园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律

2014-05-08赵松婷李新宇李延明

生态环境学报 2014年2期

赵松婷，李新宇，李延明

北京市园林科学研究院，园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室，北京 100102

随着社会经济的迅速发展，北京的大气环境问题愈来愈突出。北京市是我国燃煤和机动车尾气排放造成的混合型大气污染比较严重的城市之一，同时受风沙危害较重，造成北京市的浮尘扬沙天气，致使北京上空产生的大气颗粒物是北京市大气污染的首要污染物（高金晖，2007；陈自新等，1998）。在目前尚不能完全依赖污染源治理以解决环境问题下，借助自然界的清除机制是缓解城市大气污染压力的有效途径，城市园林绿化就是其一（王赞红和李纪标，2006）。

目前，国内外学者在园林植物滞留大气颗粒物机理和改善城市环境等方面进行了一些开拓性的工作（Ottel等，2010；Wang等，2006；Nowak等，2006；Beckett等，2000；Little，1977；Pal等，2002；Beckett等，1998；邱媛等，2008）。北京等几个北方城市主要园林植物单位面积叶片滞留大气颗粒物重量测定结果已有少量报道，影响因素（例如叶

表面微形态）也有初步探讨（高金晖等，2007；陈玮等，2003；王蕾等，2007；于志会等，2012；柴一新等，2002；李海梅和刘霞，2008；郭伟等，2010；刘任涛等，2008）。但这些研究大多集中于TSP(Dp≤100 μm)或 PM10(Dp≤10 μm)，关于植物滞留细颗粒物PM2.5(Dp≤2.5 μm)的研究较少，并且关于植被对 PM2.5的阻滞和吸收作用仍没有定量化的研究，只有少量的关于不同植被对 PM2.5等颗粒物的阻滞和吸附的定性研究，园林植物对 PM2.5的削减作用到底有多大，如何才能更有效的的发挥园林植物降低 PM2.5污染的重要功能，这些还缺少必要的研究和总结。本研究在北京城区选择常用园林植物5种乔木和4种灌木，对选定的9种常用园林植物进行植物叶片滞留不同粒径颗粒物尤其是细颗粒物的规律和特征分析，提炼出园林植物应对 PM2.5污染的基础研究成果，为应对 PM2.5污染的城市绿地建设提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试植物种

本研究在北京城区选择常用园林树种9种，其中包括5种乔木：绦柳（Salix matsudana f.pendula）、国槐（Sophora japonica）、钻石海棠（Malus yunnanensis cv.Sparkler）、杂交马褂木（Liriodendron chinense ×L. tulipifera）和银杏（Ginkgo biloba）；4种灌木：大叶黄杨（Euonymus japonicus）、金叶女贞（Ligustrum×vicaryi）、小叶黄杨（Buxus microphylla）和月季（Rosa chinensis），每种植物均选择生长状况良好的成年植株。9种园林植物材料均采自同一区域内，避免不同环境条件下大气污染不同带来的误差。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与测定

一般认为，15 mm的降雨量就可以冲掉植物叶片的降尘，然后重新滞尘（张新献等，1997）。于2012年夏季雨后（雨量>15 mm）5 d、雨后（雨量>15 mm）10 d对选好的树种依据其自身特点从上、中、下不同高度采集叶片，乔木的纵向高度差距在 75 cm以上，灌木的纵向高度差距在25 cm以上，采集时选择生长状态良好且具有代表性的叶片，并同时立即将叶片封存于干净塑封袋中以防挤压或叶毛被破坏。

1.2.2 叶片表面的电镜扫描

本研究采用 Hitachi台式 TM3000电镜观测叶片表面，每一观测叶片均是在叶片上随机裁剪的直径小于70 mm的部分叶片，选择TM3000电镜电压15 KV，观测模式为分析模式，放大倍数为 1200倍，存储格式为TIFF。

1.2.3 颗粒物统计分析

对观测影像上叶片颗粒物进行提取，首先利用Photoshop等软件对影像进行增强处理，提取出颗粒物的栅格图像，再利用 ArcGIS等软件对处理后的影像进行二值化、重分类等处理，提取出叶面颗粒物的矢量图像，并做进一步统计分析处理（王蕾等，2006），得出颗粒物的不同粒径分布情况。具体流程如图1所示。

2 结果分析

2.1 植物滞留不同粒径大气颗粒物的分布特征分析

利用ArcGIS地理信息系统软件对电镜图像进行处理，提取出叶面颗粒物的矢量图像，并做进一步统计分析处理。

2.1.1 叶表面颗粒物的数量-粒度分布

由图2可以看出，在相同观测叶面积下，5种乔木和4种灌木叶面颗粒物主要是PM10，在叶片表面占颗粒物总数的平均比例均为 98%以上，PM2.5均在90%以上，9种树种叶表面滞留粗颗粒物的数量对总体数量的贡献非常小，均在2%以下。

2.1.2 叶表面颗粒物的体积-粒度分布

体积-粒度分布在一定程度上反映了颗粒物的质量-粒度分布，并能进一步反映不同树种滞留颗粒物能力的大小。与叶片表面颗粒物的数量分布不同，虽然Dp>10 μm（粗颗粒物）范围内的颗粒物对总体数量的贡献非常小，但这一粒径范围的颗粒物对体积的贡献较大，9种树种粗颗粒物的体积百分比均在20%以上，其中大叶黄杨的粗颗粒物百分比最高，达到了49%，小叶黄杨仅次大叶黄杨，为45%，说明大叶黄杨和小叶黄杨滞留粗颗粒物的能力较强；而在总体数量上贡献较大的 Dp≤2.5 μm（PM2.5）范围内的颗粒物对体积的贡献最小，9种树种在8.5%-17.6%之间，除月季以外9种园林植物滞留 PM2.5时表时现出乔木比灌木的滞留能力强，这与PM2.5自身特点有关，粒径小，悬浮于空气中，更易被较高树木叶片吸附和滞留；9种园林植物叶片滞留PM10的体积在总体积中的比例在50%以上，对颗粒物总体积贡献最大。

2.1.3 叶表面颗粒物特征分析

由于园林植物个体叶表面特性的差异，对大气颗粒物滞留能力也不同，图4是9种园林植物上层叶片滞留颗粒物形态的电镜图像。从图像中可以清晰地看出叶片颗粒物形状为不规则块体、球体和聚合体，粒度小于 10 μm居多，其中大叶黄杨和小叶黄杨表层有蜡质，容易滞留颗粒物，国槐叶表面褶皱多且有较多腺毛，有助于颗粒物的滞留，而绦柳叶片表面有较宽的条状突起，突起间分布着气孔与较浅的纹理组织这样的微形态结构不利于颗粒物稳定固着。

图1 观测影像颗粒物提取流程图Fig.1 The flow chart of extracting particulate matter on observation images

图2 5种乔木和4种灌木叶表面颗粒物不同粒径数量分布情况Fig.2 The quantitative distribution of particulate matter in different sizes on leaf surface of 5 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

图3 5种乔木和4种灌木叶表面颗粒物不同粒径体积百分比Fig.3 The volume percent of particulate matter in different sizes on leaf surface of 5 kinds of trees and 4 kinds of shrubs

通过对比分析得出，滞留大气颗粒物能力由高到低的微形态结构依次是蜡质结构>绒毛>沟槽>条状突起；并且这些微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物。

2.2 累积滞尘规律分析

2.2.1 叶表面滞留颗粒物数量累积比较

如表 1所示，在相同观测叶面积下，园林植物滞尘10 d之后叶表面颗粒物数量均有所增加，增幅最大的是小叶黄杨，颗粒物总颗数增加了3.6倍，其次是大叶黄杨，增加了2.5倍，增幅最小的是月季，滞尘10 d的叶表面颗粒物总颗数仅为滞尘5 d时的1.06倍，两次滞尘叶表面滞留颗粒物数量最少的均为绦柳，可能与绦柳叶片的表面结构特点、着生方式和易受风等因素影响有关。在相同观测叶面积下，滞尘10 d后9种园林植物叶表面滞留 PM2.5的数量变化趋势与叶表面滞留总颗粒物的数量变化趋势基本一致，两次滞尘结果均显示叶表面滞留 PM2.5的数量对叶表面滞留总颗粒物的数量贡献较大。

通过对9种园林植物滞尘10 d后的叶表面颗粒物数量进行方差分析与多重比较发现，在相同观测叶面积下，不同树种滞留不同粒径的颗粒物数量有所差异，由大到小排序：大叶黄杨>小叶黄杨>国槐>钻石海棠>杂交马褂木>金叶女贞>月季>银杏>绦柳，其中，绦柳在滞留TSP、PM10和PM2.5时颗粒物数量显著低于除银杏之外的其它7种树种，大叶黄杨、小叶黄杨和国槐叶表面滞留颗粒物的数量较多，并且显著高于月季、银杏和绦柳叶表面滞留的颗粒物数量（如表2）。

图4 9种植物上层叶表面颗粒物形态环境扫描电镜图像Fig.4 The SEM images of particulate matter morphology on leaf surface of 9 kinds of plants

表1 园林植物滞留颗粒物5 d和10 d的数量统计表Table 1 Quantitative statistical tables of particulate matter

2.2.2 颗粒物总面积占观测叶面积比例累积比较

由图5可以看出，滞留10 d后8种园林植物叶片颗粒物总面积均未超过观测叶面积的25%，8种园林植物叶面颗粒物总面积均增加，增幅最大的是小叶黄杨，滞尘10 d后达到23.6%，增幅最小的是绦柳，仅达到9.8%。

3 结论与讨论

3.1 讨论

北京市的空气质量多处在轻微污染，影响空气质量的主要是颗粒物即降尘和飘尘。北京市适生的园林树种滞尘能力有较大的差异，选择滞尘能力强的树种可以产生较大的滞尘效益。

通过分析得出，叶片滞留大气颗粒物的能力与叶片的微型态结构有关，对每一种植物进行深一步的微观了解，可以有助于滞尘树种的选择。由于园林植物个体叶表面特性的差异，叶片具有表面蜡质结构、表面粗糙、多皱、叶面多绒毛、分泌黏性的油脂和汁液等特性的园林植物能吸附大量的降尘和飘尘。滞留大气颗粒物能力由高到低的微形态结构依次是蜡质结构>绒毛>沟槽>条状突起；并且这些微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物。因此，对于有利于附着细颗粒物的树种，可在以飘尘为主的城市推广此树种，而有利于附着粗颗粒的树种，可以在以降尘为主的城市推广此树种。如果在城市中种植滞尘能力强的树种，再进行合理的结构设计，则对减轻城市中各种颗粒物的污染具有重要意义。

表2 9种园林植物滞尘10 d叶表面颗粒物数量均值、方差分析与多重比较Table 2 Average value, ANOVA and ANOVA-LSD of particulate matter quantity on 9 plants leaf surface

3.2 结论

通过对园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征和规律进行分析可知：园林植物叶片表面滞留颗粒物大部分为 PM10，占 98%以上，说明园林植物可以对大气可吸入颗粒物起到很好的过滤效应，有利于人体呼吸健康；9种园林植物叶片滞留的PM10对颗粒物总体积贡献最大，PM2.5对体积的贡献最小，除月季以外，8种园林植物滞留 PM2.5时表现出乔木比灌木的滞留能力强；在相同叶面积下，滞尘10 d后9种园林植物叶表面滞留不同粒径颗粒物数量较滞尘5 d的叶表面颗粒物数量均有所增加，方差分析结果表明绦柳滞留的颗粒物数量显著低于除银杏之外的其它7种树种，大叶黄杨、小叶黄杨和国槐叶表面滞留颗粒物的数量较多，并且显著高于月季、银杏和绦柳叶表面滞留的颗粒物数量；滞留10 d后9种园林植物叶片颗粒物总面积均未超过观测叶面积的25%，至于叶片持续滞留颗粒物多少天后达到饱和状态仍需进一步研究。

图5 4种乔木和4种灌木观测叶表面颗粒物总面积占观测叶面积比例累积比较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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