攀援植物对大气颗粒物的吸附作用

李德宁，徐彦森，王百田

北京林业大学水土保持学院，北京 100083

攀援植物对大气颗粒物的吸附作用

李德宁，徐彦森，王百田*

北京林业大学水土保持学院，北京 100083

植物通过叶片对颗粒物的吸附作用能够有效降低大气中颗粒物的浓度。用攀援植物进行绿化是城市绿化的重要手段，五叶地锦（Parthenocissus quinquefolia）作为中国北方地区常见的攀援绿化植物，研究其对大气颗粒物的吸附效果能够为降低大气中颗粒物浓度、改善环境质量、优化绿化方法提供一定依据。选取道路旁和校园内两处采样地点，距地表不同采样高度对五叶地锦叶片进行采样，使用扫描电镜和软件相结合的方式，对叶表面吸附的颗粒物进行计数，对颗粒物进行粒径分级，通过 X射线能谱仪对叶表面吸附颗粒物的元素组成和颗粒物特征进行分析。结果表明：五叶地锦能够有效吸附不同粒径的大气颗粒物，对粒径在0.2～2.5 μm的细颗粒物吸附数量占总吸附颗粒物数量的90%以上。颗粒物粒径越小，吸附在叶表面的数量越多。叶片上、下表面由于叶表面形态特征的不同，对吸附颗粒物数量有影响，五叶地锦叶片上表面对不同粒径范围的颗粒物吸附数量均明显高于下表面。道路旁2.5 m高度处叶表面上细颗粒物密度为8.4×106/cm2，校园内2.5 m高度处叶表面上细颗粒物密度为 5.2×106/cm2。环境对植物吸附颗粒物的数量有明显影响。叶表面吸附的颗粒物的组成元素受环境影响，道路叶片上吸附颗粒物元素组成中Si、Ca、Fe含量高。文章所采用的方法对植物叶片吸附颗粒物数量和元素组成的分析能够直观地反映出植物在减缓大气污染、减少PM2.5等颗粒物上所起到的作用。

攀援植物；颗粒物；PM2.5；叶片；五叶地锦

大气中的颗粒物依据其动力学当量直径被划分成不同级别，常见的有 PM10（环境空气中空气动力学当量直径≤10 μm的颗粒物）和PM2.5（空气动力学当量直径≤2.5 μm的颗粒物）（China，2012）。正是由于 PM10对人类健康的长期危害，主要会引起呼吸道疾病，所以有关消除或减少空气中颗粒物的研究才受到广泛关注（Pekkanen et al.，1999）。PM2.5在大气污染物中以粒径小、质量轻、极易悬浮飘散、富集各种有毒物质并可以进入肺泡并沉积于人体等特点，成为防治大气污染的首要目标之一。现如今，中国北方地区面临严重的空气污染，人们对PM10、PM2.5等大气污染物越来越关注。大气中的颗粒物能够通过干沉降或湿沉降的方式被移除，其中，干沉降是在重力作用、扩散过程以及气流扰动等条件下产生的（Freer-Smith et al.，2005）。现有很多研究认为植物能够有效降低大气中颗粒物的浓度。颗粒物主要粘附在植物的外表面，植被叶片因其表面的形态结构可以吸附、固定大气中的颗粒物，使颗粒物脱离大气环境，是减少城市大气环境污染的重要过滤体，对于提高空气质量、降低大气颗粒物浓度有重要的作用（Pardyjak et al.，2008；Clausnitzer et al.，2000）。

在国内外研究中，鲜有关于攀援植物对大气颗粒物的吸附效果的定量研究。我国攀援植物种类丰富，大多具有较高的观赏价值，用攀援植物攀附墙面进行墙面绿化是一种常见于城市、高速公路、坡面等处的垂直绿化方式。利用攀援植物进行绿化不仅能够增加绿化面积，并且有助于净化空气、改善生态环境（臧德奎等，2000；林秀香 ， 2002） 。 五 叶 地 锦 （ Parthenocissus quinquefolia）是我国北方地区常见的攀援植物，适用于垂直绿化，属落叶大型茎卷须吸附型藤本，喜光耐寒（周昊等，2006）。目前，国内外研究学者已成功将扫描电镜和 X射线能谱仪相结合的方法应用于大气颗粒物的识别分析中，包括颗粒物形态特征、成分组成以及粒径分布等分析（何国锦等，2009；McGee et al.，2003）。本文选取不同地点墙面上攀附的五叶地锦进行研究，使用扫描电镜和 X射线能谱仪，对叶表面吸附颗粒物的粒径等级、数量、分布以及颗粒物特征进行分析，旨在量化攀援植物对大气颗粒物的吸附情况，为降低大气中颗粒物浓度、改善环境质量提供有力依据。

1 材料与方法

1.1 实验思路

现有研究认为影响植物有效吸附颗粒物能力的因素主要包括：（1）植物种类，即落叶植物、常绿植物等；（2）植物结构，即植株的宽度、高度、粗糙度、孔隙度、渗透度等；（3）颗粒物的组成成分和浓度；（4）地点，即植物距离颗粒物排放源的距离、周围建筑物结构等；（5）环境，即植物生长环境、局地微气候等。根据以上 5点，为探究不同条件对五叶地锦吸附大气中颗粒物的独立影响和交互影响，本文通过将条件分组的形式对颗粒物数量进行统计分析。本实验选取4个影响因素，每个影响因素分 2至 3个等级，如表1所示。

1.2 实验方法

本实验材料为攀附在墙体表面的五叶地锦叶片。采样地点位于北京市海淀区学院路道路旁和北京林业大学校园内，具体采样位置如图 1所示。采样时间为2014年10月10日。在不同采样点、不同高度处用枝剪和高枝剪随机剪取墙体表面的五叶地锦叶片 2片，直接将叶片装入已编号的纸袋中，不用手触碰，以免影响叶片表面颗粒物的数量。采集的叶片均为成熟、健康、完整叶片，未受病虫害影响。

图1 采样地点示意图Fig. 1 Sampling sites

表1 采样设计Table 1 Sampling design

将采集好的叶片置于80 ℃烘箱中恒温烘48 h至叶片完全干燥。干燥后的叶片即可用于扫描电镜观察。如图 2所示，随机选择 1片叶片，将叶片于叶脉两侧贴近叶脉切割下2片5 mm×5 mm的正方形叶片，随机选取其中一块观察上表面，另一块观察下表面；每个样品有 2片叶片，每个叶片切下 2片方叶片，因此共有 2个上表面方叶片和 2个下表面方叶片。将已经裁剪好的方叶片粘在样品台上，喷金处理后，用扫描电镜观察。为分析叶表面吸附的颗粒物的元素组成成分，将扫描电镜与 X射线能谱仪相连，选定本研究中待测元素进行分析。

1.3 颗粒物分析方法

1.3.1 颗粒物数量和粒径等级

为区别叶片上、下表面，采集地点（道路旁和校园内）以及采集高度（距离地表 1、2.5和 5 m）的叶片表面所吸附颗粒物的数量，首先，扫描电镜在观察叶片表面时，对每个叶片块沿从右上角至左下角对角线方向扫描随机选取 3个能够清晰观察出颗粒物分布的范围，放大 100倍，调整屏幕清晰度，拍摄照片，命名为 100×。继续放大可视范围至 250倍和 500倍，依照此步骤依次拍摄照片，命名为250×和500×。

图2 样品选取方法Fig. 2 Leaf samples chosen to SEM

图3 Image.J处理扫描电镜图片步骤Fig. 3 Procedure of Image.J on accounting particles of the SEM photomicrograph

应用软件Image J.对已拍摄的扫描电镜图片进行处理并计算不同粒径的颗粒物数量。将原图3（a）利用Photoshop反相处理为图3（b），然后用Image J.中的对图片调节阈值分类处理为图 3（c）。由于叶表面吸附的颗粒物易出现重叠现象，用Image J.中的分水岭功能将重叠部分分开计数。利用Image J.软件对不同粒径的颗粒物自动进行测量。因为颗粒物多为圆形，为了排除叶片图像上其他像素的干扰，设置对曲率为0.5～1形状的像素点进行计数。

1.3.2 颗粒物组成元素

在拍摄 250×的扫描电镜时，如图 4所示选取4个代表性形态颗粒物用X射线能谱仪分析叶表面颗粒物的组成元素，观察扫描电镜图片中颗粒物的形态，分析特定特征颗粒物的元素组成，每次能谱分析自动重复 4次，部分典型颗粒物能谱分析数据如表3所示。

表2 五叶地锦叶片表面颗粒物数量及各粒径数量百分比Table 2 The quantity and percentage of PM on P.tomsoni’s leaf surface

2 结果与讨论

2.1 颗粒物数量和粒径等级

在面积为 1270 μm×890 μm的叶片扫描图片上，依据颗粒物粒径等级，将叶片上表面和下表面所吸附的颗粒物划分成组，如图 5所示。由于粒径大于 10 μm的颗粒物数量很少，远小于粒径小于 10 μm的颗粒物，所以在图 5中就不体现粒径大于10 μm的颗粒物。

从表 2中可知，五叶地锦叶片表面吸附颗粒物粒径集中在 0.2～2.5 μm范围，占吸附总颗粒物数量的90%以上，粗颗粒物占5%左右，大颗粒物所占百分比不足 0.2%。图 5中可知，颗粒物的粒径越小，吸附在叶表面的数量越大。已有的研究中（Dzierżanowski et al.，2011；Sæbø et al.，2012），多数都是对叶表面吸附颗粒物的质量进行量化，其结果均表明粒径在 10～100 μm的颗粒物质量所占叶片总吸附颗粒物质量的比例较大，而 PM2.5在质量上所占比例小。在本文以及其他对颗粒物数量的研究中发现粒径在 10～100 μm的颗粒物数量很少。虽然从质量上不能显著体现出植物对 PM2.5的吸附效果，但是从数量上来看，植物对PM2.5的吸附效果非常明显。

表3 典型颗粒物能谱分析数据Table 3 EDS analyses belonging to Fig. 4(a), 4(b), 4(c) and 4(d)

从图 5（a）（b）（c）中可知，在不同环境条件下五叶地锦叶片上表面吸附的颗粒物数量明显多于下表面。距地表 1和 5 m的叶片表面所吸附的颗粒物在各个粒径范围均为上表面吸附的数量大于下表面吸附的数量；而距地表2.5 m的叶片虽然总体来看依然是上表面吸附的颗粒物数量多，但其下表面吸附的 1.5～2和 2～2.5 μm粒径范围的颗粒物数量更多。石婕等（2015）、Ottelé et al.（2010）对植物叶片的研究均与本文有相同的结果。造成叶片上、下表面所吸附颗粒物数量的差别的因素一方面是五叶地锦叶片上、下表面微观形态不同，另一方面是风的流动的影响。

图5 叶片表面不同粒径范围颗粒物数量(n=6)Fig. 5 Thequantitiesof particles in different particle size ranges (n=6)

图 5（d）中所示，距地表高 2.5 m采集的五叶地锦叶片，在各个粒径范围，校园内采集的叶片所吸附的颗粒物数量均比在道路旁采集的叶片所吸附的颗粒物数量少。2.5 m高度处，道路旁叶表面上细颗粒物密度为 8.4×106/cm2，校园内为5.2×106/cm2。由于两处采样地点距离较近，所以气候环境和大气条件可认为相同，因此植物叶表面吸附颗粒物数量上的差别就来自于污染源。由交通所产生的颗粒物多为细颗粒物，吸附在植物叶表面的颗粒物也以小粒径占多数，环境对植物吸附颗粒物的能力有着重要的影响。

2.2 颗粒物组成元素

从 X射线能谱分析（表 3）的结果来看，道路和校园叶片上颗粒物元素组成有较大区别。道路上能谱分析结果显示 Si、Ca、Fe含量较高，校园内以 C和 O为主，其他元素含量均较低。叶表面颗粒物的组成元素受背景污染情况的影响，在不同地点采集的叶片上吸附颗粒物的组成元素比例也有差异。道路上颗粒物中金属元素含量较高，可能为车辆行驶过程中产生。校园内则是以有机物为主的颗粒物。Ottelé等人（2010）的研究结论与本文的相一致，在临近道路处采集的叶片表面观察到疑似铝合金的颗粒物，在林内叶片表面观察到有机物且多数有机物吸附在叶片的下表面。粒径在 2.5～4 μm的颗粒物主要组成元素包括Si、Al和 Fe，它们也是矿物质和土壤的组成部分（Ottelé et al.，2010；魏复盛等，1991）。PM2.5的组成主要来源于人为污染源。在城市，80%的对健康有危害的颗粒物均来自于交通排放（Beckett et al.，1998）。石婕等人对北京市奥林匹克森林公园和西直门两处采集的毛白杨叶片的分析结论指出，处于城市交通枢纽的西直门采样点处叶片表面吸附的 PM2.5更多地来自于工业排放、燃油排放等人为源（石婕等，2015）。本研究中观察道路上颗粒物中 Fe、Al含量较高，可能为合金碎屑，属于人为污染源。植物能够作为近污染源的大气颗粒物吸附器，有效吸附和降低大气中的颗粒物。Ru-Jin Huang等人在 2015年的研究中指出次级污染物在 PM2.5组成上的贡献率非常高，其主要包含微量元素 K，Na，Ca，Mg，Fe，Ti，Pb，As，Cu，Zn和Ni。（Huang et al.，2014）在本文中也观察到五叶地锦叶片表面吸附的颗粒物包含此类元素，从元素组成上可以说明叶片能够有效吸附PM2.5等颗粒物。

3 结论

攀援植物五叶地锦能够有效吸附不同粒径的大气颗粒物，尤其对粒径小的颗粒物吸附数量多，吸附的PM2.5的数量占总吸附颗粒物的90%以上。叶片上、下表面，采集地点对其吸附颗粒物的数量有明显影响；在气候条件和大气环境相同的情况下，道路旁的叶片所吸附的颗粒物数量高于校园内，环境对植物吸附颗粒物的能力有影响。叶表面吸附的颗粒物的元素组成和比例受其周围环境的影响。

应用扫描电镜和 X射线能谱仪相结合的方法，对植物叶片对大气颗粒物的吸附效果进行研究，并利用 Image.J软件进行图片分析，能够清晰直观的反映出叶表面所吸附的颗粒物的形态特征、成分组成以及粒径分布。对颗粒物数量的分析能够区别于对颗粒物质量的分析，从另一角度反映植物在减缓大气污染、减少 PM2.5等颗粒物上所起到的作用。对植物叶表面吸附的颗粒物进行元素分析和来源解析，能够有效地反映出周围环境对颗粒物组成的影响以及大气颗粒物的污染状况。

BECKETT K P, FREER-SMITH P H, TAYLOR G. 1998. Urban woodlands: their role in reducing the effects of particulate pollution [J]. Environmental pollution, 99(3): 347-360.

China M. Ambient air quality standards. GB3095─2012 [J]. China Environmental Science Press, Beijing, 2012.

CLAUSNITZER H, SINGER M J. 2000. Environmental influences on respirable dust production from agricultural operations in California [J]. Atmospheric Environment, 34(11): 1739-1745.

DZIERŻANOWSKI K, POPEK R, GAWROŃSKA H, et al. 2011. Deposition of particulate matter of different size fractions on leaf surfaces and in waxes of urban forest species [J]. International Journal of Phytoremediation, 13(10): 1037-1046.

FREER-SMITH P H, BECKETT K P, TAYLOR G. 2005. Deposition velocities to Sorbus aria, Acer campestre, Populusdeltoides× trichocarpa ‘Beaupré’, Pinusnigra and × Cupressocyparisleylandii for coarse, fine and ultra-fine particles in the urban environment [J]. Environmental Pollution, 133(1): 157-167.

HUANG R, ZHANG Y, BOZZETTI C, et al. 2014. High secondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events in China [J]. Nature, 514(7521): 218-222.

MCGEE J K, CHEN L C, COHEN M D, et al. 2003. Chemical analysis of World Trade Center fine particulate matter for use in toxicologic assessment [J]. Environmental health perspectives, 111(7): 972-980.

OTTELÉ M, VAN BOHEMEN H D, FRAAIJ A L. 2010. Quantifying the deposition of particulate matter on climber vegetation on living walls [J]. Ecological Engineering, 36(2):154-162.

PARDYJAK E R, SPECKART S O, YIN F, et al. 2008. Near source deposition of vehicle generated fugitive dust on vegetation and buildings: Model development and theory [J]. Atmospheric Environment, 42(26): 6442-6452.

PEKKANEN J, MIRME A, TUCH T, et al. 1999. Exposure and risk assessment for fine and ultrafine particles in ambient air (ultra) [C]//LIPPINCOTT WILLIAMS & WILKINS 530 WALNUT ST, PHILADELPHIA, PA 19106-3621 USA, 1999.

SÆBØ A, POPEK R, NAWROT B, et al. 2012. Plant species differences in particulate matter accumulation on leaf surfaces [J]. Science of the Total Environment, 427-428(12):347-354.

何国锦, 刘成东, 杨帆, 等. 2009. 南昌市降尘颗粒物形貌特征和来源电子探针研究[J]. 东华理工大学学报: 自然科学版, 31(4): 344-348.

林秀香. 2002. 攀援植物及其在垂直绿化中的应用[J]. 福建热作科技, 27(2): 32-34.

石婕, 刘庆倩, 安海龙, 等. 2015. 不同污染程度下毛白杨叶表面PM2.5颗粒的数量及性质和叶片气孔形态的比较研究[J]. 生态学报, 35(22).印刷中.

魏复盛, 杨国治, 蒋德珍, 等. 1991. 中国土壤元素背景值基本统计量及其特征[J]. 中国环境监测, 7(1): 1-6.

臧德奎, 周树军. 2000. 攀援植物与垂直绿化[J]. 中国园林, 16(5): 79-81.

周昊, 闫弘伟. 2006. 攀援植物在北方城市园林立体绿化中的应用[J]. 沈阳大学学报: 自然科学版, 18(2): 87-89.

The Deposition of Particulate Matters on Climbing Plant

LI Dening1, XU Yansen1, WANG Baitian1*
College of Soil and Water Conservation, Beijing Forest University, Beijing 100083, China

Numerous studies have demonstrated that the plants can purify particulate matters (PM) by absorbing atmospheric pollutants, and may significantly impact air quality. Climbing plants are widely used in urban greening, and Parthenocissus quinquefolia is a common climbing greening plant in northern China. It is meaningful to study P.thomson’ ability on PM accumulating in order to reduce PM concentration in the atmosphere, improve environment quality and optimize greening method. In this study, leaves of P.thomsoniare collected from two places, near a traffic road and in a campus, and three heights from the ground. A scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray (EDS) is used to count the quantity of particles which are accumulated on leaf surface and analyze the elements of particles. The results shows, P.thomsonican accumulate particulate matters (PM) effectively, especially for fine particles (0.2～2.5 μm) in quantitative terms. The percentage of fine PM accumulation in total PM is more than 90%. The smaller the particle’s size is, the larger quantity accumulates on leaf surface. The upper side of the leaf accumulated more PM than the underside, because the two sides’ microstructures are different. At 2.5 m height, the density of fine PM on leaf surface is 8.4×106/cm2near a road, and it is 5.2×106/cm2in campus. The samples from the road collected more PM than the ones from the campus.The elements found on the leaves affected by the environment, the ratio of elements were different between the two sampling sites. There are more Si, Ca and Feobserved on leaves near the road. The method in this paper could intuitively reflect the plant’s influence on reducing atmosphere pollution and accumulating particles.

climbing plant; particulate matter; PM2.5; leaf; Parthenocissus quinquefolia

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.010

X173

A

1674-5906（2015）09-1486-07

李德宁，徐彦森，王百田. 攀援植物对大气颗粒物的吸附作用[J]. 生态环境学报, 2015, 24(9): 1486-1492.

LI Dening, XU Yansen, WANG Baitian. The Deposition of Particulate Matters on Climbing Plant [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1486-1492.

中国科学院战略先导专项专题（xdao5050203-04-01）

李德宁（1990年生），男，硕士研究生，主要从事土壤修复、林业生态工程研究。Email: lidn1208@163.com＊通信作者：王百田（1958年生），男，教授，博士生导师，主要从事水土保持、林业生态工程研究。E-mail: wbaitian@bjfu.edu.cn

2015-04-26