劉 宇，張 楠，董 蓉，王 輝，周力行，王曉立,3

（1.宿遷學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 宿遷 223800;3.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210095）

入冬以后，受居民供暖燃煤及氣候因素的影響，江蘇北方城市霧霾天氣頻發(fā)，已嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活和身體健康。可吸入顆粒物（PM10）可以與霧氣結(jié)合，是霧霾的主要成分之一，可攜帶多種有毒物質(zhì)，引發(fā)各種系統(tǒng)疾病［1-2］。城市綠地通過(guò)植物特殊的葉表面結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)以及生理生化特性，可以吸附、滯留和加速沉降大氣顆粒物［3-4］，對(duì)減少道路交通工具排放的污染物，改善空氣質(zhì)量具有無(wú)法替代的重要作用［5-6］。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在城市綠地對(duì)顆粒物濃度消減作用方面的研究逐步增多，至今還維持在較高的熱度，但仍存在一些需要繼續(xù)探討的地方，如在滯留不同粒徑顆粒物方面，前人研究［7-9］多集中在粒徑更小的PM2.5方面，而對(duì)作為污染物載體的PM10卻涉及較少，且某些問(wèn)題還存在爭(zhēng)議，例如有學(xué)者［10］認(rèn)為，隨著城市綠地的寬度增加，其對(duì)顆粒物的消減能力趨于上升。但也有學(xué)者［11］研究發(fā)現(xiàn)，城市綠地在15~45 m寬度范圍內(nèi)顆粒物濃度與路緣處顆粒物濃度相近，且隨著林帶寬度的增加，顆粒物濃度甚至高出道路內(nèi)顆粒物濃度。針對(duì)以上問(wèn)題，進(jìn)一步開(kāi)展城市綠地對(duì)PM10消減作用的研究則顯得尤為重要。由于在北方冬季，落葉闊葉林組成的常綠景觀林消減PM10的能力極大地減弱，常綠喬木因其枝葉繁茂而具有更好的滯塵效益。因此，本文以冬季蘇北3種高綠量常綠景觀林為對(duì)象，研究了3種常綠景觀林對(duì)PM10的消減作用及其與主要環(huán)境因子的關(guān)系，以期為篩選滯塵能力強(qiáng)的城市綠地植物提供理論依據(jù)，從而增強(qiáng)城市植被吸附污染物、凈化空氣環(huán)境的能力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在宿遷市黃河南路北側(cè)（33°12′17″N、117°6′19″E），宿遷市是亞熱帶常綠闊葉林向暖溫帶落葉闊葉林的過(guò)渡地區(qū)，受季風(fēng)的影響，該區(qū)域易形成春旱、夏澇、秋冬干旱的天氣。

選擇冬季在蘇北地區(qū)綠量較高的3種常綠景觀林為研究對(duì)象，分別為雪松（Cedrus deodara）純林（常綠針葉林）、香樟（Cinnamomum camphora）純林（常綠闊葉林）、混交林（常綠喬灌混交林），以下依次用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，詳情見(jiàn)表1。以城市主干道黃河南路為邊界，監(jiān)測(cè)點(diǎn)為3種常綠景觀林距道路的不同寬度距離，分別設(shè)置為0、10、20、30、40、50、60 m，其中0 m為3種常綠景觀林與城市主干道黃河南路邊緣的交接處。

表1 3種常綠景觀林樣地的概況

1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及指標(biāo)

于2018年12月至2019年2月，每月按上、中、下三旬各取一天氣狀況穩(wěn)定的無(wú)雨天，在游憩時(shí)間段的早上7：00至晚上19：00，每隔2 h在3種常綠景觀林的不同水平寬度監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步觀測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3次重復(fù)。應(yīng)用賽納威HAT200空氣質(zhì)量檢測(cè)儀測(cè)定空氣中的PM10濃度，同步采用浙江托普儀器有限公司制造的DJL-18溫濕光三參數(shù)記錄儀，采用天津市福元銘儀器設(shè)備有限公司制造的DEM6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表，測(cè)定相對(duì)濕度、溫度、光照強(qiáng)度和風(fēng)速，采樣高度為人體呼吸高度1.5 m處，以不同常綠景觀林與城市主干道黃河南路邊緣的交接處0 m為對(duì)照。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 指標(biāo)的計(jì)算 3種常綠景觀林對(duì)PM10濃度消減百分率的計(jì)算公式如下［11］：

式中，W為常綠景觀林對(duì)PM10濃度消減百分率（%），C0為3種常綠景觀林與城市主干道交接處0 m的PM10濃度（μg/m3），Ca為3種常綠景觀林不同水平寬度監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)的PM10濃度（μg/m3）。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析 在SPSS 21.0軟件中，通過(guò)單因素方差分析、偏相關(guān)性分析和回歸方程分析方法，確定3種城市綠地對(duì)PM10濃度的消減作用及其與主要環(huán)境因子關(guān)系，并用最小顯著差數(shù)法（LSD）檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異性，采用EXCEL 2007軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種常綠景觀林PM10濃度的日變化規(guī)律

由圖1可知，觀測(cè)期內(nèi)，3種常綠景觀林內(nèi)PM10濃度的日變化趨勢(shì)基本一致，都呈現(xiàn)出從早上7：00開(kāi)始逐步升高，11：00左右到達(dá)峰值后開(kāi)始降低。從樣地Ⅰ、Ⅱ Ⅲ可以看出，到下班的高峰期（17：00~19：00），雪松純林和香樟純內(nèi)PM10濃度趨于穩(wěn)定。從樣地Ⅲ可以看出，混交林PM10濃度甚至略有上升。

圖1 3種常綠景觀林PM10濃度的日變化規(guī)律

通過(guò)分析可知，雪松純林、香樟純林、混交林每時(shí)段的PM10濃度平均值變化區(qū)間分別為205~265 μg/m3、194~260 μg/m3、201~272 μg/m3。根據(jù)我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012），Ⅱ類(lèi)功能區(qū)的PM10濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為150 μg/m3。因此，3種常綠景觀林內(nèi)PM10濃度均超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最小值為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的129%，最大值達(dá)到168%。說(shuō)明在監(jiān)測(cè)時(shí)期，3種常綠景觀林內(nèi)的PM10污染皆較嚴(yán)重。

2.2 3種常綠景觀林不同水平距離的PM10濃度變化

從圖2可知，雪松純林隨著林帶寬度增加，PM10濃度開(kāi)始逐步降低，由0 m的242 μg/m3下降到60 m處的221 μg/m3。香樟純林整體上也趨于下降，但速度較緩，從由0 m的228 μg/m3降低到60 m處的216 μg/m3?；旖涣衷谇?0 m顆粒物濃度下降明顯，但隨著綠地寬度增加，PM10濃度變化幅度較小，甚至在30 m和50 m處的PM10濃度略有上升。說(shuō)明上下枝葉繁密的常綠景觀林結(jié)構(gòu)導(dǎo)致顆粒物擴(kuò)散能力降低，以及顆粒物出現(xiàn)了局部累積。

圖2 3種常綠景觀林不同水平距離處的PM10濃度

2.3 3種常綠景觀林對(duì)PM10濃度的消減作用

2.3.1 3種常綠景觀林對(duì)PM10濃度消減作用的日變化規(guī)律 冬季3種常綠景觀林對(duì)PM10的消減作用在不同時(shí)間段內(nèi)存在差異（圖3），雪松純林、香樟純林、混交林消減率最高的時(shí)間點(diǎn)分別出現(xiàn)在上午的9：00、11：00、9：00，最低的時(shí)間點(diǎn)分別為下午的19：00、17：00、17：00，整體來(lái)看，上午的消減作用效果更優(yōu)。香樟純林的消減作用較為明顯，最高點(diǎn)的消減率均值為7.87%，9：00左右次之，消減率均值為5.45%，最低值也達(dá)到3.98%。混交林消減作用相對(duì)較弱，最高值為3.04%，最低值僅為1.16%，與香樟純林的最高值相差6.78倍。

圖3 3種常綠景觀林對(duì)PM10濃度消減作用的日變化

2.3.2 3種常綠景觀林不同水平距離對(duì)PM10濃度的消減作用 如圖4所示，3種常綠景觀林對(duì)PM10的消減率按大小排序?yàn)橄阏良兞郑?.17%）＞雪松純林（4.87%）＞混交林（2.09%）。雪松純林隨林帶寬度增加，消減率一直升高，變化幅度較大，從10 m處的1.70%上升到60 m處的8.82%。香樟純林在30~40 m處消減率略有下降，整體上也趨于上升，最低值為10 m處的4.32%，最高值為60 m處的5.97%。混交林消減率變化幅度較小，最高值為30 m處的2.39%，最小值為10 m處的1.73%，在前30 m緩慢上升后，消減率開(kāi)始出現(xiàn)起伏。結(jié)合圖2和圖4可知，混交林在20~30 m處對(duì)PM10的消減作用達(dá)到最佳。

圖4 3種常綠景觀林不同水平距離對(duì)PM10濃度的消減作用

2.4 與氣象因子關(guān)系

將3種常綠景觀林對(duì)PM10的消減率與氣象因子進(jìn)行偏相關(guān)性分析，得到表2。結(jié)果表明：消減率與溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與風(fēng)速、光照的相關(guān)性不明顯。線性回歸分析表明（圖5），與溫度和濕度的擬合方程分別為y=0.456x+0.36、y=-0.152x+15.43，R2分別為0.194、0.196。說(shuō)明隨著大氣溫度升高，可吸入顆粒物擴(kuò)散和遷移的速度加快，促使常綠景觀林消減PM10的能力增強(qiáng)；隨著相對(duì)濕度增大，可吸入顆粒物更易被凝聚于水汽中，造成常綠景觀林對(duì)PM10的消減率降低。

圖5 消減率與氣象因子散點(diǎn)圖

表2 消減率與氣象因子的偏相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 常綠景觀林內(nèi)PM10濃度的日變化特征

在顆粒物濃度的日變化規(guī)律中，多數(shù)學(xué)者［12-13］認(rèn)為存在“峰谷型”變化，但峰谷出現(xiàn)的時(shí)間段不一致。孫曉丹等［14］對(duì)青島市城陽(yáng)區(qū)主干道內(nèi)的PM10濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到上午8：00可吸入顆粒物質(zhì)量濃度最高，下午16：00濃度值最低；而邱玲等［3］在游憩時(shí)間（8：00~18：00）對(duì)寶雞市13種不同植被結(jié)構(gòu)綠地內(nèi)PM10濃度進(jìn)行記錄，顯示高峰出現(xiàn)在中午的12：00~14：00，低谷則出現(xiàn)在下午的16：00~18：00。

本研究中，3種常綠景觀林內(nèi)的PM10濃度的日變化趨勢(shì)基本一致，從監(jiān)測(cè)時(shí)，PM10濃度開(kāi)始升高，11：00左右到達(dá)峰值后開(kāi)始下降，17：00后下降趨勢(shì)減緩甚至略有上升。顆粒物濃度峰谷出現(xiàn)時(shí)間的差異，主要受季節(jié)、地理區(qū)位以及顆粒物來(lái)源等多種因素影響［15］。上午日照輻射逐步加強(qiáng)，地面溫度回升，大氣的垂直擴(kuò)散能力加強(qiáng)，有利于PM10從城市主干道向綠地內(nèi)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，而到下午，冬季白天日照時(shí)間較短，氣溫明顯降低，顆粒物擴(kuò)散能力減弱［16］。17：00~19：00是下班的高峰期，車(chē)流量增大，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放的污染物以及車(chē)輛行駛過(guò)程中引起的地面揚(yáng)塵對(duì)該時(shí)間段綠地內(nèi)的顆粒物的濃度增加都有一定的貢獻(xiàn)。

3.2 常綠景觀林結(jié)構(gòu)與PM10濃度關(guān)系

喬木由于巨大的葉面積總量，其吸附和積累空氣顆粒物的效率是植物中最高的［17］，特別在冬季，常綠喬木通過(guò)高大的樹(shù)冠和上下結(jié)構(gòu)能擾亂空氣流動(dòng)，加強(qiáng)顆粒物在葉片上沉降［18］。在綠地結(jié)構(gòu)中，普遍認(rèn)為喬灌草、喬草結(jié)構(gòu)要比灌草和草坪結(jié)構(gòu)滯塵能力強(qiáng)，但喬灌草和喬草結(jié)構(gòu)由于樹(shù)種種類(lèi)、種植密度、郁閉度和覆蓋度等差異而滯塵效果不同［19-21］。

本研究中，3種常綠景觀林內(nèi)PM10濃度的均值大小排序?yàn)檠┧杉兞郑?31 μg/m3）＞混交林（226 μg/m3）＞香樟純林（221 μg/m3），喬草結(jié)構(gòu)的香樟純林內(nèi)PM10濃度均值比喬灌草結(jié)構(gòu)的混交林和林下比較密集的雪松純林低，這可能與其較好的通透性有關(guān)。方穎等［21］認(rèn)為稀疏綠地冠層內(nèi)的通透性較密林高，其滯塵量較大；高金暉等［22］也發(fā)現(xiàn)稀疏綠地邊緣區(qū)域的顆粒物沉降量平均值比密林林緣沉降量高40%。

3.3 常綠景觀林不同水平間距對(duì)PM10濃度的消減作用

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，隨著污染源距離的增加，城市綠地的顆粒物濃度逐步降低。Cavanagh等［10］研究發(fā)現(xiàn)，冬季新西蘭常綠闊葉林內(nèi)PM10濃度從林緣到林內(nèi)呈逐步遞減趨勢(shì)，由外部的31.5 μg/m3衰減到林內(nèi)50 m處的22.4 μg/m3。張晶［23］對(duì)無(wú)錫多個(gè)公園內(nèi)竹林的顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，表明林內(nèi)濃度均小于林緣處。

本研究中，香樟純林和雪松純林內(nèi)PM10濃度均小于林緣處，且隨水平梯度距離增加，消減率整體都趨于上升趨勢(shì)，而混交林對(duì)PM10的消減率較低，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均消減率僅為2.09%，在30 m寬度處達(dá)到最高值后，消減率開(kāi)始出現(xiàn)起伏。這與混交林上下結(jié)構(gòu)濃密、綠量大、郁閉度較高有關(guān)，其林內(nèi)的顆粒物不僅得不到有效的擴(kuò)散和去除，還易與其他污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加二次氣溶膠產(chǎn)生的可能。且冬季大氣環(huán)境較穩(wěn)定，不利于顆粒物擴(kuò)散，在無(wú)風(fēng)高濕的霧霾天氣下，顆粒物多附著、溶解在混有霧氣之中。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)［15，24-25］，在污染天氣中，綠量增加的初期，污染物濃度下降較快，當(dāng)綠量達(dá)到一定值后，污染物濃度下降開(kāi)始明顯減緩，當(dāng)綠量繼續(xù)增加，達(dá)到一個(gè)較高的量值時(shí)，污染物濃度下降變得不明顯。童明坤等［26］對(duì)北京市混交林進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)污染或者輕度污染天氣條件下，距離林緣26 m寬度處對(duì)顆粒物的消減作用最好，但在中度污染或者重度污染天氣下，混交林對(duì)顆粒物的消減作用不明顯，與本研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

3種常綠景觀林內(nèi)PM10濃度的日變化趨勢(shì)基本一致，均呈單峰型特征，在上午11：00左右達(dá)到峰值；隨常綠景觀林寬度距離的增加，雪松純林消減率一直上升，香樟純林僅在30~40 m寬度處的消減率略有下降，混交林在20~30 m寬度處的消減作用達(dá)到最佳；常綠針葉林的雪松純林可作為強(qiáng)滯塵能力景觀林選用，結(jié)構(gòu)緊密的混交林可作為道路邊緣綠化帶選用。