城市建筑环境中绿色基础设施对大气颗粒物的影响∗

2021-03-30张志强

中国城市林业 2021年1期

张志强张璐

1 北京林业大学水土保持学院北京 100083

2 中国环境科学研究院北京 100012

城市建筑环境空气质量是居民最关心的问题[1]。交通排放作为城市建筑环境大气颗粒污染物的主要来源[2], 对城市居民健康产生多种不利影响[3]。城市树木和森林通过吸附、吸收、滞纳大气颗粒污染物, 成为大气颗粒物污染治理的一种有效手段[4]。应将绿色基础设施有机契合在建筑环境中, 发挥其改善空气质量功能,满足快速城市化发展需求, 实现城市可持续发展目标[5]。城市中典型建筑环境一般包括街道峡谷、开阔道路以及建筑围护结构, 其中的绿色基础设施包括街道树木、绿篱、植被屏障、屋顶绿化和墙体绿化等多种类型和形式[6]。这些植被类型作为多孔介质, 可以影响局部污染物扩散模式, 促进沉降, 进而去除空气污染物[7]。

建设绿色基础设施改善城市空气质量需要根据具体的建筑环境进行优化设计。因此, 了解绿色基础设施在不同城市环境中对大气颗粒污染物的影响机理, 对于准确评估城市树木长期空气净化潜力和效率, 以及科学开展城市绿化设计十分必要。目前, 已有大量研究评估了一些典型建筑环境中树木对周围污染物浓度的影响。本文试图梳理、整合和分析这些研究结果, 并从城市树木对大气颗粒物的调控作用、影响因素及缓解策略3 方面总结不同建筑环境条件下绿色基础设施对当地空气质量的改善作用, 从而为城市缓解空气污染提供一般性建议。

1 城市树木对大气颗粒物的调控作用

目前, 越来越多的文献证实城市树木已被建议作为缓解城市颗粒物的一种有效措施[8]。当种植的树木尽可能接近污染物源头时, 就会形成一个缓冲区, 在此缓冲区可有效利用树木作为生物过滤器来缓解空气污染[4]。树木叶片通过气孔吸收气态污染物, 通过吸附、沉降作用过滤颗粒物[9]; 另外, 树木的高蒸腾速率可以通过降低周围空气温度来降低局部颗粒物浓度[4], 这是因为低温可以降低污染物如VOCs 和O3的反应速率和颗粒物扩散[10]。研究表明, 城市树木可以通过覆盖土壤表面来减少扬尘[11], 可以通过叶面积直接沉降颗粒物来缓解空气中颗粒物浓度和颗粒物再悬浮[12], 还可以通过改善微气象条件促进颗粒物的沉降[4]。因此, 在人口密集且污染源难以控制的城市, 采用树木净化机制是缓解城市颗粒物污染的有效途径之一[13]。

2 城市树木调控大气颗粒物的影响因素

1) 树种特征。一般来说, 树木和树皮表面粗糙或粘稠会增加树木吸附颗粒物的有效性[4]。多项研究显示, 树木具备叶片粗糙、蜡质层结构较厚、叶片润湿性强和气孔密度较低等微观结构特征, 以及叶片轮生、株高较高、叶片表面积大、叶柄长度较短等宏观结构特征更利于颗粒物沉降[14]。

2) 气象因素。气象因素(特别是雨和风),可能是导致植被滞尘随时间变化的主要原因[15]。研究表明, 一些滞留在树木叶片表面的颗粒物,可以被降雨的清洗作用从树叶表面被去除, 并随雨水沉降到土壤或地面, 在这个过程中, 颗粒物中的有机物质可以被自然过程分解, 无机物质会被固定在土壤中[16]。自然降水冲刷城市树木叶片表面颗粒物过程是植被恢复滞尘功能的关键因素[17]。研究发现模拟降雨可以去除51%～70%的叶面颗粒物[18], 降雨对叶面颗粒物的去除率与降雨强度呈显著正相关, 与降雨历时呈指数衰减模式[19]。在风速方面, 强风(风速6 m/s 以上) 会使沉降到植被叶表面的颗粒物发生再悬浮, 可能导致局部环境颗粒物浓度较高; 弱风(风速小于2 m/s) 会不利于颗粒物的扩散, 因颗粒物在空气中的积累而呈现局部环境颗粒物浓度较高; 而风速在(2 ～6) m/s时, 由于颗粒物被风稀释而呈现局部环境颗粒物浓度较低[20]。

3) 植被设计。建筑环境中的树木会显著影响污染物的扩散和沉降[7]。树种选择[21]、乔木种植或乔灌结合种植[22]、林荫道式种植或树冠间隔种植[23]、树木位置 (街道两侧、街道纵轴、与污染源的距离等)[24-25]等都会影响建筑环境中树木对污染物的调控效果。

3 不同建筑环境下城市树木对大气颗粒物的影响

3.1 街道峡谷

街道峡谷是城市环境中典型的建筑结构形式, 通常由道路两旁的建筑物组成, 是通风条件最差、交通污染最严重的地区之一[26]。

树木可以显著改变街道峡谷内的污染物分布, 主要取决于空气动力效应和沉降效应两个方面[22]。在空气动力学效应方面, 树木会阻碍空气流动, 不利于通风[26]。一些研究由于只考虑树木对流场的影响而不考虑树木的沉降效应,结果显示, 树木会增加街道峡谷内的污染物浓度, 从而导致街道内污染水平被高估[26]。但是在同时考虑树木两种效应时, 树木对街道峡谷内污染物浓度的影响仍具有较大的不确定性,即树木可以减少[21,27-28]、也可以增加[8,29]街道峡谷内的污染物浓度, 这是因为街道峡谷内树木去除污染物受多种因素的影响[30]。一方面,街道峡谷内树木的调控作用受树种沉降速率、树冠间距、树冠与污染源的距离、树冠在街道峡谷中占据的体积、叶面积密度、疏透度等植被因素影响[6,18,22]。树木冠层密度、叶面积指数和风速是影响街道峡谷中颗粒物衰减系数的最有效因素[31], 增加树冠间距或降低树冠横截面面积可以降低街道峡谷的污染物浓度[6]。另一方面, 风向和风速也会产生较大的影响。街道峡谷中树木的存在导致污染物浓度在不同风向下均随风速的增加而降低[32-33]。以往研究调查了街道峡谷中树木在3 个典型主风向下的影响,结果显示, 垂直风向下树木会导致街道峡谷内背风面污染物浓度增加、迎风面污染物浓度减少[26]; 斜风和平行风向下, 街道峡谷内背风面、迎风面的污染物浓度均增加[2,34]; 斜风向是导致污染物在街道峡谷内两侧积累最严重的风向[34]。

绿篱是由灌木和矮小丛生的木本植物沿着路边种植而形成的绿色篱笆。与乔木相比, 绿篱通常位于地面, 尺寸更小, 叶面积密度更高,因此, 它们通常代表了城市街道峡谷中与交通排放源最接近的绿色基础设施类型; 此外, 绿篱对风速的影响最小, 且距离污染源近, 去除污染物的能力随之增强[33]。然而, 也有研究表明, 绿篱会减少通风, 导致街道峡谷内污染物浓度增加[8]。在影响因素方面, 街道峡谷中绿篱对空气污染物的去除作用取决于绿篱位置、高度、疏透度、叶面积密度、植物种类以及风环境等。低疏透度和较高(2.5 m) 的绿篱能够更多地减少人行区域污染物, 且种植在街道峡谷纵轴的绿篱比种植在街道两边的绿篱对行人呼吸高度污染物浓度消减作用更强[25]。

3.2 开阔道路

开阔道路中的绿色基础设施是指乔木、灌木和丛生草本植物, 沿着道路的一边或两边种植, 成排种植的植物为道路和附近居民区提供了一道屏障, 被称为植被屏障或绿化带[35]。植被屏障使污染的空气掠过或穿过植被[36]时将污染物积累在植被屏障的迎风面或背风面, 在植被屏障的背风面会形成尾流区, 污染物浓度随着离道路距离的增加而减少[37]。植被屏障对污染物的去除效果取决于多种因素。一方面, 调控作用受植被屏障的位置、植被屏障宽度、叶面积密度、林冠郁闭度和林带疏透度等因素的影响: 增加植被屏障的宽度可以降低污染物浓度[36]; 污染物去除率随着林冠郁闭度和叶面积密度的增加而提高, 随着林带疏透度的增加而降低[35-36,38-39]。有研究建议, 最佳林冠郁闭度为70%～85%, 可以减少50%以上的TSP, 并维持绿化带的健康[38]。削减TSP 和PM10的最佳林带疏透度分别为20%～40%和10%～20%[35,39]。另一方面, 植被屏障对污染物的去除效果受湿度、风速、风向和温度等气象因素的影响: 相对湿度对PM10去除的影响最大, 其次是风速,温度的影响最小[39]。污染物浓度随着风速的增加而增加, 垂直风向导致污染物浓度在植被屏障的背面减少得最多[40]。此外, 季节变化和气候变化也会影响植被屏障对污染物去除的作用[41], 树木在夏季对空气质量的改善作用最大[38,41], 常绿树木通常种植在开阔道路以促进一年四季减少污染物[35,38,40]。

3.3 建筑围护结构

建筑围护结构包括墙体绿化和屋顶绿化,是可持续发展的建筑策略, 这种绿色基础设施的优点是可以在不消耗占地空间的情况下增加建筑区域的植被覆盖。目前, 仅有一部分研究分析了建筑环境中局部规模的建筑外墙绿化措施对减少空气污染的去除潜力。

在街道峡谷环境中, 墙体绿化措施改善了不同街道峡谷高宽比(H/W ＝1 和2) 下的空气质量[42]。墙体绿化是街道峡谷内通过沉降作用减少大气颗粒物的有效措施, 也不改变街道峡谷与上方之间的空气交换[24]。在开阔道路条件下, 墙体绿化措施与固体墙的扩散模式类似,在绿化墙体前(道路一侧) 形成一个高浓度区域, 而在绿化墙体后则会降低污染物浓度。墙体绿化措施的优点是在不占用建筑空间的情况下通过提高沉降来减少空气污染[43], 但是有研究表明, 绿化墙体虽然可以较好地改善空气质量, 但其效果不如树木显著[44]。在影响因素方面, 墙体绿化措施对空气污染的去除效果取决于绿化植物种类、叶面积密度、街道峡谷几何形状, 以及风速、湿度等多种因素[6]。

绿色屋顶则可以使街道峡谷中呼吸高度污染物浓度减少32%[45], 其对空气污染的改善作用显著弱于墙体绿化[42]。屋顶绿化的优点是在不占用建筑空间的情况下可以显著减少空气污染, 但是研究发现无论是在局部[46], 还是在城市尺度[47], 对污染物的去除效果都不如树木显著, 这是由于和树木相比, 绿化屋顶表面粗糙度低且距离交通污染源较远。屋顶绿化对空气污染的去除效果受风条件、季节、植物种类和特性, 以及屋顶绿化位置的影响[46]; 此外, 密集的绿色屋顶对污染物的去除作用更强[47-48]。