胡海濱，錢慶榮，陳慶華,3*，張一凡，田聞欣

(1.福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建技術(shù)師范學(xué)院，福建 福州 350300)

空氣質(zhì)量與健康密切相關(guān)，尤其是以PM2.5為代表的可吸入細(xì)顆粒物，為多種污染物和病菌的載體，吸入人體后易造成多種疾病并有致癌性[1-2]。由于機(jī)動車尾氣的直接排放、尾氣中的各類化學(xué)物質(zhì)二次反應(yīng)產(chǎn)生的的氣溶膠顆粒物，以及剎車片、輪胎磨損和路面揚塵等，造成城市道路環(huán)境中的顆粒物濃度明顯增高[3]，這對近路面環(huán)境中的處于呼吸暴露狀態(tài)的騎行通勤者有很大的健康隱患。在我國很多城市中，采用電動車騎行的通勤群體占有很大比例[4]，他們的呼吸健康風(fēng)險急需得到評估和關(guān)注。

園林綠地已被證明可以改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量，綠植可通過其枝葉截留、葉表面粘附和阻滯沉降等機(jī)制消減顆粒物濃度[5-9]。道路分車綠帶(機(jī)動車道與非機(jī)動車道的綠化隔離帶)是城市綠地的重要組成部分，它們對道路環(huán)境中污染物的削減作用，在國內(nèi)外研究中開始得到重視。國內(nèi)外研究表明[8-11]，綠帶植物對顆粒物濃度的削減受綠帶結(jié)構(gòu)特征及風(fēng)速、風(fēng)向的影響相對較大[10]，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀筇卣骱途G帶結(jié)構(gòu)通過開展精細(xì)的實地監(jiān)測[5]，探究綠帶特征與顆粒物濃度變化的響應(yīng)機(jī)制，以優(yōu)化當(dāng)?shù)氐牡缆肪G化配置方式。

近年來，利用便攜式高精度檢測儀搭建移動監(jiān)測平臺，已開始廣泛應(yīng)用于評估個人環(huán)境暴露領(lǐng)域[12-13]。移動監(jiān)測可真實反映騎行通勤時的污染暴露狀況，并克服定點監(jiān)測因儀器數(shù)量上的限制。本研究選擇福州市通勤主干道，截取具有典型代表意義的道路分車綠帶作為研究對象，首次采用騎行方式移動監(jiān)測綠帶兩側(cè)通勤者呼吸高度上的顆粒物暴露濃度，分析綠帶兩側(cè)顆粒物濃度及粒徑組成的變化，考察不同結(jié)構(gòu)特征的綠帶對騎行暴露濃度的隔離削減效應(yīng)以及風(fēng)速風(fēng)向的影響，旨在探索綠帶對騎行者暴露濃度的影響，為道路綠帶的種植策略提供建議。

1 材料與方法

1.1 綠帶選擇與特征

選擇福州市車流量較大的通勤干道，尤其是電動車通行數(shù)量較多的4條道路：五四北路、金山大道、316國道和國賓大道，它們的車流量及其組成較為相似。在這些道路上截選出4個具有典型代表性的綠帶路段作為研究對象(圖1)。這些路段上除了與交通相關(guān)的污染之外，沒有其他明顯的污染源，綠帶類型均為福州市主城區(qū)較為常見的道路綠帶配置(表1)。監(jiān)測線路設(shè)定在分車綠帶的兩側(cè)，分別為在非機(jī)動車道中間和機(jī)動車道靠近綠帶的邊緣(圖1)。4條綠帶中，A(五四路段)為間隔種植的芒果樹(Mangiferaindica)與金葉假連翹(Durantarepens)、梔子(Gardeniajasminoides)和灰莉(Fagraeaceilanica)等灌木混種的喬灌混合配置；B(湖東路段)為單獨的芒果樹喬木綠帶；C(316國道路段)是紅花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum)和金葉女貞(Ligustrumvicaryi)混種的低矮型灌木樹籬綠帶；D(國賓大道路段)為間隔種植的低矮芒果樹、大葉女貞(Ligustrumcompactum)和鵝掌柴(Scheffleraoctophylla)、紅花檵木為主的灌木樹籬混合配置。另外，C和D路段的外側(cè)與路邊建筑物之間有路側(cè)綠帶，C的最外側(cè)為種植較為稀疏的榕樹(Ficusmicrocarpa)，D的外側(cè)為種植較為茂密而且冠層較低的榕樹，且與分車綠帶距離比較近。在實地測量中，根據(jù)綠植的特征變化，按照5 m左右的距離劃分若干個柵格，計算所有5 m柵格的平均值來表征該路段綠帶的參數(shù)值，這4個路段綠帶的具體特征指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示，其中葉表面積指數(shù)用來表征植物枝葉密度[5,10]，使用植物冠層分析LAI-2000(美國LI-COR公司)進(jìn)行測量。

1.2 監(jiān)測儀器與方法

實地監(jiān)測中采用2臺DustTrak 8532便攜式粉塵檢測儀(美國TSI公司)監(jiān)測綠道路帶兩側(cè)的顆粒物(PM10,PM2.5和PM1)的濃度，儀器分別在2018年3月和2019年5月各進(jìn)行了1次廠家清潔與校對，每次監(jiān)測前均進(jìn)行了粒徑切割器的清潔與零點標(biāo)定，為提高測量分辨率，數(shù)據(jù)記錄時間間隔設(shè)定為1 s，進(jìn)氣流量設(shè)定為1.7 L/min。監(jiān)測時，技術(shù)人員將儀器放在背包里，背包放置在電動車前置車筐，方便騎行過程中操控儀器，進(jìn)氣軟管一端連接儀器進(jìn)氣口，另一端通過電動車鋼架固定在騎行者呼吸水平上(1.5 m高)，在監(jiān)測路段綠帶的兩側(cè)，2名技術(shù)人員各騎行1輛電動自行車同步進(jìn)行往復(fù)的監(jiān)測活動。

圖1 研究區(qū)域與監(jiān)測路段Fig.1 Study area and monitoring sections

表1 監(jiān)測路段與分車綠帶類型Table 1 The types of roadside-green belt in monitoring sections

表2 綠帶特征相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 2 Indicator data related to green belt characteristics

為獲得大多數(shù)騎行通勤者實際的暴露情況，每條路段的監(jiān)測均選在工作日早晚通行高峰期(7：00-9：00和17：00-19：00)進(jìn)行，每種顆粒物每次分別交替重復(fù)騎行監(jiān)測3～5次，騎行速度與通勤者速度保持一致。監(jiān)測選擇在微風(fēng)以下(風(fēng)速<3.4 m/s)和無降雨的靜穩(wěn)天氣條件下進(jìn)行。騎行監(jiān)測過程中，安排1名技術(shù)人員在路段的中間點位，采用便攜式氣象儀(TS-II-C，鄭州托萊斯公司)全程測量并記錄道路微環(huán)境中的風(fēng)速、風(fēng)向。騎行監(jiān)測前后，在監(jiān)測路段生活小區(qū)中部樓頂(13～17層)上測量的顆粒物濃度(前后2次的平均值)作為背景濃度參照值，樓頂受到人類活動或污染源的干擾較少，可代表所處區(qū)域的大氣背景值；在騎行過程中，若遇行人抽煙、灑水車等干擾類的活動，及時記錄并在后期數(shù)據(jù)處理中剔除或取消當(dāng)次的監(jiān)測活動。

1.3 數(shù)據(jù)處理

綠帶兩側(cè)顆粒物濃度的削減率計算公式為[10-11,14]：

(1)

所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析采用Excel 2010和R統(tǒng)計軟件(R 3.6.2版本)等進(jìn)行處理。為便于討論風(fēng)速與風(fēng)向?qū)G帶削減顆粒物的影響，在記錄了每次騎行時段內(nèi)的平均風(fēng)速及風(fēng)向變化的基礎(chǔ)上，將風(fēng)速分類成無風(fēng)(≤0.2 m/s)、軟風(fēng)(0.3～1.5 m/s)和輕風(fēng)(1.6～3.3 m/s)，這3類風(fēng)速也是城市中心區(qū)域常見的天氣，靜風(fēng)天氣較多[15]；結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研[10]，本研究根據(jù)風(fēng)向與道路朝向的角度，將風(fēng)向設(shè)定為平行風(fēng)(與道路朝向夾角≤30°)，垂直風(fēng)G(與道路朝向夾角>30°，風(fēng)吹向綠帶)與垂直風(fēng)R(與道路朝向夾角>30°，風(fēng)吹向道路)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各路段綠帶前后顆粒物騎行暴露濃度的變化

于2018年6月-2019年12月，在選定路線上進(jìn)行了298次共累計54.9 h的實地騎行監(jiān)測，經(jīng)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計，在騎行者呼吸水平上，3種粒徑顆粒物(PM10，PM2.5和PM1)在4條綠帶兩側(cè)的平均騎行暴露濃度及計算后的削減率如表3所示。

在城市道路環(huán)境中，騎行者暴露濃度與背景濃度的變化趨勢有顯著相關(guān)性，與近期的報道類似，大氣背景濃度對個體暴露濃度的貢獻(xiàn)率較高[16-17]。盡管如此，結(jié)果仍顯示所有路段的騎行平均暴露濃度高于同時空條件下的大氣背景濃度(高出范圍為0.3～11.2 μg/m3)，而且表現(xiàn)出時空上的差異性。由表3可知，雖然整體削減率僅為2.3%，但不同綠帶對顆粒物濃度的削減率變化差異較大(-21.0%～22.9%)。結(jié)果表明，不僅綠帶之間呈現(xiàn)出差異性(平均削減率范圍為-3.8%～9.7%)，而且同一綠帶在不同時間的削減率也有較大范圍的浮動，這說明綠帶對顆粒物濃度的削減能力不僅與其結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，同時也受其他多種因素的影響[9-11,14]。

綜合來看，A綠帶(五四北路)和C綠帶(316國道)較為突出，對3種顆粒物均顯示出削減能力，其中A對PM2.5的平均削減率可達(dá)9.7%，最大可達(dá)22.9%，C對PM10的平均削減率達(dá)6.6%，最大可達(dá)20.2%，而B(湖東路)和D(國賓大道)的削減能力較差，顆粒物濃度在綠帶兩側(cè)的變化不明顯，其中B對PM10和PM2.5的平均削減率(-2.7%和-3.0%)以及D對PM1的平均削減率(-3.8%)為負(fù)值，綠帶隔離后的騎行暴露濃度反而增高。

表3 4條綠帶兩側(cè)騎行平均暴露濃度及削減率Table 3 Average exposure concentration and reduction rate between four green belts

與A喬灌混合型綠帶相比，B綠帶為單獨喬木綠帶，結(jié)果表明，僅有樹干的隔離，不能明顯削減顆粒物的濃度。C為密集型的灌木樹籬綠帶，葉面積指數(shù)相對較高，對顆粒物的攔截滯留能力強，尤其對PM10的平均削減率可達(dá)6.6%，近期研究也指出灌木葉片的葉片分泌的油脂以及棱壑結(jié)構(gòu)有利于對顆粒物的吸附[6,8,18]。同為喬灌復(fù)合型綠帶，但D路段綠帶的削減作用不佳，尤其PM1綠帶隔離后的暴露濃度增加了3.8%，考慮到該路段的路側(cè)綠帶種有低矮型的茂密榕樹，樹冠較低并且其枝葉與分車綠帶在非機(jī)動車道上空搭接在一起，構(gòu)成了形似綠色隧道的封閉空間，阻礙內(nèi)外空氣交換[5,8,19]，易造成粒徑較小的顆粒物透過綠帶后在此空間內(nèi)發(fā)生積累，而其機(jī)動車道上方空間則較為開敞，顆粒物消散比較快；而且外部環(huán)境中顆粒物的遷入以及路面和葉片的再次揚塵，也會使得造成非機(jī)動車區(qū)域顆粒物不斷積累濃度增高，降低了綠帶的削減效應(yīng)。另外，D綠帶的灌木平均高度僅有0.7 m，而A綠帶為1.5 m，顆粒物會隨著汽車行駛產(chǎn)生的羽流，向街道兩側(cè)的非機(jī)動車區(qū)域擴(kuò)散，顆粒物在穿透灌木樹籬的過程中，A比D綠帶有更大的機(jī)會滯留騎行者呼吸高度上的顆粒物。

2.2 各路段綠帶前后顆粒物的粒徑組成變化

4條路段綠帶前后顆粒物粒徑組成的變化情況如圖2所示。其中，B路段綠化帶前后粒徑組成情況未發(fā)生明顯變化，在騎行者呼吸高度上，僅有樹干部分的隔離，對騎行者未起到屏障作用，很難對顆粒物的粒徑分布造成影響。而A和D的變化較大，其中A綠帶隔離后，PM10～2.5的比例增加了11%，PM2.5～1的比例降低了10%，這可能因為五四北路非機(jī)動車道路面塵土比較多，較多的行人活動使得較粗的顆粒物發(fā)生再次揚塵[8]；與此相反的是D綠帶，綠帶后的PM10～2.5的比例降低了7%，PM1與PM2.5～1卻增加了5%，考慮是因為該路段非機(jī)動車道的騎行空間內(nèi)，路側(cè)綠帶茂密的枝葉降低了風(fēng)速，導(dǎo)致部分較粗粒徑顆粒物在此空間內(nèi)發(fā)生沉降或被葉面吸附，而較小粒徑的顆粒物在較為封閉的空間得不到快速消散，持續(xù)累積導(dǎo)致濃度增高。C路段的灌木樹籬后PM10的比例降低5%，粗顆粒因密集的灌木樹籬的隔離后而減少，再次證實了葉面積指數(shù)較大的灌木對PM10的削減效應(yīng)相對較好。

注：外圈是指綠帶后的非機(jī)動車區(qū)域的PM粒徑組成，內(nèi)圈是指綠帶前機(jī)動車道區(qū)域的PM粒徑組成。

2.3 風(fēng)速對綠帶削減作用的影響

圖3歸納了4條綠帶在不同風(fēng)速下對顆粒物騎行暴露濃度的削減率變化。由圖3可知，對于A、D的喬灌混合型綠帶，風(fēng)速較大(>1.5 m/s)時，綠帶對顆粒物的削減效應(yīng)明顯降低。風(fēng)速的增加會引起葉片和非機(jī)動車道路面上的積塵再次揚起[8,20]，導(dǎo)致隔離后的非機(jī)動車行駛區(qū)域濃度增高，而機(jī)動車產(chǎn)生的顆粒物在機(jī)動車道上方空間中消散較快，同時也會有更多的顆粒物透過綠帶擴(kuò)散至非機(jī)動車區(qū)域，而綠帶與路側(cè)建筑物距離較近，顆粒物不易消散，造成綠帶的削減率降低，甚至多數(shù)情況下為負(fù)值；而對于單獨喬木綠帶的B路段，由于喬木之間的種植間隙，風(fēng)速對綠帶削減率的影響不大，顆粒物較易擴(kuò)散到非機(jī)動車區(qū)域，綠帶兩側(cè)的濃度相差不多，削減率基本保持在較低的水平(<5%)；對于單獨灌木樹籬的C綠帶，對顆粒物的削減受風(fēng)速影響較小，綠帶兩側(cè)均為開放的空間，風(fēng)速對顆粒物的消散作用是較為均等的，但在機(jī)動車道內(nèi)的粗顆粒物向外側(cè)擴(kuò)散過程中，灌木樹籬的存在起到了一定的濾除作用。

2.4 風(fēng)向?qū)G帶削減作用的影響

在3類風(fēng)向下，4條綠帶前后顆粒物濃度的削減情況如圖4所示，不同風(fēng)向條件下，綠帶對顆粒物的削減效應(yīng)呈現(xiàn)出一定的差異性。其中，A綠帶和C綠帶在平行風(fēng)和垂直風(fēng)(吹向道路外側(cè))的條件下表現(xiàn)相對較好，例如A綠帶對PM2.5的削減率可達(dá)12.0%和11.0%，對PM1也能達(dá)到7.9%和10.5%，C綠帶對PM10的削減率可達(dá)5.8%和8.5%；而當(dāng)垂直風(fēng)(吹向道路中央)條件下，各路段綠帶對顆粒物的削減較弱，在B和D路段中削減率甚至出現(xiàn)負(fù)值，D路段騎行空間綠帶的通透度較差，風(fēng)向的變化對其影響相對有限，削減率變化不大。

3 結(jié)論與討論

城市道路分車綠帶對騎行者暴露于顆粒物濃度的影響主要有葉片滯留和氣流運動2種機(jī)制[5,8-9]。其中綠帶對顆粒物的吸附滯留能力與葉表面屬性、枝葉密度、物理結(jié)構(gòu)特征等自身品性有關(guān)，而氣流運動會影響顆粒物的分布與消散，與綠帶的整體配置、風(fēng)速風(fēng)向及道路建成環(huán)境有關(guān)[8,21]。

3.1 綠帶樹種類別對騎行者暴露于顆粒物濃度的影響

本研究體現(xiàn)了華南地區(qū)城市(以福州為例)的地域特色，在城市干道種植芒果樹，以及假連翹、灰莉與紅花檵木等混合搭配的灌木樹籬是福州市主城區(qū)常見的一種干道分車綠帶的配置方式。段嵩嵐等[21]研究了福州市19種灌木葉片性狀與滯留顆粒物效應(yīng)之間的關(guān)系，假連翹、梔子和紅花檵木的葉片具有網(wǎng)狀脈、深溝壑及被星狀絨毛，葉邊緣反卷，對顆粒物有較強的滯留能力，而且抗風(fēng)干擾的能力強。本研究中A綠帶中靠近機(jī)動車道的植物是梔子和金葉假連翹，可使其綜合削減能力更為突出。C綠帶中的主體植物為紅花檵木，其葉表面指數(shù)高，葉片小而且密集，對3種顆粒物的滯留能力均比較強。而D綠帶靠近機(jī)動車道的灌木主要為鵝掌柴，葉片偏大且更為光滑，其對PM2.5及以下的細(xì)顆粒物滯留能力相對稍弱。因此，灌木樹籬應(yīng)選用枝葉密集且對顆粒物滯留能力強的樹種。

圖3 4條綠帶在不同風(fēng)速下對顆粒物騎行暴露濃度的削減率變化Fig.3 Variations of the exposure concentration reduction rate of 4 green belts under different wind speeds

注:垂直風(fēng)(R)為吹向道路中央方向的上風(fēng)向風(fēng)，垂直風(fēng)(G)為吹向道路外側(cè)的下風(fēng)向風(fēng)，因氣象儀故障問題，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)未統(tǒng)計在內(nèi)。

3.2 綠帶結(jié)構(gòu)特征對騎行者暴露于顆粒物濃度的影響

在機(jī)動車道的近距離范圍內(nèi)，灌木在削減顆粒物的過程中起到了關(guān)鍵性作用，機(jī)動車產(chǎn)生的空氣羽流在向道路兩側(cè)擴(kuò)散過程中，遭遇灌木樹籬后會內(nèi)發(fā)生反彈，部分顆粒物也隨之被阻滯和折回，同時也有部分顆粒物在隨氣流穿越灌木樹籬時被枝葉吸附、沉積[8-10]。而單獨的高大喬木綠帶由于樹冠較高，對顆粒物在騎行呼吸高度上的分布影響非常有限。考慮到喬木的生態(tài)價值，建議在城市主干道配置喬木與灌木樹籬混合型的分車綠帶，但應(yīng)注意路側(cè)綠帶中茂密的喬木與喬灌組合型分車綠帶易導(dǎo)致騎行空間郁閉度較高，綠帶對顆粒物擴(kuò)散性能的制約超出了植物葉片對顆粒物的吸附或滯留效應(yīng)[5,10-11]，導(dǎo)致顆粒物積累。因此，要適當(dāng)增加路側(cè)綠帶與分車綠帶的距離并提高喬木的修剪強度，改善騎行區(qū)域的通透性。

與路側(cè)綠林帶或行道樹林帶相比，本研究所涉及的城市道路分車綠帶寬度小且變化范圍不大，未具體討論綠帶寬度對顆粒物濃度影響。多數(shù)研究表明灌木樹籬寬度對顆粒物濃度的削減有正相關(guān)關(guān)系[9,14,18]，X.Chen等[16]研究了武漢分車綠帶對PM10的削減作用，寬度范圍為2.5～3.5 m的灌木綠帶對PM10的削減率可達(dá)7%～10%，稍優(yōu)于本研究的結(jié)果(6.6%)，考慮是本研究中的C灌木綠帶寬度較小(0.8 m)的原因。與K.V.Abhijith等[10]研究中的灌木樹籬相比，C綠帶削減率相對低3%～7%，考慮是由于其高度相對較低(0.8 m)，高度不足難以在騎行者呼吸水平上發(fā)揮更加理想的削減效應(yīng)[10,20]。因此，分車綠帶中的灌木要達(dá)到足夠的高度和寬度，以充分發(fā)揮灌木濾除和阻滯顆粒物的效應(yīng)[9,22]，但分車綠帶若設(shè)計過寬或過高會造成空間資源的緊張。因此，分車綠帶最佳寬度高度要結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕煌ㄌ卣?、氣象因素、建成環(huán)境特征等影響因子，通過試驗論證來確定，用以指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐木G帶設(shè)計。

3.3 風(fēng)速、風(fēng)向?qū)G帶削減顆粒物濃度的影響

適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速條件下(0.3～1.5 m/s)，顆粒物隨氣流透過喬灌混合型綠帶時，與灌木枝葉接觸，有更多機(jī)會通過撞擊、吸附、沉積等機(jī)制[8,19,23]被滯留下來；而當(dāng)風(fēng)速過大時，會引起葉片與騎行車道路面的積塵揚起，同時，較開闊的機(jī)動車道上方空間風(fēng)速大，顆粒物消散較快，而綠帶隔離后的非機(jī)動車區(qū)域風(fēng)速較小，顆粒物消散較慢，會影響到綠帶的削減效應(yīng)，應(yīng)注重非機(jī)動車道路面和綠帶葉片的清潔，并通過喬木修剪提升通透度，促進(jìn)顆粒物的消散。

風(fēng)向?qū)G帶的削減效應(yīng)有顯著影響，在平行風(fēng)和垂直風(fēng)(吹向綠帶)條件下，喬灌混合型和單獨灌木樹籬2種類型綠帶對騎行暴露的顆粒物削減作用較為突出，近地面的顆粒物通過枝葉密集的灌木時有更多機(jī)會被滯留。而當(dāng)垂直風(fēng)(吹向道路中央)條件下，顆粒物在擴(kuò)散過程中與綠帶的接觸機(jī)會減少，制約了綠帶的濾化作用，當(dāng)綠帶與路旁的建筑物或路側(cè)綠帶比較接近時，顆粒物容易在分車綠帶喬木樹冠以下空間積累[24-25]，會導(dǎo)致靠近地面的污染物濃度增高。