长沙市道路绿化带滞留PM2.5的能力

2022-09-24陈雅真梁小翠闫文德徐祎晨蒋行健

中南林业科技大学学报 2022年8期

陈雅真，梁小翠，b，c，d，闫文德，b，c，d，徐祎晨，蒋行健

（中南林业科技大学 a.生命科学与技术学院；b.城市森林生态湖南省重点实验室；c.南方林业生态应用技术国家工程实验室；d.亚热带森林生态湖南省高校重点实验室，湖南长沙 410004）

随着城市化以及工业经济的快速发展，大气污染日益严重，其中细颗粒物PM2.5因其能够进入人体肺部导致呼吸道疾病，具有极强的危害性，引起了人们的高度关注[1-7]。植物对大气污染物具有吸附、吸收、转化、同化、超同化、降解等功能[8]，能够减少空气中的颗粒污染物[9]。绿地对城市中的PM2.5具有消减作用[10]。城市道路车流量大，二次扬尘多，绿化带作为道路绿地的必要部分，起到了很大的滞尘作用[11]。目前较多的研究是对城市中公园绿化树种滞尘能力的分析[12-18]，对不同尺度植物滞尘能力的研究相对较少。大连市常见绿化树种滞尘量依次为针叶树＞阔叶树＞灌木，且滞尘量与高度呈负相关[19]；也有研究发现城市道路的车流量和周边不同的环境会对叶片滞尘产生显著影响[20]；植物特性（如叶表面微形态结构、叶面积指数LAI、比叶表面积SLA、叶长宽比）、群落结构、气象条件（风向、风速、温度、相对湿度、大气压）等也会影响植物对PM2.5的消减效应[21-26]，叶面特性和微观粗糙程度的变化会对颗粒物沉降产生影响，粗糙叶面更容易滞留细颗粒物[27]。从垂直结构来看，城市中不同配置模式的绿地对PM2.5滞尘效应不同，乔草型配置模式具有相对较好的滞尘能力[28]；但同时也有研究发现乔灌草型滞尘高于乔草型，因此关于植物群落结构对PM2.5的影响仍有分歧，尚无定论。本文通过从不同尺度研究长沙市（大气中首要污染物是PM2.5）道路绿化带对PM2.5的滞尘效应，比较分析道路绿化带不同植物及其配置结构滞留PM2.5的能力，旨在为植物群落的综合效益评估、优良绿化植物及其配置模式筛选、城市道路绿化、生态规划提供科学的理论依据，以期改善城市生态环境并保护城市的生物多样性，充分发挥绿化带的生态效益。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

长沙市行政面积约为11 819 km2，为亚热带季风性湿润气候，年均气温为17.6℃，年均相对湿度80%，气候变化明显，年均降水量1 394.6 mm，雨热同期。由于位居盆地内部，距海较远，受冬、夏季风转换及地势向北倾斜等因素的影响，使颗粒污染物难以扩散，易形成区域化的大气污染[29]。2013—2019年长沙市PM2.5浓度年均值一直高于《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）二级标准限值[30]（35 μg/m3）[31]。韶山路为长沙市主干道，横贯长沙南北，全线近20 km 长，分为韶山北路、韶山中路和韶山南路3 段，有长沙市“南北交通大动脉”之称。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

样品采集地点为长沙市主干道韶山路绿化带，绿化带宽度为5 m 左右。植物配置结构如表1所示，每种植物生境基本一致。研究发现降雨量在15 mm 以上，降雨强度达到30 mm·h-1的降水，可以冲刷掉叶片上90%的粉尘，然后重新开始粉尘积累[32]。因此本研究采样时间选择在雨后1 周的晴天进行（2019年4月14日），采样时叶片上面可以看到颗粒物的大量累积。为避免位置和距离差异造成的影响，选取样本均在距离道路2 m 的范围内。为确保实验的准确性，本研究对每种植物东、南、西、北4 个方位进行了样品采集。不同植物均设置3 个重复。用高枝剪采集植物叶片后逐片剪下，将叶片混匀后放至保鲜袋中，避免损坏植物叶片。在采集所使用的保鲜袋上标注植被配置、植物名称、编号等，采样完成后及时放入4℃冰箱临时保鲜，并在1 周内完成全部测定。

表1 研究区采样植物基本情况Table 1 Basic information of sample plants in the study area

1.2.2 单位叶面积PM2.5 滞留量

植物叶片表面PM2.5的滞留量测定使用了微孔滤膜称重法[33]。根据叶片类型及叶片大小确定实验叶片数量，阔叶中较大的取40～60 片，较小的取100～150 片。将植物叶片放入塑料烧杯中用去离子水浸泡20 min 后清洗叶上的颗粒物，然后取出并用少量去离子水冲洗3 次。将孔径为2.5 μm 和0.1 μm 的微孔尼龙滤膜放于90℃烘箱中烘干至恒质量（2 次测定值≤0.000 2 g），用0.000 1 g天平称量，然后用已烘干称量的孔径为2.5 μm 的微孔尼龙滤膜，使用真空抽滤泵对清洗液进行第一次过滤，滤出液用已烘干称量的孔径为0.1 μm的微孔尼龙滤膜进行第二次过滤。不同粒径范围的颗粒物被滤膜截留，大于2.5 μm 的颗粒物标记为PM＞2.5，0.1～2.5 μm 的颗粒物标记为PM2.5。然后再次将过滤后的滤膜放于90℃烘箱中烘干至恒质量（2 次测定值≤0.000 2 g），用0.000 1 g天平称量，其与干净滤膜的质量差即为相应粒径范围的颗粒物质量。

计算单位叶面积PM2.5的滞留量时，先测量叶片面积。将水洗后的叶片晾干后置于扫描仪中扫描，然后用 Image J 软件处理并计算叶片的表面积。

叶片单位叶面积滞留PM2.5的计算公式为：(W1-W0)/S，W0为烘至恒质量状态下的滤膜质量，W1为过滤后烘至恒质量状态下的质量，S为叶片的单面叶面积。

1.2.3 单株植物PM2.5 滞留量

测定单株植物滞尘量时，主要测定的是单株植物叶片的滞尘量，采用经验公式估算植物单株植物的叶片总叶面积[34]，其公式为：

式（1）中：Y为叶面积总量（m2）；H为树高（m）；D为胸径（cm）[34]。

单株滞尘量=单株总叶面积×单位叶面积滞尘量[35]。

1.2.4 单位绿地面积PM2.5 滞留量

利用LAI-2200C 植物冠层分析仪测量植株的平均叶面积指数。叶面积指数的测量容易受天气影响，因此一般选择阴天，云层分布均匀的时候测定叶面积指数值，且测定不同方位的值，得出的平均值就是植株叶面积指数（LAI）。草本则直接通过计算每平方米的株数，进而计算单位绿地面积的PM2.5滞留量。

单位绿地面积PM2.5的滞留量为树冠垂直投影范围内每平方米植物叶滞留PM2.5的量，等于植株叶面积指数和单位叶面积PM2.5的滞留量的乘积[35]。

1.2.5 不同配置模式下绿化带PM2.5 滞留量

选取不同配置模式的典型绿化带，在30 m×3 m 的样方内对种植的各植物的种植行数、株距进行测量，统计该样方内植物的株数，该植物单位面积总滞尘量等于单株植物滞尘量乘以样方内该植物的种植株数除以样方面积。

1.2.6 数据分析

使用Excel 2010 软件进行数据整理，采用Minitab 18 软件进行单因素方差（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）检验相同层次不同植物间滞留PM2.5能力的差异，使用R 4.0.2 软件进行聚类分析，GraphPad Prism 8.0.2 软件做图。

2 结果与分析

2.1 单位叶面积PM2.5 滞留量

从图1可以看出，单位叶面积PM2.5滞留量的变化范围为10.39～427.12 mg·m-2。其中沿阶草对PM2.5的滞留能力最强，为427.12 mg·m-2，罗汉松次之，为93.03 mg·m-2，之后依次为栀子、小叶女贞、红花檵木、珊瑚树、石楠、冬青卫矛，最后在10.00～20.00 mg·m-2之间滞留PM2.5能力较差的分别有香樟、荷花玉兰、金丝桃和酢浆草，金丝桃单位叶面积滞留PM2.5量仅有10.39 mg·m-2，乔木中罗汉松滞留PM2.5的能力相对较强，灌木中栀子和小叶女贞相对比较容易滞留PM2.5，而草本则是沿阶草滞尘能力较好。同一层次不同植物单位叶面积滞留PM2.5的能力呈现显著的差异性（P＜0.05）。

图1 单位叶面积PM2.5 滞留量Fig.1 PM2.5 retention per unit leaf area

2.2 单株植物PM2.5 滞留量

由图2可知，单株植物滞留PM2.5能力的变化范围为0.03～16 000 mg·株-1。乔木中石楠和罗汉松滞留PM2.5的能力相对较强，分别为15 811.08 mg·株-1和13 727.23 mg·株-1，远高于其他树种。灌木中冬青卫矛相对比较容易滞留PM2.5，为2 240.60 mg·株-1，之后依次为珊瑚树、红花檵木、小叶女贞、栀子、红叶石楠、金丝桃。草本中沿阶草滞尘能力较好，酢浆草滞留PM2.5能力最差。单因素方差分析表明，同一层次不同植物单株滞留PM2.5的能力表现出显著的差异性（P＜0.05）。不同植物单株滞留PM2.5的能力变化趋势与单位叶面积滞留PM2.5的能力变化趋势有所差异。

图2 单株植物PM2.5 滞留量Fig.2 PM2.5 retention per plant

2.3 单位绿地面积PM2.5 滞留量

从图3可以看出，单位绿地面积滞留PM2.5能力的变化范围为10～500 mg·m-2。其中罗汉松对PM2.5的滞留能力最强，为488.34 mg·m-2，红花檵木次之，为304.08 mg·m-2，之后依次为沿阶草、小叶女贞、栀子、珊瑚树、红叶石楠、冬青卫矛、石楠、金丝桃、香樟，最后在10～40 mg·m-2之间滞留PM2.5能力较差的分别是酢浆草和荷花玉兰，荷花玉兰单位绿地面积滞留PM2.5量仅有14.82 mg·m-2。罗汉松滞留PM2.5的能力相对较强，远高于其他乔木。灌木中红花檵木、小叶女贞、栀子相对比较容易滞留PM2.5。草本则是沿阶草滞尘能力较好[36]。根据单因素方差分析可得，不同植物单位绿地面积滞留PM2.5的能力表现出显著的差异性（P＜0.05）。

图3 单位绿地面积PM2.5 滞留量Fig.3 PM2.5 retention per unit green space area

2.4 不同配置模式PM2.5 滞留量

如图4所示，乔灌模式滞留PM2.5的能力最强，为3 252.79 mg·m-2，灌木纯林模式次之，为2 404.99 mg·m-2，之后依次是乔灌草、灌草、乔乔灌模式，乔木纯林模式滞留能力最差，仅有109.06 mg·m-2。单因素方差分析可得，乔灌、乔灌草、乔木的不同配置模式下绿化带滞留PM2.5的能力表现出显著的差异性（P＜0.05）。乔灌模式和乔灌草模式中，灌木林以及草本在样方中覆盖率最大，位置较低，靠近道路，能最大可能地吸附道路扬尘造成的颗粒污染物，且有乔木可以滞留气流中的大部分颗粒物。乔木纯林模式与之相反，其叶面积指数较低，郁闭度小，只阻挡了部分颗粒物，在降水出现的时候容易被冲刷，减少滞留。

图4 长沙市道路绿化带不同配置模式PM2.5 滞留量Fig.4 PM2.5 retention in different configuration modes of the road green belt in Changsha

2.5 不同植物滞尘能力聚类分析

由于3 个滞尘能力指标之间数值大小相差太大，因此将所得数据进行了标准化处理，在R 4.0.2软件中使用Ward.D 方法按欧式距离对长沙市道路绿化带不同植物在单位叶面积滞留PM2.5能力、单株滞留PM2.5能力、单位绿地面积滞留PM2.5能力3 个尺度综合进行层次聚类分析。根据热图以及聚类结果将所研究的道路绿化带13 种植物分为5 类，如图5所示，第一类是红花檵木、小叶女贞、栀子；第二类为荷花玉兰；第三类是金丝桃、香樟、酢浆草、冬青卫矛、红叶石楠、珊瑚树；第四类是沿阶草，其单位叶面积滞留PM2.5能力（427.12 mg·m-2）显著高于所研究的13 种行道植物（P＜0.05）；最后一类为石楠、罗汉松。

图5 长沙市道路绿化带不同植物滞留PM2.5 能力的聚类分析Fig.5 Cluster analysis of PM2.5 retention capacities of different plants in the road green belt of Changsha

3 讨论

3.1 单位叶面积PM2.5 滞留量

不同植物单位叶面积滞留PM2.5能力受很多因素影响。叶片的表面粗糙程度[37]，是否具有绒毛、黏液油脂等均会影响叶片吸附PM2.5颗粒物的能力。叶面微结构尺寸对细颗粒物存在筛选的作用，沟壑的宽度小于或等于颗粒物粒径时，不会增强植物叶片的滞尘能力[38]。本研究中不同植物PM2.5的滞留量因植物叶面形态特征而存在差异，但并没有随叶面积增大而增大，这可能和叶片微结构有一定关系。王蕾等[39]发现，叶片表面滞留大气颗粒物的能力由高到低的微形态结构依次是沟槽＞叶脉+小室＞小室＞条状突起，结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物，叶表皮具沟状组织以及密被纤毛，则该树种滞尘能力强。罗汉松叶片的粗糙度较大[40]，而樟树、玉兰、石楠叶片均为革质，红花檵木叶两面被星状毛且上表皮有较深的沟槽，沿阶草叶脉面积大、叶顶面观可见锯形表皮附属物[41]，因此不同植物单位叶面积滞留PM2.5能力存在差异。

3.2 单株植物PM2.5 滞留量

不同植物单株PM2.5滞留量是单位叶面积PM2.5滞留量和叶面积的函数。单叶面积和叶片数量均会引起单株植物的总叶面积的变化。本研究中荷花玉兰虽然单叶面积较大，但因叶片数量不多且单位叶面积PM2.5滞留能力较差，所以在乔木层中荷花玉兰单株PM2.5滞留量不大。石楠、罗汉松的单叶面积虽然小，但其叶片数量较多，且单位叶面积PM2.5滞留量显著高于荷花玉兰，所以单株PM2.5滞留量相反比较大。冬青卫矛单株PM2.5滞留量相较于其他灌木更大，主要归因于其单株总叶面积较其他灌木更大。沿阶草的叶片呈细长形，且叶表面有不光滑的小沟壑，而酢浆草的叶片光滑且叶面积小，因此沿阶草单株的PM2.5滞留量大于酢浆草。

3.3 单位绿地面积PM2.5 滞留量

单位绿地面积PM2.5的滞留量为植株叶面积指数和单位叶面积PM2.5滞留量的乘积[35]。由于不同样点的植物大小、生长情况存在差异，单位绿地面积PM2.5的滞留量是植物滞尘功能的直接指标。在单位绿地面积尺度下，罗汉松、红花檵木滞尘能力较强的主要原因是其叶面积指数较大，在单位叶面积滞留PM2.5能力强的基础上，进一步提高了其PM2.5滞留能力；沿阶草生长密集，数量较多，覆盖面积大，表现出较强的PM2.5滞留能力。荷花玉兰叶表面光滑，单位叶面积滞留PM2.5能力低，且其叶面积指数小，因此单位绿地面积的荷花玉兰滞留能力偏弱。

3.4 不同配置模式PM2.5 滞留量

不同的绿化带滞尘能力不同，不仅仅与植物的种类、数量有关，与不同植物的搭配模式以及温度、湿度、风速等也相关[42]。本研究发现，长沙市道路绿化带不同配置模式滞留PM2.5的能力依次为乔灌＞灌木纯林＞乔灌草＞灌草＞乔乔灌＞乔木纯林，而乔灌草绿地植物群落与颗粒物浓度在规定尺度域下具有最强负数相关性[43]，在一定范围内，如果绿化带种植密度过大，其中大气颗粒物不容易扩散，导致浓度增高而产生负效应[44]。同时，在同一个城市选取不同的交通干道，也会因为车流量、二次扬尘等因素而出现明显差异。该结果进一步证实了部分学者关于道路绿化带不同配置模式滞留PM2.5能力的研究。例如，王珍珍[45]对于不同绿化配置模式的滞尘总量大小的研究结果为乔灌型＞灌木型＞乔木型。郑少文等[46]通过对乔灌草、灌草、草坪滞尘能力的研究，得出三者的滞尘能力大小为：乔灌草＞灌草＞草地；同时有学者发现乔灌模式和灌木林对PM2.5有明显的滞留作用[42]；张灵艺[47]研究发现道路绿带植物群落对PM2.5滞尘效益为：乔灌型＞乔灌草型。也有研究表明灌草结构和乔灌草结构绿化带对PM2.5的滞尘效果差异不大[48]。因此关于道路绿化带不同配置模式对PM2.5的影响需进一步深入研究。

3.5 不同植物滞尘能力聚类分析

第一类红花檵木、小叶女贞、栀子，虽然叶片均为革质，但红花檵木和栀子的叶片均具有绒毛，小叶女贞的叶片特点为叶缘反卷，这些特征均在一定程度上提升了该类植物的单位叶面积滞留PM2.5能力以及单位绿地面积滞留PM2.5能力；第二类荷花玉兰，与第一类植物的特征恰好相反，在单位叶面积滞留PM2.5能力和单位绿地面积滞留PM2.5能力两个尺度上均差于第一类植物，但其单株滞尘能力要明显高于第一类植物；第三类是金丝桃、香樟、酢浆草、冬青卫矛、珊瑚树、红叶石楠，叶片以革质叶为主，各项滞尘能力均较差；第四类是沿阶草，沿阶草作为一种常见的草本类的行道植物，种植区域以靠近道路为主，而PM2.5主要来源之一就是流动源，即各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气，同时较低的高度为沿阶草提供了吸附尾气中PM2.5的最佳空间位置；最后一类为石楠、罗汉松，石楠单株滞留PM2.5能力虽然远高于其他几种植物，但其单位绿地面积滞留PM2.5能力却非常低，说明石楠是一种具有较强滞尘能力的行道植物，但在行道绿地中所占的数量较少，郁闭程度低，从总体来看，仅罗汉松的综合滞尘能力为最强，针叶树种相比较阔叶树种因其叶面积指数、树冠密度等因素清除PM2.5能力较好[49]。综合以上分析可知，可以通过单株滞留PM2.5能力以及单位叶面积PM2.5能力来判断哪些植物的自身滞尘能力较强，并根据单位绿地面积滞留PM2.5能力来判断哪些植物适合增加种植数量，可以为合理安排长沙市道路绿化带的植被配置提供科学合理的依据，从而更好地发挥道路绿化带的生态功能。