植物屏障影响路边大气颗粒物分布机理及研究方法的进展

王占永，陈昕，胡喜生，何红弟，蔡铭，彭仲仁

1. 福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350108；2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；3. 中山大学智能工程学院，广东省智能交通系统重点实验室，广东 广州 510006；4. 佛罗里达大学城市与区域规划系，适应性规划与设计国际研究中心，美国 佛罗里达州 32611

随着城市居民出行活动的机动化和临路而居的常态化，道路空气污染暴露风险日益上升。尤其是大气颗粒物作为典型的道路交通污染物，长期或短期暴露于其高浓度环境都会对人体产生严重危害（Turner et al.，2011；Kumar et al.，2018）。尽管机动车减排是道路大气颗粒物防治直接有效的方式之一，但是快速大幅减排甚至创建零排放区，对于加速发展中的大多数城市来说，或需数十载的漫长实践（Baldauf，2017）。即使未来尾气减排成效显著，机动车轮胎磨损与老化、刹车磨损等产生的道路粉尘却并不会减少，甚至会因更沉重电动汽车的出现导致车路磨损引起的大气颗粒物的增加（Barwise et al.，2020）。因此，在交通减排难以短期奏效之时，寻求减轻道路污染暴露之策显得同样重要且紧迫。

处处可见的城市绿地能够改善环境条件，如减少紫外线辐射、调节地表径流和缓解热岛效应（Roy et al.，2012；Sivarajah et al.，2020）。除此之外，绿地被视为一种能净化空气的潜力方案而同样备受关注（Deshmukh et al.，2019），但其对道路空气质量的影响仍是学界争论的焦点（Katherine，2017；Hashad et al.，2020；胡杨等，2021a，2021b）。一部分学者认为栽种对污染物有强吸附沉降能力的植物种类能降低污染（Wang et al.，2019；Rocco et al.，2020；Zhang et al.，2020），也有学者强调路旁植物屏障会抑制污染物扩散，从而加重微环境污染（Buccolieri et al.，2018a；Tiwari et al.，2019）。对于道路大气颗粒物来说，其源于机动车尾气排放，又与其它尾气污染物的二次转化有关，并由车辆制动和轮胎磨损生成的气溶胶新颗粒以及道路悬浮粉尘等组成（USEPA，2016）。道路大气颗粒物的复杂构成使其源头控制的难度加大，因此探寻减轻路边颗粒物污染的绿化策略很有必要。但是，目前研究缺乏对植物屏障影响路边颗粒物分布及污染过程的系统认识，从而无法客观评价道路绿化的降污成效。

从近年逐渐涌现的有关道路绿化影响路边空气质量的综述性文献来看（见表1），路旁植物屏障通常以其多样化的物种构成、形态特征和配置结构，不同程度地影响交通污染物在路侧的分布格局，并在交通流、街道形态、路边设施建筑、气象等微环境条件的作用下，对路侧污染物的分布产生不确定影响。为此，本文进一步通过文献调研，聚焦街道尺度下树篱、灌木、行道树等常见的植物屏障，综合考虑街道形态及道路微气象因素的变化，分析绿化对路边大气颗粒物的吸附沉降和扩散影响机理（如图1所示），以及梳理相关的研究方法，归纳能够积极调节颗粒物分布的绿化参数及配置方案，并指出未来亟需重视的实践问题。

表1 道路绿化影响路边空气质量的代表性综述文献Table 1 Representative review articles of green barriers affecting roadside air quality

图1 道路微环境机动车排放大气颗粒物的动力学过程示意图Figure 1 Schematic diagram of the dynamic process of atmospheric particles emitted by motor vehicles in road microenvironment

1 植物屏障对路边大气颗粒物的吸附沉降机制

森林、公园等城市绿地对大气颗粒物有明显的长期净化能力（Xing et al.，2020），但是街道尺度上的绿地能否积极滞尘并不确定，甚至被认为微不足道（Antoine et al.，2017）。根据不同的沉降形式，绿地滞尘分为布朗扩散、截获、碰撞和重力沉积 4个过程，大气颗粒物也会因反弹及再悬浮促使新一轮的沉降（马克明等，2018）。从影响因素来看，绿地对颗粒物的吸附沉降效果与植物的叶片特性、生长习性、环境适应性及结构特征有关（陈小平等，2014；佘欣璐等，2020；赵晓亮等，2021）。

1.1 植物种类及其生物学特征

植物对颗粒物的去除有显著的物种依赖性，不同种类的植物在叶片的几何形状、纹理结构、叶面粗糙度等方面有一定差异，对颗粒物具有不同的吸附沉降作用（Wang et al.，2019；高国军等，2016）。从植物叶片的几何形状和纹理结构看，松柏科针叶树对颗粒物的干沉降速度往往大于阔叶树（Rocco et al.，2020；Zhang et al.，2020）。尽管阔叶树有着更复杂的叶面纹理，较针叶树单叶面积更能有效沉积颗粒物，但是针叶树由于总叶面积更大而使其滞尘效果更好（Song et al.，2015）。对于针叶树，较大的比叶面积有利于扩大颗粒沉积的捕获面积，而与此相反，较大的比叶面积会使阔叶树叶片沉积的颗粒更不稳定，易于引起颗粒的再悬浮；阔叶树叶片间的孔隙也常因强风而增大，进而减少颗粒物沉降量，针叶树则相反（Tiwary et al.，2006）。也有研究指出，植物叶面粗糙度对颗粒物的沉积有着重要的作用（Sæbø et al.，2012），比如蜡质叶面往往不利于颗粒物沉降。颗粒物在通过湿润叶片时易被去除（Grote et al.，2016），但叶片湿润程度会随着叶片蜡含量的增加而降低（Muhammad et al.，2020），从而导致颗粒物的沉降速度减弱（特别是针叶树）（Zhang et al.，2018；Muhammad et al.，2019）。除蜡含量外，蜡的形态、化学成分以及不同树种的蜡特性也会导致叶片对颗粒物累积量的不同（Popek et al.，2013；Barwise et al.，2020）。不同物种植物的滞尘差异还取决于颗粒物粒径的变化（马克明等，2018），同时受研究的空间尺度的影响，如城市与街道尺度上同种植物对相同粒径颗粒物的沉降效果就明显不同（Cavanagh，2006）。

植物的生物学特性差异也会影响其对环境污染的净化或适应能力，有些物种甚至会自我释放污染，从而恶化周边空气质量（Baldauf，2017；Rawski，2019）。Ottosen et al.（2020）研究路侧树篱落叶前后道路大气颗粒物变化时发现，从叶熟到开始衰败，树篱前后位置上的颗粒物浓度存在显著变化。也有研究建议，应栽种环境敏感性低且易生长的植物，并考虑自我恢复力和抵抗外来病虫害等威胁较强的植物物种（Baldauf，2017）。再者，必要考虑BVOC、花粉等二次污染物排放少、干湿气候适应性强、易修剪养护等植物物种，且避免因单一植物的某一缺陷（如遇极端天气或局地气候变化使其净化功能退化或丧失）而导致绿地的整体净化效率大减（Rawski，2019；Wang et al.，2019）。

1.2 植物群落的配置及其数量特征

在道路环境中，颗粒物沉降的效率也与植物群落的配置有关。植物群落足够致密能为颗粒物沉积提供了更多的表面，但也会因过密而阻碍颗粒物的迁移，从而导致局部污染的抬升（Janhäll，2015）。道路常区分为峡谷街道和开阔道路，而无论对于哪种道路环境，以灌木等构成的树篱对于道路滞尘都有一定的效果（Janhäll，2015；Abhijith et al.，2017）。宽厚密且渗透性强的灌木有助于降低道路下风向污染物浓度，排列不连续且渗透性弱的植物群落的下风向降污效果则不明显亦或增加污染。实测研究发现，树篱后比其前的叶子对颗粒物的沉降作用更明显，树篱前对颗粒物的沉降效果与树篱高度有关，连续排列的灌木可降污60%（Abhijith et al.，2017）。但是，也有不同的观点认为，如果低矮灌木之间有较大间隙或季节性落叶植物在落叶季的形态改变，反而会增加空气污染（Ghasemian et al.，2017）。概括而言，植物的冠形、高度、长度、厚度、间距以及群落的密度、郁闭度和疏透度是影响滞尘效率的重要参数（Baldauf，2017；殷杉等，2007）。特别是植物群落的密度影响其疏透度，但二者又不同程度地决定颗粒物的沉降速度（Tiwari et al.，2019；Barwise et al.，2020）。因此，明确植物群落疏透度的最优取值或范围，对于提高道路绿化滞尘效率有重要的实践价值。

现实中，绿地沉降颗粒物的速度往往高出模拟所用速率参数的 10—50倍，沉降速度参数的严重低估是造成模拟中绿地的吸附沉降作用远小于空气动力学作用的主要原因（Wang et al.，2019）。一般来说，植物的叶面积指数（Leaf area index，LAI）和叶面积密度（Leaf area density，LAD）是表征颗粒物沉降速度的两个重要参数（Abhijith et al.，2017）。LAI是一个无量纲度量标准，描述单位土地面积的总植物叶面积（m2·m−2），而LAD指单位群落体积的总植物叶面积（m2·m−3）。LAI为实地监测指标，而 LAD常被用于建模时估计植物群落的疏透度或密度（Neft et al.，2016；Tong et al.，2016）。

Katul et al.（2011）利用同一数据集但不同的建模方法，发现颗粒物沉降速度和LAI存在比例关系。Slinn（1982）发现LAI从8到6减少约25%，会导致颗粒物的沉降速度下降约60%。但是，Lin et al.（2018）通过大涡模拟发现，LAI从10到4减少约60%仅使沉降速度下降约40%，认为LAI对沉降速度的影响弱。也有研究认为考虑差异化沉降速度的LAD更能提高绿地滞尘效率（Xue et al.，2017）。例如，在街道峡谷中，当忽略沉积或假设沉降速度为0.01 m·s−1时，LAD低的树篱能最大程度地消减颗粒物；当沉降速度大于0.03 m·s−1时，LAD高的树篱更能减少颗粒物（Santiago et al.，2019）。尽管还有研究认为，绿地对颗粒物的去除率会随着LAD 的增加而增加（Abhijith et al.，2015；Moradpour et al.，2016），但并不适用于开阔道路（Baldauf，2017；Santiago et al.，2019）。针对街道峡谷，殷杉等（2007）认为植物群落疏透度的最佳范围为0.25—0.33，但Abhijith et al.（2017）推荐绿地LAD为0.2—5.12 m2·m−3，疏透度建议保持在 0.96—0.99。栽种空间较窄时，LAD应适当增大，即低疏透度或高于平均密度，如此才能确保绿地有足够的滞尘能力（Barwise et al.，2020）。无论如何，植物群落疏透度和密度的实地测量比较困难，尤其涉及到复杂风场时，其对颗粒物影响的外场测定难度更大（Baldauf，2017）。在公开发表的文献中，如何选择适合于颗粒物分布模拟的理想 LAD或疏透度仍存在很大的不确定性，这也使不同研究之间的可比性变弱，未来制定这些参数的选择标准或标准化方法很重要（Etyemezian et al.，2004）。

2 街道形态与绿化配置对大气颗粒物扩散的影响

近期有研究认为，道路微环境中植物屏障不在于其沉降去污的能力，而更在于其控制或改善空气流动和污染扩散的机制（Buccolieri et al.，2018a；Greater London Authority，2019；Tiwari et al.，2019）。颗粒物扩散是以风为载体的颗粒物稀释和输送后的空间重分配（Etyemezian et al.，2004；Janhäll，2015），植物屏障如何影响颗粒物扩散已成为街道尺度绿化降污关注的重点（Jeanjean et al.，2016；Karttunen et al.，2020）。一般来说，街道的几何形态决定了局部流场的大体特征，而绿化配置是否有益于局部污染物的扩散，会因街道形态的变化而不同。即便合理的绿化配置能够改善街道整体的空气质量，但也可能会因植物栽种位置的不同而导致污染的局部差异。

2.1 不同街道形态下路旁植物屏障对大气颗粒物扩散的影响

大多数研究从街道峡谷和开阔道路讨论植物屏障对道路局部颗粒物分布的影响（Abhijith et al.，2017；Tiwari et al.，2019）。街道峡谷是由道路两侧高耸的建筑和狭长的道路围合而成的一个狭窄的空间结构（周姝雯等，2017），而开阔道路较为宽阔，两侧建筑物平均高度和道路宽度之比较小，建筑物高度参差不齐，密度较小且间隙较大（李修刚等，2001）。

对于街道峡谷来说，高宽比（即路侧建筑高度与道路宽度之比）的差异会导致不同的空气流场模式（蒋德海等，2006），其值过大会限制风的内外循环，从而抑制污染空气的对外扩散。绿地缓解局部污染的成效很大程度上取决于高宽比，基于高宽比大小确定峡谷街道绿化配置方案显得十分重要。有研究认为，深谷型街道（高宽比≥2）仅适合绿墙植物配置，中等深度峡谷街道（高宽比为0.5—2）适合低矮植物（灌木和树篱），浅谷型街道（高宽比≤0.5）可尝试在峡谷迎风侧增加种植高度低、间距大的行道树（Barwise et al.，2020）。也有研究认为，绿化密度相同的深谷型街道的大气颗粒物浓度高于浅谷型街道（Moradpour et al.，2016）。与常规峡谷依靠初级涡旋去除颗粒物相比，深谷街道的主涡一切分二，导致涡旋带动清除颗粒物的效率降低（Abhijith et al.，2017）。简言之，中高植物会加重峡谷型街道的空气污染，而适当选用低矮灌木、树篱等有助于改善街道空气质量。

对于开阔道路而言，路侧空旷、通透性强，气流内外交换频繁。宽厚密的灌木加上外层高行道树，有助于降低道路下风向的空气污染，但稀疏不连续排列的植物群落调节下风向污染的效果不明显亦或增加污染（Tiwari et al.，2019）。必要以降污受益的空间或群体为目标对象，优化路侧绿化配置结构。例如，出于路边通勤人群防护目的，或以临路居住或脆弱易感人群的路边活动空间（如学校、医院、老年活动中心等）为降污目标的绿化配置，等等（Janhäll，2015；郭晓华等，2018）。通常来说，高密植物屏障可直观改善行人侧空气质量，但其厚度应结合道路空间大小给予最大限度的考虑。灌木和树篱可与行道树组成混合屏障，大于行人呼吸高度有益于减少行人侧污染；屏障平行且靠近道路亦可阻挡特殊高度车辆的抬高排放物。

2.2 绿化配置对大气颗粒物扩散的影响

道路微环境中植物群落对颗粒物分布的影响有高度局部化特质，不存在一种绿化方案适合所有场景，而正确位置上栽种恰当配置的植物才是比较有效的策略（Tiwari et al.，2019）。概括讲，植物的高度、宽度、厚度、密度、位置、组合结构等合理与否，决定了道路颗粒物的扩散水平。

高植物可阻挡道路颗粒物向路侧扩散，但也与冠层特征密切相关。例如，冠层较高的行道树会抑制颗粒物上扬，而树篱等低密冠层植物易于阻碍颗粒物的路侧近距离扩散（Abhijith et al.，2017）。增加植物群落的宽度相当于增加路侧屏障的面积，从而提高上风向道路颗粒物遇屏障时被阻隔的效率（Santiago et al.，2019）。植物屏障越厚越能减少路侧湍流和来风风速以及增加气流阻塞量，从而增加颗粒穿越屏障的时间来实现对颗粒物的去除（Baldauf，2017）。据有关报道（Neft et al.，2016），植物至少5 m厚才会有消减颗粒物的效果，接近10 m或更厚的植物对颗粒物的消减更有效；植物越密越能对穿越气流施加阻力甚至改变气流流向，从而达到降低路侧颗粒物浓度的效果。

植物的栽种位置也会影响颗粒物的分布。Morakinyo et al.（2016）基于综合扩散-沉积法，提出了污染物的最大浓度距离，并建议将植物栽种在靠近源或污染物最大浓度距离之后，即可最大程度地增强绿化降污效率。不难理解，气流携带高浓度污染烟团遇植物屏障，即刻被阻挡沉降或穿越植物时被过滤，从而使其浓度极速下降（Etyemezian et al.，2004）。在不受任何阻挡的情况下，颗粒物会随距离逐渐衰减（Abhijith et al.，2019；Han et al.，2020），通常远离道路80—600 m后，其浓度接近背景水平（Etyemezian et al.，2004）。也有研究证实，在街道峡谷中，靠近污染源的低冠层植物（如树篱）不仅能高效过滤颗粒物，而且有利于街道通风（Janhäll，2015），同时通过促进外来清洁空气的输入来加速局部颗粒物的稀释（Lin et al.，2018）。但是，临路栽种低冠层植物对颗粒物沉降和扩散耦合过程的作用强弱，也要同时取决于植物的种类、叶面结构、面积和体积、季节变化以及目标颗粒物的性质和采样位置，等等。因此，只有在充分考虑绿化配置特征的基础上，选择合适的植物栽种距离，才能提高绿化调节道路颗粒物的能力。

单一或多类型组合的植物对道路颗粒物扩散有不同的影响，从而产生不同的颗粒物消减效率。例如，Antoine et al.（2017）认为树篱等单一低矮冠层植物较树篱和行道树组合方案更能净化颗粒物；顾康康等（2020）发现乔木、树篱、灌木等组合配置对 PM2.5的消减优于单一乔木以及乔木和树篱的组合方案。当考虑到风等其他外部环境条件时，树篱和行道树的高低组合配置是消减颗粒物的最佳选择（Abhijith et al.，2017；Zhang et al.，2020）。Deng et al.（2019）认为凹凸不平的植物组合比齐平组合更有利于 PM2.5等颗粒物的净化。究其原因，复杂、多孔的植物组合结构不仅可以高效捕获渗透而过的颗粒物，而且能够以其更加粗糙的冠层表面来降低风速和增强空气湍流，从而增加颗粒物的混合稀释强度（Bowker et al.，2019；Wania et al.，2019）。相比于单一行道树，尽管树篱或与行道树的组合配置对颗粒物的净化效果更好，但也会因颗粒物类型、风向等的变化而产生差异（Deng et al.，2019）。近期研究还证实，植物和非渗透人工屏障（如隔音障等）的组合结构较单一结构更能改善道路空气质量（Ghasemian et al.，2017；Lee et al.，2018；Deshmukh et al.，2019；Hashad et al.，2020）。隔音障能够提高道路污染物的紊乱程度，进而促进下风向路边污染物浓度的稀释（Dash et al.，2018）。Gallagher et al.（2015）通过总结植物和隔音障、低界墙、路边停车等固体屏障组合改善道路空气质量的各自特点，建议依据不同的规划策略和局部要素，以量化评估减污成效的方式来制定配置准则。简言之，有关植物与固体屏障的组合配置对颗粒物净化效果的研究尚且较少，未来需更多关注其高效降污的组合优化方案研究。

对于不同等级的道路，有效调节颗粒物的绿化配置方式也有所不同。Chen et al（.2015）研究发现，灌木和行道树组合对主干路或交通流量大路段的PM10去除率更高，行道树、灌木、草丛等分层结构对中等交通流路段的 PM10去除效果明显，单行排列的行道树是支路或交通流量小路段 PM10去除的最优方案。若同时考虑街道峡谷效应，Ferranti et al.（2019）认为，车流量大的街道自身即为高污染源，过于密集的植物屏障反而不利于局部污染的向外扩散，相反对于车流量低的街道，可以通过增加植物屏障来阻止外部污染的流入。因此，区分道路等级并兼顾区位环境差异和道路空间形态变化，可促进绿化改善道路空气质量的效益最大化。

3 影响道路绿化调控效应的气象要素

气象条件是影响道路空气质量的客观因素，而局部气象的变化会改变绿地净化空气的效果（王亚英等，2015）。风是影响大气颗粒物稀释扩散的关键气象因素，风速越大越能带动颗粒物的流动，对粗颗粒物的影响更明显，风向则左右颗粒物的空间走向（陈小平等，2014）。以垂直道路的风来说，无建筑遮挡的下风向污染往往大于上风向，但是在街道峡谷中更易产生局部涡流，形成与屋顶风方向相反的地面风（Oke，1998），局部涡流又在路边设施建筑和植物屏障的耦合作用下，会进一步加剧风速和风向的频繁波动，从而增加街道内空气污染分布的复杂不确定性（如图2所示）。

图2 街道不同绿化配置情景下风促使大气颗粒物流动的示意图Figure 2 Schematic diagram of the wind-induced flow of atmospheric particles under different greening configurations in the street

风速变化与植物屏障改善道路空气质量的效率并非呈线性关系。低风速时，植物屏障对道路空气的净化影响最显著，此时植物屏障能抑制湍流扩散，成为阻挡污染气流的屏障（Buccolieri et al.，2018b）。风速大有助于提高粗颗粒物的沉积效率，超细颗粒则相反（Janhäll，2015）。风向变化同样影响绿化降污效果。Abhijith et al.（2019）发现，平行于开阔道路的风向更能促进行道树等植物对颗粒物的消减，其次是交叉风向，最后是垂直风向。Amorim et al.（2013）认为，垂直街道的风会使颗粒物浓度增加12%，交叉和平行街道的风则能平均减少颗粒物浓度16%。这些结果表明，不同风况下街道通风的过程机制有所不同。对于平行道路的风，植物屏障能增加街道中颗粒物的湍流输送，与机动车行进产生的机械湍流一并起到清扫道路污染的作用，而对于垂直道路的风，植物屏障会扰乱街道的自然通风而抑制颗粒物的扩散（Abhijith et al.，2019，2020）。也有研究认为，当风向与街道的夹角为 45°时，植物屏障对颗粒物的净化效率最大（可高出无绿化情景3倍的降污效果）（Buccolieri et al.，2011）。

相对湿度同样会影响植物屏障对道路颗粒物的调控效率。Litschke et al.（2008）研究表明，在99.9%的相对湿度环境中，植物屏障对颗粒物的沉降速度可提高 16—25倍。空气湿度的增加会提高植物叶片表面的湿润程度，从而增强叶片对颗粒物的吸附。同时，湿润空气能增加颗粒物的凝结，颗粒物自身浸水性也会随空气湿度的上升而增大，进而提高自我降尘的能力。对于道路微环境来说，机非隔离绿化带去除颗粒物的效率与相对湿度正相关，大于温度和风速的作用（陈小平等，2014）。而在城市森林中，风速是影响总悬浮颗粒物干沉降速度的最强因素，其次是温度，相对湿度的影响较小；尤其在干燥季节，总悬浮颗粒物的沉降速度与风速正相关，与温度和相对湿度负相关（Chen et al.，2012）。

综上所述，风速、风向是影响道路颗粒物分布的主要气象因素，在路边建筑和植物屏障的耦合作用下更加复杂多变。相对湿度不仅能提高颗粒物自身凝结降尘的能力，而且通过改善植物叶面湿度增加滞尘效果。气温升高引发环境热效应，而绿地可以调节局部热环境，进而降低诸如臭氧等污染物的生成转化率以及污染物的空间分布（Buccolieri et al.，2018a），但是当前研究较少关注植被热效应引起的颗粒物分布机制。此外，气温、气压、太阳辐射等气象因素的耦合作用还会改变大气稳定度或引发差异化天气状况（如晴天、阴天等），从而影响背景污染水平以及风场变化引起的污染扩散强度。

4 研究方法

4.1 实地测量

实地测量是大气颗粒物分布研究的主要手段，能够真实描述颗粒物的分布格局与污染水平（胡杨等，2021a，2021b）。然而，因局限于二维平面的有限点监测，稀疏的地面监测站对大气颗粒物在水平和垂直维度上连续分布的认识存在很大缺陷。尤其对于道路微环境来说，更为稀缺的路边监测站严重限制了对颗粒物高分辨率时空变化的捕捉。尽管车载移动监测的兴起为道路空气污染分布的精细化解析提供了条件（Gozzi et al.，2016），但随着高架路以及路边高楼设施的拔地而起，人们生存空间日趋立体化，污染暴露的范围和维度也随之扩大。这一现实问题对道路空气污染的垂直结构及其动力学过程提出了认识上的新要求（Cai et al.，2020）。就目前研究来看，道路空气污染的三维测量并不多见（Wu et al.，2002；He et al.，2012；Goel et al.，2016），尤其针对排放源抬高的人工高架路和天然山地丘陵道路，兼顾复杂多变的路侧地形、绿化设施等形态结构，通过实地测量探究道路空气污染的三维分布规律显得更加重要但颇有挑战性。

尽管载人飞机、探空气球、飞艇、气象塔、激光雷达、卫星遥感等测量手段一定程度上实现了空气污染的立体观测（刘文清等，2016），但各因自身局限性很难被广泛采用，特别是应用于建筑密集的城市道路微环境的可能性更小（Lu et al.，2019）。随着无人机民用化发展和微型传感器技术的进步，无人机搭载微型传感器可实现对空气污染水平和垂直维度同时兼顾的连续监测，近十多年来有了很大起色。从气溶胶领域权威 Ramanathan教授带领团队较早利用无人机研究大气气溶胶特性对区域乃至全球气候变化的影响（Ramanathan et al.，2007，2008），到陆续有学者利用无人机进行城市大气边界层内污染物生消及传输过程的探测实验（Peng et al.，2015；Liu et al.，2020；Wang et al.，2020；曹云擎等，2020），再到近期有研究利用轻型旋翼无人机平台开展城市复杂道路环境的大气颗粒物三维观测（Li et al.，2019a，2019b；Zheng et al.，2021）。这无疑为极具挑战的排放源抬高的道路空气污染三维观测提供了可能，也将突破常规手段难以探测路边植物屏障尤其是有一定高度的行道树及设施建筑环境中空气污染分布的技术瓶颈。

4.2 模拟方法

为了揭示道路颗粒物的时空变化机制，风洞试验是除实地测量之外的另一方法。风洞试验将街道及其局部的植物群落结构按照一定的缩尺比例制作成物理模型，之后以人工控制气流的方式再现大气颗粒物的动力学过程，并可量度气流对实体的作用效果（马克明等，2018）。尽管风洞试验能够提供稳定可控的风速风向条件，也能构造持续稳定的排放源和绿化结构，但是无法模拟太阳辐射等热效应对气流和污染物扩散过程的影响，也无法完全代表气流穿过植物屏障的真实情况（Xie et al.，2018；Tiwari et al.，2019；马克明等，2018）。

众多学者也会采用基于计算流体力学与气溶胶动力学理论的数值方法模拟道路颗粒物的扩散（Niu et al.，2018；Huang et al.，2019；Yang et al.，2020）。该方法是根据模拟情景自主设置天气、交通、街道、建筑和植物屏障等物理参数，运行得到连续动态的三维可视化结果，并能量化影响因素对颗粒物分布的影响。研究者通常采用组合方法进行模拟研究，即利用风洞试验或实测数据校验数值模拟过程及结果。例如，Gromke et al.（2016）组合利用计算流体力学模型和风洞试验，证实了连续绿篱可以积极改善街道峡谷中交通污染物的浓度；周姝雯等（2018）采用 Bruse et al.（1998）开发的ENVI-met模型验证了风洞试验结果，进而评估了绿化带的位置与树冠形状对街道峡谷内风场的影响，等等。与此同时，ENVI-met模型作为可精细化模拟城市街道尺度“建筑表面-绿地-大气”相互作用关系的三维数值模型，逐渐受到园林、环境、规划等多学科领域研究人员的青睐。随着实地测量手段的进步，越来越多的研究用实测结果来校验ENVI-met模型，从而促进绿地调节道路颗粒物分布的模拟效果更接近于真实情况（郭晓华等，2018；顾康康等，2020；胡杨等，2021a）。

尽管如此，因风洞试验的假设条件过多或太理想以及实地测量样本的不够全面，尤其是三维实测数据的缺失，数值模拟结果往往存在很大不确定性，并与实际情况出入较大（Gromke et al.，2016）。针对特殊的道路环境，如排放源抬高的道路，提高其颗粒物三维动态模拟的真实性仍有待考虑以下问题。首先，将交通仿真技术与机动车尾气、车路磨损排放模型有机结合，实现动态交通流下机动车颗粒物综合排放的精细化测算，以此优化道路微环境数值模型的源输入。其次，将道路绿带尤其是机非隔离带绿篱的颗粒物吸附沉降系数引入气溶胶动力学模型方程，实现颗粒物沉降和扩散兼顾的绿化影响模拟。再者，利用无人机等测量技术获取能够真实反映屋顶风切变和近地面复杂湍流影响的高分辨率连续的垂直样本数据，校验和改进排放源抬高的道路微环境颗粒物扩散的数值模型。

5 结论与展望

在交通减排难以短期奏效之时，路旁植物屏障被视为一种能够净化空气的潜力方案，但其对周边大气颗粒物分布的影响仍无定论。本文从降污实践的视角出发，对街道尺度下树篱、灌木、乔木等常见植物屏障影响路边大气颗粒物分布的机理及研究方法进行归纳和分析，主要结论和展望如下：

（1）针对交通污染排放随交通量及时段的强弱易变性，应沿路栽种对颗粒物等交通污染物有快速且极强吸附沉降能力的植物物种，若能兼顾道路区位环境来筛选生存力强的物种，植物屏障的长期滞尘效果会更佳。理清影响颗粒物沉降效率的关键绿化参数，如LAI、LAD、密度、疏透度等，并结合植物群落结构、街道形态、栽种空间等综合评估后，确定这些参数的最优取值。构建统一的参数选择标准或标准化方法，将有助于研究之间的比较，从而归纳出普适性的绿化滞尘方案。

（2）基于峡谷型和开阔式道路各自的流场特征及局部空间布局，同时考虑污染防控的目标空间或群体，初步确定积极调控污染扩散的绿化配置方案，再结合植物物种及群落结构、空间位置、道路等级等进行局部参数的优化评估，才能更有效地引导大气颗粒物的动力学扩散过程。

（3）路旁植物屏障对颗粒物的吸附沉降和扩散影响是同时存在的，目前研究缺乏对二者的同步考虑，使其相对重要性仍不清楚。从降污受益的目标空间或群体出发，如为了保护沿路慢行道，可沿路栽种强吸附沉降能力的树篱，但不合理的行道树栽种方式反而会抑制局部空气流动，进而加重慢行道污染。因此，协同考虑两种作用机制来优化绿化配置结构，才能使绿化降污更有实际价值。此外，理清微气象要素的动态耦合特性，评估单要素主导或多要素耦合对植物屏障调节颗粒物分布的影响，会使绿化降污策略更具实践性。

（4）实地测量尤其是三维测量的缺失或不够细致全面，不仅限制了对植物屏障影响颗粒物分布的直观认识，而且使揭示颗粒物时空变化机制的数值模拟方法无法充分校验，进而导致模拟结果有很大的不确定性，并与实际情况有较大出入。为了更真实地再现道路颗粒物的动态变化过程，模拟方法也需重视动态交通排放源输入参数、绿化参数、微气象变量等的精细化测算或表征。同时，发展灵活可靠且适用于道路环境的立体观测技术，无论对于探究立体道路交通排放还是路边植物屏障及建筑设施对污染扩散的影响，以及改进数值模型因三维实测数据缺失而模拟失真的现实问题，都有其独特价值而值得关注。

（5）纵使基于绿化调控机理得到了最大化保护目标空间或群体的绿化降污方案，但是对道路环境而言，交通排放颗粒物并未被完全消除，受保护目标以外的范围仍会受影响。因此，未来也需研究植物屏障对路边大气颗粒物污染程度的响应机制，量化植物群落及与其它人工屏障的组合结构对改善周边环境污染的作用，以及考虑基于时间和空间的人群暴露评估来优化绿化配置策略。