基于紅外熱像檢測的粉塵環(huán)境植物適生性評價

張 羚,陳沅江

中南大學資源與安全工程學院,長沙 410083

基于紅外熱像檢測的粉塵環(huán)境植物適生性評價

張 羚*,陳沅江

中南大學資源與安全工程學院,長沙 410083

植物防塵是一類多功能復合、有很高環(huán)保經(jīng)濟價值的防塵技術,其關鍵是要優(yōu)選出在不同粉塵污染環(huán)境中具強適生性的優(yōu)勢樹種。為此,以我國南方某工業(yè)園區(qū)內(nèi)4種常見灌木為研究對象,在室內(nèi)仿真模擬的工業(yè)粉塵污染環(huán)境中,對盆栽植物樣本的滯塵能力及其引起的葉表溫度變化進行跟蹤監(jiān)測和適生性分析。實驗結(jié)果表明,葉片滯塵會普遍引起葉表溫度升高,不同粉塵環(huán)境中的葉表溫度變化存在明顯差異,含堿性物質(zhì)和重金屬元素的粉塵對植物的影響較為顯著。所研究的4種樣本植物在實驗粉塵環(huán)境中的適生性大小順序為：桂花、鵝掌柴、紅繼木、茶樹。在工業(yè)園區(qū)綠化建設規(guī)劃設計時,應在充分考慮粉塵污染環(huán)境特點的基礎上,對計劃引進植物進行適生性評價,選擇粉塵阻滯吸附能力強且滯塵后葉片溫度變化平緩的樹種,從而更有效的利用綠色植物防治大氣顆粒物污染。

粉塵污染環(huán)境；滯塵能力；葉表溫度；植物防塵；適生性評價

植物防塵投入成本低,抑塵效果好,且兼有凈化空氣、保持水土、改善生態(tài)壞境、調(diào)節(jié)小氣候、促進人的身心健康等生態(tài)效益和社會價值,是治理大氣顆粒污染物的有效措施。近年來,國內(nèi)外學者以不同地區(qū)、不同氣候類型的代表植物為研究對象,通過現(xiàn)場采樣和實驗模擬,對植物葉片對不同粒徑顆粒物的阻滯吸附量[1- 5]、植物滯塵機理及其影響因素[6-12]等方面進行了比較分析,確定了不同環(huán)境條件下吸滯顆粒物的優(yōu)勢樹種。針對部分植物在粉塵環(huán)境中失綠、壞死等現(xiàn)象,研究人員通過測試分析,發(fā)現(xiàn)植物在滯留粉塵顆粒的同時,粉塵的遮蔽阻塞會改變植物的光譜特征[13-16],降低光合效率和蒸騰速率[17-24],抑制正常生理代謝反應,對植物生長造成不良影響,甚至引發(fā)病理危害。因此,為了更有效地利用綠色植物防治大氣顆粒物污染,需要將植物滯留與耐受粉塵的能力相結(jié)合,找出特定環(huán)境下滯塵能力強且抗逆性高的植物。

工業(yè)生產(chǎn)粉塵是城市大氣顆粒污染物的主要來源之一,且由于具有復雜的物理化學性質(zhì),對生物體的破壞作用遠大于普通顆粒物粉塵。研究表明,對比商貿(mào)區(qū)、文教區(qū)等其他區(qū)域,工業(yè)區(qū)內(nèi)的植物光合生理指標下降幅度最大,生長受限最為明顯[19]。因此,在工業(yè)園區(qū)綠化景觀規(guī)劃設計時,需要對植物的適生防塵性質(zhì)進行評估,擇優(yōu)選出在該環(huán)境中滯塵能力強且適生性好的優(yōu)勢樹種,對城市大氣顆粒物污染起到有效的源頭防治作用。

當前,國內(nèi)外研究人員主要針對粉塵污染環(huán)境下植物光譜特征和生理生態(tài)反應的變化進行了研究分析[25]。研究結(jié)果表明,粉塵會改變植物在可見光波段和紅外波段的反射率[13,15],葉片只吸收小部分太陽輻射進行正常光合生理反應,大部分熱能被葉片吸收,導致葉面溫度升高[26]；粉塵的遮蔽阻塞導致植物氣體交換受阻,使長波輻射、熱對流和水分蒸騰等散熱機制受到抑制,無法對葉片溫度變化進行調(diào)節(jié),若無雨水、大風等外界環(huán)境干擾,葉片溫度會持續(xù)升高[27]。由此可見,葉片葉表溫度的升高是葉面塵對植物反射光譜和生理生態(tài)反應影響的綜合結(jié)果。以葉片滯塵前后的葉面溫度變化作為植物生理反應指標,可以全面反應粉塵顆粒物對植物的影響,同時溫度異?？梢栽谥参锇l(fā)生明顯的失綠、壞死等病理危害前及時檢測出來,以采取必要措施,防止或減緩粉塵對植物的影響。因此,本文即以葉片葉表溫度變化情況作為粉塵環(huán)境中植物的適生性評價指標,考慮到灌木滯塵能力較強且高度位于行人呼吸范圍內(nèi)[28],選擇長沙主要工業(yè)園區(qū)內(nèi)4種典型灌木作為研究對象,在模擬環(huán)境中利用實地采集的粉塵樣對室內(nèi)盆栽植物樣本進行滯塵實驗,應用紅外熱像儀對葉面溫度變化進行非接觸式測量,以避免破壞被測植物葉表粉塵分布及溫度場,同時應用顯微圖像分析系統(tǒng)對葉片滯塵能力進行分析,綜合植物滯塵能力和葉片葉表溫度變化,對植物在粉塵污染環(huán)境下的適生性進行評估,為城市工業(yè)園區(qū)綠化建設和維護提供一定的參考和建議。

1 研究方案的確定

1.1 研究地點和被測植物的選擇

本文的目的在于通過模擬滯塵實驗評估工業(yè)粉塵污染環(huán)境中植物的適生性,為了保證實驗結(jié)果與實際情況盡可能相吻合,需要有針對性地選擇生產(chǎn)現(xiàn)場有代表性的工業(yè)粉塵環(huán)境作為實驗背景,進行實地粉塵采樣及相關環(huán)境因素的測量。調(diào)查發(fā)現(xiàn),長沙市長年PM10年平均濃度超過國家二級標準(100μg/m3),是我國中部大氣顆粒物污染嚴重的代表性城市之一[29]。在對該市主要工業(yè)園區(qū)的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營類型和污染物排放情況進行實地調(diào)查和研究分析的基礎上,選擇暮云工業(yè)園區(qū)木材加工廠、金井工業(yè)園區(qū)糧油面粉加工廠、望城經(jīng)濟開發(fā)區(qū)金屬粉末加工廠和天心工業(yè)園區(qū)水泥加工廠等四處典型的工業(yè)粉塵顆粒污染物排放源作為粉塵采樣地點,以代表4種典型的工業(yè)生產(chǎn)粉塵,即木糠、面粉、金屬粉末和水泥。

在樣本植物的選取方面,綜合四處采樣地點共有植物的基礎上,考慮到灌木的高度通常位于行人的呼吸范圍內(nèi),其滯留的大氣顆粒物粉塵對行人的影響較大[28],選擇桂花、紅繼木、茶樹、鵝掌柴等4種植物作為研究對象,在實驗模擬工業(yè)粉塵環(huán)境中應用長勢相似的植物盆栽作為研究對象,進行滯塵能力及葉片葉表溫度變化的測量和分析。

1.2 研究手段及采用的具體步驟

利用本實驗室現(xiàn)有的環(huán)境參數(shù)基本恒定的大型人機環(huán)境仿真模擬室,對所選研究地點植物生長的粉塵污染氣象環(huán)境進行人工再造仿真,通過滯塵實驗探討長期無雨水、大風的惡劣氣候下植物在其中對粉塵的耐受和適應特性。該人機模擬室的可控環(huán)境參數(shù)范圍如下：溫度范圍0—70℃,濕度范圍0—100%,風速范圍0—10m/s,氣壓范圍-5000—3000Pa；測量葉片葉表溫度所用儀器為FILR SC7300紅外熱像儀,其波長范圍為8—14μm,測溫范圍為-20—55℃,室溫下溫度分辨率小于0.05℃,溫度統(tǒng)計分析采用其附帶的Altair輻射測量軟件；測量葉片滯塵能力所用儀器為XSJ-HS型生物顯微圖像電腦分析系統(tǒng),該系統(tǒng)由光學系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成,顯微鏡選用高清晰度攝像專用主機,攝像部分采用日本原裝高分辨率彩色攝像機,滯塵能力分析采用其中的顯微分析軟件系統(tǒng)。

(1)粉塵采樣及濃度測量

連續(xù)一周(雨水、大風天氣除外)應用粉塵收集器和微電腦粉塵濃度測定儀自9:00—17:00(采樣地點工業(yè)企業(yè)正常運營時間)對4處研究地點的粉塵顆粒物進行連續(xù)采樣和濃度測量,以收集到的粉塵作為實驗粉塵來源,以粉塵平均濃度作為模擬滯塵濃度。

(2)模擬環(huán)境滯塵實驗

1)在每組實驗進行前,根據(jù)長沙市年平均溫度(17.6℃)、濕度(78%)、風速(2.6m/s)、氣壓(1027hpa)等基本氣象環(huán)境因素值[30]對人機模擬室的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié),確認各項參數(shù)已穩(wěn)定在預設值附近后,將葉表洗凈擦干的樣本植物在其中放置3d,使其充分適應實驗環(huán)境；

2)滯塵開始前,進行第一組采樣,作為空白對照組；

3)將粉塵顆粒均勻倒入粉塵發(fā)射器中,根據(jù)測量得到的粉塵平均濃度值(0.953、0.944 、0.994 、0.993 mg/m3)設置出口濃度,進行模擬滯塵實驗。在實驗進行過程中,間歇性安排人員走動以模擬現(xiàn)實環(huán)境中人車走動產(chǎn)生的二次揚塵。每組實驗滯塵6d,滯塵時間為9:00—17:00。采樣時間為第2天開始滯塵前,從植物冠部四周及上、中、下各部位均勻采集5片樹葉,并注意預留一部分葉柄,以便后續(xù)溫度測量。采樣時佩戴一次性塑料薄膜手套,避免對葉片及滯留粉塵的破壞,采樣過程輕拿輕放,以防滯留粉塵的滑落；

4)每組實驗結(jié)束后,對殘留粉塵進行清理,以確保對后續(xù)試驗不產(chǎn)生影響；

5)重復上述步驟,共進行16組模擬滯塵實驗。

(3)葉片葉表溫度測量

采樣后立即用紅外熱像儀對葉片溫度進行測量,以防長期未處理導致葉片水分丟失,葉表溫度發(fā)生變化。測量前,調(diào)節(jié)環(huán)境溫度使之與人機模擬室一致,以避免環(huán)境溫度變化對葉片溫度的影響。測量時,為避免粉塵滑落,用透明膠帶粘貼葉片葉柄,使其固定平放于載玻片上；在下方放置電熱臺板,調(diào)節(jié)至25℃,使紅外圖像中葉片與背景環(huán)境的溫度對比更加明顯,方便統(tǒng)計分析,同時保證電熱臺板與葉片的距離,避免其輻射作用對葉片溫度的影響。

(4)滯塵能力分析

在不影響粉塵分布的前提下,對滯塵葉片做切片處理,采用對角線法在每個葉片切片上選取5個觀測點,應用顯微圖像分析系統(tǒng)進行圖像采集和二值圖像處理,計算出各觀測點葉片上所有粉塵顆粒面積與選區(qū)內(nèi)葉表面積的比值,以表征滯塵能力的大小。

(5)適生性分析

根據(jù)模擬實驗測量數(shù)據(jù),繪制植物葉片葉表溫度和滯塵能力隨時間的變化的曲線圖,結(jié)合圖表對四種植物在對應粉塵環(huán)境下植物的適生性大小進行分析。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 葉片葉表溫度變化分析

如圖1為實驗所得滯塵葉片紅外熱像圖及對應溫度統(tǒng)計分析圖。現(xiàn)以葉片葉表溫度變化作為抗逆性指標,將試驗周期內(nèi)葉片的平均溫度變化記錄于表1中。

圖1 4種植物葉片表面紅外熱像圖及其溫度分布統(tǒng)計分析Fig.1 Infrared thermal images of leaf surface and corresponding statistical analysis of temperature distribution of four kinds of plants

粉塵類型Dusttype滯塵時間Dustretentiontime樹種Treespecies/℃茶樹Teaplant桂花Fragrans紅繼木Loropetal鵝掌柴Schefflera面粉廠粉塵樣滯塵第1天0．235±0．0680．155±0．0510．198±0．0590．201±0．068Dustsampleofflourmill滯塵第2天0．506±0．1120．343±0．1020．441±0．1050．500±0．115滯塵第3天0．842±0．1360．599±0．1220．749±0．1170．931±0．151滯塵第4天1．302±0．1670．947±0．1421．152±0．1541．417±0．153滯塵第5天1．859±0．1711．402±0．1631．672±0．1441．946±0．165滯塵第6天2．581±0．1911．974±0．1662．301±0．1432．523±0．153木材加工廠粉塵樣滯塵第1天0．194±0．0590．135±0．0410．174±0．0570．123±0．042Dustsampleoftimbermill滯塵第2天0．444±0．1060．301±0．0680．354±0．1060．309±0．085滯塵第3天0．735±0．1450．507±0．1140．564±0．1360．538±0．120滯塵第4天1．096±0．1440．761±0．1340．828±0．1440．816±0．151滯塵第5天1．486±0．1491．105±0．1021．173±0．1531．171±0．143滯塵第6天1．940±0．1681．470±0．1021．583±0．1461．541±0．141金屬加工廠粉塵樣滯塵第1天0．256±0．0790．248±0．0610．243±0．0750．246±0．079Dustsampleofmental-fabrication滯塵第2天0．580±0．1230．554±0．1160．567±0．1100．567±0．130滯塵第3天0．995±0．1560．911±0．1151．012±0．1370．974±0．186滯塵第4天1．505±0．1551．349±0．1381．683±0．1421．522±0．198滯塵第5天2．223±0．2011．896±0．1402．457±0．1692．118±0．200滯塵第6天3．062±0．1792．541±0．1433．463±0．1682．822±0．200水泥廠粉塵樣滯塵第1天0．329±0．0910．289±0．0780．261±0．0740．309±0．091Dustsampleofcementmill滯塵第2天0．734±0．1440．636±0．1340．615±0．1140．714±0．144滯塵第3天1．272±0．1811．090±0．1391．101±0．1441．220±0．173滯塵第4天1．970±0．2091．653±0．1401．759±0．1451．849±0．180滯塵第5天2．854±0．1962．289±0．1292．613±0．1612．564±0．187滯塵第6天3．893±0．1892．930±0．1383．662±0．1813．423±0．195

由表可見,同一植物滯留不同粉塵或不同植物滯留同一粉塵,其溫度變化有較明顯的差異,但總體趨勢均隨著滯塵天數(shù)的增加而升高,且溫度上升速率均隨著滯塵時間逐漸增大,這可能是因為實驗環(huán)境無雨水、大風等外界因素干擾,葉片粉塵滯留量逐漸增多,對植物的影響越來越明顯,植物正常生理代謝功能紊亂,從而導致溫度加速上升。對應同一植物,水泥廠和金屬加工廠粉塵導致的溫度升高遠大于其他兩種粉塵,這可能是由于水泥廠粉塵樣中含有堿性物質(zhì),金屬加工廠粉塵樣中含有重金屬元素,相對于其他粉塵樣,對葉片會產(chǎn)生直接傷害作用,對光合作用和蒸騰作用的抑制更強,因而導致溫度增幅更大[31-32]。對應同一粉塵,茶樹覆蓋粉塵后的溫度增幅較大；桂花的溫度增幅明顯小于其他3種植物；鵝掌柴的溫度變化介于之間；紅繼木在面粉廠和木材加工廠粉塵環(huán)境中溫度增幅與鵝掌柴相似,而對應金屬加工廠和水泥廠塵樣,其溫度增幅在4種植物中最高。這些溫度變化的差異可能是由于不同植物在不同環(huán)境中的抗逆性差異導致的,同時也可能與部分植物滯塵能力較強有關。因此,對于四種植物在粉塵環(huán)境中的適生性的評估,還需要對葉片滯塵能力進行分析。

2.2 葉片滯塵能力分析

應用顯微圖像電腦分析系統(tǒng)對葉片切片進行觀測分析和二值圖像處理,得到如圖2所示滯塵葉片顯微圖像及對應二值化圖像。葉片滯塵能力是指植物單位葉面積在單位時間內(nèi)滯留的粉塵量。在本實驗中,根據(jù)顯微分析系統(tǒng)工作原理,規(guī)定單位葉表面積滯塵能力用顯微圖像選區(qū)內(nèi)所有粉塵顆粒面積與選區(qū)內(nèi)葉表面積比來表示,滯塵量用顯微圖像選區(qū)內(nèi)粉塵顆粒面積表示[2]。應用顯微分析系統(tǒng)計算出各葉片切片滯塵面積比,以表征植物滯塵能力,實驗周期內(nèi)的四種植物在對應粉塵環(huán)境下的葉片滯塵能力平均值記錄于表2。

圖2 滯塵葉片顯微圖像及二值化圖像Fig.2 Microscopic images and binary images of dust-catching leaves

粉塵類型Dusttype滯塵時間Dustretentiontime滯塵能力Dust-retainingcapability/%茶樹Teaplant桂花Fragrans紅繼木Loropetal鵝掌柴Schefflera面粉廠粉塵樣空白對照組0．018±0．0050．027±0．0070．048±0．0090．018±0．004Dustsampleofflourmill滯塵第1天0．214±0．0180．205±0．0270．219±0．0150．211±0．017滯塵第2天0．240±0．0200．237±0．0210．254±0．0180．241±0．018滯塵第3天0．276±0．0230．270±0．0210．291±0．0190．269±0．023滯塵第4天0．306±0．0310．292±0．0220．327±0．0240．298±0．022滯塵第5天0．328±0．0270．324±0．0280．349±0．0230．319±0．025滯塵第6天0．342±0．0310．346±0．0280．376±0．0220．339±0．025木材加工廠粉塵樣空白對照組0．024±0．0070．018±0．0040．036±0．0060．020±0．004Dustsampleoftimbermill滯塵第1天0．193±0．0190．202±0．0250．211±0．0180．193±0．016滯塵第2天0．213±0．0220．227±0．0150．235±0．0200．218±0．021滯塵第3天0．233±0．0250．254±0．0200．264±0．0240．248±0．023滯塵第4天0．256±0．0210．283±0．0240．287±0．0230．270±0．023滯塵第5天0．276±0．0240．309±0．0190．308±0．0250．290±0．021滯塵第6天0．295±0．0260．323±0．0180．326±0．0250．312±0．023金屬加工廠粉塵樣空白對照組0．019±0．0050．030±0．0080．057±0．0090．020±0．003Dustsampleofmental-fabrication滯塵第1天0．206±0．0200．217±0．0160．211±0．0170．190±0．016滯塵第2天0．227±0．0210．244±0．0190．242±0．0200．225±0．027滯塵第3天0．252±0．0250．286±0．0190．284±0．0200．250±0．026滯塵第4天0．273±0．0230．306±0．0190．307±0．0220．264±0．026滯塵第5天0．294±0．0290．331±0．0220．328±0．0280．276±0．026滯塵第6天0．310±0．0260．357±0．0230．358±0．0260．290±0．027水泥廠粉塵樣空白對照組0．020±0．0060．033±0．0080．064±0．0080．028±0．004Dustsampleofcementmill滯塵第1天0．215±0．0200．223±0．0200．217±0．0210．215±0．020滯塵第2天0．243±0．0240．251±0．0230．253±0．0200．243±0．024滯塵第3天0．277±0．0260．285±0．0240．292±0．0230．277±0．026滯塵第4天0．301±0．0270．316±0．0230．327±0．0230．301±0．027滯塵第5天0．323±0．0330．343±0．0240．352±0．0280．323±0．032滯塵第6天0．342±0．0300．372±0．0230．384±0．0310．343±0．032

由表2可見,4種植物中,桂花和紅繼木的滯塵能力要明顯強于茶樹和鵝掌柴,這可能是由于植物的葉表面形態(tài)結(jié)構(gòu)差異所導致的。紅繼木葉表粗糙,且布滿極細的淺溝狀組織并有少量纖毛,有利于小粒徑顆粒物粉塵的滯留；桂花雖然葉表面較光滑,但密布無規(guī)則排列的氣孔且有脊狀突起,滯塵能力也較強；茶樹和鵝掌柴葉表面平滑且無其他特殊結(jié)構(gòu),滯塵能力一般[2]。不同粉塵環(huán)境下同一植物的滯塵能力有所不同,這可能與顆粒物的粒徑大小、形態(tài)特征差異有關[5,10]。為對粉塵環(huán)境下植物的適生防塵效果進行評價,需篩選出滯塵能力強且滯塵后溫度升高不甚顯著的樹種,為此下文將葉表溫度變化和滯塵能力兩個因素結(jié)合進行綜合分析。

2.3 不同粉塵環(huán)境下植物的適生性評價

為進一步探究所選樣本植物在實驗粉塵環(huán)境中的適生性大小,如圖3所示,繪制4種粉塵環(huán)境下的植物葉片滯塵能力和葉表溫度隨時間變化的曲線圖,綜合曲線圖及其變化趨勢對植物的適生性進行評價。

圖3 不同粉塵環(huán)境下4種植物葉片滯塵能力和葉表溫度變化曲線圖Fig.3 Curve diagrams of dust-retaining capability and temperature change of four kinds of plants in different dust environment

由圖3可見,在面粉廠粉塵環(huán)境中,紅繼木滯塵能力最強,且溫度變化較小,適生性最好；桂花、鵝掌柴、茶樹滯塵能力相似,且桂花的溫度變化明顯小于另外兩種植物,適生性較好；鵝掌柴與茶樹溫度變化相近,但茶樹溫度上升速度大于鵝掌柴,可以預見,若滯塵實驗繼續(xù),茶樹的溫度會超過鵝掌柴。因此,在面粉廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性大小排序為：紅繼木>桂花>鵝掌柴>茶樹。

由圖3可見,在木材加工廠粉塵環(huán)境中,茶樹滯塵能力最差,溫度升幅最高,適生性最差；紅繼木與桂花滯塵能力相似,均大于其他兩種植物,但桂花的溫度升幅小于紅繼木,所以桂花在木材加工廠粉塵環(huán)境中的適生性更強；鵝掌柴兩項實驗數(shù)據(jù)均介于4種植物之間,適生性一般。因此,在木材加工廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性大小排序為：桂花>紅繼木>鵝掌柴>茶樹。

由圖3可見,在金屬加工廠粉塵環(huán)境中,桂花滯塵能力最強,溫度變化最小,適生性最好；紅繼木滯塵能力與桂花相似,但溫度升幅也最高,且上升速度明顯大于其他3種植物,可以預計,如果環(huán)境中金屬粉塵濃度較高,且長期無雨水大風等外界干擾,紅繼木由于溫度持續(xù)上升將導致嚴重病變,所以,在金屬粉塵濃度較高的工業(yè)園區(qū)內(nèi),不適宜種植紅繼木；鵝掌柴和茶樹滯塵能力一般,溫度變化也介于4種植物中間,適生性相似。因此,在金屬加工廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性大小排序為：桂花>鵝掌柴≈茶樹>紅繼木。

由圖3可見,在水泥廠粉塵環(huán)境中,桂花、茶樹、紅繼木的滯塵能力均較強,其中,桂花溫度變化遠小于茶樹和紅繼木,適生性最強；茶樹和紅繼木溫度變化遠大于桂花和鵝掌柴,且茶樹的溫度升高幅度更大,所以在水泥粉塵濃度較大的區(qū)域,茶樹和紅繼木均不宜種植,其中茶樹適生性更差；鵝掌柴滯塵能力較差,但溫度升高幅度相對茶樹和紅繼木較為緩和,適生性一般,也不宜大范圍種植。因此,在水泥廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性排序為：桂花>鵝掌柴>紅繼木>茶樹。

綜合4種粉塵環(huán)境下葉片滯塵能力及葉表溫度變化的統(tǒng)計分析結(jié)果,4種植物中,桂花滯塵能力較強,且受粉塵覆蓋影響較小,適生性最好；紅繼木滯塵能力較強,但在含有堿性物質(zhì)或重金屬元素的粉塵環(huán)境中抗逆性較差；茶樹和鵝掌柴滯塵能力相似,而鵝掌柴適生防塵效果更好。由此可知,同一植物在不同環(huán)境,不同植物在同一環(huán)境的適生防塵性質(zhì)均有所差異。因此,在工業(yè)園區(qū)綠化建設規(guī)劃設計時,應根據(jù)園區(qū)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營類型預估顆粒物污染情況,選擇該環(huán)境下滯塵能力強且抗逆性高的植物,以最大限度的抑制粉塵顆粒物污染。對應本實驗中的4種植物和對應粉塵環(huán)境,桂花可以考慮種植,鵝掌柴可以適度引進,若粉塵中堿性物質(zhì)或金屬元素含量較少,紅繼木也可以考慮種植,而茶樹則不宜應用。對于綠化建設已完善的成熟工業(yè)園區(qū),若已種植抗逆性較差的植物,需注意及時對葉面塵進行保護性清洗,利用水分沖刷等方法在一定程度上減少粉塵對植物的影響,同時需注意盡量避免粉塵清洗后流到植物根部,對植株生長造成影響。

3 結(jié)論與討論

植物葉片以其特殊的表面性能,可以有效的截取和固定大氣顆粒污染物,但也會因為粉塵的遮蔽阻塞影響自身正常生長。因此,針對具體環(huán)境在綠化建設中選擇滯塵能力強且粉塵耐受性好的樹種是充分發(fā)揮綠色植物滯塵效應的關鍵。研究表明,樹種間滯塵能力的差異是由葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征決定的,葉表面粗糙多皺,絨毛、溝槽、突起等微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集,深淺差別越大,植物滯塵能力越強[1,10]。本文模擬工業(yè)粉塵環(huán)境中,表面粗糙程度高的紅繼木滯塵能力最強,氣孔密集且有脊狀突起的桂花滯塵能力也較強,而葉表面光滑無特殊結(jié)構(gòu)的茶樹和鵝掌柴滯塵能力一般,這與王建輝、鄭鵬、于曼、陳芳等人植物滯塵能力的研究結(jié)果基本一致[33-36],而賈彥等則認為紅繼木滯塵能力較差,這主要是由于其采樣時間為4—6月,正值長沙多雨水大風天氣,滯留于淺溝組織和纖毛上的粉塵受外界影響,波動性較大,滯塵量相對較小[2],這說明植物滯塵能力的比較需要結(jié)合具體環(huán)境進行評價分析。

在大氣顆粒物污染濃度較高的環(huán)境中,有較強適生性的植物能夠更有效的發(fā)揮滯塵作用。曾青松對比人工揚塵實驗前后桂花葉綠素及各項活性指標的變化情況,證明桂花具有極高的抗大氣污染能力,這與本文得到的桂花適生防塵效果較好的結(jié)果是一致的[37]?？讎x、溫達志等對園林綠化植物在粉塵復合污染環(huán)境下的空氣污染敏感性進行了評價分析,發(fā)現(xiàn)桂花、鵝掌柴、茶樹等植物葉片生長正常,僅少數(shù)葉片脫落,抗大氣污染能力強[38-39],而本文研究結(jié)果表明茶樹粉塵耐受性較差,這可能與具體實驗環(huán)境中的大氣污染物的性質(zhì)差異有關。在不同大氣污染環(huán)境下,同種植物葉片對于不同種類顆粒物元素的吸滯情況不同,不同種類的顆粒污染物對于植物體生理生態(tài)反應的影響程度也有所差異[25]。水泥、石灰等堿性物質(zhì)灰塵與水作用會從氣孔浸入葉組織,影響細胞內(nèi)的正常代謝過程[31]；重金屬元素的吸收和富集則會直接抑制葉片的氣體交換,破壞葉肉組織[32]。因而在含有堿性物質(zhì)的水泥廠粉塵環(huán)境和含有重金屬元素的金屬粉末加工廠粉塵環(huán)境中,四種植物受粉塵遮蔽阻塞作用導致的葉片葉表溫度升高更加明顯。粉塵對植物的影響還與其粒徑大小有關。葉面塵粒徑越小,遮蔽堵塞作用越明顯,產(chǎn)生的遮光效應越大,對植物的影響越大[40-41]。紅繼木的淺鉤狀組織對滯留顆粒物粒徑有篩選作用,主要吸附小粒徑顆粒粉塵[2],且由于葉表粗糙度較高滯留顆粒物不易清理,會導致部分粉塵長時間積聚,因而在對植物生長影響較大的含堿性物質(zhì)和重金屬元素的水泥廠和金屬粉末加工廠粉塵環(huán)境中,生理生態(tài)反應變化極為明顯,抗逆性較差。植物對粉塵的吸附類型同樣會影響植物的抗逆性,氣孔吸附主導型的植物主要吸附細顆粒物,且大多分布在氣孔及其附近,受粉塵的影響大于表皮吸附主導型的植物[42]。因此,對于植物在大氣污染環(huán)境下的抗性研究,需要結(jié)合植物所處環(huán)境的大氣顆粒物污染的理化性質(zhì),植物葉面滯塵特點,植物的生理生態(tài)反應變化等因素,找出特定環(huán)境下滯塵能力強且耐受粉塵的植物樹種,起到有效的削減大氣顆粒物污染的目的。

綜上所述,本文通過模擬滯塵實驗對長沙市工業(yè)園區(qū)四種典型灌木在粉塵環(huán)境中的適生性進行了綜合評價,得到如下結(jié)論：

(1) 4種植物在實驗粉塵環(huán)境中的適生性從高到低為：桂花、鵝掌柴、紅繼木、茶樹。其中,桂花在四種粉塵環(huán)境下滯塵能力均較強,且滯塵后溫度變化較小,適宜于在工業(yè)園區(qū)推廣種植；鵝掌柴滯塵能力一般,粉塵對其影響相對較緩和,可以考慮適當種植；紅繼木滯塵能力強,但在堿性物質(zhì)或金屬元素含量較高的水泥廠和金屬加工廠粉塵環(huán)境中溫度上升幅度大且增速較快,需要結(jié)合工業(yè)園區(qū)具體生產(chǎn)經(jīng)營類型決定是否引進；茶樹滯塵能力一般且在四種粉塵環(huán)境下溫度變化均較大,不宜在工業(yè)園區(qū)內(nèi)種植。

(2) 不同植物在同一粉塵環(huán)境中或同一植物在不同粉塵環(huán)境中,其適生性均有較大差異。在工業(yè)園區(qū)綠化建設規(guī)劃設計時,需要根據(jù)企業(yè)經(jīng)營類型確定顆粒污染物的成分和數(shù)量,擇優(yōu)選出在對應粉塵環(huán)境中滯塵能力強且抗逆性高的植物,以有效地減緩大氣粉塵顆粒污染。對于已有實例或評價分析證明具有較強適生性的樹種,需要比較工業(yè)園區(qū)大氣顆粒物污染特征是否與之相似,在此基礎上決定是否引入該樹種；對于尚未有記錄證明具粉塵顆粒污染抗性的植物,可以考慮設計模擬滯塵實驗,分析其在無雨水大風等外界干擾的極端天氣情況的生理生態(tài)反應變化。在粉塵環(huán)境中植物的抗逆性指標選取方面,葉片葉表溫度變化是粉塵對植物光譜特征和生理生態(tài)反應變化的綜合結(jié)果,能全面反映粉塵對植物的影響,可以考慮在今后的研究分析中推廣使用。

(3) 對于綠化建設已完善的工業(yè)園區(qū),如因規(guī)劃設計時未充分考慮植物對顆粒物粉塵的耐受性質(zhì)而引入適生性較差的植物,需要及時采取保護性措施進行人工除塵,以減緩粉塵對植物生長的影響,同時需注意清洗后流到根部的粉塵,尤其是重金屬粉塵對植株生長的影響。必要時可以設置警戒溫度,確定保護性清洗周期,實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)綠化維護的科學化管理。

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Evaluation of plant tolerance to environmental dust pollution based on infrared thermography

ZHANG Ling*, CHEN Yuanjiang

SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China

The effects of dust pollution on plant species depends largely on the plant′s natural ‘dustproofing’ ability, which is a kind of multifunctional composite dust-control technology that has great value for both the environment and economy. Our study intended to determine which dominant tree species showed the greatest tolerance and adaptability in different dust pollution environments. We conducted long term monitoring and an adaptability analysis on four kinds of shrubs (osmanthus fragrans, schefflera octophylla, loropetalum chinense var.rnbrum and camellia sinensis) commonly found in industrial parks in southern China. Our study used potted plant samples in an indoor environment where we simulated industrial dust pollution. We measured the dust-retaining capability and leaf temperature of our potted plants using biological microscopic image analysis and a thermal infrared imager. Our results showed that leaf temperature increased as leaves were covered in dust, and this varied according to the amount of dust in the environment. Dust that contained alkaline matter and heavy metal elements had a stronger influence on our test plants. Thus, we suggest that any adaptability analysis of plants should take the specific characteristics of dust pollution into full consideration. Our results suggest that osmanthus fragrans was most tolerant to dust pollution, followed by schefflera octophylla, loropetalum chinense var.rnbrum, and finally camellia sinensis. Selecting plant species that have high dust-retaining capability, and low physiological and ecological responses to dust pollution is important for industrial parks. However, planners and designers of green spaces in industrial parks also need to consider the composition and quantity of dust pollution within each site, as this varies by type and frequency of business enterprises within each industrial park and will help inform plant selection decisions. Our results show that leaf surface temperature is an important predictor of a plant′s physiological and ecological response to dust pollution, and further research should investigate how variation in leaf surface temperature could be used to develop an index of plant tolerance to environmental dust pollution. For existing industrial parks containing plants with relatively poor adaptability to dust pollution, we suggest implementing regular watering, cleaning and other manual dust removal methods to reduce the negative effects of dust particulate matter on plants. Meanwhile, the effects of dust (especially heavy metal dust), on plant root systems should be investigated. To ensure implementation of scientific management of green spaces in industrial parks, we advise creating a temperature alert and maintenance schedule that includes regular protective cleaning of plants.

environmental dust pollution; dust-retaining capability; leaf temperature; plant dustproof; adaptability analysis

2015- 06- 11;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201506111180

*通訊作者Corresponding author.E-mail:zlsafetyehs@163.com

張羚,陳沅江.基于紅外熱像檢測的粉塵環(huán)境植物適生性評價.生態(tài)學報,2016,36(24):7960- 7970.

Zhang L, Chen Y J.Evaluation of plant tolerance to environmental dust pollution based on infrared thermography.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):7960- 7970.