改善顆粒物污染的道路綠地植被屏障研究進(jìn)展

任飛虹,白 驊,邱兆文,田 順

1 長安大學(xué)建筑學(xué)院, 西安 710061

2 長安大學(xué)汽車學(xué)院, 西安 710064

空氣污染是一個(gè)重大的全球性問題,影響當(dāng)今世界人民的健康。顆粒物(particulate matter, PM)是全球城市環(huán)境的主要空氣污染物之一。世界衛(wèi)生組織根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)直徑將其分為粗顆粒物(coarse particles, PM10),細(xì)顆粒物(fine particles, PM2.5)和超細(xì)顆粒物(ultrafine particles, PM0.1)[1]。PM10既有自然來源,也有人為來源,但PM2.5和PM0.1幾乎都是人為來源(包括住宅供暖和交通排放等)[1—2]。顆粒物對(duì)公眾健康有負(fù)面影響,特別是小顆粒物對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)更大,因?yàn)樗鼈兛梢陨钊敕闻?影響神經(jīng)系統(tǒng),甚至進(jìn)入血液[3]。顆粒物污染還會(huì)影響包括氣候和農(nóng)業(yè)在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng),并產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)代價(jià)[3—4]。近些年,雖然空氣質(zhì)量得到部分改善,但全球84%人口仍然暴露在超過世衛(wèi)組織指南的顆粒物水平中[1],持續(xù)的高空氣污染水平將進(jìn)一步導(dǎo)致嚴(yán)重的健康影響[5—6]。

作為顆粒物污染的主要來源,與交通相關(guān)的顆粒物一直是研究人員關(guān)注的主要焦點(diǎn)[7—11]。在城市地區(qū),綠色出行方式(步行、騎行)的倡導(dǎo)卻增加了交通污染對(duì)公共健康的威脅[12]。為了更好地實(shí)現(xiàn)人口可持續(xù)性,道路綠地作為屏障在城市中被廣泛建設(shè),并越來越多地被納入城市規(guī)劃[13]。植被可以成為減輕空氣污染的有效工具,如路側(cè)植被屏障后的空氣污染水平降低[14—15],植被屏障增加顆粒物的沉積和清除量[16—17]；同時(shí)植被可以在生態(tài)系統(tǒng)的多個(gè)方面發(fā)揮作用,如減輕氣候變化的影響[18],緩解城市熱島[19—20],減少噪音污染[21—22],以及改善人口健康狀況(如降低死亡率、提高出生率、減少肥胖率)[19,23—24]。然而,也有研究表明綠地植被會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化,如在街道峽谷中建造植被可能導(dǎo)致顆粒濃度增加0% — 99.7%[25—26],茂密的行道樹甚至?xí)谷诵械郎系腜M10和PM2.5濃度分別增加123%和72%[27],而且行道樹會(huì)增加街道行人的氣體污染物暴露[28],密集的綠化帶導(dǎo)致局部二氧化氮濃度增加[29]。

道路綠地是否可以改善局部顆粒物污染仍沒有定論,且植被屏障的最佳配置和植物構(gòu)成尚不清楚。本文旨在深入梳理總結(jié)街道峽谷和開放道路兩種典型的道路綠地植被對(duì)顆粒物污染的影響,并提出改善對(duì)策和植被屏障設(shè)計(jì)建議,優(yōu)化道路綠地的植被規(guī)劃,降低路側(cè)環(huán)境的顆粒物污染水平。

1 植被對(duì)顆粒物污染的影響途徑

植被對(duì)空氣顆粒物污染的影響主要通過三個(gè)基本途徑[30]：(1)通過沉積作用消減顆粒物。園林植物葉和莖表面可滯留空氣中的顆粒物,這些顆粒物通過再懸浮、雨水沖刷或葉子脫落等從植物冠層中去除,達(dá)到凈化空氣的作用[31]。利用沉積速度可估算植被在城市或局地范圍內(nèi)清除的總顆粒物[32]。一種廣泛使用的軟件i-Tree (https://www.itreetools.org/)可通過估算樹葉的沉積量來評(píng)估城市樹木的效益[33]。(2)通過改變氣流影響顆粒物的擴(kuò)散。目前植被的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)已廣泛用于道路附近的微環(huán)境,尤其是利用道路綠地局地氣流的變化有效改變局部空氣質(zhì)量[23, 34—37]。在城市尺度上,空氣動(dòng)力效應(yīng)是影響顆粒物污染的最重要因素,通過擴(kuò)散作用消減PM2.5污染甚至比沉積更有效[38]。而在街道尺度上,通過沉積減少的顆粒物濃度會(huì)被街谷中植被對(duì)氣流的阻塞效應(yīng)抵消,導(dǎo)致更大的顆粒物污染濃度(尤其是PM10)[39]。(3)植物在生長發(fā)育過程中,本身釋放生物類顆粒物和揮發(fā)性化合物。但是在考慮城市環(huán)境的空氣質(zhì)量的傳統(tǒng)研究中,植被的生物排放通常被忽略,因?yàn)榕c人為污染源相比,它通常微不足道[40],其對(duì)微尺度空氣質(zhì)量的影響有待進(jìn)一步闡明。

2 植被組成及群落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

植被屏障改善顆粒物污染的復(fù)雜性是由多種混雜因素造成的。植物的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)通過捕獲顆粒物或改變空氣流動(dòng)來改變道路附近的空氣污染水平[41—42]。因此,植被類型、高度和厚度等特征都會(huì)影響場地內(nèi)氣流變化和污染物沉積,且空氣流動(dòng)和植被沉降作用在街道峽谷和開放道路也有本質(zhì)不同[39, 43]。

2.1 植被屏障高度

在種植空間有限的城市地區(qū),只有從地面到冠層全覆蓋的低矮密集植被屏障才能有效減少空氣污染。樹冠下有開口的觀賞樹木會(huì)導(dǎo)致下風(fēng)向PM2.5濃度更高,同時(shí)降低風(fēng)速[44]。類似于固體噪聲屏障的綠色屏障,可以更好地阻礙來自道路的氣流,降低人行道的顆粒物濃度。在街道峽谷內(nèi),隨著樹冠高度增加,樹冠對(duì)空氣流場的阻滯和拖拽作用隨之增強(qiáng),進(jìn)入街道峽谷內(nèi)的空氣流場強(qiáng)度減弱,特別是樹冠高度超過建筑物高度后,漩渦中心難以進(jìn)入到街道峽谷內(nèi),流場強(qiáng)度越弱污染物積累越明顯[45—46]。當(dāng)植被屏障整體高度低于建筑物時(shí),屏障高度對(duì)污染物的擴(kuò)散影響不大,如在平行風(fēng)向的街谷,當(dāng)綠籬高度在0.9m以下,隨綠籬高度增加,人行道PM10濃度下降,而當(dāng)綠籬高度達(dá)到0.9m后繼續(xù)增加,人行道PM10濃度不再降低[47]。但是當(dāng)高度接近甚至超過建筑物高度后,會(huì)導(dǎo)致污染物積累明顯加重[11, 46]。因此,較高的綠色屏障可降低人行道的污染物濃度(因?yàn)楦玫钠帘?[18, 48],而較高的植被屏障會(huì)增加顆粒物濃度。

植被屏障在開放道路和在街道峽谷中的作用不同。行道樹和其他植被為道路和鄰近人群之間提供了一道屏障,這種屏障效應(yīng)導(dǎo)致顆粒物在植被迎風(fēng)面積累[49]。在植被屏障的下風(fēng)處,也就是在植被的后面,形成一個(gè)尾流區(qū),顆粒物濃度隨著與道路距離的增加而降低。植被屏障高度通常4m — 5m或更高時(shí),超過鄰近道路上運(yùn)行的典型機(jī)動(dòng)車的排放高度,會(huì)迫使污染物不斷上升或穿過植被,植被屏障背后的空氣污染量明顯減少,但植被高度低于大約4m時(shí),污染物可在低屏障下風(fēng)處無阻排放[49—50]。

2.2 植被屏障厚度

植被屏障的厚度為截獲或擴(kuò)散的顆粒物提供停留時(shí)間,并起到減少湍流、降低風(fēng)速、增加氣流阻塞的作用。植被厚度迫使氣流通過屏障的距離變長,同時(shí)增加從污染源到下風(fēng)向行人的距離。街道峽谷內(nèi),隨著植被屏障厚度增加,植被邊界與建筑物之間的空間距離減小,阻礙氣流進(jìn)入街道峽谷內(nèi)的下洗通道,同時(shí)漩渦從街道峽谷流出的上洗通道空間減小,使空氣流場強(qiáng)度被二次減弱,繼而加重顆粒物的積累。這和街谷內(nèi)植被屏障高度增加時(shí)所表現(xiàn)的趨勢一致[46]。

圖1 開放道路環(huán)境中的植被屏障示意圖 Fig.1 Schematic diagram of vegetation barrier in open road environment

植被屏障厚度是開放道路綠地的主要物理特征,對(duì)開放道路上近路植被屏障厚度的影響進(jìn)行模擬、試驗(yàn)和實(shí)地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)隨著植被屏障厚度和高度的增加,污染物消減效率會(huì)進(jìn)一步提高[50],一般植被屏障最小約5m厚,最佳厚度接近10m或更厚(圖1)[51—53]。此外,有研究利用下風(fēng)向峰值濃度點(diǎn)到源路的距離(distance to maximum concentration, DMC)計(jì)算有效的植被屏障厚度,在DMC后設(shè)置植被屏障或增加DMC后的屏障厚度,可提高顆粒物消減效率[51]。有效降低空氣污染所需的屏障厚度也與植被的孔隙度或密度有關(guān)。

2.3 密度/孔隙度

植被屏障的密度或孔隙度決定屏障內(nèi)部的空氣流動(dòng)。植被密度通常用葉面積密度(leaf area density, LAD)、葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)、冠層密度(canopy density, CD)和孔隙度來表示。在街道峽谷,植被密度或孔隙度是研究離散度和/或沉積度的重要植被特征[34, 54]。雖然過去的研究分析了密度參數(shù)之間的關(guān)系,但未來在研究沉積和擴(kuò)散時(shí),這些參數(shù)還需要標(biāo)準(zhǔn)化選擇[25, 55]。CD和LAI主要影響街谷PM2.5的日變化,稀疏和中等CD可降低顆粒物濃度[54],為了平衡綠色街道的環(huán)境效益和景觀效益,CD和LAI的最佳范圍分別為50% — 60%和1.5 — 2.0[56]。LAD的一般考慮范圍為0.2 m2/m3— 5.12 m2/m3[41—42],街谷內(nèi)顆粒物的積累隨著LAD的增加而增加,這是因?yàn)樵黾覮AD雖然會(huì)在一定程度上增加植物的吸附能力,但是其空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)帶來的流場變化將最終導(dǎo)致街谷內(nèi)污染物濃度的上升[57],LAD達(dá)到3 m2/m3之后繼續(xù)增大,PM10濃度不再明顯升高[47]。當(dāng)植被孔隙度減小,街谷內(nèi)氣流速度逐漸降低[58],顆粒物在街道峽谷內(nèi)積累[59]。未來進(jìn)一步評(píng)估風(fēng)向、街谷高寬比和LAD的關(guān)系才能更好地組合這些變量。

在開放道路,顆粒物消減效率隨著CD,LAD,LAI和郁閉度的增加而提升,隨著孔隙度的增加而降低[50, 60—63]。有效降低污染的LAD在不同的屏障厚度條件下的消減效果不同[64]。為了減少50%以上總懸浮顆粒物(total suspended particles, TSP),并保持健康的綠化帶,CD和郁閉度的最佳范圍為70% — 85%[63, 65]。植被孔隙度增加,風(fēng)速降低,接近地面的顆粒物濃度增加。消減TSP和PM10的最佳防護(hù)林孔隙度分別為20% — 40%和10% — 20%[60, 62]。當(dāng)防護(hù)林孔隙度為15%時(shí),PM10消減效率最高[66]。當(dāng)CD達(dá)到85%以上,孔隙度達(dá)到40%,植被不再是多孔滲透結(jié)構(gòu),而類似堅(jiān)實(shí)的固體屏障影響顆粒物的擴(kuò)散,污染物消減效率不再提升[18, 62]。

2.4 群落結(jié)構(gòu)

圖2 街道峽谷環(huán)境中的植被屏障示意圖 Fig.2 Schematic diagram of vegetation barrier in built-up street canyon environment

在街道峽谷,行道樹會(huì)降低街道上的風(fēng)速,僅種植喬木會(huì)顯著增加人行道的顆粒物濃度[41]。雖然綠籬也降低街道峽谷內(nèi)的風(fēng)速,但對(duì)風(fēng)速的影響小于喬木[42],綠籬通過產(chǎn)生局部渦旋,將顆粒物轉(zhuǎn)移到人行道[43, 48]。種植綠籬會(huì)減少24% — 61%的污染物暴露。低滲透性和高大綠籬對(duì)減少人行道的顆粒物效果較好,而與道路兩側(cè)的綠籬相比,街道峽谷中央的單一綠籬可以最大程度消減顆粒物濃度(圖2)[43, 67]。通過評(píng)估綠籬對(duì)風(fēng)速和街谷高寬比的敏感性,可以模擬獲得綠籬的最佳高度。在理想街谷模擬研究中,綠籬的最佳高度范圍在0.9—2.5m[48]。但仍需要在不同的街道高寬比下進(jìn)行研究,總結(jié)不同環(huán)境下綠籬的合適高度。

開放交通廊道沿線的植被對(duì)顆粒物消減作用的研究中,任何植被類型都可以消減TSP濃度,而灌木(綠籬)、喬木-灌木和喬木-草本組合對(duì)PM2.5濃度的消減效果較好；單一喬木可以消減TSP污染,但無法消減PM2.5污染[50, 60]。灌木-小喬木組合和喬木-灌木-草本組合分別在主干道和次干道上對(duì)PM10具有最大消減效率[66]。使用綠籬或喬木-灌木(綠籬)組合是降低植被屏障后顆粒物濃度的有利選擇[14, 68]。

綜上,植被效應(yīng)是由建筑環(huán)境的幾何形狀決定的。在街道峽谷,如果沒有充分規(guī)劃植被配置,可能會(huì)惡化空氣質(zhì)量[20, 26,41—42]。而在開放道路環(huán)境中,喬木-灌木組合的高密度植被可作為改善空氣質(zhì)量的屏障[10, 14, 62, 69]。

3 植被物種選擇

植物表面滯留的顆粒物或在湍流中重新懸浮在大氣中,或被降水沖走,或隨著樹葉和樹枝掉落到地面[70]。這些顆粒物可能會(huì)影響局地的空氣、水和土壤,在選擇物種時(shí),需要考慮植被周圍的土地用途。同時(shí),某些物種能更有效地凈化空氣質(zhì)量,在考慮植物屏障的設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能選擇最優(yōu)的植被物種。另外,應(yīng)注意所選物種能否在特定區(qū)域保持良好長勢。

3.1 葉片物候格局

葉片物候描述葉片從萌動(dòng)生長到衰老落葉的周期性活動(dòng),常綠樹種在全年都保留有功能的葉片,而落葉樹種通常在冬季或旱季缺少功能性葉片。由于葉片在顆粒物沉積中具有重要作用,綠地植被的葉片壽命決定了沉積作用的時(shí)間長短。因此,在沉積效應(yīng)方面,常綠樹種比落葉樹種更有利,葉季較長的落葉樹種優(yōu)于葉季較短的落葉樹種[71]。然而,常綠樹種可能比落葉樹種更容易受到某些環(huán)境脅迫(如氣候變暖)[72],對(duì)可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)具有潛在影響。如果全面了解局地尺度污染物隨時(shí)間的通量,可以根據(jù)最合適的葉片物候格局選擇樹種。然而,這樣狹窄的樹種選擇標(biāo)準(zhǔn)會(huì)忽視植被提供的其他生態(tài)服務(wù)(如降低城市熱島效應(yīng)[19]),以及植被提供的重要心理和社會(huì)效益[73]。

3.2 葉片形態(tài)

葉片大小和形態(tài)差異是影響顆粒物沉積的重要因子。通常小葉樹種比大葉樹種對(duì)降塵更有效[74]。在沉積交通污染相關(guān)顆粒物的葉片特征研究中,葉片大小在顆粒物沉積中具有重要作用,且葉片大小與顆粒物積累呈負(fù)相關(guān)[75]。針葉樹種比闊葉樹種具有更高的沉積速度[16, 76],更有助于減輕街谷內(nèi)空氣污染程度[57]；針葉樹種中,松類比柏類具有更高的沉積效率[77]。這可能是由于長而窄的針葉縮短了擴(kuò)散路徑,導(dǎo)致相對(duì)較小的沉積阻力[76]。

對(duì)于闊葉樹種,雖然葉片形狀對(duì)顆粒物沉積的影響程度小于葉片表面特征,但葉片形狀確實(shí)會(huì)影響顆粒物的沉積[77—78]。許多研究發(fā)現(xiàn),復(fù)雜形狀的葉片通常比簡單形狀的葉片對(duì)顆粒物沉積更有效[78—79],這可能是由于葉片形狀對(duì)葉片周圍氣流的影響不同[80]。因此,針狀、小而復(fù)雜的葉片比其他類型的葉片具有更大的顆粒物沉積潛力,建議進(jìn)一步細(xì)化研究不同針葉形狀的沉積效果。

3.3 葉表面特征

葉片的某些表面特征對(duì)沉積有積極影響。一般來說,粗糙的葉表面比光滑的葉表面更有效[2, 70, 81]。毛狀體、表皮蠟質(zhì)、表面脊?fàn)詈蜌饪锥际菍?duì)顆粒物沉積有利的微觀形態(tài)特征[71, 82—84]。毛狀體是顆粒沉積最有效的微形態(tài)特征[78, 80]。PM2.5沉積量與葉片毛狀體之間明顯相關(guān)[76],與溝槽比例和氣孔大小呈正相關(guān)[84]。闊葉樹種的沉積隨著葉表面微粗糙(以葉面溝槽和脊紋為特征)的增加而增加[71],針葉樹種(松柏科)的氣孔密度和表皮蠟質(zhì)含量與沉積量增加呈明顯相關(guān)[85]。而且在葉片對(duì)顆粒物沉積過程中,表皮蠟質(zhì)超微結(jié)構(gòu)也很重要[74,85—86]。此外,葉表面微結(jié)構(gòu)對(duì)滯留不同粒徑顆粒物和物相組成具有選擇性,葉片的紋理、葉脈間的槽深、氣孔開孔可鑲嵌或附著不同粒徑的顆粒物[81, 87]。因此,粗糙的葉片表面(包括毛狀體、溝槽和脊紋)比光滑表面更有利于顆粒物沉積,表皮蠟質(zhì)和氣孔性狀也對(duì)顆粒物沉積起著重要的作用。

3.4 樹冠形態(tài)

樹冠形態(tài)對(duì)局部風(fēng)環(huán)境具有重要影響。對(duì)單株闊葉樹模型和針葉樹模型進(jìn)行風(fēng)洞測試,發(fā)現(xiàn)錐形的針葉樹在較低位置對(duì)風(fēng)有較大阻礙,近似圓形的闊葉樹在冠層中間位置對(duì)風(fēng)的阻礙更強(qiáng)。低冠幅和孔隙度小的闊葉冠形樹木,可保證街道峽谷下方的空氣流通,降低PM10的積累[67]。此外,不同風(fēng)向條件下樹冠形態(tài)對(duì)顆粒物濃度的影響不同,垂直風(fēng)向下,球形樹冠能更好控制街谷背風(fēng)側(cè)高濃度污染,卵形、倒卵形、傘形其次,而塔型和圓柱形效果最差；平行風(fēng)向和傾斜風(fēng)向下,倒卵形樹冠效果最好,圓柱形、卵形、球形其次,而傘形和塔形效果最差[47]。

3.5 植被的釋放物質(zhì)

植物在生長發(fā)育過程中會(huì)釋放生物顆粒物(如孢子和花粉)和生物揮發(fā)性有機(jī)化合物(如異戊二烯、萜烯、烷烴等)。i-Tree模型提供了世界各地多種植被的空氣排放數(shù)據(jù)[88]。釋放大量花粉的樹種會(huì)增加過敏和哮喘的發(fā)病率[73]。因此,在城市道路綠地規(guī)劃選擇樹種時(shí),花粉過敏原應(yīng)該是一個(gè)重要的考慮因素[89]。在改善空氣質(zhì)量的種植計(jì)劃中,特別是在弱勢群體(如學(xué)齡兒童)經(jīng)過的地方,應(yīng)避免選擇具有這一特征的樹種。

生物揮發(fā)性有機(jī)化合物經(jīng)過大氣氧化,與氮氧化物結(jié)合會(huì)形成地面臭氧,這是一種對(duì)人類呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)有急性和慢性影響的有毒氣體[90]；其氧化還會(huì)產(chǎn)生二次有機(jī)氣溶膠,增加環(huán)境顆粒物濃度,對(duì)人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響[91]。但揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)微尺度空氣質(zhì)量的影響仍有待進(jìn)一步闡明。

3.6 環(huán)境脅迫的耐受性

城市道路環(huán)境會(huì)對(duì)植被造成極大的壓力。因此,植物對(duì)相關(guān)環(huán)境壓力的耐受性作為適宜性指標(biāo),應(yīng)優(yōu)先于其他功能[92]。如果植被缺乏環(huán)境脅迫的耐受性,無法保持個(gè)體的完整性,會(huì)在屏障中形成缺口,無法有效消減顆粒物濃度,甚至可能導(dǎo)致顆粒物濃度增加。如松樹雖然對(duì)降塵特別有效,但空氣污染會(huì)降解松樹針葉表皮蠟質(zhì),因此在污染嚴(yán)重的地點(diǎn),松樹可能缺乏長期生存能力[93]。同樣,氣孔導(dǎo)度低的植物雖然可忍受較高水平的氣體污染,但對(duì)氣體污染物的消減效率較低,因此可能更適合消減顆粒物污染的地方。氣孔周圍的微形態(tài)結(jié)構(gòu),包括蠟環(huán)和角質(zhì)層拱,也可能有助于保護(hù)植物,免受顆粒物污染的脅迫。

4 其他影響因子的耦合

道路綠地植被對(duì)顆粒物污染的影響,受到其他因子的耦合作用,特別是道路特征和氣象因素。

街道峽谷的高寬比與植被特征之間存在復(fù)雜的關(guān)系。由于空氣流動(dòng)模式的改變,高寬比顯著影響污染物擴(kuò)散[94—96]。在街谷植被研究中,根據(jù)街道高寬比(aspect ratio, H/W),一般將街谷分為中等街谷(0.5

街道峽谷的空氣質(zhì)量受濕度、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象因素的影響?？諝鉂穸仁怯绊懡止阮w粒物濃度最重要的因子之一[95],如嚴(yán)寒地區(qū)城市街谷底層PM10濃度與氣象參數(shù)顯著相關(guān),其相關(guān)性順序依次為濕度>溫度>風(fēng)速[99]。溫度主要影響街谷的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng),溫度越高對(duì)流越強(qiáng),局部顆粒物濃度下降越明顯[57]。街谷內(nèi)顆粒物濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)[100],且風(fēng)速是影響街道峽谷PM2.5衰減的最顯著因子之一[56]。風(fēng)速越大,顆粒物聚集程度越低,不同粒徑顆粒物濃度差異越小,其中PM10和PM2.5的擴(kuò)散受風(fēng)速影響最明顯；風(fēng)速達(dá)到9.35m/s后,繼續(xù)増大風(fēng)速對(duì)削弱顆粒物聚集的效果不大[46]。另外,街道峽谷內(nèi)研究的典型風(fēng)向包括垂直風(fēng)向、平行風(fēng)向和傾斜風(fēng)向(圖3),不同風(fēng)向的風(fēng)速降低會(huì)導(dǎo)致污染物濃度出現(xiàn)不同程度增加。種植喬木的街道峽谷中,在垂直風(fēng)向下,街谷背風(fēng)側(cè)濃度較高,迎風(fēng)側(cè)濃度較低[101]；在平行風(fēng)向和傾斜風(fēng)向下,街谷兩側(cè)的污染物濃度都增加[39, 42]。不過,也有研究與上述街道峽谷污染分布相矛盾的結(jié)果。例如,倫敦市中心馬里波恩社區(qū)案例中,平行風(fēng)向下植被會(huì)降低顆粒物濃度[45]。

圖3 街道峽谷走向與主導(dǎo)風(fēng)向關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship between street canyon trend and dominant wind directionA和D：平行風(fēng)向的兩側(cè)Either side of a parallel wind direction,B和F：迎風(fēng)側(cè)Windward side,E和C：背風(fēng)側(cè) Leeward side

開放道路的空氣質(zhì)量也受濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和溫度等氣象因素的影響[37]。細(xì)顆粒物(PM2.5和PM1)與氣象因素之間的相關(guān)系數(shù)大于粗顆粒物(TSP和PM10)[102]。以往研究表明,相對(duì)濕度對(duì)PM10衰減的影響最大,風(fēng)速次之,溫度影響最小[66]。對(duì)風(fēng)向的研究主要集中在評(píng)估垂直風(fēng)條件下的污染物濃度,而不同風(fēng)向會(huì)影響植被屏障后顆粒物減少幅度[14]。在氣候溫暖的地區(qū),如中國、孟加拉國,通過植被屏障可以顯著降低污染物濃度[9, 60, 62, 82],而在氣候寒冷的地區(qū)(如芬蘭),植被影響污染物水平有限甚至沒有影響[103]。

植被屏障的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)(高度、寬度、密度/孔隙度和群落結(jié)構(gòu)等)不僅相互關(guān)聯(lián),而且與其他外部因素密切相關(guān)。植被屏障高度要根據(jù)植物種類或規(guī)劃要求確定；屏障寬度受種植空間的限制；植被最佳密度隨屏障寬度的不同而不同；植被孔隙度受風(fēng)速影響產(chǎn)生變化[34],相同植被組成的屏障孔隙度也會(huì)因立地條件(光照、溫度、濕度、土壤等)影響而不同。此外,人為管理下的植被密度可能與在自然界或相對(duì)不受管理的植被密度有很大不同。因此,種植后利用管理干預(yù)來調(diào)節(jié)植被屏障的密度/孔隙度可能更有效。

5 展望

道路綠地雖然可用于局部尺度上減少顆粒物污染,但主動(dòng)控制(減少排放)仍然是跨尺度上最有效的策略。道路綠地的建設(shè)應(yīng)該考慮特定場地環(huán)境因素[35, 104],如道路周圍的建筑環(huán)境形態(tài)、氣象因素(如風(fēng)速和風(fēng)向)和當(dāng)?shù)刂脖惶卣鞯萚35, 105],并將植被的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和沉積效應(yīng)結(jié)合起來,用于改善空氣質(zhì)量。

(1)對(duì)于街道峽谷,僅種植喬木通常對(duì)空氣質(zhì)量有負(fù)面影響,而綠籬由于阻礙底部空氣流動(dòng),通常對(duì)顆粒物污染表現(xiàn)出積極作用。街道峽谷空氣質(zhì)量的改善與否取決于高寬比、植被密度和風(fēng)向的組合。在中等街谷,可種植低矮植被(如綠籬)；在淺街谷,可種植冠幅較小和間距較大的喬木；在深街谷,推薦類似于固體噪聲屏障的綠色屏障。目前對(duì)街道峽谷中綠籬的研究數(shù)量有限,未來需要對(duì)不同高寬比和氣象條件下適宜的綠籬尺寸和密度開展更多研究。

(2)對(duì)于開放道路,濃密高大的植被屏障對(duì)空氣質(zhì)量有積極的影響。在靠近道路和羽流最大濃度處設(shè)置植被屏障,可以有效消減污染物。距離道路越遠(yuǎn)的地方需要越高的屏障,以屏蔽污染物通量。在空間允許的情況下,可采用高密度植被(如喬木-綠籬組合)。植被覆蓋度應(yīng)從地面開始,延伸整個(gè)屏障。相對(duì)濕度對(duì)植被屏障消減顆粒物污染有顯著影響,因此種植設(shè)計(jì)需要考慮氣象和氣候因素。不同氣候地區(qū)植被對(duì)空氣質(zhì)量的影響存在差異,還需要進(jìn)一步研究。

(3)在評(píng)估植被對(duì)空氣顆粒物影響時(shí),尤其在大規(guī)模種植計(jì)劃中應(yīng)考慮某些植物的生物性污染。植物葉原基為空氣真菌的生長繁殖提供基質(zhì)、植物大量排放花粉,會(huì)增加空氣生物顆粒物污染；而植物大量排放揮發(fā)性有機(jī)化合物會(huì)增加二次有機(jī)氣溶膠濃度,但同時(shí)也具有抑菌殺菌等環(huán)境效益,對(duì)于改善空氣質(zhì)量的道路綠地規(guī)劃十分重要。建議進(jìn)一步研究不同植物的揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)微尺度空氣質(zhì)量的影響。

(4)在選擇樹種時(shí),針狀、小而復(fù)雜的葉片比其他類型的葉片形態(tài)更能有效沉積顆粒物。高氣孔密度,高表皮蠟質(zhì)含量(特別是針狀葉)和能提升葉片粗糙度的特征(如毛狀體、溝槽和脊紋)是對(duì)沉積更有利的葉片表面特征。建議進(jìn)一步研究適合溫帶城市環(huán)境的樹種葉片微形態(tài),并針對(duì)微形態(tài)對(duì)顆粒物的影響,提供相關(guān)的樹種數(shù)據(jù)。