缓解城市地区由交通活动产生的氮氧化物（NOx）污染：稳定同位素证据表明城市树木能够吸收氮氧化物

《Environmental Pollution》：Mitigating traffic-derived NOx in urban areas: Stable isotope evidence of NOx uptake by urban trees

　　

苗春平|黄丽华|刘静|白东辉|耿世聪|何星远|于帅

中国陕西省西安市长安大学建筑学院，710061

摘要

量化城市树木对交通来源的氮氧化物（NOx）去除效果对于缓解空气污染至关重要。本研究采用稳定氮同位素和氧同位素分析方法，并结合贝叶斯同位素混合模型，估算了中国沈阳地区街道和公园环境中城市树木对NOx的吸收量。结果表明，阔叶树种在吸收土壤中的氮和交通来源的NOx方面优于针叶树种。 Sophora japonica在公园环境中对交通来源的NOx吸收能力最强，值为1.68 ± 0.48 mg N/g_dw；Salix matsudana和Populus alba在街道区域的NOx吸收量分别为0.88 ± 0.18 mg N/gdw和0.55 ± 0.09 mg N/gdw。树木特征（如树冠宽度、胸径和树高）通过调节叶片的δ¹⁵N间接影响NOx的吸收。树高对δ¹⁵N具有显著的正面影响，路径系数为0.618，而树冠宽度则具有显著的负面影响，路径系数为?0.294。本研究的结果加深了我们对城市树木如何缓解大气中NOx污染的理解，并为改善空气质量的绿化规划提供了指导。

引言

空气污染来源于多种途径，包括发电、居民和工业活动、交通运输、废物管理、农业、沙漠尘埃和野火（Shaddick等人，2020年；Rentschler和Leonova，2023年）。约86%的人口居住在PM_2.5浓度超过世界卫生组织推荐的10 μg/m³的城市地区（Southerland等人，2021年；世界卫生组织，2023年）。此外，过去十年中71%的城市氮氧化物（NOx）浓度有所上升（Sicard等人，2023年）。暴露在高浓度的空气污染物中可能导致一系列严重的健康问题，如心血管疾病、呼吸系统疾病、神经系统疾病、肺癌和早死（Ledford，2023年；Yue等人，2024年；Zheng等人，2025年）。因此，迫切需要采取措施来减轻空气污染物的影响并改善城市地区的公共卫生。

城市树木被认为是缓解城市空气污染问题的自然解决方案（Miao等人，2025年）。树木通过叶片气孔的沉积和吸附作用可以从大气中去除污染物（Abhijith和Kumar，2020年）。城市植物可以通过其粗糙且较大的叶片和树皮表面捕获土壤颗粒物，如PM_2.5和PM₁₀（Moronta-Sabad等人，2025年）。包括二氧化氮（NO₂）、臭氧（O₃）和二氧化硫在内的气态污染物会通过气孔进入叶片，随后在中柱组织中被酶促反应吸收（Biagi等人，2025年）。然而，沉积在植物表面的污染物可能通过风的作用或落叶重新释放到大气中（Miao等人，2021年）。因此，研究城市树木的污染物吸收能力对于指导旨在减少空气污染的绿化策略具有重要意义（Guo等人，2025年）。

不同树种和树木特征（如叶片面积、树冠覆盖率和气孔结构）会影响它们吸收空气污染物的能力（Yli-Pelkonen等人，2020年；Zhang等人，2024年；Wu等人，2025年）。最近的一项研究发现，树群较大的树木通过气孔吸收的O₃量更多，且针叶林吸收的O₃量大于阔叶林和混交林（Eisenman等人，2019年）。枝叶繁茂且体积较大的树木可以增强对空气中污染物的捕获作用（Chen等人，2016年）。另一项研究发现，Tilia cordata每单位叶片面积的PM_2.5负荷明显高于Quercus robur和Acer platanoides，而Carpinus betulus的负荷又高于A. platanoides（Steinparzer等人，2022年）。进一步的研究估计，2019年北京的城市森林吸收了1304吨NOx，但Sophora japonica、Fraxinus chinensis、Populus tomentosa和Sabina chinensis这些树种之间的NOx吸收量没有显著差异（Gong等人，2021年）。

量化城市树木的空气污染物去除能力对于理解控制污染物沉积和扩散的物理和化学过程至关重要（Juybari等人，2025年）。计算流体动力学模拟和风洞实验已被广泛用于探讨树木特征如何通过空气动力学效应影响空气污染物的扩散（Luo等人，2025年）。重量法可以直接证明污染物在叶片表面的沉积情况，并揭示物理去除过程（Li等人，2025年）。大规模评估模型，如Urban Forest Effects模型和i-Tree Eco，已被用来估算城市规模上城市森林的整体空气净化效益（Gaglio等人，2022年）。然而，这些方法依赖于参数假设或简化的条件，可能无法完全反映现实世界的变异性（He等人，2025年）。因此，实地测量对于验证模型估算并提供城市树木空气污染物去除能力的准确评估至关重要（Miao等人，2021年）。

稳定同位素（δ¹⁵N、δ¹⁸O）分析结合贝叶斯同位素混合模型，是一种直接估算植物吸收NOx及其来源份额的方法（Elliott等人，2019年）。由于形成和转化过程中的同位素分馏，NOx的δ¹⁵N和δ¹⁸O特征在不同来源（如土壤、干沉降和交通相关NOx）之间有所差异（Nelson等人，2018年）。这些同位素特征通过叶片吸收或根部吸收被植物组织吸收后，会改变叶片或树皮的δ¹⁵N组成，使其接近大气中的氮同位素组成。贝叶斯模型通过将植物样本中的观测同位素值与潜在氮源的同位素值进行比较，概率性地估算每个来源的贡献，并量化城市树木从大气中吸收交通相关NOx的能力（Xu等人，2019年）。

Gong等人（2019年；2021年）使用稳定同位素分析结合贝叶斯同位素混合模型，量化了北京城市树木吸收NOx的多种氮源的贡献，发现土壤、干沉降和交通相关NOx是主要的氮源。他们估计城市树木每年可以去除多达1300吨NOx（Gong等人，2021年）。尽管Gong等人（2019年、2021年）为氮源的分配提供了宝贵的见解，并量化了城市树木的潜在NOx吸收能力，但这些早期研究存在一些局限性。例如，受到有限根系空间限制且直接暴露于交通相关排放的街道树木可能与在较不恶劣条件下生长出更大、更复杂树冠的公园树木具有不同的NOx吸收动态。空气污染物吸收的差异也可能受到物种特定特征（如树冠扩散和树高）的影响。因此，整合物种特定的功能特征和树冠结构属性对于阐明不同城市树种如何吸收NOx至关重要。

本研究旨在使用稳定同位素方法量化中国沈阳城市树木的NOx去除能力。具体而言，本研究（i）比较了不同森林类型和树种的δ¹⁵N、δ¹⁸O、总氮（TN）和总碳（TC）含量；（ii）使用贝叶斯混合模型估算土壤、干沉降和交通相关NOx对树木氮吸收的相对贡献；（iii）通过回归和结构方程建模评估树结构对NOx吸收的影响。结果为城市树木的NOx去除效果提供了见解，并对城市森林规划和空气污染缓解具有实际意义。

部分摘录

研究地点和采样

本研究在中国东北辽宁省沈阳市进行（地理坐标：41?11′51″N–43?02′13″N，122?25′09″E–123?48′24″E）（图1）。沈阳市的城市化区域面积为5116平方公里，人口密度为1222人/平方公里。该地区属于中温带大陆性气候，年平均气温为8.4°C，年降水量为510–680毫米。2022年，有45天的空气质量指数超过了100的标准值。年平均NO₂浓度为30

结果

针叶树和阔叶树叶片中的δ¹⁵N含量分别为1.97‰ ± 0.55‰和3.25‰ ± 0.16‰，这两个值均显著高于灌木叶片中的δ¹⁵N含量（1.71‰ ± 0.42‰；ANOVA，F_2,233 = 6.50，p < 0.01）（图3）。针叶树和阔叶树叶片中的δ¹⁵N和δ¹⁸O含量没有显著差异。灌木叶片中的δ¹⁸O含量（27.77‰ ± 0.24‰）显著高于...

不同森林类型间NOx吸收量的比较

结果表明，不同森林类型之间的NOx吸收能力存在显著差异（图6）。阔叶树从土壤和交通来源吸收的氮最多。阔叶树较高的氮吸收能力可能与其较大的叶片表面积和更高的气孔传导性有关，这促进了通过叶片-大气交换的NOx吸收（Liu等人，2019年）。相反，...

结论

本研究使用稳定同位素技术（δ¹⁵N和δ¹⁸O）结合贝叶斯模型，量化了中国沈阳城市树木的NOx去除能力。结果显示，交通来源的NOx分别占公园和街道环境中叶片氮含量的14.3% ± 4.9%和24.9% ± 1.7%。其中，Sophora japonica在公园环境中对交通来源的NOx的吸收能力最强，值为1.68 ± 0.48 mg N/g_dw。

作者贡献声明

白东辉：数据可视化、软件开发。耿世聪：研究方法。何星远：研究监督、资金筹集。于帅：文章撰写、审稿与编辑、数据管理。苗春平：初稿撰写、数据可视化、软件开发、方法设计、资金筹集、概念框架。黄丽华：数据验证、正式分析。刘静：数据可视化

未引用参考文献

Li等人，2025a；Li等人，2025b；Moftakhar Juybari等人，2025；世界卫生组织，2023。

利益冲突

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（32271661；32130068）的财政支持。