城市道路植物葉面滯塵的微觀效應(yīng)研究

吳桂香，徐成林，劉 杰，楊燕飛

(昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引 言

隨著工業(yè)化發(fā)展環(huán)境污染正在加劇，其中顆粒物污染尤為嚴(yán)重.2020年337個(gè)地級(jí)及以上城市平均優(yōu)良天數(shù)比例為87.0%，空氣質(zhì)量超標(biāo)率高達(dá)40.1%，PM2.5、PM10濃度超標(biāo)天數(shù)分別占比為14.3%、8.5%；顆粒物的排放呈季節(jié)性變化，首尾兩個(gè)季節(jié)的PM2.5、PM10濃度均超《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》“二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”較多[1]，且顆粒物污染會(huì)對(duì)人類生活、健康帶來(lái)種種問(wèn)題，如心血管、呼吸道疾病、非意外死亡、出生體重減輕、肺癌和其他炎癥，特別是PM2.5可以進(jìn)入肺泡及血液中造成呼吸道疾病[2-3].綠色植物具有良好截取大氣顆粒物的功能，具有降低空氣對(duì)人體健康影響，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益.美國(guó)城市的植物去除PM10的數(shù)量為214 900 t，經(jīng)濟(jì)價(jià)值為96×106美元[4]；利用污染物在植物的干沉積值計(jì)算巴斯克地區(qū)去除空氣污染物的年經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以健康的益處估計(jì)為每年6 000萬(wàn)歐元，大約是巴斯克地區(qū)2016年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的0.09%[5].

許多學(xué)者利用測(cè)量工具對(duì)不同植物吸附顆粒物的量進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，1984年Bondietti等[6]首次在氣溶膠中加入212Pb,214Pb,7Be來(lái)測(cè)量其在葉面上的沉積量，這是國(guó)際上對(duì)不同植物滯留氣溶膠量研究的先河; 張新獻(xiàn)等[7]用蒸餾水清洗葉面的沉積物除以葉面積估得滯塵量，從而得到綠地的滯塵效益，在國(guó)內(nèi)開創(chuàng)了用沉積物重量來(lái)分析植物滯塵量的方法，為植物滯塵規(guī)律分析奠定理論基礎(chǔ)；吳艷芳等[8]及張桐等[9]發(fā)現(xiàn)不同草本植物滯留顆粒物的量差異在3倍以上，灌木的滯塵量大于喬木，灌木中金銀木、大葉黃楊滯塵量較高，紫荊較低，雪松的滯塵量是油松的5倍多；用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察不同植物的葉面發(fā)現(xiàn)由于表面粗糙度、氣孔密度和深度、絨毛、溝狀組織、凹槽等微觀結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致滯塵能力差異.目前植物滯塵的研究主要集中在植物的滯留量，葉面滯留顆粒物微觀特征對(duì)滯塵影響的成因研究尚需完善，故本文在顆粒物與物體表面的力學(xué)表達(dá)式基礎(chǔ)上，研究葉面滯塵行為與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為粉塵污染較嚴(yán)重地區(qū)樹種的選擇和大氣污染治理提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗(yàn)地點(diǎn)選在長(zhǎng)沙市西二環(huán)快速道旁的綠化帶，供試樹種為葉面性狀具有代表性的5種植物：桂花樹(Osmanthus fragrans，常綠喬木)、紅檵木(Loropetalum Chinese，常綠灌木)、楓揚(yáng)(Pterocarya stenoptera，落葉喬木)、珊瑚樹(Viburnum odoratissinum，常綠喬木)、樟樹(Cinnamomum camphora，常綠喬木).

在一條綠化帶上選取雨后3 d，3株相同類型植物采樣，灌木(紅檵木)0.5～0.7 m處，喬木(桂花樹、楓揚(yáng)、珊瑚樹、樟樹)1.2～1.5 m處采集成熟的樹葉40片，其中紅檵木因樹葉相對(duì)較小采集110片，采集葉片用保鮮膜避開正面包裹，以防絨毛擠壓、粉塵脫落.

1.2 葉面微觀滯塵測(cè)定

在主葉脈旁取2 cm×1 cm的葉片，用鑷子將葉片背面固定在載玻片上，選取葉片中心線至葉邊的區(qū)域，采用梅花形布點(diǎn)法選取5個(gè)點(diǎn)中的顆粒物為觀測(cè)對(duì)象.因金相顯微鏡不用試劑固定、脫水等步驟就可直接觀察葉面結(jié)構(gòu)，故用金相顯微鏡采集葉面的彩色圖片，然后用SJ-HS 型生物顯微圖像電腦分析系統(tǒng)(北京泰克儀器有限公司)的顯微圖像分析軟件對(duì)采集葉面上不同顏色的顆粒物(文獻(xiàn)[10-12]研究說(shuō)明黑色、灰褐色粉塵主要成分為含碳的有機(jī)物質(zhì)，反光、紅褐色、淺色粉塵主要為元素及其化合物的無(wú)機(jī)物質(zhì))進(jìn)行二值化分析，統(tǒng)計(jì)顆粒物數(shù)量、粒徑分布、葉面上有機(jī)、無(wú)機(jī)成分分布.

1.3 葉面接觸角的測(cè)定

葉片表面接觸角采用JGW-360a接觸角測(cè)定儀(承德市成惠試機(jī)有限公司)測(cè)量，計(jì)算采用Owens/Wendt固體表面自由能估算法，本研究中選擇蒸餾水和正十六烷作為測(cè)試液體，通過(guò)測(cè)量?jī)煞N試液體在葉片的接觸角(θ)，并將所得的接觸角和兩種測(cè)試液體的色散成分和極性貢獻(xiàn)輸入靜滴JGW-360a接觸角測(cè)定儀的計(jì)算程序得葉面表面自由能(r)、色散成分(r1)和極性貢獻(xiàn)(rs).

2 結(jié)果與分析

2.1 樹葉特征分析

5種植物樹葉的尺寸、葉面結(jié)構(gòu)、葉表接觸角等特征見(jiàn)表1.同種植物的樹葉尺寸起伏較大，紅檵木、桂花樹的葉柄相對(duì)于樹，不易被風(fēng)吹動(dòng)，楓楊葉柄長(zhǎng)度最長(zhǎng)；樟樹、楓楊、珊瑚樹葉面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而桂花樹葉面密布無(wú)規(guī)則排列的氣孔、紅檵木的葉面有溝狀組織等特殊結(jié)構(gòu).葉面潤(rùn)濕性主要是水在葉面代替空氣的能力，表現(xiàn)為水對(duì)葉面濕潤(rùn)的能力，用接觸角來(lái)表示.相關(guān)學(xué)者[13-14]對(duì)植物潤(rùn)濕性的相關(guān)因素分析發(fā)現(xiàn)潤(rùn)濕性與葉面蠟質(zhì)、葉面絨毛、氣孔、表皮細(xì)胞等有關(guān)，紅檵木因表面密度絨毛的影響使接觸角最高(97.2°)，楓楊表面蠟質(zhì)少而接觸角最低(63.5°)，表面自由能是葉面吸附顆粒物的最重要的因素，葉表面自由能由色散成分和非色散成分(極性成分)組成，極性成分反映了表面分子間偶極和氫鍵的相互作用，非極性貢獻(xiàn)反映了分子間色散力的作用，樟樹的極性成分較高為5.1 J/m2，而珊瑚樹的極性成分僅為0.3 J/m2.極性貢獻(xiàn)在固體表面自由能中所占比例較小，但極性成分的官能團(tuán)能與顆粒物中極性成分相互吸引.

表1 典型植物樹葉特征

2.2 不同葉面對(duì)顆粒物的滯留率差異

植物的滯塵能力用顯微分析系統(tǒng)中所選區(qū)內(nèi)粉塵投影面積與選區(qū)的面積比來(lái)表示，即遮光比，圖1為5種典型植物滯留顆粒物的能力.不同葉面滯塵能力有所波動(dòng)，常綠喬木桂花樹滯塵能力最強(qiáng)(2.37%)，常綠灌木紅檵木次之(1.52%)，落葉喬木楓楊最弱(1.05%)，故對(duì)于降低顆粒物污染、保障粉塵重污染區(qū)的公眾安全而言，桂花樹、紅檵木等常綠、滯留粉塵能力強(qiáng)的植物更適合.滯留無(wú)機(jī)物能力由大到小排序?yàn)椋汗鸹?、紅檵木、珊瑚樹、樟樹、楓楊，其中桂花樹滯留無(wú)機(jī)物能力最強(qiáng)(1.8%)，其次為紅檵木(1.2%)，滯留有機(jī)物能力由大到小排序?yàn)椋汗鸹?、樟樹、珊瑚樹、紅檵木、楓楊，其中桂花樹滯留有機(jī)物能力最強(qiáng)，而樟樹滯留的PM(有機(jī)物)/PM(無(wú)機(jī)物)的比值最大，大部分植物滯留無(wú)機(jī)物的能力大于有機(jī)物.

圖1 典型植物滯塵能力Fig.1 The dust-retention ability of typical plants

2.3 不同葉面滯留顆粒物的粒徑分布

根據(jù)大氣氣溶膠的直徑分類標(biāo)準(zhǔn)和不同粒徑粉塵對(duì)人類危害差別，對(duì)粒徑在 0～100 μm范圍內(nèi)的顆粒物進(jìn)行研究，其中PM10能被人直接吸入呼吸道，而PM2.5更甚，故將粒徑分為0～2.5 μm、2.5～10 μm、10～100 μm 3個(gè)粒徑級(jí)別；為了分析植物對(duì)不同性質(zhì)顆粒物吸附的趨向性，對(duì)5種植物在觀察區(qū)內(nèi)吸附的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物在3個(gè)粒徑級(jí)別的顆粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3.

圖2 典型植物黏附有機(jī)顆粒物粒徑分布Fig.2 The granulometric distribution of organicparticles adherent to typical plants

圖3 典型植物黏附無(wú)機(jī)顆粒物粒徑分布Fig.3 The granulometric distribution of inorganicparticles adherent to typical plants

5種植物滯留的無(wú)機(jī)物主要在粒徑0～2.5 μm范圍內(nèi)，PM<2.5(無(wú)機(jī)物)占PMall(無(wú)機(jī)物)59.0%～79.6%，滯留PM2.5(無(wú)機(jī)物)能力最強(qiáng)的為桂花樹(1 260顆)、紅檵木(1 140顆)，最少的為楓楊(130顆)；PM>10(無(wú)機(jī)物)占PMall(無(wú)機(jī)物)的9.3%～31.7%，紅檵木粘附PM>10(無(wú)機(jī)物)最少(141顆)，珊瑚樹最多(257顆)，樟樹PM>10(無(wú)機(jī)物)/PMall(無(wú)機(jī)物)為31.6%,占比最大.5種植物滯留有機(jī)物的粒徑范圍有差異，桂花樹(532顆)、樟樹(214顆)在0～2.5 μm、10～100 μm粒徑范圍內(nèi)PM(有機(jī)物)數(shù)量與占PMall(有機(jī)物)的90%以上，楓楊滯留的PM2.5(有機(jī)物) 占PMall(有機(jī)物)最多，占比55.2%.

葉面滯留PM2.5/PMall的比值范圍為54.5%～76.5%，PM2.5～10/PMall的比值范圍為13.3%～20.2%，PM>10/PMall的比值范圍為11.8%～31.7%，樟樹滯留PM>10/PMall比值最大(31.7%)，其次為桂花樹，紅檵木滯留PM>2.5/PMall比值最大(76.5%).

2.4 葉面滯留顆粒物的黏附力分析

顆粒物隨氣流擴(kuò)散到樹葉表面時(shí)會(huì)發(fā)生慣性碰撞，偏離氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡的小粒徑顆粒物由無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)撞在葉面上，氣流流過(guò)葉面暫時(shí)停留的顆粒物數(shù)量與葉面角度分布、葉面幾何尺寸密切相關(guān)，葉面周長(zhǎng)大，葉面幾何尺寸大，即單位接觸面大的葉面較容易滯留顆粒物，不同葉面結(jié)構(gòu)、樹葉尺寸捕獲顆粒物能力不同.顆粒物被葉面捕獲后是停留在葉面上，還是因氣流作用而被帶離，與它們之間的粘附力FP密切相關(guān).葉面吸附顆粒物的黏附力FP主要為靜電力FE、范德華力Fa、毛細(xì)作用力Fe、氫鍵力FH、化學(xué)作用力Fc[13]：

FP=∑Fi=Fa+FE+Fe+FH+Fc

(1)

范德華力(Fa)是普遍存在的力, 大部分顆粒黏附都是由于它的作用，顆粒物與葉面間范德華力為[14]：

(2)

式中：dP為顆粒直徑(μm)；x0為顆粒物與葉面間距離(nm)；A為范德華(Hamaker)常數(shù)；z0為葉面的粗糙度(nm)；r為零平面位移(nm)，隨植物類別和季節(jié)而變化.葉面表面物理性質(zhì)z0、r可用原子力顯微鏡AFM測(cè)量[15-16].

葉面與顆粒物吸附的時(shí)間越長(zhǎng)，x0越小顆粒物越難脫離，即葉面粘附顆粒物的時(shí)間越長(zhǎng)(長(zhǎng)時(shí)間不下雨，無(wú)風(fēng)天氣情況)，越難被雨、氣流等因素去除，植物滯塵能力也會(huì)變差，故在冬季粉塵污染較嚴(yán)重的地區(qū)需對(duì)葉面噴灑，恢復(fù)植物的滯塵能力；顆粒物的粒徑越大，越容易被葉面粗糙度小的葉面黏附，但由于大顆粒重力大于范德華力，故易在外力作用下脫離葉面；房瑤瑤等[19]研究結(jié)果認(rèn)為雖葉片表面粗糙度越大其單位面積飽和滯納量越大，但單位葉面積PM10的飽和滯納量與葉片的粗糙度呈顯著負(fù)相關(guān)，而PM2.5無(wú)顯著相關(guān)，故大顆粒易因范德華力吸附在樟樹、楓楊等無(wú)特殊結(jié)構(gòu)的葉面，樟樹滯留PM>10/PMall的比值最大，為31.7%.

靜電力(FE)[18]存在于帶電的顆粒物與葉面之間.氣溶膠的微粒都帶電，氣溶膠一般在晴朗、干燥的天氣帶有微小電量的正電荷，空間電子量為104～106C/m3.地面的植物一般帶有與周邊環(huán)境積累電荷量相等、電量相反的負(fù)電荷，良好天氣地表的電場(chǎng)平均為100 V/m，日變量為20%.帶電氣溶膠所受的靜電力為：

(3)

式中：Q為顆粒物的電量(C)，E0為平均電場(chǎng)100 V/m，h為離地面高度(m)，r1為顆粒物與植物中心位置的距離(m)，A為樹冠半徑(m).天氣、空氣電導(dǎo)率、污染物濃度、空間電量變化時(shí)會(huì)使電場(chǎng)的大小和電極改變植物上的電荷分布不是均勻的，大部分分布在植物突出的部分(如樹枝的頂部、樹葉邊緣)，植物的電場(chǎng)一般比周邊環(huán)境的電場(chǎng)大點(diǎn)(>100 V/m).良好天氣下空氣中正離子顆粒物被靜電力吸附到植物表面，而負(fù)離子顆粒物則被排斥，靜電作用有利于葉面在干燥的冬季滯塵，但冬季雨水較少，葉面滯塵飽和后滯塵能力會(huì)大幅度降低.

毛細(xì)作用力(Fe)與大氣中水分子吸附在固體表面形成多層吸附水分子膜的毛細(xì)作用有關(guān).由于空氣的潮濕，在兩個(gè)接觸物體間的間隙里可產(chǎn)生水蒸汽的凝結(jié)，在間隙中形成的這種彎月面將微粒拉向葉面.毛細(xì)作用力(Fe)[19-20]為：

(4)

式中：γiv為液體的表面張力(N/m)，對(duì)于水，γiv=72×10-3N/m；θ為顆粒物與液體的接觸角(°).θ越小、有凹槽的葉面、顆粒物越大與葉面的毛細(xì)作用力越大，越易吸附顆粒物，在下雨天也更容易被雨水濕潤(rùn)而帶走粉塵.在濕度相對(duì)大的環(huán)境中，葉面間隙形成的彎月面對(duì)顆粒物吸引力，毛細(xì)力比范德華力要大得多，故有溝狀組織、氣孔等不單可以鑲嵌住微細(xì)顆粒物，還可以利用毛細(xì)作用力吸附大顆粒物，文獻(xiàn)[21-22]等測(cè)定油松、女貞、珊瑚樹和三葉草葉面的滯塵量及濕潤(rùn)度對(duì)其的影響發(fā)現(xiàn)葉面積最小且易潤(rùn)濕的油松葉面滯塵量最高，在濕潤(rùn)環(huán)境中桂花樹、紅檵木、珊瑚樹滯塵能力增強(qiáng)；楓楊雖濕潤(rùn)度低，但表面無(wú)特殊結(jié)構(gòu)，無(wú)間隙中形成彎月面結(jié)構(gòu)，毛細(xì)作用力低.

氫鍵力(FH)與范德華力的最大差別是有飽和性和方向性，鍵能在一般大氣中顆粒物的組成非常復(fù)雜，大氣中顆粒物的組成非常復(fù)雜，其表面極性官能團(tuán)能與葉片表面的-OH、-COOH、-CHO等極性官能團(tuán)相互作用[23]，極性分量對(duì)葉片滯塵能力的影響是不可忽視的，如在交通車輛輪胎磨損和尾氣排放的Zn、Pb、Cu等重金屬化合物與葉面的官能團(tuán)(如茶樹含有酚類化合物)或樹葉的分泌物中的羧基和酚類等基團(tuán)之間形成分子間氫鍵，即環(huán)氧樹脂與金屬之間形成的氫鍵聯(lián)接，金屬氧化物(Me+O-)與羧基H(δ+)COOC-R的配位反應(yīng)；另一種氫鍵力為疏水基之間的作用力，植物葉片靠分泌的油脂等特殊分泌物或表面蠟質(zhì)吸附大氣顆粒物中的疏水性物質(zhì)，如有機(jī)污染物黏附在葉片上不易被雨水沖刷掉主要是依靠有機(jī)污染物 (多環(huán)芳烴、苯酚類、硝基芳香烴類、多環(huán)芳烴類)和油脂(蠟質(zhì)脂肪族化合物、環(huán)狀化合物以及羥基脂肪酸等疏水基團(tuán))形成的引力作用，疏水作用力是指疏水基團(tuán)相互接近而形成的一種短期作用力，主要是氫鍵作用[24]，比范德華力大，疏水引力為：

(5)

式中：f0為疏水相互作用能量常數(shù)，λ0為衰減長(zhǎng)度(nm).顆粒的潤(rùn)濕接觸角越大，f0和λ0的數(shù)值就越大，故樟樹等葉面帶有疏水性基團(tuán)的葉面易滯留有機(jī)顆粒物.

化學(xué)鍵力(Fc)指在顆粒物和表面之間形成化學(xué)鍵后的結(jié)合力，有些植物表面存在粘液，與顆粒物之間產(chǎn)生某種化學(xué)作用，如油松能夠分泌較多油脂，化學(xué)鍵作用力大，粉塵通過(guò)化學(xué)鍵力黏附后脫離需要較大力，但只存在少數(shù)葉面.

本次試驗(yàn)的葉面不存在粘液故不考慮其影響.故顆粒物間的吸附作用力FP為：

(6)

從式(6)中可以看出，影響顆粒物與葉面黏附力的主要因素有：顆粒物直徑，葉面的尺寸、粗糙度、表面官能團(tuán)、帶電性、與水的接觸角，空氣濕度、溫度、葉面與顆粒物接觸面積、距離等.

葉面與顆粒間的黏附力越大, 則吸附的顆粒物越多，滯塵能力越強(qiáng)，但一般情況下顆粒物與葉面間作用力并非同時(shí)存在，在不同的環(huán)境下有一種或幾種力聯(lián)合作用，如在晴朗的天氣，F(xiàn)P主要為Fa、FE，而在潮濕的天氣中，F(xiàn)P主要為Fa、Fe、FH.以上分析主要針對(duì)一種情況而沒(méi)考慮葉面角度問(wèn)題，實(shí)際上樹葉都有一定的葉傾角，顆粒物在重力作用下發(fā)生向下的滑動(dòng)力，特別是大顆粒物，雖大顆粒的范德華力、毛細(xì)作用力在同種樹葉中作用力大，但重力產(chǎn)生的向下滑動(dòng)力也會(huì)造成顆粒物脫離葉面，而小顆粒物重力小、且容易鑲嵌在特殊結(jié)構(gòu)中而占優(yōu)勢(shì)，故葉面滯留PM2.5數(shù)量多，顆粒物最容易撞擊并滯留在濕潤(rùn)、粗糙或帶電且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的葉面.

3 結(jié) 論

1) 5種典型植物中滯留總顆粒物能力由大到小的排序?yàn)椋汗鸹?紅檵木>珊瑚樹>樟樹>楓楊，大部分植物滯留無(wú)機(jī)物的能力大于有機(jī)物，桂花樹、紅檵木滯留無(wú)機(jī)物能力強(qiáng)，樟樹、桂花樹滯留有機(jī)物能力強(qiáng).

2) 5種典型植物滯留無(wú)機(jī)物粒徑主要在粒徑0～2.5 μm范圍內(nèi)，桂花樹滯留PM2.5(無(wú)機(jī)物)能力最強(qiáng)，楓楊最少；滯留有機(jī)物的粒徑范圍不同植物有較大差異，其中楓楊滯留的PM2.5中有機(jī)物成分占比最多，為55.2%.

3) 不同葉面滯留顆粒物的差異性與它們之間的黏附力息息相關(guān)，它們間的黏附力中范德華力、毛細(xì)作用力、氫鍵力、化學(xué)作用力等受葉面的微表面結(jié)構(gòu)影響較大，而靜電力主要與氣候、顆粒物性質(zhì)、植物樹冠等因素相關(guān)；影響葉面滯留顆粒物的微觀因素有：葉片的尺寸，葉柄的長(zhǎng)度、葉面的粗糙度、零平面位移、表面官能團(tuán)、分泌物、帶電性、接觸角、凹槽，顆粒物帶電性、粒徑大小、密度、化學(xué)性質(zhì)等.

4) 在晴朗的天氣中，無(wú)分泌物葉面的黏附力和吸附力主要為范德華力Fa、靜電力FE.粗糙度小、零平面位移小的葉面與顆粒物間范德華力大，顆粒物易被吸附到葉面，故晴朗的天氣條件下顆粒物不易從葉面脫離；樟樹等無(wú)特殊結(jié)構(gòu)的葉面，主要靠范德華力黏附大顆粒物，故樟樹滯留PM>10占PMall比重最大.在靜電力作用下，植物突出的部分易吸附正離子顆粒物，樟樹跟楓楊葉面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，都無(wú)特殊結(jié)構(gòu)，但樟樹因疏水基團(tuán)比楓楊更易吸附有機(jī)物；在潮濕的天氣中，葉面與顆粒物的黏附力范德華力Fa、毛細(xì)作用力Fe、氫鍵力FH，易濕潤(rùn)的、有凹槽的葉面與顆粒物間毛細(xì)作用力大；有-OH、-COOH、-CHO等極性官能團(tuán)、疏水基的葉面更易吸附疏水性的有機(jī)顆粒物，因毛細(xì)作用力的存在，在潮濕的天氣植物的滯塵能力更強(qiáng).