上海環(huán)城林帶夏季大氣污染凈化作用及其與林帶寬度的關(guān)系

王小玲, 宋 坤, 樂 鶯, 陳 靜, 姜 昊, 張涌嘉,宮鶴憶, 王子斐, 丁 一, 施天慧, 達(dá)良俊

（1. 華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 上海 200241; 2. 上海市公共綠地建設(shè)事務(wù)中心, 上海 201199）

0 引 言

隨著城市化的推進(jìn), 城市空氣污染已成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題, 它影響著人類健康、城市生活質(zhì)量以及城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性. 城市空氣污染現(xiàn)象在發(fā)展中國家尤為顯著, 快速的城市化、工業(yè)化和農(nóng)村城市人口遷移導(dǎo)致中國空氣質(zhì)量不斷下降[1?2]. 在北京[3]、上海[1]和廣州[4]等大城市, 空氣污染現(xiàn)象已經(jīng)普遍存在, 如果當(dāng)前快速城市化的趨勢(shì)繼續(xù)下去, 將會(huì)對(duì)城市環(huán)境造成嚴(yán)重影響[5]. 城市空氣質(zhì)量管理必然是一個(gè)多維度的問題, 除了在預(yù)防和改良方面應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)以外, 利用自然機(jī)制進(jìn)行生態(tài)治理偶爾會(huì)被采用且通常是有效的[6?8]. 在這方面, 城市森林的空氣凈化作用為決策者提供了一種新方法來促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性管理[9?11].

城市帶狀綠地或林帶不僅為市民提供游憩的機(jī)會(huì), 同時(shí)也起到阻隔污染、凈化污染的作用[12?14]. 歐洲和北美一些國家對(duì)開闊道路機(jī)動(dòng)車污染物的擴(kuò)散規(guī)律開展了大量研究工作[15?17], Truscott等[17]發(fā)現(xiàn)NO2濃度與距離道路的遠(yuǎn)近呈負(fù)相關(guān)關(guān)系; Yin等[18]研究表明100 m林地較50 m林地對(duì)總懸浮顆粒物（TSP）和NO2的凈化效益更高. 沈沉沉[14]的研究表明100 m林地滯塵率較400 m林地滯塵率高. 可見, 林帶污染物凈化作用隨林帶寬度的變化規(guī)律尚未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí). 大氣污染本底的成分和濃度會(huì)影響到植物的滯塵功能, 一般情況下, 污染源附近的植被表現(xiàn)出更大的凈化作用[6]. 另外, 氣象條件如溫度、濕度和風(fēng)速也是影響污染物濃度的主要因子[19?20]. 以往影響林帶凈化效益因素的研究通?；诜沁B續(xù)性監(jiān)測(cè)方式, 如被動(dòng)式采樣器等[18,21], 隨著污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展, 基于連續(xù)監(jiān)測(cè)的林帶凈化效益因素研究具有一定意義.

上海環(huán)城綠帶是上海市最大的跨世紀(jì)生態(tài)工程. 目前關(guān)于上海環(huán)城綠帶的研究多集中在群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)效益、景觀美學(xué)、小氣候效應(yīng)、土壤重金屬污染等方面[13?14,22], 關(guān)于環(huán)城綠帶中凈化大氣污染的方面未有報(bào)道. 本研究選取上海環(huán)城綠帶內(nèi)具有代表性的林帶, 監(jiān)測(cè)了林帶近地面處大氣污染物(PM2.5、PM10、CO、NO2)的濃度變化, 與我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì), 分析了林帶內(nèi)外大氣污染物濃度的日均變化格局, 評(píng)估了林帶不同寬度大氣污染物的月均凈化效益, 并進(jìn)一步解析了環(huán)境本底、大氣溫濕度對(duì)300 m林帶寬度處大氣污染物凈化效益的影響. 本研究豐富了城市森林凈化空氣污染的影響因素, 為環(huán)城綠帶主要大氣污染物綜合治理提供參考依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

上海市位于中國東部沿海地區(qū)中部(30°40′N ～ 31°53′N, 120°51′E ～ 122°12′E), 也是長三角大都市圈的中心. 截至2017年, 上海人口超過2 400萬, 人口密度為3 822人/km2[23]. 上海屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候類型, 氣候溫和濕潤, 年均氣溫15.8 ℃, 年均降水量1 145.1 mm, 自然植被稀少, 地帶性植被主要為含有落葉成分的常綠闊葉林[24].

上海環(huán)城綠帶環(huán)繞整個(gè)上海市區(qū), 全長98 km, 規(guī)劃面積6 208 hm2, 自1998年建設(shè)以來, 經(jīng)歷了100 m綠帶一期、二期、400 m綠帶、生態(tài)專項(xiàng)這4個(gè)建設(shè)階段, 截至2018年年底建成面積近4 000 hm2[14,25].此外, 上海環(huán)城綠帶植物群落可分為7種植被類型, 出現(xiàn)頻率較高的為落葉闊葉林(51.4%)、常綠闊葉林(20.9%)和落葉針葉林(9.5%)這3種植被類型[22].

1.2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

選 取 上 海 環(huán) 城 綠 帶 寶 山 盛 宅 段(121o23′54″E, 31o21′0″N)和 浦 東 康 橋 段(121o36′52″E,31o8′42″N)厚度超過500 m的林帶為研究樣區(qū)(見圖1). 其中康橋段車流量較少, 周邊以其他建設(shè)用地和公共設(shè)施用地為主, 盛宅段車流量較大, 周邊以城鎮(zhèn)居住用地和公共設(shè)施用地為主. 樣區(qū)內(nèi)植被群落組成和結(jié)構(gòu)基本一致, 康橋段植被種類以落羽杉(Taxodium distichum)、香樟(Cinnamomum camphora)、桂花(Osmanthus fragrans)和桃樹(Amygdalusspp)為主, 盛宅段植被主要有香樟、女貞(Ligustrum lucidum)、烏桕(Triadica sebifera)、無患子(Sapindus saponaria)、欒樹(Koelreuteria paniculata)、櫸樹(Zelkova serrata)、苦楝(Melia azedarach)和櫻花(Cerasus×yedoensis). 林帶附近有開闊空間作為平行對(duì)照區(qū), 在樣區(qū)和對(duì)照區(qū)內(nèi), 垂直于外環(huán)公路400 m, 每隔100 m設(shè)置1處監(jiān)測(cè)樣點(diǎn), 分別設(shè)置了4處監(jiān)測(cè)點(diǎn).

圖 1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig. 1 Location of the sampling sites

考慮到夏季為植物生長旺季, 本研究于2019年夏季進(jìn)行污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[26], 其中浦東康橋段于7月1日14:45至7月31日23:57進(jìn)行晝夜監(jiān)測(cè), 寶山盛宅段于8月5日14:45至8月31日23:57進(jìn)行晝夜監(jiān)測(cè), 同時(shí)記錄天氣狀況(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等).

1.3 測(cè)定方法

利用連續(xù)在線生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備(中國上海復(fù)凌科技有限公司)定點(diǎn)長期監(jiān)測(cè)大氣污染物, 監(jiān)測(cè)高度為1.5 m, 位于人感高度, 數(shù)據(jù)采集頻率為3 min/次, 并輔以復(fù)凌云平臺(tái)App進(jìn)行數(shù)據(jù)在線傳輸、觀測(cè)與分析, 平臺(tái)后端提取數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析.

各臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備均用校準(zhǔn)儀參照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T193–2005)進(jìn)行定期濃度校準(zhǔn), 校準(zhǔn)時(shí)選擇晴朗、靜風(fēng)天氣. 本研究中使用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為分鐘數(shù)據(jù), 保證數(shù)據(jù)可靠性與準(zhǔn)確性.

表2從精確度和時(shí)延兩方面進(jìn)一步評(píng)估了算法的性能。作為比較,我們測(cè)試了其他深度學(xué)習(xí)模型的性能,比較模型包括一個(gè)兩層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN),一個(gè)兩層的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)以及一個(gè)CNN-LSTM混合網(wǎng)絡(luò)。其中RNN和CNN-LSTM中的LSTM部分的參數(shù)設(shè)置與表1所列相同;CNN和CNN-LSTM中的CNN部分采用了維度為[1,50]的一維卷積核,其余參數(shù)與表1一致。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度的日均值, 與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095–2012)[27]進(jìn)行比較, 評(píng)價(jià)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量.

為表征林帶對(duì)主要大氣污染物的凈化作用, 以同一距離林外平行對(duì)照組監(jiān)測(cè)點(diǎn)為參照[21], 計(jì)算出林內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣污染物濃度的降低幅度, 以此作為凈化效益[8,28], 其公式為

式中:P為凈化百分率,C0為林外平行對(duì)照組污染物濃度,Cm為林帶內(nèi)污染物濃度.

為表征氣象條件和環(huán)境本底對(duì)林帶最大凈化效益的影響, 在R3.5.3的集成開發(fā)環(huán)境R?Studio (R,Boston, USA)中采用多元線性回歸方法建立模型、回歸參數(shù)估計(jì)和模型顯著性檢驗(yàn), 并在已得模型的基礎(chǔ)上通過逐步回歸的方法, 依據(jù)AIC值剔除不顯著的變量進(jìn)行模型優(yōu)化. 通過模型預(yù)測(cè), 驗(yàn)證所得回歸模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性. 經(jīng)多次改進(jìn), 最終確定模型. 其中, 模型回歸系數(shù)的相對(duì)重要性通過relaimpo函數(shù)包計(jì)算得到.

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)期間氣象條件

監(jiān)測(cè)期間上海市以東南風(fēng)為主, 7月近地面平均風(fēng)速為0.24 m/s, 最小風(fēng)速0 m/s, 最大風(fēng)速1.7 m/s;8月近地面平均風(fēng)速為0.12 m/s, 最小風(fēng)速0 m/s, 最大風(fēng)速2.5 m/s, 風(fēng)力等級(jí)低. 寶山盛宅段溫度為20.3 ～ 34.1 ℃, 濕度為48% ～ 83.9%; 浦東康橋段溫度為18.1 ～ 36.9 ℃, 濕度為29.8% ～ 84.1%.

2.2 林帶內(nèi)外大氣污染物濃度變化

2.2.1 寶山盛宅段的變化

2.2.2 浦東康橋段的變化

監(jiān)測(cè)期間, 結(jié)果詳見圖3. 浦東康橋段污染物PM2.5和PM10日均濃度波動(dòng)幅度較大, 變化范圍分別為0 ～ 75 μg/m3和0 ～ 85 μg/m3, 最高值出現(xiàn)在7月26日; NO2和CO最高值分別出現(xiàn)在7月14日和7月7日, 分別為110 μg/m3和0.35 mg/m3. 與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095–2012)相比,PM2.5、PM10的日均濃度高于一級(jí)濃度限值(分別為35 μg/m3和50 μg/m3)的日期有27 d, 約占87%,主要集中在7月2日至7月12日、 7月14日至7月16日、 7月19日至7月31日; NO2日均濃度在部分日期超過標(biāo)準(zhǔn)限值(80 μg/m3), 主要集中在7月8日至7月10日、 7月13日, 約占13%; CO日均濃度均低于其標(biāo)準(zhǔn)限值(4 mg/m3).

圖 2 環(huán)城林帶寶山盛宅段夏季主要大氣污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)(林內(nèi))與平行對(duì)照點(diǎn)(林外)日均濃度Fig. 2 Daily mean concentration of air pollutants at each monitoring site of open area and forest area at the Shengzhai transect in the summer season

圖 3 環(huán)城林帶浦東康橋段夏季主要大氣污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)(林內(nèi))與平行對(duì)照點(diǎn)(林外)日均濃度Fig. 3 Daily mean concentration of air pollutants at each monitoring site of open area and forest area at the Kangqiao transect in the summer season

2.3 林帶不同寬度大氣污染物月均凈化效益

在浦東康橋段, 距離外環(huán)高速300 m的林帶處對(duì)PM2.5、PM10兩種主要大氣污染物的凈化效益均達(dá)到最大, 為19.12%、17.67%, 對(duì)NO2的凈化作用在200 m左右達(dá)到最大, 為31.05%(見表1).

表 1 環(huán)城林帶夏季不同寬度主要污染物月均凈化效益Tab. 1 Monthly mean pollutant removal percentage among sites with different distances to the road for both transects in the summer season

在寶山盛宅段, 距離外環(huán)高速300 m處林帶對(duì)PM2.5、PM10、NO2和CO這4種污染物的凈化效益均達(dá)到最大, 分別為9.96%、7.22%、29.82%和23.53%(見表1). 然而, 在兩個(gè)研究地, CO在林帶內(nèi)整體均為負(fù)凈化效率, 呈現(xiàn)蓄積效應(yīng), 最大蓄積效應(yīng)達(dá)116.36%.

2.4 氣象條件和環(huán)境本底與林帶凈化效益的相關(guān)性

以林帶300 m寬度處的日均污染物凈化效益為因變量, 以污染源濃度(林帶外側(cè)、近污染源處點(diǎn)位濃度)、林內(nèi)外大氣溫度差和濕度差（林外減去林內(nèi)）分別為自變量, 建立一元線性回歸模型(見圖4), 探究污染物濃度、林內(nèi)外溫度差值和濕度差分別對(duì)林帶最大凈化效益的影響. 同時(shí), 建立做多元線性回歸模型, 反映污染物濃度、溫度和濕度對(duì)林帶最大凈化效益的共同影響作用, 得到回歸系數(shù)(見表2).

由一元線性回歸模型發(fā)現(xiàn), 林帶PM2.5和PM10的最大凈化效益與各影響因子相關(guān)性不顯著(p＞0.05), 林帶NO2和 CO 的最大凈化效益與林內(nèi)外溫度差值相關(guān)性最高(p＜ 0.001). 由表2可知, 綜合考慮各影響因素的相互作用時(shí), 對(duì)林帶PM2.5和PM10最大凈化效益的影響程度由大至小依次為濕度差(p＜0.001)、溫度差(p＜ 0.001), 對(duì)林帶NO2最大凈化效益的影響程度由大至小依次為溫度差(p＜ 0.05)、污染物濃度(p＜ 0.01), 對(duì)林帶CO最大凈化效益的影響程度最大的是濕度差(p＜ 0.005). 其中, 林內(nèi)外溫度差和濕度差（林外值減去林內(nèi)值）對(duì)林帶PM2.5和PM10的最大凈化效益均起到負(fù)向作用, 林內(nèi)外溫度差對(duì)林帶NO2的最大凈化效益起到負(fù)向影響, 污染物濃度和濕度差對(duì)林帶NO2的最大凈化效益均起到正向作用, 林內(nèi)外溫度差對(duì)林帶CO最大凈化效益起到正向作用.

3 討 論

3.1 主要大氣污染物濃度變化

與我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比, 上海環(huán)城林帶夏季寶山盛宅段的PM2.5、PM10日均濃度高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的日期占56%, NO2日均濃度高于標(biāo)準(zhǔn)限值的日期占61%. 浦東康橋段的PM2.5、PM10日均濃度高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的日期占87%, NO2日均濃度高于標(biāo)準(zhǔn)限值的日期占13%. PM2.5、PM10日均濃度均低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值, CO日均濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)限值[25]. 說明上海環(huán)城林帶主要大氣污染物濃度除NO2外均符合我國二類環(huán)境空氣功能區(qū)質(zhì)量要求. 由于上海環(huán)城林帶寶山盛宅段車流量較浦東康橋大, 而NO2是汽車尾氣的主要污染物之一, 因此寶山盛宅段林帶NO2的污染情況更嚴(yán)重.

圖 4 環(huán)城林帶主要大氣污染物最大凈化效益與各影響因子的一元線性回歸模型結(jié)果Fig. 4 Univariate linear regression results of various predictor variable and maximum removal percentage of air pollutants

表 2 環(huán)城林帶主要大氣污染物最大凈化效益多元線性回歸模型中各預(yù)測(cè)變量檢驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Multiple regression results of the effects of various predictor variables on maximum removal percentage of air pollutants

已有研究在上海環(huán)城林帶對(duì)主要大氣污染物NOx、CO、SO2、PM10等分時(shí)間段采樣, 取平均值作為林帶內(nèi)污染物含量或污染指數(shù)[12,29], 或?qū)χ参锶~片進(jìn)行采樣, 取清洗前后質(zhì)量變化作為滯塵量[14]. 張凱旋等[12]在2010年調(diào)查環(huán)城林帶空氣質(zhì)量, 發(fā)現(xiàn)環(huán)城林帶CO和PM10污染程度要超過NOx, 與本研究結(jié)果存在差異, 可能是由于近幾年上海對(duì)汽車尾氣管制力度加強(qiáng)[30]. 本研究首次對(duì)環(huán)城林帶進(jìn)行長時(shí)間序列的污染物濃度監(jiān)測(cè), 不僅有助于獲取近地面空氣污染的變化規(guī)律, 還有助于進(jìn)行影響因子的相關(guān)性分析與預(yù)測(cè)主要大氣污染物未來變化情況[31?32].

3.2 林帶不同寬度大氣污染物凈化效益

由于污染物濃度與距離道路的遠(yuǎn)近呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 并且林帶對(duì)污染物的凈化作用與大氣污染濃度存在相互關(guān)系[33], 因此不少研究發(fā)現(xiàn)林帶對(duì)污染物的凈化效益會(huì)隨著林帶寬度發(fā)生改變. Yin等[18]研究表明城市樹木距離污染源距離會(huì)影響凈化效益, 上海城市公園100 m林地較50 m林地對(duì)TSP和NO2的凈化效益更高. 沈沉沉[14]研究表明上海環(huán)城林帶100 m純林帶滯塵率為17.30%, 400 m綠帶滯塵率為14.67%. 吳海萍[29]研究發(fā)現(xiàn)上海浦東道路綠帶寬度從15 m增大到30 m, 粉塵降幅由16.67%增大到30.77%.

本研究發(fā)現(xiàn)上海林帶300 m寬度對(duì)污染物PM2.5、PM10的凈化效益達(dá)到最大. 其中, 上海環(huán)城林帶浦東康橋段林帶300 m處對(duì)PM2.5、PM10的凈化效益達(dá)到最大, 為19.12%和17.67%, 林帶200 m對(duì)NO2的凈化效益達(dá)到最大, 為31.05%. 寶山盛宅段林帶300 m處對(duì)PM2.5、PM10、NO2和CO這4種污染物凈化效益均達(dá)到最大, 分別為9.96%、7.22%、29.82%和23.53%. 本研究結(jié)果與沈沉沉[14]研究結(jié)果一致.

Yli?Pelkonen等[21,34]曾對(duì)屬于北溫帶大陸性氣候區(qū)的林帶與氣體污染物NO2之間的關(guān)系展開研究, 指出林帶沒有顯著凈化作用. 由于其研究的林帶最大寬度為54 m, 林帶寬度不足可能是造成這種結(jié)果的主要原因. 因此, 本文認(rèn)為在林帶200 ～ 300 m處凈化效益隨林帶寬度變化規(guī)律值得進(jìn)一步探究.

3.3 影響林帶凈化效益的因素

林內(nèi)外溫度差和濕度差（非絕對(duì)值）對(duì)上海環(huán)城林帶顆粒物PM2.5和PM10的最大凈化效益具有顯著負(fù)向作用. 其中, 當(dāng)林內(nèi)外溫度差（絕對(duì)值）越大, 林內(nèi)顆粒物PM2.5和PM10的最大凈化效益越弱;當(dāng)林內(nèi)外濕度差（絕對(duì)值）越大, 林帶顆粒物的最大凈化效益越強(qiáng). 已有研究表明, 夏季森林內(nèi)的氣溫明顯低于林外, 且這種降溫作用隨著林分郁閉度的增加而增強(qiáng)[35]; 然而林帶郁閉度較高時(shí), 林內(nèi)通透性下降、大氣交換速率下降, 致使顆粒物滯留在林地中[8]. 因此, 當(dāng)林內(nèi)外溫差（絕對(duì)值）越大即林內(nèi)溫度越低時(shí), 往往表明林帶郁閉度越高, 林帶PM2.5和PM10濃度偏高, 表現(xiàn)為較弱的凈化作用。研究表明, 城市森林內(nèi)顆粒物濃度與濕度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)[36?38], 主要是因?yàn)闈穸仍黾訒?huì)增加顆粒物的黏性、加快沉降[7]. 由于森林在夏季具有明顯的増濕效應(yīng), 因此, 當(dāng)林內(nèi)外濕度差（絕對(duì)值）越大即林內(nèi)濕度越高時(shí), 林帶PM2.5和PM10濃度越低, 對(duì)顆粒物的凈化效益表現(xiàn)越強(qiáng).

污染物濃度對(duì)上海環(huán)城林帶NO2的最大凈化效益起到顯著正向作用. 已有研究表明, 隨著環(huán)境污染物濃度升高, 植物凈化污染物的能力先升高后下降, 這是由于低濃度污染物促進(jìn)植物生長, 高濃度污染物使植物受到慢性傷害直到受到急性傷害[33]. 林內(nèi)外溫度差（非絕對(duì)值）對(duì)CO的最大凈化效益起到顯著正向作用. 林帶降溫作用隨著林分郁閉度的增加而增強(qiáng), 然而當(dāng)林帶郁閉度較高時(shí), 林帶生物量隨之增大、呼吸作用增強(qiáng). 由于植物通過葉片氣孔有效吸收CO從而起到凈化作用[9], 當(dāng)林帶呼吸作用增強(qiáng)時(shí), 吸收CO的能力越強(qiáng). 因此, 當(dāng)林內(nèi)外溫差（絕對(duì)值）越大即林內(nèi)溫度越低時(shí), 通常表明林帶郁閉度越高, 林帶CO含量較低, 表現(xiàn)為較強(qiáng)的CO凈化作用.