常見綠化樹種葉片滯塵和吸滯重金屬能力分析

鄭瑤瑤， 李曉燕， 張 翠， 龍翠玲

（1.貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽550025； 2.鄲城縣第一高級中學，河南 周口477150）

0 引言

城市化進程加快，經濟迅速發展，但生態環境持續惡化，大氣污染加劇，灰塵產生逐漸增多.城市灰塵中的Pb可能是影響人體血液中毒和貧血的誘因，Cd導致致畸現象，Zn可能提高人體心臟病、高血壓等的患病概率［1-4］.眾多研究結果顯示，許多樹種葉片不僅能滯留大氣降塵，而且能有效吸滯灰塵中的重金屬，樹種葉片的吸附、滯留作用，逐漸成為緩解城市大氣污染壓力、提高城市空氣質量的有效途徑［5］.目前，已有學者對不同樹種葉片滯塵與吸滯重金屬能力、吸滯顆粒物粒徑分布、季節分布、空間分布、葉片表面結構特征與滯塵的關系等進行了一系列的研究［4，6-9］，但大多數研究只是局限于某一個小環境或單個城市，對某一樹種葉片在不同城市滯塵及吸滯重金屬含量的比較研究還有所欠缺.為了從總體上評估常見樹種葉片滯塵及吸滯重金屬的能力，通過文獻研究，收集5種常見綠化樹種在不同城市滯塵數據及6種常見綠化樹種吸滯重金屬的數據，分析其滯塵及吸滯重金屬的能力.

1 文獻選擇與數據處理

主要選用2004—2018年的研究文獻數據，這些數據主要通過在全年或夏秋季采集樹葉樣本獲得灰塵樣品，利用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-AES）、電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）或原子吸收分光光度計（AAS）測定重金屬含量.為提高數據的可比性，本著選用相近的采樣年限和時段、相同或相似采樣和測試方法的原則，對多份文獻采樣樣本的城市進行文獻篩選.研究的樣本城市列于表1和表2.

表1 5種樹種葉片滯塵選擇的樣本城市Tab.1 Sample cities selected for leaf dust retention in five tree species

表2 6種樹種葉片吸滯重金屬選擇的樣本城市Tab.2 Sample cities selected for leaf stagnation heavy metals in six tree species

利用Excel和SPSS軟件對數據進行統計處理和單因素方差分析.

計算樹種葉片對單個重金屬元素的累積系數

其中，Ri為樹種葉片吸滯重金屬相對于當地土壤背景值的累積系數，i代表Pb、Cd、Cu、Zn等4種元素，Ci背景值是城市土壤重金屬背景值.

2 結果

2.1 不同樹種葉片滯塵能力

2.1.1 不同樹種葉片滯塵量 結合圖1和計算結果知，從幾何均值來看，5種樹種葉片的滯塵能力由大到小順序為大葉黃楊＞紫葉李＞銀杏＞香樟＞垂柳.經統計檢驗，大葉黃楊的滯塵量顯著高于香樟（P＝0.048），垂柳的滯塵量顯著低于紫葉李（P＝0.012）和大葉黃楊（P＝0.010）.比較樹種滯塵量最大值發現，紫葉李滯塵量最大值遠高于其他4個樹種.不同樹種葉片在不同城市滯塵量變異度的大小順序為香樟（1.26）＞銀杏（1.07）＞紫葉李（0.98）＞垂柳（0.62）＞ 大葉黃楊（0.51），香樟葉片滯塵量的變異度遠高于其他4個樹種，這表明香樟作為常用綠化樹種之一，總體滯塵量不穩定，可能是由于香樟種植城市的空中飄塵存在質量濃度差異所導致.

圖1 5種樹種葉片滯塵分布圖Fig.1 Leaves dust distribution map of five tree species

2.1.2 樹種葉片滯塵量與生長高度的關系 根據表1采樣樹種的基本信息，統計5種樹種葉片滯塵量和生長高度的幾何均值（見圖2）.由圖2知，大葉黃楊的生長高度最低，滯塵量卻高于其他4樹種，兩者變化的總體趨勢顯示，樹種生長高度越低，其滯塵量越高，可能樹種葉片的滯塵主要來自地表細粒級灰塵的揚起.王丹丹等［55］研究結果也表明圓柏滯塵與采樣高度呈負相關關系，與本文研究結果一致.

圖2 5種樹種葉片滯塵與生長高度關系圖Fig.2 Relationship between leaves dust retention and growth height of five tree species

2.1.3 不同樹種葉片每周滯塵能力比例 葉片在不同時間段滯塵量有些許差異，為了研究在不同時間樹種葉片滯塵量差異情況，收集表1中部分樣本城市樹種葉片在雨后第一周和第二周分別采樣獲取的滯塵量數據，用第二次采樣的滯塵量減去第一次采樣的滯塵量，得到葉片雨后第二周的滯塵量數據，2次滯塵量數據分別除以總滯塵量（第二次采樣的滯塵量數據），得出2次滯塵量分別占總滯塵量的比例情況（見圖3）.探討分析原因，由于大葉黃楊在雨后兩周滯塵的研究樣本不足，故在此對大葉黃楊每周滯塵能力不做比較.

圖3顯示，在4種樹種葉片滯塵中，第一周滯塵量占總滯塵量的比例較大.有15個城市第一周葉片滯塵量占總滯塵量的60%以上，5個城市在50%～60%之間，僅有6個城市第一周葉片滯塵量占總滯塵量的50%以下，相比第一周而言，除少部分城市外，大部分城市樹種葉片在第二周的滯塵能力增加幅度降低，而阜新和撫順的銀杏、阜新的垂柳在第二周滯塵量不增反降.

圖3 每周滯塵量占總滯塵量的比例Fig.3 proportion of weekly dust retention in total dust retention

總體上，銀杏、垂柳、紫葉李、香樟4樹種葉片滯塵量均表現出第一周大于第二周的特點.

可能受外力作用的影響，阜新和撫順的銀杏、阜新的垂柳葉片累積的灰塵在第二周減少，其他城市的樹種葉片滯塵量則一直平穩增加，由于樹種葉片表面積有限，樹種葉片有限的表面積上不斷積累增加灰塵，導致葉片滯塵量逐漸趨向于飽和，當滯塵達到飽和時，滯塵量便不再增加或增加幅度較小，直到下次大雨過后樹種葉片再重新滯塵.

2.2 不同樹種葉片對重金屬吸滯能力差異結合圖4可知，從幾何均值來看，6種樹種葉片對Pb的吸滯能力由大到小順序為銀杏＞欒樹＞圓柏＞國槐＞紫葉李＞臭椿，統計檢驗無顯著性差異；但國槐吸滯Pb的最大值遠高于其他5種樹種，國槐對Pb的最大吸滯量分別是銀杏、欒樹、圓柏、臭椿和紫葉李的1.53、1.40、2.20、3.68和5.32倍.

圖4 6種樹種葉片吸滯重金屬分布圖Fig.4 Heavy metals distribution map of leaves of six tree species

樹種葉片對Cd的吸滯能力由大到小順序為臭椿＞圓柏＞國槐＞銀杏＞紫葉李＞欒樹，統計檢驗無顯著性差異；圓柏吸滯Cd的最大值遠高于其他5種樹種，圓柏對Cd的最大吸滯量分別是國槐、銀杏、欒樹、臭椿和紫葉李的2.97、5.87、13.2、1.16和1.55倍，說明圓柏對Cd具有較大的吸滯潛能.

樹種葉片對Cu的吸滯能力由大到小順序為國槐＞欒樹＞圓柏＞臭椿＞紫葉李＞銀杏，統計檢驗顯示，國槐的Cu吸滯量顯著高于銀杏 （P＝0.011）；且國槐吸滯Cu的最大值遠高于其他5種樹種，分別是銀杏、欒樹、圓柏、臭椿和紫葉李最大吸滯量的4.11、2.52、1.13、1.34和2.28倍，說明國槐對Cu具有較大的吸滯能力.

樹種葉片對Zn的吸滯能力由大到小順序為紫葉李＞國槐＞欒樹＞圓柏＞銀杏＞臭椿，統計檢驗無顯著性差異；國槐吸滯Zn的最大值遠高于其他5種樹種，分別是銀杏、欒樹、圓柏、臭椿和紫葉李最大吸滯量的3.10、1.79、1.53、3.42和2.01倍，說明紫葉李和國槐，對Zn的吸滯能力大于其他樹種.

總之，就幾何均值而言，對Pb、Cd、Cu、Zn吸滯量最大的樹種依次為銀杏、臭椿、國槐和紫葉李；從最大值來看，國槐對Pb、Cu、Zn吸附潛能最大，圓柏對Cd吸附潛能最大.

3 討論

3.1 樹種生長特性是影響葉片滯塵及吸滯重金屬能力的主要因素鄭蕾［63］研究認為紫葉李之所以具有較強的滯塵能力，與其葉片表面粗糙有皺褶覆蓋，又有利于顆粒物的滯留這一特點是分不開的.姜紅衛等［21］則認為垂柳的滯塵能力較弱，與垂柳的葉片懸垂向下，葉片輕軟，葉表平滑，枝條易隨風擺動有關.本文的研究結果也表明紫葉李葉片滯塵潛能最大，垂柳葉片的滯塵能力低于其他樹種，與以上研究結果一致.大葉黃楊的生長高度使得其葉片除了能吸滯空中灰塵外，還能夠承接道路二次揚塵及機動車行駛過程中的排放物［13］，因此，大葉黃楊滯塵能力大于其他樹種，研究結果與張家洋等［29］一致.魏麗婧［37］對延安綠化樹種吸滯重金屬研究結果表明，國槐對Pb、Cu、Zn具有較高吸滯能力，與本文研究結論一致，國槐葉片表面的細微絨毛，背面略微下陷的氣孔以及氣孔周圍的脊狀隆起等特征［16］，使得國槐對重金屬具有較大的吸滯能力.程玉良等［54］對道路綠化樹木葉片重金屬含量比較結果顯示，圓柏對Cd的吸滯能力較低，與本文結果有差異，原因可能在于采樣時間與種植地點周邊環境差異所導致.

3.2 氣象因素對葉片滯塵及吸滯重金屬能力的影響王會霞等［64］研究認為2天的持續性降雨，當降雨量分別達到14.8和17.1 mm時，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量分別降低50%、62%；劉辰明等［65］的研究結果也表明，隨著降雨增大，葉片對各粒徑顆粒物去除能力也隨之增強；江勝利［66］研究發現，當空氣濕度較大時，為葉面顆粒物累積創造了有利條件，因此空氣濕度會對樹種葉表滯留顆粒物能力產生重要影響；馬遠等［67］研究認為，較低的風速有利于葉片滯塵，風速較低時，樹種葉片滯塵量隨著風速增大不斷增加，但當風速繼續增大時，各樹種葉片滯塵量則會出現不同程度的減少.在本文中，阜新和撫順的銀杏、阜新的垂柳在第二周葉片滯塵量減少，可能與測試期間發生大風天氣有關，從而導致葉片滯塵量在外力作用下減少；杭州的銀杏、香樟，吉林的垂柳葉片在第二周滯塵量增幅較大，說明葉片還有充足的滯塵空間，隨著時間推移，滯塵量也不斷增加，直至下次降雨來臨，在降雨的沖刷下，還未達到最大滯塵量的葉片將重新開啟新一輪滯塵周期.王蕾等［68］研究表明針葉樹種在風力達到5～6級時，葉面顆粒物并沒有出現減少的情況，并且當外來沙塵入侵時，葉面顆粒物附著密度大幅度增加.陳錦旋［69］的研究結果顯示，風向是導致不同方位樹葉滯塵量差異的重要原因；王晴晴等［70］研究發現來自不同方向的大氣氣團攜帶的Cd、Cu不斷地積累，成為影響廣州PM2.5中重金屬濃度的重要因素.總的來說，葉片滯塵及吸滯重金屬過程中受氣象因素影響頗大.

3.3 土壤背景值對葉片吸滯重金屬能力的影響6種樹種葉片對重金屬的吸滯相對于當地土壤背景值的累積系數的幾何均值及最大值（表4）.從表4可知，國槐對Pb的累積系數的平均值處于次高水平，最大值在6種樹種中居于最高；圓柏對Cd的平均累積系數處于次高水平，但累積系數最高值高于其他5種樹種；Cu的累積系數差異也顯示圓柏對Cu的累積系數與當地的環境有關；國槐對Cu的吸滯量最大值高于其他5種樹種，說明國槐對Cu有較大的累積潛能；對Zn而言，國槐表現出最大的累積能力，其累積系數平均值和最大值都為最高.因此，在扣除了不同城市土壤背景值對樹種葉面重金屬濃度影響的前提下，分析結果顯示，對于Pb、Cd、Cu和Zn等4種元素來說，吸滯能力最強的樹種分別為國槐、圓柏、國槐和國槐，與上述結果一致.6種樹種葉片重金屬含量絕對差異和與土壤背景值歸一化后的差異基本一致，說明此6種樹種在所研究的城市范圍內，土壤重金屬背景值對其葉片吸滯重金屬的影響較小.

表4 6種樹種的葉面重金屬與土壤背景值累積系數比較Tab.4 Comparison of leaves heavy metal and soil background value concentration of six tree species

3.4 城市發展參數對樹種葉片滯塵及吸滯重金屬的影響選擇與采樣年份相同的樣本城市統計年鑒［71-79］，研究部分城市發展參數與樹種葉片滯塵量及吸滯重金屬含量之間的關系，并繪制成圖5與圖6.從圖5可以看出，工業總產值變化曲線與銀杏、垂柳、香樟、大葉黃楊葉片滯塵量曲線吻合度不高，而紫葉李葉片滯塵量與城市工業總產值的變化曲線吻合度較高，經統計檢驗，二者之間顯著正相關（P＝0.001）；大葉黃楊葉片滯塵量與建成區綠化覆蓋率之間呈負相關關系（P＝0.008），其他城市參數與樹種葉片滯塵量之間無顯著相關關系：說明工業總產值和建成區綠化覆蓋率會對樹種葉片滯塵量產生重要影響.

圖5 5種樹種葉片滯塵與城市發展參數的關系Fig.5 Relationship between leaves dust retention and urban development parameters of five tree species

圖6顯示，欒樹吸滯Zn含量的變化曲線與煤氣、石油氣使用量及機動車保有量曲線吻合度較高，經統計檢驗，Zn與煤氣（P＝0.006）、石油氣使用量（P＝0.006）、機動車量（P＝0.005）呈顯著正相關，這說明樹種葉片吸滯Zn的來源與煤氣、液化石油氣使用量及機動車保有量有關.楊梅等［80］通過對貴陽市冬季不同時段地表灰塵重金屬的研究發現，家庭燃煤取暖排放的煤灰與煤塵中富集著大部分燃燒過程中所排放的Zn和排放的煙塵，成為葉片灰塵中相關重金屬的來源之一.機動車輛行駛過程中的輪胎磨損則是Zn又一重要來源［81］.

圖6 6種樹種葉片吸滯重金屬含量與城市發展參數的關系Fig.6 Relationship between leaves heavy metal content and urban development parameters of six tree species

戴斯迪等［82］研究認為，國槐葉片滯塵量與車流量呈顯著正相關關系，在不同道路類型國槐葉片滯塵量也有差異；劉穎等［83］則認為葉片滯塵量除了與車流量相關以外，還與其他環境狀況有關，如通過的人流量、附近的工廠、建筑施工、路面整潔程度和綠化樹種數量等因素都會對綠化樹種的滯塵效果造成影響.

4 結論

大葉黃楊滯塵能力高于銀杏、垂柳、紫葉李和香樟，但紫葉李滯塵潛能最大.對4種樹種葉片每周滯塵能力比例研究發現，雨后第一周滯塵量占樹種葉片總滯塵量比例較大.對Pb、Cd、Cu、Zn吸滯量最大的樹種依次為銀杏、臭椿、國槐和紫葉李，對Pb、Cd、Cu、Zn具有最大吸滯潛能的樹種依次為國槐、圓柏、國槐、國槐；因此，在Pb、Cu、Zn濃度較高的城市可增加對國槐的種植，在Cd濃度較高的城市可增加對圓柏的種植.