城市道路大气中粉尘浓度的时空变异及滞尘植物配置研究

陈颖佳 刘中兵

摘要：对城市道路大气中粉尘浓度的季节变化、日变化、道路平面横向变化、道路立面纵向变化等时空变异规律进行综述和分析，将道路大气中粉尘浓度时空变异的原因归纳为季候变化、天气变化、街道特征变化、道路级别与方位变化和交通流量变化，并提出了基于大气中粉尘浓度时空变异的滞尘植物配置。

关键词：城市道路；大气粉尘浓度；时空变异；滞尘植物配置

中图分类号：S731.2；X513 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）04-0051-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.04.013

Study on Spatio-Temporal Variability of Atmospheric Dust Concentration and Dust-retention Plant Design in Urban Road

CHEN Ying-jia，LIU Zhong-bing

（Department of Landscape Architecture，Wuhan Institute of Biological Engineering，Wuhan 430415，China）

Abstract： The spatio-temporal variation rules of seasonal and diurnal variation， lateral plane variation and longitudinal elevation variation of atmospheric dust concentration in urban road were summarized and anylazed. The reasons of spatio-temporal variation of atmospheric dust concentration were come down to changes of season，weather， road characteristic， road class and direction， magnitude of traffic flow. And it was come up with the dust-retention plant design according to the spatio-temporal variation rules of atmospheric dust concentration.

Key words： urban road； atmospheric dust concentration； spatio-temporal variability； dust-retention plant design

城市道路是人、车、物流动量和污废物质排放量较大因而产尘量大而持久的地带，其尘埃影响范围不仅是线，而且还控制着一定区域内的面和立体空间。与其他绿地相比，道路绿地的平均单位面积绿量较小，而单位绿量所承载的尘埃量较大；单位绿量所暴露的绿体表面积较大，所承当的尘埃量较大；道路绿地受尘埃污染变化的影响较多、较频繁；道路绿地受尘埃污染的时间较长；道路绿地的植物组合结构较复杂，对环境的要求和适应性较复杂；对道路绿地的综合功能要求较多、较高。因此，城市道路大气中粉尘浓度变化对于城市道路植物的合理配置及其对城市生态环境、生活、生产和经济的发展有着重要的影响。本研究旨在通过对城市道路大气中粉尘浓度变化规律及植物滞尘能力已有研究的综合分析，提出基于大气中粉尘浓度时空变异的滞尘植物配置，以便为进一步开展道路园林植物滞尘能力研究和充分发挥城市道路园林绿地在治理大气中粉尘污染方面的作用提供资料。

1 道路大气中粉尘浓度的时空变异规律

植物滞尘环境中大气颗粒物质浓度和植物滞尘能力都能反映出植物滞尘的粉尘环境状况，颗粒物质量浓度高，表明大气中粉尘污染严重。杜双洋等[1]研究表明，同一树种因其栽植地不同，其滞尘量也有较大差异，即在道路上的滞尘能力远高于其在公园内的滞尘能力。张家洋等[2]研究表明，同种道路绿化树木的滞尘能力表现为污染区>清洁区。高国军等[3]研究表明，道路的植物叶片吸附颗粒物总量高于校园内的植物，大叶黄杨在道路上吸附颗粒物总量最大，3种植物在道路上对不同粒径的颗粒物吸附量均大于校园环境下的吸附量，植物叶片对颗粒物的吸附量随大气颗粒物浓度增加而增加。亦可表明同一植物滞尘能力强的地方，大气中粉尘污染严重。因此，可用大气中颗粒物质量浓度和植物滞尘能力的变化表明大气中粉尘浓度的变化。

1.1 道路大气中粉尘浓度的时间变异规律

1.1.1 季節变化规律 研究表明，一年中不同季节道路大气中粉尘浓度有着明显差别。李龙凤等[4]研究表明PM10、PM2.5质量浓度在季节变化规律上表现为秋、冬季节高于春、夏季节。赵利容等[5]研究显示广州市街道PM2.5、PM10质量浓度的季节变化，冬、春季污染最为严重，秋季次之，夏季空气质量相对较好。张莉[6]研究表明同一采样地点大部分道路绿化树种滞尘量的季节动态规律为冬季>秋季>春季>夏季，冬季达到一年的最大值。殷杉等[7]研究显示交通绿化带对机动车引起的TSP污染有明显的净化作用，其中夏、秋季净化百分率较高，春、冬季较低。张家洋等[2]研究表明同种道路绿化树木的滞尘能力表现为秋季>春季。陈治宇[8]对佛山市城区交通PM2.5污染特征的研究中，PM2.5浓度的季节变化规律为秋季>冬季>春季>夏季。刘海荣等[9]以天津市5种常绿灌木为研究对象，表明不同季节植物表现出了不同的滞尘能力，大叶黄杨、沙地柏、小龙柏为秋季>冬季>春季>夏季，凤尾兰为冬季>春季>秋季、夏季，小叶黄杨为冬季>秋季>春季>夏季。

1.1.2 日变化规律 研究表明，一日中不同时间道路大气中粉尘浓度有着明显差别。李龙凤等[4]对广州市街道PM10、PM2.5测定结果表明，PM10、PM2.5质量浓度日变化都呈上午低、下午高、21：00左右（夜间）出现峰值的特征。齐飞艳等[10]研究表明4种粒径（TSP、PM10、PM2.5、PM1）的空气颗粒物的浓度在8：00-18：00的日变化趋势呈倾斜L形，颗粒物浓度上午高，下午低。王月容等[11]、李新宇等[12]对北京市不同主干道绿地群落对大气PM2.5浓度消减作用的研究表明颗粒物的日变化呈现双峰单谷型特征，即早晚高，白天低。张灵艺等[13]研究表明植物群落中PM2.5随时间的大致变化在9：00浓度最低，之后曲折上升，在15：00达到最高，随后呈现缓慢下降趋势。徐欢等[14]研究表明综合各路段监测点以及不同时间段测得的PM2.5浓度，发现其日变化曲线大致呈M形，也是早晚较高、白天则略低。

1.2 道路大气中粉尘浓度的空间变异规律

1.2.1 道路平面横向变化规律 垂直道路方向自道路由近及远大气中粉尘浓度存在着横向变化规律。刘青等[15]研究表明粉尘飘落则显示出在不同距离点，由近及远呈现规律递减的现象。灰尘飘落有一定的规律性，在道路两旁水平方向2 m内灰尘量比较大，当距离在2 m以上位置时，灰尘有明显的下降，并出现逐步递减效果。郑敬刚[16]研究表明6种树种构成的绿化带其内侧滞尘量均大于外侧。王丹丹等[17]研究表明随着距离的增加滞尘量逐渐减少。

1.2.2 道路立面纵向变化规律 垂直地面方向自道路由近地面向大气中粉尘浓度存在着纵向变化规律。邱洪斌等[18]研究表明街道附近大气悬浮颗粒物污染相当严重，其中IP浓度在1.5、5.0、10 m 3个高度皆超过国家大气质量（GB3095-82）三级标准，TSP浓度也大部分超过三级标准。刘青等[15]研究表明垂直方向0.5 m之内扬尘浓度最高，并在0.5 m以上，灰尘呈现递减规律，在开敞式环境条件下，对同株植物叶片纵向不同高度滞尘量的比较发现，“低”位的滞尘量明显高于“高”位和“中”位，这是由于北京市在开敞式环境条件下，车辆行人繁多，造成路面较大程度的二次扬尘。江胜利等[19]研究表明在植物叶片不同高度的滞尘能力均表现为下部明显高于中部和上部。王丹丹等[17]研究表明随着高度的增加滞尘量逐渐减少。郑敬刚[16]研究表明由6种树种构成的绿化带不同部位的滞尘量表现为下部>中部>上部。

2 道路大气中粉尘浓度时空变异的原因分析

不同城区不同道路大气中粉尘浓度时空变异有着其与城市道路自然地理条件、街道道路状况、交通流量情况等相适应的特点，引起其大气中粉尘浓度时空變异的原因可归纳为季候变化、天气变化、街道特征变化、道路级别与方位变化、交通流量变化。

2.1 季候变化

李龙凤等[4]研究显示PM10、PM2.5质量浓度在季节变化规律上表现为秋、冬季节高于春、夏季节，这与广州春、夏季节大气扩散条件好、降水多，而秋冬季节气候干燥、少雨、逆温天气频繁出现等气象条件有关。赵利容等[5]研究显示广州市区街道PM2.5、PM10质量浓度的季节变化与广州亚热带季风气候有关，均在12月出现最高值，7月出现最小值。

2.2 天气变化

邱洪斌等[18]研究表明TSP浓度与绝对气温呈负相关关系，与气压呈正相关关系，相对湿度大，TSP浓度降低，TSP浓度随风速增加而减小，当风速超过一定界限时，风速越大，扬尘污染越重。齐飞艳等[10]研究表明风速和风向对绿化林带净化颗粒物有影响，风向与扬尘飘向相反时，不利于来回车辆引起的扬尘的沉降及扩散，风速大时空气中颗粒物的浓度相对较小，呈负相关。樊文雁等[20]对8、80、240 m 3种高度观测结果表明，雾、霾、晴3种典型天气状况大气细粒子（PM2.5）质量浓度垂直分布各有特点，雾天低层浓度明显偏高，霾天细粒子上下混合均匀，晴天细粒子昼夜变化明显。

2.3 街道特征变化

赵利容等[5]研究表明广州市街道的显著特征是路面狭窄，路口多，高架桥纵横交错，在近地面形成立体式的污染排放。加之高大密齐的建筑群等产生的峡谷效应，以及广州地面小风和静风多的气象特点均不利于污染物的扩散，污染物在近地面层容易产生累积效应，加重了广州市区街道的空气污染。

2.4 道路级别与方位变化

陈玮等[21]研究表明在沈阳，以桧柏为例，在不同位置的滞尘能力排序为机动车与自行车道分车带>自行车与人行道分隔带>公园内同株树面对街道面>公园内同株树背离街道面。樊守彬等[22]研究表明城区主干道、次干道PM10排放强度大，郊区国道、市道、县道和乡道PM10排放强度逐渐降低。郑敬刚[16]研究表明不同的道路等级尘埃浓度不同。许妍等[23]研究表明受到每种类型道路车流量不同的影响，TSP、PM10、PM2.5排放强度为环线>主干路>次干路>支路。

2.5 交通流量变化

樊守彬等[22]研究表明交通扬尘PM10排放强度随车流量的增大而增强。齐飞艳等[10]研究表明道路空气颗粒物主要来源于来回车辆引起的扬尘，车流量与颗粒物浓度呈正相关。余曼等[24]研究表明滞尘能力与车流量呈正相关。杨柳等[25]研究表明北京常规交通状况下道路边大气中颗粒物浓度在午夜前后、正午前后和交通晚高峰期间显著增加，符合交通流量的遂时变化规律。杨丽[26]研究表明3种植物滞尘能力与车流量呈显著正相关关系。徐欢等[14]研究表明PM2.5浓度的日变化曲线与道路车流量变化曲线起伏基本一致。

3 基于道路大气中粉尘浓度时空变异的滞尘植物配置

城市道路大气中粉尘浓度存在明显的时空变异，为了全时域、全方位防治城市大气粉尘污染，优选出相应的滞尘植物配置模式，需从滞尘植物种的选择、滞尘植物群落选择、滞尘绿地系统选择进行三级优选，构建适应道路大气中粉尘浓度时空变异规律的、滞尘效益高的滞尘植物配置模式。

3.1 适于当地生长、滞尘效率高、滞尘持久的植物种选择

城市街道上植物生长的土壤和大气环境条件较差，地面有行人的践踏摇碰、损伤和铺装路面的强烈辐射，空中有电线电缆的障碍和建筑物的遮阴，地下有地下管线的障碍和伤害等。因此，城市道路绿化植物首先要选择对城市街道上各种不良条件有较高抗性、较强适生性的植物种，这是滞尘植物种选择的先决条件。在不同植物种类滞尘能力强弱方面的研究较多，因植物所处位置、环境差异及受研究者主观因素等影响，导致结论不同，甚至有较大差异。应根据立地条件选择滞尘能力强的植物种类作为城市道路绿地滞尘植物种。应根据植物滞尘饱和时间和饱和量的不同选择植物配置。王凤珍等[27]研究表明各树种滞尘能力随时间变化其变化趋势不同。有的滞尘能力随时间延长而增大幅度较大，一段时间后达到最大值，如勒杜鹃；有的增大幅度较小，一段时间后达到最大值，如凤凰木；有的在较短时间内达到其最大值，在一个滞尘周期内滞尘能力变化幅度较小，如苏铁。树种的滞尘能力可能决定其达到最大滞尘量的时间。张放等[28]研究表明，植物叶片的滞尘量不是随时间无限增长的，随着滞尘时间的延长，单位时间内的滞尘量缓慢减少。植物叶片的滞尘能力与环境中的降尘量以及滞尘时间有关，植物不同的叶表面结构也对其有一定的影响。杨丽[26]研究表明不同绿化植物叶面滞尘量达到饱和的时间夏季约为12 d，秋季约9 d，且3种植物秋季叶片平均滞尘量大于夏季。高国军等[3]研究表明不同植物叶片吸附颗粒物能力差异显著，3种植物中大叶黄杨吸附颗粒物能力最强，毛白杨与洋白蜡吸附颗粒物的能力相近，洋白蜡叶表面易达到最大饱和量。植物种的组成是植物群落的基础，因此选择适宜的滞尘植物种不仅保证了植物种具有高效持久的滞尘能力，也是提高植物群落滞尘能力的基础。

3.2 适于当地道路大气中粉尘浓度时空变异、植物量合宜的滞尘植物群落的选择

要求建立适于当地道路大气中粉尘浓度时空变异的植物群落结构，常绿与落叶植物合理搭配，叶面积与绿量合宜、郁闭度与疏透度适当的滞尘植物群落。

3.2.1 建立适于当地道路大气中粉尘浓度时空变异的滞尘植物群落结构 冯建军等[29]研究表明若植物种类多、乔-灌-草立体结构明显、绿化带宽，则对大气污染的净化效果越显著，乔-灌-草结构的滞尘能力越强。周志翔等[30]研究表明植物群落滞尘率是多行复层绿带>单行乔木绿带。罗曼[31]对武汉市青山区不同群落结构绿地研究表明，对PM2.5、PM5和PM10的消减率为乔-灌-草>乔-草>灌-草>乔木>草坪，对TSP的消减率为乔-灌-草>灌-草>乔-草>乔木>草坪。陈小平等[32]研究表明主干道机非隔离绿化带的最优结构是乔灌结构，次干道最优结构是乔-灌-草结构，支路3种结构类型（乔灌草、乔灌、灌木）的道路绿化带对TSP净化效率差异不明显。高国军等[3]研究表明低矮灌木（大叶黄杨）主要吸附地面扬尘，对10～100 μm粒径的颗粒物吸附比例高于乔木；乔木（毛白杨和洋白蜡）对0.2～2.5 μm粒径的颗粒物吸附比例高于低矮灌木。徐欢等[14]提出PM2.5的消减作用的强弱与其植物配置方式与植物种类组成有一定的关系，郁闭度较高的多复层群落结构明显优于郁闭度较低的单层群落结构。对比3块绿地的植物配置，无论是在遮阴效果还是在PM2.5污染的消减能力上，相对于乔-灌-草的渐次配置类型，道路绿带中乔+灌+草-喬配置结构都更有优势。这一点可证明在应对PM2.5方面，乔木能够起到十分重要的作用。因此，选择滞尘能力强的乔灌草植物，并以乔灌草不同生活型植物进行合理配置，是提高城市道路绿地滞尘效益的有效途径。

3.2.2 常绿与落叶植物的选择与搭配 已有研究表明，常绿与落叶植物的生理特性、生长发育习性、生态环境功能、景观、栽培管理要点等都有不同，应在综合各相关影响因素的情况下，基于大气中粉尘浓度时空变异合理进行常绿与落叶植物的配置。张智勇等[33]研究表明常绿树与落叶树在环境景观、区域生态、落叶清扫、工程建设、树木养护等方面各有利弊；常绿植物具有树叶常年保持不变的形态，其四季景色变化较少，只有一些花、果实的变化，而落叶植物则四季变化较大；落叶树枝叶一般都较大、密集、且多为薄质，而常绿树一般为小枝叶，且厚革质，对于遮阴降温的效果落叶树比常绿树强；常绿树的生长速度较慢，且成材较慢，落叶树则不同，一般生长速度和成材都很快。宜丽娜等[34]研究表明落叶树叶片内，SOD（超氧化物歧化酶）、CAT（过氧化氢酶）活性、可溶性糖含量和Pro（脯氨酸）含量基本上都高于常绿树，初步认为落叶树的抗逆性高于常绿树。欧阳明等[35]研究表明，落叶与常绿树种叶的NSC（非结构性碳水化合物）含量差异显著，常绿树种叶的NSC大于落叶树种。亚热带落叶与常绿树种的NSC的储存、季节动态、转移和转化特征均反映出2种生活型树种的糖适应机制不同，落叶树通过低存储、快变化、叶与多年生枝的糖转移和转化关系显著的适应策略，常绿树则采取高存储、慢变化、叶与1年生枝的糖转移和转化关系显著的适应策略。廖德宝等[36]研究表明与落叶阔叶树相反，常绿植物却可以通过气孔调节提高水分利用效率和通过电子分配耗散多余能量来适应干旱和低温的胁迫而使叶片维持四季常绿。白坤栋等[37]研究表明落叶树种的PNUE（光合氮利用效率）都显著高于常绿树种。白坤栋等[38]研究表明常绿树种比落叶树种有显著较高的氮再吸收效率和磷再吸收效率。一些研究者结合当地情况提出了城市道路绿化常绿树与落叶树的比例。杨琴军等[39]认为武汉市道路绿化常绿树种与落叶树种1∶1.5较为合适。马跃等[40]认为重庆市主城区行道树中常绿乔木与落叶乔木在数量上以1.5∶1为宜。基于常绿植物与落叶植物生理生态特性、栽培管理特点、滞尘作用效果及其时空分配等情况进行常绿与落叶植物的选择与搭配是提高植物群落滞尘效果的重要环节。

3.2.3 叶面积与绿量合宜、郁闭度与疏透度适当的滞尘植物群落的选择 殷杉等[7]研究显示为达到较高的TSP净化效益，交通绿化带宽度应不小于5 m，最佳为10 m，采用先灌后乔的配置方式，并更多选常绿树种；绿地对TSP的净化百分率同植物群落的郁闭度呈正相关，同疏透度呈负相关关系；绿地内植物郁闭度的最佳范围为0.70～0.85，疏透度的最佳范围为0.25～0.33。蔺银鼎等[41]研究表明净化PM10过程中三因子的重要性排序依次为高度、疏透度、宽度。净化TSP过程中的重要性依次为疏透度、高度、宽度。王月容等[11]对北京市道路绿地对PM2.5的消减作用的研究指出，其宽度至少要达到30 m左右才能取得较好的滞留颗粒物的作用，同时，复层绿带要优于单层绿带。牟浩[42]研究表明道路绿带对各种大气污染物削减效率最佳的宽度为10 m。陈小平等[32]研究表明TSP净化效率与郁闭度呈显著正相关，当郁闭度在75%～90%时净化效率保持较高的值，且当郁闭度在85%左右时，净化效率达到最高值。TSP净化效率与疏透度呈显著负相关，在疏透度为15%左右时，净化效率达到峰值。当疏透度低于10%时，净化效率呈降低趋势。王国玉等[43]研究表明道路绿地随着绿地宽度的增加，绿地消减PM2.5效率呈先升后降，后段趋于平稳的趋势，根据现有数据情况，在绿地宽度26～36 m段内，PM2.5平均消减率均为负值，且趋势趋平。因此，在选择好适宜当地生长的、滞尘能力强的植物种，合理地进行各植物种搭配的情况下，建立起叶面积与绿量合宜、郁闭度与疏透度适当的滞尘植物群落，才能更好地发挥其滞尘作用。

3.3 道路滞尘绿地系统的配置

在依据城市道路大气中粉尘浓度的时空变异进行植物配置时，植物种类滞尘能力是植物群落滞尘能力的基础，植物群落滞尘能力是植物绿地系统滞尘能力的基础，而植物绿地系统则是发挥植物滞尘效益的最高级植物配置形式，因而应通过城市道路绿地系统的规划和管理，充分发挥植物滞尘效益。祝宁等[44]提出，从绿地到绿地系统是一个很大的进步，因为它的起点更高，视角更广，从而使城市绿地系统的规划和管理更全面、更科学。周志翔等[45]提出，当绿地覆盖率小于40%時，绿地整体生态效益的发挥主要取决于绿地的内部结构和空间布局。魏斌等[46]提出，通过对国内外城市绿地效果的分析发现，当绿地覆盖率小于40%～60%时，绿地的内部结构和空间分布的程度更显示其重要性。道路滞尘绿地系统包括各级道路廊道绿地、路旁小游园、高架桥绿地、路角绿地斑块、导向岛绿地等，这是一个通过将各级道路廊道绿地与各类块状绿地在平面与立面数量、规模、层次和分布上，在结构、特性和功能上，构成的相互联系、相互制约的有机的、系统的、动态的、开放的、网络化的绿地系统。合理地进行道路滞尘绿地系统的配置需考虑区域立地条件（地形、地貌、土壤、气候等）、区域滞尘环境（滞尘环境的平面、立面、季节、日变化等）、交通状况（街道特征、道路级别与方位、交通流量等）、植物配置（植物种类、植物群落结构、植物生长特性如生长快慢与体型大小等）、功能需求（景观、生态、环境、建造、文教功能等）等方面的基础。

4 小结

对城市道路大气中粉尘浓度的季节变化、日变化、道路平面横向变化、道路立面纵向变化等时空变异规律进行综述和分析，将道路大气中粉尘浓度时空变异的原因归纳为季候变化、天气变化、街道特征变化、道路级别与方位变化和交通流量变化。对适于当地生长、滞尘效率高、滞尘持久的植物种选择、适于当地道路大气中粉尘浓度时空变异、植物量合宜的滞尘植物群落的选择、道路滞尘绿地系统的配置进行了分析，提出了基于道路大气中粉尘浓度时空变异的滞尘植物配置。

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