園林植物滯留不同粒徑大氣顆粒物的特征及規(guī)律

趙松婷，李新宇，李延明

北京市園林科學(xué)研究院，園林綠地生態(tài)功能評(píng)價(jià)與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，北京的大氣環(huán)境問(wèn)題愈來(lái)愈突出。北京市是我國(guó)燃煤和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放造成的混合型大氣污染比較嚴(yán)重的城市之一，同時(shí)受風(fēng)沙危害較重，造成北京市的浮塵揚(yáng)沙天氣，致使北京上空產(chǎn)生的大氣顆粒物是北京市大氣污染的首要污染物（高金暉，2007；陳自新等，1998）。在目前尚不能完全依賴(lài)污染源治理以解決環(huán)境問(wèn)題下，借助自然界的清除機(jī)制是緩解城市大氣污染壓力的有效途徑，城市園林綠化就是其一（王贊紅和李紀(jì)標(biāo)，2006）。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在園林植物滯留大氣顆粒物機(jī)理和改善城市環(huán)境等方面進(jìn)行了一些開(kāi)拓性的工作（Ottel等，2010；Wang等，2006；Nowak等，2006；Beckett等，2000；Little，1977；Pal等，2002；Beckett等，1998；邱媛等，2008）。北京等幾個(gè)北方城市主要園林植物單位面積葉片滯留大氣顆粒物重量測(cè)定結(jié)果已有少量報(bào)道，影響因素（例如葉

表面微形態(tài)）也有初步探討（高金暉等，2007；陳瑋等，2003；王蕾等，2007；于志會(huì)等，2012；柴一新等，2002；李海梅和劉霞，2008；郭偉等，2010；劉任濤等，2008）。但這些研究大多集中于TSP(Dp≤100 μm)或 PM10(Dp≤10 μm)，關(guān)于植物滯留細(xì)顆粒物PM2.5(Dp≤2.5 μm)的研究較少，并且關(guān)于植被對(duì) PM2.5的阻滯和吸收作用仍沒(méi)有定量化的研究，只有少量的關(guān)于不同植被對(duì) PM2.5等顆粒物的阻滯和吸附的定性研究，園林植物對(duì) PM2.5的削減作用到底有多大，如何才能更有效的的發(fā)揮園林植物降低 PM2.5污染的重要功能，這些還缺少必要的研究和總結(jié)。本研究在北京城區(qū)選擇常用園林植物5種喬木和4種灌木，對(duì)選定的9種常用園林植物進(jìn)行植物葉片滯留不同粒徑顆粒物尤其是細(xì)顆粒物的規(guī)律和特征分析，提煉出園林植物應(yīng)對(duì) PM2.5污染的基礎(chǔ)研究成果，為應(yīng)對(duì) PM2.5污染的城市綠地建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試植物種

本研究在北京城區(qū)選擇常用園林樹(shù)種9種，其中包括5種喬木：絳柳（Salix matsudana f.pendula）、國(guó)槐（Sophora japonica）、鉆石海棠（Malus yunnanensis cv.Sparkler）、雜交馬褂木（Liriodendron chinense ×L. tulipifera）和銀杏（Ginkgo biloba）；4種灌木：大葉黃楊（Euonymus japonicus）、金葉女貞（Ligustrum×vicaryi）、小葉黃楊（Buxus microphylla）和月季（Rosa chinensis），每種植物均選擇生長(zhǎng)狀況良好的成年植株。9種園林植物材料均采自同一區(qū)域內(nèi)，避免不同環(huán)境條件下大氣污染不同帶來(lái)的誤差。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測(cè)定

一般認(rèn)為，15 mm的降雨量就可以沖掉植物葉片的降塵，然后重新滯塵（張新獻(xiàn)等，1997）。于2012年夏季雨后（雨量>15 mm）5 d、雨后（雨量>15 mm）10 d對(duì)選好的樹(shù)種依據(jù)其自身特點(diǎn)從上、中、下不同高度采集葉片，喬木的縱向高度差距在 75 cm以上，灌木的縱向高度差距在25 cm以上，采集時(shí)選擇生長(zhǎng)狀態(tài)良好且具有代表性的葉片，并同時(shí)立即將葉片封存于干凈塑封袋中以防擠壓或葉毛被破壞。

1.2.2 葉片表面的電鏡掃描

本研究采用 Hitachi臺(tái)式 TM3000電鏡觀測(cè)葉片表面，每一觀測(cè)葉片均是在葉片上隨機(jī)裁剪的直徑小于70 mm的部分葉片，選擇TM3000電鏡電壓15 KV，觀測(cè)模式為分析模式，放大倍數(shù)為 1200倍，存儲(chǔ)格式為T(mén)IFF。

1.2.3 顆粒物統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)觀測(cè)影像上葉片顆粒物進(jìn)行提取，首先利用Photoshop等軟件對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，提取出顆粒物的柵格圖像，再利用 ArcGIS等軟件對(duì)處理后的影像進(jìn)行二值化、重分類(lèi)等處理，提取出葉面顆粒物的矢量圖像，并做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析處理（王蕾等，2006），得出顆粒物的不同粒徑分布情況。具體流程如圖1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 植物滯留不同粒徑大氣顆粒物的分布特征分析

利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)電鏡圖像進(jìn)行處理，提取出葉面顆粒物的矢量圖像，并做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析處理。

2.1.1 葉表面顆粒物的數(shù)量-粒度分布

由圖2可以看出，在相同觀測(cè)葉面積下，5種喬木和4種灌木葉面顆粒物主要是PM10，在葉片表面占顆粒物總數(shù)的平均比例均為 98%以上，PM2.5均在90%以上，9種樹(shù)種葉表面滯留粗顆粒物的數(shù)量對(duì)總體數(shù)量的貢獻(xiàn)非常小，均在2%以下。

2.1.2 葉表面顆粒物的體積-粒度分布

體積-粒度分布在一定程度上反映了顆粒物的質(zhì)量-粒度分布，并能進(jìn)一步反映不同樹(shù)種滯留顆粒物能力的大小。與葉片表面顆粒物的數(shù)量分布不同，雖然Dp>10 μm（粗顆粒物）范圍內(nèi)的顆粒物對(duì)總體數(shù)量的貢獻(xiàn)非常小，但這一粒徑范圍的顆粒物對(duì)體積的貢獻(xiàn)較大，9種樹(shù)種粗顆粒物的體積百分比均在20%以上，其中大葉黃楊的粗顆粒物百分比最高，達(dá)到了49%，小葉黃楊僅次大葉黃楊，為45%，說(shuō)明大葉黃楊和小葉黃楊滯留粗顆粒物的能力較強(qiáng)；而在總體數(shù)量上貢獻(xiàn)較大的 Dp≤2.5 μm（PM2.5）范圍內(nèi)的顆粒物對(duì)體積的貢獻(xiàn)最小，9種樹(shù)種在8.5%-17.6%之間，除月季以外9種園林植物滯留 PM2.5時(shí)表時(shí)現(xiàn)出喬木比灌木的滯留能力強(qiáng)，這與PM2.5自身特點(diǎn)有關(guān)，粒徑小，懸浮于空氣中，更易被較高樹(shù)木葉片吸附和滯留；9種園林植物葉片滯留PM10的體積在總體積中的比例在50%以上，對(duì)顆粒物總體積貢獻(xiàn)最大。

2.1.3 葉表面顆粒物特征分析

由于園林植物個(gè)體葉表面特性的差異，對(duì)大氣顆粒物滯留能力也不同，圖4是9種園林植物上層葉片滯留顆粒物形態(tài)的電鏡圖像。從圖像中可以清晰地看出葉片顆粒物形狀為不規(guī)則塊體、球體和聚合體，粒度小于 10 μm居多，其中大葉黃楊和小葉黃楊表層有蠟質(zhì)，容易滯留顆粒物，國(guó)槐葉表面褶皺多且有較多腺毛，有助于顆粒物的滯留，而絳柳葉片表面有較寬的條狀突起，突起間分布著氣孔與較淺的紋理組織這樣的微形態(tài)結(jié)構(gòu)不利于顆粒物穩(wěn)定固著。

圖1 觀測(cè)影像顆粒物提取流程圖Fig.1 The flow chart of extracting particulate matter on observation images

圖2 5種喬木和4種灌木葉表面顆粒物不同粒徑數(shù)量分布情況Fig.2 The quantitative distribution of particulate matter in different sizes on leaf surface of 5 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

圖3 5種喬木和4種灌木葉表面顆粒物不同粒徑體積百分比Fig.3 The volume percent of particulate matter in different sizes on leaf surface of 5 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

通過(guò)對(duì)比分析得出，滯留大氣顆粒物能力由高到低的微形態(tài)結(jié)構(gòu)依次是蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)>絨毛>溝槽>條狀突起；并且這些微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集、深淺差別越大，越有利于滯留大氣顆粒物。

2.2 累積滯塵規(guī)律分析

2.2.1 葉表面滯留顆粒物數(shù)量累積比較

如表 1所示，在相同觀測(cè)葉面積下，園林植物滯塵10 d之后葉表面顆粒物數(shù)量均有所增加，增幅最大的是小葉黃楊，顆粒物總顆數(shù)增加了3.6倍，其次是大葉黃楊，增加了2.5倍，增幅最小的是月季，滯塵10 d的葉表面顆粒物總顆數(shù)僅為滯塵5 d時(shí)的1.06倍，兩次滯塵葉表面滯留顆粒物數(shù)量最少的均為絳柳，可能與絳柳葉片的表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、著生方式和易受風(fēng)等因素影響有關(guān)。在相同觀測(cè)葉面積下，滯塵10 d后9種園林植物葉表面滯留 PM2.5的數(shù)量變化趨勢(shì)與葉表面滯留總顆粒物的數(shù)量變化趨勢(shì)基本一致，兩次滯塵結(jié)果均顯示葉表面滯留 PM2.5的數(shù)量對(duì)葉表面滯留總顆粒物的數(shù)量貢獻(xiàn)較大。

通過(guò)對(duì)9種園林植物滯塵10 d后的葉表面顆粒物數(shù)量進(jìn)行方差分析與多重比較發(fā)現(xiàn)，在相同觀測(cè)葉面積下，不同樹(shù)種滯留不同粒徑的顆粒物數(shù)量有所差異，由大到小排序：大葉黃楊>小葉黃楊>國(guó)槐>鉆石海棠>雜交馬褂木>金葉女貞>月季>銀杏>絳柳，其中，絳柳在滯留TSP、PM10和PM2.5時(shí)顆粒物數(shù)量顯著低于除銀杏之外的其它7種樹(shù)種，大葉黃楊、小葉黃楊和國(guó)槐葉表面滯留顆粒物的數(shù)量較多，并且顯著高于月季、銀杏和絳柳葉表面滯留的顆粒物數(shù)量（如表2）。

圖4 9種植物上層葉表面顆粒物形態(tài)環(huán)境掃描電鏡圖像Fig.4 The SEM images of particulate matter morphology on leaf surface of 9 kinds of plants

表1 園林植物滯留顆粒物5 d和10 d的數(shù)量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Quantitative statistical tables of particulate matter

2.2.2 顆粒物總面積占觀測(cè)葉面積比例累積比較

由圖5可以看出，滯留10 d后8種園林植物葉片顆粒物總面積均未超過(guò)觀測(cè)葉面積的25%，8種園林植物葉面顆粒物總面積均增加，增幅最大的是小葉黃楊，滯塵10 d后達(dá)到23.6%，增幅最小的是絳柳，僅達(dá)到9.8%。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

北京市的空氣質(zhì)量多處在輕微污染，影響空氣質(zhì)量的主要是顆粒物即降塵和飄塵。北京市適生的園林樹(shù)種滯塵能力有較大的差異，選擇滯塵能力強(qiáng)的樹(shù)種可以產(chǎn)生較大的滯塵效益。

通過(guò)分析得出，葉片滯留大氣顆粒物的能力與葉片的微型態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)每一種植物進(jìn)行深一步的微觀了解，可以有助于滯塵樹(shù)種的選擇。由于園林植物個(gè)體葉表面特性的差異，葉片具有表面蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面粗糙、多皺、葉面多絨毛、分泌黏性的油脂和汁液等特性的園林植物能吸附大量的降塵和飄塵。滯留大氣顆粒物能力由高到低的微形態(tài)結(jié)構(gòu)依次是蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)>絨毛>溝槽>條狀突起；并且這些微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集、深淺差別越大，越有利于滯留大氣顆粒物。因此，對(duì)于有利于附著細(xì)顆粒物的樹(shù)種，可在以飄塵為主的城市推廣此樹(shù)種，而有利于附著粗顆粒的樹(shù)種，可以在以降塵為主的城市推廣此樹(shù)種。如果在城市中種植滯塵能力強(qiáng)的樹(shù)種，再進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則對(duì)減輕城市中各種顆粒物的污染具有重要意義。

表2 9種園林植物滯塵10 d葉表面顆粒物數(shù)量均值、方差分析與多重比較Table 2 Average value, ANOVA and ANOVA-LSD of particulate matter quantity on 9 plants leaf surface

3.2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)園林植物滯留不同粒徑大氣顆粒物的特征和規(guī)律進(jìn)行分析可知：園林植物葉片表面滯留顆粒物大部分為 PM10，占 98%以上，說(shuō)明園林植物可以對(duì)大氣可吸入顆粒物起到很好的過(guò)濾效應(yīng)，有利于人體呼吸健康；9種園林植物葉片滯留的PM10對(duì)顆粒物總體積貢獻(xiàn)最大，PM2.5對(duì)體積的貢獻(xiàn)最小，除月季以外，8種園林植物滯留 PM2.5時(shí)表現(xiàn)出喬木比灌木的滯留能力強(qiáng)；在相同葉面積下，滯塵10 d后9種園林植物葉表面滯留不同粒徑顆粒物數(shù)量較滯塵5 d的葉表面顆粒物數(shù)量均有所增加，方差分析結(jié)果表明絳柳滯留的顆粒物數(shù)量顯著低于除銀杏之外的其它7種樹(shù)種，大葉黃楊、小葉黃楊和國(guó)槐葉表面滯留顆粒物的數(shù)量較多，并且顯著高于月季、銀杏和絳柳葉表面滯留的顆粒物數(shù)量；滯留10 d后9種園林植物葉片顆粒物總面積均未超過(guò)觀測(cè)葉面積的25%，至于葉片持續(xù)滯留顆粒物多少天后達(dá)到飽和狀態(tài)仍需進(jìn)一步研究。

圖5 4種喬木和4種灌木觀測(cè)葉表面顆粒物總面積占觀測(cè)葉面積比例累積比較Fig.5 The cumulative comparison of area ratio of particulate matter on leaf surface of 4 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

Beckett K P, Freer-Smith P H, 2000. Taylor G. The capture of particulate pollution by trees at five contrasting urban sites[J]. Arboricultural Journal, 24: 209-230.

Beckett K P, Freer-Smith P H, Taylor G. 2000. The capture of particulate pollution by trees at five contrasting urban sites[J]. Arboricultural Journal, 24: 209-230.

Little P. 1977. Deposition of 2.75, 5.0 and 8.5 μm particles to plant and soil surfaces[J]. Environmental Pollution (1970), 12(4): 293-305.

Nowak D J, Crane D E, Stevens J C. 2006. Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 4(3/4): 115-123.

Ottel E M, van Bohemen H D, Fraaij A L A. 2010. Quantifying the deposition of particulate matter on climber vegetation on living walls[J]. Ecological Engineering, 36(2): 154-162.

Pal A, Kulshreshtha K, Ahmad K J, et al. 2002. Do leaf surface characters play a role in plant resistance to auto-exhaust pollution?[J].Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants, 197(1):47-55.

Wang L, Liu L, Gao S, et al. 2006. Physicochemical characteristics of ambient particles settling upon leaf surfaces of urban plants in Beijing[J]. Journal of Environmental Sciences, 18(5): 921-926.

柴一新，祝寧，韓煥金. 2002. 城市綠化樹(shù)種的滯塵效應(yīng)——以哈爾濱市為例[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 13(9): 1121-1126.

陳瑋，何興元，張粵，等. 2003. 東北地區(qū)城市針葉樹(shù)冬季滯塵效應(yīng)研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), (12): 2113-2116.

陳自新，蘇雪痕，劉少宗，等. 1998. 北京城市園林綠化生態(tài)效益的研究(3)[J]. 中國(guó)園林, 14(3): 53-56.

高金暉，王冬梅，趙亮，等. 2007. 植物葉片滯塵規(guī)律研究——以北京市為例[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 29(2): 94-99.

高金暉. 2007. 北京市主要植物種滯塵影響機(jī)制及其效果研究[D]. 北京林業(yè)大學(xué).

郭偉，申屠雅瑾，鄭述強(qiáng)，等. 2010. 城市綠地滯塵作用機(jī)理和規(guī)律的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境, 19（6）：1465-1470.

李海梅，劉霞. 2008. 青島市城陽(yáng)區(qū)主要園林樹(shù)種葉片表皮形態(tài)與滯塵量的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 27(10): 1659-1662.

劉任濤，畢潤(rùn)成，趙哈林. 2008. 中國(guó)北方典型污染城市主要綠化樹(shù)種的滯塵效應(yīng)[J].生態(tài)環(huán)境, 17(5):1879-1886.

邱媛，管東生，宋巍巍，等. 2008. 惠州城市植被的滯塵效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 28(6): 2455-2462.

王蕾，高尚玉，劉連友，等. 2006. 北京市11種園林植物滯留大氣顆粒物能力研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 17(4): 597-601.

王蕾，哈斯，劉連友，等. 2007. 北京市六種針葉樹(shù)葉面附著顆粒物的理化特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), (3): 487-492.

王贊紅，李紀(jì)標(biāo). 2006. 城市街道常綠灌木植物葉片滯塵能力及滯塵顆粒物形態(tài)[J].生態(tài)環(huán)境, 15（2）：327-330.

于志會(huì)，趙紅艷，楊波. 2012. 吉林市常見(jiàn)園林植物滯塵能力研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), (6): 173-175.

張新獻(xiàn)，古潤(rùn)澤，陳自新，等. 1997. 北京城市居住區(qū)綠地的滯塵效益[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), (4): 14-19.