昆明市典型綠化樹種的滯塵及吸收SO2、NOx效應(yīng)

李艷芹++李艷梅++陳奇伯++鄧志華

摘要：以清潔區(qū)為對(duì)照，分析了昆明市工業(yè)區(qū)和主城區(qū)使用頻率較高的典型樹種滯塵效果，對(duì)不同功能區(qū)植物的滯塵量做差異性分析。結(jié)果表明，植物葉片的滯塵量高低排序是工業(yè)區(qū)、主城區(qū)、清潔區(qū)。通過對(duì)植株不同高度的滯塵量比較，發(fā)現(xiàn)低位置的植物葉片滯塵效果較好；在闊葉樹種中，天竺桂（Cinnamomum pedunculatum Nees）的滯塵效果最好，可達(dá)到19.660 9 g/m2，而梧桐[Firmiana platanifolia（L. f.）Marsili]是對(duì)SO2吸收能力最強(qiáng)的植物；在針葉樹種中，龍柏[Sabina chinensis（L.） Ant. var. chinensis cv. Kaizuca]和圓柏[S. chinensis（L.） Ant. Cupress. Gatt.]的滯塵效果較好，柳杉（Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr.）對(duì)SO2和NOx的吸收凈化能力較強(qiáng)。因此，綜合考慮大氣污染因素后，在不同功能區(qū)除應(yīng)種植常綠闊葉樹種以及落葉闊葉樹種以外，還應(yīng)考慮搭配以龍柏為首選的針葉樹種，形成一個(gè)針葉樹種和闊葉樹種混交的合理群落結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：植物；滯塵；SO2；NOx；昆明市

中圖分類號(hào)：Q948.116：X511（741） 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）18-4740-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.028

大氣顆粒物是指分散在空氣中的固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)，其空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在10 μm；這種顆粒物容易通過鼻腔和咽喉進(jìn)入人體呼吸道內(nèi)，其中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物也稱為可入肺顆粒物，是形成灰霾天氣的最大元兇[1]。來源于人類活動(dòng)、尾氣排放、化石燃燒等的SO2和NOx是大氣污染物的重要組成成分，它們不僅會(huì)刺激人們的呼吸道，減弱呼吸功能，危害人體健康；還可能導(dǎo)致酸雨，給生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害?，F(xiàn)在，植物生長代謝作為一種經(jīng)濟(jì)、有效、持久的大氣環(huán)境污染修復(fù)方式，已經(jīng)成為社會(huì)普眾和政府部門公認(rèn)的有潛力的環(huán)境污染修復(fù)工程組成部分。近年來，許多學(xué)者對(duì)植物凈化空氣的機(jī)理展開了研究，但由于沙塵暴天氣和霧霾天氣主要在北方頻發(fā)，所以植物凈化空氣研究主要集中在北方地區(qū)[2-5]，這些研究得出了不同城市綠地類型、主要樹種的滯塵能力、改善城市中空氣負(fù)離子的效應(yīng)、減少噪音、吸收甲醛等研究結(jié)果；但對(duì)南方地區(qū)及綠化樹種吸收空氣中的主要污染物如SO2、氮氧化物的研究很少。昆明市作為著名的旅游城市，是有名的“春城”；隨著昆明市工業(yè)化、城市化和現(xiàn)代化的快速發(fā)展，人為因素造成的大氣污染問題也逐漸凸顯出來，不僅影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量和居民的身體健康，也將會(huì)影響旅游業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。為此，客觀評(píng)價(jià)昆明市不同功能區(qū)常用綠化樹種的滯塵作用以及對(duì)SO2、NOx的凈化效應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)中急需解決的問題，所以課題組開展了這方面的探索，希望以此完善昆明市園林植物的選擇、優(yōu)化園林植被群落的建設(shè)。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置

選擇昆明市主城區(qū)（交通流量較大的區(qū)域）及工業(yè)區(qū)為研究對(duì)象，以遠(yuǎn)離主城區(qū)及工業(yè)區(qū)的西南林業(yè)大學(xué)綠化區(qū)作為清潔對(duì)照區(qū)。在各采樣區(qū)布設(shè)30個(gè)采樣點(diǎn)，其中工業(yè)區(qū)10個(gè)采樣點(diǎn)、主城區(qū)10個(gè)采樣點(diǎn)、清潔對(duì)照區(qū)10個(gè)采樣點(diǎn)。

1.2 供試樹種的選擇

在昆明市主城區(qū)、工業(yè)區(qū)及清潔對(duì)照區(qū)都選擇發(fā)生污染頻率較高的區(qū)域，根據(jù)文獻(xiàn)[6]及現(xiàn)場調(diào)查情況，在各個(gè)區(qū)域都選擇十年生以上的綠化樹種進(jìn)行采樣測定，其中常綠闊葉喬木有4種，分別是天竺桂（Cinnamomum pedunculatum Nees）、大葉女貞[Ligustrum compactum（Wall. ex G.Don） Hook.f. & Thomson ex Decne]、桂花（Osmanthus fragrans Lour.）、廣玉蘭（Magnolia grandiflora L.）；落葉闊葉喬木有2種，分別是梧桐[Firmiana platanifolia（L. f.）Marsili]、滇樸（Celtis kunmingensis Cheng et Hong）；針葉樹種有4種，分別是龍柏[Sabina chinensis（L.）Ant. var. chinensis cv. Kaizuca]、圓柏[Sabina chinensis（L.）Ant. Cupress. Gatt.]、柳杉（Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr.）、雪松[Cedrus deodara（Roxb. ex Lamb.） G. Don]。

1.3 樣品采集與研究方法

選擇與道路橫向距離相同位置的樹種進(jìn)行采樣，從樹冠外緣東、西、南、北方位按照株高2～3 m及4～6 m的位置進(jìn)行重復(fù)采樣。闊葉樹種采集 20～30片葉（大葉10片左右），針葉樹種采標(biāo)準(zhǔn)小枝250～300 g，在盡量不抖動(dòng)的情況下密封帶回觀測站實(shí)驗(yàn)室。

滯塵量的測定方法參考柴一新等[7]的方法，先用蒸餾水將葉片浸泡2 h以上，再用小毛刷清洗葉片上的粉塵，然后小心用鑷子將葉片夾出。浸洗液用已烘干稱量（W1）的濾紙過濾，將濾紙于60 ℃下烘干24 h，再以1/1 000天平稱量（W2），質(zhì)量之差（W1-W2）即為葉片上所附著的降塵顆粒物質(zhì)量。夾出的葉片晾干后，采用LI-3000A植物葉面積儀掃描測定植物葉片面積（S），（W1-W2）/S即為闊葉樹種的單位葉面積滯塵量。由于針葉樹種的葉面積測定困難，因此針葉樹種的滯塵量表述用單位重量的滯塵量來表示，即把清洗出滯塵以后的針葉樹再次放入烘箱里，于60 ℃烘干，稱出恒重（W3），（W1-W2）/ W3即得。

植物葉片（小枝）用清水洗凈烘干，用粉碎機(jī)打磨后，用于樣品的含硫量和含氮量測定，植物含硫量用HNO3-HClO4消煮法處理后，采用電感耦合等離子儀測定；植物含氮量用HSO4-HClO4消煮法處理后，采用恒溫培養(yǎng)法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003軟件處理，并用其制表和繪圖；運(yùn)用SPSS 17.0軟件單因素方差分析法檢測差異顯著性，應(yīng)用LSD法對(duì)同一植物葉片的滯塵量進(jìn)行多重比較，并作相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的滯塵能力比較

2.1.1 不同功能區(qū)闊葉樹種的滯塵效應(yīng) 在實(shí)施滯塵量測定的6種闊葉樹種中，單葉面積超過110 cm2的有廣玉蘭和梧桐，大葉女貞的單葉面積在27～35 cm2，單葉面積在20 cm2以下的有滇樸、桂花及天竺桂。選擇近40 d無雨、天氣晴好的秋季進(jìn)行采樣測定，測定結(jié)果見表1。從表1可見，在3個(gè)功能區(qū)內(nèi)6種闊葉樹種的植物滯塵量大致呈現(xiàn)出一個(gè)規(guī)律，即闊葉樹種的植物滯塵量高低排序是工業(yè)區(qū)>主城區(qū)>清潔區(qū)；其中工業(yè)區(qū)闊葉樹種的最高滯塵量可達(dá)到19.660 9 g/m2，是清潔區(qū)同樹種的10倍，主城區(qū)闊葉樹種的滯塵量最高也可達(dá)到清潔區(qū)的7.2倍之多。對(duì)3個(gè)功能區(qū)相互間植物的葉片滯塵量進(jìn)行多重比較，結(jié)果見表2。從表2可見，工業(yè)區(qū)與清潔區(qū)的植物葉片滯塵量差異顯著，主城區(qū)與清潔區(qū)的植物葉片滯塵量差異顯著，表明不同功能區(qū)的植物葉片對(duì)大氣懸浮顆粒物具有不同程度的滯塵效應(yīng)。有研究表明，植物樹冠通過降低風(fēng)速將懸浮物滯留在植物葉片表面，同時(shí)吸滯粉塵，達(dá)到減少空氣灰塵量的效果[8]。從污染源頭分析可知，工業(yè)區(qū)以鋼鐵生產(chǎn)為主，大量煤炭及加工材料產(chǎn)生的固體廢棄懸浮物從生產(chǎn)車間往大氣中排放，加之出入工廠的絕大部分是工程車輛，揚(yáng)起大量的塵土，使空氣中的大氣懸浮顆粒物明顯增多，外加大氣中上下氣流的作用，致使植物葉片表面的滯塵效果增強(qiáng)。對(duì)于主城區(qū)而言，交通流量較大是主城區(qū)的主要特點(diǎn)，空氣中顆粒物主要來源是交通工具尾氣排放及汽車與地面接觸產(chǎn)生的粉塵，從而使得該區(qū)域內(nèi)的植物葉片滯塵量較高于清潔區(qū)，但其滯塵量未高于工業(yè)區(qū)，表明工業(yè)區(qū)的大氣懸浮顆粒物污染程度大于交通運(yùn)輸所造成的污染程度。進(jìn)一步對(duì)表1中闊葉樹種在不同高度的植物葉片滯塵量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)低位置的植物葉片滯塵效果比高位置的植物葉片滯塵效果好，在2～3 m的最大滯塵量為19.660 9 g/m2，在4～6 m的最大滯塵量為10.744 6 g/m2。從采樣情況及文獻(xiàn)資料參考看，植物下層枝葉的延伸范圍較大，與大氣懸浮顆粒物的接觸面積大，加之枝葉茂密發(fā)達(dá)，通過密集的枝葉可降低風(fēng)速，阻止滯塵隨氣流擴(kuò)散，使粉塵更好地富集在植物葉片上。相對(duì)來說植物下層的葉片離地面較近，不僅可以吸附工廠向大氣排放的懸浮顆粒物，還能直接吸附機(jī)動(dòng)車排放和地面的揚(yáng)塵。除此之外，開敞式環(huán)境條件下車輛行人繁多，造成路面產(chǎn)生較大程度的二次揚(yáng)塵也是下層植物灰塵滯留量增多的有利因素[9]。而上層植物的枝葉稀疏度較大，降水和大風(fēng)等天氣因素可以減少植物葉片灰塵的存量，同時(shí)受大氣中上下氣流的影響，會(huì)將滯塵重新沉降到下層樹冠枝葉上，而加強(qiáng)下層植物葉片的滯塵效果[10]。另外，6種闊葉樹種的滯塵效果以常綠闊葉樹種的天竺桂最好，滯塵量平均可高達(dá)15.202 8 g/m2，這是因?yàn)樘祗霉鹬θ~濃密茂盛，加之葉片腹凹背凸，是阻止風(fēng)速且促使滯塵沉降和滯留的重要因素；從采樣來看，天竺桂葉片有油脂性分泌物，可使黏附性大大增強(qiáng)，所以滯塵效果最好。其次是大葉女貞，大葉女貞葉片挺直，平展、寬大，這對(duì)于滯留粉塵大有幫助，因此大葉女貞也表現(xiàn)出較好的滯塵效果。落葉闊葉樹種中是梧桐的滯塵效果較好，其比常綠闊葉樹種大葉女貞、廣玉蘭、桂花還好，個(gè)中原因與梧桐的葉面結(jié)構(gòu)有關(guān)，梧桐的單葉面積絕大部分在100 cm2以上，且葉片邊緣呈鋸齒狀，并往葉面彎曲。廣玉蘭和滇樸的滯塵效果相對(duì)較差，這是由于廣玉蘭葉片正面光滑，滇樸的枝葉稀疏度較大且葉片相對(duì)單薄，對(duì)風(fēng)的阻力系數(shù)較小，使得已經(jīng)滯留在葉片上的粉塵再次被吹起，最終保留在葉片上的粉塵量減少。因此，造成植物個(gè)體間滯塵效果差異的原因主要與葉面粗糙、凹凸不平和密附細(xì)毛的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，也受到樹冠結(jié)構(gòu)、枝葉密集程度、葉面傾角、表面分泌物等的影響[11]。

2.1.2 不同功能區(qū)針葉樹種的滯塵效應(yīng) 4種針葉樹種的葉片滯塵情況見表3。從表3可見，針葉樹種在3個(gè)功能區(qū)的葉片滯塵效果與闊葉樹種葉片的滯塵規(guī)律大致相同，從高到低的排序也是工業(yè)區(qū)、主城區(qū)、清潔區(qū)。針葉樹種中同一樹種在工業(yè)區(qū)的滯塵量最高可達(dá)45.082 0 g/kg，這個(gè)水平大約是清潔區(qū)的4.5倍，因此針葉樹種對(duì)大氣污染具有一定的滯塵效果，同時(shí)也表明針葉樹種對(duì)空氣污染的響應(yīng)是積極的[12]，并且工業(yè)區(qū)的大氣懸浮顆粒物的污染程度大于交通運(yùn)輸所造成的污染程度。比較所調(diào)查的幾種針葉樹種的滯塵量，發(fā)現(xiàn)龍柏和圓柏的滯塵效果較好，柳杉和雪松的滯塵效果較差；這是因?yàn)辇埌睾蛨A柏的鱗葉小枝近圓形或近四棱形，且小葉排列比雪松和柳杉的針葉排列要緊密得多，而且龍柏的枝條通常是斜上伸展，形成廣圓形的樹冠，使樹冠與空氣的接觸面比圓柏又大很多，所以龍柏的滯塵效果又比圓柏好。柳杉與雪松相比，柳杉小枝細(xì)長，常下垂，但是葉形略向內(nèi)彎曲，且先端的氣孔線是柳杉滯塵的利器，雪松的小枝是針狀圓錐形，不利于粉塵附著，所以柳杉的滯塵能力比雪松強(qiáng)[13]。

2.2 不同功能區(qū)綠化樹種葉片對(duì)硫的吸收能力

植物在能夠忍受的污染濃度范圍內(nèi)，葉肉細(xì)胞通過氣孔吸收大氣中的SO2，在溶于細(xì)胞液后而生成HSO4-及SO42-，并存在于葉內(nèi)加以同化利用[14，15]。10個(gè)綠化樹種在不同功能區(qū)的葉片含硫量分析、比較情況見圖1。從圖1可見，10個(gè)綠化樹種在3個(gè)功能區(qū)的葉片吸收SO2能力從高到低的排序是工業(yè)區(qū)、主城區(qū)、清潔區(qū)。其中對(duì)SO2吸收效果最好的闊葉樹種是梧桐，并且也是10個(gè)綠化樹種中對(duì)SO2吸收效果最強(qiáng)的，其葉片平均含硫量在工業(yè)區(qū)、主城區(qū)、清潔區(qū)里分別達(dá)到了5.846 5、4.515 5、3.202 7 g/kg。植物的這種吸收方式與大氣中SO2的濃度有關(guān)，在較高濃度的SO2環(huán)境中，植物對(duì)SO2會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收作用，通過生理代謝，可將大氣中的含硫化合物轉(zhuǎn)化為自身所需的硫元素，而且通過葉片吸收、累積的硫元素量相對(duì)還比較大[16]。在針葉樹種中對(duì)SO2吸收效果最好的是柳杉，其次是圓柏，因?yàn)榱己蛨A柏的氣孔密度較大，且氣孔開口也大[17]，所以對(duì)SO2的吸收效果較好。而闊葉樹種天竺桂對(duì)SO2吸收效果不佳的原因可能是由于分泌油脂后，在滯塵的過程中容易堵塞氣孔，致使對(duì)SO2的吸收通道不暢造成的。

2.3 不同功能區(qū)綠化樹種葉片對(duì)氮的吸收能力

10個(gè)綠化樹種在不同功能區(qū)的葉片含氮量分析、比較情況見圖2。從圖2可見，10個(gè)綠化樹種在3個(gè)功能區(qū)的葉片含氮量具有較大的差異，其中在污染相對(duì)較高的工業(yè)區(qū)和主城區(qū)植物葉片含氮量明顯高于清潔區(qū)，然而10個(gè)綠化樹種在清潔區(qū)的葉片含氮量大體一致，說明10個(gè)綠化樹種葉片對(duì)NOx均有相當(dāng)?shù)奈諠摿Α牟煌瑯浞N的植物葉片含氮量分析來看，針葉樹種對(duì)NOx的吸收能力比闊葉樹種強(qiáng)，其中柳杉對(duì)NOx的吸收能力突出，圓柏和龍柏次之，雪松的效果較差。從不同功能區(qū)植物含氮量分析看，吸收效果較好的柳杉在工業(yè)區(qū)和主城區(qū)的葉片含氮量分別是清潔區(qū)的2.3倍和1.5倍；潘文等[18]、繆宇明等[19]指出，環(huán)境里NOx的濃度增高，則植物的吸收氮能力增強(qiáng)，轉(zhuǎn)化成植物所需的營養(yǎng)元素就越多，且植物對(duì)于一定濃度范圍內(nèi)的大氣污染物不僅具有一定的抵抗力，還具有相當(dāng)程度的吸收能力，大氣中的NOx與植物葉面接觸后，植物葉片的分泌物會(huì)在吸收NOx后將其轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存在氨基酸和蛋白質(zhì)成分中，這是自然界吸收氮氧化物的有效途徑；從環(huán)境治理的角度看，也是植物對(duì)不良環(huán)境的一種修復(fù)體現(xiàn)。不同樹種的植物含氮量表現(xiàn)出的差異性，可能是植物通過其植物生理代謝過程將環(huán)境污染物轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)來降低對(duì)自身的毒害造成的，說明不同植物的氮生理機(jī)制存在差異。

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，昆明市的工業(yè)區(qū)和主城區(qū)的植物滯塵量較高，與清潔對(duì)照區(qū)相比差異明顯，反映出工業(yè)區(qū)的污染程度較為嚴(yán)重。不管是在工業(yè)區(qū)還是在主城區(qū)，處在低位置的植物葉片滯塵效果要比處在高位置的滯塵效果好。對(duì)比天竺桂、大葉女貞、桂花、廣玉蘭、梧桐、滇樸、龍柏、圓柏、柳杉、雪松10種昆明市典型綠化樹種對(duì)大氣污染的吸收凈化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同植物的凈化優(yōu)勢不同，闊葉樹種中的天竺桂滯塵效果最好，因此在污染較大的區(qū)域種植天竺桂能產(chǎn)生良好的滯塵效應(yīng)。與此同時(shí)，針葉樹種也是凈化大氣污染的優(yōu)勢樹種，比如柳杉對(duì)SO2及NOx具有較好的凈化效果，龍柏的滯塵效果比較可觀，可達(dá)到45.082 0 g/kg2。周瑞玲等[20]研究后指出，不同類型樹種的滯塵能力存在較大的差異，其高低順序?yàn)獒樔~喬木、灌木、闊葉喬木。因此，在全面考慮大氣污染成分時(shí)，不同的城市功能區(qū)在種植常綠闊葉樹種以及落葉闊葉樹種外，還應(yīng)考慮搭配以龍柏為首選的針葉樹種，形成一個(gè)針葉樹種和闊葉樹種混交的合理群落結(jié)構(gòu)。

大氣懸浮顆粒物是昆明市大氣污染的重要組分，市內(nèi)不同的功能區(qū)大氣污染物的含量不同，從滯塵量研究結(jié)果來看，工業(yè)區(qū)大氣污染貢獻(xiàn)高于主城區(qū)汽車尾氣造成的大氣污染，程政紅等[21]、魯敏等[22]曾指出，可以用污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū)內(nèi)綠化樹種的大氣污染物含量來反映區(qū)域大氣污染的水平以及植物對(duì)大氣污染的修復(fù)能力。因此，通過滯塵量比較來衡量區(qū)域間的污染程度是可靠的。植物滯塵借助3種方式同時(shí)進(jìn)行，即滯留、附著和黏附，滯留易受到氣象因素如氣流等影響，而附著和黏附則需要一定強(qiáng)度的風(fēng)力和雨水才能去掉[7]，各種植物滯塵的效應(yīng)與植物的生理、形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，葉片表面有溝狀、密集脊?fàn)?、凸凹不平結(jié)構(gòu)的比較容易附著和黏附大氣顆粒物，葉片上有纖毛或者分泌物的也容易附著或黏附灰塵[2]，試驗(yàn)中的天竺桂和大葉女貞的滯塵效果較好，就與其表面結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，如果要進(jìn)一步從形態(tài)學(xué)上揭示其滯塵的機(jī)理，后續(xù)可以借助對(duì)葉片進(jìn)行電鏡掃描深入分析[23]。

植物對(duì)大氣中的NOx、SO2具有一定的抵抗能力，同時(shí)也具有一定的吸收能力，甚至有些植物可以很好地利用氮氧化物[21]，植物葉片中硫含量與氮含量與大氣中NOx及SO2有著密切的關(guān)系[17]，試驗(yàn)中，在各樹種所在區(qū)域土壤中硫含量和氮含量差異較小的情況下，柳杉表現(xiàn)出了較強(qiáng)的對(duì)大氣SO2的吸收能力，葉片中硫含量較高，但這個(gè)數(shù)值與外地相比偏低[19，20]，可能是試驗(yàn)選擇的觀測區(qū)域大氣中NOx及SO2濃度沒有外地高有關(guān)。下一步要擴(kuò)大樹種分析范圍，進(jìn)一步探尋對(duì)NOx及SO2具有吸收凈化能力的植物物種[24]，以壯大抗污染綠化樹種群體，為昆明市城市綠化及環(huán)境治理提供更多的備選植物。

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