聊城市徒駭河風(fēng)景區(qū)常綠植物對大氣顆粒物削減作用

孟祥　高祥斌　李莉

摘要：文章以聊城市徒駭河風(fēng)景區(qū)10種常綠植物群落為研究對象，測定植物群落內(nèi)的大氣顆粒物濃度和葉面積指數(shù)、葉表特征等指標(biāo)，結(jié)果表明，10種群落對3種粒徑大氣顆粒物的吸附作用存在較大差異。剛竹、圓柏對PM2.5和PM10的吸附作用較強，而白皮松、紅葉石楠對PM2.5和PM10的吸附作用則較弱;圓柏、廣玉蘭對TSP吸附作用較強，大葉女貞、紅葉石楠對TSP的吸附作用則較弱;葉面積指數(shù)和葉表特征對植物群落吸附不同粒徑大氣顆粒物具有一定的影響。通過觀測冬季不同常綠植物群落對不同粒徑大氣顆粒物的削減作用，以及葉表面特征和群落冠層對其影響，為大氣顆粒物污染的治理在植物選擇上提供參考。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物，吸附，葉表特征，聊城市

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2019.00.026

Effect of Evergreen Plants on Atmospheric Particulates Reductionin Tuhai River Scenic Area of Liaocheng City

Meng Xiangl

Gao Xiangbinl

Li Li1，2

（1.Liaocheng University，Liaocheng 252000，Shandong，China;

2.Garden Administration Division，Shizhong District，Zaozhuang 277100，Shandong，China）

Abstract：The 10 evergreen plant communities of the Tuhai River Scenic Spot in Liaocheng City were selected tomeasure the concentration of atmospheric particulates and leaf area index （LAI）.The result showed that theadsorption effects of 3 different atmospheric particulates were significantly different among the 10 communities.Theabsorption effect of Phyllostachys viridis and Sabina chinensis for PM2.5 and PM10 was stronger while Pinus bungeanaand Photinia fraseri Dress had a weak absorption effect;S.chinensis and Magnolia Grandiflora Linn have strongeradsorption effect on TSP than Ph.fraseri Dress and Ligustrun lucidum Ait.The LAI and leaf surface characteristicshad an impact on the adsorption of atmospheric particulates of different sizes by plant communities.The observation ofthe effect of different evergreen plant communities on the reduction of atmospheric particulates of different sizes as wellas the influence of the leaf surface characteristics and community canopy would provide references for the plantselection to reduce the pollution of the atmospheric particulates.

Key words：atmospheric particulate，adsorption，leaf surface characteristics，Liaocheng City

目前，工業(yè)化發(fā)展帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，大氣顆粒物污染已成為城市環(huán)境最嚴峻的污染問題之一。治理大氣顆粒物污染是生態(tài)環(huán)境治理中的重要任務(wù)。近年來，植物對大氣顆粒物削減作用的研究逐漸增多。王贊紅等[1]研究表明大葉黃楊是城市近地面層環(huán)境中清除大氣顆粒物污染的重要樹種。陶玲等[2]認為不同樹種的滯塵能力存在很大的差異。趙晨曦等[3]指出今后的研究應(yīng)當(dāng)注重不同樹種移除大氣顆粒物的對比分析及系統(tǒng)研究，并針對研究區(qū)域確定防治大氣顆粒物污染的優(yōu)勢樹種。孫曉丹等[4]研究發(fā)現(xiàn)不同綠地結(jié)構(gòu)和不同配置的植物群落削減不同粒徑大氣顆粒物的能力存在差異。本文綜合前人研究的基礎(chǔ)，選擇聊城市徒駭河風(fēng)景區(qū)穩(wěn)定的常綠植物群落作為研究對象。由于聊城市地處華北平原，霧霾多發(fā)季節(jié)為秋冬季節(jié)，因此，分析冬季不同常綠植物群落對不同粒徑大氣顆粒物的削減作用及葉表面特征和群落冠層對其的影響可為華北地區(qū)科學(xué)有效治理大氣顆粒物污染及合理進行植物選擇提供參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省聊城市，35°47'-37°02'N、115°16'-116°32'E，海拔30-38m.地勢平坦，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有顯著的季節(jié)變化和季風(fēng)氣候特征。年平均氣溫為13.1℃，1月份最冷，平均氣溫為-2.5℃;7月份最熱，平均氣溫為26.7℃。徒駭河貫穿聊城市區(qū)，兩岸修建的徒駭河風(fēng)景區(qū)是典型的城市森林，可以有效地治理大氣污染，提高大氣環(huán)境質(zhì)量[5]。

2研究方法

2.1樣地選擇

通過調(diào)查分析，在徒駭河風(fēng)景區(qū)內(nèi)選擇10種單一的常綠植物群落（群落內(nèi)各常綠植物為優(yōu)勢種）（表1），群落樣地面積在200-400m2。

2.2測定及實驗方法

測定時間為2018年1月，選擇典型天氣（晴天，日均溫度4℃，日均濕度12%，風(fēng)速0.6m/s）。在每個樣地內(nèi)的對角線交叉點設(shè)置高度為1.5m[6]，用OSEN-6C揚塵傳感器模塊測定每個樣地的TSP，PM10，PM2.5數(shù)值，測定時長為5min，揚塵傳感器每分鐘測定1次;并選擇距離較近的空曠廣場處測定出TSP，PM10，PM2.5數(shù)值作為空白對照。

同時用Winscanopy冠層分析儀對樣地植物群落的冠層進行拍攝取樣，喬木層在1.5m高度，灌木層在0.6m高度。Winscanopy的測定原理是魚眼鏡頭數(shù)碼成像，利用多點取樣拍取整個群落的冠層，每個點拍3張照片并隨機抽取一張照片[7]，利用Winscanopy PRO 2016對隨機抽取出來的照片進行冠層分析，多點平均計算植物群落的葉面積指數(shù)（ Leaf Area Index，LAI）。

采摘群落內(nèi)植物葉片，用奧特光學(xué)（CNOPTEC）的BK600生物顯微鏡進行正面和背面的葉表觀察。

2.3數(shù)據(jù)處理

利用EXCEL2003和SPSS18.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，得到10種常綠植物群落中和空曠廣場中不同粒徑大氣顆粒物的含量，計算出不同植物群落對不同粒徑大氣顆粒物的削減率（圖1）[8]。

削減作用計算公式：P=（Cs-Cn/Cs）×100%

其中：P為植物群落對各粒徑大氣顆粒物的削減率，Cs為空白對照地的大氣顆粒物濃度，Cn為樣地的大氣顆粒物濃度。

3結(jié)果與分析

3.1冬季常綠植物群落對不同粒徑大氣顆粒物削減能力的影響

圖1為群落對3種粒徑大氣顆粒物濃度的削減率，對其分析可知：對PM2.5削減能力的高低依次是剛竹>圓柏、雪松>大葉黃楊、黑松>廣玉蘭>大石楠球>大葉女貞>白皮松>紅葉石楠，剛竹群落對PM2.5的削減能力約是紅葉石楠群落的8.9倍。對PM10削減能力的高低依次是：剛竹>廣玉蘭>圓柏、大葉黃楊>雪松>黑松>大葉女貞>大石楠球>白皮松>紅葉石楠，剛竹群落對PM10的削減能力約是紅葉石楠群落的8.3倍。對TSP削減能力的高低依次是：圓柏>廣玉蘭>黑松>大葉黃楊>白皮松>大石楠球>剛竹>雪松>大葉女貞>紅葉石楠，網(wǎng)柏群落對TSP的削減能力約是紅葉石楠群落的2.1倍。

以群落對3種粒徑大氣顆粒物濃度的削減率為變量因子，使用SPSS18.0對群落進行聚類分析，如圖2所示;并按照聚類分析的結(jié)果對群落對于大氣顆粒物濃度削減效益按照強、較強、一般、較弱進行分級，分級結(jié)果見表2。

由表2可知，對3種粒徑大氣顆粒物削減效益較強及以上的群落為圓柏、大葉黃楊、雪松和剛竹，削減效益都較弱的群落為白皮松。結(jié)合表1可以得出群落密度、郁閉度、生活型等群落構(gòu)造特征對群落吸附大氣顆粒物的能力有一定的影響[8]。其中，郁閉度在0.6-0.8且生活型為大灌木或喬木類型時，吸附大氣顆粒物能力較強[9]。

3.2葉面積指數(shù)（LAI）對植物削減大氣顆粒物濃度的影響

葉面積指數(shù)不僅能反映園林植物群落的冠層結(jié)構(gòu)[10-11]，也是研究群落生態(tài)效益的重要指標(biāo)，通過冠層分析得出各群落葉面積指數(shù)見表3。依據(jù)張靈藝等[12]研究的道路植物群落削減率對葉面積指數(shù)的梯度劃分，10種植物群落的葉面積指數(shù)梯度見表4。表4顯示，10種植物群落分布在4個梯度之內(nèi)：1-2級、4級以上各有1種，2-3級、3-4級各有4種。

10種植物群落對3種粒徑大氣顆粒物濃度的削減作用隨著群落葉面積指數(shù)的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢[12]。葉面積指數(shù)在2-3的梯度內(nèi)，植物群落對顆粒物的削減作用達到最大;而在3-4的梯度內(nèi)，植物群落對顆粒物的消減作用開始下降。這說明，植物群落對大氣顆粒物的削減作用并非是隨著葉面積指數(shù)的增大而一直增加，當(dāng)葉面積指數(shù)達到一定的值后，植物群落對大氣顆粒物的削減作用反而會減弱。造成這種情況的原因可能有：當(dāng)葉面積指數(shù)較小時候，植物群落的樹木少、冠層簡單、枝葉密度小，對大氣顆粒物的阻擋作用和滯留沉降作用也較小，使得其對大氣顆粒物的削減作用較弱;當(dāng)葉面積指數(shù)較大時候，植物群落的樹木多、冠層復(fù)雜、枝葉密度大，雖然對大氣顆粒物的阻擋作用較強，但是圍合而成的空間較為密閉，空氣流動性差，不易于大氣顆粒物擴散，并且植物密度過大導(dǎo)致枝葉或個體之間相互交錯摩擦，導(dǎo)致沉降滯留的大氣顆粒物形成二次揚塵，增大了大氣顆粒物的濃度。所以，若想植物群落對大氣顆粒物吸附滯留的效益最大化，應(yīng)保持在一個合理的葉面積指數(shù)梯度內(nèi)。

除了葉面積指數(shù)，空隙指數(shù)（開度、郁閉度）對植物群落內(nèi)大氣顆粒物濃度也有很大的影響[13-15]，雖然葉傾角是影響葉面滯塵的重要參數(shù)[16]，但是本研究選取的樣本量少，在做相關(guān)性分析時，空隙指數(shù)、葉傾角和滯塵率的相關(guān)性均未通過顯著性檢驗，故在做下一步研究時應(yīng)擴大樣本容量。

3.3植物葉表結(jié)構(gòu)對植物削減大氣顆粒物濃度的影響

在400倍顯微鏡下，觀察10種植物的葉片特征（表5），其中氣孔數(shù)量取同等面積（400μm×400μm）;并結(jié)合群落對大氣顆粒物濃度削減效益分級（表3）進行分析。

通過對大氣顆粒物濃度削減效益分級來分析，削減效益綜合較強的有剛竹、大葉黃楊、雪松和圓柏。剛竹和圓柏葉表面的氣孔半徑大于40μm。剛竹的葉脈和其他幾種植物對比，雖然平行脈對大氣顆粒物摩擦力較小，但是其明顯的小橫脈增加了葉表的粗糙度;圓柏的輪生葉序也可以增加葉的粗糙度，圓柏的葉背具有腺體，有黏性分泌物，可以黏附更多的大氣顆粒物;大葉黃楊的網(wǎng)狀細脈和雪松的簇生短枝結(jié)構(gòu)都一定程度地增大了葉表及枝干度對大氣顆粒物的粗糙度。

對大氣顆粒物濃度削減效益綜合一般的有大石楠球、黑松、大葉女貞、廣玉蘭。黑松分泌的樹脂具有黏性，可以更多的黏附大氣顆粒物;大葉女貞的中脈具有微絨毛、廣玉蘭背部有長絨毛都增加了葉表的粗糙度，使更多的大氣顆粒物附著在葉表;大石楠球的葉表網(wǎng)狀細脈對吸附大氣顆粒物也有一定的幫助。

對大氣顆粒物濃度削減效益綜合較差的是白皮松、紅葉石楠。白皮松葉脈為平行脈，對比其他樹種，其對大氣顆粒物的摩擦力相對較小;紅葉石楠和大石楠球在葉表結(jié)構(gòu)上雖然類似，但是二者在群落結(jié)構(gòu)特征上的不同導(dǎo)致了其削減大氣顆粒物濃度的能力有較大差異。

冬季常綠植物的葉表結(jié)構(gòu)差異與植物對大氣顆粒物的吸附有一定的關(guān)聯(lián)性，氣孔大小、單位面積內(nèi)氣孔數(shù)量、葉脈形狀、葉表絨毛等附著物很大程度影響了葉片表面粗糙度;粗糙度越大，則對大氣顆粒物的吸附作用越大[17]。葉的腺體分泌物增加了葉表黏度，可以黏附更多的大氣顆粒物[18]。葉面積指數(shù)和葉表結(jié)構(gòu)特征對群落內(nèi)大氣顆粒物濃度進行綜合影響：葉面積指數(shù)影響大氣顆粒物濃度的擴散，葉表結(jié)構(gòu)特征影響葉片對大氣顆粒物的吸附[12-13]。

4結(jié)論

在聊城徒駭河風(fēng)景區(qū)的冬季常綠植物群落內(nèi)，大氣顆粒物的濃度差異比較明顯，且不同粒徑在群落內(nèi)的濃度也有很大差異。這些差異是由多因素綜合作用的結(jié)果，既有形態(tài)、群落構(gòu)造上的因素，也有葉表面結(jié)構(gòu)上的因素。郁閉度、生活型、冠層等從群落形態(tài)特征上對大氣顆粒物濃度產(chǎn)生影響，氣孔密度、氣孔形態(tài)、絨毛、腺體分泌物等葉表微結(jié)構(gòu)特征同樣有很大影響;另外葉的形態(tài)也對群落內(nèi)大氣顆粒物濃度有一定的影響。剛竹和圓柏郁閉度為6-8，LAI為2-4，生活型為小喬木或大灌木類的群落，對大氣顆粒物的吸附作用尤為明顯;而廣玉蘭、黑松的葉表微結(jié)構(gòu)有絨毛或腺體分泌物，其加強了對大氣顆粒物的吸附能力。目前對這方面的研究仍有待深入，差異的很多決定性因素還未有定論，有待進一步探索研究。

本文在探索治理大氣顆粒污染的過程中，通過選取不同植物進行合理的搭配種植形成適宜的植物群落，以期形成降低大氣顆粒物濃度的最佳配置，使冬季的聊城徒駭河風(fēng)景區(qū)有效地降低霧霾，提升聊城區(qū)域空氣質(zhì)量。

參考文獻

[1]王贊紅，李紀標(biāo).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，2006，15（2）：327-330.

[2]陶玲，任珺，杜仲，等.蘭州市主要綠化樹種滯塵效應(yīng)[J].中國城市林業(yè)，2008，6（4）：55-57.

[3]趙晨曦，王玉杰，王云琦，等.細顆粒物（PM2.5）與植被關(guān)系的研究綜述[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（8）：2203-2210.

[4]孫曉丹，李海梅，劉霞，等.不同綠地結(jié)構(gòu)削減大氣顆粒物的能力[J].環(huán)境化學(xué)，2017，36（2）：289-295.

[5]吳澤民，JoeR.McBride，楊軍，等.合肥城市森林減少大氣污染的效果[J].中國城市林業(yè)，2003.1（1）：39-43.

[6]王曉磊，王成，古琳，等.春季典型天氣下城市街頭綠地內(nèi)大氣顆粒物濃度變化特征[J].生態(tài)學(xué)雜志，2014.33（ll）：2889-2896.

[7]曾曉陽.成都市區(qū)典型同林植物的群落冠層結(jié)構(gòu)的量化研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2012.28（ 28）：309-316.

[8]陳穎佳，劉中兵.城市道路大氣中粉塵濃度的時空變異及滯塵植物配置研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018.57（4）：51-55.

[9]邵鋒，錢思思，孫豐賓，等.杭州市區(qū)春季綠地對PM2.5消減作用的研究[J].風(fēng)景同林，2017（8）：79-86.

[10]DAVID A. PIKE C，STINE R. Comparison of selection methodsfor optimizing genetic gain and gene diversitv in a red pine（Pinus resinosa Ait.）seedling seed orchard[J].Theoretical andApplied Genetics.2003， 107（5）：843-849.

[11]NELSON C R. HALPERN C B Edge-Related Responses of Un-derstory Plants to Aggregated Retention Harvest in the PacificNorthwest[J].Ecological Applications， 2005， 15（1）：196-209.

[12]張靈藝.城市主干道道路綠帶滯塵效應(yīng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[13]尹華麗，王佳，馮仲科，等.林分參數(shù)提取及與大氣顆粒物分布關(guān)系[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報（白然科學(xué)版），2017，46（3）：270-276.

[14]俞學(xué)如.南京市主要綠化樹種葉面滯塵特征及其與葉面結(jié)構(gòu)的關(guān)系[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2008.

[15]王會霞，王彥輝，楊佳，等不同綠化樹種滯留PM2.5等顆粒物能力的多尺度比較[J].林業(yè)科學(xué)，2015，51（7）：9-20.

[16]吳桂香，吳超.植物滯塵分析及其數(shù)學(xué)表達模式[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2015，15（2）：272-277.

[17]劉璐，管東生廣州市常見行道樹種葉片表面形態(tài)與滯塵能力[J].生態(tài)學(xué)報，2013，33（8）：2604-2614.

[18] RASANEN J V，HOLOPAINEN T，JOUTSENSAARI J，et al.Effets of species-speCifie leaf charaCteristies and reduced wateravailability on fine particle capture efficiency of trees[J].Envi-ronmental Pollution，2013，183：64-70.

收稿日期：2018-08-30

*基金項目：山東省教育廳科技計劃項目（Jl2LFll）;聊城大學(xué)實驗技術(shù)研究項目（LDS2014055）

第一作者：孟祥（1987-），男，碩士研究生，研究方向為風(fēng)景園林工程與管理。L-mail：251118769@qq.com

通信作者：高祥斌（1973-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為風(fēng)景園林工程與管理。L-mail：gaoxiangbin@lcu.edu.cn