我國常見園林植物葉片滯塵能力分析

劉維歡，李維維，裴順祥，李曉剛

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2中國林業(yè)科學(xué)研究院 華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 北京 102300;3北京九龍山暖溫帶森林國家長期科研基地, 北京102300)

隨著工業(yè)的發(fā)展和化石燃料的大量消耗，大氣顆粒物(Atmospheric Particulate Matter，APM)對我國城市的污染問題日益嚴(yán)重，大氣顆粒物不僅會(huì)導(dǎo)致灰霾天氣的發(fā)生而且嚴(yán)重危害人體健康[3-4]。研究表明，地面植被對降低大氣顆粒物濃度具有重要作用已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)[5-8]。研究結(jié)果普遍認(rèn)為，葉片特征對植物滯塵量影響較大，一般針葉樹種的單位葉面積滯塵能力強(qiáng)于闊葉樹種，葉片粗糙、具蠟質(zhì)層、氣孔開口大、分泌粘液、具絨毛的植物能吸附更多的大氣顆粒物[9-11]。但相關(guān)研究受采樣地點(diǎn)、時(shí)間、植物種類、數(shù)據(jù)量等因素的影響，即使是同種植物，單位葉面積滯塵量的變化也會(huì)非常大[12-15]。多重原因的相互交錯(cuò)、單個(gè)研究數(shù)據(jù)量的不足為準(zhǔn)確評價(jià)滯塵能力帶來困難。

薈萃分析(Meta-Analysis)是以更高、更宏觀的視野把所有相關(guān)研究綜合起來進(jìn)行探索性分析的一種強(qiáng)有力的科學(xué)研究方法，它不僅增大了樣本量，而且對尋求事物內(nèi)在規(guī)律提供了統(tǒng)計(jì)支撐[16]。目前，還沒有對我國現(xiàn)有的植物葉片滯塵量觀測資料進(jìn)行系統(tǒng)的分析，因此，本研究通過對2000～2020年在我國范圍內(nèi)所測量到的植物單位葉面積滯塵量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，探討影響植物葉片滯塵能力的因素與機(jī)制，為城市綠化植物的選擇與配置提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)檢索

在中國知網(wǎng)(CKNI)、萬方(WF)、維普(VIP) 數(shù)據(jù)庫通過自由詞和主題詞相結(jié)合的方式檢索關(guān)于植物滯塵能力的文獻(xiàn)。檢索詞有“滯塵量”“滯納量”“植物顆粒物吸附能力”“葉片滯塵”“空氣顆粒物滯留能力”“滯留大氣顆粒物能力”，所有檢索策略經(jīng)多次檢索后確定。檢索時(shí)限為2000年1月1日-2020年3月1日。最終，從中國知網(wǎng)檢索出相關(guān)文獻(xiàn)128篇、萬方檢索出70篇、維普檢索出143篇，共計(jì)341篇。

1.2 納入排除標(biāo)準(zhǔn)

首先，用Note Express排除重復(fù)文獻(xiàn)36篇。然后通讀全文，排除非水洗稱重法(由于目前國內(nèi)外學(xué)者對植物葉片滯留大氣顆粒物含量的測定方法尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，最為普遍的方法是水洗稱重法，因此本研究所納入文獻(xiàn)的研究方法均為水洗稱重法[17-18]、室內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、非穩(wěn)定條件采樣(所提取的數(shù)據(jù)均為經(jīng)歷7～10 d穩(wěn)定天氣下采樣所測得)、單位不能統(tǒng)一成g/m2、僅包含單位葉面積PM2.5或PM10滯納量而未包含葉片滯納總量、綜述類文章或會(huì)議文獻(xiàn)，最終納入合格文獻(xiàn)61篇見文后附表。

1.3 植物滯塵數(shù)據(jù)提取

文獻(xiàn)篩選完成后，根據(jù)作者、采樣時(shí)間、采樣地點(diǎn)、植物種類等對植物葉片滯塵量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。對于以圖片顯示的數(shù)據(jù)，用SDA-LeahyGo軟件先校正圖片坐標(biāo)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。最終數(shù)據(jù)來自于81種闊葉喬木、13種針葉喬木、78種灌木、38種草本和2種藤本。

根據(jù)大氣顆污染地域差異特點(diǎn)，綜合考慮氣候因素[19]，將我國以秦嶺淮河、季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)的分界線分為北方地區(qū)、南方地區(qū)和西北地區(qū)，從各地區(qū)獲得的樣本量見表1，不同植物葉片特征樣本量見表2。

表1 不同地區(qū)獲得各生活型植物數(shù)據(jù)的數(shù)量Table 1 The amount of data obtained for each life form plant in different regions

表2 植物葉片特征概況Table 2 Leaf characteristics of plants

1.4 大氣顆粒物數(shù)據(jù)獲取

近年來，全社會(huì)對可吸入顆粒物的關(guān)注度較高，各監(jiān)測機(jī)構(gòu)對大氣顆粒物的監(jiān)測主要以PM2.5、PM10為主，而對大氣總懸浮顆粒物濃度的觀測較少。因?yàn)榭諝庵蠵M2.5、PM10的濃度與大氣總懸浮顆粒物濃度有很強(qiáng)的正相關(guān)性，所以本研究以空氣中PM10濃度的變化代表空氣質(zhì)量與植物單位葉面積滯塵量進(jìn)行趨勢分析[20-21]。全國范圍內(nèi)年平均PM10濃度數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境總站公開發(fā)布的歷年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)(http://www.cnemc.cn/jcbg/zghjzkgb/)，北京市年平均PM10濃度數(shù)據(jù)來自北京市生態(tài)環(huán)境局公開發(fā)布的歷年北京市環(huán)境質(zhì)量狀況報(bào)告(http://sthjj.beijing.gov.cn/bjhrb/index/xxgk69/sthjlyzwg/1718880/1718889/index. html/)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果分析

2.1 不同植物類型葉片滯塵比較

中國三大分區(qū)不同植物類型單位葉面積滯塵量見圖1。

圖1 中國三大分區(qū)不同植物類型單位葉面積滯塵量Figure 1 Dust-retention per unit leaf area of plants with different plant types in three major regions of China

對中國三大分區(qū)不同植物類型葉片滯塵量進(jìn)行

差異性分析，發(fā)現(xiàn)北方地區(qū)、南方地區(qū)、西北地區(qū)不同植物類型葉片滯塵量存在顯著差異(P<0.05)。具體表現(xiàn)為，北方地區(qū)針葉喬木葉片滯塵量為3.06 g/m，顯著高于其他植物類型，闊葉喬木、灌木、草本及藤本葉片滯塵量差異均不顯著；南方地區(qū)灌木葉片滯塵量為2.24 g/m，顯著高于闊葉喬木、草本及藤本，針葉喬木葉片的滯塵量與其他植物類型都沒有顯著差異；不同地區(qū)之間，西北地區(qū)闊葉喬木與灌木葉片滯塵量顯著高于北方地區(qū)與南方地區(qū)，但北方地區(qū)與南方地區(qū)的差異不顯著；對于針葉喬木來說，西北地區(qū)葉片滯塵量顯著高于南方地區(qū)，而北方地區(qū)與西北地區(qū)和南方地區(qū)之間的差異不顯著。

不同植物類型單位葉面積滯塵量見圖2。

圖2 不同植物類型單位葉面積滯塵量Figure 2 Dust-retention per unit leaf area of different plant types

用區(qū)組分析的方法對不同植物類型葉片滯塵量進(jìn)行差異性分析，發(fā)現(xiàn)不同植物類型葉片滯塵量差異較為顯著。綠化植物葉片滯塵能力表現(xiàn)為：針葉喬木>灌木>闊葉喬木>草本及藤本。其中，針葉喬木葉片滯塵量較高為3.36 g/m，草本及藤本葉片滯塵量較低為1.34 g/m，針葉喬木葉片滯塵量是草本及藤本的2.5倍。

2.2 植物葉片滯塵量與大氣顆粒物含量年際關(guān)系

近年來植物葉片滯塵量與可吸入顆粒物濃度變化趨勢見圖3。

圖3 近年來植物葉片滯塵量與可吸入顆粒物濃度變化趨勢Figure 3 The change trend of plant leaf dust-retention and inhalable particulate matter concentration in recent years

為明確大氣顆粒物含量對植物葉片滯塵量的影響，本研究分析了植物葉片滯塵量與空氣PM10年平均濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植物單位葉面積滯塵量與空氣PM10年平均濃度的年際變化規(guī)律不盡相同，具體表現(xiàn)為：2014—2018年全國空氣年平均PM10含量逐年降低，但全國植物單位葉面積滯塵量的變化趨勢為先升高后降低。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究結(jié)果的可靠性，本研究以北京市為例，以2014—2016年數(shù)據(jù)做了相同的分析，結(jié)果與之相同，即2014年空氣中PM10含量高于2015年，但植物葉片單位葉面積滯塵量2014年顯著低于2015年，大氣顆粒物濃度與植物葉片滯塵量之間的相關(guān)關(guān)系存在明顯的不確定性。

2.3 不同生活型植物葉片滯塵量與葉片特征的關(guān)系

植物單位葉面積滯塵量與葉片特征關(guān)系見表3。

表3 植物單位葉面積滯塵量與葉片特征關(guān)系Table 3 Relationship between plant dust-retention per unit leaf area and leaf characteristics

對不同植物類型葉片特征與單位葉面積滯塵量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果只有喬木和灌木得出顯著回歸方程。對于喬木樹種，回歸方程納入了葉面是否光滑D1和是否分泌黏液D22個(gè)變量，回歸系數(shù)分別為βD1=3.149和βD2=2.398，說明相對于葉片光滑和不分泌黏液，葉片粗糙和分泌黏液能顯著增大其單位葉面積的滯塵量，其他葉面特征對喬木樹種的滯塵量無顯著影響。對于灌木來說，回歸方程納入了葉面是否光滑D1、是否分泌黏液D2和是否披絨毛D33個(gè)變量，回歸系數(shù)分別為βD1=3.107、βD2=5.424和βD3=1.947，說明相對于葉片光滑、不分泌黏液和無絨毛，葉片粗糙、分泌黏液和披絨毛能顯著增大其單位葉面積的滯塵量，其他葉片特征對灌木樹種的滯塵量無顯著影響?；貧w系數(shù)顯示葉片分泌粘液對植物葉片滯塵量影響最大，粗糙度、絨毛次之。

3 討論

3.1 不同地區(qū)、不同類型植物葉片滯塵量變化

研究表明，植物葉片是滯留顆粒物的主要載體，目前對植物滯塵能力的研究主要集中在葉片上，但結(jié)果卻存在較大差異[22-23]。如楊周敏[24]發(fā)現(xiàn)3種植物葉片滯塵能力表現(xiàn)為：闊葉喬木>灌木>草本；而王黎華[14]發(fā)現(xiàn)8種植物葉片滯塵能力表現(xiàn)為：灌木>闊葉喬木>草本。出現(xiàn)上述情況可能是由于供試植物數(shù)量較少、采樣地不同、以及植物本身的生物學(xué)特性所致。本研究通過匯總更多樣本得出，喬木、灌木、草本及藤本植物葉片滯塵能力表現(xiàn)為：針葉喬木>灌木>闊葉喬木>草本及藤本。由于大氣顆粒物主要通過干、濕沉降以及地面揚(yáng)塵到達(dá)植物葉片表面，且不同植物類型高度不同，所以植物群落對大氣顆粒物的截留是立體的[25-26]。喬木樹冠高大、枝葉繁密，更易捕捉大氣中的顆粒物，且大多數(shù)針葉喬木枝葉能分泌樹脂或黏液對大氣顆粒物黏附作用強(qiáng)，這很可能是針葉喬木葉片滯塵能力較強(qiáng)的原因[27-28]。灌木葉片滯塵能力強(qiáng)于闊葉喬木、草本及藤本，這可能是由于灌木較喬木株型更為低矮緊湊，較草本葉片更為寬大平展，葉片能更多接觸到因行人和車輛行駛等的二次揚(yáng)塵所致[14-29]。草本及藤本雖然相較灌木更為低矮，但大多莖葉細(xì)軟，易受風(fēng)速和人為等外界因素的干擾因此各地區(qū)葉片滯塵能力都相對較弱[14]。北方地區(qū)空氣顆粒物主要以飄塵為主，而針葉喬木更易捕捉與黏附這些大氣顆粒物，因此北方地區(qū)針葉喬木葉片滯塵能力較強(qiáng)。然而，北方地區(qū)闊葉植物葉片滯塵能力并不突出，可能是因?yàn)槎⒋簝杉臼潜狈降貐^(qū)大氣顆粒物高峰期，但此時(shí)大多數(shù)的闊葉植物處于落葉期和展葉初期，無法發(fā)揮滯塵效應(yīng)。大多南方城市主要以地面揚(yáng)塵為主，低矮的灌木對此的截留更為容易，因此南方地區(qū)灌木葉片滯塵能力較為突出。另外，南方地區(qū)雨水多，喬木的顆粒物被雨水沖刷，也會(huì)增加灌木的截留量。西北地區(qū)各植物類型葉片滯塵量都較高，可能是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)降雨量相對較少，雨水的沖刷作用相對于北方與南方地區(qū)較弱，以及揚(yáng)塵天氣頻發(fā)，更利于葉片對大氣顆粒物的積累。總的來說，不同植物類型葉片滯塵能力存在較大差異，同一植物類型由于其所處地區(qū)不同也同樣存在差異。

3.2 植物葉片滯塵量與大氣顆粒物含量年際關(guān)系

近年來霧霾天氣在中國高頻率、大范圍發(fā)生。研究表明，空氣中顆粒物的濃度是影響植物葉片滯塵的重要因素，植物葉片滯塵量能夠在一定程度上反映環(huán)境中空氣顆粒物含量，且植物葉片滯塵量與大氣顆粒物濃度的變化趨勢基本相同[30-34]。但本研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片滯塵量和大氣顆粒物濃度變化趨勢不盡相同，2者之間的相關(guān)性存在明顯的不確定性。具體原因可能有以下3點(diǎn)，一是相關(guān)研究對植物葉片滯塵量的測定大多集中在夏季，雨水不但能降低空氣中顆粒物濃度，而且對植物葉片的沖刷作用較強(qiáng)。在冬季大氣顆粒物高峰期，尤其是北方地區(qū)大多數(shù)園林植物正處于落葉期，可能會(huì)出現(xiàn)在空氣顆粒物濃度較高的月份，植物葉片滯塵能力卻較低的情況。二是空氣中污染物會(huì)對葉片生長產(chǎn)生不利影響，如導(dǎo)致針葉葉片萎黃、尖端燒灼，被子植物葉片出現(xiàn)壞疽，進(jìn)而抑制植物生長發(fā)育[35]。三是大氣污染物對植物光合作用產(chǎn)生影響的同時(shí)，植物葉片氣孔開度以及氣孔密度也會(huì)受到影響[36-37]，由于植物葉片是植物滯塵的重要載體[22-23]、氣孔又是影響植物葉片滯塵的重要因素[38-39]。因此，認(rèn)為空氣顆粒物濃度增高植物葉片滯塵量也隨著增高是不科學(xué)的。但當(dāng)空氣中顆粒物濃度達(dá)到什么程度，以及在此程度下多長時(shí)間，對植物葉片滯塵的影響過程還有待進(jìn)一步研究。

3.3 葉片特征對植物滯塵量的影響

植物葉片具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，對其滯塵能力會(huì)有較大的影響[40-41]。就本研究而言，植物葉片滯塵量與葉片分泌黏液、葉片粗糙度、葉片披絨毛、均成正相關(guān)。其中，植物葉片所分泌的油脂、粘液對空氣中各種粒徑的顆粒物粘附作用較強(qiáng)，且積累的顆粒物不易受外界環(huán)境的變化輕易脫落，效果較為穩(wěn)定，對提高葉片的滯塵能力貢獻(xiàn)最大[42]。表面凹凸不平、具有溝壑組織等粗糙度較大的葉片更有利于藏納不同粒徑的顆粒物，對提高葉片的滯塵能力貢獻(xiàn)也相對較大[14-41]。相較于以上2種微觀結(jié)構(gòu)，葉片披絨毛對提高葉片的滯塵能力貢獻(xiàn)相對較低，可能是因?yàn)榻q毛易產(chǎn)生靜電，易附著粒徑小于2 μm 的顆粒物，所附著的粒徑較小的顆粒物受外界環(huán)境的變化而飄散，對較大粒徑的顆粒物附著能力較弱[43]。另外，大多數(shù)植物葉片都是幼時(shí)披絨毛，而成熟期絨毛逐漸脫落，這可能是造成葉片披毛植物滯塵能力相對較弱的又一原因。

綜上所述，植物葉片分泌黏液、粗糙、披絨毛能夠有效地滯留大氣中的顆粒物，葉片表面微觀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越有利于滯塵[6]。但植物滯塵是受樹種特性與環(huán)境特性等諸多因素共同作用的結(jié)果[13,44]，因此在今后的研究中需形成一個(gè)系統(tǒng)的評價(jià)體系來對植物滯塵能力進(jìn)行評價(jià)。

4 結(jié)論

(1)不同植物類型葉片滯塵能力表現(xiàn)為：針葉喬木>灌木>闊葉喬木>草本及藤本，北方地區(qū)針葉喬木滯塵能力較為突出，南方地區(qū)灌木滯塵能力較為突出。

(2)植物葉片滯塵量與空氣可吸入顆粒物濃度的年際變化趨勢不盡相同，二者之間的相關(guān)關(guān)系存在明顯的不確定性。

(3)葉片特性對植物滯塵能力有重要影響，葉面粗糙、分泌黏液和披絨毛能顯著增大植物葉片的滯塵量。

我國在進(jìn)行園林綠化選擇時(shí)，北方地區(qū)選擇葉面粗糙且分泌粘液的針葉喬木植物，南方地區(qū)選擇葉面粗糙、分泌粘液且有絨毛的灌木植物，西北地區(qū)選擇葉面粗糙、分泌黏液且具絨毛的喬木或灌木植物。