劉浩棟，陳亞靜，李清殿，肖 茂，郭慧玲，申衛(wèi)星，譚亞軍，李傳榮

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站/黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3.鄒城市自然資源和規(guī)劃局，山東 濟(jì)寧 273500；4.泰山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)，山東 泰安 271000）

有研究表明，植物的葉表面結(jié)構(gòu)和生理生化特性對(duì)細(xì)顆粒物(PM2.5)有吸附和凈化作用，植物類型不同其所發(fā)揮的效果也不同[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PM2.5的詳細(xì)研究主要包括其組成來源[3-4]、化學(xué)組成分析[5-6]、去除途徑等方面[7]；有關(guān)城市森林對(duì)PM2.5的阻滯作用研究也多有涉及，尤其是不同配置模式的城市綠地對(duì)PM2.5的阻滯作用，以及小氣候因子與林帶減塵率的關(guān)系等[8-11]?？梢?，城市森林阻滯PM2.5作用研究一直是相當(dāng)重要的研究方向。城市道路林是城市森林的重要組成部分，在阻滯吸附大氣顆粒物、改善空氣質(zhì)量、美化城市環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[12-13]。因此，如何利用有限的城市用地，構(gòu)建防塵抑霾且兼具美學(xué)功能的環(huán)境友好型城市道路林是亟待解決的難題之一?；诖?，本研究選擇了山東省泰安市3種結(jié)構(gòu)共12種不同配置模式的城市道路林，通過分析林帶內(nèi)外的PM2.5在時(shí)間和空間中的變化規(guī)律，不同配置模式的道路林對(duì)PM2.5的阻滯效果以及小氣候因子與林帶阻滯率的關(guān)系等方面探討以下問題：①PM2.5在城市道路林內(nèi)外是如何隨著時(shí)間和空間變化的？②不同配置模式的道路林對(duì)PM2.5的阻滯功效是否相似？何種配置的林帶減塵率最佳?③林帶在發(fā)揮減塵效果時(shí)，小氣候因子是否發(fā)揮了功效？它們之間有何關(guān)系？最終目的是探索何種配置的城市道路林的防塵抑霾效果最佳，并根據(jù)研究結(jié)果對(duì)城市森林的合理建設(shè)提供建議和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省泰安市(35°38′～36°28′N，116°20′～117°59′E)，屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫為13.0 ℃，7月氣溫最高，平均26.4 ℃；1月份最低，平均-2.6 ℃；年平均降水量697.0 mm。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北季風(fēng)，多年平均風(fēng)速2.7 m·s-1，8、9月最小，平均2.0 m·s-1以下；3、4月最大，平均3.7 m·s-1。市內(nèi)植物資源豐富，泰山風(fēng)景區(qū)和徂徠山國(guó)家森林公園坐落其中，綠化總面積為215 km2，森林覆蓋率達(dá)80%，植物種類繁多。中心城區(qū)行道樹、濱河綠地、環(huán)城綠帶、城郊結(jié)合部的路網(wǎng)綠帶發(fā)達(dá)，可為城市和郊區(qū)之間開辟輸氧通道，進(jìn)一步改善城市生態(tài)環(huán)境。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 于2016年3月選取了3種道路林結(jié)構(gòu)類型：針闊混交喬木(A)、喬灌草(B)、單行喬木(C)，每種結(jié)構(gòu)類型選擇3～6塊具有不同植物配置模式的樣地，各樣地內(nèi)的植被組成見表1。為比較PM2.5在不同水平梯度的城市道路林內(nèi)的變化規(guī)律，A結(jié)構(gòu)設(shè)置樣地為20 m×20 m，B結(jié)構(gòu)設(shè)置樣地為40 m×40 m，C結(jié)構(gòu)設(shè)置樣地為10 m×10 m，林內(nèi)垂直于道路邊每隔5 m設(shè)置一組取樣點(diǎn)，3組重復(fù)，在每處樣地的林外裸地?zé)o植被處設(shè)置對(duì)照點(diǎn)(ck)，計(jì)算平均減塵率。對(duì)樣地進(jìn)行植物群落學(xué)調(diào)查，包括林分郁閉度，喬木層平均冠幅、平均高度；灌木、草本層的平均高度和蓋度(表2)。

表1 12種城市道路林樣地的植被組成Table 1 Vegetation composition of 12 urban road forest plots

表2 12種城市道路林樣地的林分特征Table 2 Stand characteristics of 12 urban road forest plots

1.2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與指標(biāo) 于2016年4月至2017年1月，選擇晴朗或微風(fēng)(風(fēng)力＜3級(jí))天氣，每個(gè)月上中下旬各取3 d，使用Dustmate粉塵測(cè)試儀(分辨率：0.001 μg·m-3)同步監(jiān)測(cè)所有樣地，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取3次重復(fù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間段為8:00-18:00，隔2 h監(jiān)測(cè)1次。采樣高度為距離地面1.5 m處(人體的呼吸高度)。氣象因子對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響顯著，尤其是霧霾天或濕度較大的天氣，故同步監(jiān)測(cè)相對(duì)濕度、溫度和風(fēng)速3種氣象因子。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013匯總整理原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各樣地內(nèi)調(diào)查指標(biāo)計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差；依據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度限值標(biāo)準(zhǔn)[14](表3)評(píng)價(jià)污染等級(jí)；計(jì)算各樣地PM2.5阻滯率[14]，計(jì)算公式：BPMi=[(Cs-Ci)/Cs]×100%。其中：BPMi為第i個(gè)樣地PM2.5阻滯率，Cs為對(duì)照點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度，Ci為第i個(gè)樣地的PM2.5質(zhì)量濃度。

使用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)林地內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度和阻滯率進(jìn)行單因素方差分析，并和氣象因子間進(jìn)行相關(guān)性分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

表3 空氣質(zhì)量分級(jí)指數(shù)及對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度限值Table 3 Air quality grading index and corresponding PM2.5 concentration limit

2 結(jié)果分析

2.1 城市道路林內(nèi)外PM2.5時(shí)間變化特征

如圖1所示：12種道路林及ck內(nèi)的PM2.5日變化表現(xiàn)出相似性，早晚高，中間低，變化曲線近似“U”形。8:00最高，之后逐漸下降，10:00達(dá)到低谷后逐漸上升，12:00左右達(dá)到峰值后又逐漸下降，14:00達(dá)到最小值，之后逐漸升高，18:00又達(dá)到峰值。從全年變化角度分析，道路林及ck內(nèi)的PM2.5年變化規(guī)律表現(xiàn)為冬季(136.74～194.18 μg·m-3)＞秋季(63.48～104.96 μg·m-3)＞春季(28.68～36.31 μg·m-3)＞夏季(13.30～19.13 μg·m-3) (表4)；4個(gè)季節(jié)及季節(jié)均值都表現(xiàn)為林內(nèi)＜ck；春夏季節(jié)，林內(nèi)對(duì)比ck差異較小，差值分別在8.00 和6.00 μg·m-3范圍內(nèi)波動(dòng)，ck與林內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度之比分別為1.00∶1.27和1.00∶1.44；秋冬季節(jié)差值分別在41.00和57.00 μg·m-3范圍內(nèi)波動(dòng)，PM2.5質(zhì)量濃度之比分別為1.00∶1.65和1.00∶1.42。

圖1 城市道路林內(nèi)外PM2.5日變化特征Figure 1 Diurnal variation characteristics of PM2.5 inside and outside urban forests

依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表3)，春夏季節(jié)道路林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度在所有監(jiān)測(cè)時(shí)段空氣質(zhì)量為優(yōu)；秋冬季節(jié)在8:00和18:00，空氣質(zhì)量達(dá)到中重度污染，其他時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)段為良。

2.2 PM2.5水平空間變化特征

PM2.5在水平空間上的變化因季節(jié)表現(xiàn)出差異(圖2～4)。春夏季節(jié)，PM2.5質(zhì)量濃度在不同水平梯度(10、20、30 m)中表現(xiàn)為從ck向林內(nèi)逐漸遞減，即PM2.5質(zhì)量濃度從大到小依次為10、20、30 m，減少幅度為12.53%～16.79%。秋冬兩季，PM2.5質(zhì)量濃度則從ck向林內(nèi)呈遞增趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為從林帶邊緣1 m處開始增加，15～25 m處達(dá)到峰值，25 m之后逐漸減少，30 m位置處達(dá)到最低值。對(duì)比ck發(fā)現(xiàn)，PM2.5質(zhì)量濃度在0～25 m以內(nèi)高于ck，只在25～30 m處低于ck，減少幅度為4.37%～10.76%，且表現(xiàn)出林帶寬度越大，阻滯率越高的趨勢(shì)。

表4 城市道路林內(nèi)外PM2.5季節(jié)均值Table 4 Seasonal mean value of PM2.5 inside and outside urban roads

圖2 A結(jié)構(gòu)城市道路林PM2.5水平空間變化特征Figure 2 Horizontal spatial variation characteristics of PM2.5 in urban forests with A structure

2.3 城市道路林對(duì)PM2.5阻滯效果

根據(jù)圖5可知：春季，12種道路林對(duì)PM2.5均有阻滯效果，減幅最高的是A1(針闊混交喬木)、C1(喬灌草)、C2(喬灌草)，分別減少15.12%、12.89%、13.63%，顯著高于其他林帶(5.86%～9.52%)(P＜0.05)；夏季，減幅最高的是C3(喬灌草)、A2(針闊混交喬木)，分別減少28.84%、27.26%，其他林帶平均減幅為13.86%～25.78%?？梢?，夏季雨水多，林帶內(nèi)植物經(jīng)過風(fēng)力和雨水的沖刷后滯塵能力較強(qiáng)。秋季，林帶滯塵效果均較差，且差異性顯著(P＜0.05)，只有A5(針闊混交喬木)、B3(單排喬木)有正消減，平均減幅分別為4.68%和5.62%，其他林帶均為負(fù)值(-1.35%～-11.50%)。冬季削減能力也較差，且差異性顯著(P＜0.05)，只有B1～B3(單排喬木)和喬灌草結(jié)構(gòu)(C2、C3)阻滯率為正值，分別為7.22%、3.15%、8.08%、1.53%、3.47%，其他均為負(fù)值(-0.17%～-7.59%)。

圖3 B結(jié)構(gòu)城市道路林PM2.5水平空間變化特征Figure 3 Horizontal spatial variation characteristics of PM2.5 in urban forests with B structure

圖4 C結(jié)構(gòu)城市道路林PM2.5水平空間變化特征Figure 4 Horizontal spatial variation characteristics of PM2.5 in urban forests with C structure

圖5 12種配置模式的城市道路林對(duì)PM2.5阻滯效果Figure 5 Blocking effect of urban road forests in 12 configuration modes on PM2.5

2.4 氣象因子的影響

2.4.1 氣象因子與林帶內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性 如表5所示：在一定范圍內(nèi)，PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速存在負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，春、秋、冬3個(gè)季節(jié)相關(guān)性分別達(dá)到顯著、極顯著、顯著(r=-0.619 0、-0.862 0、-0.680 0)，夏季相關(guān)不顯著；與相對(duì)濕度存在正相關(guān)(P＜0.05)，春、夏2季相關(guān)性達(dá)到顯著、極顯著(r=0.670 0、0.767 0)，其他季節(jié)相關(guān)性不顯著；與氣溫存在正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，秋、冬2季相關(guān)性達(dá)到極顯著(r=0.924 0、0.853 0)，其他季節(jié)相關(guān)性不顯著。

2.4.2 氣象因子與城市道路林PM2.5阻滯率的相關(guān)性 由表6可知：PM2.5阻滯率與氣象因子存在一定的相關(guān)性，4個(gè)季節(jié)與風(fēng)速基本呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；PM2.5阻滯率與相對(duì)濕度在秋季達(dá)到極顯著正相關(guān)(P＜0.01，r=-0.847 0)，其他季節(jié)均不顯著；與氣溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，秋、冬2個(gè)季節(jié)下相關(guān)性分別達(dá)到極顯著、顯著(r=-0.862 0、r=-0.654 0)，其他季節(jié)相關(guān)性不顯著。

表5 PM2.5質(zhì)量濃度與氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)Table 5 Partial correlation coefficient between PM2.5 concentration and meteorological factors

表6 城市道路林PM2.5阻滯率與氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)Table 6 Partial correlation coefficient between PM2.5 block rate and meteorological factors in urban road forests

3 討論和結(jié)論

城市中的PM2.5主要來源于生活排放、地面揚(yáng)塵和交通排放等。PM2.5的變化和人們的生活習(xí)慣密切相關(guān)，而其沉降是一個(gè)復(fù)雜的過程，氣流運(yùn)動(dòng)、環(huán)境因子等因素都可能會(huì)對(duì)PM2.5的沉降產(chǎn)生影響。本研究中，道路中(ck)PM2.5日變化規(guī)律均表現(xiàn)為早晚高，中間低，峰值出現(xiàn)在8:00和18:00，主要原因是此時(shí)正值上下班高峰期，道路上車輛增加，導(dǎo)致排放的顆粒物增加，其次是來往的車輛會(huì)引起地面揚(yáng)塵。而林帶內(nèi)PM2.5日變化與道路一致，這說明林帶對(duì)PM2.5的阻滯作用有協(xié)同作用。早晚溫度較低，濕度較大，不利于大氣的輸送和擴(kuò)散，因此導(dǎo)致PM2.5在林內(nèi)外積聚，不易擴(kuò)散[15-16]；正午前后，車輛減少，氣溫升高，相對(duì)濕度減小，太陽(yáng)光照增強(qiáng)，大氣對(duì)流和湍流強(qiáng)烈，有利于大氣的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)[17]，PM2.5由林緣向林內(nèi)逐漸擴(kuò)散，同時(shí)，林內(nèi)植物對(duì)顆粒物發(fā)揮了阻滯作用，故PM2.5質(zhì)量濃度下降且低于早晚[18]。

一般來說，PM2.5存在季節(jié)性差異。前人研究表明：PM2.5質(zhì)量濃度年變化從高到低依次為冬季、春季、秋季、夏季[19]。也有學(xué)者認(rèn)為：PM2.5質(zhì)量濃度秋季高于春季[20]。本研究結(jié)果顯示：PM2.5質(zhì)量濃度年變化從高到低依次為冬季、秋季、春季、夏季，與前人結(jié)果存在一定差異；這種季節(jié)性規(guī)律的主要原因應(yīng)該與大氣擴(kuò)散條件的季節(jié)差異以及排放源的冬、夏季差異有關(guān)。研究表明：降水通過慣性碰并過程和布朗擴(kuò)散作用可沖刷附著在葉面上的顆粒物，同時(shí)也能有效減少空氣中顆粒物含量及地表?yè)P(yáng)塵，從而增加植物葉片對(duì)顆粒物的循環(huán)吸附能力[21-22]。泰安市夏天雨水充沛，對(duì)PM2.5的沖刷效果明顯，同時(shí)，氣溫高，大氣垂直對(duì)流作用強(qiáng)，這些因素使得PM2.5不易聚集，質(zhì)量濃度減少，故夏季達(dá)到最低[20]；而秋冬季燃煤排放源增加及霧霾天氣多發(fā)，導(dǎo)致在秋冬季居高不下。而春秋季節(jié)的差異主要和植物的生長(zhǎng)期、氣候變化等有關(guān)[23]。相關(guān)植物和氣象因素是影響空氣中PM2.5阻滯效應(yīng)的主要因素。本研究表明：PM2.5在水平空間上具有季節(jié)性差異，其主要原因是城市道路污染源向四周持續(xù)線性擴(kuò)散輸送污染物，表現(xiàn)為進(jìn)入慢、累積慢、消散慢的特點(diǎn)，道路林內(nèi)的植被在吸附PM2.5時(shí)過程緩慢，短時(shí)間內(nèi)容易累積在林內(nèi)，隨著林帶寬度的增加，林內(nèi)參與削減PM2.5的植被增加，因此，春夏季節(jié)呈現(xiàn)ck至林內(nèi)逐漸降低的趨勢(shì)。但秋冬季節(jié)，在林帶內(nèi)25 m處，PM2.5質(zhì)量濃度增加，這可能是由于此處的的風(fēng)速降低，導(dǎo)致PM2.5沉降[18,24]。

不同配置模式的城市道路林對(duì)PM2.5的阻滯率季節(jié)差異明顯。本研究結(jié)果表明：春夏季節(jié)對(duì)PM2.5有正向的阻滯效應(yīng)，阻滯能力最強(qiáng)的是喬灌草結(jié)構(gòu)，其次是針闊混交喬木結(jié)構(gòu)、單排喬木結(jié)構(gòu)；主要原因是喬灌草結(jié)構(gòu)具有良好的降低風(fēng)速的功能和立體化滯塵效果；而秋冬季節(jié)，只有A5(針闊混交喬木)、B1～B3(單排喬木)和喬灌草(C2、C3)阻滯效果較好，其余均富集PM2.5。這可能和樣地內(nèi)樹種組成以及環(huán)境因子有關(guān)。本研究樣地內(nèi)種植有松柏類和高大闊葉類喬木植物，松柏類針葉樹針葉細(xì)長(zhǎng)、枝莖復(fù)雜且全年有葉期，其吸附顆粒物的能力在秋冬季節(jié)強(qiáng)于闊葉樹，且能夠分泌樹脂，可減少吸附顆粒物的彈回比例[25-27]；而喬木類樹種林冠層茂盛、葉面積指數(shù)大、林分郁閉度較高等比灌木和草本植物更能有效阻滯大氣顆粒物，同時(shí)對(duì)空氣流動(dòng)的影響比針葉類喬木更強(qiáng)，更易使周邊空氣形成湍流，從而為顆粒物沉降提供有利條件，促進(jìn)植物對(duì)顆粒物的吸附[28-29]。但大氣顆粒物的組成成分復(fù)雜，不同樹種的滯塵能力又有很大差異[30]，對(duì)于單一樹種的滯塵能力需進(jìn)一步研究和探討。

一般來說，風(fēng)速與PM2.5呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而溫濕度呈正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果顯示：氣象因子和PM2.5相關(guān)關(guān)系與前人的研究結(jié)果一致，但是阻滯率與氣象因子的相關(guān)關(guān)系變具有季節(jié)性。本研究表明：阻滯率和氣溫為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與吳兌[31]的研究結(jié)果相反。這可能是植物葉面氣孔的張合有關(guān)；春秋冬季阻滯率與風(fēng)速成負(fù)相關(guān)，主要是和風(fēng)力大小有關(guān)，合適的風(fēng)力(5 m·s-1)可通過水平輸送和稀釋擴(kuò)散效應(yīng)降低顆粒物濃度，風(fēng)力過強(qiáng)或過弱都可能會(huì)對(duì)植物吸附能力產(chǎn)生反效果，也有學(xué)者認(rèn)為：風(fēng)力大時(shí)較風(fēng)力小時(shí)吸附效果更好[32]。春季阻滯率與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這和呂鈴鑰等[23]的研究結(jié)構(gòu)相反。這可能和春季植物生長(zhǎng)有關(guān)。

本研究結(jié)果表明：林帶對(duì)PM2.5阻滯效應(yīng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)性，受車輛、氣候和植被類型等多維生態(tài)因子的交互作用，尤其是植被的作用機(jī)制，因此，在探討道路林對(duì)PM2.5的作用時(shí)應(yīng)充分考慮多維生態(tài)因子的協(xié)同作用。建議在城市道路林建設(shè)中合理增加林帶寬度及加大常綠針葉喬木和灌草的比例。