北京市九種常見綠化樹種滯塵量及影響因子

宋英石

（中環(huán)國投（北京）環(huán)境信息科技股份有限公司，北京 100089）

綠地在城市中具有多種生態(tài)服務(wù)功能，植物在改善空氣質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用[1］，對空氣顆粒物有很好的吸附和凈化作用[2-6］。有些細(xì)小的顆粒物可以通過葉片氣孔進入葉片內(nèi)部[7，8］，但大部分顆粒物會在植物葉片表面聚積，被植物葉片固定下來。本研究對不同樹種對各個徑級顆粒物的滯塵量進行分析，并確定影響葉片滯塵的主要因素。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

用于分析植物滯塵樹種間差異的樣品采自生態(tài)監(jiān)測站周圍，距生態(tài)監(jiān)測站1 km 范圍內(nèi)，采樣時間為2013 年6 月、9 月和11 月，2014 年5 月、8 月和10月。研究樹種包括白皮松（Pinus Bungeana）、刺柏（Juniperus Formosana）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）和油松（Pinus tabulaeformis）4 種針葉樹以及國槐（Sophora japonica）、銀杏（Ginkgo biloba）、欒樹（Koelreuteria paniculata）、大葉黃楊（Euonymus japonicus）和懸鈴木（Platanus acerifolia）5 種闊葉樹種。每種選擇4 棵生長狀況良好、無病蟲害的樹，采樣高度為1.5 m，分別在每棵樹的4 個方向用剪刀植物葉片剪下，每棵樹采集樣品10～20 g，將葉片用牛皮紙袋封裝，貼好標(biāo)簽，在實驗室常溫情況下風(fēng)干備用。

1.2 葉表顆粒物質(zhì)量測定方法（沖洗-抽濾法）

將濾膜放在空氣相對濕度30%～40%（±5%）和溫度20～23 ℃（±2 ℃）環(huán)境下，靜置24 h，用電子天平（saturious，BT25S）稱量濾膜重量。

將每個植物樣品放入1 000 mL 燒杯中，加入500 mL 蒸餾水，用超聲波清洗器，清洗4 min，用鑷子將葉片夾出，并用250 mL 蒸餾水沖洗，將沖洗干凈的葉片烘干至恒重，稱重并記錄。將浸洗液過150目金屬篩（孔徑106 μm），濾掉直徑較大的顆粒物。用過濾器連接真空泵，對浸洗液過濾，首先，通過孔徑10 μm 的濾膜（PTFE，Millipore），過濾后的濾液通過孔徑2.5 μm 的濾膜（PTFE，Millipore），最后通過孔徑0.2 μm 的濾膜（PTFE，Millipore）。通過以上過濾可以將葉面上的顆粒物按粒徑分離，3 種濾膜上的顆粒物分別是①大顆粒物，直徑為10.0～100.0 μm；②粗顆粒物，直徑為2.5～10.0 μm；③細(xì)顆粒物，直徑為0.2～2.5 μm。

濾膜在80 ℃下，烘干12 h。在空氣相對濕度25%～45%，溫度18～25 ℃的環(huán)境下，靜置24 h 后用天平稱重，2 次差值即為顆粒物的重量。

1.3 樹脂內(nèi)顆粒物的質(zhì)量測定

樹脂內(nèi)顆粒物質(zhì)量測定與葉表顆粒物質(zhì)量測定方法相同。葉片經(jīng)過蒸餾水沖洗后，用氯仿沖洗1次，氯仿可將葉片表面的樹脂溶解，將固定在樹脂內(nèi)的顆粒物析出。用沖洗-抽濾方法，將樹脂內(nèi)的顆粒物按照徑級分別測定，過濾完成后，待燒杯中氯仿蒸干，用稱重法計算樹脂重量。

1.4 葉面積計算

選擇部分針葉（10 g 左右），用GXY-A 型根系表面積分析儀掃描（浙江托普儀器有限公司），計算出葉片的表面積Δs，闊葉樹可直接利用掃描結(jié)果，得出葉面積Δs，將葉片烘干至恒重，用天平精確稱重計為Δm。計算單位質(zhì)量的葉面積A（cm2∕g）；假設(shè)每一樣品的質(zhì)量為M，計算每個樣品的總?cè)~面積S。

用不同植物樣品上不同粒徑范圍的顆粒物質(zhì)量除以樣品總面積，即可得出不同植物單位葉面積上不同粒徑的顆粒物質(zhì)量。

1.5 葉面積指數(shù)測定

植物的葉面積指數(shù)用LAI-2000 型（Li-cor，USA）葉面積指數(shù)儀測定。

1.6 葉片粗糙度測定

葉片粗糙度對植物滯塵有重要影響，葉片表面下凹處、褶皺區(qū)和氣孔周圍均是顆粒物聚積的理想位置。表面粗糙度起源于機械加工，是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。本研究用粗糙度表征葉片表面的起伏程度，植物葉片的粗糙度通過原子力顯微鏡（AFM）（德國Bruker公司）測定。

1.7 葉片絨毛觀測

用顯微鏡觀察葉片表面的絨毛狀況并拍照，根據(jù)絨毛的多少和聚集程度分5 個等級，1 表示極少，5表示很多。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種總滯塵量

不同樹種總滯塵量不同。植物葉片表面吸附的顆粒物分為2 部分，葉表顆粒物（surface PM，SPM）和樹脂內(nèi)顆粒物（PM in wax，WPM），每個部分又分為細(xì)顆粒物、粗顆粒物和大顆粒物。總滯塵量是指葉表和樹脂內(nèi)所有小于100 μm 的顆粒物質(zhì)量總和。不同樹種葉片表面總滯塵量見圖1。由圖1 可知，欒樹2013 年、2014 年總滯塵量均為最高，分別為371、353 μg∕cm2；針葉樹種中總滯塵量最高的為刺柏，2013 年、2014 年分別為321、263 μg∕cm2。2013 年懸鈴木總滯塵量最低，為84 μg∕cm2；2014 年油松總滯塵量最低，為102 μg∕cm2。欒樹2013 年的總滯塵量是懸鈴木的4.4 倍，2014 年是油松的3.4 倍。2013 年所有樹種單位面積總滯塵量為194 μg∕cm2，2014 年所有樹種單位面積總滯塵量為183 μg∕cm2，這可能與降水、空氣顆粒物濃度、風(fēng)等因素有關(guān)。

2.2 葉表不同徑級顆粒物滯塵量的差異分析

不同樹種對不同徑級顆粒物滯塵量結(jié)果見表1。由表1 可知，不同樹種對不同徑級的滯塵量不同。2013 年和2014 年欒樹對細(xì)顆粒物滯塵量分別為8.44、8.24 μg∕cm2；在2014 年，欒樹對細(xì)顆粒物的滯塵量要顯著高于其他樹種。2年間，對細(xì)顆粒物滯塵量最低的均為懸鈴木，分別為1.21、1.09 μg∕cm2。均顯著低于欒樹，懸鈴木對細(xì)顆粒物的滯塵量僅為欒樹的13.2%～14.3%。欒樹在2 年間對粗顆粒物的滯塵量均顯著高于其他樹種，分別為91.87、65.43 μg∕cm2；2013 年對粗顆粒物滯塵量最低的樹種是懸鈴木，為12.11 μg∕cm2；2014年最低的為大葉黃楊，為6.25 μg∕cm2。2013 年和2014 年對大顆粒物滯塵量最高均為欒樹，分別為246.40、255.38 μg∕cm2；2014 年欒樹對大顆粒物的滯塵量要顯著高于其他樹種；2013、2014 年對大顆粒物的滯塵量最低為懸鈴木和白皮松，分別為41.05、45.49 μg∕cm2。闊葉樹的單位葉面積滯塵量高于針葉樹，這可能與葉片的粗糙度和葉片平展程度有關(guān)。

表1 2013 年和2014 年不同樹種對不同徑級顆粒物滯塵量

2.3 不同樹種樹脂顆粒物滯塵量的差異分析

不同樹種樹脂顆粒物滯塵量結(jié)果見圖2。由圖2可知，樹脂內(nèi)總滯塵量刺柏最高，為54.7 μg∕cm2，欒樹最低，為23.8 μg∕cm2。葉片樹脂內(nèi)細(xì)顆粒物和粗顆粒物含量最高的均為刺柏，分別為3.3、25.6 μg∕cm2。樹脂中細(xì)顆粒物滯塵量最低的為銀杏（0.91 μg∕cm2）；粗顆粒物滯塵量最低的為欒樹（7.8 μg∕cm2）。樹脂大顆粒物滯塵量最高的為白皮松（34.8 μg∕cm2），最低的為銀杏（15.0 μg∕cm2）。針葉樹的滯塵量高于闊葉樹，這可能與針葉樹的樹脂含量有關(guān)。

圖2 不同樹種樹脂顆粒物滯塵量

2.4 葉表顆粒物與樹脂顆粒物比較

不同樹種葉表顆粒物與樹脂顆粒物占比結(jié)果見表2。由表2 可知，在總滯塵量上，葉表大顆粒物占總滯塵量的79%，蠟質(zhì)中大顆粒物占總量的21%。Popek 等[9］研究發(fā)現(xiàn)，葉表顆粒物占總滯塵量的60%；Dzierz˙anowski 等[10］在測定5 種喬灌植物的滯塵效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)葉表顆粒物和樹脂中顆粒物占比分別為61%和39%。本研究中葉表顆粒物所占比例較高，可能與當(dāng)?shù)乜諝忸w粒物濃度和滯塵時間有關(guān)。

表2 不同樹種葉表顆粒物與樹脂顆粒物占比 （單位：%）

對于細(xì)顆粒物，樹脂顆粒物占比最高的為側(cè)柏（64%），葉表顆粒物占比例最高的為欒樹（89%）；針葉樹樹脂中顆粒物占比為56%，闊葉樹種葉表顆粒物占比為69%。在粗顆粒物上，針葉樹在葉表和樹脂中顆粒物的比例接近1∶1，而闊葉樹種兩者所占比例約為6∶4；樹脂顆粒物占比最高的為大葉黃楊（70%），葉表顆粒物占比最高的為欒樹（89%）。在大顆粒物方面，葉表顆粒物占比最高的為欒樹（94%），樹脂中顆粒物占比最高的為白皮松（43%）。不同樹種由于本身特性，決定其在吸附顆粒物方面有一定的選擇性，因此產(chǎn)生葉表顆粒物和蠟質(zhì)中顆粒物所占比例不同。

2.5 植物特性對植物滯塵的影響

2.5.1 不同物種的葉片特征 植物本身的特性對植物滯塵至關(guān)重要，例如葉片的絨毛結(jié)構(gòu)、葉片粗糙度、葉片樹脂含量以及葉面積指數(shù)等均對植物滯塵有重要影響。葉片絨毛是影響植物滯塵的重要特征，由于絨毛的阻擋作用，大量的顆粒物會在其周圍聚集。通過顯微鏡觀察葉片表面的絨毛結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖3。其中國槐葉片表面絨毛量較多。欒樹葉背面主脈上有灰色絨毛。銀杏葉正面顏色深綠，有光澤，一般無毛，其背面呈淡綠色，有大量絨毛或纖毛，只有少數(shù)無毛。懸鈴木嫩枝有黃褐色絨毛，葉片兩面幼時有灰黃色絨毛，后變無毛，其余樹種絨毛較少。

圖3 不同樹種葉片絨毛級別

通過原子力顯微鏡對葉片粗糙度測定發(fā)現(xiàn)，欒樹的粗糙度最高，為6.7 μm，其次為刺柏，為4.8 μm，白皮松最低，為1.2 μm（圖4）。

圖4 不同樹種葉片粗糙度

葉片樹脂含量是影響植物滯塵的重要因子，當(dāng)顆粒物進入樹脂中，會被樹脂封存在樹脂內(nèi)部，是一種永久性固定顆粒物的方法。葉片表面樹脂含量結(jié)果見圖5。由圖5可知，白皮松的葉片樹脂含量最高，為0.32 mg∕cm2，懸鈴木樹脂含量最低，為0.04 mg∕cm2。

圖5 葉片表面樹脂含量

樹冠的疏密程度對植物滯塵也有重要的影響，冠層越密，越容易產(chǎn)生大氣湍流，增加顆粒物與葉片的接觸概率。因此能夠借用葉面積指數(shù)間接反映樹冠的疏密程度。不同樹種葉面積指數(shù)見圖6。由圖6 可知，葉面積指數(shù)最高的為大葉黃楊（3.5），最低的為白皮松（1.0）。

圖6 不同樹種葉面積指數(shù)

2.5.2 植物滯塵量與滯塵特征的關(guān)系 植物特征與滯塵量相關(guān)性分析見表3。由表3 可知，葉表細(xì)顆粒物和粗顆粒物均與葉片粗糙度極顯著正相關(guān)（P＜0.01），葉表大顆粒物與葉片粗糙度顯著正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙的葉片比光滑的葉片滯塵效率高[11-13］。

表3 植物特征與滯塵量相關(guān)性分析

葉片粗糙度與植物滯塵量回歸分析見圖7。由圖7 可知，葉表大顆粒滯塵量和粗糙度之間雖關(guān)系較弱（r=0.268 8），但也達(dá)到了顯著性水平，葉表細(xì)顆粒物和粗顆粒物均與葉片粗糙度存在線性關(guān)系。此外，發(fā)現(xiàn)樹脂大顆粒物與葉片樹脂量極顯著相關(guān)（圖8），而細(xì)顆粒物和粗顆粒物均與樹脂量顯著。

圖7 葉片粗糙度與植物滯塵量回歸分析

圖8 樹脂量與樹脂大顆粒物回歸分析

3 討論

Popek 等[9］研究發(fā)現(xiàn)，樹脂中粗顆粒物與葉片表面樹脂量顯著相關(guān)，但其他徑級與樹脂含量無關(guān)；Dzierz˙anowski 等[10］研究發(fā)現(xiàn)，葉片樹脂量與總滯塵量、葉表滯塵量及各個粒徑的滯塵量均相關(guān)；Jouraeva 等[14］研究發(fā)現(xiàn)，植物滯塵量與葉片樹脂量不相關(guān)。葉片表面的樹脂在植物滯塵過程中發(fā)揮的作用可能更多依賴樹脂的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，而不是樹脂的厚度[15］。而葉片絨毛和葉面積指數(shù)均未發(fā)現(xiàn)與葉片滯塵量有相關(guān)關(guān)系。

不同粒徑在葉表和蠟質(zhì)中所占比例不同。隨著粒徑增大，樹脂中顆粒物所占比例減小。樹脂中細(xì)顆粒物和粗顆粒物所占比例為43%～44%，樹脂中大顆粒比例為21%。S?b? 等[8］研究發(fā)現(xiàn)，大顆粒物在葉表的滯塵量高于樹脂，但對于粒徑較小的顆粒物差別不明顯。說明樹脂這一特性在葉片吸附小粒徑顆粒物過程中更為有效，而大粒徑的顆粒物受重力的影響，更容易在葉片表面沉降聚積。

4 結(jié)論

該研究發(fā)現(xiàn)，闊葉樹種中欒樹的滯塵量最高，針葉樹種中刺柏的滯塵量最高；葉表顆粒物中在細(xì)顆粒物、粗顆粒物和大顆粒物3 個粒徑范圍內(nèi)，欒樹的滯塵量均為最高；樹脂顆粒物在細(xì)顆粒物和粗顆粒物2 個粒徑范圍，刺柏的滯塵量最高，在大顆粒物粒徑范圍內(nèi)，白皮松的滯塵量最高；葉表顆粒物與樹脂中顆粒物的質(zhì)量比為4∶1，在細(xì)顆粒物和粗顆粒物范圍，葉表顆粒物與樹脂內(nèi)的比例接近1∶1，但在大粒徑顆粒物范圍內(nèi)，兩者比例接近4∶1；植物葉表滯塵量與葉片粗糙度顯著相關(guān)，樹脂中大粒徑顆粒物與樹脂層厚度顯著相關(guān)，其他植物特征與植物滯塵量關(guān)系不顯著。