園林植物滯留不同粒徑大氣顆粒物的特征及規律

趙松婷，李新宇，李延明

北京市園林科學研究院，園林綠地生態功能評價與調控技術北京市重點實驗室，北京 100102

隨著社會經濟的迅速發展，北京的大氣環境問題愈來愈突出。北京市是我國燃煤和機動車尾氣排放造成的混合型大氣污染比較嚴重的城市之一，同時受風沙危害較重，造成北京市的浮塵揚沙天氣，致使北京上空產生的大氣顆粒物是北京市大氣污染的首要污染物（高金暉，2007；陳自新等，1998）。在目前尚不能完全依賴污染源治理以解決環境問題下，借助自然界的清除機制是緩解城市大氣污染壓力的有效途徑，城市園林綠化就是其一（王贊紅和李紀標，2006）。

目前，國內外學者在園林植物滯留大氣顆粒物機理和改善城市環境等方面進行了一些開拓性的工作（Ottel等，2010；Wang等，2006；Nowak等，2006；Beckett等，2000；Little，1977；Pal等，2002；Beckett等，1998；邱媛等，2008）。北京等幾個北方城市主要園林植物單位面積葉片滯留大氣顆粒物重量測定結果已有少量報道，影響因素（例如葉

表面微形態）也有初步探討（高金暉等，2007；陳瑋等，2003；王蕾等，2007；于志會等，2012；柴一新等，2002；李海梅和劉霞，2008；郭偉等，2010；劉任濤等，2008）。但這些研究大多集中于TSP(Dp≤100 μm)或 PM10(Dp≤10 μm)，關于植物滯留細顆粒物PM2.5(Dp≤2.5 μm)的研究較少，并且關于植被對 PM2.5的阻滯和吸收作用仍沒有定量化的研究，只有少量的關于不同植被對 PM2.5等顆粒物的阻滯和吸附的定性研究，園林植物對 PM2.5的削減作用到底有多大，如何才能更有效的的發揮園林植物降低 PM2.5污染的重要功能，這些還缺少必要的研究和總結。本研究在北京城區選擇常用園林植物5種喬木和4種灌木，對選定的9種常用園林植物進行植物葉片滯留不同粒徑顆粒物尤其是細顆粒物的規律和特征分析，提煉出園林植物應對 PM2.5污染的基礎研究成果，為應對 PM2.5污染的城市綠地建設提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試植物種

本研究在北京城區選擇常用園林樹種9種，其中包括5種喬木：絳柳（Salix matsudana f.pendula）、國槐（Sophora japonica）、鉆石海棠（Malus yunnanensis cv.Sparkler）、雜交馬褂木（Liriodendron chinense ×L. tulipifera）和銀杏（Ginkgo biloba）；4種灌木：大葉黃楊（Euonymus japonicus）、金葉女貞（Ligustrum×vicaryi）、小葉黃楊（Buxus microphylla）和月季（Rosa chinensis），每種植物均選擇生長狀況良好的成年植株。9種園林植物材料均采自同一區域內，避免不同環境條件下大氣污染不同帶來的誤差。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測定

一般認為，15 mm的降雨量就可以沖掉植物葉片的降塵，然后重新滯塵（張新獻等，1997）。于2012年夏季雨后（雨量>15 mm）5 d、雨后（雨量>15 mm）10 d對選好的樹種依據其自身特點從上、中、下不同高度采集葉片，喬木的縱向高度差距在 75 cm以上，灌木的縱向高度差距在25 cm以上，采集時選擇生長狀態良好且具有代表性的葉片，并同時立即將葉片封存于干凈塑封袋中以防擠壓或葉毛被破壞。

1.2.2 葉片表面的電鏡掃描

本研究采用 Hitachi臺式 TM3000電鏡觀測葉片表面，每一觀測葉片均是在葉片上隨機裁剪的直徑小于70 mm的部分葉片，選擇TM3000電鏡電壓15 KV，觀測模式為分析模式，放大倍數為 1200倍，存儲格式為TIFF。

1.2.3 顆粒物統計分析

對觀測影像上葉片顆粒物進行提取，首先利用Photoshop等軟件對影像進行增強處理，提取出顆粒物的柵格圖像，再利用 ArcGIS等軟件對處理后的影像進行二值化、重分類等處理，提取出葉面顆粒物的矢量圖像，并做進一步統計分析處理（王蕾等，2006），得出顆粒物的不同粒徑分布情況。具體流程如圖1所示。

2 結果分析

2.1 植物滯留不同粒徑大氣顆粒物的分布特征分析

利用ArcGIS地理信息系統軟件對電鏡圖像進行處理，提取出葉面顆粒物的矢量圖像，并做進一步統計分析處理。

2.1.1 葉表面顆粒物的數量-粒度分布

由圖2可以看出，在相同觀測葉面積下，5種喬木和4種灌木葉面顆粒物主要是PM10，在葉片表面占顆粒物總數的平均比例均為 98%以上，PM2.5均在90%以上，9種樹種葉表面滯留粗顆粒物的數量對總體數量的貢獻非常小，均在2%以下。

2.1.2 葉表面顆粒物的體積-粒度分布

體積-粒度分布在一定程度上反映了顆粒物的質量-粒度分布，并能進一步反映不同樹種滯留顆粒物能力的大小。與葉片表面顆粒物的數量分布不同，雖然Dp>10 μm（粗顆粒物）范圍內的顆粒物對總體數量的貢獻非常小，但這一粒徑范圍的顆粒物對體積的貢獻較大，9種樹種粗顆粒物的體積百分比均在20%以上，其中大葉黃楊的粗顆粒物百分比最高，達到了49%，小葉黃楊僅次大葉黃楊，為45%，說明大葉黃楊和小葉黃楊滯留粗顆粒物的能力較強；而在總體數量上貢獻較大的 Dp≤2.5 μm（PM2.5）范圍內的顆粒物對體積的貢獻最小，9種樹種在8.5%-17.6%之間，除月季以外9種園林植物滯留 PM2.5時表時現出喬木比灌木的滯留能力強，這與PM2.5自身特點有關，粒徑小，懸浮于空氣中，更易被較高樹木葉片吸附和滯留；9種園林植物葉片滯留PM10的體積在總體積中的比例在50%以上，對顆粒物總體積貢獻最大。

2.1.3 葉表面顆粒物特征分析

由于園林植物個體葉表面特性的差異，對大氣顆粒物滯留能力也不同，圖4是9種園林植物上層葉片滯留顆粒物形態的電鏡圖像。從圖像中可以清晰地看出葉片顆粒物形狀為不規則塊體、球體和聚合體，粒度小于 10 μm居多，其中大葉黃楊和小葉黃楊表層有蠟質，容易滯留顆粒物，國槐葉表面褶皺多且有較多腺毛，有助于顆粒物的滯留，而絳柳葉片表面有較寬的條狀突起，突起間分布著氣孔與較淺的紋理組織這樣的微形態結構不利于顆粒物穩定固著。

圖1 觀測影像顆粒物提取流程圖Fig.1 The flow chart of extracting particulate matter on observation images

圖2 5種喬木和4種灌木葉表面顆粒物不同粒徑數量分布情況Fig.2 The quantitative distribution of particulate matter in different sizes on leaf surface of 5 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

圖3 5種喬木和4種灌木葉表面顆粒物不同粒徑體積百分比Fig.3 The volume percent of particulate matter in different sizes on leaf surface of 5 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

通過對比分析得出，滯留大氣顆粒物能力由高到低的微形態結構依次是蠟質結構>絨毛>溝槽>條狀突起；并且這些微形態結構越密集、深淺差別越大，越有利于滯留大氣顆粒物。

2.2 累積滯塵規律分析

2.2.1 葉表面滯留顆粒物數量累積比較

如表 1所示，在相同觀測葉面積下，園林植物滯塵10 d之后葉表面顆粒物數量均有所增加，增幅最大的是小葉黃楊，顆粒物總顆數增加了3.6倍，其次是大葉黃楊，增加了2.5倍，增幅最小的是月季，滯塵10 d的葉表面顆粒物總顆數僅為滯塵5 d時的1.06倍，兩次滯塵葉表面滯留顆粒物數量最少的均為絳柳，可能與絳柳葉片的表面結構特點、著生方式和易受風等因素影響有關。在相同觀測葉面積下，滯塵10 d后9種園林植物葉表面滯留 PM2.5的數量變化趨勢與葉表面滯留總顆粒物的數量變化趨勢基本一致，兩次滯塵結果均顯示葉表面滯留 PM2.5的數量對葉表面滯留總顆粒物的數量貢獻較大。

通過對9種園林植物滯塵10 d后的葉表面顆粒物數量進行方差分析與多重比較發現，在相同觀測葉面積下，不同樹種滯留不同粒徑的顆粒物數量有所差異，由大到小排序：大葉黃楊>小葉黃楊>國槐>鉆石海棠>雜交馬褂木>金葉女貞>月季>銀杏>絳柳，其中，絳柳在滯留TSP、PM10和PM2.5時顆粒物數量顯著低于除銀杏之外的其它7種樹種，大葉黃楊、小葉黃楊和國槐葉表面滯留顆粒物的數量較多，并且顯著高于月季、銀杏和絳柳葉表面滯留的顆粒物數量（如表2）。

圖4 9種植物上層葉表面顆粒物形態環境掃描電鏡圖像Fig.4 The SEM images of particulate matter morphology on leaf surface of 9 kinds of plants

表1 園林植物滯留顆粒物5 d和10 d的數量統計表Table 1 Quantitative statistical tables of particulate matter

2.2.2 顆粒物總面積占觀測葉面積比例累積比較

由圖5可以看出，滯留10 d后8種園林植物葉片顆粒物總面積均未超過觀測葉面積的25%，8種園林植物葉面顆粒物總面積均增加，增幅最大的是小葉黃楊，滯塵10 d后達到23.6%，增幅最小的是絳柳，僅達到9.8%。

3 結論與討論

3.1 討論

北京市的空氣質量多處在輕微污染，影響空氣質量的主要是顆粒物即降塵和飄塵。北京市適生的園林樹種滯塵能力有較大的差異，選擇滯塵能力強的樹種可以產生較大的滯塵效益。

通過分析得出，葉片滯留大氣顆粒物的能力與葉片的微型態結構有關，對每一種植物進行深一步的微觀了解，可以有助于滯塵樹種的選擇。由于園林植物個體葉表面特性的差異，葉片具有表面蠟質結構、表面粗糙、多皺、葉面多絨毛、分泌黏性的油脂和汁液等特性的園林植物能吸附大量的降塵和飄塵。滯留大氣顆粒物能力由高到低的微形態結構依次是蠟質結構>絨毛>溝槽>條狀突起；并且這些微形態結構越密集、深淺差別越大，越有利于滯留大氣顆粒物。因此，對于有利于附著細顆粒物的樹種，可在以飄塵為主的城市推廣此樹種，而有利于附著粗顆粒的樹種，可以在以降塵為主的城市推廣此樹種。如果在城市中種植滯塵能力強的樹種，再進行合理的結構設計，則對減輕城市中各種顆粒物的污染具有重要意義。

表2 9種園林植物滯塵10 d葉表面顆粒物數量均值、方差分析與多重比較Table 2 Average value, ANOVA and ANOVA-LSD of particulate matter quantity on 9 plants leaf surface

3.2 結論

通過對園林植物滯留不同粒徑大氣顆粒物的特征和規律進行分析可知：園林植物葉片表面滯留顆粒物大部分為 PM10，占 98%以上，說明園林植物可以對大氣可吸入顆粒物起到很好的過濾效應，有利于人體呼吸健康；9種園林植物葉片滯留的PM10對顆粒物總體積貢獻最大，PM2.5對體積的貢獻最小，除月季以外，8種園林植物滯留 PM2.5時表現出喬木比灌木的滯留能力強；在相同葉面積下，滯塵10 d后9種園林植物葉表面滯留不同粒徑顆粒物數量較滯塵5 d的葉表面顆粒物數量均有所增加，方差分析結果表明絳柳滯留的顆粒物數量顯著低于除銀杏之外的其它7種樹種，大葉黃楊、小葉黃楊和國槐葉表面滯留顆粒物的數量較多，并且顯著高于月季、銀杏和絳柳葉表面滯留的顆粒物數量；滯留10 d后9種園林植物葉片顆粒物總面積均未超過觀測葉面積的25%，至于葉片持續滯留顆粒物多少天后達到飽和狀態仍需進一步研究。

圖5 4種喬木和4種灌木觀測葉表面顆粒物總面積占觀測葉面積比例累積比較Fig.5 The cumulative comparison of area ratio of particulate matter on leaf surface of 4 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

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