Effects of tree cover on local air pollutant levels in near-road environments

Trees and other vegetation have been suggested as an efficient means in improving urban air quality. While it is well known that vegetation is able to remove air pollutants by dry deposition on their leaves and other surfaces, whether or not this removal affects local ambient pollutant concentrations is still not fully understood. Overall, the challenge in this field of research is due to the complexities of changing environmental conditions and green infrastructure design. A plethora of factors under these categories determine the relative significance of vegetation-related pollution deposition (improves air quality) and dispersion inhibition (deteriorates air quality), which are considered to be the most important processes defining the effects of vegetation on local air quality. This thesis provides new empirical evidence regarding the efficacy of urban parks and forests in improving air quality in near-road environments in urban and peri-urban areas. Levels of nitrogen dioxide (NO2), anthropogenic volatile organic compounds (AVOCs), gaseous polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and particulate matter (PM) were measured in tree-covered and open habitats using several sampling methods and an unprecedented number of site replication. Sampling events were carried out either at single points in open and tree-covered habitats, or at several measuring points along transects perpendicular to roads. PM was measured in many size-fractions to observe if vegetation affects nanoparticles, fine particles and coarser particles differently. Results were ambiguous, as consistent vegetation-induced reductions in the parameters investigated were found only for PM deposition obtained with passive collector, the average reductions being 36–49 %. Less distinct reductions were observed for AVOCS, coarser PM and NP, being markedly less consistent and often providing results of a merely tentative nature. Coarser PM (> 2.5 µm) concentration data from active sampling are more reliable in terms of exposure estimation as opposed to the passive PM deposition data, which may be altered by wind speed differences between open and tree-covered habitats. Active sampling results were similar with a reduction observed using passive PM collectors, yet the reduction was less prominent: 12 % (2.5–10 µm) and 33 % (> 10 µm). However, larger particles are of lesser importance in causing health problems, whereas the most hazardous fraction, PM2.5 (< 2.5 µm), was not reduced by tree cover. PM results were broadly in line with the deposition mechanisms of particles, where nano-sized particles and coarser particles are more prone to dry deposition than PM2.5. Furthermore, instead of being reduced, levels of NO2 and gaseous PAHs were at times significantly elevated within tree cover. Consistent distance attenuation differences between open and tree-covered transects did not emerge, unexpectedly, meaning that there was no difference in pollutant decay between the study habitats. These studies did not show clear connections between the measured vegetation properties and the observed pollutant concentrations. Overall, the general consensus according to which urban vegetation is effective in mitigating air pollution, was not supported. Instead, these data imply that the importance of urban vegetation in reducing local air pollution is limited and often over-estimated. Consequently, urban parks and forests appear to mitigate air pollution problems only occasionally, thereby not serving as a sustainable solution for local air pollution problems. A more detailed mechanistic understanding of the transformation, deposition and dispersion of atmospheric pollutants in terms of urban vegetation as affecting local concentrations is needed in order to create landscape designs where unintended consequences of vegetation are avoided and the truly potential set-ups for air quality improvement are recognized. Ultimately, air quality effects are merely one aspect in the wider spectrum of ecosystem services provided by urban vegetation; assessing the most beneficial and cost-efficient combinations of ecosystem services to be supported at a given location requires a holistic approach.Puita ja muuta kasvillisuutta on ehdotettu tehokkaaksi keinoksi parantaa kaupunkien ilmansaasteongelmia. Kasvillisuus sitoo saasteita pinnoilleen, mutta vielä ei täysin ymmärretä, miten sitominen vaikuttaa paikallisiin ilmansaastepitoisuuksiin. Kasvillisuuden ilmanlaatuvaikutuksen tutkimus on haastavaa johtuen monimutkaisista ja muuttuvista tekijöistä liittyen sekä kasvillisuusrakenteisiin että muihin ympäristön olosuhteisiin. Nämä tekijät määrittävät kahden merkittävimmän prosessin suhteellisen merkityksen: saasteiden sitoutuminen kasvillisuuteen (parantaa ilmanlaatua) sekä saasteiden leviämisen estyminen (huonontaa ilmanlaatua). Väitöskirjani sisältää uutta tietoa kaupunkipuistojen ja -metsien vaikutuksesta ilmanlaatuun teiden lähiympäristössä. Tutkimuksissa tarkasteltiin typpidioksidia (NO2), ihmisperäisiä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (AVOC), kaasumaisia polyaromaattisia hiilivetyjä (PAH) sekä hiukkasia (PM) puustoisilla ja avoimilla alueilla. Mittauskampanjat toteutettiin joko mittaamalla yksittäistä pistettä kullakin puustoisella ja avoimella alueella, tai useammilla mittauspisteillä jonomittauksina tieltä poispäin. Hiukkasmittauksissa tarkasteltiin useita kokofraktioita: nanohiukkasia, pienhiukkasia ja karkeampia hiukkasia. Tulokset eivät olleet yksiselitteisiä, ja johdonmukainen ilmansaastevähennys (36–49 %) puustoisilla alueilla todettiin ainoastaan passiivisella hiukkaskeräimellä, jonka tuloksiin karkeammat hiukkaset vaikuttavat dominoivasti. Alustavia, merkittävästi vähemmän johdonmukaisia ilmansaastevähennyksiä havaittiin AVOC-yhdisteille, karkeammille hiukkasille (aktiivikeräimillä) ja nanohiukkasille. Karkeampien hiukkasten (> 2.5 µm) tuloksista aktiivimittauksin saadut ovat luotettavampia altistuksen arvioinnissa verrattuna passiivikeräinten tuloksiin, joihin ovat voineet vaikuttaa tuulierot avoimella ja puustoisella alueella. Aktiivikeräinten tulokset olivat samansuuntaisia, mutta selvästi maltillisempia kuin passiivikeräinten, puustoisen alueen saastevähennyksen ollessa 12 % (2.5–10 µm) ja 33 % (> 10 µm). Suuremmat hiukkaset aiheuttavat kuitenkin vähemmän vakavia terveyshaittoja verrattuna pienhiukkasiin (< 2.5 µm), joiden pitoisuudet eivät vähentyneet puustoisilla alueilla. Hiukkastulokset olivat karkeasti ottaen linjassa hiukkasten yleisten asettumis- eli laskeumamallien kanssa; nanohiukkaset ja karkeat hiukkaset asettuvat pinnoille herkemmin kuin pienhiukkaset. NO2:n ja kaasumaisten PAH-yhdisteiden pitoisuudet olivat ajoittain merkittävästi korkeampia puustoisilla alueilla. Johdonmukaisia eroja ilmansaasteiden laimenemisessa avoimilla ja puustoisilla alueilla ei havaittu jonomittauksissa. Myöskään kasvillisuusmuuttujien ja ilmansaastepitoisuuksien välillä ei havaittu yhteyttä. Yleinen väite, jonka mukaan kaupunkikasvillisuus on tehokas ilmanlaadun parantaja, ei saanut vahvaa tukea tutkimuksistani. Sen sijaan tulokseni viittaavat siihen, että kaupunkivihreän merkitys ilmansaasteiden torjunnassa on hyvin rajallinen ja usein yliarvioitu. Puustoiset alueet parantavat ilmanlaatua vain ajoittain, eivätkä ne siten muodosta kestävää ja pitkäaikaista ratkaisua paikallisiin ilmansaasteongelmiin. Ilmansaasteiden hallitsemisen kannalta toimiva kaupunkisuunnittelu tarvitsee tuekseen yksityiskohtaista tietoa ilmansaasteiden muuntumisesta, laskeumasta, sekä leviämisestä ja laimenemisesta, jotta vältetään kasvillisuuden negatiiviset vaikutukset ilmanlaatuun, ja toisaalta tunnistetaan parhaat mahdolliset ratkaisut altistumisen minimoimiseksi. Ilmanlaatuvaikutukset ovat vain yksi ulottuvuus kaupunkikasvillisuuden tuottamassa ekosysteemipalveluiden kirjossa. On tärkeää tunnistaa paikallinen potentiaali erilaisten ekosysteemipalveluiden tuottamisessa, jotta kokonaisuus on kustannustehokas, ja mikä tärkeintä, mahdollisimman suureksi hyödyksi kaupungin asukkaille