植被對德國埃森空氣中二氧化氮去除的影響研究

韓 畫 宇

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092)

1 概述

空氣污染是全球性的威脅，會對人類健康和城市生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。近年來隨著人們環(huán)境意識及城市生態(tài)建設(shè)的不斷增強(qiáng)，歐洲的空氣質(zhì)量水平逐步提升，但大部分仍未達(dá)到歐盟(2004，2008)和世界衛(wèi)生組織(2000，2006)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]。

德國北萊茵—威斯特法倫州于2008年提出“清潔空氣計(jì)劃”(Sofort Programm Saubere Luft)，聯(lián)邦政府計(jì)劃投入約10億歐元幫助NO2濃度超過歐盟限定標(biāo)準(zhǔn)的城市[2]。埃森作為魯爾區(qū)重要的工業(yè)城市之一，政府隨即制定一系列方案和措施來評估城市空氣質(zhì)量水平并加大監(jiān)測力度。埃森市政府在2017年發(fā)布的歐洲綠色首都建設(shè)報(bào)告中提出了2020年和2035年的空氣質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)[3]，這使得對城市空氣質(zhì)量評估和污染物去除的研究變得愈發(fā)重要。

2 研究過程

2.1 研究場地

埃森是德國魯爾區(qū)的第二大城市，也是德國重要的鋼鐵和煤炭中心之一。20世紀(jì)70年代后，隨著重工業(yè)的衰落，埃森逐步發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)取代傳統(tǒng)工業(yè)，開展生態(tài)環(huán)境整治。埃森位于萊茵河—黑爾訥運(yùn)河與埃姆舍爾河之間，地處51°27′03″N，7°00′47″E，面積約210.3 km2，人口約59萬(見圖1)。埃森是溫帶海洋性氣候，西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，全年氣溫通常在0 ℃～23 ℃之間，平均月降雨量在40 mm～69 mm之間[4]。

2.2 數(shù)據(jù)收集

研究中主要應(yīng)用空氣污染物濃度、城市衛(wèi)星遙感圖像和城市用地三部分?jǐn)?shù)據(jù)(見表1)。

2.3 結(jié)果與討論

表1 研究中的數(shù)據(jù)類型和來源

數(shù)據(jù)類型因子數(shù)據(jù)來源鏈接空氣污染物濃度NO2年平均排放量北萊茵—威斯特法倫州環(huán)境保護(hù)和消費(fèi)者權(quán)益辦公室網(wǎng)站https://www.lanuv.nrw.de/umwelt/luft/immissionen埃森政府文件北萊茵—威斯特法倫州在線污染物排放登記網(wǎng)站http://www.ekl.nrw.de/ekat/城市衛(wèi)星遙感圖像光譜數(shù)據(jù)遙感圖像地球探索網(wǎng)站https://earthexplorer.usgs.gov/城市用地城市綠地,農(nóng)業(yè)用地,森林,水體,交通,工業(yè)用地等歐洲土地監(jiān)測系統(tǒng)https://land.copernicus.eu/local/urban-atlas

2.3.1NDVI值的計(jì)算

Earth Explorer網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)提供了埃森市少云(不到10%)的衛(wèi)星遙感圖像，將其導(dǎo)入GIS中，使用空間分析功能中的“柵格計(jì)算器”即可計(jì)算NDVI值。計(jì)算公式如下：

結(jié)果表明，埃森城市內(nèi)NDVI值在-0.32～0.75之間(見圖2)。根據(jù)歸一化植被指數(shù)的闡釋，NDVI值小于0.1的區(qū)域植被活力較低，質(zhì)量較差，在計(jì)算植被對NO2的去除作用時可忽略不計(jì)。因此，以下研究僅討論NDVI值大于0.1的情況(見圖3)。

2.3.2現(xiàn)有植被結(jié)構(gòu)對NO2的去除情況

空氣污染物的去除主要取決于植被覆蓋面積和空氣污染物濃度水平[5]。在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中通過關(guān)鍵詞搜索收集的污染物去除的相關(guān)研究中，33篇文章量化了植被去除空氣污染物的能力或植被對空氣污染物去除的價值。這33篇文章研究了五種不同的空氣污染物(SO2，NO2，O3，CO，PM)，其中12篇研究了NO2。它們對人類健康產(chǎn)生影響，并且可以被植被以不同的速率去除[6](見表2)。

表2 每平方米綠地每年吸收的NO2數(shù)量和NO2對人類健康影響

表3 具有不同的NDVI值的植被類型描述和NO2的去除情況統(tǒng)計(jì)表

本研究利用NDVI值描述的植被生長和質(zhì)量情況估算城市內(nèi)植被對NO2去除的影響。根據(jù)2012年埃森市的土地利用現(xiàn)狀圖，不同NDVI值在一定程度上可以根據(jù)植被類型的特征被描述，而植被對NO2去除的貢獻(xiàn)可以根據(jù)NO2的常見去除率范圍和去除的平均水平被賦予。此外，不同NDVI值的面積可以在GIS中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，理想情況下埃森市目前的植被結(jié)構(gòu)對NO2的年去除量約為199.9 t。根據(jù)德國北威州的污染物排放登記網(wǎng)站，埃森市交通排放的年NO2總量約為1 716.168 t[7]。因此在交通產(chǎn)生NO2排放方面，現(xiàn)有植被對城市空氣質(zhì)量提升的百分比為11.6%，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

2.3.3討論

埃森中部和北部的大部分區(qū)域NDVI值小于0.2，這意味著植被覆蓋較少，對NO2去除和空氣質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)較少。根據(jù)土地利用情況，城市中部大多是住宅、文化和商業(yè)混合區(qū)，而北部原為大面積的工業(yè)區(qū)域和少量礦坑，綠地多呈點(diǎn)狀分布；埃森南部大量呈面狀分布的森林、農(nóng)業(yè)和其他附屬綠地NDVI值大多在0.5～0.7之間，極少部分可達(dá)到0.75，具有較高的植被覆蓋率和植被質(zhì)量，對NO2的去除影響較大；同時埃森東部分布的少量農(nóng)業(yè)、果園、花園和城市綠地等對NO2的去除也有積極的意義；值得注意的是，雖然城市內(nèi)水體面積較大，但NDVI值小于0.1,幾乎沒有植被覆蓋，對NO2的去除作用較小(見圖4)。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

就目前的植被結(jié)構(gòu)來講，埃森市的NO2年去除率約為11.65%，現(xiàn)有植被對空氣中二氧化氮的去除具有較大的影響。從城市功能結(jié)構(gòu)角度，埃森市中部的住宅和混合商業(yè)、北部的前工業(yè)區(qū)域?qū)κ杏騼?nèi)NO2去除的貢獻(xiàn)較?。荒喜考蟹植嫉纳趾蜑I水綠地在植被去除NO2的過程中起到重要作用。目前埃森市政府沒有針對NO2嚴(yán)重污染區(qū)域的植被種植和管理措施。

3.2 建議

在生態(tài)環(huán)境管理方面，政府需要加強(qiáng)對NO2的監(jiān)測力度，增加市內(nèi)空氣監(jiān)測站數(shù)量，形成即時有效的反饋機(jī)制；在城市功能布局和植被配置方面，需要加強(qiáng)區(qū)域綠化建設(shè)，有針對性的大量種植對NO2吸附作用較強(qiáng)的樹種。建議多種植常綠喬灌木和闊葉樹等，特別是沿A40和A52高速公路等交通污染較強(qiáng)的區(qū)域。相比落葉樹種，常綠喬灌木對NO2的去除時間較長；相比針葉樹，闊葉樹的葉面積較大，在相同面積的植被結(jié)構(gòu)下對NO2的去除作用更加顯著。同時，城市水體除滿足交通運(yùn)輸外，適當(dāng)種植水生植被既可以美化環(huán)境、凈化水質(zhì)，對NO2的去除和空氣質(zhì)量提升也有一定的作用。此外，盡管不同樹種具有不同的NO2去除率，但相同條件下結(jié)構(gòu)層次更加豐富的綠地對NO2去除影響更大，這應(yīng)在植物配置和設(shè)計(jì)時被納入考量范圍內(nèi)。

同時，埃森政府需要加快城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的步伐。在魯爾區(qū)，由傳統(tǒng)工業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型已是必然趨勢，盡快擺脫對工業(yè)產(chǎn)業(yè)的依賴有助于城市整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展。廢棄城市內(nèi)部工業(yè)園區(qū)、仍在作業(yè)的礦坑，或?qū)⒐I(yè)轉(zhuǎn)向郊區(qū)，開展棕地修復(fù)計(jì)劃，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。此外，由于很大一部分NO2來自于交通排放，政府有必要加強(qiáng)減少私家車使用的宣傳力度，提高公眾的環(huán)保意識，鼓勵公共交通出行。

3.3 局限

1)在研究中作者僅考慮交通排放產(chǎn)生的NO2，忽略其他方面的NO2來源；在計(jì)算植被對NO2的去除作用時，忽略了NDVI<0.1的區(qū)域?qū)O2的去除。

2)植被對NO2的去除情況受到許多指標(biāo)的影響，如植被覆蓋面積、葉面積、空氣污染物總量、葉內(nèi)季節(jié)長度，降水量等。在這項(xiàng)研究中只考慮植被覆蓋面積和可以用NDVI值描述的植被質(zhì)量，但這不能完全代表植被對NO2的去除能力。

3)本研究僅考慮公共綠地的植被對NO2去除的影響，私人綠地忽略不計(jì)。