气象因子对城市植物叶面颗粒物的影响研究

查燕

摘要 城市植物可以有效阻滞颗粒物，改善空气质量。目前，国内外已经积累大量有关不同植物类型累积颗粒物差异性的研究，但是植物叶面滞留颗粒物的含量受到多种气象因子的影响。该研究分别从降雨、风速、行星边界层等角度，阐述了不同气象因子对植物叶面滞留颗粒物含量产生的影响。今后需要加强气候因子对叶面细颗粒物的去除机理研究，有利于了解颗粒物沉积于叶面的动态以及机制；在降雨因素方面应进行长期监测，充分掌握城市植物叶面颗粒物在降雨作用下的年变化量，有助于建立全面的城市植物滞留颗粒物含量数据库，为今后合理有效利用城市植物提供理论指导，同时为大气污染物与城市植物相互关系的深入研究提供新的思路。

关键词 城市植物；叶面颗粒物；气象因素

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-246-03

Abstract Urban plant can block particles effectively and improve air quality. At present domestic and overseas has accumulated a large number of studies of different plant type differences between accumulated particulate matter， but plant foliar stop particles content under the influence of various meteorological factors. This paper respectively from the aspects such as rainfall， wind speed， planetary boundary layer， expounds the effects of meteorological factors on different plant foliar stop the effects of particulate matter content. Need to strengthen in the future climate factor on leaf fine particle removal mechanism research， is helpful to understand particles deposit on the leaf of the dynamic and mechanism； In rainfall factors should carry on the longterm monitoring， fully grasp the city plant leaf particles under the influence of rainfall amount of annual change， help build a comprehensive urban plant stranded particles content database， rational and effective use of urban plants provide theoretical guidance for the future， at the same time for the further study of the relationship between air pollution and urban plant to provide new ideas.

Key words Urban plant； Foliar particles matter； Meteorological factors

大氣颗粒物（particulate matter，PM）一直是全球多数城市特别是发展中国家的首要污染物[1-2]，被广泛认定是对人体健康最有害的污染物之一[3-4]。一般按照颗粒物的空气动力学粒径将其分为4种类型：总悬浮颗粒物TSP、粗颗粒物PM10 （2.5～10.0 μm）、细颗粒PM2.5（0.1～2.5 μm）、超细颗粒物PM0.1（≤0.1 μm）[5]。城市中树木和灌木可以有效减轻大气污染[6-7]，城区各种植物积累颗粒物的效果和差别已有许多报导[5，8-9]。其主要来源于大气颗粒物的沉降，相关研究表明，植物叶面通过滞留（或停留）、附着和粘附3种方式吸附颗粒物[9-12]。城市不同植物滞留叶面颗粒物具有差异性，叶面特性是影响植物滞留颗粒物含量差异性的主要原因，同一叶片的上表皮和下表皮对颗粒物的滞留含量不同。Wang L等研究发现只有17%的颗粒物吸附在叶片底部[13]；Hwang等发现，法国梧桐叶片多毛的底面比光滑上表面更能有效捕捉颗粒物[14]，与Sb A等[12]发现具皱的叶片和多毛的叶片比光滑叶片能捕捉更多的颗粒物研究结论相似。此外，叶片大小并不与滞留颗粒物含量成正比，尽管松树叶片不具备绒毛或者粗糙表面的性质，实际上又长又窄的叶片特性比宽大扁平的叶片更容易击中大气中颗粒物[12]。Tiwary等用计算机模拟研究看出松针比实际中观察到的能累积两倍的颗粒物[15]，松柏类植物对颗粒物具有较强累积性的特征已被相关学者记载[11，16]，部分原因是由于松柏类植物对污染物具有敏感性。不同树种对不同粒径颗粒物的累积也具有差异性。Elisa Terzaghi等发现阔叶和针叶表面累积粒径范围在0.2～70.4 μm的颗粒物；更小粒径的颗粒物（<10.6 μm）甚至可以进入叶蜡组织[17]；通过比较山毛榉、橡树和银杏累积颗粒物的差异性，发现山毛榉具有较高滞留颗粒物的能力，银杏在整个生长季节收集的颗粒物数量最小，橡树呈现出累积颗粒物的含量随着年龄增长而增加的趋势[18]。通过上述研究证实城市植物具有吸附颗粒物，减少空气中颗粒物含量的能力，对空气质量起到改善作用。

但叶面特性只是影响植物滞留颗粒物的部分原因，在实际环境中叶面滞留颗粒物受到降雨、大风等天气状况的影响[19]。这些颗粒物会随着雾或者露水溶解，一些粒子会被雨水从叶片表面冲刷掉[20-21]，另一些粒子仍然残留在叶片表面[22]，结合相关研究表明叶面滞留颗粒物含量受气象因子影响的动态变化是一种复杂过程。为了深入了解气象因子对植物滞留颗粒物含量产生的影响，笔者从降雨、风速、行星边界层（PBL）等方面综述了气象因子对植物叶面颗粒物影响的研究进展，分析目前研究的重点和难点，为今后研究颗粒物沉积于叶面的动态以及机制提供理论依据，并有助于解释叶面滞留大气颗粒物的机理与过程，以及为大气污染物与城市植物之间的作用关系研究提供新的思路。

1 降雨对植物叶面颗粒物的去除作用

降雨对叶面颗粒物起到强大的冲刷作用，直接将叶面颗粒物冲刷至地面，不同降雨量的去除效果具有差异性。王蕾等发现叶面部分颗粒物附着牢固，不能被中等强度降雨（15 mm）冲刷[23]；Przybysz等研究发现，在持续降雨20 mm下能够去除樟子松叶片中30%～41%的颗粒物，其中大颗粒物与细颗粒物相比较易去除。在另一项研究中，14.5 mm的降雨量能够冲洗大约50%的颗粒物[24]。但是也有研究表明，降雨作用并不能去除叶片中粗细颗粒物，尤其是对细颗粒物的去除效果几乎不明显[21]。这与降雨能够去除较大粒径和粗糙粒径的颗粒物，然而細颗粒物更加强烈粘附在叶面上的研究结论相似[25]。ZH Wang等研究得出，大叶黄杨叶片上粒径<1 μm的颗粒物比<5 μm的更难去除[22]。刘志刚等通过计算树冠穿透水中PAHs的污染通量得出降雨对溶解相PAHs有滞留作用，对颗粒相PAHs具有释放作用[26]，说明降雨能够冲刷掉叶面较大粒径的颗粒物。吴志萍等发现对PM2.5的去除作用在雨后晴天发挥较好[27]。 总体来说，降雨能够去除叶面上大部分的大型颗粒物，细颗粒物更加附着在叶面不易被雨水冲刷[24]。其他研究还发现与降雨的频率和程度有关，也与当地大气污染物含量有关[9，24，28-29]。

2 风速对植物叶面颗粒物的影响

自然情况下，一定风速都够吹走叶面颗粒物，不同风速影响颗粒物的效果差异明显。王蕾等发现5～6级大风并不能使叶面颗粒物附着密度减少，外来尘土在风的带动下进一步增大叶面颗粒物附着密度，只有在一定的风速情况下，叶面颗粒物才能被风吹掉，较大风速反而不能吹掉叶面颗粒物[23]。 这与L Wang等[30]发现强风（<10.4 m/s）前后叶片沉积颗粒物含量去除效果不明显的研究结果一致。Beckett等发现当风速<8 m/s，叶面颗粒物的沉降速率会随风速的增大而增大[16]。 Huixia Wang等研究发现，风速<11.1 m/s不能吹走叶面沉积颗粒物[25]，强风能够去除叶面27%～36%的颗粒物。Wang等研究得出，降雨主要去除大粒径和粗糙粒径颗粒物，反而增加细颗粒物在叶面的粘附性。但是风速到达一定值，叶面颗粒物沉积速率反而减小[19]。FreerSmith等研究颗粒物在风速9 m/s的沉降速率比风速3 m/s时高，其含量也高于3 m/s[5]。OuldDada 和Baghini 发现，持续5 m/s的微风风速引起一小部分颗粒物再悬浮[31]。总之，大颗粒物以及粗糙颗粒物易被风吹脱，细颗粒物一直沉积在叶片微形态的凹槽处，不易被雨水冲刷或被风吹走；风还可以通过携带的较高沙尘气流速度，产生较大的湍流运动，导致叶面捕获颗粒物含量增加[20]。

3 行星边界层高度对植物叶面颗粒物的间接影响

行星边界层高度的变化对阔叶或者针叶面颗粒物浓度产生的影响已被研究，Moreselliet用建模方法研究大气有机污染物浓度的短期变化现象，结果表明夜间化学物质释放到大气的浓度高出白天6倍多[32]。杜川利等研究发现，城市边界层高度变化与颗粒物浓度呈显著负相关，冬季PM10、PM2.5、PM1.0 3种颗粒物浓度高于夏季，具有明显月变化特征，冬季叶面颗粒物浓度>夏季[33]。Terzaghi等研究得出，行星边界层高度影响山茱萸叶面颗粒物的累积量，其夜晚累积量高于白天[17]。Elisa Terzaghi等发现，叶面PAH浓度与行星边界层高度成正比，并且不同分层植物的光降解敏感性不同[34]。刘汉卫等研究发现，地面PM2.5质量浓度与行星边界层高度呈现明显负相关[35]。总体来说，行星边界层高度的变化有利于大气浓度的释放和吸收，从而间接影响植物叶面颗粒物浓度。

4 其他气象因子对植物叶面颗粒物的影响

Isabel等发现空气湿度是影响叶面磁性颗粒物的重要因素；在空气湿度较低的条件下，大气颗粒物蒸发速率快，有利于叶面累积较多的颗粒物。其次降雨和大气灰尘的暴露时间也是影响叶面颗粒物的另两种因素[24]。适当的光照条件有利于植物进行光合作用，并通过气孔、皮孔等吸收部分颗粒物[36]。刘汉卫等研究发现，地面PM2.5质量浓度与地面气压、相对湿度呈明显正相关。当与相对湿度呈现正相关，其他气象因素相关不明显[35]。降雨和大风天气等是影响植物叶面颗粒物含量的主要自然因素，二者都能在一定程度上减少叶面累积颗粒物的含量。降雨和风的综合作用对叶面颗粒物的去除作用明显，王会霞等发现，连续2 d降水（17.1、14.8 mm）珊瑚树和女贞叶面滞尘量降低了62%和50%，小雨和大风也能使女贞叶面滞尘量降低30%。极大风速对叶面颗粒物的影响呈现出先升高后降低的特点，在一定的风速和降雨条件下，女贞和珊瑚树叶面颗粒物含量明显降低[19]。此外，季节变化对叶面颗粒物影响较大，有研究表明，冬季叶面颗粒物含量最高[37]。李玉琛研究也表明，滞尘量变化规律：冬季、秋季含量较高，春季和夏季较低[38]，即使在相同生境的各树种之间叶面颗粒物含量也存在显著差异；Prajapati和Tripathi发现冬天和夏天雨季的颗粒物含量较少，但是不同季节的雨水冲刷作用不同，叶片颗粒物含量多可归结于降雨过程能够增加叶片湿润性，有利于吸附较多颗粒物[39]。吴志萍等发现降雨阴天颗粒物浓度比雨后晴天高426%[27]，王蕾等研究发现春季降雨、大风、沙尘等天气状况交替出现导致叶面颗粒物附着密度随之变化，大多数时间低于冬季[40]。叶面累积最大含量的颗粒物出现在11月，最低量出现在8月[25]。降雨和气温共同作用对叶面颗粒物含量的影响较为明显。总体来说，气象因素对叶面颗粒物的去除效果起到直接或者间接作用。

5 小结

综上所述，国内外学者对植物叶面颗粒物受降水、风向、风速、PBL等方面的影响取得了较多的研究成果，降雨作用对叶面颗粒物去除作用略强于强风作用。对于特殊天气影响的情况，需要考虑其出现的频率和强度产生的影响，在以下4方面仍要进一步研究。

（1）目前主要集中对植物叶面颗粒物的研究，对于细颗粒物PM2.5的研究较少，数据资料也相当有限。PM2.5作为危害最大污染物之一，应进行深入研究，并对PM2.5携带的重金属、多环芳烃、黑碳等污染物展开具体研究。

（2）在风力作用下颗粒物通过再悬浮重新进入大气，或是随着降雨作用冲刷到地表径流以及土壤的行为需要进行整体研究。尤其是在高降雨地区，结合降雨因素对叶面颗粒物的归趋行为进行综合研究，同时如何设计植被下面的地表也尤为重要。地表的设计应适应沉积物的增加，污染物的固定和防止污染物再悬浮的发生。

（3）目前研究对植被滞尘效果提供相关参数，大多数集中在特定生长季节和生长季末测定所得。今后应对降雨去除叶面颗粒物进行长期监测，了解城市植物叶面颗粒物在降雨作用下的年变化量，用来建立全面的城市植物滞留颗粒物含量的数据库，为今后合理有效利用城市植物提供理论指导。

（4）叶面滞留颗粒物时间是从叶面冲洗后到再测定时的时间间隔，在此期间很多试验条件都是不可控的。为了增强试验结果的可比性，保证所有植物颗粒物的测定在同一条件下完成，就需要在实验室内模拟野外自然条件，例如人工模拟不同强度降雨可以探讨降雨因素对叶面颗粒物的去除作用。总之，气象因子对城市植物叶面颗粒物的影响是一种复杂的动态过程，其去除机理还需要深入研究。

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