不同季节路侧紫丁香绿带滞尘机制研究

郭亚男,王爱霞*,邢建勋,吕杨超

(1.内蒙古工业大学 建筑学院,绿色建筑自治区高等学校重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010051;2.内蒙古自治区环境监测总站 呼和浩特分站,内蒙古 呼和浩特 010051)

随着中国城镇化的快速发展,空气颗粒物污染问题已成为困扰城市经济发展和环境建设的重要因素之一。街谷内高浓度的颗粒物污染不仅会破坏城市生态系统,还会对周围居民的健康产生不利影响[1]。城市高密度的交通及迅速增长的车辆是空气颗粒物污染的主要来源,而越来越多的证据显示,城市道路绿色屏障可缓解空气颗粒物污染带来的危害[2]。路侧绿带在城市道路绿地中占地面积最大,绿地构成形式多样,形成了不同层级的污染物绿地消减体,其主要通过增强扩散、利用植物表面吸附颗粒物来减缓污染[3-4]。道路绿带消减颗粒物的能力与绿带内的空气温度、相对湿度和风速等自然条件[5]及绿带密度、厚度及植物叶表面特征等有关[6]。相关研究表明,路侧绿带可有效降低空气颗粒物浓度[7],其降减颗粒物的能力呈现明显的季节变化、周变化及日变化等时间规律[8-10]。而植物种类不同,消减颗粒物的效应也不同[11]。目前研究多集中于绿带消减颗粒物的实测分析[12]、模型模拟[13],研究结果倾向于了解其沉积效率,而较少考虑植物微观吸滞机理;或使用扫描电子显微镜(SEM)分析叶表面特征及颗粒物的大小[14],其表面吸收污染物的情况如何尚待明确。有必要将实测和电子扫描方法结合起来,并增加新的定量测定方法,来确定绿带树种清除空气颗粒物的内外机制,同时,考虑扫描电子显微镜定性分析的不确定性。本研究的主要目标是量化近道路环境中绿带对空气颗粒物的沉积效率,将重度污染与轻度污染绿带的环境浓度、微气候要素进行比较,估计同一绿带的消减率。

以内蒙古呼和浩特市赛罕区的5条路侧紫丁香(Syringaoblata)绿带为研究对象,测试了绿带内的6种粒径颗粒物质,收集了紫丁香绿带不同高度、内中外侧的代表性叶片,通过扫描电镜和图像分析估算叶表面重金属的沉积量,并通过电感耦合等离子质谱仪测试叶对污染物质的总沉积量,揭示路侧绿带从环境空气中去除的颗粒物质和重金属元素。将树叶微形态观察、叶表金属离子能谱分析及叶内重金属元素定量分析和环境空气实测方法相结合,以量化路侧绿带去除环境颗粒物的效果和机制,研究结果为道路绿带减少污染并改善人类生存环境提供了新的见解。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区(图1)位于内蒙古自治区呼和浩特市(110°46′-112°10′E,40°51′-41°8′N),全市总面积17 224 km2,属典型蒙古高原大陆性半干旱区气候,四季气候变化明显,年温差、日温差均较大,盛行西北风,气候干燥,年平均降水量335.2～534.6 mm,且主要集中在7-8月。5条受试道路均位于赛罕区,道路之间距离较近,道路红线宽度分别为60、80、60、40、60 m,所选测试路段两侧均有由紫丁香组成且大于20 m×20 m的污染物阻隔带。各道路受污染程度不同,周围环境单一(远离住宅)。

图1 测点区位Fig.1 Map of measuring point area

1.2 测试方法

PM浓度测定方法:按照道路宽度、交通流量、污染程度和城市道路等级选取5条测试道路,分别是重度污染带东二环,中度污染带腾飞路、丁香路,相对清洁带滨河北路和万通路,道路与盛行风向垂直(或有较小偏角),在道路两侧距道路边缘相同距离选择5 m×10 m纯紫丁香灌木林作为研究对象。测试时间分别为春季(2020年4-5月)夏季(2020年7-8月)、秋季(2019年9-10月)和冬季(2019年12月、2020年1月)的中旬,每月连续监测3 d。日测试时间为8:00-18:00,此时间段车流量较大,居民活动较频繁,每隔1 h监测1次,每次5个重复。测试天气选择晴朗、相对湿度较小(相对湿度<60%)、无风或者微风(风力<3级)的天气,测量高度选择在成年人呼吸位置,距离地面约1.5 m,在绿带外中内部分别选择3个测试点,测试数据重复3次。PM测定指标有PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0及PM10,微气候测试指标有相对湿度、空气温度、湿球温度和露点温度、瞬时风速等。

表1 试验所用仪器参数Table 1 Parameters of instruments used in the experiment

重金属含量测定方法:不同季节在测试样地内随机选取紫丁香树5～10株,在每株东、南、西、北4个方向选择4～5枝样枝,剪下样枝,带回实验室,采集同龄枝的叶片,每枝选取第3～5片老叶作为测量的样品,采集叶片约为400 g。紫丁香叶片采集时间与PM浓度测试时间相同,样品选择时应保持树龄、生长发育情况及树叶的生长部位尽量一致。同时将采集的紫丁香叶片用蒸馏水洗净,在40 ℃恒温箱中烘干12 h至恒重,研磨成粉末,装入清洁、干燥、密封的塑料袋中。植物叶片中重金属全量消解采用“浓HNO3-HClO4”法,利用电感耦合等离子质谱仪测定重金属元素铁(Fe)、铝(Al)、锌(Zn)、铜(Cu)、锰(Mn)、镍(Ni)、铅(Pb)、钡(Ba)、铬(Cr)及钴(Co)的浓度,各元素采用国家标准物质(GNM-M33198-2013)33种元素混标进行标准化测定。

叶表面微形态观察及能谱分析方法:紫丁香叶片采集时间与PM浓度测试时间相同,在采集树叶之前先清洗叶片,并对清洗过的叶片进行标记,在清洗完7 d后进行采集。在样地中选取样树3～5棵,在样树树冠的上、中、下部位及东、西、南、北4个方向对标记过的功能树叶分别进行采集,共计采集样叶15～20片,将采集好的树叶封存于纸质采集袋(无静电)中带回实验室处理。将样品放入干燥箱(60 ℃)中至叶片完全干燥。对每个叶片选取干燥叶片较平坦处,沿叶脉两侧剪下2小块(5 mm×5 mm)叶片。随机选择1片观察上表面,另一片观察下表面。用导电胶将叶片粘到样品台上,样品表面用离子溅射镀膜机(E-1045,HitachiCo.,Ltd.,Tokyo,Japan)喷金处理后,在真空条件下,利用扫描电子显微镜(SU8000,Hitachi Co.,Ltd.,Tokyo,Japan)观察叶表面的微观结构及颗粒物状态,调整至合适倍数并拍照保存,同时利用能谱分析叶表面的17种金属元素的相对含量。

1.3 数据处理

使用Excel 2003软件对试验数据进行统计分析,采用SigmaPlot14.0软件对PM消减率与气象因子、重金属元素含量进行皮尔逊(Pearson)相关性分析,P<0.05为显著相关;采用消减率表示路侧绿带对大气颗粒物的消减能力(式1),DR值越大,绿带对PM的消减效应越强。

(1)

式中:Dc表示无植被区对照点PM的质量浓度;Dm表示植被区测试点PM的质量浓度。

2 结果与分析

2.1 不同季节路侧紫丁香绿带对PM的消减效应分析

2.1.1 紫丁香绿带内PM浓度变化分析 连续监测并统计了2019-2021年测试样地内PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0和PM10的月均浓度值(图1)。受试紫丁香带内PM2.5和PM10的月均浓度分别为147.20 μg·m-3和91.00 μg·m-3,月均值均超过了城市大气颗粒物二级浓度限值(35 μg·m-3和70 μg·m-3)[15],超出浓度限值的76.22%和23.08%,可见污染程度较为较重。此外,通过计算4个不同季节绿带内PM浓度,结果发现,PM0.3的浓度值最高,PM10的浓度值最低,粒径越大,颗粒物浓度越低;夏季绿带内各粒径的平均PM浓度值最低,其次为秋季、春季及冬季。

2.2.2 紫丁香绿带对PM消减变化分析 将5条受试道路所监测的PM浓度数据采用式1进行处理,分别计算不同季节绿带对PM消减率的平均值,结果发现,不同季节路侧紫丁香绿带对PM0.3、PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM5.0、PM106种粒径颗粒物的消减效应不同(表2)。夏季紫丁香绿带对6种粒径PM均有明显消减作用,平均消减率为4.57%,冬季仅对PM5.0和PM10等大粒径的颗粒物有消减作用。其次为秋季、春季,最弱的为冬季,平均消减率为-1.18%。同时路侧紫丁香绿带对不同粒径PM的消减能力表现为:PM10>PM5.0>PM2.5>PM1.0>PM0.5>PM0.3,平均消减率为:4.82%>3.53%>1.95%>-0.30%>-1.26%>-2.53%。即PM粒径越大,绿带对其消减效应越强,消减率越高。

表2 不同季节路侧紫丁香林对PM的消减变化Table 2 Reduction of PM by roadside clove green belt on the roadside in different seasons (%)

2.2 紫丁香叶表面吸附颗粒物情况及重金属浓度变化分析

2.2.1 紫丁香叶表面吸附颗粒物情况分析 由图3a-1、图3b-1、图3c-1可知,不同季节紫丁香叶表面滞留的颗粒物特征具有明显差异。在电镜扫描下,不同季节紫丁香叶片的形态特征不同,春季为新生叶,表皮附属物较多,夏季叶表面皱缩,秋季叶表面平滑。图3中叶片滞留的颗粒物多为不规则块状,粒径越大,颗粒物形貌特征越清楚。春、夏、秋3季中,春季叶表面颗粒物较少,夏季的叶表面可观察到大粒径颗粒物,秋季叶片滞留颗粒物的粒径较小,且数量最多。

图3 不同季节路侧紫丁香叶表面重金属浓度变化Fig.3 Variations of heavy metal concentrations on the surface of clove leaves in different seasons

2.2.2 紫丁香叶表面重金属浓度变化分析 对紫丁香叶表面进行电子扫描电镜-能谱分析发现,叶表面对17种元素的吸收能力因季节的不同而不同。由图3可见,Zn元素在春夏秋3个季节相对百分含量最高,占47.23%;春季叶表面含量较高的元素为Ti、Pt、Hg、Cr、Pb,夏季较高的有Al、Pb、Sb、Hg、Sn、Fe、Cd,秋季较高的有Pt、Al、Pb、Sn、As、Fe,Pb元素在3个季节累积均较高。此外,在叶表面也检测出了Cd、Ba等元素,但其浓度较低。

2.3 紫丁香绿带叶内重金属含量变化分析

通过对紫丁香叶表面重金属吸收量的分析,计算不同季节路侧紫丁香叶片内10种重金属元素的浓度,结果见表3,紫丁香叶内10种重金属元素的含量因季节的不同而不同,秋季最高,夏季次之,春季含量最少。紫丁香叶内重金属含量夏季较高的有Fe、Ba、Al、Mn,10种元素含量大小分别为(单位:μg·g-1)Fe(861.59)>Ba(323.28)>Al(317.55)>Mn(259.25)>Zn(79.38)>Cu(17.78)>Cr(7.05)>Pb(6.54))>Ni(2.83)>Co(0.40);秋季较高的有Fe、Ba、Mn、Al,10种元素含量大小分别为Fe(1 152.67)>Ba(609.78)>Mn(577.51)>Al(411.90)>Zn(146.40)>Cu(33.47)>Cr(18.31)>Ni(1.22)>Co(0.54)>Pb(0.17);春季较高的有Fe、Ba、Mn、Al、Zn,10种元素含量大小分别为Fe(425.00)>Ba(125.76)>Mn(110.20)>Al(105.11)>Zn(32.15)>Cu(7.65)>Cr(2.06)>Pb(0.98)>Co(0.15)>Ni(0.12)。

表3 不同季节路侧紫丁香叶内重金属含量Table 3 Contents of heavy metals in clove leaves of roadside in different seasons

2.4 对PM消减差异影响因素分析

2.4.1 路侧紫丁香绿带PM消减率与PM浓度和微气候指数相关性分析 选取监测点各粒径颗粒物每小时质量浓度平均值,分析观测期间内各粒径颗粒物的质量浓度与绿地对其消减率之间的相关性。运用皮尔逊(Pearson)相关性分析法计算PM消减率与各粒径颗粒物浓度,PM消减率与气象因子,PM消减率与重金属含量之间的相关关系,相关系数为各季节相关系数的平均值,结果见图4和表4。

表4 PM消减率与重金属含量相关性分析Table 4 Correlation analysis of PM reduction rate and heavy metal contents

橘色表示呈负相关,颜色越深,相关性越大;灰色表示呈正相关,颜色越深,相关性越大;黄色表示无明显相关性,颜色越深,相关性越大。椭圆半径的大小表示相关系数绝对值的大小,相关系数绝对值越大,椭圆的半径越小,两者的相关性越强。图4 路侧紫丁香绿带PM消减率与PM浓度和微气候指数相关性分析Fig.4 Correlation analysis of PM reduction rate,PM concentration and microclimate index of clove green belt on the roadside

由图4可知,不同粒径颗粒物的质量浓度之间均呈显著正相关(P<0.05,r>0.50),相关分析可行度较高,相关性系数0.64～1.00,当某一种粒径颗粒物的质量浓度升高时,其余几种颗粒物的质量浓度和消减率也随之升高。观察路侧绿带对PM的消减率与微气候因子之间的相关系数表发现,路侧紫丁香绿带对各粒径PM的消减率与空气温度(AT)、湿球温度(WB)和露点温度(DP)的相关性呈显著负相关,相关系数分别为-0.85～-0.71、-0.79～-0.61和-0.79～-0.68。大气颗粒物消减率与相对湿度呈显著正相关,不同粒径颗粒物中相关性最强的是PM10和PM0.5,相关系数均为0.86,较弱的为PM0.3,相关系数为0.75。但是,PM消减率与风速则无明显相关性。

2.4.2 路侧紫丁香绿带PM消减率与紫丁香叶内重金属含量相关性分析 由表4可见,紫丁香绿带PM消减率与叶内重金属含量平均值均呈正相关,其中绿带对PM2.5、PM5.0、PM0.3的消减率与重金属含量呈显著相关性,相关系数分别为0.741、0.620、0.526,绿带对其余3种粒径颗粒物的消减率与重金属含量的相关性则不强。

3 结论与讨论

3.1 结论

不同季节紫丁香林对PM的消减效应的分析结果表明,夏季的路侧紫丁香绿带对各粒径PM的平均消减效应强于秋季、春季,冬季因叶落而消减率最低;随着颗粒物粒径的增大,绿带对其消减效应增强。紫丁香叶表面形态随季节而变化,并具有吸滞颗粒物的能力,在叶表面检测到了多种重金属元素,且各元素的相对百分含量因季节的不同而不同。路侧绿带紫丁香叶内10种重金属元素的含量以秋季最高,夏季次之,春季含量最少,且以Fe、Al、Mn、Ba、Zn的含量较高,Pb、Cr、Cd、Co、Ni含量较低,但这些元素与人为排放直接相关。路侧紫丁香绿带内不同粒径颗粒物的质量浓度之间均呈显著正相关,绿带对各粒径PM的消减率与空气温度(AT)、湿球温度(WB)和露点温度(DP)的相关性呈显著负相关,与相对湿度呈显著正相关,且相关性最强的是PM10和PM0.5,相关系数均为0.86,绿带的PM消减率与风速的相关性不显著。因此,可根据研究结果制定减少PM和重金属污染的相关措施,提升城市大气环境。

3.2 讨论

3.2.1 不同季节路侧紫丁香绿带对PM的消减效应 夏季路侧紫丁香绿带对PM的消减效应最佳,主要与研究区域气候环境、植物生长状态和污染源等因素有关。夏季平均温度较高,植物生长处于旺季,植被的光合作用、呼吸作用以及蒸腾作用均较强,植物可以通过吸附作用降低空气中颗粒物的浓度[16]。此外夏季降水天气也较多,对林带内的颗粒物有一定的清除作用。同时也说明植物生长越旺盛、光合作用越强的情况下道路林地对大气颗粒物的消减作用越强。冬季由于居民取暖、供暖导致排颗粒物放量增加和污染加重,同时温度较低、湿度较大和植物完全落叶,共同导致林内颗粒物浓度较高,消减作用减弱,且随着季节的变化,气候环境逐渐变差,植物叶片逐渐枯萎直到完全落叶,树木对PM的消减作用也随之逐渐减弱。说明城市路侧绿带对大气颗粒物的消减强度与植被生理生态水平有关[17-18],且植物叶片对大气颗粒物的吸附与消减作用大于枝干。

路侧紫丁香绿带对不同粒径PM的消减能力表现不同,PM粒径越大,绿带对其消减效应越强,消减率越高。相关研究表明,空气中粒径较大的悬浮颗粒物易与水分子相互结合,聚集成重量较大的颗粒物,从而变得利于沉降和消减[19]。同时颗粒物粒径的大小决定了其在空气中停留时间的长短和传输距离的远近,颗粒物粒径越大,在大气中停留的时间越短,传输距离越短,更有利于颗粒物的消减;粒径越小的颗粒物在大气中停留的时间越长,传输距离越长,更不利于沉降。

3.2.2 不同季节路侧紫丁香叶表面吸附颗粒物情况及重金属浓度变化 春季叶新生,叶尚未成熟,叶面积较小,吸附能力较弱,夏季叶趋于成熟,叶表面皱缩,可吸附各种粒径颗粒物,尤其对大粒径颗粒物的吸附更为明显,秋季叶片变老,也表面平滑,有利于吸附小粒径颗粒物。不同季节的道路紫丁香叶表面17种元素的相对百分含量,最高的是Zn,Pb在春夏秋季含量均较高,Pb和Zn的排放与交通污染有直接关系,有研究表明,Zn、Mn、Fe、Al、Ba、Zn、Cu、Cr、Pb、Cd等元素的浓度随交通强度的增加而增加[20]。紫丁香叶表面Ba的含量虽然较少,而制动器磨损已被确定为Ba的主要排放源[21]。紫丁香叶表面检测出的多种有毒元素说明,城市路侧绿带是交通污染的重要吸滞器,而交通污染所对环境产生的危害应予以重视。

3.2.3 不同季节路侧紫丁香叶内污染物含量变化 路侧绿带紫丁香叶内10种重金属元素的含量以秋季最高,夏季次之,春季含量最少,这可能与污染元素随时间的累积有关,前人研究表明,置于污染中的植物叶片对重金属元素具有时间累积特性[22-23],Daud等[24]表明,汽车尾气的排放会影响树叶中的重金属元素的含量,且重金属含量与道路交通流量、路网密度、植被类型等均有密切关系。此外,紫丁香叶内Fe、Al、Mn、Ba、Zn的含量较高,这些重金属是土壤的天然成分,是植物发育所必需的微量元素[25-26],但同时也可能来源于机动车发动机磨损以及推力轴承和制动器之间的磨损[27]。此外,紫丁香叶内也检出了一定含量的Pb、Cd、Cr、Co、Ni元素,有研究证明,这些元素与人为排放和大气污染物浓度有关[28]。

3.2.4 不同季节路侧紫丁香绿带对PM消减差异影响因素 路侧紫丁香绿带的各粒径PM质量浓度之间存在显著相关性,这可能与颗粒物的成长及传输有关。紫丁香绿带的PM消减率与空气温度(AT)、湿球温度(WB)和露点温度(DP)的相关性呈显著负相关,与相对湿度呈显著正相关,且相关性最强的是PM10和PM0.5,相关系数均为0.86,而与风速的相关性不显著。研究表明,绿带可以通过降温和增湿作用影响颗粒物的浓度,绿带对颗粒物的消减率随着空气温度的增加而降低,呈负相关,随相对湿度的增加而增加,具正相关性[29]。这是因为空气温度较高时,颗粒物中溶水性较强的离子如硫酸盐等易膨胀,在空中不发生沉降作用,导致污染物累积,特别是冬季,温度较低,湿度较大,PM浓度累积较为严重,植物对其难以消除[30]。颗粒物本身质量较轻,当空气湿度较大时,PM与空气中的水分子结合,从而变得有利于沉降。绿地还可以通过控制风速改变大气颗粒物浓度,风速较高时,大气对流充分,风从地面吹回空气,可有效减少PM的数量,促进颗粒物的扩散[31]。绿地也可以通过植物的阻碍降低林内风速,提高颗粒物的滞留[32]。周丽等[33]指出,风在进入林带后会形成湍流,改变风速和风向,通过减弱风携带颗粒物的能力,促使其发生堆积和沉降,有效防止颗粒物污染的扩散。万好等[34]指出风速对空气颗粒物浓度影响因地域环境的不同而存在较大差异。但本研究中路侧绿带对大气颗粒物的消减率与风速无明显的相关性,原因可能是紫丁香较低矮,对风速影响较小,也可能与当地地域环境有关。

比较PM消减率与叶片重金属含量之间皮尔逊相关系数发现,PM消减率主要受粒径、微气候因子、植物生长状态及季节等因素的共同影响[35]。6种粒径大气颗粒物的消减率与叶片内重金属含量呈正相关,其中PM2.5的消减率相关性最强,原因可能与颗粒物粒径的大小有关,粒径越小,林内PM浓度越高,叶片对其吸附压力越大;粒径越大,颗粒物重量越高,越不利于叶片对重金属的吸附[36]。