城市道路林林内大气颗粒物时空分布动态及其削减效应研究

摘要

随着城市化进程的加快，空气污染日趋加重，如何削减城市颗粒物污染已成为城市生态建设的重要内容。研究表明城市森林在削减城市颗粒物污染中发挥了重要的作用，其中作为城市森林重要组成部分的城市道路林也日益受到重视。然而，以往城市道路林对空气颗粒物削减效应研究多采用线性观测的方法进行，忽视了颗粒物分布的空间异质性，因而获得的道路林内颗粒物空间分布及其最优道路林结构配置模式值得进一步商榷。因此，本研究以泰安市城市道路林为研究对象，选取前乔后乔的乔-灌-草、前乔后灌的乔-灌-草、前灌后乔的乔-灌-草、乔-灌、乔-草、乔木6种结构类型的典型道路林，采用地统计学技术进行空间多点规则网格布设观测点，测定道路林内TSP、PM10、PM2.5和PM1的浓度与小气候因子，分析颗粒物空间分布的日变化和季节变化规律及其影响机制，确定削减四种颗粒物作用最佳的道路林配置结构，为科学营建和管理城市道路林提供参考和依据。得到主要结论如下： 1、道路林内大气颗粒物的空间分布具有较强的异质性 采用地统计学技术的空间多点规则网格法布设进行大气颗粒物的观测分析表明，四种颗粒物浓度在不同配置结构的道路林内均有变异，总的来说TSP、PM10空间变异性要大于PM2.5、PM1。大部分道路林内颗粒物浓度由林缘至林内表现为下降趋势，但是下降幅度不同。 不同配置结构道路林在不同季节条件下林内颗粒物浓度变异性不同，前灌后乔的乔-灌-草道路林内TSP、PM10空间变异性较高，最高值与最低值比值分别为8.55、8.3，乔-草结构道路林内细颗粒物PM2.5、PM1变异性较大，比值分别为1.76、1.62。这反映了不同配置结构的道路林对不同粒径颗粒物调控能力不同。 2、道路林内大气颗粒物空间分布的日变化特征及其影响机制 选择晴朗，无风或微风（风力＜3级）天气，测定不同结构道路林内8:00-18:00大气颗粒物的含量，结果表明不同结构的道路林内四种颗粒物浓度的日变化趋势基本一致，都表现为早、晚高，午间低的“U型”变化趋势。其中，相比粗颗粒物，细颗粒浓度在傍晚的上升趋势较为缓慢，16:00-18:00相比12:00-14:00时段，四种颗粒物浓度上升幅度分别为40.39％、29.93％、15.91％、21.72％。 不同时段下颗粒物空间分布受到道路林结构、小气候日变化及颗粒物本身粒径共同影响，道路林内颗粒物空间分布全天均受到道路林配置结构影响，颗粒物分布与群落乔灌密集区域相关；在14:00-18:00时段内颗粒物空间分布点状聚集增多，空间变异性增大；对比不同颗粒物空间分布，其浓度变化范围有所不同。 3、道路林内大气颗粒物空间分布的季节变化特征及其影响机制 通过春、夏、秋、冬四个季节的道路林内四种大气颗粒物的对比分析表明，在不同季节条件下道路林内颗粒物浓度显著不同（P＜0.05）。其中：TSP、PM10浓度呈现春季最高，分别为1061.39μg/m3和597.86μg/m3；PM2.5、PM1浓度则呈现冬季最高分别为231.61μg/m3和69μg/m3。不同季节条件下林内颗粒物变异性不同，TSP、PM10空间变异性在夏季、秋季较高，林内最高值与最低值比值最高分别达到12.45、8.3，而PM2.5、PM1在四季无明显变化。 研究发现大气颗粒物的含量与道路林绿量呈负相关关系，但是部分道路林内存在颗粒物空间积聚现象，多出现在春季、秋季。春季道路林内PM10浓度为160.56μg/m3，而林外为87.70μg/m3；秋季TSP、PM10林内分别比林外增加了5.6％、13.3％。与日变化相似，林内颗粒物空间分布的季节变化也是道路林结构、小气候季节变化及颗粒物本身粒径共同作用的结果。 4、不同结构道路林的削减大气颗粒物效应 在不同季节条件下，不同道路林配置结构的滞尘效应也存在差异。春季对四种颗粒物削减效应最高的是前乔后乔的乔-灌-草结构道路林，对TSP、PM10、PM2.5、PM1削减率分别达到8.71％、6.77％、5.54％、5.34％；夏季乔-草结构对TSP、PM10削减效应最高，前灌后乔的乔-灌-草结构道路林对PM2.5、PM1削减效应最优；秋季前乔后灌的乔-灌-草结构道路林削减效果最优；冬季条件下，前灌后乔的乔-灌-草结构道路林对TSP、PM10的削减效应较好，前乔后灌的乔-灌-草结构则对PM2.5、PM1削减效应最好（P＜0.05）。 本研究进一步通过隶属函数法对不同配置结构道路林滞尘效应综合评价，前乔后乔的乔-灌-草结构道路林在对四种不同颗粒物削减效应排序均列第一，单层乔木结构的道路林最差；三种乔-灌-草结构样地削减颗粒物效应普遍大于乔-灌、乔-草以及单层乔木结构道路林，其中针叶乔-草结构道路林在对粗颗粒物TSP、PM10削减效应上要大于乔-灌-草结构。 5.道路林内颗粒物浓度及其削减率影响因素分析 全年来看，道路林内观测点颗粒物浓度与温度、风速极显著负相关，与湿度极显著正相关（P＜0.01），道路林全年颗粒物削减率随绿量密度上升而上升趋势。 6.对道路林建设的建议 道路林规划设计应根据其防护功能选择不同配置结构的道路林，TSP、PM10污染较为严重的区域应多植针叶树；污染严重的区域应选择乔灌草层次丰富，且道路林中靠近及远离道路两侧均有乔木种植的道路林配置结构；乔，灌木种植不可过密，防止林内颗粒物聚集；春、夏季居民出行时应尽量避免高绿量乔灌木包围的封闭区域，秋季应尽量减少林内停留时间。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1研究背景

1.2大气颗粒物相关研究进展

1.2.1 大气颗粒物概念、危害和来源

1.2.2空气颗粒物削减机理研究

1.3道路林削减大气颗粒物效应研究进展

1.3.1大气颗粒物监测方法

1.3.2大气颗粒物变化特征

1.3.3城市森林削减颗粒物作用机理

1.3.4道路林削减大气颗粒物的研究进展

1.4研究中存在的问题

1.5本研究的目的、内容及意义

1.6本研究的技术路线

2材料与方法

2.1研究区概况

2.1.1研究区自然概况

2.1.2城市道路林建设概况

2.2观测方法

2.2.1样地选择与观测点布设

2.2.2野外观测方法

2.3数据处理

2.3.1道路林绿量密度计算方法

2.3.2空间数据分析

2.3.3削减率计算方法

2.3.4显著性分析

2.3.5隶属函数法分析

3结果与分析

3.1道路林内颗粒物浓度空间变异分析

3.1.1道路林颗粒物空间分布各向趋势分析

3.1.2半变异模型分析

3.1.3普通克里金差值结果

3.2颗粒物在道路林林内空间分布的季节变化

3.2.1春季颗粒物在道路林林内空间分布特征

3.2.2夏季颗粒物在道路林林内空间分布特征

3.2.3秋季颗粒物在道路林林内空间分布特征

3.2.4冬季颗粒物在道路林林内空间分布特征

3.2.5不同季节颗粒物在道路林林内空间分布特征比较

3.3不同配置结构的道路林对颗粒物削减效应

3.3.1道路林对颗粒物削减效应的日变化

3.3.2春季道路林对颗粒物削减效应

3.3.3夏季道路林对颗粒物削减效应

3.3.4秋季道路林对颗粒物削减效应

3.3.5 冬季道路林对颗粒物削减效应

3.3.6不同配置结构的道路林对颗粒物削减效应

3.4道路林内颗粒物浓度及其削减效应的影响因素分析

3.4.1全年道路林内颗粒物浓度影响因素分析

3.4.2道路林削减不同颗粒物效应的影响因素

4 讨论

4.1城市道路林滞尘效应测定方法

4.2夏季条件下道路林内颗粒物浓度、空间分布以及削减率日变化

4.3不同季节条件下道路林内颗粒物浓度空间分布特征

4.4不同配置结构林地结构滞尘效应及林内颗粒物浓度特征

5结论

参考文献

致谢

资助项目