植物屏障影響路邊大氣顆粒物分布機(jī)理及研究方法的進(jìn)展

王占永，陳昕，胡喜生，何紅弟，蔡銘，彭仲仁

1. 福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3. 中山大學(xué)智能工程學(xué)院，廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室，廣東 廣州 510006；4. 佛羅里達(dá)大學(xué)城市與區(qū)域規(guī)劃系，適應(yīng)性規(guī)劃與設(shè)計國際研究中心，美國 佛羅里達(dá)州 32611

隨著城市居民出行活動的機(jī)動化和臨路而居的常態(tài)化，道路空氣污染暴露風(fēng)險日益上升。尤其是大氣顆粒物作為典型的道路交通污染物，長期或短期暴露于其高濃度環(huán)境都會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害（Turner et al.，2011；Kumar et al.，2018）。盡管機(jī)動車減排是道路大氣顆粒物防治直接有效的方式之一，但是快速大幅減排甚至創(chuàng)建零排放區(qū)，對于加速發(fā)展中的大多數(shù)城市來說，或需數(shù)十載的漫長實踐（Baldauf，2017）。即使未來尾氣減排成效顯著，機(jī)動車輪胎磨損與老化、剎車磨損等產(chǎn)生的道路粉塵卻并不會減少，甚至?xí)蚋林仉妱悠嚨某霈F(xiàn)導(dǎo)致車路磨損引起的大氣顆粒物的增加（Barwise et al.，2020）。因此，在交通減排難以短期奏效之時，尋求減輕道路污染暴露之策顯得同樣重要且緊迫。

處處可見的城市綠地能夠改善環(huán)境條件，如減少紫外線輻射、調(diào)節(jié)地表徑流和緩解熱島效應(yīng)（Roy et al.，2012；Sivarajah et al.，2020）。除此之外，綠地被視為一種能凈化空氣的潛力方案而同樣備受關(guān)注（Deshmukh et al.，2019），但其對道路空氣質(zhì)量的影響仍是學(xué)界爭論的焦點（Katherine，2017；Hashad et al.，2020；胡楊等，2021a，2021b）。一部分學(xué)者認(rèn)為栽種對污染物有強(qiáng)吸附沉降能力的植物種類能降低污染（Wang et al.，2019；Rocco et al.，2020；Zhang et al.，2020），也有學(xué)者強(qiáng)調(diào)路旁植物屏障會抑制污染物擴(kuò)散，從而加重微環(huán)境污染（Buccolieri et al.，2018a；Tiwari et al.，2019）。對于道路大氣顆粒物來說，其源于機(jī)動車尾氣排放，又與其它尾氣污染物的二次轉(zhuǎn)化有關(guān)，并由車輛制動和輪胎磨損生成的氣溶膠新顆粒以及道路懸浮粉塵等組成（USEPA，2016）。道路大氣顆粒物的復(fù)雜構(gòu)成使其源頭控制的難度加大，因此探尋減輕路邊顆粒物污染的綠化策略很有必要。但是，目前研究缺乏對植物屏障影響路邊顆粒物分布及污染過程的系統(tǒng)認(rèn)識，從而無法客觀評價道路綠化的降污成效。

從近年逐漸涌現(xiàn)的有關(guān)道路綠化影響路邊空氣質(zhì)量的綜述性文獻(xiàn)來看（見表1），路旁植物屏障通常以其多樣化的物種構(gòu)成、形態(tài)特征和配置結(jié)構(gòu)，不同程度地影響交通污染物在路側(cè)的分布格局，并在交通流、街道形態(tài)、路邊設(shè)施建筑、氣象等微環(huán)境條件的作用下，對路側(cè)污染物的分布產(chǎn)生不確定影響。為此，本文進(jìn)一步通過文獻(xiàn)調(diào)研，聚焦街道尺度下樹籬、灌木、行道樹等常見的植物屏障，綜合考慮街道形態(tài)及道路微氣象因素的變化，分析綠化對路邊大氣顆粒物的吸附沉降和擴(kuò)散影響機(jī)理（如圖1所示），以及梳理相關(guān)的研究方法，歸納能夠積極調(diào)節(jié)顆粒物分布的綠化參數(shù)及配置方案，并指出未來亟需重視的實踐問題。

表1 道路綠化影響路邊空氣質(zhì)量的代表性綜述文獻(xiàn)Table 1 Representative review articles of green barriers affecting roadside air quality

圖1 道路微環(huán)境機(jī)動車排放大氣顆粒物的動力學(xué)過程示意圖Figure 1 Schematic diagram of the dynamic process of atmospheric particles emitted by motor vehicles in road microenvironment

1 植物屏障對路邊大氣顆粒物的吸附沉降機(jī)制

森林、公園等城市綠地對大氣顆粒物有明顯的長期凈化能力（Xing et al.，2020），但是街道尺度上的綠地能否積極滯塵并不確定，甚至被認(rèn)為微不足道（Antoine et al.，2017）。根據(jù)不同的沉降形式，綠地滯塵分為布朗擴(kuò)散、截獲、碰撞和重力沉積 4個過程，大氣顆粒物也會因反彈及再懸浮促使新一輪的沉降（馬克明等，2018）。從影響因素來看，綠地對顆粒物的吸附沉降效果與植物的葉片特性、生長習(xí)性、環(huán)境適應(yīng)性及結(jié)構(gòu)特征有關(guān)（陳小平等，2014；佘欣璐等，2020；趙曉亮等，2021）。

1.1 植物種類及其生物學(xué)特征

植物對顆粒物的去除有顯著的物種依賴性，不同種類的植物在葉片的幾何形狀、紋理結(jié)構(gòu)、葉面粗糙度等方面有一定差異，對顆粒物具有不同的吸附沉降作用（Wang et al.，2019；高國軍等，2016）。從植物葉片的幾何形狀和紋理結(jié)構(gòu)看，松柏科針葉樹對顆粒物的干沉降速度往往大于闊葉樹（Rocco et al.，2020；Zhang et al.，2020）。盡管闊葉樹有著更復(fù)雜的葉面紋理，較針葉樹單葉面積更能有效沉積顆粒物，但是針葉樹由于總?cè)~面積更大而使其滯塵效果更好（Song et al.，2015）。對于針葉樹，較大的比葉面積有利于擴(kuò)大顆粒沉積的捕獲面積，而與此相反，較大的比葉面積會使闊葉樹葉片沉積的顆粒更不穩(wěn)定，易于引起顆粒的再懸?。婚熑~樹葉片間的孔隙也常因強(qiáng)風(fēng)而增大，進(jìn)而減少顆粒物沉降量，針葉樹則相反（Tiwary et al.，2006）。也有研究指出，植物葉面粗糙度對顆粒物的沉積有著重要的作用（S?b? et al.，2012），比如蠟質(zhì)葉面往往不利于顆粒物沉降。顆粒物在通過濕潤葉片時易被去除（Grote et al.，2016），但葉片濕潤程度會隨著葉片蠟含量的增加而降低（Muhammad et al.，2020），從而導(dǎo)致顆粒物的沉降速度減弱（特別是針葉樹）（Zhang et al.，2018；Muhammad et al.，2019）。除蠟含量外，蠟的形態(tài)、化學(xué)成分以及不同樹種的蠟特性也會導(dǎo)致葉片對顆粒物累積量的不同（Popek et al.，2013；Barwise et al.，2020）。不同物種植物的滯塵差異還取決于顆粒物粒徑的變化（馬克明等，2018），同時受研究的空間尺度的影響，如城市與街道尺度上同種植物對相同粒徑顆粒物的沉降效果就明顯不同（Cavanagh，2006）。

植物的生物學(xué)特性差異也會影響其對環(huán)境污染的凈化或適應(yīng)能力，有些物種甚至?xí)晕裔尫盼廴?，從而惡化周邊空氣質(zhì)量（Baldauf，2017；Rawski，2019）。Ottosen et al.（2020）研究路側(cè)樹籬落葉前后道路大氣顆粒物變化時發(fā)現(xiàn)，從葉熟到開始衰敗，樹籬前后位置上的顆粒物濃度存在顯著變化。也有研究建議，應(yīng)栽種環(huán)境敏感性低且易生長的植物，并考慮自我恢復(fù)力和抵抗外來病蟲害等威脅較強(qiáng)的植物物種（Baldauf，2017）。再者，必要考慮BVOC、花粉等二次污染物排放少、干濕氣候適應(yīng)性強(qiáng)、易修剪養(yǎng)護(hù)等植物物種，且避免因單一植物的某一缺陷（如遇極端天氣或局地氣候變化使其凈化功能退化或喪失）而導(dǎo)致綠地的整體凈化效率大減（Rawski，2019；Wang et al.，2019）。

1.2 植物群落的配置及其數(shù)量特征

在道路環(huán)境中，顆粒物沉降的效率也與植物群落的配置有關(guān)。植物群落足夠致密能為顆粒物沉積提供了更多的表面，但也會因過密而阻礙顆粒物的遷移，從而導(dǎo)致局部污染的抬升（Janh?ll，2015）。道路常區(qū)分為峽谷街道和開闊道路，而無論對于哪種道路環(huán)境，以灌木等構(gòu)成的樹籬對于道路滯塵都有一定的效果（Janh?ll，2015；Abhijith et al.，2017）。寬厚密且滲透性強(qiáng)的灌木有助于降低道路下風(fēng)向污染物濃度，排列不連續(xù)且滲透性弱的植物群落的下風(fēng)向降污效果則不明顯亦或增加污染。實測研究發(fā)現(xiàn)，樹籬后比其前的葉子對顆粒物的沉降作用更明顯，樹籬前對顆粒物的沉降效果與樹籬高度有關(guān)，連續(xù)排列的灌木可降污60%（Abhijith et al.，2017）。但是，也有不同的觀點認(rèn)為，如果低矮灌木之間有較大間隙或季節(jié)性落葉植物在落葉季的形態(tài)改變，反而會增加空氣污染（Ghasemian et al.，2017）。概括而言，植物的冠形、高度、長度、厚度、間距以及群落的密度、郁閉度和疏透度是影響滯塵效率的重要參數(shù)（Baldauf，2017；殷杉等，2007）。特別是植物群落的密度影響其疏透度，但二者又不同程度地決定顆粒物的沉降速度（Tiwari et al.，2019；Barwise et al.，2020）。因此，明確植物群落疏透度的最優(yōu)取值或范圍，對于提高道路綠化滯塵效率有重要的實踐價值。

現(xiàn)實中，綠地沉降顆粒物的速度往往高出模擬所用速率參數(shù)的 10—50倍，沉降速度參數(shù)的嚴(yán)重低估是造成模擬中綠地的吸附沉降作用遠(yuǎn)小于空氣動力學(xué)作用的主要原因（Wang et al.，2019）。一般來說，植物的葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）和葉面積密度（Leaf area density，LAD）是表征顆粒物沉降速度的兩個重要參數(shù)（Abhijith et al.，2017）。LAI是一個無量綱度量標(biāo)準(zhǔn)，描述單位土地面積的總植物葉面積（m2·m?2），而LAD指單位群落體積的總植物葉面積（m2·m?3）。LAI為實地監(jiān)測指標(biāo)，而 LAD常被用于建模時估計植物群落的疏透度或密度（Neft et al.，2016；Tong et al.，2016）。

Katul et al.（2011）利用同一數(shù)據(jù)集但不同的建模方法，發(fā)現(xiàn)顆粒物沉降速度和LAI存在比例關(guān)系。Slinn（1982）發(fā)現(xiàn)LAI從8到6減少約25%，會導(dǎo)致顆粒物的沉降速度下降約60%。但是，Lin et al.（2018）通過大渦模擬發(fā)現(xiàn)，LAI從10到4減少約60%僅使沉降速度下降約40%，認(rèn)為LAI對沉降速度的影響弱。也有研究認(rèn)為考慮差異化沉降速度的LAD更能提高綠地滯塵效率（Xue et al.，2017）。例如，在街道峽谷中，當(dāng)忽略沉積或假設(shè)沉降速度為0.01 m·s?1時，LAD低的樹籬能最大程度地消減顆粒物；當(dāng)沉降速度大于0.03 m·s?1時，LAD高的樹籬更能減少顆粒物（Santiago et al.，2019）。盡管還有研究認(rèn)為，綠地對顆粒物的去除率會隨著LAD 的增加而增加（Abhijith et al.，2015；Moradpour et al.，2016），但并不適用于開闊道路（Baldauf，2017；Santiago et al.，2019）。針對街道峽谷，殷杉等（2007）認(rèn)為植物群落疏透度的最佳范圍為0.25—0.33，但Abhijith et al.（2017）推薦綠地LAD為0.2—5.12 m2·m?3，疏透度建議保持在 0.96—0.99。栽種空間較窄時，LAD應(yīng)適當(dāng)增大，即低疏透度或高于平均密度，如此才能確保綠地有足夠的滯塵能力（Barwise et al.，2020）。無論如何，植物群落疏透度和密度的實地測量比較困難，尤其涉及到復(fù)雜風(fēng)場時，其對顆粒物影響的外場測定難度更大（Baldauf，2017）。在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，如何選擇適合于顆粒物分布模擬的理想 LAD或疏透度仍存在很大的不確定性，這也使不同研究之間的可比性變?nèi)?，未來制定這些參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)化方法很重要（Etyemezian et al.，2004）。

2 街道形態(tài)與綠化配置對大氣顆粒物擴(kuò)散的影響

近期有研究認(rèn)為，道路微環(huán)境中植物屏障不在于其沉降去污的能力，而更在于其控制或改善空氣流動和污染擴(kuò)散的機(jī)制（Buccolieri et al.，2018a；Greater London Authority，2019；Tiwari et al.，2019）。顆粒物擴(kuò)散是以風(fēng)為載體的顆粒物稀釋和輸送后的空間重分配（Etyemezian et al.，2004；Janh?ll，2015），植物屏障如何影響顆粒物擴(kuò)散已成為街道尺度綠化降污關(guān)注的重點（Jeanjean et al.，2016；Karttunen et al.，2020）。一般來說，街道的幾何形態(tài)決定了局部流場的大體特征，而綠化配置是否有益于局部污染物的擴(kuò)散，會因街道形態(tài)的變化而不同。即便合理的綠化配置能夠改善街道整體的空氣質(zhì)量，但也可能會因植物栽種位置的不同而導(dǎo)致污染的局部差異。

2.1 不同街道形態(tài)下路旁植物屏障對大氣顆粒物擴(kuò)散的影響

大多數(shù)研究從街道峽谷和開闊道路討論植物屏障對道路局部顆粒物分布的影響（Abhijith et al.，2017；Tiwari et al.，2019）。街道峽谷是由道路兩側(cè)高聳的建筑和狹長的道路圍合而成的一個狹窄的空間結(jié)構(gòu)（周姝雯等，2017），而開闊道路較為寬闊，兩側(cè)建筑物平均高度和道路寬度之比較小，建筑物高度參差不齊，密度較小且間隙較大（李修剛等，2001）。

對于街道峽谷來說，高寬比（即路側(cè)建筑高度與道路寬度之比）的差異會導(dǎo)致不同的空氣流場模式（蔣德海等，2006），其值過大會限制風(fēng)的內(nèi)外循環(huán)，從而抑制污染空氣的對外擴(kuò)散。綠地緩解局部污染的成效很大程度上取決于高寬比，基于高寬比大小確定峽谷街道綠化配置方案顯得十分重要。有研究認(rèn)為，深谷型街道（高寬比≥2）僅適合綠墻植物配置，中等深度峽谷街道（高寬比為0.5—2）適合低矮植物（灌木和樹籬），淺谷型街道（高寬比≤0.5）可嘗試在峽谷迎風(fēng)側(cè)增加種植高度低、間距大的行道樹（Barwise et al.，2020）。也有研究認(rèn)為，綠化密度相同的深谷型街道的大氣顆粒物濃度高于淺谷型街道（Moradpour et al.，2016）。與常規(guī)峽谷依靠初級渦旋去除顆粒物相比，深谷街道的主渦一切分二，導(dǎo)致渦旋帶動清除顆粒物的效率降低（Abhijith et al.，2017）。簡言之，中高植物會加重峽谷型街道的空氣污染，而適當(dāng)選用低矮灌木、樹籬等有助于改善街道空氣質(zhì)量。

對于開闊道路而言，路側(cè)空曠、通透性強(qiáng)，氣流內(nèi)外交換頻繁。寬厚密的灌木加上外層高行道樹，有助于降低道路下風(fēng)向的空氣污染，但稀疏不連續(xù)排列的植物群落調(diào)節(jié)下風(fēng)向污染的效果不明顯亦或增加污染（Tiwari et al.，2019）。必要以降污受益的空間或群體為目標(biāo)對象，優(yōu)化路側(cè)綠化配置結(jié)構(gòu)。例如，出于路邊通勤人群防護(hù)目的，或以臨路居住或脆弱易感人群的路邊活動空間（如學(xué)校、醫(yī)院、老年活動中心等）為降污目標(biāo)的綠化配置，等等（Janh?ll，2015；郭曉華等，2018）。通常來說，高密植物屏障可直觀改善行人側(cè)空氣質(zhì)量，但其厚度應(yīng)結(jié)合道路空間大小給予最大限度的考慮。灌木和樹籬可與行道樹組成混合屏障，大于行人呼吸高度有益于減少行人側(cè)污染；屏障平行且靠近道路亦可阻擋特殊高度車輛的抬高排放物。

2.2 綠化配置對大氣顆粒物擴(kuò)散的影響

道路微環(huán)境中植物群落對顆粒物分布的影響有高度局部化特質(zhì)，不存在一種綠化方案適合所有場景，而正確位置上栽種恰當(dāng)配置的植物才是比較有效的策略（Tiwari et al.，2019）。概括講，植物的高度、寬度、厚度、密度、位置、組合結(jié)構(gòu)等合理與否，決定了道路顆粒物的擴(kuò)散水平。

高植物可阻擋道路顆粒物向路側(cè)擴(kuò)散，但也與冠層特征密切相關(guān)。例如，冠層較高的行道樹會抑制顆粒物上揚(yáng)，而樹籬等低密冠層植物易于阻礙顆粒物的路側(cè)近距離擴(kuò)散（Abhijith et al.，2017）。增加植物群落的寬度相當(dāng)于增加路側(cè)屏障的面積，從而提高上風(fēng)向道路顆粒物遇屏障時被阻隔的效率（Santiago et al.，2019）。植物屏障越厚越能減少路側(cè)湍流和來風(fēng)風(fēng)速以及增加氣流阻塞量，從而增加顆粒穿越屏障的時間來實現(xiàn)對顆粒物的去除（Baldauf，2017）。據(jù)有關(guān)報道（Neft et al.，2016），植物至少5 m厚才會有消減顆粒物的效果，接近10 m或更厚的植物對顆粒物的消減更有效；植物越密越能對穿越氣流施加阻力甚至改變氣流流向，從而達(dá)到降低路側(cè)顆粒物濃度的效果。

植物的栽種位置也會影響顆粒物的分布。Morakinyo et al.（2016）基于綜合擴(kuò)散-沉積法，提出了污染物的最大濃度距離，并建議將植物栽種在靠近源或污染物最大濃度距離之后，即可最大程度地增強(qiáng)綠化降污效率。不難理解，氣流攜帶高濃度污染煙團(tuán)遇植物屏障，即刻被阻擋沉降或穿越植物時被過濾，從而使其濃度極速下降（Etyemezian et al.，2004）。在不受任何阻擋的情況下，顆粒物會隨距離逐漸衰減（Abhijith et al.，2019；Han et al.，2020），通常遠(yuǎn)離道路80—600 m后，其濃度接近背景水平（Etyemezian et al.，2004）。也有研究證實，在街道峽谷中，靠近污染源的低冠層植物（如樹籬）不僅能高效過濾顆粒物，而且有利于街道通風(fēng)（Janh?ll，2015），同時通過促進(jìn)外來清潔空氣的輸入來加速局部顆粒物的稀釋（Lin et al.，2018）。但是，臨路栽種低冠層植物對顆粒物沉降和擴(kuò)散耦合過程的作用強(qiáng)弱，也要同時取決于植物的種類、葉面結(jié)構(gòu)、面積和體積、季節(jié)變化以及目標(biāo)顆粒物的性質(zhì)和采樣位置，等等。因此，只有在充分考慮綠化配置特征的基礎(chǔ)上，選擇合適的植物栽種距離，才能提高綠化調(diào)節(jié)道路顆粒物的能力。

單一或多類型組合的植物對道路顆粒物擴(kuò)散有不同的影響，從而產(chǎn)生不同的顆粒物消減效率。例如，Antoine et al.（2017）認(rèn)為樹籬等單一低矮冠層植物較樹籬和行道樹組合方案更能凈化顆粒物；顧康康等（2020）發(fā)現(xiàn)喬木、樹籬、灌木等組合配置對 PM2.5的消減優(yōu)于單一喬木以及喬木和樹籬的組合方案。當(dāng)考慮到風(fēng)等其他外部環(huán)境條件時，樹籬和行道樹的高低組合配置是消減顆粒物的最佳選擇（Abhijith et al.，2017；Zhang et al.，2020）。Deng et al.（2019）認(rèn)為凹凸不平的植物組合比齊平組合更有利于 PM2.5等顆粒物的凈化。究其原因，復(fù)雜、多孔的植物組合結(jié)構(gòu)不僅可以高效捕獲滲透而過的顆粒物，而且能夠以其更加粗糙的冠層表面來降低風(fēng)速和增強(qiáng)空氣湍流，從而增加顆粒物的混合稀釋強(qiáng)度（Bowker et al.，2019；Wania et al.，2019）。相比于單一行道樹，盡管樹籬或與行道樹的組合配置對顆粒物的凈化效果更好，但也會因顆粒物類型、風(fēng)向等的變化而產(chǎn)生差異（Deng et al.，2019）。近期研究還證實，植物和非滲透人工屏障（如隔音障等）的組合結(jié)構(gòu)較單一結(jié)構(gòu)更能改善道路空氣質(zhì)量（Ghasemian et al.，2017；Lee et al.，2018；Deshmukh et al.，2019；Hashad et al.，2020）。隔音障能夠提高道路污染物的紊亂程度，進(jìn)而促進(jìn)下風(fēng)向路邊污染物濃度的稀釋（Dash et al.，2018）。Gallagher et al.（2015）通過總結(jié)植物和隔音障、低界墻、路邊停車等固體屏障組合改善道路空氣質(zhì)量的各自特點，建議依據(jù)不同的規(guī)劃策略和局部要素，以量化評估減污成效的方式來制定配置準(zhǔn)則。簡言之，有關(guān)植物與固體屏障的組合配置對顆粒物凈化效果的研究尚且較少，未來需更多關(guān)注其高效降污的組合優(yōu)化方案研究。

對于不同等級的道路，有效調(diào)節(jié)顆粒物的綠化配置方式也有所不同。Chen et al（.2015）研究發(fā)現(xiàn)，灌木和行道樹組合對主干路或交通流量大路段的PM10去除率更高，行道樹、灌木、草叢等分層結(jié)構(gòu)對中等交通流路段的 PM10去除效果明顯，單行排列的行道樹是支路或交通流量小路段 PM10去除的最優(yōu)方案。若同時考慮街道峽谷效應(yīng)，F(xiàn)erranti et al.（2019）認(rèn)為，車流量大的街道自身即為高污染源，過于密集的植物屏障反而不利于局部污染的向外擴(kuò)散，相反對于車流量低的街道，可以通過增加植物屏障來阻止外部污染的流入。因此，區(qū)分道路等級并兼顧區(qū)位環(huán)境差異和道路空間形態(tài)變化，可促進(jìn)綠化改善道路空氣質(zhì)量的效益最大化。

3 影響道路綠化調(diào)控效應(yīng)的氣象要素

氣象條件是影響道路空氣質(zhì)量的客觀因素，而局部氣象的變化會改變綠地凈化空氣的效果（王亞英等，2015）。風(fēng)是影響大氣顆粒物稀釋擴(kuò)散的關(guān)鍵氣象因素，風(fēng)速越大越能帶動顆粒物的流動，對粗顆粒物的影響更明顯，風(fēng)向則左右顆粒物的空間走向（陳小平等，2014）。以垂直道路的風(fēng)來說，無建筑遮擋的下風(fēng)向污染往往大于上風(fēng)向，但是在街道峽谷中更易產(chǎn)生局部渦流，形成與屋頂風(fēng)方向相反的地面風(fēng)（Oke，1998），局部渦流又在路邊設(shè)施建筑和植物屏障的耦合作用下，會進(jìn)一步加劇風(fēng)速和風(fēng)向的頻繁波動，從而增加街道內(nèi)空氣污染分布的復(fù)雜不確定性（如圖2所示）。

圖2 街道不同綠化配置情景下風(fēng)促使大氣顆粒物流動的示意圖Figure 2 Schematic diagram of the wind-induced flow of atmospheric particles under different greening configurations in the street

風(fēng)速變化與植物屏障改善道路空氣質(zhì)量的效率并非呈線性關(guān)系。低風(fēng)速時，植物屏障對道路空氣的凈化影響最顯著，此時植物屏障能抑制湍流擴(kuò)散，成為阻擋污染氣流的屏障（Buccolieri et al.，2018b）。風(fēng)速大有助于提高粗顆粒物的沉積效率，超細(xì)顆粒則相反（Janh?ll，2015）。風(fēng)向變化同樣影響綠化降污效果。Abhijith et al.（2019）發(fā)現(xiàn)，平行于開闊道路的風(fēng)向更能促進(jìn)行道樹等植物對顆粒物的消減，其次是交叉風(fēng)向，最后是垂直風(fēng)向。Amorim et al.（2013）認(rèn)為，垂直街道的風(fēng)會使顆粒物濃度增加12%，交叉和平行街道的風(fēng)則能平均減少顆粒物濃度16%。這些結(jié)果表明，不同風(fēng)況下街道通風(fēng)的過程機(jī)制有所不同。對于平行道路的風(fēng)，植物屏障能增加街道中顆粒物的湍流輸送，與機(jī)動車行進(jìn)產(chǎn)生的機(jī)械湍流一并起到清掃道路污染的作用，而對于垂直道路的風(fēng)，植物屏障會擾亂街道的自然通風(fēng)而抑制顆粒物的擴(kuò)散（Abhijith et al.，2019，2020）。也有研究認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)向與街道的夾角為 45°時，植物屏障對顆粒物的凈化效率最大（可高出無綠化情景3倍的降污效果）（Buccolieri et al.，2011）。

相對濕度同樣會影響植物屏障對道路顆粒物的調(diào)控效率。Litschke et al.（2008）研究表明，在99.9%的相對濕度環(huán)境中，植物屏障對顆粒物的沉降速度可提高 16—25倍。空氣濕度的增加會提高植物葉片表面的濕潤程度，從而增強(qiáng)葉片對顆粒物的吸附。同時，濕潤空氣能增加顆粒物的凝結(jié)，顆粒物自身浸水性也會隨空氣濕度的上升而增大，進(jìn)而提高自我降塵的能力。對于道路微環(huán)境來說，機(jī)非隔離綠化帶去除顆粒物的效率與相對濕度正相關(guān)，大于溫度和風(fēng)速的作用（陳小平等，2014）。而在城市森林中，風(fēng)速是影響總懸浮顆粒物干沉降速度的最強(qiáng)因素，其次是溫度，相對濕度的影響較?。挥绕湓诟稍锛竟?jié)，總懸浮顆粒物的沉降速度與風(fēng)速正相關(guān)，與溫度和相對濕度負(fù)相關(guān)（Chen et al.，2012）。

綜上所述，風(fēng)速、風(fēng)向是影響道路顆粒物分布的主要氣象因素，在路邊建筑和植物屏障的耦合作用下更加復(fù)雜多變。相對濕度不僅能提高顆粒物自身凝結(jié)降塵的能力，而且通過改善植物葉面濕度增加滯塵效果。氣溫升高引發(fā)環(huán)境熱效應(yīng)，而綠地可以調(diào)節(jié)局部熱環(huán)境，進(jìn)而降低諸如臭氧等污染物的生成轉(zhuǎn)化率以及污染物的空間分布（Buccolieri et al.，2018a），但是當(dāng)前研究較少關(guān)注植被熱效應(yīng)引起的顆粒物分布機(jī)制。此外，氣溫、氣壓、太陽輻射等氣象因素的耦合作用還會改變大氣穩(wěn)定度或引發(fā)差異化天氣狀況（如晴天、陰天等），從而影響背景污染水平以及風(fēng)場變化引起的污染擴(kuò)散強(qiáng)度。

4 研究方法

4.1 實地測量

實地測量是大氣顆粒物分布研究的主要手段，能夠真實描述顆粒物的分布格局與污染水平（胡楊等，2021a，2021b）。然而，因局限于二維平面的有限點監(jiān)測，稀疏的地面監(jiān)測站對大氣顆粒物在水平和垂直維度上連續(xù)分布的認(rèn)識存在很大缺陷。尤其對于道路微環(huán)境來說，更為稀缺的路邊監(jiān)測站嚴(yán)重限制了對顆粒物高分辨率時空變化的捕捉。盡管車載移動監(jiān)測的興起為道路空氣污染分布的精細(xì)化解析提供了條件（Gozzi et al.，2016），但隨著高架路以及路邊高樓設(shè)施的拔地而起，人們生存空間日趨立體化，污染暴露的范圍和維度也隨之?dāng)U大。這一現(xiàn)實問題對道路空氣污染的垂直結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)過程提出了認(rèn)識上的新要求（Cai et al.，2020）。就目前研究來看，道路空氣污染的三維測量并不多見（Wu et al.，2002；He et al.，2012；Goel et al.，2016），尤其針對排放源抬高的人工高架路和天然山地丘陵道路，兼顧復(fù)雜多變的路側(cè)地形、綠化設(shè)施等形態(tài)結(jié)構(gòu)，通過實地測量探究道路空氣污染的三維分布規(guī)律顯得更加重要但頗有挑戰(zhàn)性。

盡管載人飛機(jī)、探空氣球、飛艇、氣象塔、激光雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等測量手段一定程度上實現(xiàn)了空氣污染的立體觀測（劉文清等，2016），但各因自身局限性很難被廣泛采用，特別是應(yīng)用于建筑密集的城市道路微環(huán)境的可能性更小（Lu et al.，2019）。隨著無人機(jī)民用化發(fā)展和微型傳感器技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)搭載微型傳感器可實現(xiàn)對空氣污染水平和垂直維度同時兼顧的連續(xù)監(jiān)測，近十多年來有了很大起色。從氣溶膠領(lǐng)域權(quán)威 Ramanathan教授帶領(lǐng)團(tuán)隊較早利用無人機(jī)研究大氣氣溶膠特性對區(qū)域乃至全球氣候變化的影響（Ramanathan et al.，2007，2008），到陸續(xù)有學(xué)者利用無人機(jī)進(jìn)行城市大氣邊界層內(nèi)污染物生消及傳輸過程的探測實驗（Peng et al.，2015；Liu et al.，2020；Wang et al.，2020；曹云擎等，2020），再到近期有研究利用輕型旋翼無人機(jī)平臺開展城市復(fù)雜道路環(huán)境的大氣顆粒物三維觀測（Li et al.，2019a，2019b；Zheng et al.，2021）。這無疑為極具挑戰(zhàn)的排放源抬高的道路空氣污染三維觀測提供了可能，也將突破常規(guī)手段難以探測路邊植物屏障尤其是有一定高度的行道樹及設(shè)施建筑環(huán)境中空氣污染分布的技術(shù)瓶頸。

4.2 模擬方法

為了揭示道路顆粒物的時空變化機(jī)制，風(fēng)洞試驗是除實地測量之外的另一方法。風(fēng)洞試驗將街道及其局部的植物群落結(jié)構(gòu)按照一定的縮尺比例制作成物理模型，之后以人工控制氣流的方式再現(xiàn)大氣顆粒物的動力學(xué)過程，并可量度氣流對實體的作用效果（馬克明等，2018）。盡管風(fēng)洞試驗?zāi)軌蛱峁┓€(wěn)定可控的風(fēng)速風(fēng)向條件，也能構(gòu)造持續(xù)穩(wěn)定的排放源和綠化結(jié)構(gòu)，但是無法模擬太陽輻射等熱效應(yīng)對氣流和污染物擴(kuò)散過程的影響，也無法完全代表氣流穿過植物屏障的真實情況（Xie et al.，2018；Tiwari et al.，2019；馬克明等，2018）。

眾多學(xué)者也會采用基于計算流體力學(xué)與氣溶膠動力學(xué)理論的數(shù)值方法模擬道路顆粒物的擴(kuò)散（Niu et al.，2018；Huang et al.，2019；Yang et al.，2020）。該方法是根據(jù)模擬情景自主設(shè)置天氣、交通、街道、建筑和植物屏障等物理參數(shù)，運行得到連續(xù)動態(tài)的三維可視化結(jié)果，并能量化影響因素對顆粒物分布的影響。研究者通常采用組合方法進(jìn)行模擬研究，即利用風(fēng)洞試驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)校驗數(shù)值模擬過程及結(jié)果。例如，Gromke et al.（2016）組合利用計算流體力學(xué)模型和風(fēng)洞試驗，證實了連續(xù)綠籬可以積極改善街道峽谷中交通污染物的濃度；周姝雯等（2018）采用 Bruse et al.（1998）開發(fā)的ENVI-met模型驗證了風(fēng)洞試驗結(jié)果，進(jìn)而評估了綠化帶的位置與樹冠形狀對街道峽谷內(nèi)風(fēng)場的影響，等等。與此同時，ENVI-met模型作為可精細(xì)化模擬城市街道尺度“建筑表面-綠地-大氣”相互作用關(guān)系的三維數(shù)值模型，逐漸受到園林、環(huán)境、規(guī)劃等多學(xué)科領(lǐng)域研究人員的青睞。隨著實地測量手段的進(jìn)步，越來越多的研究用實測結(jié)果來校驗ENVI-met模型，從而促進(jìn)綠地調(diào)節(jié)道路顆粒物分布的模擬效果更接近于真實情況（郭曉華等，2018；顧康康等，2020；胡楊等，2021a）。

盡管如此，因風(fēng)洞試驗的假設(shè)條件過多或太理想以及實地測量樣本的不夠全面，尤其是三維實測數(shù)據(jù)的缺失，數(shù)值模擬結(jié)果往往存在很大不確定性，并與實際情況出入較大（Gromke et al.，2016）。針對特殊的道路環(huán)境，如排放源抬高的道路，提高其顆粒物三維動態(tài)模擬的真實性仍有待考慮以下問題。首先，將交通仿真技術(shù)與機(jī)動車尾氣、車路磨損排放模型有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)動態(tài)交通流下機(jī)動車顆粒物綜合排放的精細(xì)化測算，以此優(yōu)化道路微環(huán)境數(shù)值模型的源輸入。其次，將道路綠帶尤其是機(jī)非隔離帶綠籬的顆粒物吸附沉降系數(shù)引入氣溶膠動力學(xué)模型方程，實現(xiàn)顆粒物沉降和擴(kuò)散兼顧的綠化影響模擬。再者，利用無人機(jī)等測量技術(shù)獲取能夠真實反映屋頂風(fēng)切變和近地面復(fù)雜湍流影響的高分辨率連續(xù)的垂直樣本數(shù)據(jù)，校驗和改進(jìn)排放源抬高的道路微環(huán)境顆粒物擴(kuò)散的數(shù)值模型。

5 結(jié)論與展望

在交通減排難以短期奏效之時，路旁植物屏障被視為一種能夠凈化空氣的潛力方案，但其對周邊大氣顆粒物分布的影響仍無定論。本文從降污實踐的視角出發(fā)，對街道尺度下樹籬、灌木、喬木等常見植物屏障影響路邊大氣顆粒物分布的機(jī)理及研究方法進(jìn)行歸納和分析，主要結(jié)論和展望如下：

（1）針對交通污染排放隨交通量及時段的強(qiáng)弱易變性，應(yīng)沿路栽種對顆粒物等交通污染物有快速且極強(qiáng)吸附沉降能力的植物物種，若能兼顧道路區(qū)位環(huán)境來篩選生存力強(qiáng)的物種，植物屏障的長期滯塵效果會更佳。理清影響顆粒物沉降效率的關(guān)鍵綠化參數(shù)，如LAI、LAD、密度、疏透度等，并結(jié)合植物群落結(jié)構(gòu)、街道形態(tài)、栽種空間等綜合評估后，確定這些參數(shù)的最優(yōu)取值。構(gòu)建統(tǒng)一的參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)化方法，將有助于研究之間的比較，從而歸納出普適性的綠化滯塵方案。

（2）基于峽谷型和開闊式道路各自的流場特征及局部空間布局，同時考慮污染防控的目標(biāo)空間或群體，初步確定積極調(diào)控污染擴(kuò)散的綠化配置方案，再結(jié)合植物物種及群落結(jié)構(gòu)、空間位置、道路等級等進(jìn)行局部參數(shù)的優(yōu)化評估，才能更有效地引導(dǎo)大氣顆粒物的動力學(xué)擴(kuò)散過程。

（3）路旁植物屏障對顆粒物的吸附沉降和擴(kuò)散影響是同時存在的，目前研究缺乏對二者的同步考慮，使其相對重要性仍不清楚。從降污受益的目標(biāo)空間或群體出發(fā)，如為了保護(hù)沿路慢行道，可沿路栽種強(qiáng)吸附沉降能力的樹籬，但不合理的行道樹栽種方式反而會抑制局部空氣流動，進(jìn)而加重慢行道污染。因此，協(xié)同考慮兩種作用機(jī)制來優(yōu)化綠化配置結(jié)構(gòu)，才能使綠化降污更有實際價值。此外，理清微氣象要素的動態(tài)耦合特性，評估單要素主導(dǎo)或多要素耦合對植物屏障調(diào)節(jié)顆粒物分布的影響，會使綠化降污策略更具實踐性。

（4）實地測量尤其是三維測量的缺失或不夠細(xì)致全面，不僅限制了對植物屏障影響顆粒物分布的直觀認(rèn)識，而且使揭示顆粒物時空變化機(jī)制的數(shù)值模擬方法無法充分校驗，進(jìn)而導(dǎo)致模擬結(jié)果有很大的不確定性，并與實際情況有較大出入。為了更真實地再現(xiàn)道路顆粒物的動態(tài)變化過程，模擬方法也需重視動態(tài)交通排放源輸入?yún)?shù)、綠化參數(shù)、微氣象變量等的精細(xì)化測算或表征。同時，發(fā)展靈活可靠且適用于道路環(huán)境的立體觀測技術(shù)，無論對于探究立體道路交通排放還是路邊植物屏障及建筑設(shè)施對污染擴(kuò)散的影響，以及改進(jìn)數(shù)值模型因三維實測數(shù)據(jù)缺失而模擬失真的現(xiàn)實問題，都有其獨特價值而值得關(guān)注。

（5）縱使基于綠化調(diào)控機(jī)理得到了最大化保護(hù)目標(biāo)空間或群體的綠化降污方案，但是對道路環(huán)境而言，交通排放顆粒物并未被完全消除，受保護(hù)目標(biāo)以外的范圍仍會受影響。因此，未來也需研究植物屏障對路邊大氣顆粒物污染程度的響應(yīng)機(jī)制，量化植物群落及與其它人工屏障的組合結(jié)構(gòu)對改善周邊環(huán)境污染的作用，以及考慮基于時間和空間的人群暴露評估來優(yōu)化綠化配置策略。