王慧，郭晋平，张芸香

1. 山西农业大学林学院，山西 太谷 030801；2. 山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801

公路绿化带滞尘效应研究

王慧1，郭晋平2*，张芸香1

1. 山西农业大学林学院，山西 太谷 030801；2. 山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801

道路交通扬尘不仅危害人体健康，而且会造成环境污染。以山西省典型公路绿化带为研究对象，对不同公路绿化带进行分类，并选择粒径分别为150、106、75、53 μm的黄土粉，模拟道路交通TSP，采用喷粉机设置1、2、3、4 m·s-1的喷粉速度在路沿处设置人工喷粉，在路侧设置样带分0、2、5、10、15、20 m距离梯度布设采样点进行尘源样品的采集，进行称重。本文提出绿化带净滞尘率和梯度净化率的概念，研究不同粒径水平、不同瞬时风力条件以及不同类型绿化带对交通扬尘的阻滞吸收效应，最后基于显著影响因子和因子的互作采用逐步回归法拟合绿化带滞尘效应多元回归模型，分析绿化带滞尘效应与多种林带特征因子的关系。结果表明，公路绿化带明显改变了道路 TSP扩散格局，对空气中的粉尘有显著的净化效应。本实验条件下，在距道路5 m范围内绿化带开始发挥效应，净滞尘效应均值达22.95%，随后TSP净滞尘率降低，在20 m净滞尘率均值为9.83%，但净化率均值达96.56%；不同粒径水平和瞬时风力条件下，绿化带的滞尘效应不同，TSP粒径为53、75 μm时，绿化带在5 m的净滞尘率最高，分别为18.81%和38.09%，而粒径为106、150 μm时，绿化带在15 m的净滞尘率最高，分别为15.40%和24.94%，当瞬时风力为1 m·s-1时，净滞尘率在15 m处最高，为16.50%，当瞬时风力分别为2、3、4 m·s-1时，净滞尘率均在5 m处最高，分别为22.03%、28.69%、25.09%，均以高密度型绿化带（郁闭度≥0.55）效果较好；在近路基处栽植杨树（Populus L.）或槐树（Sophora japonica Linn.），且乔木种长势高大并伴有较密的灌草结构，能增强绿化带的滞尘效应。

公路绿化带；滞尘效应；林带特征因子

道路上交通行驶中的车辆排放大量有害气体的同时，还会因机动车车辆遗撒、车轮车身携带泥块、沙尘；路面老化破损；机动车轮胎或其他零部件的老化和磨损；生物碎屑及残骸；道路施工和建筑施工扬尘等引起交通扬尘。这些粉尘不仅会沉积在人的呼吸系统，危害人体健康，直接影响人们的生活质量，而且是光化学反应的催化剂，还会对云核的形成、太阳光及红外线的吸收、散射及气候变化等产生影响，引起地球气候变暖、酸雨形成等，此外交通营运扬尘中富含 Fe、Cr、Cd、Zn、Cu、Pb等重金属颗粒（Ogunsola et al.，1994；Whiteley et al.，2003；Lu et al.，2008a；Shi et al.，2008；王丹丹等，2012）是路域环境重金属污染等重大环境问题产生的根源。

公路绿化带可相对减少空气中的含尘量起到净化空气的目的，其滞尘功能是公路绿化带的主要生态环境效应之一。众多学者常通过磁效应对交通扬尘中磁性颗粒物的研究分析粉尘的空间分布和植物的滞尘效应（Matzka et al.，1999；Moreno et al.，2003；Mahera et al.，2008；Lu et al.，2008b；Wonnyon et al.，2009；Mitchell et al.，2009），也有通过比较不同树种的单叶表面形态测定其滞尘量的大小（柴一新等，2002；陈玮等，2003；冯朝阳等，2007；王会霞等，2010；李生宇等，2012；刘璐等，2013；王会霞等，2015），从而评价树木滞尘能力。绿化带不同的结构类型决定了其不同的滞尘效应，据测定，由机动车产生的大气扬尘在经过路边绿化带的阻挡吸附后，浓度呈现出明显的下降趋势，其中靠近路边的 10 m内去除效果尤为显著（殷杉等，2007），以乔木为主的复层结构绿地能够最有效地增加单位绿地面积上的绿量，从而提高绿地的滞尘效益（张新献等，1997）。

本研究采用便携式喷粉机，选择不同结构类型公路绿化带为研究对象，通过设定不同的喷粉粒径及喷粉速度对典型路段绿化带进行喷粉作业，通过测定道路旁侧及不同距离梯度绿化带降尘量，研究公路绿化带对粉尘的净化效应。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象概况

通过多年的绿化实践，加上以往公路绿化的成果，山西省主要公路绿化带形成了多种类型的结构类型，由于道路飘尘的特点，在距离道路20 m处降尘量已经很少，故针对公路绿化林的滞尘效应研究中，绿化带结构类型划分未考虑林带宽度的因素，可分为4种类型，见表1。

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

1.2 公路绿化带的典型路段选定及样带布设

根据现有公路绿化带结构特征类型，选定 16条典型路段，在每个典型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200 m。此外，选择一段无绿化带或两年内新建幼林绿化带，长度大于50 m的路段作为无绿化带对照路段。

垂直于道路分别设置3条样带设为重复，根据绿化带宽度确定样带宽度，使样带面积不少于 400 m2，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。对样带内树木进行每木检尺，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。

表2 公路绿化带滞尘试验典型路段概况表Table 2 Stand status of typical roadside tree-belt in Shanxi of dust-retaining

1.3 量化因子设定

本研究采用模拟试验的方法，在识别量化因子基础上，定量分析公路绿化带对灰尘自然飘散的格局影响。道路灰尘的飘散不仅与机动车类型、车流量、车速等有关，而且与路面粉尘负荷、气候条件等有关。本研究主要以喷粉粒径及喷粉速度两个因素作为量化因子，以不同的水平值进行模拟实验。

不同粒径的粉尘飘散规律不同，有研究表明，叶面尘与地表粉尘的粒径主要集中于[10～50] μm区间，[2.5～10]和[50～100] μm区间的百分比次之，单从粒径角度来看，叶面尘与地表灰尘主要成分为TSP（庞博等，2009）。因此本试验分别选择过100目、150目、200目及270目筛的黄土粉（粒径分别为150、106、75、53 μm），模拟道路交通TSP。

风速、风向也是影响植株滞尘的重要因素。通过山西高等级公路实地测定已知在高速、国道及省道上车辆行驶过程中可致扬尘时的风速约为1.2～2.7 m·s-1，最大时瞬时风速可达3.1 m·s-1，考虑到本研究中试验路段走向不一致性，因此试验选择在晴朗无风或风速小于1 m·s-1的天气，采用华盛泰山-18AC型背负式喷雾喷粉机（山东华盛农业药械股份有限公司）调节喷粉力度以及喷粉距离，使喷粉机喷粉速度在路沿处分别为 1、2、3、4 m·s-1，用称重并编号的干净塑料袋套在口径一致、直径为20 cm的塑料桶上作为“尘源收集装置”，采用喷粉机进行喷粉作业，设置喷粉时间为20 min。本试验共计16组处理，重复3次，见表3。

表3 道路灰尘飘散试验方案Table 3 Testing program of TSP spraying

1.4 尘源样品的采集与处理

试验于植物生长茂盛季的 6─8月进行，大雨过后的当日或第二日分别在无绿化路段及绿化带路段的样带内，按离开路沿的距离设置距离梯度调查样点，距离梯度为0、2、5、10、15、20 m，将尘源收集装置编号后放置在各调查样点收集大气降尘。在实地测试的地点，在道路边缘架设2m高的落灰架，采用喷粉机对林冠位置进行人工扬尘，在尘源降落后2 h将收集尘源的塑料袋迅速密封编号于自封袋中带回实验室称重。

1.5 公路绿化带滞尘效应指标

以TSP的净化率（Dust Purifying Rate）表征绿化带的滞尘作用，净化率越大，表示该点对TSP的净化效应越大，计算公式为：

式中，PD是净化率，Ms是路基处单位面积降尘质量（g·m-2），Mm是绿化带不同距离梯度上单位面积的降尘质量（g·m-2）。

为客观地反映绿化带对TSP的净化效应，本文进而提出“绿化带净滞尘率（Net Purifying Rate of Tree-belt）”和“梯度净化率（Gradient Purifying Rate）”的概念。

绿化带的滞尘总量为无绿化带时随距离增加而自然降尘减少的TSP质量与绿化带阻挡、吸收的TSP质量之和。因此，绿化带净滞尘率表示为绿化带不同距离梯度上单位面积的净降尘质量（g·m-2），公式如下：

式中：PN是绿化带净滞尘率，Ms0是无绿化路段路基处单位面积降尘质量（g·m-2），Mm0是无绿化路段不同距离梯度上单位面积的降尘质量（g·m-2）。

梯度净化率以单位距离上的 TSP减少量来表示，公式如下：

式中：Ra为梯度净化率，r为距离点（m），Mr为距公路距离为 r点梯度上的降尘质量（g·m-2），Mr-1为Mr前一距离梯度的降尘质量（g·m-2）。

2 结果与分析

2.1 有无绿化带路段路旁TSP飘散格局

便于比较分析，对所有绿化带和无绿化路段的典型路段样带内各距离梯度降尘量实测值，分别计算平均值和标准差置于图中，制成路旁TSP扩散格局分析图，见图1。

图1 有绿化带与无绿化带路段路旁TSP飘散格局对比图Fig. 1 Dispersion patterns of TSP with and without roadside tree-belt

由图1可知，自路基处绿化带即开始发挥显著的滞尘效应，与无绿化带路段相比，降尘在距道路5 m范围内呈较快的递减趋势，从距道路 0 m处234.51 g·m-2降至 5 m 处 91.11 g·m-2，平均降低143.39 g·m-2，对TSP的净化率均值达61.10%，净滞尘率在 2 m处平均达到 19.10%，在 5 m达到22.95%；在路旁5～15 m范围内TSP降低趋势减缓，平均降低 69.44 g·m-2，对 TSP的净化率均值达90.67%，净滞尘率在10 m处为19.93%，在15 m为18.53%；在15～20 m范围内，TSP降低趋势更缓，平均降低13.31 g·m-2，净化率均值达96.56%，最高值可达100%，20 m处净滞尘率为9.83%。进一步对无绿化带路段和有绿化带路段各梯度上 TSP质量进行差异显著性t检验，结果表明，两者之间在P<0.001水平上差异极显著。绿化带对路旁TSP污染有明显的防护效应。

2.2 不同结构类型绿化带的滞尘效应

对4种结构类型的绿化带典型路段样带各距离梯度降尘量以及净滞尘率，计算平均值和标准差一并置于图中，制成不同结构类型绿化带路旁 TSP扩散格局分析图，见图2。进一步采用LSD法分析比较各结构类型绿化带梯度净化率差异性，结果见表4。

由图2和表4可知，在路旁2 m处，高密度林带表现出较高的滞尘效应，其中高密度型纯林在 2 m处的净化率均值为42.79%，TSP从235.68 g·m-2降为135.78 g·m-2，净滞尘率为12.98%，高密度混交林的TSP从240.68 g·m-2降为140.02 g·m-2，TSP净化率为41.73%，净滞尘率为23.96%；4种类型绿化带净滞尘率在5～10 m处为最高，在路旁5 m处，4种类型绿化带对TSP的净化率均达到50%以上，纯林高密度绿化带与混交林高密度绿化带相比差异不显著（P=0.447），TSP净化率均达到67%，TSP分别降至 77.20和 77.10 g·m-2，净滞尘率分别为29.22%和29.72%，与其余两种类型绿化带差异显著（P<0.001），而低密度的混交林绿化带净化率为54.56%，从220.93 g·m-2降至5 m处100.33 g·m-2，净滞尘率为 16.40%，滞尘效果略高于净化率为51.52%、净滞尘率为 13.37%的纯林绿化带（从238.30 g·m-2降至 115.58 g·m-2），差异显著（P<0.001）；路旁10和15 m处，4种类型的绿化带表现差异显著（P<0.001），净化率、净滞尘率均表现为混交林高密度>纯林高密度型>混交林低密度型>纯林低密度；到20 m处，不同结构类型的绿化带对TSP的净化率均达到了90%以上，其中纯林高密度绿化带与混交林高密度绿化带相比差异不显著（P=0.491），净化率分别为98.76%和98.56%，净滞尘率为11.16%和11.30%，TSP分别为5.33和4.74 g·m-2，与其余两种类型绿化带差异显著（P<0.001），纯林低密度型、混交林低密度型绿化带20 m处TSP分别为14.04和10.48 g·m-2，净滞尘率为7.62%和8.64%。

图2 不同结构类型绿化带路旁TSP飘散格局对比图Fig. 2 Dispersion patterns of TSP with different structures of roadside tree-belts

表4 不同结构类型绿化带滞尘梯度净化率多重比较Table 4 TSP Gradient purifying rate with different structures of roadside tree-belts %

2.3 不同粒径水平下绿化带的滞尘效应

对4种粒径水平下的绿化带典型路段样带内各距离梯度降尘量和净滞尘率，分别计算平均值和标准差置于图中，制成不同粒径水平下绿化带路旁TSP扩散格局分析图，见图3。进一步采用LSD法分析比较各结构类型不同粒径水平的绿化带距离梯度净化率差异性，结果见表5。

由图3可以看出，粒径不同，TSP飘散格局明显不同，在路肩处即表现出P<0.001水平的显著性差异。综合所有绿化带净滞尘率，除粒径为53 μm与粒径为106 μm时差异不显著（P=0.307），其余各粒径水平两两之间绿化带净滞尘率在P<0.001水平差异显著。在4种粒径水平下，公路绿化带均在2 m至15 m即表现出较高的滞尘效应，其中粒径为53 μm时，绿化带净滞尘率在 5 m 处最高，为18.84%；粒径为75 μm时，绿化带在5 m处的净滞尘率最高，为38.09%；粒径为106 μm时，绿化带净滞尘率在15m处最高，为15.40%；粒径为150 μm时，绿化带净滞尘率在15 m处最高，为24.94%。因此，TSP粒径较小时（53、75 μm），绿化带在2～5m的滞尘效应较高，可能是由于TSP粒径较小时较易附着于近路边植物的枝叶表面或是悬浮于空气之中，而粒径较大时（106、150 μm），绿化带在5～15 m的滞尘效应较高。

图3 不同粒径水平绿化带路旁TSP扩散格局分析图Fig. 3 Dispersion patterns of TSP with different partical size

表5 4种结构类型绿化带不同粒径TSP梯度净化率LSD多重比较Table 5 TSP Gradient purifying rate with different partical size %

由表5可以看出，在不同粒径水平下4种绿化带表现出明显不同的梯度净化率。其中，粒径为53、75、106 μm时，纯林高密度绿化带和混交林高密度绿化带差异不显著（P=0.753，0.081，0.246），此两种类型绿化带和其余两种皆在P<0.001水平差异显著；粒径为150 μm时，4种类型绿化带在P<0.001水平差异显著。

2.4 不同喷粉力度水平绿化带的滞尘效应

对4种喷粉力度下的绿化带典型路段样带内各距离梯度降尘量和净滞尘率，分别计算平均值和标准差置于图中，制成不同喷粉力度水平下绿化带路旁TSP扩散格局分析图，见图4。进一步采用LSD法分析比较各结构类型不同喷粉力度水平的绿化带梯度净化率差异性，结果见表6。

对不同喷粉力度水平下绿化带的净滞尘率作差异显著性t检验，结合图3可以看出，当喷粉力度分别为1、2、3及4 m·s-1时，公路绿化带对不同的喷粉力度的TSP净滞尘率在P<0.001水平差异显著。当喷粉力度为1 m·s-1时，净滞尘率在15 m处最高，为16.50%；当喷粉力度为2、3、4 m·s-1时，净滞尘率均在5 m处最高，分别为22.03%、28.69%、25.09%；因此，不同的瞬时风力条件，滞尘效应不同。

由表6可知，而在不同的喷粉力度水平下，不同类型绿化带对TSP的梯度净化率均表现为：低密度型绿化带分别与高密度型绿化带类型相比，差异显著（P<0.001），纯林低密度型绿化带、混交林低密度型绿化带均与其他 3种绿化带差异显著（P<0.001），高密度型绿化带之间差异不显著（P=0.450）。

图4 不同喷粉力度绿化带路旁TSP扩散格局分析图Fig. 4 Dispersion patterns of TSP with different dusting dynamics

表6 4种结构类型绿化带不同喷粉力度颗粒梯度净化率LSD多重比较Tabe 6 TSP Gradient purifying rate with different dusting dynamics %

2.5 公路绿化带特征因子对绿化带滞尘效应的影响

由研究可知，在绿化带10 m处的TSP净化率即可达到75%以上，已可基本满足绿化带对TSP的净化效应要求。因此，为进一步分析公路绿化带的滞尘效应机理，以10 m处绿化带对TSP的净化率为因变量，根据公路绿化带滞尘效应与绿化带特征因子的相关关系，选出滞尘效应影响显著的因子作为自变量，考虑到因子间可能存在的互作关系，并加入主要影响因子的乘积作自变量，建立多元回归模型，通过逐步回归法（Stepwise）进行多元回归分析，结果见表7。

模型中涉及因子较多，采用逐步回归的方法减少因子量，便于实际应用。表7所示，所有模型方程的决定系数R2均高于0.78，达极显著水平，表示模型的拟合优度较高。模型1为基于显著影响因子的绿化带对 TSP净化效应的线性方程模拟，R2>0.78，表示绿化带的郁闭度和灌草结构对于TSP净化效应最为重要；模型2～3表明主要特征因子以及因子之间的互作对绿化带的滞尘有较大的贡献作用，拟合模型R2>0.89。

3 结论

（1）公路绿化带对空气中的TSP有显著的净化效应，明显改变了道路TSP的扩散格局。自路基处在距道路5 m范围内绿化带即开始发挥显著的滞尘效应，对TSP的净化率均值达61.10%，净滞尘率为最高，达22.95%；在路旁5～15 m范围内TSP质量降低趋势减缓；在15～20 m范围内，TSP降低趋势更缓，净滞尘率在5～15 m逐渐减弱，在20 m净滞尘率均值为9.83%，TSP净化率均值达96.56%，最高可达100%。

表7 绿化带滞尘效应多元回归模型Table 7 Simulation equations of TSP -retaining with tree-belt

（2）公路绿化带的结构不同，滞尘效果也不同。绿化带宽度15 m对TSP的净化率即可达到85%以上，即可满足除尘的要求。高密度型绿化带（郁闭度≥0.55）对TSP表现出非常显著的净化效应，在5 m处净滞尘率可达29%以上。TSP粒径大小不同，绿化带的滞尘效应也不同，TSP粒径为53、75 μm时，绿化带在5 m的净滞尘率最高，分别为18.81%和38.09%，而粒径为106、150 μm时，绿化带在15 m的净滞尘率最高，分别为15.40%和24.94%，尤以高密度型绿化带较好。不同的瞬时风力条件对绿化带的滞尘效应也有影响，当瞬时风力为小风（1 m·s-1）时，净滞尘率在15 m处最高，为16.50%；当瞬时风力为微风（2、3、4 m·s-1）时，净滞尘率均在5 m处最高，分别为22.03%、28.69%、25.09%，以高密度型绿化带效果较好。

（3）绿化带的滞尘效应受林带的多种特征因子综合影响，以绿化地郁闭度、密度、平均枝下高、冠幅、灌草结构、首行树种类型影响最为显著，而因子之间互作作用对绿化带的滞尘有较大的贡献作用。树种不同，绿化带的滞尘效应不同，因此在近路基处栽植杨树或槐树，且乔木种长势高大并伴有较密的灌草，能增强绿化带的滞尘效应。

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Dust-retaining Effects of Roadside Tree-belt on TSP Pollution of Roadside

WANG Hui1, GUO Jinping2*, ZHANG Yunxiang1
1. College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. College of Urban and Rural Construction, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China

Road traffic TSP not only threatens human health, but causes environmental pollution. Some typical roadside tree-belts were selected and classified for this study in Shanxi province, TSP pollution of roadside simulated by loess powder with particle size were 150, 106, 75 and 53 μm respectively, powder spraying by manual operations via gallus power sprayer with powder spraying speed were 1, 2, 3 and 4 m·s-1respectively at subgrade, dust sampling points was set in roadside tree-belts distance away from the roads by 0, 2, 5, 10, 15, 20 m on the ground, the dispersion patterns of TSP with or without tree-belts were studied, and dust-retaining effect of tree-belts on TSP pollution with different particle size, different instantaneous wind condition and different stand types were analyzed. Based on significant impact factors and interactions, multiple regression models on dust-retaining effects of roadside tree-belt and stand characteristic factors were set up using stepwise. The results showed: Roadside tree-belts have obvious dust-retaining effects that changed the dispersion patterns of road traffic TSP, in this study, away from the roads of 5 m the net purifying rate of tree-belt was 22.95% on average, and dust-retaining rate of 61.10%, then declined with net purifying rate of tree-belt of 9.83% at 20 m, with dust-retaining rate of 96.56%; dust-retaining effects varies from particle size and instantaneous wind condition, net purifying rate of tree-belt was highest at 5 m with particle size were 53 and 75 μm or with instantaneous wind condition were 2, 3, 4 m·s-1, the value were 18.81%, 38.09%, 22.03%, 28.69% and 25.09% respectively; net purifying rate of tree-belt was highest at 15 m with particle size were 106 and 150 μm or with instantaneous wind condition was 1 m·s-1, the value were 15.40%, 24.94% and 16.50% respectively; high density tree-belt with a canopy density≥0.55 have better effect on dust-retaining, the dust-retaining effects of roadside tree-belt could be improved by complex structure with taller trees plus shrubs and grass, Populus L. and Sophora japonica Linn. planted at subgrade would be better.

roadside tree-belt; dust-retaining effect; characteristic factor

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.009

X173；X51

A

1674-5906（2015）09-1478-08

王慧，郭晋平，张芸香. 公路绿化带滞尘效应研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(9): 1478-1485.

WANG Hui, GUO Jinping, ZHANG Yunxiang. Dust-retaining Effects of Roadside Tree-belt on TSP Pollution of Roadside [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1478-1485.

山西省科技攻关项目（20100311015）；山西省林业厅科技支撑项目（G09-47）；山西农业大学科技创新基金项目（201303）；山西农业大学引进人才科研启动经费

王慧（1985年生），女，讲师，博士，研究方向为森林培育。E-mail: birdpink@163.com *通信作者：郭晋平，教授，博士生导师。E-mail: jinpguo@126.com

2015-07-22