王慧，郭晋平，张芸香

（山西农业大学 林学院，山西 太谷030801）

公路气态污染物主要来源于各类机动车的尾气排放，其中主要是二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）对路域环境产生危害［1，2］，特别是城市道路两侧，水平距离50m以内和高度1．7m以下范围内的大气所受污染最为严重，对人群造成严重危害［3，4］。公路绿化带在污染物扩散过程中能对SO2、NOx起到吸收、阻滞和过滤的作用［5～7］。高速公路两侧绿化带对SO2的净化作用显著，杨树（Populus ssp）叶片硫含量与车流量呈显著正相关［5，8，9］；但绿化带树种组成不同，对 H2S、NO2等大气污染物的防护效果也不同［6］，无论郊野森林［10］城市道路绿地［11］或工业园区绿地［12］不同森林类型或树种对大气硫的净化能力差异显著。因此，研究不同树种和不同结构特征的林带对道路气态污染物的净化效应，掌握林带组成结构特征与污染物净化功能的关系对道路绿化设计、建设和管理具有重要的理论意义和现实指导意义。熏气实验是研究树木对SO2和NOx的同化和抵抗潜力的常用方法［11，13～15］，可以为绿化树种选择提供依据，但不适于大范围公路绿化带对其净化效应的研究。本研究以山西省典型公路绿化带为研究对象，对不同结构类型绿化带对SO2和NO2的净化效应及其林带特征因子的关系进行研究，为绿化带大气净化效应评价和绿化带的组成结构设计和优化提供科学依据。

1 研究对象和研究方法

1．1 研究对象概况

山西省公路绿化工程于2006年开始全面实施，是“十一五”期间山西省六大林业生态工程“通道绿化工程”的主体部分，要求对全省各等级公路两侧进行全面绿化，国道和省道两侧各建设5～10 m的绿化带，高速路两侧各建设20～50m的绿化带。通过5年的建设实践，加上以往的公路绿化成果，基本建成了比较完善的道路绿化体系，形成了多种结构的类型。根据本研究的目标和要求，总结现有的绿化带结构特征，已经建成的绿化带可分为6种绿化带结构类型，见表1（因多数树种林带宽度未达到50m，故未考虑林带宽度）。以这6种结构类型的绿化带为研究对象，选择典型路段，布设典型样带，对绿化带的路旁近地面气态污染物SO2和NO2净化效应进行研究。

表1 公路绿化带结构类型及划分依据Table 1 Structure types of Roadside tree－belt and the classification

1．2 典型路段的选定及样带布设

根据现有公路绿化带结构特征类型，考虑到高速、国道及省道等各类公路的代表性，选定31个典型路段，在每个典型路段及其相邻的对照路段，路侧的绿化带横向布设样带。为保证代表性，要求典型路段远离居民区和工业污染源，路段长度大于200m；同时要求其附近要有一段无林带路段，作为对照路段，长度不少于50m。

在选定的典型路段，垂直于公路分别设置3条（公路绿化带路段）和1条（无林带对照路段）样带，根据绿化带宽度确定样带宽度，使样带面积不少于400m2，同时保证样带内所包含的主要树种的株数不少于30株。各典型路段概况见表2。对样带内乔木树种进行每木检尺，测定主要树种高度，按株数比例计算树种组成，采用标准地对角线上样点法测定郁闭度。

1．3 大气SO2和NO2污染样品采集与测定

在2010年6月～10月，选择晴朗、无风或微风天气，在每一样带内按离开路沿的距离设置距离梯度调查样点，距离梯度为0、5、10、20、30、40、50m，分别上午（9：00到12：00）和下午（14：00到17：00）在每个样点采集样品，每个样点取重复样品3个。

样品的采集按照国家环境保护总局编制的空气和废气质量监测分析方法进行采样。SO2用甲醛缓冲溶液吸收法采集，NO2用渗透法制备的NO2校准用混合气体吸收法采集，采用GS．3B型大气采样器，用内装10mL吸收液的采气瓶流量0．5L·min－1～1L·min－1，时间1h，采样高度距地面1．5m。每次采样都记录采样日期、采样地点、采样开始和结束时间、流量。样品在采样、运输和存放过程中要避免日光直接照射。

采回的样品分析之前放置在冰箱中保存（＜5℃），存放时间不超过3天。SO2含量采用甲醛缓冲溶液吸收－盐酸副玫瑰苯胺分光光度法（GB／T15262－1994）测定，NO2含量采用 Saltzman法（GB／T15435－1995）测定。

1．4 净化效应分析指标

1．4．1 梯度净化率

用SO2和NO2的梯度净化率表征绿化带各采样梯度上的SO2、NO2的过滤效应，计算公式如下：P（%）＝ （Cr－1－Cr）／r×100%（用Pg 表示）

式中：Cr是绿化带采样梯度上某一测点的SO2和NO2含量，Cr－1是绿化带采样梯度上前一测点的SO2、NO2含量，r为距离梯度。

1．4．2 净化百分率

用SO2和NO2的净化百分率表征绿化带总体对SO2和NO2的净化效应，计算公式为：

P（%）＝ （Ci－Cj）／Cj×100%（用Pt表示）

式中：Ci是绿化带内侧样品的SO2和NO2含量，Cj是绿化带外侧样品的SO2和NO2含量。

表2 山西省气态污染物监测典型路段概况表Table 2 Tree－belt general characters of typical road section in Shanxi in this research

2 结果与分析

2．1 路旁SO2和NO2扩散格局

对所有无绿化路段及有绿化带典型路段样带内各距离梯度SO2和NO2浓度的实测值，分别计算平均值，绘制成路旁SO2和NO2扩散格局分析图，见图1。由图1可见，无绿化带和有绿化带路段的路旁SO2和NO2的扩散都存在显著的格局，且绿化带明显改变了SO2和NO2的扩散格局，对公路交通运行所引起的SO2和NO2污染都有明显的净化效应。其中，绿化带对SO2污染的净化效应略高于对NO2污染的净化效应，由路基处到30 m处，SO2浓度从0．044mg·m－3降至0．007mg·m－3，净化率平均可达83．10%，到50m处可降至0．002mg·m－3，净化率均可达95．68%；而NO2浓度则由路基处的0．030mg·m－3到30m处降到0．014mg·m－3，净化率为58．84%，到50 m处降到0．010mg·m－3，净化率达到77．32%。对无绿化带路段和有绿化带路段各点上SO2和NO2浓度含量进行差异显著性T检验，结果表明，两者之间SO2和NO2浓度均在0．01水平上有极显著差异，进一步表明绿化带对SO2和NO2污染都有明显的防护效应。

图1 有绿化带与无绿化带路段路旁SO2和NO2的扩散格局对比分析图Fig．1 Dispersion patterns of SO2and NO2along the distance gradient at roadside with and without tree－belt

2．2 不同结构类型绿化带对SO2和NO2净化效应

对6种结构类型的绿化带典型路段样带内各距离梯度上SO2和NO2的浓度值，绘制成不同结构类型绿化带路旁SO2和NO2的扩散格局分析图，见图2。

图2 不同结构类型绿化带路旁SO2和NO2的扩散格局Fig．2 SO2and NO2dispersion patterns in roadside with different types of tree－belts

由图2可见，在不同结构绿化带作用下，路旁SO2和NO2的扩散格局明显不同。绿化带在5m范围内即可表现出较强的净化效应，SO2的净化率为38．30%～54．91%，梯度净化率为0．361%～0．979%，浓度可由0．027mg·m－3～0．079mg·m－3降至0．014mg·m－3～0．035mg·m－3；NO2的净化率为8．58%～23．87%，梯度净化率为0．043%～0．177%，浓度由 0．013mg·m－3～0．077mg·m－3降至0．010mg·m－3～0．069mg·m－3；到10m处，绿化带净化效应更好，SO2的净化率达到54．59%～71．10%，梯度净化率为0．044%～0．148%，浓度可降至0．009mg·m－3～0．026mg·m－3，NO2的净化率达到16．58%～47．27%，梯度净化率为0．023%～0．064%，浓度可降至0．007mg·m－3～0．062mg·m－3；其中均以多树种高密度型绿化带的对SO2和NO2的净化率最高，分别达73．06%和47．27%。随着距离的增加，各类型绿化带对SO2和NO2的梯度净化率都递减，但不同结构绿化带的净化效应差异显著，在距路沿20m处，单树种高密度宽带型林带对SO2的净化效应较高，净化率可达81．71%；而多树种高密度型林带对NO2的净化效应较好，净化率为64．02%，其次为单树种高密度型林带。在30 m以后，单树种高密度宽带型绿化带对SO2能保持较好的净化效应，在30m处的净化率已经高达90%以上，梯度净化率为0．015%，梯度净化率为0．003%～0．009%；单树种高密度窄带型和多树种高密度型绿化带对NO2都表现出较好的净化效应，在30m之后，多树种高密度型好于单树种高密度型，梯度净化率较高为0．004%～0．018%，30m处净化率已达80%以上。

2．3 公路绿化带对SO2和NO2的净化效应与绿化带特征因子的相关性

对5m～30m各距离梯度上各类绿化带对SO2和NO2的净化率与道路车流量和绿化带郁闭度、疏透度、密度、树高、冠幅、胸高断面积、林下植被和林冠叶面积指数等林带特征因子做相关关系显著性分析，结果见表3。

表3 林带对SO2和NO2的净化率与车流量及林带特征因子的相关性Table 3 Correlations of purification rate of SO2and NO2and traffic flow and tree characteristic factors

由表3可见，绿化带在5m、10m、20m处对SO2的净化率，以及在5m、10m处对NO2的净化率与公路车流量存在显著或极显著正相关，车流量越大，SO2和NO2污染越严重，净化效应越明显。绿化带对SO2和NO2的净化率与多种林带特征因子有显著的相关关系，在各距离梯度上SO2和NO2的净化率与绿化带郁闭度呈极显著正相关，与疏透度呈极显著负相关，与林带密度、主要树种高度、林带平均冠幅、胸高断面积和叶面积指数在不同程度上呈显著或极显著正相关；在10m、20m和30m处绿化带对SO2的净化率与绿化带中有无灌木结合均呈极显著正相关，而林下植被状况与NO2的净化率相关性不够显著。

3 讨论

（1）绿化植物对于一定浓度范围内的大气污染物，不仅具有一定程度的抵抗力，而且也具有相当程度的吸收能力。植物可以通过气孔和皮孔，吸收气态污染物，在体内被利用、转化、降解或积累，对大气污染起到净化作用［16］。植物对气态硫和氮氧化物的吸收十分可观，机动车排放的NOx可被植物吸收并引起植物叶片中 N含量的增加［17～20］。公路绿化带对公路交通运行所引起的SO2和NO2污染都有明显的净化效应［5］。本研究中，绿化带对SO2的净化效应略高于NO2，它们在大气中扩散模式不同，SO2可以随气流飘散到较远的地方，也可与水汽、尘粒结合，在空气中滞留，因此绿化带对其净化效应比较显著；而空气中NOX的重要来源是土壤氮素释放和大气氮沉降，近地面NO2浓度变化与气流停滞及大气中O3浓度背景值相关［7，21，22］，且 NOX在空气中的稳定性较低，在大气中停留时间较短，增加了NO2定量研究的难度。

（2）不同结构类型的绿化带对SO2和NO2净化效应明显不同。在5m处绿化带即可表现出对道路SO2和NO2污染的净化效应，在30m对SO2和NO2的净化率分别达到83．10%和58．84%，在50m处的净化率分别达到95．7%和77．30%，说明超过30m后绿化带对SO2和NO2仍有进一步的净化效应，但净化效应不显著。总体来说，高密度型长势较好的绿化带对两种气态污染物的净化效应更好，但绿化带不宜过密，以致影响空气流通和扩散，进而影响净化效应，特别是对于NO2来说，疏透度较大的绿化带更易于扩散；乔木密度过大还会影响树木的持续旺盛生长，最终可能会导致植物群落衰退［23］。本研究中，单树种低密度型绿化带中杨树林均高于10m，对SO2、NO2污染均表现出较好的净化效应，尤其是在距公路20m之后亦可维持较高的净化效应。因此可以得出，高度大于10m长势良好的绿化带可阻挡气流从林冠上层越过，减少污染气体向远处扩散，提高了绿化带的净化效应。

（3）本研究中，绿化带对SO2和NO2的净化效应与公路车流量呈显著正相关，而车流量在很大程度上决定公路两侧SO2和NO2污染物的浓度，说明车流量越大SO2和NO2污染越严重，绿化带的净化效应越显著。相关分析表明绿化带对SO2和NO2的净化效应与绿化带郁闭度、林带密度、主要树种高度、100m林带胸高总断面积及叶面积指数呈明显的正相关，与林带疏透度呈负相关，灌草结构与乔木层相结合会增加绿化带对空气的净化效益。此外，本研究采校时间为落叶树种生长季节，而常绿树种在一年四季均具有大气污染防护效应，有待于进一步研究。

4 结论

（1）公路绿化带显著改变了路旁大气近地面SO2和NO2的扩散格局，对道路SO2和NO2污染有显著净化效应。绿化带对SO2的净化效应高于对NO2的净化效应，SO2浓度由路沿处的0．044 mg·m－3到50m距离处可降至0．002mg·m－3，净化率平均达95．68%；而NO2浓度由路沿处的0．030mg·m－3在50m 处可降至0．010mg·m－3，净化率平均达77．32%。

（2）绿化带在5m距离范围内即对路旁近地面大气SO2和NO2有较强的净化效应，在30m距离范围内净化效应持续显著增强，超过30m到100m范围内，绿化带对SO2和NO2的净化效应显著降低，宽带型和窄带型绿化带的净化率差异不显著。绿化带对路旁近地面大气SO2和NO2的净化率与公路车流量有极显著的正相关关系，车流量越大，SO2和NO2污染越严重，绿化带的净化效应越显著。

（3）绿化带结构显著影响公路绿化带对路旁近地面大气SO2和NO2污染的净化效应，单从净化大气污染物SO2和NO2而言，公路绿化带宽度不应小于30m，但不宜过宽。公路绿化带对SO2和NO2的净化效应与多种林带特征因子相关，对于已定种植密度的绿化带，对其进行适当的抚育，使其成林后郁闭度＞0．6，树木高大并且栽植乔灌草复层结构，会增大林带的SO2净化效应，而绿化带的郁闭度在0．4～0．65之间，疏透度良好适应树木枝叶伸展及高生长的林分对NO2有较显著的净化效应。

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