上海市城市林荫道空间结构对NOx和SO2空间分布特征的影响

阚丽艳

上海交通大学设计学院, 上海 200240

随着经济发展，人口密度增加，城市中机动车保有量快速增长，机动车污染被认为是大气污染的主要来源之一，直接影响城市居民的生活质量[1]. 城市道路是机动车污染的主要产生空间，同时也是人的通行空间[2]. 城市道路空间结构会影响大气污染物的扩散和传输能力，直接影响城市大气实际污染物水平和对人直接的危害程度[3]. 行道树是城市道路的重要组成，决定着街道空间结构特征，是影响大气污染物扩散、传输的重要因素[4-5]. 树冠占据了相当大的街道空间，并将下层街道与上层屋顶分开，其可能会阻碍环境空气交换和车辆排气扩散，并增加街道地面污染物浓度[6]. 同时树冠有降低风速增加湍流的可能，影响街道对大气污染物的传输作用，致使大气污染物在城市中富集，从而影响城市的大气污染水平[7-8].

不合理的行道树结构不仅影响街道中的大气污染水平，也会影响城市其他空间空气质量，对行人和居民健康带来风险. 研究林荫道中空气污染物分布与扩散模式，及其与空间结构的关系，可为优化大气污染扩散和传输过程提出城市道路系统建设和管理的对策，最大限度地改善城市街道及周边的空气质量，以及提高城市大气环境管控效率和能力提供决策和参考依据.

关于街道中空气流动及污染物分布研究主要集中在道路结构和建筑布局对其影响的规律上，对行道树影响的研究较为鲜见. 研究表明，街道道路结构及隔声屏障对街谷中气流场和污染物扩散产生影响，给道路附近的空气质量带来了较大的影响[9]，但是街道绿带对气态污染物的消减效率受绿带宽度变化的影响较小[10]；城市街道峡谷的设计对城市交通有噪声暴露的影响[11]，不同建筑物结构布局的街道峡谷呈现不同的污染物浓度分布形式[12-13]. 国内城市林荫道中行道树的研究起步较晚，侧重行道树的结构、栽培管理、病虫害防治、养护管理技术等方面的研究[14-15]，对城市林荫道中气态污染物(NOx和SO2)分布的研究较少. 综上，国内外对城市林荫道的研究均局限在以下两个方面：①城市道路绿化带及绿化带配置模式对大气污染物浓度净化的定性描述. ②城市道路结构、周边建筑及隔声屏障结构布局对街道峡谷气流运动和污染物扩散的研究. 但对于有林荫道覆盖的城市街谷内污染物的扩散和空间分布却未作进一步研究，并且目前对于城市林荫道中气态污染物分布与空间布局关系全面、系统的研究较少[16-17].

上海市作为一个特大型城市，由于历史原因和土地资源紧张，街道峡谷现象比较突出[18]； 又由于城市居民对城市道路绿化生态效应、景观效果的追求，形成了大量高覆盖度的林荫道. 而林荫道街道峡谷中机动车排放的尾气难以扩散，其中SO2和NOx是路域环境的主要危害之一，特别是城市街道两侧水平距离50 m以内和高度1.7 m以下范围内的空气[19]，此范围也正处于行人的呼吸区域，直接影响了行人和周围居民的健康[20-21]. 如何构建和管理合适的林荫道结构，改善城市道路空间大气污染水平，减少道路污染对城市居民尤其是道路行人的身体危害，已经成为建设生态城市，构建和谐社会的难题[22-23]. 该研究围绕上海市城市生态化建设的要求，为提升林荫道生态环境功能，探究林荫道中空间结构与气态污染物(NOx和SO2)分布与空间布局关系，以期为科学合理地选择城市林荫道中行道树和配置模式及养护管理方式提供相关标准技术参数和理论依据，为国内和国际相似城市林荫道建设提供大气污染防治和公共管理指导.

1 材料与方法

1.1 样点选取及设置

试验样点选择不同绿荫覆盖率的香樟(Cinnamomumcamphora)和悬铃木(Platanusacerifolia)林荫道，分别为香樟A(绿荫覆盖率范围为50%～70%)、香樟B(绿荫覆盖率范围为>70%～90%)、香樟C(绿荫覆盖率范围为>90%～100%)、悬铃木D(绿荫覆盖率范围为50%～70%)、悬铃木E(绿荫覆盖率范围为>70%～90%)、悬铃木F(绿荫覆盖率范围为>90%～100%). 由图1可见，设计3种垂直高度的大气污染物监测样点，L1为人行道呼吸高度(距地面1.5 m)，L2为树冠下缘(距地面4.0 m)，L3为树冠中间(距地面8.0 m).

图1 城市林荫道大气污染物监测样点设置Fig.1 Monitoring sample setting of air pollutants in the urban boulevards

1.2 指标的测定

1.2.1环境效应指标测定

采用ZC-Q型双泵便携大气采样器(北京恒奥德仪器仪表有限公司)于2016年3月—2017年9月分春季、夏季、秋季、冬季进行采样，每个季节选取一天中的3个时段(07:00—09:00、09:00—13:00、13:00—18:00)、3个垂直高度在林荫道内和林荫道外(对照)采集样品，样品带回实验室分别按照HJ 482—2009《副玫瑰苯胺分光光度法》和GBT 15502—1995《盐酸萘乙二胺分光光度法》对ρ(NOx)和ρ(SO2)进行室内试验测定.

1.2.2结构特征指标测定

采用NK5922型风速仪测定风速(美国NK)，采用Testo 610型温湿度测定仪(德国德图)测定温度和湿度，采用LI-CORLAI-2200型植物冠层分析仪(美国LI-COR)测定叶面积指数，用计数器记录车流量和人流量，用胸径尺测定胸径、冠幅、株距，用TP2000型激光测距仪(美国APRESYS)测定树高、枝下高、叶下高.

1.3 数据处理及统计分析

用Excel 2013软件完成全部数据处理和作图. 用SPSS 17.0统计软件对城市林荫道结构特征指标与大气环境指标的消减率进行相关性分析，探索车流、人流、风速、温度、湿度、胸径、树高、冠幅、枝下高、叶下高、株距、叶面积指数、绿荫覆盖率因素对ρ(NOx)和ρ(SO2)的影响.

不同行道树不同绿荫覆盖率下气态污染物质量浓度指数分布范围及相应的空气质量类别参照表1、2.

表1 空气质量分指数与气态污染物浓度指数

注： 参考HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》.

表2 空气污染指数范围及相应的空气质量类别

注： 参考HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》.

2 结果与讨论

2.1 不同行道树不同绿荫覆盖率下ρ(NOx)和ρ(SO2)总体特征分析

总体来看，香樟林荫道下ρ(NOx)比悬铃木下低，而ρ(SO2)比悬铃木下高；削减效率方面，香樟林荫道对ρ(NOx)的总体削减效应小于悬铃木林荫道，对ρ(SO2)的总体削减效应大于悬铃木林荫道(见图2).

图2 不同行道树、不同绿荫覆盖率下NOx、SO2质量浓度及其削减特征分析Fig.2 The analysis of the concentration of NOx and SO2 pollutants and the reduction characteristics of different trees in different green shade coverages

由图2可见：不同绿荫覆盖率的林荫道下ρ(NOx)和ρ(SO2)各有差异. 在>70%～90%绿荫覆盖率的香樟林荫道内ρ(NOx)处于0.04～0.80 mgm3之间，空气质量属于HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》Ⅱ级；其余绿荫覆盖率的香樟林荫道内ρ(NOx)处于0.08～0.18 mgm3之间，空气质量属于Ⅲ级. 除50%～70%绿荫覆盖率的悬铃木林荫道对NOx的削减率(1.5%)为正值外，其余绿荫覆盖率下的悬铃木或香樟林荫道对NOx的削减率均为负值. 香樟和悬铃木林荫道对NOx的削减率均随绿荫覆盖率的增加呈先降后增的趋势. 6条林荫道中ρ(SO2)范围为0.02～0.04 mgm3，ρ(SO2)空气质量等级均属于Ⅰ级. 50%～70%绿荫覆盖率的香樟林荫道对SO2的削减率(7.7%)为正值，其余绿荫覆盖率下削减率均为负值，并且随绿荫覆盖率的增加削减率呈降低的趋势；悬铃木林荫道对SO2的削减率均为负值，并且随绿荫覆盖率的增加消减率呈先增后降的趋势.

综上，悬铃木行道树对NOx的消减效果较香樟好，香樟对SO2的消减效果较悬铃木好. 香樟林荫道的绿荫覆盖率大于90%时最适宜消减NOx，在50%～70%时最适宜消减SO2；悬铃木林荫道的绿荫覆盖率在50%～70%时最适宜消减NOx，在>70%～90%时最适宜消减SO2.

2.2 不同绿荫覆盖率下ρ(NOx)和ρ(SO2)垂直空间分布特征及空气质量等级分析

2.2.1不同绿荫覆盖率下ρ(NOx)垂直空间分布特征

由图3可见，3种绿荫覆盖率下的香樟林荫道均是在树冠中间处(L3)ρ(NOx)居高，其中50%～70%绿荫覆盖率下的香樟林荫道在树冠中间ρ(NOx)达最高值，为0.120 mgm3；>70%～90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道在人行道呼吸高度处(L1)ρ(NOx)达最高值，为0.247 mgm3.

图3 不同绿荫覆盖率下香樟和悬铃木林荫道ρ(NOx)垂直变化Fig.3 The NOx vertical changes of the Cinnamomum camphora and Platanus occidentalis avenue under different green shade coverages

香樟林荫道对NOx削减率均为正值，说明在香樟林荫道中NOx有较强的富集效应，其中绿荫覆盖率大于90%下的香樟林荫道在人行道呼吸高度处对NOx的削减效果最好；50%～70%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道在树冠下缘和树冠中间处对NOx的削减率分别为7.94%、4.34%，其他均为负值.

综上，3个垂直高度3个绿荫覆盖率下的香樟林荫道对NOx削减率均为负值，50%～70%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道在树冠下缘处对NOx对削减效果最好，削减率为7.94%.

2.2.2不同绿荫覆盖率下ρ(SO2)垂直空间分布特征

由图4可见，3个绿荫覆盖率下香樟和悬铃木林荫道均是在树冠中间处(L3)ρ(SO2)较高，其中ρ(SO2)最大值出现在50%～70%绿荫覆盖率下的香樟林荫道树冠中间，为0.049 mgm3.

50%～70%绿荫覆盖率下的香樟林荫道在树冠下缘处对SO2的削减率为正值，其他均为负值. 3个绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道在树冠下缘处对SO2的削减效果均较好.

图4 不同绿荫覆盖率下香樟和悬铃木林荫道ρ(SO2)垂直变化Fig.4 The SO2 vertical changes of the Cinnamomum camphora and Platanus occidentalis avenue under different green shade coverages

综上，50%～70%绿荫覆盖率下的香樟林荫道在树冠下缘处对SO2的削减效果最好，削减率最高达19.25%；大于90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道在树冠下缘处对SO2的削减效果最好，削减率最高达30.65%.

2.2.3不同垂直高度不同绿荫覆盖率下空气质量等级分析

由表3可见:香樟和悬铃木林荫道中主要的气态污染物均是NOx. 其中，香樟林荫道在50%～70%绿荫覆盖率下3个垂直高度处的空气质量均为轻微污染，在>70%～90%绿荫覆盖率下3个垂直高度处的空气质量均为良，在大于90%绿荫覆盖率下人行道呼吸高度处空气质量为良，树冠下缘和树冠中间空气质量为轻微污染；悬铃木林荫道在50%～70%和大于90%绿荫覆盖率下3个垂直高度处的空气质量均为轻微污染，在>70%～90%绿荫覆盖率下3个垂直高度处的空气质量均为轻度污染. 综上，气态污染物在不同林荫道内、不同垂直高度上的扩散不同.

2.3 不同绿荫覆盖率下ρ(NOx)和ρ(SO2)季节性变化特征及空气质量等级分析

2.3.1不同绿荫覆盖率下ρ(NOx)季节性变化特征

由图5可见：3个绿荫覆盖率下香樟林荫道ρ(NOx)均是在冬季较高. 其中，在50%～70%绿荫覆盖率下春季ρ(NOx)最低(0.053 mgm3)，冬季ρ(NOx)最高达0.205 mgm3；在>70%～90%绿荫覆盖率下夏季ρ(NOx)最低(0.013 mgm3)，冬季ρ(NOx)最高(0.104 mgm3)；在大于90%绿荫覆盖率下春季ρ(NOx)最低(0.056 mgm3)，冬季ρ(NOx)最高(0.114 mgm3). 在4个季节3个绿荫覆盖率下的香樟林荫道对NOx的削减率均为负值. 在50%～70%绿荫覆盖率下悬铃木林荫道中春季ρ(NOx)最低(0.066 mgm3)，冬季ρ(NOx)最高(0.110 mgm3)；在>70%～90%绿荫覆盖率下冬季ρ(NOx)最低(0.073 mgm3)，春季ρ(NOx)最高(0.240 mgm3)；在大于90%绿荫覆盖率下冬季ρ(NOx)最低(0.090 mgm3)，春季ρ(NOx)最高(0.161 mgm3). 在春季和夏季，50%～70%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道对NOx的削减率均为正值(10.4%、2.9%)，且春季的消减率最高；在冬季，>70%～90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道对NOx的削减率均为正值(1.8%)，其他季节均为负值；4个季节在大于90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道中对NOx的削减率均为负值，其中冬季的消减率最高.

表3 行道树不同垂直高度不同绿荫覆盖率下空气质量(环境指标)等级分析

图5 香樟和悬铃木林荫道不同绿荫覆盖率下ρ(NOx)季节性变化Fig.5 The change of NOx season under different green shade coverages of the Cinnamomum camphora and Platanus occidentalis

2.3.2不同绿荫覆盖率下ρ(SO2)季节性变化特征

由图6可见：50%～70%绿荫覆盖率下的香樟林荫道春季ρ(SO2)最高(0.045 mgm3)，夏季ρ(SO2)最低(0.029 mgm3)；>70%～90%绿荫覆盖率下秋季ρ(SO2)最高(0.043 mgm3)，夏季ρ(SO2)最低(0.018 mgm3)；在大于90%绿荫覆盖率下秋季ρ(SO2)最高(0.053 mgm3)，春季ρ(SO2)最低(0.014 mgm3). 3个绿荫覆盖率下香樟荫道在春季对SO2的削减率最高，分别为29.4%、17.8%、2.3%，其他季节对SO2的削减率均为负值. 在50%～70%和大于90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道均是春季ρ(SO2)最低(0.009 mgm3)，秋季ρ(SO2)最高，分别为0.026、0.035 mgm3；在>70%～90%绿荫覆盖率下夏季ρ(SO2)最低(0.018 mgm3)，秋季ρ(SO2)最高(0.051 mgm3). 在50%～70%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道冬季对SO2的削减率最高；在>70%～90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道夏季对SO2的削减率为正值(42.6%)，其他季节均为负值；在大于90%绿荫覆盖率下的悬铃木林荫道春季和夏季对SO2削减率均为正值(21.9%、8.8%)，且在春季的消减率最高.

综上，4个季节3个绿荫覆盖率下香樟和悬铃木林荫道对NOx削减效果各异. 4个季节3个绿荫覆盖率下香樟林荫道对NOx的削减率均为负值，在50%～70%绿荫覆盖率下香樟林荫道在春季对SO2削减效果最好，其削减率为29.4%；在50%～70%绿荫覆盖率下悬铃木林荫道春季对NOx的削减效果最好，其削减率为10.4%，在>70%～90%绿荫覆盖率下悬铃木林荫道夏季对SO2的削减效果最好，其削减率为42.6%. 出现这种现象可能与以下两方面原因有关系：一方面，与4个季节天气情势有一定的关系，冬、春两季风速偏小且静风频率明显偏大，加上逆温强度较大，这些条件均不利于大气污染物的扩散；另一方面，与香樟和悬铃木的生长生理活动有关，冬春季的持续低温与干旱，可能导致行道树生理活动减弱. 植物不同生长阶段，如发叶、落叶期等均会影响其对大气污染反应的敏感程度，也会影响植物对大气污染物的吸收、转化等能力[24].

图6 香樟和悬铃木林荫道不同绿荫覆盖率下ρ(SO2)季节性变化Fig.6 The change of SO2 season under different green shade coverages of the Cinnamomum camphora and Platanus occidentalis

2.3.3不同季节不同绿荫覆盖率下空气质量等级分析

由表4可见：香樟和悬铃木林荫道中主要的气态污染物均为NOx. 其中，香樟林荫道在50%～70%绿荫覆盖率下春季空气质量为良，夏季和秋季空气质量均为轻微污染，冬季为轻度污染；在>70%～90%绿荫覆盖率下夏季空气质量为优，春季空气质量为良，秋季和冬季节空气质量均为轻微污染；在大于90%绿荫覆盖率下春季和夏季空气质量均为良，秋季和冬季空气质量为轻微污染. 悬铃木林荫道在50%～70%绿荫覆盖率下春季和夏季空气质量均为良，秋季和冬季均为轻微污染；在>70%～90%绿荫覆盖率下冬季空气质量为良，春季和夏季均为轻度污染，秋季为轻微污染；在大于90%绿荫覆盖率下四季均为轻微污染. 可见，林荫道中不同行道树和不同绿荫覆盖率对污染物的削减率随季节变化差异也较大. 主要原因是气候特征的变化影响林荫道中污染物的形成并产生季节性的变化，污染源的排放作用可能较气象条件所起的作用更大[25]，同时季节气候特征的变化对行道树生长状态有较大的影响，特别是对于落叶树种，夏季枝繁叶茂有利于污染吸收，但不利于污染物扩散，秋季树叶老化，但没有脱落，对污染物覆盖效应依然较好，但吸附效果较差.

表4 行道树不同季节不同绿荫覆盖率下空气质量(环境指标)等级分析

2.4 城市林荫道结构特征指标与环境效应指标相关性分析

将城市林荫道调查样地的结构特征指标与环境效应指标进行回归分析，探索车流、人流、风速、温度、湿度、胸径、树高、冠幅、枝下高、叶下高、株距、叶面积指数、郁闭度等林荫道结构特征指标对NOx和SO2环境效应指标的影响，以期找出指标间的相关关系模型. 所选变量回归结果见表5. 根据置信度为95%作为选择标准，当p<0.05时，自变量对因变量影响显著.

由表5可见：林荫道对NOx的削减率受车流(B=-1.174，p=0.001)、冠幅(B=3.178，p=0.007)、叶面积指数(B=-2.215，p=0.010)、郁闭度(B=-1.345，p=0.009)影响极显著，受风速(B=0.759，p=0.020)、温度(B=-0.449，p=0.047)、树高(B=4.697，p=0.012)、枝下高(B=2.691，p=0.019)、人流量(B=-1.255，p=0.018)影响显著；林荫道对SO2的削减率受车流(B=-0.985，p=0.005)、叶面积指数(B=-2.463，p=0.007)、郁闭度(B=-0.110，p=0.005)影响极显著，受树高(B=3.501，p=0.050)、冠幅(B=1.051，p=0.029)的影响显著. 另外，车流量、叶面积指数和人流量形态指标对林荫道内NOx和SO2的削减率影响均呈负效应，而风速、树高、冠幅、枝下高、叶下高和郁闭度对林荫道内NOx和SO2削减率的影响均呈正效应，对林荫道内NOx和SO2削减率影响力最大的形态特征指标是车流量、叶面积指数和郁闭度，其次是风速、冠幅和树高.

城市林荫道中车流量、人流量、风速、温度以及行道树的树高、冠幅、枝下高、叶面积指数、郁闭度等均对NOx和SO2的削减率有显著影响且存在差异. 首先，车流量是城市林荫道污染物的主要来源，其对林荫道内NOx和SO2的削减率影响极显著，随车流量的增大林荫道对NOx和SO2的削减率下降，说明林荫道对NOx和SO2的削减能力有一定的局限性；风速对林荫道内NOx的削减率影响显著，随风速的增大林荫道对NOx的削减率增大；行道树树高、枝下高、冠幅对NOx和SO2的削减率呈正效应，即行道树树越高、枝下高越高、冠幅越大越有利于NOx和SO2的扩散[25-28]；叶面积指数和郁闭度对NOx和SO2的削减率影响极显著，叶面积指数和郁闭度越大越不利于对NOx和SO2的削减[29-31]. 城市林荫道对空气污染物的影响受城市小气候、交通情况、季节性变化以及周围复杂环境等多因素影响[32-34].

表5 城市林荫道环境效应指标与行道树结构指标影响因素回归分析系数

3 结论

a) 香樟和悬铃木林荫道中ρ(NOx)范围为0.08～0.18 mgm3，空气质量为轻微污染；ρ(SO2)范围为0.02～0.04 mgm3，空气质量为优.

b) 悬铃木行道树对NOx的消减效果较香樟好，香樟对SO2的消减效果较悬铃木好. 香樟林荫道的绿荫覆盖率在大于90%以上最适宜消减NOx，在50%～70%最适宜消减SO2；悬铃木林荫道的绿荫覆盖率在50%～70%最适宜消减NOx，在>70%～90%最适宜消减SO2.

c) 不同行道树和不同绿荫覆盖率对污染物的削减率随季节变化差异也较大，香樟和悬铃木林荫道的空气质量均为春、夏两季优于秋、冬两季.

d) NOx和SO2在不同林荫道内不同垂直高度上的扩散情况不同. 香樟林荫道中ρ(NOx)随高度增加有增大的趋势，而悬铃木中ρ(NOx)随高度增加有减小的趋势; 绿荫覆盖率大于70%香樟林荫道中ρ(SO2)随高度增加有增大趋势，而在悬铃木和绿荫覆盖率小于70%香樟林荫道中ρ(SO2)在4 m处较小.

e) 行道树的树高、枝下高、冠幅、叶面积指数和郁闭度是影响城市林荫道环境效应发挥的重要结构参数.

f) 林荫道的空间结构对ρ(NOx)和ρ(SO2)的空间分布有明显影响，合理的树种选择和修剪模式可促进大气污染扩散和传输，最大限度地改善城市街道及周边的空气质量，提高城市大气环境管控效率和能力.