高速公路林帶治污減霾效能研究

劉 明，董軍錄，呼海濤，熊 萍，呼延洋，王 冬，何海棠

(陜西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，西安 710048)

近年來，我國霧霾天氣頻發(fā)、污染程度加劇勢頭未能根本扭轉(zhuǎn)，空氣質(zhì)量越來越受到社會各界的關(guān)注。研究表明，霧霾主要由硫氧化物、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項組成，前兩項為氣態(tài)污染物，后者顆粒物是加重霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)譡1]。機(jī)動車尾氣是霧霾顆粒組成最重要的成分之一，北京市霧霾顆粒中機(jī)動車尾氣占22.2%、燃煤占16.7%、揚塵占16.3%、工業(yè)占15.7%[2]。

植被可以吸附大氣顆粒物，降低大氣顆粒污染物含量[3]，能有效改善空氣質(zhì)量，此外，植被還具有降低高頻噪聲的作用[4]。截止2017年底，我國高速公路現(xiàn)有通車?yán)锍?36.0×103km，是陸路交通的最主要通道[5]，高速公路汽車尾氣因之也成為大氣霧霾顆粒物的主要成分。為推進(jìn)高速公路林帶建設(shè)和技術(shù)提升，我們研究了西安市周邊三條主要高速公路的林帶對霧霾主要成分和噪音的降低效果。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

按典型性和代表性原則，選擇可準(zhǔn)確反映西安市高速交通實際和林帶現(xiàn)狀的三條國家級高速公路——連霍高速(G30)、包茂高速(G65)和京昆高速(G5)，并在其典型地段設(shè)置監(jiān)測點，定期同步開展監(jiān)測工作。這3條高速公路為我國11縱18橫高速公路網(wǎng)的重要組成部分，連(云港)霍(爾果斯)高速全長4 395 km，包(頭)茂(名)高速全長3 130 km，(北)京昆(明)高速全長2 865 km。

連霍高速監(jiān)測點位于陜西省楊凌區(qū)東環(huán)路與連霍高速立交交匯處，東側(cè)有林帶，西側(cè)無林帶，兩側(cè)外均為種植有玉米的農(nóng)田；東側(cè)林帶寬度30 m，由3～4排楊樹構(gòu)成，平均胸徑8.5 cm，平均高9.2 m。包茂高速監(jiān)測點位于陜西省西安市長安區(qū)太乙宮段嘉藝園林設(shè)計工程公司處，林帶分布公路兩側(cè)，林帶寬度約80 m，護(hù)欄旁栽植2～3排紫葉李和大葉女貞，林帶由20～25排楊樹構(gòu)成，楊樹平均胸徑12.0 cm，平均高11.5 m。京昆高速監(jiān)測點位于長安區(qū)細(xì)柳街辦西渠村處，林帶分布公路兩側(cè)，林帶寬度約60 m，護(hù)欄旁栽植2～3排刺槐，林帶由8～10排楊樹構(gòu)成，平均胸徑9.5 cm，平均樹高9.0 m。林帶外側(cè)農(nóng)田種植有玉米。

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)測對象 基于對環(huán)境質(zhì)量、人體健康影響最大的污染物總懸浮顆粒物(TSP)、碳氧化物、氮氧化物以及重金屬(主要是鉛)，監(jiān)測對象選擇為CO、CO2、NO、NO2等四種氣態(tài)污染物，固體懸浮微粒(PM2.5、PM10)，噪音和土壤重金屬鉛。

1.2.2 儀器與方法 基于研究區(qū)高速公路林帶平均寬度，以林帶靠近高速公路的一側(cè)外緣為起測點，林帶另一側(cè)為終測點，測定距高速公路不同距離(0，15，60 m)的林帶內(nèi)氣態(tài)污染物、固體懸浮微粒、噪音。氣態(tài)污染物監(jiān)測使用美國EST—1000多探頭氣體檢測儀和氣體感應(yīng)探頭(精確度±5%FS、響應(yīng)時間T90<60 S)，PM2.5，PM10使用ONETEST-3000A型大氣粉塵測定儀進(jìn)行監(jiān)測，SL4200型數(shù)字聲級計測定噪音值。

在連霍高速，分別選擇有林帶和無林帶(對照)的地段，距離高速公路坡基10，20，40，60 m處分別選擇土壤采樣點(重復(fù)3次)，在每個樣點按0～10，10～20，20～40，40～60 cm土層深度,利用土壤采樣器采集土樣，混合、風(fēng)干、研磨后，過100目篩，采用火焰原子吸收光譜法[6]測定鉛含量。

1.2.3 監(jiān)測時間 自2017年3月起，每月中旬選擇一晴天，從早10：00至晚18:00，每隔2 h測定1次，每次采集3組數(shù)據(jù)(重復(fù)3次)，監(jiān)測數(shù)據(jù)取平均值記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 高速公路林帶降低氣態(tài)污染物濃度的作用

圖1 不同位置CO2濃度變化

2.1.1 碳氧化物 監(jiān)測的三條高速公路，在距高速公路路基0，15，60 m林帶內(nèi)均未檢測到CO；京昆、連霍、包茂三條高速公路林帶內(nèi)CO2濃度隨距離高速公路距離的增加而下降，距高速公路15 m處CO2濃度(411.6，454.6，412.3 ppm)分別顯著(p<0.05)低于距路基0 m處(510.3，473.6，445.0 ppm)，依次降低了19.3%，4.0%和7.3%，距路基60 m處CO2濃度為399～425 ppm，相對于15 m處又分別降低了3.1%、6.5%和2.2%，且趨于空氣中CO2理論濃度(380 ppm，一般室外為350～450 ppm)，其中京昆高速最低，連霍高速最高，且三者分別與距路基15 m處CO2濃度差異不顯著(p>0.05)；相對于距路基0 m處，說明3條高速公路林帶具有降低CO2濃度的作用，尤其是京昆高速林帶，且其寬度超過15 m之后效果會顯著下降。

2.1.2 氮氧化物

(1)NO濃度

從圖2-a看出，京昆、連霍、包茂三條高速公路旁空氣中NO濃度隨距離高速公路距離的增加而下降，由距路基0 m處的0.04，0.18，0.05 mg·m-3依次降低25.5%，63.4%，97.1%達(dá)到0.03，0.07，0.00 mg·m-3，再由15 m處分別降低28.4%，63.4%，0.0%達(dá)到60 m處的0.02，0.04，0.00 mg·m-3；京昆高速距路基0、15、60 m等三處NO濃度彼此差異顯著(p<0.05)，連霍高速、包茂高速距路基15 m處和60 m處NO濃度顯著(p<0.05)低于0 m處，而距路基15 m處和60 m處之間差異不顯著(p>0.05)。說明三條高速公路的林帶都有降低NO濃度的顯著作用，京昆高速林帶寬度超過15 m后降低NO濃度效果依然顯著，而連霍高速和包茂高速林帶的作用相對不甚明顯。

(2)NO2濃度

從圖2-b看出，連霍高速和京昆高速旁NO2濃度從路基0 m處到60 m處持續(xù)下降，包茂高速卻在距路基15 m處最高，原因可能是NO化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，容易氧化為NO2，在此處林地，植物吸收、降解NO2濃度的幅度小于空氣中NO氧化引起的NO2濃度上升幅度，正好與連霍高速和京昆高速在此處及三條高速在距路基60 m處的情況相反；包茂高速距路基0，15，60 m三處之間NO2濃度差異不顯著(p>0.05)，京昆高速和連霍高速公路距路基0 m處與15 m處、15 m處與60 m處差異不顯著(p>0.05)、而0 m處與60 m處差異顯著(p<0.05)。表明這三條高速公路林帶都可降低大氣NO2濃度，其中包茂高速林帶效果較差，京昆高速和連霍高速公路林帶效果較好且林帶寬度超過15 m后效果會下降。

2.2 高速公路林帶降低固體懸浮微粒濃度的作用

2.2.1 PM2.5 圖3-a顯示，三條高速公路旁空氣PM2.5濃度均隨與高速公路距離的增加逐漸降低；在距路基0 m處，PM2.5濃度京昆高速最高(36.7 ug·m-3)，其次為包茂高速(26.0 ug·m-3)，連霍高速最低(25.3 ug·m-3)，在距路基15、60 m處的排序與在距路基0 m處相同；從距路基0 m到15 m處PM2.5濃度下降幅度連霍高速最大(23.6%)、京昆高速次之(8.0%)、包茂高速最低(2.6%)，從距路基15 m到60 m處，PM2.5濃度下降的幅度都較小，其中京昆高速最高(7.1%)、包茂高速次之(5.3%)、連霍高速最低(2.4%)；PM2.5濃度除連霍高速0 m處與60 m處差異顯著(p<0.05)外，三條高速公路各林帶距路基不同距離之間的差異都不顯著(p>0.05)；說明三條高速公路林帶都可以降低PM2.5濃度；在PM2.5濃度較高時(本試驗為36.7 ug·m-3)連霍高速15m寬的林帶效果可超過20%，而當(dāng)PM2.5濃度下降到一定程度(本試驗為28.0 ug·m-3)后，林帶降低PM2.5濃度效果會大幅降低，亦即當(dāng)林帶寬度超過約15 m時其降低PM2.5濃度的邊際效應(yīng)會下降。

圖3 不同位置林帶固體懸浮微粒濃度

2.2.2 PM10 由圖3看出，PM10濃度變化趨勢與PM2.5濃度變化趨勢完全一致，距路基0 m處PM10濃度連霍高速、包茂高速、京昆高速分別為44.6，33.0，32.0 ug·m-3，從距路基0 m處到15 m處，PM10濃度分別下降幅度依次為19.4%，3.0%，9.4%，從距路基15 m處60 m處下降幅度依次為12.0%，8.3%，5.7%；PM10濃度除連霍高速0 m處分別與15、60 m處差異顯著(p<0.05)外，三條高速公路各林帶不同寬度之間的差異都不顯著(p>0.05)；說明三條高速公路林帶都可以降低PM10濃度；連霍高速降低PM10濃度效果最明顯，但當(dāng)林帶寬度超過15 m左右時其功效會大大降低。

2.3 高速公路林帶降低噪音值的作用

圖4顯示，三條高速公路產(chǎn)生的噪音值均隨與高速公路距離的增加而逐漸降低；從距路基0 m處至距路基15 m處三條高速公路噪音值降低幅度京昆高速最大(19.0%)，包茂高速次之(17.7%)，連霍高速最小(2.2%)，連霍高速林帶15 m處噪音值與京昆高速基本相同(61分貝)，與包茂高速相差也不大(2分貝)，都接近一般環(huán)境值(50～60分貝)；從距路基15 m處到60 m處，三條高速公路噪音值降低幅度都較小，其中包茂高速8.5%，京昆高速6.6%，連霍高速3.3%，且在距路基60 m處噪音值都低于60分貝，更接近于一般環(huán)境值；距路基0，15，60 m處噪音值，包茂高速差異顯著(p<0.05)，連霍高速差異都不顯著(p>0.05)，京昆高速距路基0 m處噪音值分別顯著(p<0.05)高于10，60 m處，10，60 m處之間差異不顯著(p>0.05)。表明林帶通過反射、衍射、吸收等方式，可有效降低機(jī)動車產(chǎn)生的噪聲，并達(dá)到一般生活要求；京昆高速林帶降低噪音效果最好，包茂高速次之，連霍高速最差；15 m或再稍微加寬的林帶降低噪音最有效，隨著林帶寬度的再增加其降低噪音的邊際效應(yīng)會下降，以至逐漸趨于環(huán)境噪音。

圖4 不同位置林帶噪音值

2.4 高速公路林帶降低土壤鉛含量的作用

從表1可看出，距路基10，20，40，60，100 m地段，0～60 cm土層土壤平均鉛含量有林帶為12.34～13.96 mg·kg-1，低于無林帶的16.53～19.72 mg·kg-1，降低幅度為8.5%～31.2%，且在不同地段，同一深度層次的土壤鉛含量都是無林帶土壤高于有林帶土壤，除極個別差異不顯著外，絕大多為差異顯著或極顯著，說明高速公路林帶有吸附、吸收汽車尾氣鉛而降低土壤鉛含量的作用。

3 結(jié)論與討論

(1)京昆、連霍、包茂三條高速公路林帶內(nèi)CO2、NO、NO2等氣態(tài)污染物濃度隨距離高速公路距離的增加而下降：距高速公路15 m處CO2濃度都顯著低于路基處(p<0.05)，與距路基60 m處差異不顯著(p>0.05);京昆高速距路基0，15，60 m等三處NO濃度彼此差異顯著(p<0.05)，連霍高速、包茂高速距路基15 m處和60 m處NO濃度顯著(p<0.05)低于0 m處，距路基15 m處和60 m處之間差異不顯著(p>0.05)；包茂高速距路基0，15，60 m三處之間NO2濃度差異不顯著(p>0.05)，京昆高速和連霍高速公路距路基0 m處與15 m處、15 m處與60 m處差異不顯著(p>0.05)、0 m處與60 m處差異顯著(p<0.05)。三條高速公路林帶都可降低大氣CO2、NO、NO2等氣態(tài)污染物濃度，其中京昆高速林帶效果最為明顯，林帶寬度超過15 m之后效果會不同程度下降。

表1 土壤鉛含量 mg·kg-1

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)。

三條高速公路林帶內(nèi)PM2.5、PM10等固體懸浮微粒濃度及噪音值變化趨勢與氣態(tài)污染物一致，PM2.5濃度除連霍高速0 m處與60 m處差異顯著(p<0.05)外，三條高速公路各林帶距路基不同距離之間的差異都不顯著(p>0.05)；PM10濃度除連霍高速0 m處分別與15、60 m處差異顯著(p<0.05)外，三條高速公路各林帶不同寬度之間的差異都不顯著(p>0.05)；距路基0、15、60 m處噪音值，包茂高速差異顯著(p<0.05)，連霍高速差異都不顯著(p>0.05)，京昆高速距路基0 m處噪音值分別顯著(p<0.05)高于10、60 m處，10、60 m處之間差異不顯著(p>0.05)。三條高速公路林帶都可以降低PM2.5、PM10濃度及噪音值，其中連霍高速降低PM2.5、PM10濃度效果最明顯，京昆高速林帶降低噪音效果最好、連霍高速最差，但當(dāng)林帶寬度超過15 m左右時其降低PM2.5、PM10等固體懸浮微粒濃度及噪音值的功效會大大減弱。

距路基10，20，40，60，100 m地段，0～60 cm土層土壤平均鉛含量有林帶為12.34～13.96 mg·kg-1，比無林帶者降低8.5%～31.2%，林帶通過吸附、吸收可以降低土壤鉛含量。

(2)林帶通過固定、吸附、轉(zhuǎn)化等方式，降低氣態(tài)污染物及固體懸浮微粒濃度和噪音值及土壤鉛含量的能力與林帶綠量及其空間分布即樹種組成及其配置方式和葉片特征特性等有關(guān)。一般綠葉量越大效果越明顯；當(dāng)PM2.5、PM10顆粒運動到樹葉附近時可以穿過空氣和葉片的邊界層而到達(dá)葉片表面，一些葉表面粗糙，表皮毛豐富的樹種，甚至有些樹種葉片還可以分泌一些黏性物，可以將細(xì)小的顆粒物滯留在葉表面，甚至將一部分PM2.5吸納到葉片氣孔內(nèi)部[9]。機(jī)動車高速行駛時產(chǎn)生噪聲屬于高頻噪聲，大而厚、帶有絨毛的濃密樹葉和細(xì)枝對降低高頻噪聲有較大作用，成片樹林可使高頻噪聲因散射而明顯衰減[4]，散植的行道樹一般沒有降噪效用[10]。此外，聲音經(jīng)過疏松土壤和草坪的傳播，會有附加衰減[11]。公路兩側(cè)林帶樹種選擇應(yīng)優(yōu)先選擇枝條和葉表面粗糙、分泌物豐富、葉面積系數(shù)大的樹種。從阻隔和減弱城市噪聲的需要考慮，建議配植樹木選用常綠灌木與常綠喬木樹種的組合，形成一定寬度的林帶，以便形成較為濃密的“綠墻”。根據(jù)本研究結(jié)果和降低成本、減少農(nóng)地原則，建議高速公路林帶寬度以15 m為宜。

另外，不同林帶在減輕不同有害成分的效果排序方面可能會發(fā)生變化，如本研究的三條高速公路林帶中，京昆高速林帶在降低CO2、NO、NO2等氣態(tài)污染物濃度效果最優(yōu)，而連霍高速降低PM2.5、PM10濃度效果最明顯，因此，為均衡降低或最大限度降低氣態(tài)污染物及固體懸浮微粒濃度和噪音值，還需繼續(xù)深入研究適宜的林帶樹種組成及其配置方式和不同樹種的葉片結(jié)構(gòu)特征等。