城市公园外侧防护林结构对外源PM2.5的消减作用

包红光，王成，郄光发，杜万光，孙丽中国林业科学研究院林业研究所//国家林业局森林培育重点实验室//国家林业局城市森林研究中心，北京 100091

城市公园外侧防护林结构对外源PM2.5的消减作用

包红光，王成*，郄光发，杜万光，孙丽
中国林业科学研究院林业研究所//国家林业局森林培育重点实验室//国家林业局城市森林研究中心，北京 100091

城市公园是居民休闲的重要场所，其外侧防护林是围合公园景观、消减外源污染的重要屏障。为研究城市公园不同配置结构外侧防护林内PM2.5浓度的时空动态变化规律及其对外源PM2.5污染的消减作用，通过布置样带监测城市公园不同配置结构外侧防护林（阔叶乔木林、阔叶乔草林、针阔混交林）距道路不同宽度处PM2.5浓度，分析影响PM2.5浓度的因素，并对不同配置结构外侧防护林对外源PM2.5污染的消减作用进行计算。结果表明，（1）城市公园不同配置结构外侧防护林内PM2.5浓度日变化规律大致相似，均呈现白天低晚上高的趋势，9:00—15:00时段防护林内PM2.5浓度达到国家标准II类功能区浓度质量要求，5:00时防护林内PM2.5浓度污染最严重，超出国家标准II类功能区浓度质量要求237.36%～335.31%。（2）城市公园不同配置结构外侧防护林在15～45 m宽度范围内PM2.5浓度与路缘处PM2.5浓度相近，阔叶乔木林和阔叶乔草林在60 m宽度前后出现PM2.5浓度升高的现象。（3）城市公园外侧防护林11:00、13:00时对PM2.5浓度污染消减作用最强，19:00、7:00时对PM2.5浓度污染消减作用相对较差；阔叶乔木林、阔叶乔草林距道路165 m时消减作用相对较好，针阔混交林距道路45 m时消减作用相对较好，呈正消减作用。（4）PM2.5浓度与平均风速、温度、相对湿度呈极显著相关，与其他气象因子相关性不显著。

城市公园；防护林；PM2.5；消减作用

引用格式：包红光， 王成， 郄光发， 杜万光， 孙丽. 城市公园外侧防护林结构对外源PM2.5的消减作用［J］. 生态环境学报， 2016，25（6）: 987-993.

BAO Hongguang， WANG Cheng， QIE Guangfa， DU Wanguang， SUN Li. The Effect of Forest Shelter Belt on Subduction of PM2.5in Urban Parks ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（6）: 987-993.

随着城市化和工业化进程的不断加快，城市空气环境质量遭受前所未有的挑战，空气颗粒物污染已经对空气环境质量和城市居民的身心健康造成了一定的影响（Kinney，2008；王志娟等，2012；Kim et al.，2013）。人们对PM2.5浓度污染的变化状况尤为关注。目前国内外学者对PM2.5的研究主要集中在其源解析（吴琳等，2014；Wang et al.，2014）、组成成分（Jeng，2010；孙颖等，2011）以及对人们的身心健康造成的影响（Shah et al.，2013；陶燕等，2014）等方面；而对于研究PM2.5浓度的动态变化规律则主要集中在城郊片林、街头绿地、不同配置结构的绿地等方面（吴志萍等，2008；郭二果等，2013）。城市公园是城市森林的重要组成部分，是居民休闲游憩的重要场所，使用频率高、使用人群多，其内部环境质量包括 PM2.5浓度的动态变化是人们日常非常关心的问题。城市公园处在城市污染相对较重的大背景下，如何为居民提供一个相对洁净的生态空间，是公园设计、管理需要考虑的，许多公园在其外侧特别是靠近城市道路一侧规划建设以乔木为主的林带，使其成为围合公园景观、消减外源污染的重要屏障，而外侧防护林配置结构和宽度影响着其景观效果和防护功能，包括对消减PM2.5等空气悬浮颗粒物的能力有很大影响。基于此，本文选择城市公园，研究外源PM2.5浓度在不同配置结构外侧防护林的时空动态和水平梯度变化规律，分析其对PM2.5浓度污染的消减作用及影响因子，以期为科学规划城市公园，建设防护功能高效的外侧防护林提供科学依据。

1　研究区与研究方法

1.1研究区概况

海淀公园位于北京市海淀区，该区域属温带湿润季风气候区，夏季高温，光照时间长，年均气温12.5 ℃，年均降雨量628.9 mm，年均日照时间为2662 h。海淀公园占地面积34 hm2，绿化面积25.5hm2，海拔高度约40 m，是集生态、美化、防灾等功能为一体的城市公园绿地。

1.2研究方法与数据处理

1.2.1观测点布置

海淀公园紧邻北京四环路，交通流量大，汽车尾气排放的污染对公园内部环境存在潜在的影响，故在靠近城市四环路一侧规划建设了防护林。本研究在海淀公园选择了不同配置结构的防护林，分别为阔叶乔木林（样地A）、阔叶乔草林（样地B）、针阔乔草林（样地C）作为研究样地（见图1、表1），并对其开展监测。沿城市四环路垂直方向向城市公园不同配置结构外侧防护林内设置监测样带，监测点不同水平距离梯度设置为0、15、30、45、60、75、105、135、165、210 m，每条样带共10个监测点，其中0 m监测点设置在海淀公园不同配置结构外侧防护林沿道路边缘处。

图1　监测样点分布图Fig. 1　The Distribution map of monitoring plots

表1　监测样地基本情况Table 1　The basic information of monitoring plots in shelter belt

1.2.2监测内容及指标

于2014年夏季8月27日、8月28日、8月29日、9月4日、9月5日上午9:00时至次日清晨7:00进行昼夜24 h观测，每隔2 h对每条观测样带进行同步监测，每个监测点进行 3次重复。应用英国Turkey仪器制造有限公司生产的符合粉尘监测国家标准的Dustmate粉尘检测仪，观测人体呼吸平均高度 1.2～1.5 m 处的 PM2.5浓度，同时使用Krestal3500小型气象站同步观测温度、相对湿度、平均风速、光照强度、大气压强等气象因子。

1.2.3消减作用计算公式

通过PM2.5浓度水平梯度分布计算得出海淀公园外侧防护林对不同水平距离宽度处PM2.5浓度的消减作用，PM2.5浓度消减作用计算公式为（殷杉等，2007；李新宇等，2014）：

式中，Pn为PM2.5浓度消减作用；C0为城市四环路道路边缘处PM2.5浓度，即0 m处PM2.5浓度；Cn为海淀公园不同配置结构外侧防护林内不同水平距离宽度处监测点PM2.5浓度。

2　结果与分析

2.1城市公园外侧防护林PM2.5浓度日变化规律

2.1.1城市公园外侧防护林不同水平距离 PM2.5浓度日变化规律

由图2可知，城市公园不同配置结构外侧防护林不同水平距离 PM2.5浓度日变化呈现相似的规律，总体表现为白天低晚上高的变化趋势。白天防护林内PM2.5浓度总体上处在较低水平，变化相对平缓，9:00—15:00时段 PM2.5浓度较低，11:00—13:00时段PM2.5浓度出现观测时段内的最低值，这可能是由于观测时段正值夏季，是城市公园外侧防护林内植被生长最为旺盛和稳定的时期，随着太阳的升起，植物呼吸作用增强，树木枝叶可以有效吸附、粘附和滞留PM2.5（陈小平等，2014），使得9:00 —15:00时段出现较低值；再者，夏季日均气温高，尤其是午间温度达到观测时段内最高值，随着温度的升高，大气湍流和乱流运动加强，空气颗粒物随着湍流和乱流运动被输送到远方，有利于PM2.5的扩散和稀释。11:00—13:00时段出现观测时段最低值，17:00后 PM2.5浓度开始出现上升趋势，19:00时出现观测时段内的小高峰，这可能是由于 17:00 —19:00时段为正值下班高峰期，城市四环路车流量明显增多，机动车尾气排放污染物以及车辆行驶过程中载带的地面扬尘均对城市公园外侧防护林内PM2.5浓度有一定的贡献，导致城市公园不同配置结构防护林内 PM2.5浓度表现为不断攀升的趋势，故 19:00时出现观测时段内小高峰。19:00—23:00时段PM2.5浓度呈略有下降趋势，但总体上保持相对稳定状态，说明外源污染的输入和不断扩散处在一个相对平衡的状态。23:00—5:00时段为持续上升状态，清晨5:00时出现观测时段内的最高值，晚间不同配置结构防护林内 PM2.5浓度总体保持较高值，这可能是因为晚间不同配置结构防护林内温度较低、相对湿度较大，风速较小，有时会出现静风状况，大气中垂直运动减缓或受限，导致 PM2.5不易扩散和稀释，出现累积现象；另外，由于晚间防护林内相对湿度不断增加并且维持在较高水平上，清晨5:00时城市公园外侧防护林内各个监测点相对湿度保持在90%左右，较高的湿度使空气中的水分增加，颗粒物吸湿后重量增加，其扩散的高度降低，造成城市公园外侧防护林内PM2.5大量积聚，污染加重。

2.1.2城市公园外侧防护林内 PM2.5浓度污染状况评价

图2　城市公园外侧防护林不同水平距离PM2.5浓度日变化Fig. 2　Diurnal variation of different distance PM2.5concentration in shelter belt in urban park

分析城市公园外侧不同配置结构防护林内PM2.5浓度污染状况时以我国环保局公布的《环境空气质量标准》（GB3095—2012）为依据，PM2.5浓度国家标准 II类功能区小时均值要求为 75 μg·m-3。由图2可知，防护林9:00—15:00时段PM2.5浓度均能达到国家标准II类功能区浓度质量要求，针阔乔草混交林 17:00时除城市四环路道路边缘0 m处PM2.5浓度超出国家标准II类功能区浓度质量要求外，15～210 m宽度处PM2.5浓度均能达到国家标准II类功能区浓度质量要求；而清晨5:00时PM2.5浓度污染最严重，超出国家标准II类功能区浓度质量要求237.36%～335.31%。

2.2城市公园外侧防护林不同水平距离PM2.5浓度分布规律PM

城市公园同一配置结构外侧防护林内2.5浓度不同水平距离梯度变化见表2。由表2可知，阔叶乔木林靠近道路一侧15～30 m宽度范围内PM2.5浓度与路缘0 m处PM2.5浓度污染状况接近，而在45～135 m宽度范围内PM2.5浓度出现累积现象，均比路缘处PM2.5浓度高，165 m宽度处PM2.5浓度比路缘处PM2.5浓度低并呈现下降趋势；阔叶乔草林靠近道路一侧15～45 m宽度范围内PM2.5浓度污染状况接近，60～75 m宽度范围内PM2.5浓度出现累积现象，均比路缘处PM2.5浓度高，105 m宽度处PM2.5浓度开始缓慢下降；针阔乔草林靠近道路一侧15～30 m宽度范围内PM2.5浓度接近，45 m宽度处开始出现下降趋势，均比路缘处PM2.5浓度低。上述变化说明，城市公园不同配置结构外侧防护林靠近道路一侧一定宽度范围内 PM2.5浓度与道路边缘处PM2.5浓度相近，甚至在城市公园外侧防护林内出现PM2.5浓度累积现象，这可能是因为城市公园外侧防护林以城市四环路为线性污染源不断向防护林内输送污染物，植被不能及时吸收、吸附PM2.5，导致PM2.5累积在城市公园外侧防护林一定水平距离宽度范围内。该研究结果与王成等对北京西山典型城市森林研究结果相一致，森林减缓了外源PM2.5传入森林的速度，使森林中PM2.5浓度高峰值的出现晚于外部，但进入森林中的PM2.5出现累积，消散的速度比较慢，表现为进入慢且累积和消散慢的特点（王成等，2014）。

方差分析表明，城市公园同一配置结构防护林不同水平距离监测点PM2.5浓度差异均不显著。通过比较城市公园不同配置结构防护林同一水平距离宽度处 PM2.5浓度，发现阔叶乔木林、阔叶乔草林PM2.5浓度相差不大，而针阔乔草林要低于阔叶乔木林、阔叶乔草林，说明常绿乔木对吸附和滞留PM2.5的作用要强于落叶乔木，起到了很好的消减PM2.5浓度的作用，可阻止其向城市公园内部扩散。

表2　城市公园外侧防护林不同水平距离PM2.5浓度分布规律Table 2　PM2.5concentration gradient distribution of different distance levels in shelter belt in urban park　　μg·m-3

2.3城市公园外侧防护林对PM2.5的消减作用分析

2.3.1城市公园外侧防护林对 PM2.5的消减作用日变化

由表3可知，城市公园不同配置结构外侧防护林对PM2.5消减作用有所差异，阔叶乔木林11:00、13:00、17:00时消减作用最显著，所有监测点均表现为正值；19:00、1:00、7:00时消减作用最差，所有监测点均呈负值，最大值可达38.3%；其余时刻监测点消减作用均有正有负。阔叶乔草林 11:00、13:00、17:00时消减作用最显著，所有监测点均表现为正值，最大值可达39.71%；19:00、7:00时消减作用最差，所有监测点均呈负值；其余时刻监测点消减作用均有正有负。针阔乔草混交林 11:00—17:00时段消减作用最显著，所有监测点均表现为正值；19:00、21:00、5:00、7:00时消减作用较差，所有监测点均呈为负值；其余时刻监测点消减作用均有正有负。

总体来讲，观测时段内城市公园不同配置结构外侧防护林在11:00、13:00对PM2.5的消减作用最强，所有监测点消减作用均呈正值；19:00、7:00消减作用最差，所有监测点消减作用均呈负值。其余观测时段消减作用大小分别为15:00（78%）＞17:00 （67%）＞23:00（48%）＞3:00（44%）＞9:00（41%）＞1:00 （37%）＞21:00（26%），说明在午间植物呼吸作用较强时，城市公园外侧防护林对 PM2.5的消减作用较好，但上下班高峰期城市四环路车流量大，19:00、7:00城市公园外侧防护林对PM2.5浓度消减作用并不理想，可能大量污染物的持续输入已经超出了树木本身的吸附、吸收能力。

2.3.2城市公园外侧防护林不同水平距离对 PM2.5的消减作用

城市公园不同配置结构外侧防护林不同水平距离监测点的消减作用见表4。具体变化趋势为，阔叶乔木林对PM2.5的消减作用在15 m处开始表现为负值并且呈下降趋势，75 m处消减作用最差，为12.24%，之后消减作用开始上升，165 m处消减作用开始表现为正值；阔叶乔草林对PM2.5的消减作用在15 m处开始表现为负值，30～45 m宽度范围内消减作用近似，但均强于15 m处的消减作用，60 m处消减作用最差，为3.18%，之后消减作用缓慢上升，165 m处消减作用开始表现为正值；针阔混交林对PM2.5浓度消减作用在15～30 m宽度范围内近似，均表现为负值，45 m处消减作用开始表现为正值，并能维持正消减作用，形成针阔混交林内较为稳定的林内环境，105 m处出现消减作用最高值，为5.56%。

表3　城市公园外侧防护林不同水平距离PM2.5浓度消减作用日变化规律Table 3　The diurnal change of subduction of PM2.5concentration in shelter belt in urban park　　　%

表4　城市公园外侧防护林不同水平距离PM2.5浓度消减作用Table 4　The subduction of different horizontal distance PM2.5concentration in shelter belt in urban park　　%

2.4城市公园外侧防护林PM2.5浓度与气象因子的相关关系

本文分析了 PM2.5浓度与平均风速、光照强度、温度、相对湿度、大气压强之间的相关关系（表5）。

2.4.1平均风速

观测期间，风速范围在0～3.2 m·s-1，因此本文研究微风条件下PM2.5浓度的变化。研究发现，城市公园外侧防护林内PM2.5浓度与风速呈极显著负相关。风速越大，PM2.5浓度越小，说明风速有利于PM2.5浓度的扩散和稀释；风速较小甚至出现静风天气时，空气中的水平扩散和垂直运动受到限制，PM2.5污染难以扩散，出现局地累积现象，导致PM2.5污染加重（倪洋等，2014）。

表5　PM2.5浓度与气象因子的相关关系Table 5　Correlation coefficients of PM2.5and meteorological factors

2.4.2光照强度

光照强度与PM2.5浓度呈负相关，但不显著。白天随着温度升高，植物生理活动增强，可以有效吸收细颗粒物，城市公园外侧防护林内PM2.5浓度降低；但阳光能加强大气的光化学反应，一系列的光化学反应有利于形成二次气溶胶，二次气溶胶也是空气颗粒物的来源之一（童尧青等，2007），这可能是光照强度与PM2.5浓度相关关系呈不显著的原因。

2.4.3温度

大气温度能显著影响公园外侧防护林内 PM2.5浓度。温度主要影响空气中的对流层，温度高，大气交换强烈，湍流运动加强，有利于空气颗粒物的扩散和迁移，颗粒物浓度降低。

2.4.4相对湿度

PM2.5浓度与相对湿度呈极显著正相关。相对湿度对颗粒物浓度的影响主要体现在成核、凝聚等过程中，相对湿度大有利于空气颗粒物的形成。再者，城市公园外侧防护林对风有一定的阻挡作用，较小的风速无法带走城市公园外侧防护林内水汽，而PM2.5可附着在水汽上，不易扩散；尤其晚间出现静风状况时，城市公园外侧防护林内相对湿度维持在较高水平，有利于PM2.5吸湿增长和积聚，PM2.5浓度升高（陈波等，2016）。

2.4.5大气压强

PM2.5浓度与大气压强之间呈正相关关系，但不显著。这可能是由于观测期间城市公园外侧防护林内大气压强在1004.4～1009.1 hPa之间，大气压强日变化幅度不大，PM2.5浓度受其它气象因子的影响比大气压强要大。

3　讨论

（1）城市公园不同配置结构外侧防护林在不同水平距离宽度处对PM2.5的消减作用表现为有正有负，消减作用并非均表现为正值。有学者研究发现，北京市道路绿地在无污染或者轻度污染天气条件下距道路26 m宽度处对PM2.5的消减作用最好，但在中度污染或者重度污染天气条件下道路绿地对PM2.5浓度的消减作用并不明显，基本呈现负值，当防护林或防护绿地对PM2.5的消减作用表现为负值时，并不与植被吸收、吸附空气颗粒物污染的作用产生矛盾，此时还应考虑污染物来源、气象因素等（王月蓉等，2013；童明坤等，2015）。

（2）虽然国内外学者对植被吸收PM2.5能力方面有了一定的研究并有初步的结果（Sæbø et al.，2012；Popek et al.，2013），但通过不同的植物配置模式达到消减 PM2.5污染的作用具有重要的实践意义。本文基于研究城市公园不同配置结构外侧防护林对PM2.5的消减作用，认为在城市公园建设时应充分考虑植物配置结构，在有限的城市用地情况下选择最优的城市公园外侧防护林植物配置结构，使其更好地发挥消减PM2.5污染的作用。

4　结论

（1）城市公园不同配置结构外侧防护林 PM2.5浓度日变化呈白天低晚上高的趋势。11:00—13:00时段出现观测时段内的最低值，19:00时出现观测时段内的小高峰，5:00时出现观测时段内的最高值；9:00—15:00时段防护林内PM2.5浓度污染较轻，均能达到国家标准II类功能区浓度质量要求，5:00时防护林内PM2.5浓度污染最重。

（2）城市公园不同配置结构外侧防护林在15～45 m宽度范围内PM2.5浓度与路缘处PM2.5浓度相近，其中阔叶乔木林和阔叶乔草林在60 m宽度前后还出现 PM2.5浓度升高的现象，表明公园外侧防护林迟滞了 PM2.5进入公园的过程，但在浓密的林带内会出现累积现象。

（3）城市公园不同配置结构外侧防护林11:00、13:00时对 PM2.5浓度消减作用较强，19:00、7:00时对PM2.5浓度消减作用并不理想。

（4）阔叶乔木林、阔叶乔草林在165 m以上宽度处出现正消减作用，针阔混交林在45 m以上宽度处出现正消减作用，并能维持正消减作用，表明设计合理的城市公园外侧防护林植物配置结构可以有效的阻止外源PM2.5污染向城市公园内扩散。

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The Effect of Forest Shelter Belt on Subduction of PM2.5in Urban Parks

BAO Hongguang， WANG Cheng*， QIE Guangfa， DU Wanguang， SUN Li
Research Institute of Forestry， Chinese Academy of Forestry//Key Laboratory of Forest Silviculture of State Forestry Administration//Research Center of Urban Forest， State Forestry Administration， Beijing 100091， China

Urban parks are regarded as important leisure place for residents， while the forest shelter belt in urban parks play an important role in controlling pollutions. The spatial and temporal variations and subduction of PM2.5concentration in forest shelter belt with different configuration structures were observed by setting sampling belts in urban park. Furthermore， the effects of shelter belts on subduction of PM2.5in urban park was evaluated in the summer of 2014. The results showed that: （1） In forest plots with different configuration structures in shelter belt， the trend of diurnal variation of PM2.5concentration was lower in the daytime while as high in the evening. （2） PM2.5concentration reached the quality requirement of National Standard II in different configuration structures between 9:00-15:00 and exceeded the quality requirement ranging from 237.36% to 335.31% in 5:00. PM2.5concentration accumulated in the broad-leaved forest and broad-leaved/herbs mixed forest around 60 m in width， while kept similar ranging from 15 m to 45 m in forest shelter belt with different configuration structures. （3） The subduction effect of PM2.5in different configuration structures resulted in the highest efficiency at 11:00 and 13:00， but much low at 19:00 and 7:00. Relatively high purification efficiency was found 165 m far away from the road in both broad-leaved forest and broad-leaved/herbs mixed forest， and 45 m far away from the road in coniferous and broadleaved mixed forest. And （4） PM2.5concentration in different configuration structures in shelter belt is closely related with average wind speed， temperature， and relative humidity.

urban park； shelter belt； PM2.5concentration； subduction

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.011

X173

A

1674-5906（2016）06-0987-07

林业公益性行业科研专项经费课题（201304301-05）；国家十二五科技支撑计划重大项目课题（2011BAD38B03）。

包红光（1987年生），男（蒙古族），博士，主要从事城市林业研究。E-mail: ziran579@sina.com

王成（1967年生），男，研究员，博士生导师，主要从事城市森林与城市生态方面的研究工作。E-mail: wch8361@163.com

2016-04-28