植物配置對(duì)交通道路氣態(tài)污染物的凈化效益研究

胡 眸，殷 杉，湯曉敏

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程加快，機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，成為PM2.5、SO2、氮氧化物等污染物的主要來(lái)源[1-3]。我國(guó)城市大氣污染類型已經(jīng)從煤煙型污染轉(zhuǎn)化為煤煙型與機(jī)動(dòng)車尾氣污染共存的復(fù)合型污染[4]。 研究表明，受交通污染危害最嚴(yán)重的是交通干道及兩側(cè)街道50 m 以內(nèi)、1.7 m 以下的低空范圍，此范圍也正是行人的呼吸區(qū)域，極易對(duì)行人造成傷害[5]。因此，有效控制機(jī)動(dòng)車污染是改善空氣質(zhì)量的必要舉措。綠色植物可通過(guò)吸收有害氣體、吸滯粉塵等作用改善空氣質(zhì)量。因此，利用植物群落來(lái)緩解大氣污染狀況已經(jīng)成為城市生態(tài)研究中一個(gè)新興領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)有大量相關(guān)研究報(bào)道[6-9]。例如：Joshi[10]研究認(rèn)為干沉降過(guò)程是城市植被凈化污染物的主要機(jī)制；關(guān)文彬等[11]和周堅(jiān)華等[12]研究表明大氣顆粒物通過(guò)重力沉降或者碰撞作用，從大氣中沉降到葉片表面；還有學(xué)者認(rèn)為植物進(jìn)行光合作用和呼吸作用時(shí)會(huì)發(fā)生氣體交換，氣態(tài)污染物如SO2和NO2可以被植物葉孔吸收。

目前已報(bào)道的研究有從微觀尺度關(guān)注植物葉片如何凈化污染物的，也有從宏觀尺度關(guān)注城市全部綠地對(duì)空氣污染凈化效果的。但從植物群落這個(gè)尺度上開展研究的較少，而植物配置可由市政綠化工程控制，該尺度的研究成果可直接應(yīng)用于城市綠化，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。該研究通過(guò)采集環(huán)境樣本，對(duì)植物群落生態(tài)效益和植物群落配置指標(biāo)進(jìn)行量化表征，分析各指標(biāo)之間的關(guān)系，以期探明不同植物群落配置模式對(duì)空氣污染的凈化能力。該研究結(jié)論可用于評(píng)價(jià)現(xiàn)有城市綠化植物配置的合理性，進(jìn)而為城市綠化種植模式設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和建議。

1 技術(shù)路線

該研究的技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

2 材料與方法

2.1 研究樣地的選擇

在上海浦東地區(qū)選擇了有代表性的龍東大道作為研究區(qū)域。道路旁側(cè)有寬于15 m 的綠化帶，綠化帶后多為空曠地或者低矮的房屋。在由西至東長(zhǎng)10 km的路段（緯度31°13′附近，經(jīng)度121°34′～121°39′之間）選擇了10 個(gè)樣地（從LD-1 到LD-10 依次編號(hào)）與1個(gè)空白對(duì)照（LD-0）。單個(gè)樣地大小為20 m×15 m，每塊樣地按離道路邊緣的距離0、5、10、15 m 設(shè)置4個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

2.2 植物群落配置狀況的表征

郁閉度和疏透度能比較直觀的反應(yīng)植物結(jié)構(gòu)緊密程度，以葉面積指數(shù)和冠容積為主要標(biāo)志的綠量，是決定綠地系統(tǒng)生態(tài)效益大小最具實(shí)質(zhì)性的因素[9]。郁閉度、疏透度和綠量可以作為衡量不同綠地生態(tài)效益的重要參數(shù)。該研究首先對(duì)10 個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)的植物群落進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并計(jì)算出各采樣區(qū)域內(nèi)植物群落的郁閉度、疏透度、二維綠量和三維綠量。

郁閉度指樹冠垂直投影面積與林地總面積之比；郁閉度越大表明植物結(jié)構(gòu)越密；該指標(biāo)計(jì)算方法為樣地兩對(duì)角線上樹冠覆蓋的總長(zhǎng)度與兩對(duì)角線的總長(zhǎng)之比[10]。疏透度是指林帶縱斷面透光空隙的面積與縱斷面面積之比；疏透度越小表明植物結(jié)構(gòu)越緊密；該指標(biāo)采用數(shù)碼相機(jī)拍攝樣地照片，用“數(shù)字圖像處理法”進(jìn)行計(jì)算[11]。植物群落的二維綠量指單位土地面積上植物葉片面積占土地面積的倍數(shù)，采用冠層分析儀直接測(cè)量。三維綠量采用周堅(jiān)華等[12]“以平面量模擬立體量”的方法計(jì)算，利用樹冠體積綠量模型可以計(jì)算出一定冠徑植株的樹冠體積，即：將樣地所有植物的樹冠體積相加得出總冠體積，除以樣地面積300 m2，再除以單位長(zhǎng)度1 m，得到不含單位的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值。

2.3 污染物凈化效益的測(cè)量與計(jì)算

采用Graywolf 氣體檢測(cè)儀檢測(cè)SO2和NO2濃度，每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)記錄5 min 數(shù)據(jù)。對(duì)照組為龍東大道某段無(wú)植被覆蓋的鋪裝地面，采用相同方法同步采樣。選擇晴朗、無(wú)風(fēng)或者微風(fēng)天氣采樣，采樣高度1.5 m，接近人呼吸道高度。每次在各采樣點(diǎn)采集3 個(gè)平行樣，取其平均值作為采樣值。該研究中，植物群落對(duì)污染物的凈化效益用污染物的凈化百分率進(jìn)行表征，凈化百分率（%）= （Cs-Cm）/Cs×100，其中，Cs為道路邊的污染物濃度，Cm為綠地中相應(yīng)污染物的濃度。

2.4 數(shù)據(jù)記錄與處理方法

該研究使用Microsoft Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和作圖。使用SPSS 軟件對(duì)植物群落各項(xiàng)參數(shù)（郁閉度、疏透度、二維綠量、三位綠量）與污染物凈化效益（NO2的凈化百分率、SO2的凈化百分率）兩兩分別進(jìn)行相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn)，得到相關(guān)性系數(shù)R和顯著性水平P。兩變量是否相關(guān)看P值，如果P＜0.05，就說(shuō)明兩變量有線性關(guān)系，顯著相關(guān)；如果P＜0.01，則認(rèn)為極顯著相關(guān)。相關(guān)的程度則看相關(guān)系數(shù)R值，取絕對(duì)值后，0～0.09 為沒有相關(guān)性，0.1～0.3 為弱相關(guān)，0.3～0.8 為一般相關(guān)，0.8～1.0 為強(qiáng)相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樣地的氣體污染物凈化效益比較與分析

3.1.1 NO2凈化效益分析 調(diào)查顯示，各樣地植物群落的NO2凈化效益從路邊向外擴(kuò)均呈上升趨勢(shì)。有植被覆蓋的綠地對(duì)NO2的凈化百分率在10.0%～25.0%之間，而無(wú)植被覆蓋的裸地（CK）對(duì)NO2的凈化百分率約為5.0%，說(shuō)明植物群落對(duì)NO2有較顯著的凈化效益。從圖2 可以看出，各采樣點(diǎn)對(duì)NO2的凈化效益也存在差異，采樣點(diǎn)LD-5 和LD-6 對(duì)NO2的凈化作用最好，凈化百分率接近25%。各樣地之間凈化效益的差異與各樣地植物群落配置情況差異有關(guān)。從4季平均值來(lái)看，各樣地NO2凈化效益由高到低排序依次為L(zhǎng)D-5 ＞LD-6 ＞LD-9 ＞LD-3 ＞LD-10 ＞LD-8＞LD-7 ＞LD-4 ＞LD-1 ＞LD-2。

3.1.2 SO2凈化效益分析 調(diào)查顯示，各樣地植物群落的SO2凈化效益從路邊向外擴(kuò)也表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。有植被覆蓋的綠地對(duì)SO2的凈化百分率在15.0%～ 30.0%之間，而無(wú)植被覆蓋的裸地（CK）對(duì)SO2的凈化百分率約為5.0%，說(shuō)明植物群落對(duì)SO2有較顯著的凈化效益。從圖3 可以看出，各采樣點(diǎn)對(duì)SO2的凈化效益也存在差異，采樣點(diǎn)LD-5 和LD-6 對(duì)SO2的凈化作用最好，凈化百分率接近30%。各樣地之間凈化效益的差異與各樣地植物群落配置情況差異有關(guān)。從4 季平均值來(lái)看，各樣地對(duì)SO2凈化效益由高到低排序依次為L(zhǎng)D-6 ＞LD-5 ＞LD-10 ＞LD-4 ＞LD-8 ＞LD-9 ＞LD-7 ＞LD-3 ＞LD-2 ＞LD-1。

3.2 氣體污染物凈化效益與植物群落表征指標(biāo)的關(guān)系

經(jīng)過(guò)調(diào)查和計(jì)算，得到各采樣區(qū)域不同季節(jié)植物群落的配置參數(shù)。在植物生長(zhǎng)旺盛的夏季，采樣區(qū)域內(nèi)的郁閉度、綠量較大；而在冬季，郁閉度、綠量則較小。疏透度反之。將污染物凈化百分率與植物群落表征指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析，可以得出如下結(jié)論。

3.2.1 NO2、SO2的凈化百分率與郁閉度的關(guān)系 植物群落對(duì)2 種氣體污染物的凈化效益與郁閉度成正相關(guān)關(guān)系，NO2的凈化百分率與郁閉度的相關(guān)性系數(shù)R=0.237，P=0.141 ＞0.05，表明郁閉度與NO2凈化效益相關(guān)性不顯著。SO2的凈化百分率與郁閉度的相關(guān)性系數(shù)R= 0.233，P=0.148 ＞0.05，表明郁閉度與SO2凈化效益之間的相關(guān)性同樣不顯著。

3.2.2 NO2、SO2的凈化百分率與疏透度的關(guān)系 植物群落對(duì)2 種氣體污染物的凈化效益與疏透度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，NO2的凈化百分率與疏透度的相關(guān)性系數(shù)R=-0.347，P=0.028 ＜0.05，表明疏透度與NO2凈化效益顯著相關(guān)，但相關(guān)性較弱。SO2的凈化百分率與疏透度 的相關(guān)性系數(shù)R=-0.323，P=0.042 ＜0.05，表明疏透度與SO2凈化效益之間同樣顯著相關(guān)，但相關(guān)性較弱。

圖2 不同樣地不同季節(jié)植物群落的NO2 凈化效益

圖3 不同樣地不同季節(jié)植物群落的SO2 凈化效益

3.2.3 NO2、SO2的凈化百分率與二維綠量的關(guān)系 植物群落對(duì)2 種氣體污染物的凈化效益與二維綠量成正相關(guān)關(guān)系，NO2的凈化百分率與二維綠量的相關(guān)性系數(shù)R=0.574，P=0.000 ＜0.01，表明二維綠量與NO2凈化效益極顯著相關(guān)，但相關(guān)性一般。SO2的凈化百分率與二維綠量的相關(guān)性系數(shù)R=0.494，P=0.001＜0.01，表明二維綠量與SO2凈化效益之間同樣極顯著相關(guān)，但相關(guān)性一般。

3.2.4 NO2、SO2的凈化百分率與三維綠量的關(guān)系 植物群落對(duì)2 種氣體污染物的凈化效益與三維綠量成正相關(guān)關(guān)系，NO2的凈化百分率與三維綠量的相關(guān)性系數(shù)R=0.854，P=0.000 ＜0.01，表明三維綠量與NO2凈化效益極顯著相關(guān)，且相關(guān)性較強(qiáng)。SO2的凈化百分率與三維綠量的相關(guān)性系數(shù)R=0.740，P=0.000＜0.01，表明三維綠量與SO2凈化效益之間同樣極顯著相關(guān)，但相關(guān)性一般。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三維綠量達(dá)到5 m3/m2以上時(shí)，空氣中的NO2和SO2能獲得20%以上凈化率，而對(duì)三維綠量影響較大的是植物群落中常綠樹種的占比。

3.3 交通綠化帶植物群落配置模式建議

通過(guò)對(duì)市政園林部門、景觀公司的調(diào)研，結(jié)合該研究結(jié)果，給出交通綠化帶植物群落配置建議如下：在不影響植物自身生長(zhǎng)的情況下，保證合理的郁閉度、疏透度的同時(shí)，盡可能提高二維綠量、三維綠量；從距離路邊由近到遠(yuǎn)，依次為草本、灌+草結(jié)構(gòu)、喬+草結(jié)構(gòu)；灌木高度應(yīng)高于喬木第一枝（由下往上）高，可以較好的提高污染凈化效益，同時(shí)避免喬灌草結(jié)構(gòu)帶來(lái)的植物生長(zhǎng)不良；常綠樹種比例要較高，同時(shí)要保證景觀的季相變化之美以及群落的生物多樣性，推薦常綠植物比例在65%～85%。該研究對(duì)典型交通綠化帶進(jìn)行了初步的景觀設(shè)計(jì)配置，如圖4 和圖5 所示。

4 小 結(jié)

植物群落對(duì)大氣污染中的氣體污染物有較為明顯的凈化作用，交通干道兩側(cè)15 m 寬的綠地對(duì)氣體污染物NO2的凈化百分率為10%～25%，對(duì)SO2的凈化百分率為15%～30%。對(duì)氣體污染物的凈化效益均表現(xiàn)出夏季高于冬季。

圖4 交通綠化帶植物群落配置模式一

圖5 交通綠化帶植物群落配置模式二

植物群落對(duì)氣體污染物的凈化效益是與郁閉度成正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著；與疏透度成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性一般；與二維綠量、三維綠量均成極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中與三維綠量的相關(guān)性最強(qiáng)，當(dāng)三維綠量達(dá)到5 m3/m2以上時(shí)，空氣中的NO2和SO2能獲得20%以上凈化百分率。

根據(jù)研究結(jié)論和景觀設(shè)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)交通綠化帶植物群落配置提出相關(guān)建議，并設(shè)計(jì)了2 種具體的植物群落配置模式；從距離路邊由近到遠(yuǎn)，模式一依次為麥冬、火棘、雪松、桂花、狗牙根、香樟，模式二依次為小葉黃楊+紅花檵木、紅花酢漿草+狗牙根、夾竹桃、女貞、二月蘭、水杉。