蘭州市常見闊葉樹種對(duì)大氣顆粒物吸滯能力的評(píng)估1)

楊克彤 陳國(guó)鵬 李廣 湯東 張凱

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，蘭州，730070)

一般而言，空氣懸浮顆粒物主要指PM10.0和PM2.5，空氣懸浮顆粒物因其微小的形態(tài)、強(qiáng)大的吸附力和巨大的表面積，可以攜帶大量有毒有害物質(zhì)而損害人體健康[1-2]。城市化進(jìn)程壓力下，大氣污染日益嚴(yán)重，綠化樹種作為城市有限空間中最主要的綠色植物，被認(rèn)為具有吸滯空氣懸浮顆粒物的能力。如今借助自然界的清理機(jī)制從而緩解城市大氣污染壓力逐步成為一種有效途徑[3-5]。

近年來(lái)，園林綠化植物吸滯大氣粉塵的作用受到越來(lái)越多的關(guān)注[6-9]。不同生活型綠化樹種的多層次配置能在宏觀范圍阻滯大氣顆粒物的地域性擴(kuò)散，其中喬木的吸滯能力優(yōu)于灌木，但也有研究持不同觀點(diǎn)[10-11]。葉面形態(tài)的研究則從微觀角度更好地解釋了植物葉片的滯塵機(jī)理[5，12-13]，不同綠化樹種間滯塵能力存在顯著差異，可相差5～40倍[14]，造成這種差異的原因與葉表褶皺數(shù)量、葉表粗糙度、溝槽數(shù)量、葉表起伏程度等微形態(tài)緊密相關(guān)[15-16]。有研究表明，造成樹種吸滯能力的差異主要由葉面積大小和植株著生的葉片數(shù)量(綠量)決定[17-18]，并且不同樹種對(duì)大氣顆粒物的吸滯存在粒徑特異性，即部分樹種僅對(duì)細(xì)顆粒物或極細(xì)顆粒物表現(xiàn)出顯著的吸滯能力。然而，當(dāng)前的樹種滯塵能力研究?jī)H從少量樹種的葉表微形態(tài)進(jìn)行相關(guān)機(jī)理解釋，缺乏綠化樹種對(duì)不同粒徑顆粒物特異性吸滯能力的量化研究[6，19]，尤其對(duì)半干旱區(qū)及生態(tài)脆弱區(qū)的樹種滯塵能力研究鮮見報(bào)道[20-22]。

蘭州市處于半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)脆弱帶，因其特殊的“兩山夾一河”地形使大氣循環(huán)不暢，導(dǎo)致大氣顆粒物在城區(qū)久聚不散，空氣環(huán)境問題嚴(yán)峻，曾位列“全國(guó)十大重污染城市”，這嚴(yán)重影響人們的身體健康和幸福生活[7，9，23]。研究園林綠化植物對(duì)大氣顆粒物的吸滯效果對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量問題具有重要意義。本研究通過(guò)對(duì)蘭州市區(qū)30種綠化樹種葉片吸滯量的測(cè)定，將30種綠化樹種單葉吸滯量大小進(jìn)行排序，分析了不同樹種吸滯大氣顆粒污染物中粗、細(xì)顆粒物的比例及其特異性，以期進(jìn)一步解釋造成不同樹種吸滯量差異和不同粒徑顆粒物占比不同的原因，為蘭州市防治大氣污染和合理配置街道綠化樹種提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

蘭州市(36.3°N，103.40°E，海拔約1 500 m)位于黃土高原的西北部，地勢(shì)西南高東北低，呈東西狹長(zhǎng)帶狀盆地形，南北群山環(huán)抱，屬于大陸性很強(qiáng)的溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為10.3 ℃，年均日照時(shí)間2 446 h，年均無(wú)霜期180 d，年均降水量327 mm左右，主要集中在6—9月份(50%～70%)。土壤以灰鈣土為主，其次為栗鈣土和灰褐土，自然植被主要是多年生禾草、旱生灌木和小喬木，其中在綠化植物的種類上喬木和灌木占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，草本植物次之。

2 材料與方法

2.1 葉片采集與滯塵量測(cè)定

試驗(yàn)地點(diǎn)位于蘭州市城區(qū)。由于大于15 mm的降水和大于5級(jí)的大風(fēng)即可對(duì)植物葉片滯留顆粒物的數(shù)量造成影響，因此采樣前15 d內(nèi)，沒有大于15 mm降水和5級(jí)大風(fēng)[24-25]。考慮到北方樹種著葉期與生長(zhǎng)期，于2018年6月中旬采樣并試驗(yàn)。查閱《中國(guó)植物志》對(duì)樹種生活型(喬木、灌木)和葉片形態(tài)進(jìn)行分組(見表1)。

采樣時(shí)避開人、車流高峰及道路邊緣等強(qiáng)干擾路段，喬木樹種在距地表1.8 m處采樣，灌木樹種根據(jù)株型不同在距地表1.0～1.8 m處采樣[19]，盡可能保證采樣高度基本一致。此外，在樹木集中生長(zhǎng)區(qū)(可認(rèn)為空氣污染狀況相近)選定3棵樹齡相近的標(biāo)準(zhǔn)木，于樹冠中層按東、西、南、北、中5個(gè)方位，各取1片葉形完整、無(wú)病蟲害的葉片(每個(gè)樹種15片)，裝入紙質(zhì)采集袋(無(wú)靜電)中迅速帶回，并在2 h內(nèi)完成葉表顆粒物吸滯量的測(cè)定[14，26-27]。

表1 蘭州市區(qū)主要闊葉綠化樹種

吸滯量的測(cè)定參考柴一新等[28]的洗脫質(zhì)量法，鑒于空氣顆粒物粒徑分布范圍較廣，用過(guò)濾法進(jìn)行顆粒的精細(xì)劃分存在難度，因此將大于10 μm的顆粒物統(tǒng)稱為粗顆粒物，將2～10 μm的顆粒物統(tǒng)稱為細(xì)顆粒物，二者之和稱為吸滯總量[6]。首先將滯塵后的葉片在燒杯中用蒸餾水浸泡2 h，再用小毛刷清洗葉片上的附著物，然后置于超聲清洗儀中以25 ℃蒸餾水清洗5 min，用鑷子將葉片小心夾出。浸洗液用已烘干稱量的定量濾紙(Ma1，最大孔徑10 μm)過(guò)濾后，將濾紙置于80 ℃下烘干至恒質(zhì)量；繼續(xù)用已烘干稱量的濾紙(Mb1，最大孔徑2 μm)進(jìn)行第2次過(guò)濾，置于80 ℃下烘至恒質(zhì)量并稱量；最后分別稱量過(guò)濾烘干后的濾紙(Ma2和Mb2)，2次質(zhì)量之差即分別記為葉片上所附著降塵粗顆粒物和細(xì)顆粒物的質(zhì)量，以上稱量均使用同一精度天平，精度為1/10 000。將拭去水分的葉片通過(guò)EPSON Scan掃描后，使用Image J軟件計(jì)算葉面積。

2.2 數(shù)據(jù)分析

采用單位面積吸滯量(μg·cm-2)表示葉片的吸滯能力[19]。單葉吸滯量、單位面積吸滯量(即吸滯能力)、吸滯總量分別由下式計(jì)算，

Ma=Ma2-Ma1；

Mb=Mb2-Mb1；

Wa=Ma/S；

Wb=Mb/S；

M=Ma+Mb；

W=Wa+Wb。

式中：Ma表示單葉粗顆粒吸滯量；Mb表示單葉細(xì)顆粒吸滯量；Wa表示單葉粗顆粒吸滯能力；Wb表示單葉細(xì)顆粒吸滯能力；M表示單葉吸滯總量；W表示單位面積吸滯總量。

通過(guò)Origin 9.0軟件對(duì)樹種生活型和葉片形態(tài)滯塵量的差異進(jìn)行單因素方差分析，并利用自定義衰減指數(shù)函數(shù)y=a+be-cx擬合葉面積與滯塵量間的關(guān)系，因該函數(shù)能體現(xiàn)葉面積與單位面積滯塵吸滯量間的關(guān)系，此外求出函數(shù)的吸滯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其中，

X=(Mmax-Mmin)/M，

M=(x1w1+x2w2+…+xnwn)/(w1+w2+…wn)。

式中：X為函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；Mmax和Mmin分別為單位面積最大、最小吸滯量；M由葉面積為權(quán)重的單位面積吸滯量加權(quán)平均求得，xn為第n個(gè)樣本，wn為第n個(gè)樣本的權(quán)重。統(tǒng)計(jì)、計(jì)算使用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行，分析、作圖使用Origin 9.0軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 單葉吸滯不同粒徑顆粒物質(zhì)量及比例

30種闊葉樹單葉吸滯量排序情況見表2，火炬樹單葉吸滯量最大，貼梗海棠單葉吸滯量最小，單個(gè)葉片最大與最小吸滯量相差34倍；日本晚櫻、紅瑞木、紫藤、連翹、金銀忍冬、刺槐和火炬樹等樹種滯塵變異系數(shù)較大(0.70～0.84)，小葉黃楊、牡丹、紫薇、紫丁香、月季和白蠟等滯塵變異系數(shù)較小(0.40～0.51)。樹種單葉吸滯能力排序見表2，樹種間單葉吸滯能力最大相差980倍；單葉吸滯能力較大的樹種以灌木居多，較小的以喬木居多。

表2 單葉和單位葉面積吸滯不同粒徑顆粒物質(zhì)量

不同樹種單葉吸滯不同粒徑顆粒物的比例間存在顯著差異(見表3)，除火炬樹、紫葉小檗、小葉黃楊外，其余樹種吸滯不同粒徑顆粒物的質(zhì)量均表現(xiàn)為粗顆粒物高于細(xì)顆粒物，其中玉蘭、杜仲對(duì)粗顆粒物吸滯量占吸滯總量的70%以上。不同樹種單位面積吸滯不同粒徑顆粒物的能力也存在顯著差異(見表3)，刺槐、杜仲、玉蘭、三球懸鈴木這4種樹單葉吸滯粗顆粒物的能力超過(guò)了單葉吸滯總能力的60%。

表3 單葉和單位葉面積吸滯不同粒徑顆粒物比例

3.2 不同功能型樹種單葉吸滯總量特征

葉質(zhì)(革質(zhì)與紙質(zhì))、覆毛狀況(覆毛與無(wú)毛)和葉片粗糙程度(粗糙與光滑)均未顯著影響單葉吸滯量和吸滯能力(見表4)，僅有生活型(喬木和灌木)顯著影響單葉吸滯能力，灌木的單葉吸滯能力為(2 149.73±155.84)μg·cm-2，顯著大于喬木的(1 012.38±52.15)μg·cm-2。

3.3 葉片大小對(duì)單位面積吸滯量的影響

葉片大小對(duì)單葉吸滯細(xì)顆粒物的能力無(wú)明顯影響(P=0.43，見圖1)，對(duì)單葉吸滯粗顆粒物及吸滯總量的能力有顯著影響(P<0.05)；但隨著葉片面積的增大，單葉吸滯粗、細(xì)顆粒物及總量的能力先急劇下降后趨于穩(wěn)定，呈指數(shù)衰減函數(shù)變化趨勢(shì)，其擬合函數(shù)分別為y=185.86+3 520.24e-0.166 0x(R2=0.90)、y=220.37+2 577.78e-0.116 3x(R2=0.77)、y=417.78+6 154.57e-0.143 6x(R2=0.86)，拐點(diǎn)(X)分別為17.34、10.37、13.21 cm2。

表4 不同生活型及葉形態(tài)對(duì)吸滯總量的影響

4 結(jié)論與討論

葉片吸滯總顆粒物能力具有顯著的種間差異[19，29]，對(duì)蘭州市30種綠化樹種單葉吸滯量的綜合比較發(fā)現(xiàn)，火炬樹、絲棉木和連翹等吸滯能力較強(qiáng)，杜仲和貼梗海棠較弱，樹種間吸滯量最大與最小可達(dá)37倍。王會(huì)霞等[14]也發(fā)現(xiàn)不同綠化樹種間吸滯能力存在顯著差異，最大可相差40倍，本研究結(jié)果與之近似。本研究中紫葉小檗、冬青衛(wèi)矛、榆葉梅和紫丁香等灌木吸滯能力與王會(huì)霞等[14]研究的結(jié)果基本一致，即紫葉小檗吸滯顆粒物能力最強(qiáng)、冬青衛(wèi)矛和榆葉梅次之、紫丁香最弱，這可能與植株高度有關(guān)。大氣顆粒物的沉積特性和分層效應(yīng)會(huì)引起不同高度植株的吸滯量差異[5-7，11-14]，由于蘭州地區(qū)紫葉小檗最大株高約90 cm，地表二次揚(yáng)塵可能會(huì)在紫葉小檗葉表面逐漸積累，進(jìn)而導(dǎo)致其吸滯能力較強(qiáng)。

葉片對(duì)不同粒徑顆粒物的吸滯具有明顯特異性[30]，趙松婷等[31]發(fā)現(xiàn)小葉黃楊葉片吸附的顆粒物主要以細(xì)顆粒物、超細(xì)顆粒物為主；趙云閣等[32-33]對(duì)北京9種樹木的研究也發(fā)現(xiàn)，白蠟吸滯PM2.5能力強(qiáng)，而楊樹和柳樹則對(duì)PM10.0有更強(qiáng)的吸滯能力；對(duì)夏季6個(gè)綠化樹種的研究發(fā)現(xiàn)，單位面積PM2.5吸滯量由大到小為：柳樹、五角楓、楊樹、銀杏，且各樹種葉片對(duì)PM10.0的吸滯量占顆粒物總量的50%以上。本研究發(fā)現(xiàn)，不論選取何種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，玉蘭、杜仲、三球懸鈴木、刺槐4種樹吸滯粗顆粒物的能力均優(yōu)于其他樹種，葉片吸滯粗顆粒物的量占吸滯總量的60%以上。一方面可能與葉面大小有關(guān)，另一方面可能與葉片微形態(tài)有關(guān)，玉蘭與三球懸鈴木葉表具絨毛，杜仲葉片則多褶皺，且3種樹均具有較大的葉面積，較大的粗顆粒被卡在絨毛與溝槽之間，難以沉降到地面，導(dǎo)致其吸滯粗顆粒物能力較強(qiáng)。但刺槐具有較小的葉面積且葉表平整無(wú)毛，其吸滯粗顆粒物依舊較多，具體原因尚需進(jìn)一步探究。另外，紫葉小檗、小葉黃楊等吸滯粗顆粒物能力最弱，可能與其葉表具有疏水性有關(guān)，導(dǎo)致較大顆粒物難以附著，該結(jié)果支持了樹種對(duì)顆粒物吸滯具有特異性和偏向性這一觀點(diǎn)[6]。

圖1 單葉吸滯量、單位面積吸滯能力隨葉面積的變化關(guān)系

植物滯塵能力的差異受生活型影響顯著[12，34]。有研究發(fā)現(xiàn)單位面積吸滯能力以草本植物最大、灌木次之、喬木最小[12，35-37]。本研究中，盡管喬木樹種單葉吸滯量大于灌木，但差異未達(dá)到顯著水平(P=0.16)，而灌木單位面積的吸滯量卻顯著高于喬木(見表4)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。灌木株高往往低于喬木，而植株高度又在一定程度上影響著葉片吸滯量差異[37]，行人、車輛和大風(fēng)可引起地面粉塵的二次沉降，進(jìn)而干擾喬灌吸滯量差異[37-38]。因此多樣化搭配綠化樹種，提高綠化樹種的空間利用率，可以將吸滯效果發(fā)揮到最大。葉片質(zhì)地與微型態(tài)，如紙質(zhì)、革質(zhì)、覆毛狀況、溝槽深度和粗糙程度等都將影響植物葉片吸滯顆粒物的能力，葉表面的細(xì)小絨毛可以將大氣顆粒物卡在絨毛之間難以脫離[14，40]，葉表粗糙的網(wǎng)格組織及褶皺使得細(xì)小的顆粒物不易被雨水沖刷掉落，因此葉表絨毛越多、粗糙度越大、溝槽越深則葉片滯塵能力越強(qiáng)[41-43]。本研究中，盡管革質(zhì)、無(wú)毛、光滑葉片優(yōu)于紙質(zhì)、覆毛、粗糙葉片的吸滯能力，但單因素方差分析發(fā)現(xiàn)葉片質(zhì)地、覆毛與否、粗糙程度對(duì)單葉吸滯量和單葉吸滯能力的影響均不顯著，與部分研究結(jié)果相異，這可能與取樣樹種的數(shù)量與葉表微型態(tài)有關(guān)，取樣數(shù)量引起的總?cè)~面積不均掩蓋了個(gè)體間差異狀況，而葉表微型引起的滯塵差異忽略了葉面積的影響，另外吸滯量指標(biāo)的選取也會(huì)使得植物吸滯能力出現(xiàn)較大分異[44]。

不論物種類型還是葉片特征影響吸滯量的表達(dá)時(shí)多為單葉吸滯量、單葉吸滯能力或單株吸滯量[29，44-45]。在吸滯量一定時(shí)，單葉吸滯能力主要取決于葉面積綠量，綠量越大吸滯能力越強(qiáng)[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，葉面積大小極顯著地影響著蘭州市主要綠化樹種單葉吸滯顆粒物能力，隨著葉片面積增大，單葉吸滯能力先急劇下降后漸趨穩(wěn)定，采用指數(shù)衰減函數(shù)擬合并計(jì)算葉面積-吸滯能力間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，葉面積分別為17.34、10.37、13.21 cm2時(shí)，達(dá)到吸滯細(xì)顆粒物、粗顆粒物和吸滯總能力的臨界點(diǎn)，超過(guò)臨界值后隨葉面積增大吸滯量變化逐漸趨近于0。葉面積吸滯量臨界值如何影響葉片吸滯能力，具有怎樣的生物學(xué)意義，尚需進(jìn)一步探究。

30種樹種對(duì)不同粒徑顆粒物的吸滯量存在特異性，其中，樹種生活型僅對(duì)單位面積葉片吸滯量有顯著影響，而葉表形態(tài)對(duì)單位面積葉片吸滯量和單葉吸滯量均無(wú)顯著影響，隨著葉片面積的增大，單位面積吸滯粗、細(xì)顆粒物及總量的能力先急劇下降后趨于穩(wěn)定。