冬季3种常绿景观林对可吸入颗粒物(PM10)的阻滞作用

刘 宇，张 楠，董 蓉，王 辉，周力行，王晓立,3

（1.宿迁学院 建筑工程学院，江苏 宿迁 223800；2.江苏省宿迁环境监测中心，江苏 宿迁 223800;3.南京林业大学 生物与环境学院，江苏 南京 210095）

入冬以后，受居民供暖燃煤及气候因素的影响，江苏北方城市雾霾天气频发，已严重影响人们的生产生活和身体健康。可吸入颗粒物（PM10）可以与雾气结合，是雾霾的主要成分之一，可携带多种有毒物质，引发各种系统疾病［1-2］。城市绿地通过植物特殊的叶表面结构、冠层结构以及生理生化特性，可以吸附、滞留和加速沉降大气颗粒物［3-4］，对减少道路交通工具排放的污染物，改善空气质量具有无法替代的重要作用［5-6］。近些年来，国内外在城市绿地对颗粒物浓度消减作用方面的研究逐步增多，至今还维持在较高的热度，但仍存在一些需要继续探讨的地方，如在滞留不同粒径颗粒物方面，前人研究［7-9］多集中在粒径更小的PM2.5方面，而对作为污染物载体的PM10却涉及较少，且某些问题还存在争议，例如有学者［10］认为，随着城市绿地的宽度增加，其对颗粒物的消减能力趋于上升。但也有学者［11］研究发现，城市绿地在15~45 m宽度范围内颗粒物浓度与路缘处颗粒物浓度相近，且随着林带宽度的增加，颗粒物浓度甚至高出道路内颗粒物浓度。针对以上问题，进一步开展城市绿地对PM10消减作用的研究则显得尤为重要。由于在北方冬季，落叶阔叶林组成的常绿景观林消减PM10的能力极大地减弱，常绿乔木因其枝叶繁茂而具有更好的滞尘效益。因此，本文以冬季苏北3种高绿量常绿景观林为对象，研究了3种常绿景观林对PM10的消减作用及其与主要环境因子的关系，以期为筛选滞尘能力强的城市绿地植物提供理论依据，从而增强城市植被吸附污染物、净化空气环境的能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究试验地点设在宿迁市黄河南路北侧（33°12′17″N、117°6′19″E），宿迁市是亚热带常绿阔叶林向暖温带落叶阔叶林的过渡地区，受季风的影响，该区域易形成春旱、夏涝、秋冬干旱的天气。

选择冬季在苏北地区绿量较高的3种常绿景观林为研究对象，分别为雪松（Cedrus deodara）纯林（常绿针叶林）、香樟（Cinnamomum camphora）纯林（常绿阔叶林）、混交林（常绿乔灌混交林），以下依次用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示，详情见表1。以城市主干道黄河南路为边界，监测点为3种常绿景观林距道路的不同宽度距离，分别设置为0、10、20、30、40、50、60 m，其中0 m为3种常绿景观林与城市主干道黄河南路边缘的交接处。

表1 3种常绿景观林样地的概况

1.2 监测内容及指标

于2018年12月至2019年2月，每月按上、中、下三旬各取一天气状况稳定的无雨天，在游憩时间段的早上7：00至晚上19：00，每隔2 h在3种常绿景观林的不同水平宽度监测点同步观测，每个监测点3次重复。应用赛纳威HAT200空气质量检测仪测定空气中的PM10浓度，同步采用浙江托普仪器有限公司制造的DJL-18温湿光三参数记录仪，采用天津市福元铭仪器设备有限公司制造的DEM6型三杯风向风速表，测定相对湿度、温度、光照强度和风速，采样高度为人体呼吸高度1.5 m处，以不同常绿景观林与城市主干道黄河南路边缘的交接处0 m为对照。

1.3 数据处理

1.3.1 指标的计算 3种常绿景观林对PM10浓度消减百分率的计算公式如下［11］：

式中，W为常绿景观林对PM10浓度消减百分率（%），C0为3种常绿景观林与城市主干道交接处0 m的PM10浓度（μg/m3），Ca为3种常绿景观林不同水平宽度监测点内的PM10浓度（μg/m3）。

1.3.2 统计分析 在SPSS 21.0软件中，通过单因素方差分析、偏相关性分析和回归方程分析方法，确定3种城市绿地对PM10浓度的消减作用及其与主要环境因子关系，并用最小显著差数法（LSD）检测数据之间的差异性，采用EXCEL 2007软件绘图。

2 结果与分析

2.1 3种常绿景观林PM10浓度的日变化规律

由图1可知，观测期内，3种常绿景观林内PM10浓度的日变化趋势基本一致，都呈现出从早上7：00开始逐步升高，11：00左右到达峰值后开始降低。从样地Ⅰ、Ⅱ Ⅲ可以看出，到下班的高峰期（17：00~19：00），雪松纯林和香樟纯内PM10浓度趋于稳定。从样地Ⅲ可以看出，混交林PM10浓度甚至略有上升。

图1 3种常绿景观林PM10浓度的日变化规律

通过分析可知，雪松纯林、香樟纯林、混交林每时段的PM10浓度平均值变化区间分别为205~265 μg/m3、194~260 μg/m3、201~272 μg/m3。根据我国《环境空气质量标准》（GB 3095—2012），Ⅱ类功能区的PM10浓度标准限值为150 μg/m3。因此，3种常绿景观林内PM10浓度均超出国家标准，最小值为国家标准的129%，最大值达到168%。说明在监测时期，3种常绿景观林内的PM10污染皆较严重。

2.2 3种常绿景观林不同水平距离的PM10浓度变化

从图2可知，雪松纯林随着林带宽度增加，PM10浓度开始逐步降低，由0 m的242 μg/m3下降到60 m处的221 μg/m3。香樟纯林整体上也趋于下降，但速度较缓，从由0 m的228 μg/m3降低到60 m处的216 μg/m3。混交林在前20 m颗粒物浓度下降明显，但随着绿地宽度增加，PM10浓度变化幅度较小，甚至在30 m和50 m处的PM10浓度略有上升。说明上下枝叶繁密的常绿景观林结构导致颗粒物扩散能力降低，以及颗粒物出现了局部累积。

图2 3种常绿景观林不同水平距离处的PM10浓度

2.3 3种常绿景观林对PM10浓度的消减作用

2.3.1 3种常绿景观林对PM10浓度消减作用的日变化规律 冬季3种常绿景观林对PM10的消减作用在不同时间段内存在差异（图3），雪松纯林、香樟纯林、混交林消减率最高的时间点分别出现在上午的9：00、11：00、9：00，最低的时间点分别为下午的19：00、17：00、17：00，整体来看，上午的消减作用效果更优。香樟纯林的消减作用较为明显，最高点的消减率均值为7.87%，9：00左右次之，消减率均值为5.45%，最低值也达到3.98%。混交林消减作用相对较弱，最高值为3.04%，最低值仅为1.16%，与香樟纯林的最高值相差6.78倍。

图3 3种常绿景观林对PM10浓度消减作用的日变化

2.3.2 3种常绿景观林不同水平距离对PM10浓度的消减作用 如图4所示，3种常绿景观林对PM10的消减率按大小排序为香樟纯林（5.17%）＞雪松纯林（4.87%）＞混交林（2.09%）。雪松纯林随林带宽度增加，消减率一直升高，变化幅度较大，从10 m处的1.70%上升到60 m处的8.82%。香樟纯林在30~40 m处消减率略有下降，整体上也趋于上升，最低值为10 m处的4.32%，最高值为60 m处的5.97%。混交林消减率变化幅度较小，最高值为30 m处的2.39%，最小值为10 m处的1.73%，在前30 m缓慢上升后，消减率开始出现起伏。结合图2和图4可知，混交林在20~30 m处对PM10的消减作用达到最佳。

图4 3种常绿景观林不同水平距离对PM10浓度的消减作用

2.4 与气象因子关系

将3种常绿景观林对PM10的消减率与气象因子进行偏相关性分析，得到表2。结果表明：消减率与温度呈极显著正相关（P＜0.01），与湿度呈极显著负相关（P＜0.01），与风速、光照的相关性不明显。线性回归分析表明（图5），与温度和湿度的拟合方程分别为y=0.456x+0.36、y=-0.152x+15.43，R2分别为0.194、0.196。说明随着大气温度升高，可吸入颗粒物扩散和迁移的速度加快，促使常绿景观林消减PM10的能力增强；随着相对湿度增大，可吸入颗粒物更易被凝聚于水汽中，造成常绿景观林对PM10的消减率降低。

图5 消减率与气象因子散点图

表2 消减率与气象因子的偏相关关系

3 讨论

3.1 常绿景观林内PM10浓度的日变化特征

在颗粒物浓度的日变化规律中，多数学者［12-13］认为存在“峰谷型”变化，但峰谷出现的时间段不一致。孙晓丹等［14］对青岛市城阳区主干道内的PM10浓度进行监测，得到上午8：00可吸入颗粒物质量浓度最高，下午16：00浓度值最低；而邱玲等［3］在游憩时间（8：00~18：00）对宝鸡市13种不同植被结构绿地内PM10浓度进行记录，显示高峰出现在中午的12：00~14：00，低谷则出现在下午的16：00~18：00。

本研究中，3种常绿景观林内的PM10浓度的日变化趋势基本一致，从监测时，PM10浓度开始升高，11：00左右到达峰值后开始下降，17：00后下降趋势减缓甚至略有上升。颗粒物浓度峰谷出现时间的差异，主要受季节、地理区位以及颗粒物来源等多种因素影响［15］。上午日照辐射逐步加强，地面温度回升，大气的垂直扩散能力加强，有利于PM10从城市主干道向绿地内转移和扩散，而到下午，冬季白天日照时间较短，气温明显降低，颗粒物扩散能力减弱［16］。17：00~19：00是下班的高峰期，车流量增大，机动车尾气排放的污染物以及车辆行驶过程中引起的地面扬尘对该时间段绿地内的颗粒物的浓度增加都有一定的贡献。

3.2 常绿景观林结构与PM10浓度关系

乔木由于巨大的叶面积总量，其吸附和积累空气颗粒物的效率是植物中最高的［17］，特别在冬季，常绿乔木通过高大的树冠和上下结构能扰乱空气流动，加强颗粒物在叶片上沉降［18］。在绿地结构中，普遍认为乔灌草、乔草结构要比灌草和草坪结构滞尘能力强，但乔灌草和乔草结构由于树种种类、种植密度、郁闭度和覆盖度等差异而滞尘效果不同［19-21］。

本研究中，3种常绿景观林内PM10浓度的均值大小排序为雪松纯林（231 μg/m3）＞混交林（226 μg/m3）＞香樟纯林（221 μg/m3），乔草结构的香樟纯林内PM10浓度均值比乔灌草结构的混交林和林下比较密集的雪松纯林低，这可能与其较好的通透性有关。方颖等［21］认为稀疏绿地冠层内的通透性较密林高，其滞尘量较大；高金晖等［22］也发现稀疏绿地边缘区域的颗粒物沉降量平均值比密林林缘沉降量高40%。

3.3 常绿景观林不同水平间距对PM10浓度的消减作用

多数学者认为，随着污染源距离的增加，城市绿地的颗粒物浓度逐步降低。Cavanagh等［10］研究发现，冬季新西兰常绿阔叶林内PM10浓度从林缘到林内呈逐步递减趋势，由外部的31.5 μg/m3衰减到林内50 m处的22.4 μg/m3。张晶［23］对无锡多个公园内竹林的颗粒物浓度进行监测，表明林内浓度均小于林缘处。

本研究中，香樟纯林和雪松纯林内PM10浓度均小于林缘处，且随水平梯度距离增加，消减率整体都趋于上升趋势，而混交林对PM10的消减率较低，各监测点平均消减率仅为2.09%，在30 m宽度处达到最高值后，消减率开始出现起伏。这与混交林上下结构浓密、绿量大、郁闭度较高有关，其林内的颗粒物不仅得不到有效的扩散和去除，还易与其他污染物发生化学反应，增加二次气溶胶产生的可能。且冬季大气环境较稳定，不利于颗粒物扩散，在无风高湿的雾霾天气下，颗粒物多附着、溶解在混有雾气之中。有学者发现［15，24-25］，在污染天气中，绿量增加的初期，污染物浓度下降较快，当绿量达到一定值后，污染物浓度下降开始明显减缓，当绿量继续增加，达到一个较高的量值时，污染物浓度下降变得不明显。童明坤等［26］对北京市混交林进行监测研究发现，在无污染或者轻度污染天气条件下，距离林缘26 m宽度处对颗粒物的消减作用最好，但在中度污染或者重度污染天气下，混交林对颗粒物的消减作用不明显，与本研究结果基本一致。

4 结论

3种常绿景观林内PM10浓度的日变化趋势基本一致，均呈单峰型特征，在上午11：00左右达到峰值；随常绿景观林宽度距离的增加，雪松纯林消减率一直上升，香樟纯林仅在30~40 m宽度处的消减率略有下降，混交林在20~30 m宽度处的消减作用达到最佳；常绿针叶林的雪松纯林可作为强滞尘能力景观林选用，结构紧密的混交林可作为道路边缘绿化带选用。