城市不同功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5和PM10的消減作用

張純曦,阿麗亞?拜都熱拉,占玉芳,魯延芳,曾萬祺

城市不同功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5和PM10的消減作用

張純曦1,阿麗亞?拜都熱拉2,占玉芳1,魯延芳1,曾萬祺3

1. 張掖市林業(yè)科學(xué)研究院, 甘肅 張掖 734000;2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052 3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院, 甘肅 張掖 734000

為研究托克遜城市不同功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減作用，在不同寬度和不同配置結(jié)構(gòu)的綠地內(nèi)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)PM2.5、PM10濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算其消減率。結(jié)果顯示：不同功能區(qū)道路綠地內(nèi)PM2.5、PM10濃度差異顯著；顆粒物從道路擴(kuò)散至綠地內(nèi)3～10 m處濃度增加，隨后規(guī)律不同；不同功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減作用存在差異，不同功能區(qū)道路綠地內(nèi)PM2.5、PM10濃度表現(xiàn)為：空地>交通樞紐區(qū)>住宅區(qū)>公園綠地>城郊區(qū)；削減率表現(xiàn)為：空地>城郊區(qū)>交通樞紐區(qū)>公園綠地>住宅區(qū)；寬度上，城郊區(qū)道路綠地配置在30 m處效果優(yōu)良；交通樞紐區(qū)、空地道路綠地應(yīng)配置50 m，以發(fā)揮最佳滯塵效果；配置結(jié)構(gòu)為喬-灌-草的郁閉度較高的綠地對(duì)顆粒物的削減作用較好。

城市綠地; 顆粒物; 消減率

PM2.5污染事件近年來屢見不鮮，已成為全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來，托克遜空氣質(zhì)量較為良好，但是隨著城市化進(jìn)程的加快，道路交通也在快速發(fā)展，而道路交通產(chǎn)生的污染物使城市空氣質(zhì)量備受挑戰(zhàn)，加之新疆地區(qū)土地資源稀缺，綠洲等可利用土地資源較為有限，因此如何合理保護(hù)大氣環(huán)境，促進(jìn)綠洲城市的可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要?，F(xiàn)今關(guān)于控制PM2.5等顆粒物污染的主要方法是減排，有研究報(bào)道，植物可通過自身特征加速空氣中顆粒物的沉降，通過減少二次揚(yáng)塵等方式來調(diào)控PM2.5等顆粒物濃度，以降低污染[1]。Tong Z等進(jìn)一步研究表明：城市道路綠化林帶可較好地削減顆粒物，配置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的林帶對(duì)顆粒物的消減作用更好，同時(shí)隨著林帶寬度的增加，對(duì)顆粒物的削減作用更突出[2]。Islam MN研究發(fā)現(xiàn)道路林帶寬度配置在7 m時(shí)對(duì)顆粒物的削減率能達(dá)到50%左右[3]。陳小平對(duì)武漢城市干道綠化隔離帶消減顆粒物效益的研究中得出，顆粒物消減效率與道路綠化帶疏透度有密切關(guān)系，尤其是與0～2 m高度范圍內(nèi)的植物配置有顯著關(guān)系[4]。徐曉男對(duì)山東諸城市不同林分結(jié)構(gòu)和作用的林帶研究發(fā)現(xiàn)，不同林分在冬季和夏季對(duì)PM2.5的凈化能力不同，夏季表現(xiàn)為：山地林＞河岸林＞道路林，冬季相反，表現(xiàn)為：道路林＞河岸林＞山地林[5]。目前，國內(nèi)外在森林、草原等不同土地利用方式以及景觀格局對(duì)PM2.5的阻滯和吸收方面的研究比較常見[6,7]，而對(duì)不同城市功能區(qū)道路綠地消減顆粒物的研究較少。但也有部分研究關(guān)注道路綠地、居住小區(qū)綠地、公園綠地對(duì)大氣顆粒物的削減作用。其中，史小麗對(duì)北京行道樹滯塵效益的探究中有結(jié)論表示植物的滯塵量道路>校園[8]。陳博探討居住小區(qū)不同功能綠地、不同配置方式對(duì)大氣顆粒物的消減效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，小區(qū)綠地對(duì)居住區(qū)內(nèi)顆粒物的消減率較高，懸鈴木（和大葉黃楊（）配置的道路林帶對(duì)TSP、PM10、PM2.5的消減率分別為18.87%、6.40%、6.02%[9]。陳博對(duì)奧林匹克森林公園不同植被配置模式對(duì)PM2.5的消減研究發(fā)現(xiàn)，不同林分結(jié)構(gòu)、不同配置的公園綠地對(duì)PM2.5的削減率存在差異性。有關(guān)新疆地區(qū)城市不同功能綠地對(duì)PM2.5等顆粒物的影響以及綠地削減顆粒物作用的研究還鮮有報(bào)道。本文以吐魯番托克遜縣為研究區(qū)域，主要研究托克遜城市不同功能、不同配置寬度綠地對(duì)PM2.5、PM10濃度特征的影響，為提高托克遜城市綠地調(diào)控、削減PM2.5等顆粒物功能提供參考。基于此，擬解決的問題有：（1）托克遜縣不同功能綠地內(nèi)PM2.5、PM10濃度特征是否存在差異；（2）不同功能綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減作用是否存在差異。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)布設(shè)在托克遜縣域（87°14′05″-89°11′08″E，41°21′14″-43°18′11″N）不同功能區(qū)道路綠地中，分別為城郊區(qū)道路綠化林帶、城市公園綠地、濱河小區(qū)綠地、交通樞紐區(qū)綠化林帶、以及空地對(duì)照，各道路綠地植物群落結(jié)構(gòu)特征不盡相同，具體數(shù)據(jù)如表1。以靠近道路綠地一側(cè)的道路邊緣為起點(diǎn)，向綠化林帶側(cè)以3 m、10 m、20 m、30 m、50 m水平梯度作為采樣點(diǎn)，具體布設(shè)如圖1所示。采用BRAMC公司授權(quán)的BR-HOl-1210（北京）手持空氣質(zhì)量檢測(cè)儀布設(shè)在距離地面1.5 m（成人呼吸高度）高度處，于2019.4.13 - 2019.4.15連續(xù)3 d分早中晚進(jìn)行同步觀測(cè)，觀測(cè)記錄的指標(biāo)有PM2.5、PM10。數(shù)據(jù)借助于SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），采用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行各功能區(qū)間的多重比較，判斷各功能區(qū)之間、同一功能區(qū)道路綠地不同寬度之間是否存在顯著性差異。圖形借助于Origin9.1進(jìn)行繪制。不同水平梯度上林帶對(duì)PM2.5的消減率計(jì)算公式參照王曉磊[10]、李新宇[11]等。

式中P表示水平梯處顆粒物削減率；C表示道路邊緣0 m處顆粒物濃度；C表示林帶內(nèi)不同水平梯度顆粒物濃度。

表 1 托克遜不同功能區(qū)道路綠地群落基本信息

圖 1 采樣點(diǎn)布設(shè)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能區(qū)道路綠地內(nèi)顆粒物濃度對(duì)比

對(duì)不同功能區(qū)的PM2.5、PM10濃度值進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PM2.5和PM10濃度在不同功能區(qū)之間存在一定的差異性，城郊區(qū)和城市公園道路綠地沒有明顯差異，但兩者均顯著小于住宅區(qū)、交通樞紐區(qū)及空地道路綠地，交通樞紐區(qū)和空地對(duì)照道路林帶內(nèi)顆粒物濃度最高，但此二者之間并沒有差異性，總體表現(xiàn)為：空地對(duì)照>交通樞紐區(qū)>住宅區(qū)>城市公園綠地>城郊區(qū)。

圖 2 不同功能區(qū)道路綠地PM2.5、PM10濃度差異

注：不同字母代表不同功能區(qū)顆粒物濃度差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters represent significant differences in particle concentration between different functional areas (<0.05).

2.2 不同距離梯度道路綠地內(nèi)顆粒物濃度變化

將同一城市功能區(qū)各梯度檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)加和平均，得到托克遜不同功能區(qū)道路綠地內(nèi)顆粒物濃度的水平分布規(guī)律。道路綠地內(nèi)顆粒物隨水平梯度的變化總體上均是先升高至3～10 m后下降，其后不同功能區(qū)綠地內(nèi)PM2.5、PM10隨距離道路遠(yuǎn)近呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。城郊區(qū)PM2.5、PM10濃度隨著梯度的變化顆粒物濃度處于波動(dòng)狀態(tài)，50 m處PM2.5、PM10濃度最高，最低值出現(xiàn)在20～30 m，并與其它梯度存在明顯差異；城市公園綠地、住宅區(qū)道路綠地內(nèi)PM2.5濃度最大值出現(xiàn)在30 m，PM10濃度最大值出現(xiàn)在20 m，除城市公園綠地PM10濃度外，其余最小值均出現(xiàn)在0 m處，但PM2.5和PM10濃度各個(gè)梯度之間并不存在顯著差異；交通樞紐區(qū)和空地對(duì)照PM2.5、PM10濃度在各個(gè)梯度都高于其它三個(gè)功能區(qū)，除空地對(duì)照PM10之外，其它梯度PM2.5和PM10濃度最大值均大致出現(xiàn)在3～10 m處，最小值在50 m處，尤其交通樞紐區(qū)10 m處與其它梯度PM2.5濃度差異顯著。

表 2 不同功能區(qū)顆粒物濃度方差分析表/(μg/m3)

注：大寫字母表示相同寬度不同功能區(qū)之間的差異性；小寫字母表示相同功能區(qū)不同寬度之間的差異性（<0.05）。

Note: Uppercase letters indicate differences between functional areas of the same width; lowercase letters indicate differences between different widths of the same functional area (<0.05).

2.3 不同功能區(qū)道路綠地對(duì)顆粒物的消減作用分析

對(duì)不同功能區(qū)道路綠地削減PM2.5、PM10的能力進(jìn)行計(jì)算（如圖3），對(duì)比削減率發(fā)現(xiàn)，不同功能區(qū)綠地在不同寬度處對(duì)PM2.5、PM10的削減作用存在差異。各功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5的削減率變幅在-19.83%～17.66%之間，對(duì)PM10的削減率變幅在-20.00%～13.00%。城郊區(qū)（圖a）道路綠地和空地道路綠地（圖e）對(duì)PM2.5、PM10的消減多為正；住宅區(qū)（圖c）道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的消減在各個(gè)寬度均為負(fù)；城市公園綠地（圖b）對(duì)PM2.5、PM10的削減率在50 m寬度處為0或者正消減，其余寬度處均表現(xiàn)為負(fù)削減；交通樞紐區(qū)（圖d）道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減率在30 m和50 m處為正削減，其它寬度處為負(fù)削減。不同功能區(qū)道路綠地對(duì)顆粒物的削減率總體表現(xiàn)為：空地>城郊區(qū)>交通樞紐區(qū)>城市公園綠地>住宅區(qū)。在寬度上，城郊區(qū)在20 m處PM2.5削減率最大，30 m處PM10削減率最大；城市公園綠地PM2.5在3 m處削減率最大，PM10在50 m處削減率最大；住宅區(qū)PM2.5、PM10在10 m處相比較其它距離觀測(cè)處負(fù)削減最??；交通樞紐區(qū)在50 m處PM2.5、PM10削減率最大；空地林帶對(duì)PM2.5的削減率在50 m最大，對(duì)PM10的削減率在20 m最大。

圖 3 不同功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減率比較

3 討論

空地因植被寬度較?。ㄐ∮?5 m），大面積裸地易產(chǎn)生揚(yáng)塵，顆粒物來源固定且持續(xù)，因此引起空地道路綠地內(nèi)PM2.5、PM10濃度升高；交通樞紐區(qū)因交通繁忙，人車流量較大，汽車尾氣排放成為主要污染源[12]，污染物自道路擴(kuò)散至綠地林帶內(nèi)，在林帶內(nèi)匯集，短時(shí)間內(nèi)無法沉淀吸附；住宅區(qū)因?yàn)榻ㄖ芗?，?duì)氣流的循環(huán)和對(duì)流產(chǎn)生阻礙，影響PM2.5等污染物擴(kuò)散，因此產(chǎn)生區(qū)域性集聚現(xiàn)象[13]；城市公園作為城市居民游憩集聚的場(chǎng)所，綠地面積占比較高，且綠地覆蓋率和配置結(jié)構(gòu)最為完善，對(duì)顆粒物產(chǎn)生明顯的吸附、降解作用，因此PM2.5、PM10的濃度顯著低于住宅區(qū)等建筑區(qū)，與趙孫婷研究所得結(jié)論一致[14]；城郊區(qū)是城市最外圍的區(qū)域，較城市中心區(qū)車流量等人類活動(dòng)少，污染物來源較少[15]，使得城郊區(qū)道路綠地內(nèi)顆粒物濃度在各功能區(qū)道路綠地內(nèi)積累的最少。

綠地林緣處因臨接道路，快速行駛的機(jī)動(dòng)車輛會(huì)引起局部空氣湍流，顆粒物被快速帶入道路綠地，在林緣部分發(fā)生累積，導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)綠地內(nèi)顆粒物濃度高于道路邊緣處[16]。城郊區(qū)在50 m處無綠地覆蓋，地表極易產(chǎn)生揚(yáng)塵，導(dǎo)致濃度增大；城市公園綠地和住宅區(qū)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在20 m～30 m處，常布設(shè)一些供游客休憩、健身、乘涼的文娛活動(dòng)設(shè)施，因此人為擾動(dòng)，致使該處PM2.5、PM10濃度略微高于其它梯度,因此布設(shè)寬度應(yīng)不低于30 m，以保證公園綠地具有一定的規(guī)模，來保障綠地應(yīng)對(duì)PM2.5污染的規(guī)模效益[17]。交通樞紐區(qū)和空地對(duì)照綠地在10 m之后顆粒物濃度呈明顯的下降趨勢(shì)，至50 m處降至觀測(cè)最低值，表明在此類城市功能綠地在配置時(shí)可將寬度設(shè)置在10 m，這與殷杉研究交通綠化帶配置所得的結(jié)論類似[18]。

道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減效率受不同功能區(qū)和植物配置結(jié)構(gòu)的的影響，據(jù)解韓瑋研究表明：綠地類型是改變PM2.5濃度的主要因素，占總變異的24.95%，城市不同功能區(qū)對(duì)PM2.5濃度也存在顯著影響，占總變異系數(shù)的11.84%[19]?？盏睾统墙紖^(qū)因人為活動(dòng)較少，對(duì)道路綠地植物的覆蓋度及其生物多樣性的影響小，因此滯塵的特征明顯，滯塵作用在20 m～30 m梯度上最好，與王月榮研究結(jié)論相同[20]。交通樞紐區(qū)、城市公園綠地、住宅區(qū)等屬于人口集中區(qū)，靠近道路的綠地處于強(qiáng)度干擾狀態(tài)，一定條件下限制了個(gè)體較高大草本植物的生長。踐踏、仰臥等使得草被和矮小灌木損傷，植物的-多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)下降[21]，因此對(duì)于大氣顆粒物的削減能力降低，除交通樞紐區(qū)在50 m處削減率較好之外，其它梯度呈現(xiàn)出在水平梯度上的不規(guī)律性。同時(shí)道路綠地對(duì)顆粒物的削減作用受植物配置方式的影響，以國槐、大葉榆、連翹為主的空地道路林帶和以國槐、榆樹為主要樹種的城郊區(qū)道路綠地，其配置模式為喬-灌-草，郁閉度>80%，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。這種配置模式下的道路綠地對(duì)顆粒物的削減率明顯比以紫穗槐、國槐為主要樹種，配置模式為喬-草的住宅區(qū)道路綠地對(duì)顆粒物的削減率高，這與羅曼研究不同群落結(jié)構(gòu)綠地對(duì)PM2.5、PM10的消減率排序?yàn)閱?灌-草>喬-草的結(jié)論一致[22]。說明配置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合式群落結(jié)構(gòu)組成的道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減作用優(yōu)于簡(jiǎn)單群落結(jié)構(gòu)的道路綠地。

4 結(jié)論

（1）不同功能區(qū)道路綠地內(nèi)顆粒物濃度差異明顯，主要是受城市不同功能區(qū)污染物排放源數(shù)量變化情況的影響，道路林帶內(nèi)PM2.5、PM10濃度整體表現(xiàn)為空地對(duì)照>交通樞紐區(qū)>住宅區(qū)>城市公園綠地>城郊區(qū)；

（2）托克遜城市不同功能道路綠地寬度與顆粒物濃度之間關(guān)系復(fù)雜。顆粒物從道路擴(kuò)散至綠地內(nèi)3 m～10 m濃度增加，隨后在不同功能區(qū)表現(xiàn)出不同的規(guī)律，交通強(qiáng)度高的道路兩側(cè)綠地寬度至少達(dá)到50 m，而對(duì)于其他功能區(qū)建議結(jié)合實(shí)際情況，在使綠地配置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的基礎(chǔ)上可以適當(dāng)減小綠地的寬度；

（3）托克遜不同城市功能區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減作用不同，在功能區(qū)上表現(xiàn)為空地>城郊區(qū)>交通樞紐區(qū)>城市公園綠地>住宅區(qū)。在寬度上，城郊區(qū)道路綠地在20 m～30 m對(duì)顆粒物的削減作用較好，寬度配置在30 m處最為優(yōu)良；城市公園綠地、住宅區(qū)道路綠地對(duì)PM2.5、PM10的削減規(guī)律不明顯；交通樞紐區(qū)道綠地在50 m處對(duì)PM2.5、PM10的削減效果最好，空地道路林帶在20 m～50 m處削減率最明顯，因此在交通樞紐區(qū)和空地，道路綠地應(yīng)配置50 m，已發(fā)揮最佳滯塵效果；

（4）道路綠地對(duì)PM2.5、PM10削減效果受植物配置方式的影響，配置結(jié)構(gòu)為喬-灌-草的郁閉度較高的復(fù)合結(jié)構(gòu)綠地對(duì)大氣顆粒物的削減作用較好，配置結(jié)構(gòu)單一的綠地對(duì)大氣顆粒物的削減作用不明顯。

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The Reduction Roles of PM2.5and PM10by Different Functional Green Spaces in Toksun City

ZHANG Chun-xi1, ALIYA Baidourela2, ZHAN Yu-fang1, LU Yan-fang1, ZENG Wan-qi3

1.734000,2.830052,3.734000,

in order to study the reduction of PM2.5and PM10by road green space in different functional areas of the Toksun city, monitoring points were set up in green space of different width and configuration structure to monitor the concentration of PM2.5and PM10, and the reduction rate was calculated. The results showed that the concentrations of PM2.5and PM10were significantly different in the road green space of different functional areas, and the concentration of particulate matter increased from the road to 3～10 m in the green space, then the rule was different. There are differences in the reduction of PM2.5and PM10by road green spaces in different functional areas. The concentrations of PM2.5and PM10in road green spaces in different functional areas are expressed as: vacant land> transportation hub area> residential area> park green space> urban suburbs. In terms of width, the effect of urban suburban road green space configuration at 30 m is excellent. The transportation hub area and the vacant land road green space shall be equipped with 50 m to play the best effect of dust retention. Green space with high canopy density and structure of trees-shrubs-herbs has a better effect on reducing particulate matter.

Urban green space; particulate matter; reduction rate

S725.1

A

1000-2324(2021)06-0949-06

2019-12-18

2019-12-24

國家自然科學(xué)基金:綠洲城市路側(cè)樹種不同器官對(duì)降塵和土壤重金屬的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理研究(31971713);國家自然科學(xué)基金青年基金:烏魯木齊市快速公路林帶對(duì)PM2.5等顆粒物的阻滯作用研究(31600572);國家博士后基金:吐魯番城郊工業(yè)區(qū)人工防護(hù)林對(duì)土壤重金屬的富集及防風(fēng)蝕機(jī)理研究(2020T130554)

張純曦(1995-),女,碩士研究生,主要從事林業(yè)生態(tài)工程與管理方面的研究. E-mail:zcx@c4dlx.com