高速公路林带治污减霾效能研究

刘 明，董军录，呼海涛，熊 萍，呼延洋，王 冬，何海棠

(陕西省林业调查规划院，西安 710048)

近年来，我国雾霾天气频发、污染程度加剧势头未能根本扭转，空气质量越来越受到社会各界的关注。研究表明，雾霾主要由硫氧化物、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项组成，前两项为气态污染物，后者颗粒物是加重雾霾天气污染的罪魁祸首[1]。机动车尾气是雾霾颗粒组成最重要的成分之一，北京市雾霾颗粒中机动车尾气占22.2%、燃煤占16.7%、扬尘占16.3%、工业占15.7%[2]。

植被可以吸附大气颗粒物，降低大气颗粒污染物含量[3]，能有效改善空气质量，此外，植被还具有降低高频噪声的作用[4]。截止2017年底，我国高速公路现有通车里程136.0×103km，是陆路交通的最主要通道[5]，高速公路汽车尾气因之也成为大气雾霾颗粒物的主要成分。为推进高速公路林带建设和技术提升，我们研究了西安市周边三条主要高速公路的林带对雾霾主要成分和噪音的降低效果。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

按典型性和代表性原则，选择可准确反映西安市高速交通实际和林带现状的三条国家级高速公路——连霍高速(G30)、包茂高速(G65)和京昆高速(G5)，并在其典型地段设置监测点，定期同步开展监测工作。这3条高速公路为我国11纵18横高速公路网的重要组成部分，连(云港)霍(尔果斯)高速全长4 395 km，包(头)茂(名)高速全长3 130 km，(北)京昆(明)高速全长2 865 km。

连霍高速监测点位于陕西省杨凌区东环路与连霍高速立交交汇处，东侧有林带，西侧无林带，两侧外均为种植有玉米的农田；东侧林带宽度30 m，由3～4排杨树构成，平均胸径8.5 cm，平均高9.2 m。包茂高速监测点位于陕西省西安市长安区太乙宫段嘉艺园林设计工程公司处，林带分布公路两侧，林带宽度约80 m，护栏旁栽植2～3排紫叶李和大叶女贞，林带由20～25排杨树构成，杨树平均胸径12.0 cm，平均高11.5 m。京昆高速监测点位于长安区细柳街办西渠村处，林带分布公路两侧，林带宽度约60 m，护栏旁栽植2～3排刺槐，林带由8～10排杨树构成，平均胸径9.5 cm，平均树高9.0 m。林带外侧农田种植有玉米。

1.2 研究方法

1.2.1 监测对象 基于对环境质量、人体健康影响最大的污染物总悬浮颗粒物(TSP)、碳氧化物、氮氧化物以及重金属(主要是铅)，监测对象选择为CO、CO2、NO、NO2等四种气态污染物，固体悬浮微粒(PM2.5、PM10)，噪音和土壤重金属铅。

1.2.2 仪器与方法 基于研究区高速公路林带平均宽度，以林带靠近高速公路的一侧外缘为起测点，林带另一侧为终测点，测定距高速公路不同距离(0，15，60 m)的林带内气态污染物、固体悬浮微粒、噪音。气态污染物监测使用美国EST—1000多探头气体检测仪和气体感应探头(精确度±5%FS、响应时间T90<60 S)，PM2.5，PM10使用ONETEST-3000A型大气粉尘测定仪进行监测，SL4200型数字声级计测定噪音值。

在连霍高速，分别选择有林带和无林带(对照)的地段，距离高速公路坡基10，20，40，60 m处分别选择土壤采样点(重复3次)，在每个样点按0～10，10～20，20～40，40～60 cm土层深度,利用土壤采样器采集土样，混合、风干、研磨后，过100目筛，采用火焰原子吸收光谱法[6]测定铅含量。

1.2.3 监测时间 自2017年3月起，每月中旬选择一晴天，从早10：00至晚18:00，每隔2 h测定1次，每次采集3组数据(重复3次)，监测数据取平均值记录。

2 结果与分析

2.1 高速公路林带降低气态污染物浓度的作用

图1 不同位置CO2浓度变化

2.1.1 碳氧化物 监测的三条高速公路，在距高速公路路基0，15，60 m林带内均未检测到CO；京昆、连霍、包茂三条高速公路林带内CO2浓度随距离高速公路距离的增加而下降，距高速公路15 m处CO2浓度(411.6，454.6，412.3 ppm)分别显著(p<0.05)低于距路基0 m处(510.3，473.6，445.0 ppm)，依次降低了19.3%，4.0%和7.3%，距路基60 m处CO2浓度为399～425 ppm，相对于15 m处又分别降低了3.1%、6.5%和2.2%，且趋于空气中CO2理论浓度(380 ppm，一般室外为350～450 ppm)，其中京昆高速最低，连霍高速最高，且三者分别与距路基15 m处CO2浓度差异不显著(p>0.05)；相对于距路基0 m处，说明3条高速公路林带具有降低CO2浓度的作用，尤其是京昆高速林带，且其宽度超过15 m之后效果会显著下降。

2.1.2 氮氧化物

(1)NO浓度

从图2-a看出，京昆、连霍、包茂三条高速公路旁空气中NO浓度随距离高速公路距离的增加而下降，由距路基0 m处的0.04，0.18，0.05 mg·m-3依次降低25.5%，63.4%，97.1%达到0.03，0.07，0.00 mg·m-3，再由15 m处分别降低28.4%，63.4%，0.0%达到60 m处的0.02，0.04，0.00 mg·m-3；京昆高速距路基0、15、60 m等三处NO浓度彼此差异显著(p<0.05)，连霍高速、包茂高速距路基15 m处和60 m处NO浓度显著(p<0.05)低于0 m处，而距路基15 m处和60 m处之间差异不显著(p>0.05)。说明三条高速公路的林带都有降低NO浓度的显著作用，京昆高速林带宽度超过15 m后降低NO浓度效果依然显著，而连霍高速和包茂高速林带的作用相对不甚明显。

(2)NO2浓度

从图2-b看出，连霍高速和京昆高速旁NO2浓度从路基0 m处到60 m处持续下降，包茂高速却在距路基15 m处最高，原因可能是NO化学性质极不稳定，容易氧化为NO2，在此处林地，植物吸收、降解NO2浓度的幅度小于空气中NO氧化引起的NO2浓度上升幅度，正好与连霍高速和京昆高速在此处及三条高速在距路基60 m处的情况相反；包茂高速距路基0，15，60 m三处之间NO2浓度差异不显著(p>0.05)，京昆高速和连霍高速公路距路基0 m处与15 m处、15 m处与60 m处差异不显著(p>0.05)、而0 m处与60 m处差异显著(p<0.05)。表明这三条高速公路林带都可降低大气NO2浓度，其中包茂高速林带效果较差，京昆高速和连霍高速公路林带效果较好且林带宽度超过15 m后效果会下降。

2.2 高速公路林带降低固体悬浮微粒浓度的作用

2.2.1 PM2.5 图3-a显示，三条高速公路旁空气PM2.5浓度均随与高速公路距离的增加逐渐降低；在距路基0 m处，PM2.5浓度京昆高速最高(36.7 ug·m-3)，其次为包茂高速(26.0 ug·m-3)，连霍高速最低(25.3 ug·m-3)，在距路基15、60 m处的排序与在距路基0 m处相同；从距路基0 m到15 m处PM2.5浓度下降幅度连霍高速最大(23.6%)、京昆高速次之(8.0%)、包茂高速最低(2.6%)，从距路基15 m到60 m处，PM2.5浓度下降的幅度都较小，其中京昆高速最高(7.1%)、包茂高速次之(5.3%)、连霍高速最低(2.4%)；PM2.5浓度除连霍高速0 m处与60 m处差异显著(p<0.05)外，三条高速公路各林带距路基不同距离之间的差异都不显著(p>0.05)；说明三条高速公路林带都可以降低PM2.5浓度；在PM2.5浓度较高时(本试验为36.7 ug·m-3)连霍高速15m宽的林带效果可超过20%，而当PM2.5浓度下降到一定程度(本试验为28.0 ug·m-3)后，林带降低PM2.5浓度效果会大幅降低，亦即当林带宽度超过约15 m时其降低PM2.5浓度的边际效应会下降。

图3 不同位置林带固体悬浮微粒浓度

2.2.2 PM10 由图3看出，PM10浓度变化趋势与PM2.5浓度变化趋势完全一致，距路基0 m处PM10浓度连霍高速、包茂高速、京昆高速分别为44.6，33.0，32.0 ug·m-3，从距路基0 m处到15 m处，PM10浓度分别下降幅度依次为19.4%，3.0%，9.4%，从距路基15 m处60 m处下降幅度依次为12.0%，8.3%，5.7%；PM10浓度除连霍高速0 m处分别与15、60 m处差异显著(p<0.05)外，三条高速公路各林带不同宽度之间的差异都不显著(p>0.05)；说明三条高速公路林带都可以降低PM10浓度；连霍高速降低PM10浓度效果最明显，但当林带宽度超过15 m左右时其功效会大大降低。

2.3 高速公路林带降低噪音值的作用

图4显示，三条高速公路产生的噪音值均随与高速公路距离的增加而逐渐降低；从距路基0 m处至距路基15 m处三条高速公路噪音值降低幅度京昆高速最大(19.0%)，包茂高速次之(17.7%)，连霍高速最小(2.2%)，连霍高速林带15 m处噪音值与京昆高速基本相同(61分贝)，与包茂高速相差也不大(2分贝)，都接近一般环境值(50～60分贝)；从距路基15 m处到60 m处，三条高速公路噪音值降低幅度都较小，其中包茂高速8.5%，京昆高速6.6%，连霍高速3.3%，且在距路基60 m处噪音值都低于60分贝，更接近于一般环境值；距路基0，15，60 m处噪音值，包茂高速差异显著(p<0.05)，连霍高速差异都不显著(p>0.05)，京昆高速距路基0 m处噪音值分别显著(p<0.05)高于10，60 m处，10，60 m处之间差异不显著(p>0.05)。表明林带通过反射、衍射、吸收等方式，可有效降低机动车产生的噪声，并达到一般生活要求；京昆高速林带降低噪音效果最好，包茂高速次之，连霍高速最差；15 m或再稍微加宽的林带降低噪音最有效，随着林带宽度的再增加其降低噪音的边际效应会下降，以至逐渐趋于环境噪音。

图4 不同位置林带噪音值

2.4 高速公路林带降低土壤铅含量的作用

从表1可看出，距路基10，20，40，60，100 m地段，0～60 cm土层土壤平均铅含量有林带为12.34～13.96 mg·kg-1，低于无林带的16.53～19.72 mg·kg-1，降低幅度为8.5%～31.2%，且在不同地段，同一深度层次的土壤铅含量都是无林带土壤高于有林带土壤，除极个别差异不显著外，绝大多为差异显著或极显著，说明高速公路林带有吸附、吸收汽车尾气铅而降低土壤铅含量的作用。

3 结论与讨论

(1)京昆、连霍、包茂三条高速公路林带内CO2、NO、NO2等气态污染物浓度随距离高速公路距离的增加而下降：距高速公路15 m处CO2浓度都显著低于路基处(p<0.05)，与距路基60 m处差异不显著(p>0.05);京昆高速距路基0，15，60 m等三处NO浓度彼此差异显著(p<0.05)，连霍高速、包茂高速距路基15 m处和60 m处NO浓度显著(p<0.05)低于0 m处，距路基15 m处和60 m处之间差异不显著(p>0.05)；包茂高速距路基0，15，60 m三处之间NO2浓度差异不显著(p>0.05)，京昆高速和连霍高速公路距路基0 m处与15 m处、15 m处与60 m处差异不显著(p>0.05)、0 m处与60 m处差异显著(p<0.05)。三条高速公路林带都可降低大气CO2、NO、NO2等气态污染物浓度，其中京昆高速林带效果最为明显，林带宽度超过15 m之后效果会不同程度下降。

表1 土壤铅含量 mg·kg-1

注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)。

三条高速公路林带内PM2.5、PM10等固体悬浮微粒浓度及噪音值变化趋势与气态污染物一致，PM2.5浓度除连霍高速0 m处与60 m处差异显著(p<0.05)外，三条高速公路各林带距路基不同距离之间的差异都不显著(p>0.05)；PM10浓度除连霍高速0 m处分别与15、60 m处差异显著(p<0.05)外，三条高速公路各林带不同宽度之间的差异都不显著(p>0.05)；距路基0、15、60 m处噪音值，包茂高速差异显著(p<0.05)，连霍高速差异都不显著(p>0.05)，京昆高速距路基0 m处噪音值分别显著(p<0.05)高于10、60 m处，10、60 m处之间差异不显著(p>0.05)。三条高速公路林带都可以降低PM2.5、PM10浓度及噪音值，其中连霍高速降低PM2.5、PM10浓度效果最明显，京昆高速林带降低噪音效果最好、连霍高速最差，但当林带宽度超过15 m左右时其降低PM2.5、PM10等固体悬浮微粒浓度及噪音值的功效会大大减弱。

距路基10，20，40，60，100 m地段，0～60 cm土层土壤平均铅含量有林带为12.34～13.96 mg·kg-1，比无林带者降低8.5%～31.2%，林带通过吸附、吸收可以降低土壤铅含量。

(2)林带通过固定、吸附、转化等方式，降低气态污染物及固体悬浮微粒浓度和噪音值及土壤铅含量的能力与林带绿量及其空间分布即树种组成及其配置方式和叶片特征特性等有关。一般绿叶量越大效果越明显；当PM2.5、PM10颗粒运动到树叶附近时可以穿过空气和叶片的边界层而到达叶片表面，一些叶表面粗糙，表皮毛丰富的树种，甚至有些树种叶片还可以分泌一些黏性物，可以将细小的颗粒物滞留在叶表面，甚至将一部分PM2.5吸纳到叶片气孔内部[9]。机动车高速行驶时产生噪声属于高频噪声，大而厚、带有绒毛的浓密树叶和细枝对降低高频噪声有较大作用，成片树林可使高频噪声因散射而明显衰减[4]，散植的行道树一般没有降噪效用[10]。此外，声音经过疏松土壤和草坪的传播，会有附加衰减[11]。公路两侧林带树种选择应优先选择枝条和叶表面粗糙、分泌物丰富、叶面积系数大的树种。从阻隔和减弱城市噪声的需要考虑，建议配植树木选用常绿灌木与常绿乔木树种的组合，形成一定宽度的林带，以便形成较为浓密的“绿墙”。根据本研究结果和降低成本、减少农地原则，建议高速公路林带宽度以15 m为宜。

另外，不同林带在减轻不同有害成分的效果排序方面可能会发生变化，如本研究的三条高速公路林带中，京昆高速林带在降低CO2、NO、NO2等气态污染物浓度效果最优，而连霍高速降低PM2.5、PM10浓度效果最明显，因此，为均衡降低或最大限度降低气态污染物及固体悬浮微粒浓度和噪音值，还需继续深入研究适宜的林带树种组成及其配置方式和不同树种的叶片结构特征等。