王慧，郭晉平，張蕓香

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷030801）

公路氣態(tài)污染物主要來源于各類機(jī)動(dòng)車的尾氣排放，其中主要是二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）對(duì)路域環(huán)境產(chǎn)生危害［1，2］，特別是城市道路兩側(cè)，水平距離50m以內(nèi)和高度1．7m以下范圍內(nèi)的大氣所受污染最為嚴(yán)重，對(duì)人群造成嚴(yán)重危害［3，4］。公路綠化帶在污染物擴(kuò)散過程中能對(duì)SO2、NOx起到吸收、阻滯和過濾的作用［5～7］。高速公路兩側(cè)綠化帶對(duì)SO2的凈化作用顯著，楊樹（Populus ssp）葉片硫含量與車流量呈顯著正相關(guān)［5，8，9］；但綠化帶樹種組成不同，對(duì) H2S、NO2等大氣污染物的防護(hù)效果也不同［6］，無論郊野森林［10］城市道路綠地［11］或工業(yè)園區(qū)綠地［12］不同森林類型或樹種對(duì)大氣硫的凈化能力差異顯著。因此，研究不同樹種和不同結(jié)構(gòu)特征的林帶對(duì)道路氣態(tài)污染物的凈化效應(yīng)，掌握林帶組成結(jié)構(gòu)特征與污染物凈化功能的關(guān)系對(duì)道路綠化設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。熏氣實(shí)驗(yàn)是研究樹木對(duì)SO2和NOx的同化和抵抗?jié)摿Φ某Ｓ梅椒ǎ?1，13～15］，可以為綠化樹種選擇提供依據(jù)，但不適于大范圍公路綠化帶對(duì)其凈化效應(yīng)的研究。本研究以山西省典型公路綠化帶為研究對(duì)象，對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)及其林帶特征因子的關(guān)系進(jìn)行研究，為綠化帶大氣凈化效應(yīng)評(píng)價(jià)和綠化帶的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對(duì)象和研究方法

1．1 研究對(duì)象概況

山西省公路綠化工程于2006年開始全面實(shí)施，是“十一五”期間山西省六大林業(yè)生態(tài)工程“通道綠化工程”的主體部分，要求對(duì)全省各等級(jí)公路兩側(cè)進(jìn)行全面綠化，國道和省道兩側(cè)各建設(shè)5～10 m的綠化帶，高速路兩側(cè)各建設(shè)20～50m的綠化帶。通過5年的建設(shè)實(shí)踐，加上以往的公路綠化成果，基本建成了比較完善的道路綠化體系，形成了多種結(jié)構(gòu)的類型。根據(jù)本研究的目標(biāo)和要求，總結(jié)現(xiàn)有的綠化帶結(jié)構(gòu)特征，已經(jīng)建成的綠化帶可分為6種綠化帶結(jié)構(gòu)類型，見表1（因多數(shù)樹種林帶寬度未達(dá)到50m，故未考慮林帶寬度）。以這6種結(jié)構(gòu)類型的綠化帶為研究對(duì)象，選擇典型路段，布設(shè)典型樣帶，對(duì)綠化帶的路旁近地面氣態(tài)污染物SO2和NO2凈化效應(yīng)進(jìn)行研究。

表1 公路綠化帶結(jié)構(gòu)類型及劃分依據(jù)Table 1 Structure types of Roadside tree－belt and the classification

1．2 典型路段的選定及樣帶布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)有公路綠化帶結(jié)構(gòu)特征類型，考慮到高速、國道及省道等各類公路的代表性，選定31個(gè)典型路段，在每個(gè)典型路段及其相鄰的對(duì)照路段，路側(cè)的綠化帶橫向布設(shè)樣帶。為保證代表性，要求典型路段遠(yuǎn)離居民區(qū)和工業(yè)污染源，路段長度大于200m；同時(shí)要求其附近要有一段無林帶路段，作為對(duì)照路段，長度不少于50m。

在選定的典型路段，垂直于公路分別設(shè)置3條（公路綠化帶路段）和1條（無林帶對(duì)照路段）樣帶，根據(jù)綠化帶寬度確定樣帶寬度，使樣帶面積不少于400m2，同時(shí)保證樣帶內(nèi)所包含的主要樹種的株數(shù)不少于30株。各典型路段概況見表2。對(duì)樣帶內(nèi)喬木樹種進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定主要樹種高度，按株數(shù)比例計(jì)算樹種組成，采用標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)角線上樣點(diǎn)法測(cè)定郁閉度。

1．3 大氣SO2和NO2污染樣品采集與測(cè)定

在2010年6月～10月，選擇晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)天氣，在每一樣帶內(nèi)按離開路沿的距離設(shè)置距離梯度調(diào)查樣點(diǎn)，距離梯度為0、5、10、20、30、40、50m，分別上午（9：00到12：00）和下午（14：00到17：00）在每個(gè)樣點(diǎn)采集樣品，每個(gè)樣點(diǎn)取重復(fù)樣品3個(gè)。

樣品的采集按照國家環(huán)境保護(hù)總局編制的空氣和廢氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析方法進(jìn)行采樣。SO2用甲醛緩沖溶液吸收法采集，NO2用滲透法制備的NO2校準(zhǔn)用混合氣體吸收法采集，采用GS．3B型大氣采樣器，用內(nèi)裝10mL吸收液的采氣瓶流量0．5L·min－1～1L·min－1，時(shí)間1h，采樣高度距地面1．5m。每次采樣都記錄采樣日期、采樣地點(diǎn)、采樣開始和結(jié)束時(shí)間、流量。樣品在采樣、運(yùn)輸和存放過程中要避免日光直接照射。

采回的樣品分析之前放置在冰箱中保存（＜5℃），存放時(shí)間不超過3天。SO2含量采用甲醛緩沖溶液吸收－鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法（GB／T15262－1994）測(cè)定，NO2含量采用 Saltzman法（GB／T15435－1995）測(cè)定。

1．4 凈化效應(yīng)分析指標(biāo)

1．4．1 梯度凈化率

用SO2和NO2的梯度凈化率表征綠化帶各采樣梯度上的SO2、NO2的過濾效應(yīng)，計(jì)算公式如下：P（%）＝ （Cr－1－Cr）／r×100%（用Pg 表示）

式中：Cr是綠化帶采樣梯度上某一測(cè)點(diǎn)的SO2和NO2含量，Cr－1是綠化帶采樣梯度上前一測(cè)點(diǎn)的SO2、NO2含量，r為距離梯度。

1．4．2 凈化百分率

用SO2和NO2的凈化百分率表征綠化帶總體對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)，計(jì)算公式為：

P（%）＝ （Ci－Cj）／Cj×100%（用Pt表示）

式中：Ci是綠化帶內(nèi)側(cè)樣品的SO2和NO2含量，Cj是綠化帶外側(cè)樣品的SO2和NO2含量。

表2 山西省氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)典型路段概況表Table 2 Tree－belt general characters of typical road section in Shanxi in this research

2 結(jié)果與分析

2．1 路旁SO2和NO2擴(kuò)散格局

對(duì)所有無綠化路段及有綠化帶典型路段樣帶內(nèi)各距離梯度SO2和NO2濃度的實(shí)測(cè)值，分別計(jì)算平均值，繪制成路旁SO2和NO2擴(kuò)散格局分析圖，見圖1。由圖1可見，無綠化帶和有綠化帶路段的路旁SO2和NO2的擴(kuò)散都存在顯著的格局，且綠化帶明顯改變了SO2和NO2的擴(kuò)散格局，對(duì)公路交通運(yùn)行所引起的SO2和NO2污染都有明顯的凈化效應(yīng)。其中，綠化帶對(duì)SO2污染的凈化效應(yīng)略高于對(duì)NO2污染的凈化效應(yīng)，由路基處到30 m處，SO2濃度從0．044mg·m－3降至0．007mg·m－3，凈化率平均可達(dá)83．10%，到50m處可降至0．002mg·m－3，凈化率均可達(dá)95．68%；而NO2濃度則由路基處的0．030mg·m－3到30m處降到0．014mg·m－3，凈化率為58．84%，到50 m處降到0．010mg·m－3，凈化率達(dá)到77．32%。對(duì)無綠化帶路段和有綠化帶路段各點(diǎn)上SO2和NO2濃度含量進(jìn)行差異顯著性T檢驗(yàn)，結(jié)果表明，兩者之間SO2和NO2濃度均在0．01水平上有極顯著差異，進(jìn)一步表明綠化帶對(duì)SO2和NO2污染都有明顯的防護(hù)效應(yīng)。

圖1 有綠化帶與無綠化帶路段路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局對(duì)比分析圖Fig．1 Dispersion patterns of SO2and NO2along the distance gradient at roadside with and without tree－belt

2．2 不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶對(duì)SO2和NO2凈化效應(yīng)

對(duì)6種結(jié)構(gòu)類型的綠化帶典型路段樣帶內(nèi)各距離梯度上SO2和NO2的濃度值，繪制成不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局分析圖，見圖2。

圖2 不同結(jié)構(gòu)類型綠化帶路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局Fig．2 SO2and NO2dispersion patterns in roadside with different types of tree－belts

由圖2可見，在不同結(jié)構(gòu)綠化帶作用下，路旁SO2和NO2的擴(kuò)散格局明顯不同。綠化帶在5m范圍內(nèi)即可表現(xiàn)出較強(qiáng)的凈化效應(yīng)，SO2的凈化率為38．30%～54．91%，梯度凈化率為0．361%～0．979%，濃度可由0．027mg·m－3～0．079mg·m－3降至0．014mg·m－3～0．035mg·m－3；NO2的凈化率為8．58%～23．87%，梯度凈化率為0．043%～0．177%，濃度由 0．013mg·m－3～0．077mg·m－3降至0．010mg·m－3～0．069mg·m－3；到10m處，綠化帶凈化效應(yīng)更好，SO2的凈化率達(dá)到54．59%～71．10%，梯度凈化率為0．044%～0．148%，濃度可降至0．009mg·m－3～0．026mg·m－3，NO2的凈化率達(dá)到16．58%～47．27%，梯度凈化率為0．023%～0．064%，濃度可降至0．007mg·m－3～0．062mg·m－3；其中均以多樹種高密度型綠化帶的對(duì)SO2和NO2的凈化率最高，分別達(dá)73．06%和47．27%。隨著距離的增加，各類型綠化帶對(duì)SO2和NO2的梯度凈化率都遞減，但不同結(jié)構(gòu)綠化帶的凈化效應(yīng)差異顯著，在距路沿20m處，單樹種高密度寬帶型林帶對(duì)SO2的凈化效應(yīng)較高，凈化率可達(dá)81．71%；而多樹種高密度型林帶對(duì)NO2的凈化效應(yīng)較好，凈化率為64．02%，其次為單樹種高密度型林帶。在30 m以后，單樹種高密度寬帶型綠化帶對(duì)SO2能保持較好的凈化效應(yīng)，在30m處的凈化率已經(jīng)高達(dá)90%以上，梯度凈化率為0．015%，梯度凈化率為0．003%～0．009%；單樹種高密度窄帶型和多樹種高密度型綠化帶對(duì)NO2都表現(xiàn)出較好的凈化效應(yīng)，在30m之后，多樹種高密度型好于單樹種高密度型，梯度凈化率較高為0．004%～0．018%，30m處凈化率已達(dá)80%以上。

2．3 公路綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與綠化帶特征因子的相關(guān)性

對(duì)5m～30m各距離梯度上各類綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化率與道路車流量和綠化帶郁閉度、疏透度、密度、樹高、冠幅、胸高斷面積、林下植被和林冠葉面積指數(shù)等林帶特征因子做相關(guān)關(guān)系顯著性分析，結(jié)果見表3。

表3 林帶對(duì)SO2和NO2的凈化率與車流量及林帶特征因子的相關(guān)性Table 3 Correlations of purification rate of SO2and NO2and traffic flow and tree characteristic factors

由表3可見，綠化帶在5m、10m、20m處對(duì)SO2的凈化率，以及在5m、10m處對(duì)NO2的凈化率與公路車流量存在顯著或極顯著正相關(guān)，車流量越大，SO2和NO2污染越嚴(yán)重，凈化效應(yīng)越明顯。綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化率與多種林帶特征因子有顯著的相關(guān)關(guān)系，在各距離梯度上SO2和NO2的凈化率與綠化帶郁閉度呈極顯著正相關(guān)，與疏透度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與林帶密度、主要樹種高度、林帶平均冠幅、胸高斷面積和葉面積指數(shù)在不同程度上呈顯著或極顯著正相關(guān)；在10m、20m和30m處綠化帶對(duì)SO2的凈化率與綠化帶中有無灌木結(jié)合均呈極顯著正相關(guān)，而林下植被狀況與NO2的凈化率相關(guān)性不夠顯著。

3 討論

（1）綠化植物對(duì)于一定濃度范圍內(nèi)的大氣污染物，不僅具有一定程度的抵抗力，而且也具有相當(dāng)程度的吸收能力。植物可以通過氣孔和皮孔，吸收氣態(tài)污染物，在體內(nèi)被利用、轉(zhuǎn)化、降解或積累，對(duì)大氣污染起到凈化作用［16］。植物對(duì)氣態(tài)硫和氮氧化物的吸收十分可觀，機(jī)動(dòng)車排放的NOx可被植物吸收并引起植物葉片中 N含量的增加［17～20］。公路綠化帶對(duì)公路交通運(yùn)行所引起的SO2和NO2污染都有明顯的凈化效應(yīng)［5］。本研究中，綠化帶對(duì)SO2的凈化效應(yīng)略高于NO2，它們?cè)诖髿庵袛U(kuò)散模式不同，SO2可以隨氣流飄散到較遠(yuǎn)的地方，也可與水汽、塵粒結(jié)合，在空氣中滯留，因此綠化帶對(duì)其凈化效應(yīng)比較顯著；而空氣中NOX的重要來源是土壤氮素釋放和大氣氮沉降，近地面NO2濃度變化與氣流停滯及大氣中O3濃度背景值相關(guān)［7，21，22］，且 NOX在空氣中的穩(wěn)定性較低，在大氣中停留時(shí)間較短，增加了NO2定量研究的難度。

（2）不同結(jié)構(gòu)類型的綠化帶對(duì)SO2和NO2凈化效應(yīng)明顯不同。在5m處綠化帶即可表現(xiàn)出對(duì)道路SO2和NO2污染的凈化效應(yīng)，在30m對(duì)SO2和NO2的凈化率分別達(dá)到83．10%和58．84%，在50m處的凈化率分別達(dá)到95．7%和77．30%，說明超過30m后綠化帶對(duì)SO2和NO2仍有進(jìn)一步的凈化效應(yīng)，但凈化效應(yīng)不顯著。總體來說，高密度型長勢(shì)較好的綠化帶對(duì)兩種氣態(tài)污染物的凈化效應(yīng)更好，但綠化帶不宜過密，以致影響空氣流通和擴(kuò)散，進(jìn)而影響凈化效應(yīng)，特別是對(duì)于NO2來說，疏透度較大的綠化帶更易于擴(kuò)散；喬木密度過大還會(huì)影響樹木的持續(xù)旺盛生長，最終可能會(huì)導(dǎo)致植物群落衰退［23］。本研究中，單樹種低密度型綠化帶中楊樹林均高于10m，對(duì)SO2、NO2污染均表現(xiàn)出較好的凈化效應(yīng)，尤其是在距公路20m之后亦可維持較高的凈化效應(yīng)。因此可以得出，高度大于10m長勢(shì)良好的綠化帶可阻擋氣流從林冠上層越過，減少污染氣體向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，提高了綠化帶的凈化效應(yīng)。

（3）本研究中，綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與公路車流量呈顯著正相關(guān)，而車流量在很大程度上決定公路兩側(cè)SO2和NO2污染物的濃度，說明車流量越大SO2和NO2污染越嚴(yán)重，綠化帶的凈化效應(yīng)越顯著。相關(guān)分析表明綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與綠化帶郁閉度、林帶密度、主要樹種高度、100m林帶胸高總斷面積及葉面積指數(shù)呈明顯的正相關(guān)，與林帶疏透度呈負(fù)相關(guān)，灌草結(jié)構(gòu)與喬木層相結(jié)合會(huì)增加綠化帶對(duì)空氣的凈化效益。此外，本研究采校時(shí)間為落葉樹種生長季節(jié)，而常綠樹種在一年四季均具有大氣污染防護(hù)效應(yīng)，有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）公路綠化帶顯著改變了路旁大氣近地面SO2和NO2的擴(kuò)散格局，對(duì)道路SO2和NO2污染有顯著凈化效應(yīng)。綠化帶對(duì)SO2的凈化效應(yīng)高于對(duì)NO2的凈化效應(yīng)，SO2濃度由路沿處的0．044 mg·m－3到50m距離處可降至0．002mg·m－3，凈化率平均達(dá)95．68%；而NO2濃度由路沿處的0．030mg·m－3在50m 處可降至0．010mg·m－3，凈化率平均達(dá)77．32%。

（2）綠化帶在5m距離范圍內(nèi)即對(duì)路旁近地面大氣SO2和NO2有較強(qiáng)的凈化效應(yīng)，在30m距離范圍內(nèi)凈化效應(yīng)持續(xù)顯著增強(qiáng)，超過30m到100m范圍內(nèi)，綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)顯著降低，寬帶型和窄帶型綠化帶的凈化率差異不顯著。綠化帶對(duì)路旁近地面大氣SO2和NO2的凈化率與公路車流量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，車流量越大，SO2和NO2污染越嚴(yán)重，綠化帶的凈化效應(yīng)越顯著。

（3）綠化帶結(jié)構(gòu)顯著影響公路綠化帶對(duì)路旁近地面大氣SO2和NO2污染的凈化效應(yīng)，單從凈化大氣污染物SO2和NO2而言，公路綠化帶寬度不應(yīng)小于30m，但不宜過寬。公路綠化帶對(duì)SO2和NO2的凈化效應(yīng)與多種林帶特征因子相關(guān)，對(duì)于已定種植密度的綠化帶，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊?，使其成林后郁閉度＞0．6，樹木高大并且栽植喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)，會(huì)增大林帶的SO2凈化效應(yīng)，而綠化帶的郁閉度在0．4～0．65之間，疏透度良好適應(yīng)樹木枝葉伸展及高生長的林分對(duì)NO2有較顯著的凈化效應(yīng)。

［1］Viskari E L，Kossi S，Holopainnen J K．Norway spruce and spruce shoot aphid as indicators of traffic pollution［J］．Environmental Pollution，2000，107：305－314．

［2］孫常成，孫常榮．淺論公路工程對(duì)周圍環(huán)境的影響及防治［J］．山西交通科技，2005（1）：29－31．

［3］Neofytou P，Venetsanos A G，Rafailidis S．Numerical investigation of the pollution dispersion in an urban street canyon［J］．Environmental Modelling and Software，2006，21：525－531．

［4］Kaur S，Nieuwenhuijsen M J，Colvile R N．Pedestrian exposure to air pollution along a major road in Central London［J］．UK Atmospheric Environment，2005，39：7307－7320．

［5］杜振宇，邢尚軍，宋玉民，等．山東省高速公路綠化對(duì)空氣的凈化效果研究［J］．山東林業(yè)科技，2006（3）：6－8．

［6］曹秀春，孟慶繁．城市綠化帶對(duì)大氣污染的防護(hù)效能［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（10）：20－21，36．

［7］Sally R Gadsdon，Sally A Power．Quantifying local traffic contributions to NO2and NH3concentrations in natural habitats［J］．Environmental Pollution，2009，157：2845－2852．

［8］杜振宇，邢尚軍，宋玉民，等．山東省高速公路主要綠化樹木葉片硫、鉛含量分析［J］．生態(tài)環(huán)境，2007，16（6）：1608－1611．

［9］張建鋒，孫啟祥，杜振宇，等．高速公路不同綠化模式環(huán)境效應(yīng)分析［J］．湖北林業(yè)科技，2007（4）：1－3．

［10］袁正科，田大倫，袁穗波．森林生態(tài)系統(tǒng)凈化大氣SO2能力及吸S潛力研究［J］．湖南林業(yè)科技，2005，32（1）：1－4．

［11］韓陽，李珍珍，劉榮坤．沈陽地區(qū)主要樹木凈化SO2潛力及植樹定額的估算［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（5）：601－604．

［12］陳芳，周志翔，肖榮波，等．城市工業(yè)區(qū)綠地生態(tài)服務(wù)功能的計(jì)量評(píng)價(jià)——以武漢鋼鐵公司廠區(qū)綠地為例［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（7）：2229－2236．

［13］Misa T，Asa H，Masako N，et al．Differential assimilation of nitrogen dioxide by 70taxa of roadside trees at an urban pollution level［J］．Chemosphere，2005，61：633－639．

［14］S Bell，T W Ashenden，C R Rafarel．Effects of rural roadside levels of nitroge dioxide on Polytrichum formosum Hedw［J］．Environmental Pollution，1992，76：11－14．

［15］陳卓梅，李慶榮，杜國堅(jiān)．浙江省42種園林綠化植物對(duì)SO2氣體的抗性及吸收能力研究［J］．浙江林業(yè)科技，2007，27（6）：29－32．

［16］江蘇省植物研究所．城市綠化與環(huán)境保護(hù)［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1977：62．

［17］Lindberg S E，Loven G M，Meices K J．Deposition and forest canopy interactions of airborne nitrate［C］．In：Hutchinson T C，Meema K M．Effects of Atmospheric Pollutants of Forests Wetlands and Agricultural Ecosystems．Berlin：Springer，1987：117－130

［18］Gebauer G，Giesemann A，Schulze E D，et al．Isotope ratios and concentrations of sulphur and nitrogen in needles and soils of Pilcea abiesstands as influenced by atmospheric deposition of sulphur and nitrogen compounds［J］．Plant Soil，1994，164：267－281．

［19］Ammann M，Siegwolf R，Pichlmayer F，et al．Estimating the uptake of traffic－derived NO2from 15Nabundance in Norway spruce needles［J］．Oecologia，1999，118（2）：124－131．

［20］殷云龍，駱永明，張?zhí)伊郑龋暇┦谐青l(xiāng)公路蜀檜葉片中金屬元素和氮、硫含量分析［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（5）：929－932．

［21］Tanner B Harris，William J Manning．Nitrogen dioxide and ozone levels in urban tree canopies［J］．Environmental Pollution，2010，158：2384－2386．

［22］Hiroaki Minoura，Akiyoshi Ito．Observation of the primary NO2and NO oxidation near the trunk road in Tokyo［J］．Atmospheric Environment，2010，44：23－29．

［23］Jha P K，Nanduri U．Biodiversity measurement in forests of various canopy density［J］．Indian Forester，2003，129（11）：1391－1394．