氣頻發，已嚴重影響人們的生產生活和身體健康。可吸入顆粒物（PM10）可以與霧氣結合，是霧霾的主要成分之一，可攜帶多種有毒物質，引發各種系統疾病［1-2］。城市綠地通過植物特殊的葉表面結構、冠層結構以及生理生化特性，可以吸附、滯留和加速沉降大氣顆粒物［3-4］，對減少道路交通工具排放的污染物，改善空氣質量具有無法替代的重要作用［5-6］。近些年來，國內外在城市綠地對顆粒物濃度消減作用方面的研究逐步增多，至今還維持在較高的熱度，但仍存在一些需要繼續探討的地方，如在滯留不同粒徑顆粒物方面，前人研究［7-9］多集中在粒徑更小的PM2.5方面，而對作為污染物載體的PM10卻涉及較少，且某些問題還存在爭議，例如有學者［10］認為，隨著城市綠地的寬度增加，其對顆粒物的消減能力趨于上升。但也有學者［11］研究發現，城市綠地在15~45 m寬度范圍內顆粒物濃度與路緣處顆粒物濃度相近，且隨著林帶寬度的增加，顆粒物濃度甚至高出道路內顆粒物濃度。針對以上問題，進一步開展城市綠地對PM10消減作用的研究則顯得尤為重要。由于在北方冬季，落葉闊葉林組成的常綠景觀林消減PM10的能力極大地減弱，常綠喬木因其枝葉繁茂而具有更好的滯塵效益。因此，本文以冬季蘇北3種高綠量常綠景觀林為對象，研究了3種常綠景觀林對PM10的消減作用及其與主要環境因子的關系，以期為篩選滯塵能力強的城市綠地植物提供理論依據，從而增強城市植被吸附污染物、凈化空氣環境的能力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究試驗地點設在宿遷市黃河南路北側（33°12′17″N、117°6′19″E），宿遷市是亞熱帶常綠闊葉林向暖溫帶落葉闊葉林的過渡地區，受季風的影響，該區域易形成春旱、夏澇、秋冬干旱的天氣。

選擇冬季在蘇北地區綠量較高的3種常綠景觀林為研究對象，分別為雪松（Cedrus deodara）純林（常綠針葉林）、香樟（Cinnamomum camphora）純林（常綠闊葉林）、混交林（常綠喬灌混交林），以下依次用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，詳情見表1。以城市主干道黃河南路為邊界，監測點為3種常綠景觀林距道路的不同寬度距離，分別設置為0、10、20、30、40、50、60 m，其中0 m為3種常綠景觀林與城市主干道黃河南路邊緣的交接處。

表1 3種常綠景觀林樣地的概況

1.2 監測內容及指標

于2018年12月至2019年2月，每月按上、中、下三旬各取一天氣狀況穩定的無雨天，在游憩時間段的早上7：00至晚上19：00，每隔2 h在3種常綠景觀林的不同水平寬度監測點同步觀測，每個監測點3次重復。應用賽納威HAT200空氣質量檢測儀測定空氣中的PM10濃度，同步采用浙江托普儀器有限公司制造的DJL-18溫濕光三參數記錄儀，采用天津市福元銘儀器設備有限公司制造的DEM6型三杯風向風速表，測定相對濕度、溫度、光照強度和風速，采樣高度為人體呼吸高度1.5 m處，以不同常綠景觀林與城市主干道黃河南路邊緣的交接處0 m為對照。

1.3 數據處理

1.3.1 指標的計算 3種常綠景觀林對PM10濃度消減百分率的計算公式如下［11］：

式中，W為常綠景觀林對PM10濃度消減百分率（%），C0為3種常綠景觀林與城市主干道交接處0 m的PM10濃度（μg/m3），Ca為3種常綠景觀林不同水平寬度監測點內的PM10濃度（μg/m3）。

1.3.2 統計分析 在SPSS 21.0軟件中，通過單因素方差分析、偏相關性分析和回歸方程分析方法，確定3種城市綠地對PM10濃度的消減作用及其與主要環境因子關系，并用最小顯著差數法（LSD）檢測數據之間的差異性，采用EXCEL 2007軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 3種常綠景觀林PM10濃度的日變化規律

由圖1可知，觀測期內，3種常綠景觀林內PM10濃度的日變化趨勢基本一致，都呈現出從早上7：00開始逐步升高，11：00左右到達峰值后開始降低。從樣地Ⅰ、Ⅱ Ⅲ可以看出，到下班的高峰期（17：00~19：00），雪松純林和香樟純內PM10濃度趨于穩定。從樣地Ⅲ可以看出，混交林PM10濃度甚至略有上升。

圖1 3種常綠景觀林PM10濃度的日變化規律

通過分析可知，雪松純林、香樟純林、混交林每時段的PM10濃度平均值變化區間分別為205~265 μg/m3、194~260 μg/m3、201~272 μg/m3。根據我國《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012），Ⅱ類功能區的PM10濃度標準限值為150 μg/m3。因此，3種常綠景觀林內PM10濃度均超出國家標準，最小值為國家標準的129%，最大值達到168%。說明在監測時期，3種常綠景觀林內的PM10污染皆較嚴重。

2.2 3種常綠景觀林不同水平距離的PM10濃度變化

從圖2可知，雪松純林隨著林帶寬度增加，PM10濃度開始逐步降低，由0 m的242 μg/m3下降到60 m處的221 μg/m3。香樟純林整體上也趨于下降，但速度較緩，從由0 m的228 μg/m3降低到60 m處的216 μg/m3。混交林在前20 m顆粒物濃度下降明顯，但隨著綠地寬度增加，PM10濃度變化幅度較小，甚至在30 m和50 m處的PM10濃度略有上升。說明上下枝葉繁密的常綠景觀林結構導致顆粒物擴散能力降低，以及顆粒物出現了局部累積。

圖2 3種常綠景觀林不同水平距離處的PM10濃度

2.3 3種常綠景觀林對PM10濃度的消減作用

2.3.1 3種常綠景觀林對PM10濃度消減作用的日變化規律 冬季3種常綠景觀林對PM10的消減作用在不同時間段內存在差異（圖3），雪松純林、香樟純林、混交林消減率最高的時間點分別出現在上午的9：00、11：00、9：00，最低的時間點分別為下午的19：00、17：00、17：00，整體來看，上午的消減作用效果更優。香樟純林的消減作用較為明顯，最高點的消減率均值為7.87%，9：00左右次之，消減率均值為5.45%，最低值也達到3.98%。混交林消減作用相對較弱，最高值為3.04%，最低值僅為1.16%，與香樟純林的最高值相差6.78倍。

圖3 3種常綠景觀林對PM10濃度消減作用的日變化

2.3.2 3種常綠景觀林不同水平距離對PM10濃度的消減作用 如圖4所示，3種常綠景觀林對PM10的消減率按大小排序為香樟純林（5.17%）＞雪松純林（4.87%）＞混交林（2.09%）。雪松純林隨林帶寬度增加，消減率一直升高，變化幅度較大，從10 m處的1.70%上升到60 m處的8.82%。香樟純林在30~40 m處消減率略有下降，整體上也趨于上升，最低值為10 m處的4.32%，最高值為60 m處的5.97%。混交林消減率變化幅度較小，最高值為30 m處的2.39%，最小值為10 m處的1.73%，在前30 m緩慢上升后，消減率開始出現起伏。結合圖2和圖4可知，混交林在20~30 m處對PM10的消減作用達到最佳。

圖4 3種常綠景觀林不同水平距離對PM10濃度的消減作用

2.4 與氣象因子關系

將3種常綠景觀林對PM10的消減率與氣象因子進行偏相關性分析，得到表2。結果表明：消減率與溫度呈極顯著正相關（P＜0.01），與濕度呈極顯著負相關（P＜0.01），與風速、光照的相關性不明顯。線性回歸分析表明（圖5），與溫度和濕度的擬合方程分別為y=0.456x+0.36、y=-0.152x+15.43，R2分別為0.194、0.196。說明隨著大氣溫度升高，可吸入顆粒物擴散和遷移的速度加快，促使常綠景觀林消減PM10的能力增強；隨著相對濕度增大，可吸入顆粒物更易被凝聚于水汽中，造成常綠景觀林對PM10的消減率降低。

圖5 消減率與氣象因子散點圖

表2 消減率與氣象因子的偏相關關系

3 討論

3.1 常綠景觀林內PM10濃度的日變化特征

在顆粒物濃度的日變化規律中，多數學者［12-13］認為存在“峰谷型”變化，但峰谷出現的時間段不一致。孫曉丹等［14］對青島市城陽區主干道內的PM10濃度進行監測，得到上午8：00可吸入顆粒物質量濃度最高，下午16：00濃度值最低；而邱玲等［3］在游憩時間（8：00~18：00）對寶雞市13種不同植被結構綠地內PM10濃度進行記錄，顯示高峰出現在中午的12：00~14：00，低谷則出現在下午的16：00~18：00。

本研究中，3種常綠景觀林內的PM10濃度的日變化趨勢基本一致，從監測時，PM10濃度開始升高，11：00左右到達峰值后開始下降，17：00后下降趨勢減緩甚至略有上升。顆粒物濃度峰谷出現時間的差異，主要受季節、地理區位以及顆粒物來源等多種因素影響［15］。上午日照輻射逐步加強，地面溫度回升，大氣的垂直擴散能力加強，有利于PM10從城市主干道向綠地內轉移和擴散，而到下午，冬季白天日照時間較短，氣溫明顯降低，顆粒物擴散能力減弱［16］。17：00~19：00是下班的高峰期，車流量增大，機動車尾氣排放的污染物以及車輛行駛過程中引起的地面揚塵對該時間段綠地內的顆粒物的濃度增加都有一定的貢獻。

3.2 常綠景觀林結構與PM10濃度關系

喬木由于巨大的葉面積總量，其吸附和積累空氣顆粒物的效率是植物中最高的［17］，特別在冬季，常綠喬木通過高大的樹冠和上下結構能擾亂空氣流動，加強顆粒物在葉片上沉降［18］。在綠地結構中，普遍認為喬灌草、喬草結構要比灌草和草坪結構滯塵能力強，但喬灌草和喬草結構由于樹種種類、種植密度、郁閉度和覆蓋度等差異而滯塵效果不同［19-21］。

本研究中，3種常綠景觀林內PM10濃度的均值大小排序為雪松純林（231 μg/m3）＞混交林（226 μg/m3）＞香樟純林（221 μg/m3），喬草結構的香樟純林內PM10濃度均值比喬灌草結構的混交林和林下比較密集的雪松純林低，這可能與其較好的通透性有關。方穎等［21］認為稀疏綠地冠層內的通透性較密林高，其滯塵量較大；高金暉等［22］也發現稀疏綠地邊緣區域的顆粒物沉降量平均值比密林林緣沉降量高40%。

3.3 常綠景觀林不同水平間距對PM10濃度的消減作用

多數學者認為，隨著污染源距離的增加，城市綠地的顆粒物濃度逐步降低。Cavanagh等［10］研究發現，冬季新西蘭常綠闊葉林內PM10濃度從林緣到林內呈逐步遞減趨勢，由外部的31.5 μg/m3衰減到林內50 m處的22.4 μg/m3。張晶［23］對無錫多個公園內竹林的顆粒物濃度進行監測，表明林內濃度均小于林緣處。

本研究中，香樟純林和雪松純林內PM10濃度均小于林緣處，且隨水平梯度距離增加，消減率整體都趨于上升趨勢，而混交林對PM10的消減率較低，各監測點平均消減率僅為2.09%，在30 m寬度處達到最高值后，消減率開始出現起伏。這與混交林上下結構濃密、綠量大、郁閉度較高有關，其林內的顆粒物不僅得不到有效的擴散和去除，還易與其他污染物發生化學反應，增加二次氣溶膠產生的可能。且冬季大氣環境較穩定，不利于顆粒物擴散，在無風高濕的霧霾天氣下，顆粒物多附著、溶解在混有霧氣之中。有學者發現［15，24-25］，在污染天氣中，綠量增加的初期，污染物濃度下降較快，當綠量達到一定值后，污染物濃度下降開始明顯減緩，當綠量繼續增加，達到一個較高的量值時，污染物濃度下降變得不明顯。童明坤等［26］對北京市混交林進行監測研究發現，在無污染或者輕度污染天氣條件下，距離林緣26 m寬度處對顆粒物的消減作用最好，但在中度污染或者重度污染天氣下，混交林對顆粒物的消減作用不明顯，與本研究結果基本一致。

4 結論

3種常綠景觀林內PM10濃度的日變化趨勢基本一致，均呈單峰型特征，在上午11：00左右達到峰值；隨常綠景觀林寬度距離的增加，雪松純林消減率一直上升，香樟純林僅在30~40 m寬度處的消減率略有下降，混交林在20~30 m寬度處的消減作用達到最佳；常綠針葉林的雪松純林可作為強滯塵能力景觀林選用，結構緊密的混交林可作為道路邊緣綠化帶選用。