武汉城市干道绿化隔离带消减颗粒物效应及优化建议

摘要

随着城市化进程的加速、机动车数量骤增，大气污染已成为许多国家和地区面临的重要环境问题，而颗粒物(PM)污染是改善城市空气质量的重要制约因素，尤其是道路环境颗粒物污染。道路绿带可以通过阻滞颗粒物而有效地改善街道空气质量，目前针对于路侧绿化带减尘效果的相关研究较多，但是针对于对非机动车道和人行道具有保护作用的道路绿化隔离带（机动车与非机动车间的分车带）的研究尚少，因此本研究的研究对象主要是绿化隔离带。为有效缓解街道空气颗粒物污染问题，保障行人生态安全，构建以减尘为主要目标的城市干道绿化隔离带具有重要的实践意义。本文通过测定植物叶片表面不同粒径颗粒物的滞留量和叶片形态生理指标综合筛选了高效滞尘植物，分析了不同污染程度下不同类型植物叶表颗粒物粒径分布特征及道路环境植物冠层不同高度和方向叶片颗粒物吸附规律;并通过实地测定不同道路绿化隔离带模式对不同粒径颗粒物的消减效果，探讨了颗粒物消减效率与绿化隔离带结构参数以及气象因子的关系，提出道路绿化隔离带高效减尘模式构建方法和优化建议。主要研究结论如下:
　　(1)选择污染区和清洁对照区共有的24种植物，通过重量法测定植物叶表颗粒物滞留量发现，不同地区、不同种类植物叶片颗粒物滞留量差异显著，污染程度和植物类别对植物叶表颗粒物滞留量有重要影响，叶表颗粒物的重量分布以降尘（粒径大于10μm的颗粒物）为主。污染区植物叶片比叶面积(SLA)较对照区增大，色素含量以及pH和相对含水量(RWC)较对照区显著降低，说明污染区各种植物都在一定程度受到污染的影响，但不同植物变化幅度有所差异，证明可以用这些指标来筛选抗性植物。综合考虑植物叶片滞尘量及形态生理指标变化，利用隶属函数法对污染区24种植物进行综合评价，并通过聚类分析法将24种植物综合滞尘能力分为强、较强、一般和较差四个等级，其中枇杷、杜鹃、夹竹桃、云南黄馨、桂花、十大功劳和石楠属于强能力种，悬铃木、栾树、桑树、红花檵木、广玉兰、棕榈、法国冬青、火棘、吉祥草和女贞具有较强的滞尘能力，山杜英、龙爪槐、海桐、爬山虎和鸢尾为一般能力种，而银杏和紫叶李的综合滞尘能力较差。
　　(2)通过不同污染程度下（清洁对照区、中度和重污染区）三种典型植物叶表颗粒物粒径分布特征观察发现，重污染区植物叶片表面颗粒物数量最高，叶片上表面近轴端颗粒物数量显著高于远轴端和叶片下表面，2年生雪松叶片吸附的颗粒物(PM2.5-5和PM5-10)数量显著多于1年生叶片;植物叶片吸附的颗粒物数量主要以细颗粒物(PM2.5)为主，占颗粒物总数量的95％以上。通过三种典型植物叶表颗粒物分布与叶表微结构的关系分析发现，香樟主要靠叶表小室（凹陷结构）和叶脉吸附颗粒物，在严重污染条件下，叶片下表面气孔也能够吸附大量颗粒物;杜鹃主要通过叶片上下表面绒毛以及沟槽吸附颗粒物;1年生雪松叶片主要靠棱状结构吸附颗粒物，且由于其具有密集的蜡质晶体，其吸附颗粒物的能力相对较弱;2年生雪松叶片具有明显的气孔线，能够通过气孔及其周边结构吸附大量颗粒物。此外，通过比较三种类型植物叶表颗粒物覆盖密度，发现在清洁对照区，叶片有绒毛的植物吸附颗粒物的能力最强;在中度或重污染区，叶表颗粒物吸附量则主要受大气颗粒物浓度影响。
　　(3)街道环境下植物下层叶片表面的不同粒径颗粒物吸附量较中层和上层高，但大部分植物中层和上层叶表不同粒径颗粒物吸附量没有显著差异。面向道路一侧植物叶片对不同粒径颗粒物的滞留量较背向道路侧植物叶片高，且灌木冠层不同方向叶片表面颗粒物滞留量差异较乔木显著。
　　(4)通过不同走向道路绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效率测定发现，不同走向道路绿化隔离带对颗粒物的消减效果有显著差异，垂直于主导风向和与主导风向有夹角的道路绿化隔离带对颗粒物的消减效果显著高于平行于主导风向的道路绿化隔离带。绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效率也存在显著差异，对粒径较大(TSP和PM10)的颗粒物的消减效果显著高于粒径较小(PM2.5)的颗粒物。绿化隔离带分层疏透度与颗粒物消减效率的关系分析显示，绿化隔离带0～2m高度范围内的疏透度与颗粒物消减效率呈显著的负相关。绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效率与气象因子密切相关，对TSP和PM2.5消减效果的影响大小顺序依次为相对湿度＞风速＞温度，而对PM10消减效果的影响大小顺序依次为风速＞温度＞相对湿度。
　　(5)基于植物叶片吸附颗粒物特征和绿化隔离带消减颗粒物效应的研究，并结合前人研究成果，从植物选择和绿化隔离带结构配置两个方面探讨了以减尘为主要目标的城市干道绿化隔离带构建方法，并从植物选择和绿化隔离带配置模式以及后期管护等方面提出了针对武汉市城市干道绿化隔离带设计和建设的优化建议。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．1．1 颗粒物类型多、来源复杂

1．1．2 颗粒物危害严重

1．1．3 道路绿地生态效益显著

1．1．4 道路绿化隔离带的结构配置未引起重视

1．2 研究目的和意义

2 国内外相关研究进展

2．1 道路绿带的界定及功能

2．1．1 道路绿带的界定

2．1．2 本研究的研究范畴

2．1．3 道路绿带的功能

2．2 道路绿带消减大气颗粒物研究进展

2．2．1 道路绿带消减大气颗粒物效率

2．2．2 道路绿带消减大气颗粒物效率的影响因素

2．3 植物叶片吸附颗粒物研究进展

2．3．1 植物叶片吸附颗粒物的能力及粒径分布特征

2．3．2 植物叶片吸附颗粒物时空变化规律

2．3．3 植物叶片吸附颗粒物的影响因素

2．4 目前存在的问题

2．5 研究内容及技术路线

2．5．1 研究内容

2．5．2 技术路线

3 植物叶片吸附不同粒径颗粒物的能力及其与叶片特征指标相关性研究

3．1 研究方法

3．1．1 采样地点

3．1．2 测试树种选择和样品采集

3．1．3 叶片颗粒物滞留量测定

3．1．4 叶片形态指标及生理指标测定

3．1．5 数据分析方法

3．2 结果与分析

3．2．1 植物叶片颗粒物滞留量分析

3．2．2 植物叶片表面颗粒物粒径组成分析

3．2．3 植物叶片表面不同粒径颗粒物滞留量方差分析

3．2．4 污染区和对照区植物叶片形态和生理特征比较分析

3．2．5 植物叶片不同粒径颗粒物滞留量与叶片特征指标相关性分析

3．2．6 高效滞尘植物筛选

3．3 讨论

3．3．1 植物叶片滞尘量差异分析

3．3．2 污染条件下植物叶片特征变化

3．3．3 污染区高效滞尘植物筛选

3．4 小结

4 典型植物叶片表面颗粒物粒径分布

4．1 研究方法

4．1．1 采样点区位

4．1．2 样品采集

4．1．3 叶片表面颗粒物扫描电镜(SEM)观察及叶片微结构SEM观察

4．1．4 颗粒物数量统计方法

4．1．5 数据分析方法

4．2 结果与分析

4．2．1 植物叶片颗粒物观察的最佳倍数筛选

4．2．2 樟树叶片表面颗粒物粒径分布分析

4．2．3 杜鹃叶片表面颗粒物粒径分布分析

4．2．4 雪松叶片表面颗粒物粒径分布分析

4．2．5 不同类型植物间滞尘能力比较

4．3 讨论

4．3．1 叶片颗粒物粒径分布特征

4．3．2 叶片颗粒物分布差异

4．3．3 叶片表面颗粒物分布与叶片微结构的关系

4．4 小结

5 道路环境植物叶片吸附颗粒物的空间特征

5．1 材料与方法

5．1．1 研究材料

5．1．2 研究方法

5．1．3 数据分析方法

5．2 结果与分析

5．2．1 植物冠层不同高度叶片表面颗粒物吸附量比较

5．2．2 植物冠层不同方向叶片表面颗粒物吸附量比较

5．3 讨论

5．3．1 讨论

5．3．2 局限性

5．4 小结

6 城市干道绿化隔离带消减颗粒物效应研究

6．1 研究区概况

6．2 研究方法

6．2．1 道路样地选择

6．2．2 样带选择及布置

6．2．3 采样点设定

6．2．4 颗粒物浓度测定及消减效率计算

6．2．5 绿化隔离带结构指标测定

6．2．6 气象因子测定

6．2．7 数据处理

6．3 结果与分析

6．3．1 道路绿化隔离带对不同粒径颗粒物的消减效应

6．3．2 颗粒物消减效率与绿化隔离带垂直结构的关系

6．3．3 颗粒物消减效率与气象因子的关系

6．4 讨论与建议

6．4．1 讨论

6．4．2 建议

6．5 小结

7 武汉城市干道绿化隔离带植物选择及配置优化建议

7．1 目标

7．2 原则

7．3 依据与方法

7．3．1 植物选择依据与方法

7．3．2 绿化隔离带结构参数

7．4 优化建议

7．4．1 植物选择

7．4．2 配置模式

7．4．3 搭配方式

7．4．4 后期管护

8 结论及主要创新点

8．1 结论

8．2 主要创新点

8．3 研究的局限性和展望

参考文献

攻读博士期间发表论文

致谢