冀西北常見園林針葉樹種生長季葉片滯納PM10 和PM2.5 能力

高澤威，郝金宏，楊新兵*，秦亞航

（1.河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北 保定071000； 2.察哈爾烈士陵園管理處，河北 張家口 075000）

顆粒物作為大氣的首要污染物，一直以來都是城市環(huán)境的研究重點[1]。大氣顆粒物由鼻腔隨呼吸進入人體呼吸道，增加人們患心肺系統(tǒng)疾病的風險，對人類健康存在重大危害風險[2]。PM10和PM2.5分別是指直徑在10 μm、2.5 μm 及以下的大氣顆粒物。大量研究表明，植被具有凈化大氣環(huán)境的功能，葉片是植物滯留大氣顆粒物最主要的載體，葉表面特性的差異是植物滯納大氣顆粒物能力不同的重要原因[3]。不同樹種滯塵量存在一定的差異，王成云等[4]研究發(fā)現(xiàn)保定地區(qū)雨季后針葉樹單位葉面積滯納PM2.5范圍在0.53～1.39 mg/m2之間。趙云閣等[5]發(fā)現(xiàn)滯納PM10較強的針葉樹種對PM2.5同樣具有較強滯納力，但闊葉樹種對不同粒級的顆粒物滯納能力存有差異。葉片表面結(jié)構(gòu)特征決定了植物滯塵能力，房瑤瑤等[6]發(fā)現(xiàn)相同科屬的樹種則表現(xiàn)為粗糙度越大，顆粒物的滯納能力越大。北京林業(yè)大學余新曉教授認為森林植被對顆粒物的作用主要集中在兩個方面：直接作用（吸入、吸附、沉降作用）和間接作用（阻滯作用）[7]。葉片是樹木滯留大氣顆粒物最主要的載體。

據(jù)《張家口市2021 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，張家口市全年PM2.5平均濃度為23.4 μg/m3，環(huán)境空氣質(zhì)量達標天數(shù)為322 天，達標率為88.2%，環(huán)境空氣綜合質(zhì)量指數(shù)為3.10，排全省第一，全國168 個重點城市中排名第16 位[8]。為探究綠化針葉樹種滯塵能力，本研究選取張家口市常見的4 種針葉綠化樹種，通過測定其PM10和PM2.5滯納量及葉片形態(tài)，闡述不同針葉樹種滯納大氣顆粒物能力差異，為張家口市今后綠化提供科學依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于河北省西北部張家口市中心清水河西岸的人民公園，東經(jīng)113°50′—116°30′，北緯39°30′—42°10′。屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明雨熱同期。年平均氣溫6.9℃，平均降水量461.2mm；土壤類型為褐土。園區(qū)內(nèi)主要綠化樹種有：油松 （Pinus tabuliformis）、側(cè)柏 （Platycladus orientalis）、白皮松（Pinus bungeana）、青杄（Picea wilsonii ）、銀杏（Ginkgo biloba）、金葉榆（Ulmus pumila）、國槐（Sophora japonica）、榆葉梅（Amygdalus triloba）、紫葉李（Prunus cerasifera ‘Atropurpurea’）、金葉女貞（Ligustrum vicaryi）等。

2 研究方法

2.1 樹種選擇

試驗選取常見4 種針葉樹種：油松、側(cè)柏、白皮松、青杄。

2.2 葉片采集方法

2021 年4—10 月份，在張家口地區(qū)選取常見4 種針葉樹種，每個樹種分別選擇3 棵樣樹進行采樣（避開雨天），在樹冠的上、中、下部位，以及東、南、西、北4 個方向各采集3 葉片，采集完成后將葉片帶回實驗室測定PM2.5和PM10滯納量。每月采集3 次。

2.3 PM10 和PM2.5 吸附量測定

應用氣溶膠再發(fā)生器（QRJZFSQ—Ⅱ）測定不同樹種葉片的PM10和PM2.5滯納量根據(jù)公式（1）計算；單位葉面積PM10和PM2.5滯納量（M）根據(jù)公式（2）計算出每公頃林地的PM2.5和PM10滯納量。公式如下：

式中：M 為單位葉面積PM2.5和PM10滯納量（μg·cm-2）；m 為放入氣溶膠再發(fā)生器中葉片PM2.5和PM10滯納量（μg）；A 為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積（cm2）；Q 為每公頃每年林地的PM2.5和PM10滯納量，kg/（hm2·a）；LAI 為葉面積指數(shù)；0.1 為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；K 為年洗脫次數(shù)。

2.4 不同樹種葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)

試驗選取滯納量最大（油松）和最小（青杄）的兩個樹種，利用環(huán)境掃描電鏡觀察。以4 月和10 月兩個時間為代表，觀察葉表面特征差異。摘取試驗樹種的部分葉片，將葉片包裹在防治擠壓作為待測樣品，將樣品經(jīng)過噴金處理后，采用環(huán)境掃描電鏡觀察不同樹種的葉表面結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉片滯納PM10 特征

不同針葉樹種PM10滯納量存在差異。如表2 所示，從不同樹種來看，4—10 月份針葉樹種單位面積平均每月PM10滯納量在1.89±1.10～2.64±1.32 μg·cm-2之間，4 種針葉樹種之間無明顯差異。其中，油松PM10滯納量（2.64±1.32 μg·cm-2）最大，青杄最?。?.89±1.10 μg·cm-2），油松月平均PM10滯納量是青杄的1.39 倍。

表2 不同針葉樹種葉片PM10 滯納量（單位：μg·cm-2）Table 2 PM10retention in leaves of different coniferous tree species（μg·cm-2）

從不同月份來看，各月份針葉樹平均PM10滯納量在1.12±0.56～4.43±0.66 μg·cm-2之間，排序為10 月＞9月＞5 月＞6 月＞4 月＞7 月＞8 月。10 月份平均PM10滯納量顯著大于其他月份，是最小8 月份的3.96 倍，但4-8月份PM10滯納量彼此之間差異不顯著。從不同樹種各月份PM10滯納量來看，9 月、10 月滯納量最大是油松，5 月、6 月、7 月、8 月滯納量最大是白皮松，4 月滯納量最大是側(cè)柏。

4 種針葉樹種每公頃每年PM10滯納量存在較大差異，如圖1 所示，每公頃每年PM10滯納量在10.45±1.38～15.40±1.75 kg/(hm2·a)之間。其中，油松每公頃針葉樹種的PM10滯納量最大，青杄最小，油松是青杄的1.47 倍。

圖1 不同針葉樹種每公頃PM10 滯納量Figure 1 PM10 retention per hectare of different coniferous tree species

3.2 葉片滯納PM2.5 特征

不同針葉樹種PM2.5滯納量也有一定的差異。如表3 所示，從不同樹種來看，從4—10 月份各針葉樹種PM2.5滯納量來看，4 種針葉樹種單位面積平均每月PM2.5滯納量在0.63±0.31～0.80±0.35 μg·cm-2之間，4 種針葉樹種之間無明顯差異。排序為：油松＞白皮松＞側(cè)柏＞青杄，油松月平均PM2.5滯納量是青杄的1.27 倍。從不同月份來看，各月份針葉樹平均PM2.5滯納量在0.41±0.04～1.40±0.14 μg·cm-2之間，排序為：10 月＞9 月＞6月＞7 月＞5 月＞4 月＞8 月。其中只有10 月份滯納量在1 μg·cm-2以上，顯著大于其他月份，是最小的8 月份的3.41 倍；9 月份和6 月份PM2.5滯納量顯著大于4 月份和8 月份，與5 月份和7 月份差異不顯著；4 月、5 月、7月、8 月四個月份PM2.5滯納量差異不顯著。從不同樹種各月份PM2.5滯納量來看，4 月、7 月、8 月、10 月油松最大，5 月最大側(cè)柏，6 月份油松、白皮松滯納量相同且最大，9 月份青杄最大，油松、側(cè)柏滯納量相同。

表3 不同針葉樹種葉片PM2.5 滯納量（單位：μg·cm-2）Table 3 PM2.5 retention in leaves of different coniferous tree species（μg·cm-2）

4 種針葉樹種每公頃每年PM2.5滯納量也存在差異，如圖2 所示，每公頃每年PM2.5滯納量在2.42±0.80～3.35±0.98 kg/(hm2·a)之間，排序為：油松＞白皮松＞側(cè)柏＞青杄，油松是青杄的1.38 倍。

圖2 不同針葉樹種每公頃PM2.5 滯納量Figure 2 PM2.5 retention per hectare of different coniferous tree species

3.3 不同樹種葉片滯納顆粒物與葉形態(tài)特征關系

葉片表面微觀結(jié)構(gòu)特征和粗糙度是植物顆粒物滯納能力的決定因素[9]，試驗選取滯納量最大（油松）和最小（青杄）的兩個樹種，利用環(huán)境掃描電鏡觀察。由圖3 可知，4 月份油松和青杄的葉片表面有大量氣孔存在，氣孔清晰可見，且葉表面極不光滑，分布著大量的凹槽和凸起，凹槽內(nèi)有顆粒物附著；10 月份相比起4 月，葉片凹槽內(nèi)附著顆粒物數(shù)量增加，表明其滯納的大氣顆粒物更多。油松比青杄葉片表面的凹槽和凸起的起伏程度更大，粗糙程度更大，并且對比兩個月份及平均大氣顆粒物滯納量，油松滯納大氣顆粒物能力明顯大于青杄。

圖3 油松和青杄葉表面電鏡觀測圖Figure 3 Leaf characteristics of Pinus tabuliformis and Picea asperata

4 討論

林木葉片具有滯納顆粒的能力，能有效凈化空氣，是城市空氣的過濾器，但不同樹種葉片滯納顆粒物的能力具有差異。本研究表明張家口地區(qū)（4—10 月） 針葉樹種單位面積平均每月PM10滯納量在1.89±1.10～2.64±1.32 μg·cm-2之間，PM2.5滯納量在0.63±0.31～0.80±0.35 μg·cm-2之間，并且排序規(guī)律均為油松＞白皮松＞側(cè)柏＞青杄，與趙云閣[5]等對北京常見綠化樹種滯納顆粒物能力研究結(jié)果相似。具有較多氣孔和絨毛、粗糙度較大的葉片更有利于滯納顆粒物，葉片光滑的樹種不利于顆粒物附著在其表面[10]。本研究經(jīng)掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)油松葉片粗糙度較其他3 種針葉樹種大，其滯納大氣顆粒物的能力優(yōu)于其他3 種針葉樹，與岳晨[10]、房瑤瑤[6]等的研究結(jié)果一致。

大氣環(huán)境是影響植被滯納大氣顆粒物的重要因素[11]。本研究表明不同月份PM10滯納量排序為10 月＞9月＞5 月＞6 月＞4 月＞7 月＞8 月，PM2.5滯納量排序為10 月＞9 月＞6 月＞7 月＞5 月＞4 月＞8 月。原因可能是：一方面8 月份張家口地區(qū)處于雨季，降雨頻繁，大氣中顆粒物被降雨沖刷，含量低，同時葉片表面顆粒物也會經(jīng)常隨雨水降落；另一方面10 月份進入秋季后，天氣干燥，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度上升，有更多的大氣顆粒物被植被滯納，孔令偉[12]研究發(fā)現(xiàn)針葉樹種秋季大氣顆粒物滯納量大于春夏兩季，與本研究一致。

5 結(jié)論

針葉樹種（4—10 月）平均每月PM10和PM2.5滯納量在1.89±1.10～2.64±1.32 μg·cm-2和0.63±0.31～0.80±0.35 μg·cm-2之間，排序均為油松＞白皮松＞側(cè)柏＞青杄，差異不顯著。PM10和PM2.5滯納量10 月最大，8 月最小。每公頃不同樹種的PM10和PM2.5滯納量均表現(xiàn)為油松最大，青杄最小。從植物凈化大氣顆粒物角度出發(fā)，園林綠化針葉樹種應優(yōu)先選擇油松。