鳶尾對大氣顆粒物的滯留與再懸浮能力

譚連帥 劉輝 姜雪磊 李鵬

摘要：以鳶尾（Iris tectorum Maxim.）為材料，采用干洗法測定其葉片的滯塵量，采用電感耦合等離子體發射光譜（ICP）測定其葉內及葉表的顆粒物成分及含量，并研究不同風速和不同風力作用時間下鳶尾的大氣顆粒物再懸浮比例。結果表明，鳶尾葉片的單位面積滯塵量為3.43 g/m2，在草本植物中是比較高的。鳶尾葉表元素及葉內元素中只有Al和K存在顯著相關性，風速對沉降于鳶尾葉片表面的大氣顆粒物的再懸浮有著顯著的影響，而風力作用時間的長短對大氣顆粒物的再懸浮影響作用有限。

關鍵詞：鳶尾（Iris tectorum Maxim.）；植物修復；大氣污染；電感耦合等離子體發射光譜；再懸浮

中圖分類號：X506 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）08-0039-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.010

Retention and Resuspension of Atmospheric Particles by Iris tectorum

TAN Lian-shuai1，2，LIU Hui1，JIANG Xue-lei1，LI Peng1

（1.College of Resource and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，Shandong，China；

2.College of Resource and Environment，Northwest Agriculture & Forestry University，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Abstract： Taking Iris tectorum Maxim. as the material，and the dust content was determined by dry-cleaning method. The composition and content of the particulate matter in the leaf and on the leaf surface were determined by ICP. In addition，resuspension ratio of atmospheric particulate on the leaf surface of I. tectorum was investigated at different wind speed and different time. The results showed that the amount of dust per unit leaf area was 3.43 g/m2，which was relatively high among the herbs. Only Al and K had significant correlations between the interior leaf elements and exterior elements. And wind speed gave significant effect on the resuspension of atmospheric particulates in I. Tectorum，while the wind function time gave the limited effect on the resuspension of atmospheric particulate matter.

Key words： Iris tectorum Maxim.； phytoremediation； air pollution； ICP； resuspension

隨著時代的進步與科技的發展，各種化石能源的消耗不斷增大，相應的各種產品如汽車等的普及使得大氣污染變得越來越嚴重，而主要污染物之一便是大氣顆粒物（Particulate matter，PM）[1-3]。大氣顆粒物不僅影響正常的大氣可見度，還對市民的健康造成了嚴重的威脅，其中可吸入顆粒物（PM10）或細顆粒物（PM2.5）作為首要污染物，必須得到有效的控制[4]。

植物修復作為緩解大氣污染的措施之一，與相關的工程技術措施相比有經濟、環保、高效、可持續等方面的優點[5，6]。其對大氣顆粒物的修復過程主要表現在持留和去除兩個方面，在持留過程中又涉及植物的截獲、吸附、滯留等作用[7-10]。當前的大多數研究將喬木作為植物修復的優先考慮樹種[11]，對地被性植物的研究尚不深入，而地被性植物可能在大氣顆粒物的修復方面有著更為優良的作用。

鳶尾（Iris tectorum Maxim.）隸屬于單子葉植物鳶尾科，為多年生草本植物。作為常用的地被植物，鳶尾在園林觀賞方面得到了廣泛的應用[12，13]，近些年有研究發現，鳶尾在修復土壤Cd等方面也具有一定作用[14，15]，但對其在大氣顆粒物的滯留方面的研究卻鮮有相關報道。

選擇鳶尾作為試驗材料，通過測定其葉片的滯塵量、葉表及葉內的顆粒物成分及含量，并設置不同風速和不同風力作用時間，研究鳶尾在不同條件下的再懸浮，以探究鳶尾對大氣顆粒物的修復能力，為地被性植物在大氣污染的植物修復研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

鳶尾采樣于青島市城陽區長城路的青島農業大學校園內，在當地降雨兩周后于同一區域內采集大小及形狀相似的葉片。

1.2 方法

1.2.1 鳶尾葉片表面顆粒物總量的測定 采集鳶尾葉30片，分為3組，每組10片。置于防塵盒內并轉移到實驗室，采用干洗法測定樣品表面顆粒物含量，用去離子水浸泡樣品2 h，使附著于葉片上的顆粒物灰塵被充分浸洗下來。2 h后，用鑷子夾出葉片，且保留葉片的原有形態，之后將其放置于報紙上充分晾干，利用葉面積儀測量其葉面積（s）。

用已經烘干稱重（W1）的濾紙過濾沖洗液。過濾完成后，將該濾紙置于60 ℃烘箱內24 h，烘干后稱重（W2）。兩次重量的差值，便是所采集的鳶尾葉片之上所附著的顆粒物質的總重量，葉片單位面積滯留顆粒物總含量計算公式如下：

M=（W2-W1）/S

式中，M為單位葉面積滯留顆粒物含量（g/m2）；W1為過濾前濾紙重（g）；W2為過濾后濾紙重（g）；S為葉面積（m2）。

1.2.2 鳶尾葉片表面顆粒物再懸浮含量的測定 風速的影響：取鳶尾葉90片，利用風扇設置1.0、1.5、2.0 m/s 3個風速梯度，每個梯度鳶尾葉30片，分為3組平行試驗。在無風室內將葉片固定于同一位置，采用風扇提供風力，用風速儀測量葉片所接受到的風速大小。后利用干洗法測得鳶尾葉片的表面所剩余的顆粒物總量。

時間的影響：將鳶尾葉小心轉移至無風室內，在無風環境下固定，利用風扇提供固定風速1.5 m/s，設置10、20和30 min 3個不同的時間梯度，通過風力作用后使用干洗法測得鳶尾葉片表面所剩余的顆粒物總量。

使用已經烘干稱重（W3）的濾紙將沖洗液過濾后，置于60 ℃烘箱內24 h，于烘干后進行稱重（W4）。兩次重量的差值，便是植物葉片上所剩余的顆粒物重量。葉片表面顆粒物再懸浮比例的計算公式如下：

R=1-（W4-W3）/（W2-W1）

式中，R為顆粒物再懸浮比例（%）；W3為過濾前濾紙重（g）；W4為過濾后濾紙重（g）。

1.2.3 鳶尾葉片表面顆粒物成分分析 利用分析天平準確稱取一定質量的依據“1.2.1”方法所得到的顆粒物，用混合酸濃硝酸：高氯酸（3∶1）對其實行消解處理，加去離子水定容為10 mL，后使用電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）分析其中的Al、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Si、Ti、V等元素的含量，共進行3組平行試驗。

1.2.4 鳶尾葉內元素成分與含量的測定 以濕法消解處理鳶尾葉片。稱取一定質量的鳶尾葉片，用去離子水將鳶尾葉片的顆粒物沖洗干凈，置于恒溫干燥箱中105 ℃殺青30 min，后于50 ℃下恒溫干燥至恒重。將鳶尾葉片用剪刀盡可能剪碎，置于消解瓶中，加入濃硝酸∶高氯酸（3∶1）溶液中消解。將消解之后的溶液倒入10 mL容量瓶中，用去離子水定容后，使用電感耦合等離子發射光譜儀分析Al、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Si、Ti、V等元素的含量。

2 結果與分析

2.1 鳶尾葉片表面滯塵量及元素含量

鳶尾單位葉面積滯塵量為（3.43±0.06） g/m2，ICP分析結果見表1。由表1可知，13種元素在鳶尾葉片表面灰塵中皆存在。其中，Ni的含量最高，其次為Al和Fe，最少的為Cr與V。在鳶尾葉片內部，只檢測到12種元素，與鳶尾葉片表面灰塵相比，不存在V元素。Ni的含量最高，其次為K，最少的為Ti。

對鳶尾葉片內部與葉表灰塵所含各元素利用SPSS進行Spearman系數相關性分析，發現僅有Al和K元素在鳶尾葉片內部與葉表灰塵的含量間存在顯著相關性，其余11種元素并不存在顯著相關性。

2.2 鳶尾葉片對顆粒物的再懸浮能力

2.2.1 風力強度的影響 設置風速為1.0、1.5、2.0 m/s 3個梯度，固定風力作用時間為10 min。由圖1可知，當風速為1.0 m/s時，鳶尾葉片的大氣顆粒物的再懸浮量為0.02 g/m2，1.5 m/s時上升到0.03 g/m2， 2.0 m/s時上升到0.06 g/m2。其再懸浮比例由1.0 m/s時的9.31%上升到1.5 m/s時的12.20%，2.0 m/s時達到28.25%（圖2）。

單因素方差分析表明，鳶尾葉片在3種風速下的再懸浮量之間都存在顯著差異，再懸浮比例之間也存在顯著差異，說明風速對沉降于鳶尾葉片表面的大氣顆粒物的再懸浮有重要的影響。

2.2.2 風力作用時間的影響 風速設定為1.5 m/s，時間設置為10、20、30 min 3個梯度。由圖3可知，鳶尾葉片表面顆粒物10 min時再懸浮量為0.03 g/m2，

20 min時再懸浮量升高到0.06 g/m2，30 min時提高到0.07 g/m2。不同時間相對應的再懸浮比例由13.11%提高到20.70%，最后達到21.76%（圖4）。

利用SPSS對鳶尾葉片在相同風速不同時間處理下的再懸浮量進行單因素方差分析，發現鳶尾葉片在20和30 min兩個時間梯度下的再懸浮量之間無明顯差異，而10和20 min兩個時間梯度下的再懸浮量之間有顯著差異。對不同時間相對應的再懸浮比例進行單因素方差分析，發現三者之間均無顯著性差異。

3 小結與討論

植物對大氣顆粒物的凈化機制大體可分為5種，分別為吸附與吸收、降解代謝、轉化、同化和超同化、中和緩沖[16，17]。在吸附方面，通常來講，面積大、具有絨毛、表面不平滑的葉片能夠更好的滯留和吸附大氣中的顆粒物[18]。本試驗選取的鳶尾葉片表面不具絨毛，但具縱脈，葉表不光滑。鳶尾平均單位葉面積滯塵量為3.43 g/m2，相對于白蠟（6.40 g/m2）與國槐（5.40 g/m2）等木本植物的滯塵量要低[19]，說明草本植物在滯塵方面的效果相對喬木有一定差距，這與羅曼[20]研究結論一致，即喬灌木對大氣顆粒物的修復有更顯著的影響。這可能是由于喬木植株高大、枝繁葉茂、枝干復雜，能滯留更多的顆粒物[21]。

但與其他草本植物相比，鳶尾對大氣顆粒物的滯留量有較大的優勢。周曉煒等[22]報道草本植物的平均滯塵量為（1.458 3±0.058 4） g/m2，王珂等[23]報道草本地被植物平均單位面積滯塵量為2.136 1 g/m2，均小于本試驗鳶尾的滯塵量。這表明鳶尾在草本植物中較其他植物可能有著更好的吸附顆粒物能力，在需要地被植物進行園林綠化時，可優先考慮鳶尾。

植物修復另一個重要的方面是對大氣顆粒物的化學離子的吸收，已有研究表明大氣顆粒物中的元素含量與植物體內相應累積的重金屬的含量有一定的相關性[24，25]。本試驗對鳶尾葉片滯留的灰塵和鳶尾葉片分別使用ICP進行元素含量分析，結果表明，所選擇的13種常見元素在葉片表面均可測出，但在葉內未測出V元素。對每一種元素進行相關性分析，發現只有Al和K元素在鳶尾葉片內部與葉表灰塵的含量間存在顯著相關性，而K是植物必需元素、Al為非必需元素。閆幫國等[26]研究指出土壤類型對葉片N、P、Ca、Mg、Cu等元素均有顯著影響；Han等[27]研究發現各元素在植物內的含量有著明顯的橫向和縱向趨勢；申智驊[28]對北海紅樹研究發現同種元素在不同植株間的變異倍數很大，大量元素的變異倍數超過3倍，微量元素甚至超過25倍。因此，對葉表顆粒物及葉內相應元素含量之間的關系尚需進一步研究。

當大氣中的顆粒物于植物上滯留后，其含量會發生進一步的變化，風、雨等氣象因素都會對其產生影響。有研究發現降雨對灰塵有很強的沖刷作用[29]，而在一定風力條件下，葉面顆粒物都能被風吹走，不同風速對顆粒物產生的影響效果也具有很大的差異，顆粒物經過風吹后通過再懸浮作用會有一部分灰塵重新進入大氣中。王會霞等[30]研究表明女貞的葉面滯塵量會因為大風的影響而降低約30%。本試驗同樣發現風速對鳶尾葉片的再懸浮作用有較大的影響，這與Ould-Dada等[31]的研究結果相符。

參考文獻：

[1] 賈琳琳.北方寒冷地區大氣顆粒物污染特征及源解析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[2] 楊春雪，闞海東，陳仁杰.我國大氣細顆粒物水平、成分、來源及污染特征[J].環境與健康雜志，2011，28（8）：735-738.

[3] 閻 靜.淺談大氣污染與植物修復[J].綠色科技，2015（8）：252，255.

[4] 趙云閣，魯笑穎，魯紹偉，等.北京市常見綠化樹種葉片秋季滯納不同粒徑顆粒物能力[J].生態學雜志，2017，36（1）：35-42.

[5] 滕雁梅.城市大氣污染的植物修復進展研究綜述[J].黑龍江農業科學，2008（6）：64-66.

[6] 魯 敏，李英杰，魯金鵬.綠化樹種對大氣污染物吸收凈化能力的研究[J].城市環境與城市生態，2002，15（2）：7-9.

[7] 駱永明，查宏光，宋 靜，等.大氣污染的植物修復[J].土壤，2002， 34（3）：113-119.

[8] FREER-SMITH P H，EL-KHATIB A A，TAYLOR G. Capture of particulate pollution by trees：A comparison of species typical of semi-arid areas（Ficus nitida and Eucalyptus globulus） with European and North American species[J].Water，Air，& Soil Pollution，2004，155（1-4）：173-187.

[9] 李 玫，章金鴻.大氣污染的植物修復及其機理研究的進展[J].廣州環境科學，2006（2）：39-43.

[10] WANG H X，SHI H，LI Y Y. Leaf dust capturing capacity of urban greening plant species in relation to leaf micromorphology[A].International Symposium on Water Resource and Environmental Protection[C].IEEE，2011.

[11] LIU L，GUAN D S，PEART M R，et al. The dust retention capacities of urban vegetation-a case study of Guangzhou，South China[J].Environmental Science and Pollution Research，2013， 20（9）：6601-6610.

[12] 齊春輝.鳶尾屬植物在園林中的應用[J].中國花卉園藝，2003（19）：26-27.

[13] 牟少華，郄光發，彭鎮華，等.我國鳶尾屬植物種質資源的研究與利用[J].草業科學，2007，24（8）：21-24.

[14] 黃蘇珍，原海燕.Cd脅迫對2種鳶尾幼苗生長和Cd及微量元素吸收的影響[A].中國植物學會植物結構與生殖生物學專業委員會、江蘇省植物學會2007年學術年會學術報告及研究論文集[C].2007.81-84.

[15] 郭 智，黃蘇珍，原海燕.Cd脅迫對馬藺和鳶尾幼苗生長、Cd積累及微量元素吸收的影響[J].生態環境，2008，17（2）：651-656.

[16] 丁 菡，胡海波.城市大氣污染與植物修復[J].南京林業大學學報（人文社會科學版），2005，5（2）：84-88.

[17] 崔玉俠，陳玉成，邢 賾，等.大氣污染植物修復的研究進展[J].微量元素與健康研究，2009，26（2）：58-60.

[18] 俞學如.南京市主要綠化樹種葉面滯塵特征及其與葉面結構的關系[D].南京：南京林業大學，2008.

[19] 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.

[20] 羅 曼.不同群落結構綠地對大氣污染物的消減作用研究[D].武漢：華中農業大學，2013.

[21] 趙晨曦.基于不同尺度的植物對PM2.5的削減及滯留影響研究[D].北京：北京林業大學，2015.

[22] 周曉煒，亢秀萍.幾種校園綠化植物滯塵能力研究[J].安徽農業科學，2008，36（24）：10431-10432.

[23] 王 珂，李海梅.青島市城陽區地被植物滯塵效益研究[J].江西農業學報，2009，21（3）：68-70.

[24] XIONG Z T. Bioaccumulation and physiological effects of excess lead in a roadside pioneer species Sonchus oleraceus L.[J].Environmental Pollution，1997，97（3）：275-279.

[25] Characterization of trace metal particles deposited on some deciduous tree leaves in an urban area[J].Chemosphere，2005，61（6）：753-760.

[26] 閆幫國，何光熊，史亮濤，等.元謀干熱河谷燥紅土和變性土上植物葉片的元素含量及其重吸收效率[J].應用生態學報，2016， 27（4）：1039-1045.

[27] HAN W X，FANG J Y，REICH P B，et al. Biogeography and variability of eleven mineral elements in plant leaves across gradients of climate，soil and plant functional type in China[J].Ecology Letters，2011，14（8）：788-796.

[28] 申智驊.華南紅樹植物葉片經濟學及元素特征[D].南寧：廣西大學，2016.

[29] 查 燕.氣象因子對城市植物葉面顆粒物的影響研究[J].安徽農業科學，2015，43（20）：246-248.

[30] 王會霞，石 輝，張雅靜，等.大葉女貞葉面結構對滯留顆粒物粒徑的影響[J].安全與環境學報，2015，15（1）：258-262.

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