公路綠化帶凈化路旁SO2、NO2效應(yīng)及影響因素

王慧，郭晉平，張蕓香

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷030801）

公路氣態(tài)污染物主要來源于各類機(jī)動(dòng)車的尾氣排放，其中主要是二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）對(duì)路域環(huán)境產(chǎn)生危害［1，2］，特別是城市道路兩側(cè)，水平距離50m以內(nèi)和高度1．7m以下范圍內(nèi)的大氣所受污染最為嚴(yán)重，對(duì)人群造成嚴(yán)重危害［3，4］。公路綠化帶在污染物擴(kuò)散過程中能對(duì)SO2、NOx起到吸收、阻滯和過濾的作用［5～7］。高速公路兩側(cè)綠化帶對(duì)SO2的凈化作用顯著，楊樹（Populus ssp）葉片硫含量與車流量呈顯著正相關(guān)［5，8，9］；但綠化帶樹種組成不同，對(duì) H2S、NO2等大氣污染物的防護(hù)效果也不同［6］，無論郊野森林［10］城市道路綠地［11］或工業(yè)園區(qū)綠地［12］不同森林類型或樹種對(duì)大氣硫的凈化能力差異顯著。因此，研究不同樹種和不同結(jié)構(gòu)特征的林帶對(duì)道路氣態(tài)污染物的凈化效應(yīng)，掌握林帶組成結(jié)構(gòu)特征與污染物凈化功能的關(guān)系對(duì)道路綠化設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。熏氣實(shí)驗(yàn)是研究樹木對(duì)SO2和NOx的同化和抵抗?jié)摿Φ某Ｓ梅椒ǎ?1，13～15］，可以為綠化樹種選擇提供依據(jù)，但不適于大范圍公路綠化帶對(duì)其凈化效應(yīng)的研究。本研究以山西省典型公路綠化帶為研究對(duì)象，對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)及其林帶特征因子的關(guān)系進(jìn)行研究，為綠化帶大氣凈化效應(yīng)評(píng)價(jià)和綠化帶的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對(duì)象和研究方法

1．1 研究對(duì)象概況

山西省公路綠化工程于2006年開始全面實(shí)施，是“十一五”期間山西省六大林業(yè)生態(tài)工程“通道綠化工程”的主體部分，要求對(duì)全省各等級(jí)公路兩側(cè)進(jìn)行全面綠化，國道和省道兩側(cè)各建設(shè)5～10 m的綠化帶，高速路兩側(cè)各建設(shè)20～50m的綠化帶。通過5年的建設(shè)實(shí)踐，加上以往的公路綠化成果，基本建成了比較完善的道路綠化體系，形成了多種結(jié)構(gòu)的類型。根據(jù)本研究的目標(biāo)和要求，總結(jié)現(xiàn)有的綠化帶結(jié)構(gòu)特征，已經(jīng)建成的綠化帶可分為6種綠化帶結(jié)構(gòu)類型，見表1（因多數(shù)樹種林帶寬度未達(dá)到50m，故未考慮林帶寬度）。以這6種結(jié)構(gòu)類型的綠化帶為研究對(duì)象，選擇典型路段，布設(shè)典型樣帶，對(duì)綠化帶的路旁近地面氣態(tài)污染物SO2和NO2凈化效應(yīng)進(jìn)行研究。

表1 公路綠化帶結(jié)構(gòu)類型及劃分依據(jù)Table 1 Structure types of Roadside tree－belt and the classification

1．2 典型路段的選定及樣帶布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)有公路綠化帶結(jié)構(gòu)特征類型，考慮到高速、國道及省道等各類公路的代表性，選定31個(gè)典型路段，在每個(gè)典型路段及其相鄰的對(duì)照路段，路側(cè)的綠化帶橫向布設(shè)樣帶。為保證代表性，要求典型路段遠(yuǎn)離居民區(qū)和工業(yè)污染源，路段長度大于200m；同時(shí)要求其附近要有一段無林帶路段，作為對(duì)照路段，長度不少于50m。

在選定的典型路段，垂直于公路分別設(shè)置3條（公路綠化帶路段）和1條（無林帶對(duì)照路段）樣帶，根據(jù)綠化帶寬度確定樣帶寬度，使樣帶面積不少于400m2，同時(shí)保證樣帶內(nèi)所包含的主要樹種的株數(shù)不少于30株。各典型路段概況見表2。對(duì)樣帶內(nèi)喬木樹種進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定主要樹種高度，按株數(shù)比例計(jì)算樹種組成，采用標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)角線上樣點(diǎn)法測(cè)定郁閉度。

1．3 大氣SO2和NO2污染樣品采集與測(cè)定

在2010年6月～10月，選擇晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)天氣，在每一樣帶內(nèi)按離開路沿的距離設(shè)置距離梯度調(diào)查樣點(diǎn)，距離梯度為0、5、10、20、30、40、50m，分別上午（9：00到12：00）和下午（14：00到17：00）在每個(gè)樣點(diǎn)采集樣品，每個(gè)樣點(diǎn)取重復(fù)樣品3個(gè)。

樣品的采集按照國家環(huán)境保護(hù)總局編制的空氣和廢氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析方法進(jìn)行采樣。SO2用甲醛緩沖溶液吸收法采集，NO2用滲透法制備的NO2校準(zhǔn)用混合氣體吸收法采集，采用GS．3B型大氣采樣器，用內(nèi)裝10mL吸收液的采氣瓶流量0．5L·min－1～1L·min－1，時(shí)間1h，采樣高度距地面1．5m。每次采樣都記錄采樣日期、采樣地點(diǎn)、采樣開始和結(jié)束時(shí)間、流量。樣品在采樣、運(yùn)輸和存放過程中要避免日光直接照射。

采回的樣品分析之前放置在冰箱中保存（＜5℃），存放時(shí)間不超過3天。SO2含量采用甲醛緩沖溶液吸收－鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法（GB／T15262－1994）測(cè)定，NO2含量采用 Saltzman法（GB／T15435－1995）測(cè)定。

1．4 凈化效應(yīng)分析指標(biāo)

1．4．1 梯度凈化率

用SO2和NO2的梯度凈化率表征綠化帶各采樣梯度上的SO2、NO2的過濾效應(yīng)，計(jì)算公式如下：P（%）＝ （Cr－1－Cr）／r×100%（用Pg 表示）

式中：Cr是綠化帶采樣梯度上某一測(cè)點(diǎn)的SO2和NO2含量，Cr－1是綠化帶采樣梯度上前一測(cè)點(diǎn)的SO2、NO2含量，r為距離梯度。

1．4．2 凈化百分率

用SO2和NO2的凈化百分率表征綠化帶總體對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)，計(jì)算公式為：

P（%）＝ （Ci－Cj）／Cj×100%（用Pt表示）

式中：Ci是綠化帶內(nèi)側(cè)樣品的SO2和NO2含量，Cj是綠化帶外側(cè)樣品的SO2和NO2含量。

表2 山西省氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)典型路段概況表Table 2 Tree－belt general characters of typical road section in Shanxi in this research

2 結(jié)果與分析

2．1 路旁SO2和NO2擴(kuò)散格局

對(duì)所有無綠化路段及有綠化帶典型路段樣帶內(nèi)各距離梯度SO2和NO2濃度的實(shí)測(cè)值，分別計(jì)算平均值，繪制成路旁SO2和NO2擴(kuò)散格局分析圖，見圖1。由圖1可見，無綠化帶和有綠化帶路段的路旁SO2和NO2的擴(kuò)散都存在顯著的格局，且綠化帶明顯改變了SO2和NO2的擴(kuò)散格局，對(duì)公路交通運(yùn)行所引起的SO2和NO2污染都有明顯的凈化效應(yīng)。其中，綠化帶對(duì)SO2污染的凈化效應(yīng)略高于對(duì)NO2污染的凈化效應(yīng)，由路基處到30 m處，SO2濃度從0．044mg·m－3降至0．007mg·m－3，凈化率平均可達(dá)83．10%，到50m處可降至0．002mg·m－3，凈化率均可達(dá)95．68%；而NO2濃度則由路基處的0．030mg·m－3到30m處降到0．014mg·m－3，凈化率為58．84%，到50 m處降到0．010mg·m－3，凈化率達(dá)到77．32%。對(duì)無綠化帶路段和有綠化帶路段各點(diǎn)上SO2和NO2濃度含量進(jìn)行差異顯著性T檢驗(yàn)，結(jié)果表明，兩者之間SO2和NO2濃度均在0．01水平上有極顯著差異，進(jìn)一步表明綠化帶對(duì)SO2和NO2污染都有明顯的防護(hù)效應(yīng)。

圖1 有綠化帶與無綠化帶路段路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局對(duì)比分析圖Fig．1 Dispersion patterns of SO2and NO2along the distance gradient at roadside with and without tree－belt

2．2 不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶對(duì)SO2和NO2凈化效應(yīng)

對(duì)6種結(jié)構(gòu)類型的綠化帶典型路段樣帶內(nèi)各距離梯度上SO2和NO2的濃度值，繪制成不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局分析圖，見圖2。

圖2 不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局Fig．2 SO2and NO2dispersion patterns in roadside with different types of tree－belts

由圖2可見，在不同結(jié)構(gòu)綠化帶作用下，路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局明顯不同。綠化帶在5m范圍內(nèi)即可表現(xiàn)出較強(qiáng)的凈化效應(yīng)，SO2的凈化率為38．30%～54．91%，梯度凈化率為0．361%～0．979%，濃度可由0．027mg·m－3～0．079mg·m－3降至0．014mg·m－3～0．035mg·m－3；NO2的凈化率為8．58%～23．87%，梯度凈化率為0．043%～0．177%，濃度由 0．013mg·m－3～0．077mg·m－3降至0．010mg·m－3～0．069mg·m－3；到10m處，綠化帶凈化效應(yīng)更好，SO2的凈化率達(dá)到54．59%～71．10%，梯度凈化率為0．044%～0．148%，濃度可降至0．009mg·m－3～0．026mg·m－3，NO2的凈化率達(dá)到16．58%～47．27%，梯度凈化率為0．023%～0．064%，濃度可降至0．007mg·m－3～0．062mg·m－3；其中均以多樹種高密度型綠化帶的對(duì)SO2和NO2的凈化率最高，分別達(dá)73．06%和47．27%。隨著距離的增加，各類型綠化帶對(duì)SO2和NO2的梯度凈化率都遞減，但不同結(jié)構(gòu)綠化帶的凈化效應(yīng)差異顯著，在距路沿20m處，單樹種高密度寬帶型林帶對(duì)SO2的凈化效應(yīng)較高，凈化率可達(dá)81．71%；而多樹種高密度型林帶對(duì)NO2的凈化效應(yīng)較好，凈化率為64．02%，其次為單樹種高密度型林帶。在30 m以后，單樹種高密度寬帶型綠化帶對(duì)SO2能保持較好的凈化效應(yīng)，在30m處的凈化率已經(jīng)高達(dá)90%以上，梯度凈化率為0．015%，梯度凈化率為0．003%～0．009%；單樹種高密度窄帶型和多樹種高密度型綠化帶對(duì)NO2都表現(xiàn)出較好的凈化效應(yīng)，在30m之后，多樹種高密度型好于單樹種高密度型，梯度凈化率較高為0．004%～0．018%，30m處凈化率已達(dá)80%以上。

2．3 公路綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與綠化帶特征因子的相關(guān)性

對(duì)5m～30m各距離梯度上各類綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化率與道路車流量和綠化帶郁閉度、疏透度、密度、樹高、冠幅、胸高斷面積、林下植被和林冠葉面積指數(shù)等林帶特征因子做相關(guān)關(guān)系顯著性分析，結(jié)果見表3。

表3 林帶對(duì)SO2和NO2的凈化率與車流量及林帶特征因子的相關(guān)性Table 3 Correlations of purification rate of SO2and NO2and traffic flow and tree characteristic factors

由表3可見，綠化帶在5m、10m、20m處對(duì)SO2的凈化率，以及在5m、10m處對(duì)NO2的凈化率與公路車流量存在顯著或極顯著正相關(guān)，車流量越大，SO2和NO2污染越嚴(yán)重，凈化效應(yīng)越明顯。綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化率與多種林帶特征因子有顯著的相關(guān)關(guān)系，在各距離梯度上SO2和NO2的凈化率與綠化帶郁閉度呈極顯著正相關(guān)，與疏透度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與林帶密度、主要樹種高度、林帶平均冠幅、胸高斷面積和葉面積指數(shù)在不同程度上呈顯著或極顯著正相關(guān)；在10m、20m和30m處綠化帶對(duì)SO2的凈化率與綠化帶中有無灌木結(jié)合均呈極顯著正相關(guān)，而林下植被狀況與NO2的凈化率相關(guān)性不夠顯著。

3 討論

（1）綠化植物對(duì)于一定濃度范圍內(nèi)的大氣污染物，不僅具有一定程度的抵抗力，而且也具有相當(dāng)程度的吸收能力。植物可以通過氣孔和皮孔，吸收氣態(tài)污染物，在體內(nèi)被利用、轉(zhuǎn)化、降解或積累，對(duì)大氣污染起到凈化作用［16］。植物對(duì)氣態(tài)硫和氮氧化物的吸收十分可觀，機(jī)動(dòng)車排放的NOx可被植物吸收并引起植物葉片中 N含量的增加［17～20］。公路綠化帶對(duì)公路交通運(yùn)行所引起的SO2和NO2污染都有明顯的凈化效應(yīng)［5］。本研究中，綠化帶對(duì)SO2的凈化效應(yīng)略高于NO2，它們?cè)诖髿庵袛U(kuò)散模式不同，SO2可以隨氣流飄散到較遠(yuǎn)的地方，也可與水汽、塵粒結(jié)合，在空氣中滯留，因此綠化帶對(duì)其凈化效應(yīng)比較顯著；而空氣中NOX的重要來源是土壤氮素釋放和大氣氮沉降，近地面NO2濃度變化與氣流停滯及大氣中O3濃度背景值相關(guān)［7，21，22］，且 NOX在空氣中的穩(wěn)定性較低，在大氣中停留時(shí)間較短，增加了NO2定量研究的難度。

（2）不同結(jié)構(gòu)類型的綠化帶對(duì)SO2和NO2凈化效應(yīng)明顯不同。在5m處綠化帶即可表現(xiàn)出對(duì)道路SO2和NO2污染的凈化效應(yīng)，在30m對(duì)SO2和NO2的凈化率分別達(dá)到83．10%和58．84%，在50m處的凈化率分別達(dá)到95．7%和77．30%，說明超過30m后綠化帶對(duì)SO2和NO2仍有進(jìn)一步的凈化效應(yīng)，但凈化效應(yīng)不顯著。總體來說，高密度型長勢(shì)較好的綠化帶對(duì)兩種氣態(tài)污染物的凈化效應(yīng)更好，但綠化帶不宜過密，以致影響空氣流通和擴(kuò)散，進(jìn)而影響凈化效應(yīng)，特別是對(duì)于NO2來說，疏透度較大的綠化帶更易于擴(kuò)散；喬木密度過大還會(huì)影響樹木的持續(xù)旺盛生長，最終可能會(huì)導(dǎo)致植物群落衰退［23］。本研究中，單樹種低密度型綠化帶中楊樹林均高于10m，對(duì)SO2、NO2污染均表現(xiàn)出較好的凈化效應(yīng)，尤其是在距公路20m之后亦可維持較高的凈化效應(yīng)。因此可以得出，高度大于10m長勢(shì)良好的綠化帶可阻擋氣流從林冠上層越過，減少污染氣體向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，提高了綠化帶的凈化效應(yīng)。

（3）本研究中，綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與公路車流量呈顯著正相關(guān)，而車流量在很大程度上決定公路兩側(cè)SO2和NO2污染物的濃度，說明車流量越大SO2和NO2污染越嚴(yán)重，綠化帶的凈化效應(yīng)越顯著。相關(guān)分析表明綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與綠化帶郁閉度、林帶密度、主要樹種高度、100m林帶胸高總斷面積及葉面積指數(shù)呈明顯的正相關(guān)，與林帶疏透度呈負(fù)相關(guān)，灌草結(jié)構(gòu)與喬木層相結(jié)合會(huì)增加綠化帶對(duì)空氣的凈化效益。此外，本研究采校時(shí)間為落葉樹種生長季節(jié)，而常綠樹種在一年四季均具有大氣污染防護(hù)效應(yīng)，有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）公路綠化帶顯著改變了路旁大氣近地面SO2和NO2的擴(kuò)散格局，對(duì)道路SO2和NO2污染有顯著凈化效應(yīng)。綠化帶對(duì)SO2的凈化效應(yīng)高于對(duì)NO2的凈化效應(yīng)，SO2濃度由路沿處的0．044 mg·m－3到50m距離處可降至0．002mg·m－3，凈化率平均達(dá)95．68%；而NO2濃度由路沿處的0．030mg·m－3在50m 處可降至0．010mg·m－3，凈化率平均達(dá)77．32%。

（2）綠化帶在5m距離范圍內(nèi)即對(duì)路旁近地面大氣SO2和NO2有較強(qiáng)的凈化效應(yīng)，在30m距離范圍內(nèi)凈化效應(yīng)持續(xù)顯著增強(qiáng)，超過30m到100m范圍內(nèi)，綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)顯著降低，寬帶型和窄帶型綠化帶的凈化率差異不顯著。綠化帶對(duì)路旁近地面大氣SO2和NO2的凈化率與公路車流量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，車流量越大，SO2和NO2污染越嚴(yán)重，綠化帶的凈化效應(yīng)越顯著。

（3）綠化帶結(jié)構(gòu)顯著影響公路綠化帶對(duì)路旁近地面大氣SO2和NO2污染的凈化效應(yīng)，單從凈化大氣污染物SO2和NO2而言，公路綠化帶寬度不應(yīng)小于30m，但不宜過寬。公路綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與多種林帶特征因子相關(guān)，對(duì)于已定種植密度的綠化帶，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊?，使其成林后郁閉度＞0．6，樹木高大并且栽植喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)，會(huì)增大林帶的SO2凈化效應(yīng)，而綠化帶的郁閉度在0．4～0．65之間，疏透度良好適應(yīng)樹木枝葉伸展及高生長的林分對(duì)NO2有較顯著的凈化效應(yīng)。

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