氣象因子對城市植物葉面顆粒物的影響研究

查燕

摘要 城市植物可以有效阻滯顆粒物，改善空氣質量。目前，國內外已經積累大量有關不同植物類型累積顆粒物差異性的研究，但是植物葉面滯留顆粒物的含量受到多種氣象因子的影響。該研究分別從降雨、風速、行星邊界層等角度，闡述了不同氣象因子對植物葉面滯留顆粒物含量產生的影響。今后需要加強氣候因子對葉面細顆粒物的去除機理研究，有利于了解顆粒物沉積于葉面的動態以及機制；在降雨因素方面應進行長期監測，充分掌握城市植物葉面顆粒物在降雨作用下的年變化量，有助于建立全面的城市植物滯留顆粒物含量數據庫，為今后合理有效利用城市植物提供理論指導，同時為大氣污染物與城市植物相互關系的深入研究提供新的思路。

關鍵詞 城市植物；葉面顆粒物；氣象因素

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 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

大氣顆粒物（particulate matter，PM）一直是全球多數城市特別是發展中國家的首要污染物[1-2]，被廣泛認定是對人體健康最有害的污染物之一[3-4]。一般按照顆粒物的空氣動力學粒徑將其分為4種類型：總懸浮顆粒物TSP、粗顆粒物PM10 （2.5～10.0 μm）、細顆粒PM2.5（0.1～2.5 μm）、超細顆粒物PM0.1（≤0.1 μm）[5]。城市中樹木和灌木可以有效減輕大氣污染[6-7]，城區各種植物積累顆粒物的效果和差別已有許多報導[5，8-9]。其主要來源于大氣顆粒物的沉降，相關研究表明，植物葉面通過滯留（或停留）、附著和粘附3種方式吸附顆粒物[9-12]。城市不同植物滯留葉面顆粒物具有差異性，葉面特性是影響植物滯留顆粒物含量差異性的主要原因，同一葉片的上表皮和下表皮對顆粒物的滯留含量不同。Wang L等研究發現只有17%的顆粒物吸附在葉片底部[13]；Hwang等發現，法國梧桐葉片多毛的底面比光滑上表面更能有效捕捉顆粒物[14]，與Sb A等[12]發現具皺的葉片和多毛的葉片比光滑葉片能捕捉更多的顆粒物研究結論相似。此外，葉片大小并不與滯留顆粒物含量成正比，盡管松樹葉片不具備絨毛或者粗糙表面的性質，實際上又長又窄的葉片特性比寬大扁平的葉片更容易擊中大氣中顆粒物[12]。Tiwary等用計算機模擬研究看出松針比實際中觀察到的能累積兩倍的顆粒物[15]，松柏類植物對顆粒物具有較強累積性的特征已被相關學者記載[11，16]，部分原因是由于松柏類植物對污染物具有敏感性。不同樹種對不同粒徑顆粒物的累積也具有差異性。Elisa Terzaghi等發現闊葉和針葉表面累積粒徑范圍在0.2～70.4 μm的顆粒物；更小粒徑的顆粒物（<10.6 μm）甚至可以進入葉蠟組織[17]；通過比較山毛櫸、橡樹和銀杏累積顆粒物的差異性，發現山毛櫸具有較高滯留顆粒物的能力，銀杏在整個生長季節收集的顆粒物數量最小，橡樹呈現出累積顆粒物的含量隨著年齡增長而增加的趨勢[18]。通過上述研究證實城市植物具有吸附顆粒物，減少空氣中顆粒物含量的能力，對空氣質量起到改善作用。

但葉面特性只是影響植物滯留顆粒物的部分原因，在實際環境中葉面滯留顆粒物受到降雨、大風等天氣狀況的影響[19]。這些顆粒物會隨著霧或者露水溶解，一些粒子會被雨水從葉片表面沖刷掉[20-21]，另一些粒子仍然殘留在葉片表面[22]，結合相關研究表明葉面滯留顆粒物含量受氣象因子影響的動態變化是一種復雜過程。為了深入了解氣象因子對植物滯留顆粒物含量產生的影響，筆者從降雨、風速、行星邊界層（PBL）等方面綜述了氣象因子對植物葉面顆粒物影響的研究進展，分析目前研究的重點和難點，為今后研究顆粒物沉積于葉面的動態以及機制提供理論依據，并有助于解釋葉面滯留大氣顆粒物的機理與過程，以及為大氣污染物與城市植物之間的作用關系研究提供新的思路。

1 降雨對植物葉面顆粒物的去除作用

降雨對葉面顆粒物起到強大的沖刷作用，直接將葉面顆粒物沖刷至地面，不同降雨量的去除效果具有差異性。王蕾等發現葉面部分顆粒物附著牢固，不能被中等強度降雨（15 mm）沖刷[23]；Przybysz等研究發現，在持續降雨20 mm下能夠去除樟子松葉片中30%～41%的顆粒物，其中大顆粒物與細顆粒物相比較易去除。在另一項研究中，14.5 mm的降雨量能夠沖洗大約50%的顆粒物[24]。但是也有研究表明，降雨作用并不能去除葉片中粗細顆粒物，尤其是對細顆粒物的去除效果幾乎不明顯[21]。這與降雨能夠去除較大粒徑和粗糙粒徑的顆粒物，然而細顆粒物更加強烈粘附在葉面上的研究結論相似[25]。ZH Wang等研究得出，大葉黃楊葉片上粒徑<1 μm的顆粒物比<5 μm的更難去除[22]。劉志剛等通過計算樹冠穿透水中PAHs的污染通量得出降雨對溶解相PAHs有滯留作用，對顆粒相PAHs具有釋放作用[26]，說明降雨能夠沖刷掉葉面較大粒徑的顆粒物。吳志萍等發現對PM2.5的去除作用在雨后晴天發揮較好[27]。 總體來說，降雨能夠去除葉面上大部分的大型顆粒物，細顆粒物更加附著在葉面不易被雨水沖刷[24]。其他研究還發現與降雨的頻率和程度有關，也與當地大氣污染物含量有關[9，24，28-29]。

2 風速對植物葉面顆粒物的影響

自然情況下，一定風速都夠吹走葉面顆粒物，不同風速影響顆粒物的效果差異明顯。王蕾等發現5～6級大風并不能使葉面顆粒物附著密度減少，外來塵土在風的帶動下進一步增大葉面顆粒物附著密度，只有在一定的風速情況下，葉面顆粒物才能被風吹掉，較大風速反而不能吹掉葉面顆粒物[23]。 這與L Wang等[30]發現強風（<10.4 m/s）前后葉片沉積顆粒物含量去除效果不明顯的研究結果一致。Beckett等發現當風速<8 m/s，葉面顆粒物的沉降速率會隨風速的增大而增大[16]。 Huixia Wang等研究發現，風速<11.1 m/s不能吹走葉面沉積顆粒物[25]，強風能夠去除葉面27%～36%的顆粒物。Wang等研究得出，降雨主要去除大粒徑和粗糙粒徑顆粒物，反而增加細顆粒物在葉面的粘附性。但是風速到達一定值，葉面顆粒物沉積速率反而減小[19]。FreerSmith等研究顆粒物在風速9 m/s的沉降速率比風速3 m/s時高，其含量也高于3 m/s[5]。OuldDada 和Baghini 發現，持續5 m/s的微風風速引起一小部分顆粒物再懸浮[31]?？傊?，大顆粒物以及粗糙顆粒物易被風吹脫，細顆粒物一直沉積在葉片微形態的凹槽處，不易被雨水沖刷或被風吹走；風還可以通過攜帶的較高沙塵氣流速度，產生較大的湍流運動，導致葉面捕獲顆粒物含量增加[20]。

3 行星邊界層高度對植物葉面顆粒物的間接影響

行星邊界層高度的變化對闊葉或者針葉面顆粒物濃度產生的影響已被研究，Moreselliet用建模方法研究大氣有機污染物濃度的短期變化現象，結果表明夜間化學物質釋放到大氣的濃度高出白天6倍多[32]。杜川利等研究發現，城市邊界層高度變化與顆粒物濃度呈顯著負相關，冬季PM10、PM2.5、PM1.0 3種顆粒物濃度高于夏季，具有明顯月變化特征，冬季葉面顆粒物濃度>夏季[33]。Terzaghi等研究得出，行星邊界層高度影響山茱萸葉面顆粒物的累積量，其夜晚累積量高于白天[17]。Elisa Terzaghi等發現，葉面PAH濃度與行星邊界層高度成正比，并且不同分層植物的光降解敏感性不同[34]。劉漢衛等研究發現，地面PM2.5質量濃度與行星邊界層高度呈現明顯負相關[35]。總體來說，行星邊界層高度的變化有利于大氣濃度的釋放和吸收，從而間接影響植物葉面顆粒物濃度。

4 其他氣象因子對植物葉面顆粒物的影響

Isabel等發現空氣濕度是影響葉面磁性顆粒物的重要因素；在空氣濕度較低的條件下，大氣顆粒物蒸發速率快，有利于葉面累積較多的顆粒物。其次降雨和大氣灰塵的暴露時間也是影響葉面顆粒物的另兩種因素[24]。適當的光照條件有利于植物進行光合作用，并通過氣孔、皮孔等吸收部分顆粒物[36]。劉漢衛等研究發現，地面PM2.5質量濃度與地面氣壓、相對濕度呈明顯正相關。當與相對濕度呈現正相關，其他氣象因素相關不明顯[35]。降雨和大風天氣等是影響植物葉面顆粒物含量的主要自然因素，二者都能在一定程度上減少葉面累積顆粒物的含量。降雨和風的綜合作用對葉面顆粒物的去除作用明顯，王會霞等發現，連續2 d降水（17.1、14.8 mm）珊瑚樹和女貞葉面滯塵量降低了62%和50%，小雨和大風也能使女貞葉面滯塵量降低30%。極大風速對葉面顆粒物的影響呈現出先升高后降低的特點，在一定的風速和降雨條件下，女貞和珊瑚樹葉面顆粒物含量明顯降低[19]。此外，季節變化對葉面顆粒物影響較大，有研究表明，冬季葉面顆粒物含量最高[37]。李玉琛研究也表明，滯塵量變化規律：冬季、秋季含量較高，春季和夏季較低[38]，即使在相同生境的各樹種之間葉面顆粒物含量也存在顯著差異；Prajapati和Tripathi發現冬天和夏天雨季的顆粒物含量較少，但是不同季節的雨水沖刷作用不同，葉片顆粒物含量多可歸結于降雨過程能夠增加葉片濕潤性，有利于吸附較多顆粒物[39]。吳志萍等發現降雨陰天顆粒物濃度比雨后晴天高426%[27]，王蕾等研究發現春季降雨、大風、沙塵等天氣狀況交替出現導致葉面顆粒物附著密度隨之變化，大多數時間低于冬季[40]。葉面累積最大含量的顆粒物出現在11月，最低量出現在8月[25]。降雨和氣溫共同作用對葉面顆粒物含量的影響較為明顯?？傮w來說，氣象因素對葉面顆粒物的去除效果起到直接或者間接作用。

5 小結

綜上所述，國內外學者對植物葉面顆粒物受降水、風向、風速、PBL等方面的影響取得了較多的研究成果，降雨作用對葉面顆粒物去除作用略強于強風作用。對于特殊天氣影響的情況，需要考慮其出現的頻率和強度產生的影響，在以下4方面仍要進一步研究。

（1）目前主要集中對植物葉面顆粒物的研究，對于細顆粒物PM2.5的研究較少，數據資料也相當有限。PM2.5作為危害最大污染物之一，應進行深入研究，并對PM2.5攜帶的重金屬、多環芳烴、黑碳等污染物展開具體研究。

（2）在風力作用下顆粒物通過再懸浮重新進入大氣，或是隨著降雨作用沖刷到地表徑流以及土壤的行為需要進行整體研究。尤其是在高降雨地區，結合降雨因素對葉面顆粒物的歸趨行為進行綜合研究，同時如何設計植被下面的地表也尤為重要。地表的設計應適應沉積物的增加，污染物的固定和防止污染物再懸浮的發生。

（3）目前研究對植被滯塵效果提供相關參數，大多數集中在特定生長季節和生長季末測定所得。今后應對降雨去除葉面顆粒物進行長期監測，了解城市植物葉面顆粒物在降雨作用下的年變化量，用來建立全面的城市植物滯留顆粒物含量的數據庫，為今后合理有效利用城市植物提供理論指導。

（4）葉面滯留顆粒物時間是從葉面沖洗后到再測定時的時間間隔，在此期間很多試驗條件都是不可控的。為了增強試驗結果的可比性，保證所有植物顆粒物的測定在同一條件下完成，就需要在實驗室內模擬野外自然條件，例如人工模擬不同強度降雨可以探討降雨因素對葉面顆粒物的去除作用。總之，氣象因子對城市植物葉面顆粒物的影響是一種復雜的動態過程，其去除機理還需要深入研究。

參考文獻

[1] NOWAK D J，CRANE D E，STEVENS J C.Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States[J].Urban For Urban Green，2006，4（3/4）：115-123.

[2] SHRIDHAR V，KHILLARE P，AGARWAL T，et al.Metallic species in ambient particulate matter at rural and urban location of Delhi [J].Hazard Mater，2010，175：600-607.

[3] WHO.Air quality guidelines.Global update 2005.Particulate matter，ozone，nitrogen dioxide and sulfur dioxide[R].Geneva，Switzerland：World Health Organization，2006.

[4] POPE C A，DOCKERY D W.Health effects of fine particulate air pollution：Lines that connect[J].Air Waste Manag Assoc，2006，56：709-742.

[5] FREERSMITH P H，BECKETT K P，TAYLOR G.Deposition velocities to Sorbus aria，Acer campestre，Populus deltoides × trichocarpa‘Beaupre，Pinus nigra and × Cupressocyparis leylandii for coarse，fine and ultra-fine particles in the urban environment [J].Environ Pollut，2005，133（1）：157-167.

[6] BEALEY W J，MCDONALD A G，NEMITZ R，et al.Estimating the reduction of urban PM10 concentrations bytrees within an environmental information system for planners[J].Environ Manag，2007，85：44-58.

[7] MCDONALD A G，BEALEY W J，FOWLER D，et al.Quantifying the effect of urban tree planting on concentrations and depositions of PM10 in two UK conurbations[J].Atmos Environ，2007，41：8455-8467.

[8] DZIERZ·ANOWSKI K，POPEK R，GAWRON'SKA H，et al.Deposition of particulate matter of different size fractions on leaf surface and in waxes of urban forest species[J].Phytoremediation，2011，13：1037-1046.

[9] PRUSTY B A K，MISHRA P C，AZEEZ P A.Dust accumulation and leaf pigment content in vegetation near the national highway at Sambalpur，Orissa，India[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2005，60：228-235.

[10] 王蕾，高尚玉，劉連友，等.北京市11種園林植物滯留大氣顆粒物能力研究[J].應用生態學報，2006，17（4）：597-601.

[11] TALLIS M，TAYLOR G，SINNETT D，et al.Estimating the removal of atmospheric particulate pollution by the urban tree canopy of London，under current and future environments[J].Landscape and Urban Planning，2011，103：129-138.

[12] SB A，POPEK R，NAWROT B，et al.Plant species differences in particulate matter accumulation on leaf surfaces[J].Sci Total Environ，2012，427/428：347-354.

[13] WANG L，LIU L Y，GAO S Y，et al.Physicochemical characteristics of ambient particles settling upon leaf surfaces of urban plants in Beijing[J].J Environ Sci，2006，18（5）：921-926.

[14] HWANG H J，YOOK S J，AHN K H.Experimental investigation of submicron and ultrafine soot particles by tree leaves[J].Atmos Environ，2011，45（38）：6987-6994.

[15] TIWARY A，SINNETT D，PEACHEY C，et al.An integrated tool to assess the role of new planting in PM10 capture and human health benefits：A case study in London[J].Environment Pollution，2009，157：2645-2653.

[16] BECKETT K P，FREERSMITH P H，TAYLOR G.Urban woodlands：Their role in reducing the effects of particulate pollution[J].Environ Pollut，1998，99（3）：347-360.

[17] TERZAGHI E，WILD E，ZACCHELLO G，et al.Forest filter effect：Role of leaves in capturing/releasing air particulate matter and its associated PAHs Elisa[J].Atmospheric Environment，2013，74：378-384.

[18] NEINHUIS C，BARTHLOTT W.Seasonal changes of leaf surface contamination in beech，oak，and ginkgo in relation to leaf micromorphology and wettability[J].New Phytologist，1998：138：91-98.

[19] 王會霞，石輝，王彥輝.典型天氣下植物葉面滯塵動態變化[J].生態學報，2015，35（6）：1-12.

[20] SHI H，WANG H X，LI Y Y，et al.Leaf surface microstructure of Ligustrum lucidum and Viburnum odoratissimum observed by Atomic force microscopy（AFM）[J].Acta Ecologica Sinica，2011，31（5）：1471-1477.

[21] 陳瑋，何興元，張粵，等.東北地區城市針葉樹冬季滯塵效應研究[J].應用生態學報，2003，14（12）：2113-2116.

[22] 王贊紅，李紀標.城市街道常綠灌木植物葉片滯塵能力及滯塵顆粒物形態[J].生態環境，2006，15（2）：327-330.

[23] 王蕾，哈斯，劉連友，等.北京市春季天氣狀況對針葉樹葉面顆粒物附著密度的影響[J].生態學雜志，2006，25（8）：998-1002.

[24] PRZYBYSZ A，SB A，HANSLIN H M，et al.Accumulation of particulate matter and trace elements on vegetation as affected by pollution level，

rainfall and the passage of time[J].Science of the Total Environment，2014，481：360-369.

[25] WANG H X，SHI H，WANG Y H.Effects of weather，time，and pollution level on the amount of particulate matter deposited on leaves of Ligustrum lucidum[J/OL].The Scientific World Journal，2015：1-8.http：//dx.doi.org/10.1155/2015/935942.

[26] 劉志剛，胡丹，歐浪波，等.北京郊區樹冠穿透水中多環芳烴的污染特征與通量計算農業[J].環境科學學報，2011，30（6）：1200-1207.

[27] 吳志萍，王成，侯曉靜，等.6種城市綠地空氣PM2.5濃度變化規律的研究[J].安徽農業大學學報，2008，35（4）：494-498.

[28] RODRIGUEZGERMADE I，MOHAMD K J，REY D，et al.The influence of weather and climate on the reliability of magnetic properties of tree leaves as proxies for air pollution monitoring[J].Science of the Total Environment，2014，468/469：892-902

[29] MATZKA J，MAHER B A.Magnetic biomonitoring of road side tree leaves：identification of spatial and temporal variations in vehicle-derived particulates[J].Atmospheric Environment，1999，33（28）：4565-4569.

[30] WANG L，HASI E，LIU L，et al.Effects of weather condition in spring on particulates density on conifers leaves in Beijing[J].Chinese Journal of Ecology，2006，25（8）：998-1002.

[31] OULDDADA Z，BAGHINI N M.Resuspension of small particles from tree surfaces[J].Atmospheric Environment，2001，35（22）：3799-3809.

[32] MORSELLIET M，GHIRARDELLO D，SEMPLICE M，et al.Modeling shortterm variability of semivolatile organic chemicals in air at a local scale：an integrated modeling approach[J].Environmental Pollution，2001，159（5）：1406-1412.

[33] 杜川利，唐曉，李星敏，等.城市邊界層高度變化特征與顆粒物濃度影響分析[J].高原氣象，2104，33（5）：1383-1392.

[34] TERZAGHI E，ZACCHELLO G，SCACCHI M，et al.Towards more ecologically realistic scenarios of plant uptake modelling for chemicals：PAHs in a small forest [J].Science of the Total Environment，2015，505：329-337.

[35] 劉漢衛，臧增亮，首俊明，等.一次PM2.5化學污染過程的實況及氣象要素影響分析[J].廣東氣象，2013，35（4）：51-57.

[36] 王亞超.城市植物葉面塵理化特性及源解析研究[D].南京：南京林業大學，2007.

[37] 梁淑英.南京地區常見城市綠化樹種的生理生態特性及凈化大氣能力的研究[D].南京：南京林業大學，2005.

[38] 李玉琛.濟青高速公路淄博段生態防護帶的環境功能與效應[D].南京：南京林業大學，2005.

[39] PRAJAPATI S K，TRIPATHI B D.Seasonal variation of leaf dust accumulation and pigment content in plant species exposed to urban particulates pollution[J].Journal of Environmental Quality，2008，37：865-870.

[40] 王蕾，高尚玉，劉連友，等.北京市11種園林植物滯留大氣顆粒物能力研究[J].應用生態學報，2006，17（4）：597-601.