植被对德国埃森空气中二氧化氮去除的影响研究

2019-12-02韩画宇

山西建筑 2019年21期

韩画宇

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

1 概述

空气污染是全球性的威胁，会对人类健康和城市生态系统产生重要影响。近年来随着人们环境意识及城市生态建设的不断增强，欧洲的空气质量水平逐步提升，但大部分仍未达到欧盟(2004，2008)和世界卫生组织(2000，2006)的空气质量标准[1]。

德国北莱茵—威斯特法伦州于2008年提出“清洁空气计划”(Sofort Programm Saubere Luft)，联邦政府计划投入约10亿欧元帮助NO2浓度超过欧盟限定标准的城市[2]。埃森作为鲁尔区重要的工业城市之一，政府随即制定一系列方案和措施来评估城市空气质量水平并加大监测力度。埃森市政府在2017年发布的欧洲绿色首都建设报告中提出了2020年和2035年的空气质量建设目标[3]，这使得对城市空气质量评估和污染物去除的研究变得愈发重要。

2 研究过程

2.1 研究场地

埃森是德国鲁尔区的第二大城市，也是德国重要的钢铁和煤炭中心之一。20世纪70年代后，随着重工业的衰落，埃森逐步发展第三产业取代传统工业，开展生态环境整治。埃森位于莱茵河—黑尔讷运河与埃姆舍尔河之间，地处51°27′03″N，7°00′47″E，面积约210.3 km2，人口约59万(见图1)。埃森是温带海洋性气候，西风为主导风向，全年气温通常在0 ℃～23 ℃之间，平均月降雨量在40 mm～69 mm之间[4]。

2.2 数据收集

研究中主要应用空气污染物浓度、城市卫星遥感图像和城市用地三部分数据(见表1)。

2.3 结果与讨论

表1 研究中的数据类型和来源

数据类型因子数据来源链接空气污染物浓度NO2年平均排放量北莱茵—威斯特法伦州环境保护和消费者权益办公室网站https://www.lanuv.nrw.de/umwelt/luft/immissionen埃森政府文件北莱茵—威斯特法伦州在线污染物排放登记网站http://www.ekl.nrw.de/ekat/城市卫星遥感图像光谱数据遥感图像地球探索网站https://earthexplorer.usgs.gov/城市用地城市绿地,农业用地,森林,水体,交通,工业用地等欧洲土地监测系统https://land.copernicus.eu/local/urban-atlas

2.3.1NDVI值的计算

Earth Explorer网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)提供了埃森市少云(不到10%)的卫星遥感图像，将其导入GIS中，使用空间分析功能中的“栅格计算器”即可计算NDVI值。计算公式如下：

结果表明，埃森城市内NDVI值在-0.32～0.75之间(见图2)。根据归一化植被指数的阐释，NDVI值小于0.1的区域植被活力较低，质量较差，在计算植被对NO2的去除作用时可忽略不计。因此，以下研究仅讨论NDVI值大于0.1的情况(见图3)。

2.3.2现有植被结构对NO2的去除情况

空气污染物的去除主要取决于植被覆盖面积和空气污染物浓度水平[5]。在文献数据库中通过关键词搜索收集的污染物去除的相关研究中，33篇文章量化了植被去除空气污染物的能力或植被对空气污染物去除的价值。这33篇文章研究了五种不同的空气污染物(SO2，NO2，O3，CO，PM)，其中12篇研究了NO2。它们对人类健康产生影响，并且可以被植被以不同的速率去除[6](见表2)。

表2 每平方米绿地每年吸收的NO2数量和NO2对人类健康影响

表3 具有不同的NDVI值的植被类型描述和NO2的去除情况统计表

本研究利用NDVI值描述的植被生长和质量情况估算城市内植被对NO2去除的影响。根据2012年埃森市的土地利用现状图，不同NDVI值在一定程度上可以根据植被类型的特征被描述，而植被对NO2去除的贡献可以根据NO2的常见去除率范围和去除的平均水平被赋予。此外，不同NDVI值的面积可以在GIS中进行统计。结果显示，理想情况下埃森市目前的植被结构对NO2的年去除量约为199.9 t。根据德国北威州的污染物排放登记网站，埃森市交通排放的年NO2总量约为1 716.168 t[7]。因此在交通产生NO2排放方面，现有植被对城市空气质量提升的百分比为11.6%，具体数据如表3所示。

2.3.3讨论

埃森中部和北部的大部分区域NDVI值小于0.2，这意味着植被覆盖较少，对NO2去除和空气质量提升的贡献较少。根据土地利用情况，城市中部大多是住宅、文化和商业混合区，而北部原为大面积的工业区域和少量矿坑，绿地多呈点状分布；埃森南部大量呈面状分布的森林、农业和其他附属绿地NDVI值大多在0.5～0.7之间，极少部分可达到0.75，具有较高的植被覆盖率和植被质量，对NO2的去除影响较大；同时埃森东部分布的少量农业、果园、花园和城市绿地等对NO2的去除也有积极的意义；值得注意的是，虽然城市内水体面积较大，但NDVI值小于0.1,几乎没有植被覆盖，对NO2的去除作用较小(见图4)。

3 结论与建议

3.1 结论

就目前的植被结构来讲，埃森市的NO2年去除率约为11.65%，现有植被对空气中二氧化氮的去除具有较大的影响。从城市功能结构角度，埃森市中部的住宅和混合商业、北部的前工业区域对市域内NO2去除的贡献较小；南部集中分布的森林和滨水绿地在植被去除NO2的过程中起到重要作用。目前埃森市政府没有针对NO2严重污染区域的植被种植和管理措施。

3.2 建议

在生态环境管理方面，政府需要加强对NO2的监测力度，增加市内空气监测站数量，形成即时有效的反馈机制；在城市功能布局和植被配置方面，需要加强区域绿化建设，有针对性的大量种植对NO2吸附作用较强的树种。建议多种植常绿乔灌木和阔叶树等，特别是沿A40和A52高速公路等交通污染较强的区域。相比落叶树种，常绿乔灌木对NO2的去除时间较长；相比针叶树，阔叶树的叶面积较大，在相同面积的植被结构下对NO2的去除作用更加显著。同时，城市水体除满足交通运输外，适当种植水生植被既可以美化环境、净化水质，对NO2的去除和空气质量提升也有一定的作用。此外，尽管不同树种具有不同的NO2去除率，但相同条件下结构层次更加丰富的绿地对NO2去除影响更大，这应在植物配置和设计时被纳入考量范围内。

同时，埃森政府需要加快城市产业结构转型的步伐。在鲁尔区，由传统工业向第三产业转型已是必然趋势，尽快摆脱对工业产业的依赖有助于城市整体经济发展。废弃城市内部工业园区、仍在作业的矿坑，或将工业转向郊区，开展棕地修复计划，加强生态环境建设。此外，由于很大一部分NO2来自于交通排放，政府有必要加强减少私家车使用的宣传力度，提高公众的环保意识，鼓励公共交通出行。