道路綠化樹種滯塵的季節(jié)效應(yīng)與葉片特征關(guān)系

路 艷，卞貴建，季洪亮

(1.濰坊學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濰坊261061；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，四川 成都611130；3.山東交通職業(yè)學(xué)院公路與建筑學(xué)院，山東 濰坊261206)

空氣中的總懸浮顆粒物(total suspended particle，TSP)是導(dǎo)致大氣環(huán)境污染的主要因素[1]。顆粒物易富集多種有害金屬微粒及氧化物，對(duì)人體健康造成巨大危害，防治空氣顆粒物污染已成為世界環(huán)境污染防治亟待解決的首要問題。大量研究證實(shí)，綠色植物是消減城市大氣環(huán)境污染的重要過濾載體[2-3]。植物具有粗糙濕潤(rùn)的葉片，分泌油脂與蠟質(zhì)物，能夠通過滯留、黏附和固定等機(jī)制有效滯留大氣中的顆粒污染物，顆粒物在葉表面發(fā)生一系列復(fù)雜的生理生態(tài)反應(yīng)后脫離大氣環(huán)境[4]。研究表明，滯塵是一個(gè)復(fù)雜的相對(duì)動(dòng)態(tài)過程，不同植物在滯塵途徑和作用機(jī)制方面存在差異。一般認(rèn)為，植物凈化大氣顆粒物的能力與樹冠總?cè)~面積、枝干分枝角度、樹冠形狀及葉片表面特性如皺紋、絨毛、油脂、粗糙度和濕潤(rùn)性有密切關(guān)系[5-7]。此外，植物的滯塵能力存在著地域差異，并隨著季節(jié)和累積時(shí)間的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性[8-9]。

濰坊地處魯中腹地，是山東省中部工業(yè)大市，煤炭等能源消耗量較大，顆粒物污染較為嚴(yán)重。據(jù)濰坊市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，2018年濰坊市可吸入顆粒物平均質(zhì)量濃度為94.3 μg·m-3，超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1.3倍，是北方地區(qū)除京津冀外空氣顆粒物污染極為嚴(yán)重的城市之一。目前，濰坊城市綠地植物生態(tài)效應(yīng)研究報(bào)道較少。為此，開展了濰坊市道路綠化樹種滯塵能力變化規(guī)律研究，并建立樹種綜合滯塵效應(yīng)量化模型，以期篩選具有較強(qiáng)滯塵效應(yīng)的樹種進(jìn)行推廣應(yīng)用，為城市道路綠化樹種的合理選擇和科學(xué)配置提供參考，為緩解城市空氣顆粒物污染、構(gòu)建精細(xì)化大氣環(huán)境綜合治理體系提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試樹種選擇

對(duì)濰坊市區(qū)4條干道(寶通街、櫻前街、北海路、濰安路)的9種綠化骨干樹種進(jìn)行滯塵量測(cè)定。包括懸鈴木(PlatanusacerifoliaWilld.)、欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、國(guó)槐(SophorajaponicaLinn.)、大葉女貞(LigustrumcompactumAit.)、日本晚櫻[Prunusserrulatavar.lannesiana(Carr.) Rehd.]、銀杏(GinkgobilobaL.)、五角楓(AcermonoMaxim.)、丁香(SyringaoblataLindl.)、紫薇(LagerstroemiaindicaLinn.)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集與滯塵量測(cè)定 于2017年5、7、10月中雨后進(jìn)行樣品采集和測(cè)定。自然降雨未能滿足試驗(yàn)要求時(shí)，人工淋洗葉片達(dá)到初始零積塵量，并對(duì)處理葉片進(jìn)行標(biāo)記[10]。雨后5、10、15、20、25 d進(jìn)行采樣，4條道路同時(shí)進(jìn)行。懸鈴木葉片較大，摘取6～10片，其他植物隨機(jī)摘取30～40枚葉片，盡量保證同一樹種的采樣高度一致。將采集后的葉片小心裝入密封袋，標(biāo)記樹種、日期與采樣地點(diǎn)，帶回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃冰箱內(nèi)保存，3 d內(nèi)完成滯塵量測(cè)定，每個(gè)樹種設(shè)置3組重復(fù)試驗(yàn)。滯塵量的測(cè)定參考柴一新等[11]的方法，將葉片置于燒杯中，用蒸餾水將葉片浸泡4 h以上，用軟毛刷清洗葉片上的粉塵，用鑷子小心將葉片夾出，放在報(bào)紙上晾干。先將濾紙?jiān)?0 ℃烘箱中烘干，1/10 000分析天平稱重(m1)。然后將濾紙置于漏斗中，過濾植物葉片的浸洗液，過濾完畢后，將濾紙放入50 ℃烘箱中烘干至恒重，再以1/10 000分析天平稱重(m2)，質(zhì)量之差(m1-m2)即為葉片附著的顆粒物的質(zhì)量。夾出的葉片自然晾干后，采用GQT1-202便攜式葉面積儀，計(jì)算總?cè)~面積(S)，單位葉面積的滯塵量(g·m-2)=(m1-m2)/S。

1.2.2 植物綜合滯塵效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及數(shù)量化 植物的綜合滯塵效應(yīng)受多種因素影響。參考趙勇等[12]的方法，選取與滯塵效果密切相關(guān)的7個(gè)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，葉片高度X1，平均單位葉面積滯塵量X2、植物葉面積指數(shù)X3、葉面特性(粗糙度X4、絨毛X5，硬度X6)和葉片著生角度X7。單位葉面積滯塵量和植物葉面積指數(shù)直接使用測(cè)定的具體數(shù)值，植物葉面積指數(shù)參考申曉瑜[13]的方法計(jì)算獲得。其余5個(gè)定性指標(biāo)分析前進(jìn)行數(shù)量化并分級(jí)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及圖表制作采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件完成。樹種間各滯塵量指標(biāo)的差異進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用Duncan氏新復(fù)極差法(SSR法)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹種滯塵量的時(shí)間變化規(guī)律

由表1可知，樹種滯塵量呈現(xiàn)一定的季節(jié)效應(yīng)和累積時(shí)間效應(yīng)。春季樹種的平均滯塵量最大，秋季次之，夏季最小。隨著累積時(shí)間的延長(zhǎng)，樹種顆粒物滯留量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，不同樹種的滯塵量在滯塵周期內(nèi)差異顯著。

表1 滯塵周期內(nèi)不同累積時(shí)間樹種平均滯塵量Table 1 Average amount of dust retention per leaf area of various tree species across different accumulation periods

注：樹種拉丁學(xué)名用屬名、種加詞首字母表示。平均滯塵量為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SE)，不同小寫字母表示不同樹種的滯塵能力差異顯著，P<0.05。Note: the scientific names of each tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet. The average dust holding capacity is represented as the average±standard deviation (X±SE), and different lowercase letters indicate a significant difference in dust holding capacity at theP<0.05 level.

春季，樹種滯塵量隨時(shí)間積累呈線性增加，20 d后葉片滯塵量增幅減慢，日本晚櫻滯塵量最高，為2.506 4 g·m-2，其次是懸鈴木，為2.499 3 g·m-2，五角楓滯塵量最低，且較之前出現(xiàn)小幅下降，只有1.277 7 g·m-2。夏季，樹種滯塵量呈現(xiàn)先降后升的變化特點(diǎn)，期間出現(xiàn)的中雨沖洗掉葉片大部分粉塵，導(dǎo)致10 d測(cè)定的滯塵量出現(xiàn)大幅下降。隨后，樹種單位葉面積滯塵量呈線性增加，25 d丁香滯塵量最大，懸鈴木次之，銀杏滯塵量增幅幾乎停滯。秋季，不同樹種滯塵量隨著時(shí)間累積持續(xù)增加，日本晚櫻滯塵量最大，為1.741 5 g·m-2，紫薇滯塵量最小，為0.558 6 g·m-2，最大滯塵量約是最小的3倍。15～25 d，大葉女貞、五角楓、丁香滯塵量繼續(xù)呈線性增加，紫薇滯塵量出現(xiàn)小幅下降，其它樹種滯塵量增幅緩慢。

對(duì)綠化樹種滯塵量與累積滯塵時(shí)間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，相關(guān)系數(shù)的擬合曲線方程參見表2。結(jié)果表明，構(gòu)建的二次曲線方程模型擬合效果較好，能反映出樹種滯塵量隨積累時(shí)間的變化情況，R2均趨近于1，相關(guān)性極為顯著(P<0.01)。

表2 樹種平均滯塵量與累積時(shí)間的擬合曲線方程Table 2 Quadratic equation fitted for dust retention per unit leaf area and accumulation time

2.2 樹種滯塵量的季節(jié)變化規(guī)律

不同季節(jié)樹種平均最大滯塵量排序?yàn)榇杭?秋季>夏季，具有明顯的季節(jié)效應(yīng)。除丁香、紫薇夏秋兩季滯塵量差異不明顯外，其他樹種3個(gè)季節(jié)滯塵量均存在顯著性差異(圖1)。日本晚櫻、懸鈴木、丁香春季滯塵量最高，約為夏季滯塵量的2.7～3.4倍，銀杏、五角楓、紫薇春季滯塵量最低，是夏季滯塵量的3.4～7.4倍。根據(jù)濰坊市2017年空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)計(jì)算分析可知，春、夏、秋3個(gè)季節(jié)樹種滯塵量的變化規(guī)律與空氣質(zhì)量指數(shù)有一定的相關(guān)性。春季測(cè)定周期內(nèi)的平均空氣質(zhì)量指數(shù)為138.8，空氣中懸浮顆粒物較多，植物滯塵量相對(duì)較大；夏季平均空氣質(zhì)量指數(shù)為78.5，空氣潔凈，受滯塵周期內(nèi)出現(xiàn)的中雨影響，植物滯塵量最??；秋季平均空氣質(zhì)量指數(shù)為100.3，葉片滯塵量相比于夏季有增加的趨勢(shì)。

注：樹種拉丁學(xué)名用屬名和種加詞首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

圖1 不同樹種單位葉面積平均滯塵量的季節(jié)變化
Figure1Seasonalvariationsinaveragedustretentionperleafareaofdifferenttreespecies

2.3 道路交通環(huán)境對(duì)樹種滯留顆粒物的影響

9個(gè)樹種3個(gè)季節(jié)平均最大滯塵量在不同道路交通環(huán)境中存在差異(圖2)。丁香在4條道路的總滯塵量(12.585 0 g·m-2)最大，其次是懸鈴木和日本晚櫻，紫薇總滯塵量最小，僅有2.813 8 g·m-2。不同道路交通環(huán)境下樹種的總滯塵量差異較大，寶通街樹種總滯塵量最大，櫻前街總滯塵量最小，最大滯塵量約是最小的2倍。大部分樹種顆粒物滯留量呈現(xiàn)寶通街>濰安路>北海路>櫻前街的規(guī)律，欒樹的滯塵能力變化呈現(xiàn)寶通街>櫻前街>濰安路>北海路，大葉女貞、銀杏、紫薇呈現(xiàn)寶通街>北海路>濰安路>櫻前街。植物的栽植地點(diǎn)、塵源距離、道路交通流量、周邊環(huán)境因素等均是影響樹種滯塵效果的重要因素。方差分析表明，道路環(huán)境顯著影響懸鈴木、日本晚櫻、丁香3種植物的滯塵量(P>0.05)，但對(duì)其他6個(gè)樹種的滯塵能力影響不同，北海路、濰安路、櫻前街之間的滯塵量差異不顯著。

注：樹種拉丁學(xué)名用屬名和種加詞首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

圖2 道路交通環(huán)境對(duì)樹種滯留顆粒物的影響
Figure2Effectsofroadtrafficenvironmentsontheamountofdustretainedperleafareaofdifferenttreespecies

2.4 樹種滯塵能力綜合評(píng)價(jià)

采用綜合指數(shù)的方法分析樹種綜合滯塵能力。選取與滯塵效果密切相關(guān)的7個(gè)指標(biāo)(葉片高度、單位葉面積滯塵量、植物葉面積指數(shù)、粗糙度、絨毛、硬度和黏度、葉片著生角度)進(jìn)行數(shù)量化，建立樹種評(píng)價(jià)分類指標(biāo)體系和滯塵效應(yīng)量化模型。結(jié)果見表3、表4。

表3 道路綠化樹種定性指標(biāo)數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Quantitative criteria for the qualitative indices of road-greening tree species

通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、確定權(quán)重和計(jì)算綜合指數(shù)求得綜合指數(shù)。具體步驟：

Ai=(0.2，0.2，0.2，0.1，0.1，0.1，0.1)。

一般來說，綜合指數(shù)越高說明該植物的綜合滯塵能力越強(qiáng)。表4表明，9種常見道路綠化樹種環(huán)境效應(yīng)綜合指數(shù)值高低順序?yàn)椋憾∠?懸鈴木>日本晚櫻>欒樹>國(guó)槐>大葉女貞>銀杏>紫薇>五角楓?？珊Y選滯塵能力較強(qiáng)的丁香、懸鈴木、日本晚櫻等作為濰坊市道路綠化的骨干樹種推廣應(yīng)用。

表4 道路綠化樹種環(huán)境效應(yīng)綜合指數(shù)Table 4 Comprehensive index values for the environmental effects of road-greening tree species

注：樹種拉丁學(xué)名用屬名和種加詞首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

3 討論與結(jié)論

3.1 樹種滯塵量的時(shí)間變化規(guī)律

樹種滯塵量具有顯著的時(shí)間效應(yīng)，隨滯塵時(shí)間的累積逐漸增加。受植物葉表面特性的影響，植物的滯塵量會(huì)在一段時(shí)間后進(jìn)入飽和期，最后呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)[14]。植物葉片滯塵量達(dá)到飽和所用時(shí)間存在顯著差異。王贊紅等[15]研究的大葉黃楊單葉滯塵量15 d達(dá)到飽和，楊周敏[16]研究發(fā)現(xiàn)，西安市區(qū)街道綠化樹種夏季滯塵量達(dá)到飽和時(shí)間約為12 d，而張新獻(xiàn)等[17]研究的北京居住區(qū)內(nèi)國(guó)槐等10個(gè)樹種的滯塵能力在4周后仍未達(dá)到飽和。同一樹種滯塵量在不同環(huán)境下達(dá)到飽和所用時(shí)間也不同。本研究中懸鈴木春季滯塵量20 d后增量減慢，趨向平緩，25 d達(dá)到2.499 3 g·m-2，而新疆阿克蘇市懸鈴木春季單位葉面積滯塵量在28 d左右趨于飽和[18]，滯塵量為10.24 g·m-2，說明本研究中懸鈴木的滯塵量遠(yuǎn)未達(dá)到最大閾值。因此，大氣顆粒物的總量是影響植物葉片滯塵能力的因素之一，也是樹種滯塵量達(dá)到飽和時(shí)間長(zhǎng)短的重要影響因素。

3.2 樹種滯塵能力的季節(jié)差異性

植物顆粒物滯留能力具有顯著的季節(jié)效應(yīng)，與大氣顆粒物含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化一致[7]。本研究中不同季節(jié)樹種滯塵量的排序?yàn)榇杭?秋季>夏季，春季和秋季樹種滯塵量明顯大于夏季，與劉海榮等[19]研究的天津市城市道路綠化常綠灌木滯塵能力的季節(jié)性變化一致，而與楊周敏[16]、么旭陽等[20]研究的西安市和北京市植物滯塵能力季節(jié)變化特點(diǎn)不同。研究表明，在滯塵閾值范圍內(nèi)，植物的滯塵能力季節(jié)性變化與大氣顆粒物污染的動(dòng)態(tài)變化具有明顯的相關(guān)性，本研究得到相似結(jié)論。濰坊春季低溫干燥、受到沙塵天氣的影響，空氣污染嚴(yán)重，懸浮顆粒物較多，提高了葉片滯留粉塵的概率。夏季高溫多雨、空氣濕度大，大氣對(duì)流和湍流活動(dòng)旺盛，加速大氣顆粒物的擴(kuò)散，同時(shí)，植物蒸騰所釋放的水氣使葉子表面有一定的濕度，空氣中飄散粉塵顆粒物聚集形成大分子顆粒，有效地抑制空氣中浮沉，不利于葉片對(duì)粉塵的滯留，加之降雨等外界因素的干擾，導(dǎo)致滯塵量下降。秋季氣候干燥，大氣中的懸浮顆粒物增多，多數(shù)植物葉片逐漸枯黃、落葉，生理結(jié)構(gòu)功能發(fā)生變化，影響了葉表結(jié)構(gòu)特征和濕潤(rùn)性，從而影響了滯塵功能的發(fā)揮。

3.3 道路交通環(huán)境對(duì)樹種滯留顆粒物的影響

研究表明，外部因素中除了環(huán)境大氣顆粒物濃度、粒徑組成影響植物葉片吸附顆粒物能力之外，相同氣象條件下，塵源距離、交通車輛、道路周圍環(huán)境、建筑揚(yáng)塵等也是重要的影響因素。程政紅等[21]研究發(fā)現(xiàn)，施工路段植物葉片滯塵量大于重度污染路段和風(fēng)景區(qū)與庭院內(nèi)路段。劉穎等[22]對(duì)石家莊市交通道路綠化植物滯塵效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)綠化植物所處交通道路環(huán)境不同，葉片單位面積累積滯塵量存在差異。本研究中4條道路的滯塵量排序?yàn)閷毻ń?濰安路>北海路>櫻前街，不同道路之間交通狀況、綠化布局、周圍環(huán)境差異較大，對(duì)綠化樹種的滯塵效果產(chǎn)生顯著影響。寶通街植物總滯塵量最大，原因是寶通街鄰近郊區(qū)，又是城區(qū)南外環(huán)路，車流量大、重型車輛多，兩側(cè)綠化面積少，多處存在建設(shè)施工工程，導(dǎo)致寶通街植物單葉滯塵量和總滯塵量均高于其它道路；其次是濰安路，作為市區(qū)東外環(huán)路，車流量大、重型車輛也較多，但綠化面積較多，綠化格局合理，并且基本沒有建設(shè)施工工程；北海路是城區(qū)中心道路，小型車流量大，綠化面積大，綠化格局合理；櫻前街是新建道路，車流量小，綠化面積較大，因此總滯塵量最小。另外，塵源距離也是影響滯塵量的重要因素。本研究中位于櫻前街側(cè)分隔離帶的欒樹平均滯塵量是1.753 6 g·m-2，顯著大于位于北海路路側(cè)綠帶欒樹的滯塵量0.901 4 g·m-2。當(dāng)?shù)缆分車h(huán)境條件相同時(shí)，中央隔離帶、側(cè)分隔離帶的樹種滯塵量明顯大于路側(cè)綠帶。

3.4 樹種的綜合滯塵能力

樹種的綜合滯塵能力與葉片的表面結(jié)構(gòu)、樹木的生長(zhǎng)特性、樹冠的結(jié)構(gòu)、枝葉密度、葉面傾角、葉表面濕潤(rùn)度、葉面積指數(shù)等有密切關(guān)系。一般認(rèn)為，表面粗糙、葉毛濃密、葉脈凸出、表面具有黏性的短柄葉片吸附大氣顆粒污染物的能力較強(qiáng)[23]。ESCOBEDOetal[24]研究發(fā)現(xiàn)，高的葉面積指數(shù)和植被覆蓋率均會(huì)使區(qū)域滯塵量增加。本研究選取與滯塵效果密切相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)量化，采用綜合指數(shù)法分析樹種綜合滯塵能力，發(fā)現(xiàn)樹種的綜合滯塵能力與植物的高度、單位葉面積滯塵量和植物的葉面積指數(shù)具有較大相關(guān)性。丁香是綜合滯塵能力最強(qiáng)的樹種，原因可能是丁香為灌木，植物的高度使葉片更容易附著空氣中的顆粒物。丁香葉片上表皮粗糙、葉表氣孔周圍具脊?fàn)钔黄?，葉片著生角度幾近水平，接觸面積大，尖端易蜷曲向上，故而能滯留較多的降塵。滯塵量次之的是懸鈴木，懸鈴木葉面粗糙且密生星狀短絨毛，分泌黏性物質(zhì)，容易滯留空氣中的降塵。另外，植物葉片表面結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵顆粒粒徑大小具有選擇性。FREER-SMITHetal[25]研究發(fā)現(xiàn)，不同葉片結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)、粗、超細(xì)顆粒物吸附特點(diǎn)不同。植物葉表的氣孔也是影響滯塵能力的一個(gè)重要因素，一般而言，植物葉片氣孔孔徑較大，植物的滯塵能力相對(duì)較強(qiáng)[26]。但BREWERetal[27]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物葉表氣孔達(dá)到較高密度，易形成較強(qiáng)的疏水性，葉片與顆粒物之間的接觸面與親和力減少，從而抑制植物的滯塵能力。

城市綠化樹種能夠阻擋、截留、過濾和吸滯大氣中的顆粒物，是凈化城市大氣污染的一個(gè)重要途徑。植物的滯塵效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，不僅受到植物自身生理特性的影響，與植物所處環(huán)境、大氣顆粒物的時(shí)空分布規(guī)律、阻滯時(shí)間等密切相關(guān)，同時(shí)受到綠地的景觀格局和群落結(jié)構(gòu)的影響。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本研究只對(duì)濰坊市道路骨干樹種滯塵能力做了初步研究，實(shí)際上景觀格局結(jié)構(gòu)對(duì)綠地滯塵效應(yīng)有著更為顯著的影響，未來應(yīng)該從綠地結(jié)構(gòu)特征與阻滯作用，園林植物削減PM2.5的作用機(jī)制、城市綠地系統(tǒng)對(duì)大氣顆粒物凈化的功能價(jià)值評(píng)估等方面做深入研究，對(duì)有效減輕城市大氣顆粒物污染具有重要意義。