煤炭型城市不同功能區植物葉面滯塵特征研究

王卓越，姜泉良，孫 偉，徐 靜

(宿州學院環境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

目前我國經濟正處于快速發展階段，人民的物質生活水平也有了顯著提高。然而，在這經濟高速發展和物質生活質量不斷提升的背后，我們所依賴的環境正在面臨更嚴重的挑戰[1]。隨著城市化和工業化的推進，大氣承受著巨大的污染壓力，甚至對人類的身體健康造成了威脅，給我們的后代留下了不可逆轉的環境問題。

皖北地區是指位于安徽北部的亳州、阜陽、淮北、宿州、蚌埠、淮南六個地級市[2]，大部分區域位于淮河以北，是安徽地勢最平坦的地區，地形以平原為主，除淮南、淮北有部分丘陵外，其他區域均為平原。此外，皖北地區以煤炭型城市為主，近年來工業化進程明顯加快，大氣污染成為嚴重威脅皖北人居環境的重要因素。為了適應當地的大氣環境，通常會選擇種植各種樹木，包括常綠喬木、落葉喬木、常綠灌木以及落葉灌木等。植物葉面的滯塵能力是城市不同功能區生態功能的重要研究內容。過去的研究主要集中在研究植物種類、葉面結構以及植物生活型對滯塵能力的影響。由于植物葉面形態和特性以及生長環境的差異，不同樹種葉面的滯塵量相差數十倍[3]。

為了更深入地研究不同功能區的植物葉片滯塵能力，我們將本次研究區域劃分為工業區、居民區和農業區三個大類。通過采集各功能區內不同種類樹木的葉片，并在實驗室中對葉片上滯留的顆粒物進行更深層次的測量和研究。這樣可以探究不同功能區葉面滯塵量及污染特征的表征，對于定量評估城市大氣污染指數、精確追溯污染源并進行定點管控具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣品采樣

本項研究選擇了宿州市埇橋區的三大功能區(居民區、農業區、工業區)作為研究對象。在研究過程中，我們充分考慮了宿州市埇橋區的植被類型、園林應用、植物生長狀況以及葉片特征等因素。為了篩選出適合園林綠化的樹木，我們選擇了21種常用的園林綠化樹木進行研究。考慮到不同植物的生長周期不同，我們選擇了成年穩定期的喬木和灌木作為研究對象。

喬木的樹齡大約為20年左右，而灌木和喬木處于同一生長階段，即成年期。我們選擇了健康無脫皮、樹形飽滿、枝葉繁茂的植株作為研究對象，并采集了完整狀態的成熟葉片。常綠樹木一年四季都具有綠葉，壽命在兩三年甚至更久，每年都會有新葉長出，同時部分舊葉會脫落[4]。因此，我們盡可能采集當年生的新葉，以確保采集的常綠樹木和落葉樹木的葉片生長時間基本一致。

夏季和冬季的氣象條件變化較大，經常出現極端氣溫、干旱、炎熱、降雨和降雪等情況，這些都會對試驗產生不利影響。另外，在冬季，落葉樹木處于落葉期，無法采樣。因此，我們選擇在春季(4-5月)或秋季(10-11月)進行葉片采集。每種樹木我們采集了15片葉片。在進行葉片采集之前，我們確保最近一周內沒有發生降雨、大風等極端天氣情況。采集時，我們選擇天氣晴朗、溫度適宜、風速較低的情況下進行，以避免外界因素如風的影響導致試驗結果出現誤差。

由于樹木的分枝生長情況不同，我們需要從樹冠的垂直方向(上部、中部和下部)和水平方向(東、南、西、北)共計12個點位分別采集相同數量的葉片。采集下來的葉片需要及時裝入事先準備好的采樣袋中密封，并貼上標簽，然后運送至實驗室進行后續操作。為了減少樹木葉片上顆粒物的脫落，我們在運送時避免抖動采樣袋。在整個試驗過程中，我們都戴著橡膠手套進行操作，以確保實驗的安全性。

為了排除實驗的偶然性，我們進行了三次重復的葉片采集，并且不能在同一天進行。這樣可以增加實驗結果的可靠性和準確性。

1.2 葉面顆粒物的提取與測量

本次實驗采用水洗-濾膜法測定葉片對不同粒徑顆粒物的吸滯量，首先利用裝有蒸餾水的沖洗瓶清洗掉樣品樹葉上的灰塵至量杯中，每份樣品沖洗出400 mL水樣，根據葉片大小沖洗的葉片數量也不相同，其中懸鈴木沖洗30片，石楠、月桂等沖洗80片。在得到含塵水樣后在真空泵上分別放置孔徑為0.8 μm、0.45 μm、0.2 μm的濾膜，隨后抽真空，分別過濾出不同粒徑的濾膜樣本，其中在得到每份濾膜樣本時留取100 mL濾液供后續實驗使用。

在實驗最開始采用精度為0.000 1的天平稱重得出初始濾膜的質量W1，因考慮到烘干時的損耗，又將濾膜過純水后置于40 ℃烘箱中約1 h，得到質量W2，使得最終濾膜的處理環境與初始濾膜的所處環境相統一從而排除環境因素可能造成的差異，保證實驗的嚴謹。最后測得濾膜過含塵濾液并烘干后的質量W3，計算膜式過濾器前后的質量差值。通過第一次稱量濾膜的質量(W1)和第二次稱量膜式過濾器質量(W2)以及樣品樹葉的總質量(H)來計算顆粒物占實驗樣本比重，計算公式見公式(1)：

顆粒物質量占比=(W1-W2)/H

(1)

1.3 樣本顆粒物溶液紫外光譜的測量與計算

1.3.1 樣本顆粒物溶液紫外光譜檢測

本次實驗紫外光譜檢測所采用的主要設備為UV-2600型紫外可見分光光度計，由日本島津生產制造，與功能強大的操作軟件UVProbe結合，操作簡單方便。該設備波長范圍為185～900 nm，分辨率0.1nm波長準確性在0.3上下浮動，使用氘燈作為光源，采用雙光束方式測光，減少了人員對臭氧的吸入。在使用前儀器需預熱半小時，達到15～35 ℃后方可使用。操作濕度保證在30%～80%。

首先確認儀器和計算機的工作電源已連接好，檢查儀器樣品室應無遮擋光路的物品，樣品室蓋關閉。確認后先開啟計算機，然后開啟儀器電源(儀器右下側的power鍵，開關按到“1”側表示打開)，等待儀器自檢(自檢時不開蓋)，大約5 min后，聽到嘟嘟嘟聲表示自檢完畢，自檢過程中分光光度計外側的指示燈狀態為紅燈閃爍到綠燈閃爍，最終顯示為綠燈不閃爍。之后進行參數設定，基線校正。最后進行測定，鼠標點擊標準表，標準表激活。對照室內裝去離子水，樣品室內從低到高放入各標準濃度點。然后點擊狀態欄的“讀取”，此時該波長處的吸光度值自動顯示在相應標準表里。標準曲線各點測定完畢，工作曲線圖上會自動顯示方程式和相關系數。與測定標準曲線點一樣，在激活樣品表后，用同樣的方法可以測定未知樣品的吸光度值。

1.3.2 通過可見光譜參數與紫外的相關計算

設置光譜儀掃描波段為200～800 nm，石英比色皿光程1 cm，間隔0.5 nm。檢測過程中以去離子水做參比溶液，得到各水樣的光吸收曲線。

1.4 樣本顆粒物溶液熒光光譜的測量與分析

1.4.1 樣本顆粒物溶液熒光光譜檢測

本次實驗熒光光譜檢測采用熒光分光光度計(日立F4500)和1 cm光程的石英比色皿在室溫下對21個樣品進行測量。日立F4500波長范圍200～900 nm，掃描速度可達30 000 nm/min。

首先打開光譜儀電源開關(power鍵)，5 s后再按下氙燈點燈按鈕，當氙燈點燃后，再接通主開關(MAIN)。此時主開關上方綠色指示燈連續閃動三下，然后開計算機、顯示器、打印機。計算機進入操作系統。運行FL-Solution控制軟件。建立試驗方法(發射光譜)，設置測量參數：點擊快捷欄“Method”后，單擊“常規”按鈕，測量方式選擇波長掃描；單擊“儀器條件”按鈕，掃描方式選為發射波長掃描。設置參數后，將待測樣品倒入四面通光的石英比色皿中，并將其放入儀器的樣品架中。點擊測量按鈕，儀器便開始對樣品進行掃描測量。

1.4.2 樣本顆粒物溶液熒光光譜分析

熒光光譜的掃描發射波長(Em)為250～650 nm，間隔10 nm，激發波長(Ex)為220～450 nm，間隔為10 nm。Ex與Em的狹縫寬度均設置為5 nm，光譜的掃描速度為240 nm/min，PMT voltage設為700 V。對各組數據檢測并保存，主要是對熒光指數、自生源指數和CDOM相對濃度等分類歸納并進行分析。

2 結果與分析

2.1 三大功能區植物單位葉面積滯塵分析

根據表1、表2和表3的數據，我們選取了三種不同植物樣本在三大功能區進行了分析。我們發現，同種樹種在不同功能區的葉片形態參數差異不大，但滯塵量存在較大差異。以懸鈴木為例，其長軸、短軸及長短軸之比在各功能區中的差別不大[4]。然而，在居民區中，懸鈴木葉面的長軸最長，達到了15.62 cm；而在工業區中，懸鈴木葉面的長軸最小，只有14.37 cm。從單葉面積來看，各功能區之間的差距也不大，相差范圍在0.001 m2內。然而，滯塵量卻存在較大差異。工業區的滯塵量最大，達到了18.24 g/m2；而農業區的滯塵量最小，只有5.18 g/m2。

表1 懸鈴木在不同功能區的滯塵量Table 1 Dust retention of sycamore in different functional areas

表2 月桂在不同功能區的滯塵量Table 2 Dust retention of laurel in different functional areas

表3 石楠在不同功能區的滯塵量Table 3 Dust retention of photinia in different functional areas

綜上所述，我們可以得出結論：同種樹種在不同功能區的葉片形態參數差異不大，但滯塵量存在較大差異。這一發現對于研究植物在不同環境下的適應能力和生態功能具有重要意義。

通過對月桂在不同功能區的滯塵量分析，發現其長軸、短軸及長短軸之比相差不大。在居民區，月桂的長軸與長短軸之比最大；而在農業區，月桂的長軸與短軸之比最小；而在工業區，月桂的長短軸之比最小。此外，月桂的單葉面積都相差不大，誤差在0.000 1 m2內。根據滯塵量來看，工業區的月桂單位面積滯塵量最大，為52.34 g/m2；而農業區的月桂單位面積滯塵量最小，為18.93 g/m2。這兩者相差2.8倍。

通過對石楠在不同功能區的滯塵量分析，發現其長軸、短軸與長短軸之比差別不大，這與懸鈴木和月桂的特征相似。三種植物的單葉面積在三個功能區之間的差異也很小，僅在0.000 2 m2的范圍內。工業區的滯塵量最大，是農業區的2.1倍。然而，滯塵量與長軸、短軸以及長短軸之比和單葉面積之間并沒有明顯的相關關系。這表明我們選擇的這三種植物能夠有效地分析不同功能區葉面顆粒物的來源和組成特征。

2.2 功能區顆粒物DOM紫外光譜特征分析

根據實驗要求，本研究使用紫外分光光度計對葉面顆粒物浸出液的吸收光譜進行測定。我們掃描了200～800 nm波長范圍內每1 nm的吸光度，并結合表4中的一系列模型，研究了宿州埇橋區葉面顆粒物的光譜特征。

表4 紫外-光譜特征參數描述Table 4 Description of UV-spectrum characteristic parameters

2.2.1 CDOM相對濃度分析

根據圖1所示，三大功能區葉面顆粒物的CDOM相對濃度存在較大差異。通過數據分析可知其中，位于居民區的政務中心具有最高的CDOM相對濃度，達到了20.04，樹種為日本晚櫻。而農業區的戚家溝則具有最低的CDOM相對濃度，僅為1.15，樹種為月桂。其他功能區的CDOM相對濃度均在2～12之間。總體來看，農業區的CDOM相對濃度最低，工業區次之，而居民區的CDOM相對濃度最高。農業區、工業區和居民區的CDOM相對濃度均值分別為3.45、7.83和11.20。可以看出，三大功能區的CDOM相對濃度的最大均值與最小均值相差224%，這可能與不同功能區所承載的功能特質有關。

圖1 埇橋區不同功能區葉面顆粒物CDOM相對濃度Fig.1 Relative concentrations of CDOM in different functional areas of Yongqiao district

居民區的CDOM相對濃度較高，可能是由于人為活動排放等因素的影響。工業區由于承載著城市的各種規模的輕工業和重工業，大量的污染物排放導致大氣顆粒物中含塵量增加，從而使CDOM相對濃度較高。而農業區遠離城市，且植被覆蓋率較高，受化學氣體和現代化工業的干擾較少，因此環境質量明顯優于其他兩個功能區。

同時，從圖1中還可以觀察到，在同一功能區中，不同樹種的CDOM相對濃度也存在明顯差異。值得注意的是，無論是在居民區、農業區還是工業區，CDOM相對濃度均遵循月桂<日本晚櫻<石楠<女貞的規律。這可能與不同樹種的葉面滯塵能力有關，植物葉面的微結構會對空氣中顆粒物的吸附能力產生影響。

2.2.2 自生源分析

根據圖2所示，三大功能區葉面顆粒物自生源特征差異顯著，有明顯的比較價值。我們通常用SR數值來反映DOM的組成特征，SR數值較低說明高分子量、芳香性強。SR>1時，說明DOM主要是生物源，SR<1時，DOM主要為外源；從圖2可以看出，在農業區(戚家溝)中，光譜斜率比值的月桂值最大，并且是唯一一個大于1的值，為1.94。這與該區域被劃分為農業區密不可分。因為SR數值大于1，說明該區域的DOM主要來自生物源，也就是說農業區的生物量比居民區和工業區更大，這符合常規情況。另外，位于居民區(政務中心)的石楠值最小，為0.024，反映了該區域的DOM主要來自外源。而位于工業區(中元化工)的石楠值也較小，為0.044。其余的光譜斜率比值都相差較小，在0.17～0.68之間，說明可能受到外源有機質輸入的影響較大[5]。

圖2 埇橋區不同功能區葉面顆粒物自生源特征Fig.2 Autogenous characteristics of particulate matter in different functional areas of Yongqiao district

2.2.3 芳香性與疏水性分析

SUVA254參數是指單位有機碳含量在254 nm波長處的吸光度。可用于測量DOM(溶解有機物)的芳香性。一般來說，SUVA254的值越高，DOM的芳香性越強。此外，SUVA260參數可用于確定DOM中疏水成分的含量。SUVA260值越高，疏水成分越多。

根據圖3中的數據，可以得出結論，芳香性和疏水性之間存在顯著的正相關性。這兩個指數與吸收系數之間也有很強的相關性。芳香性的最大值和最小值與疏水性的最大值和最小值一一對應。其中，芳香性和疏水性的最大值都出現在工業區，分別為4.8和4.1，對應女貞的種類。最小值出現在農業區，分別為0.43和0.40，對應月桂樹的種類。

圖3 埇橋區不同功能區葉面顆粒物芳香性(SUVA254)與 疏水性(SUVA260)特征Fig.3 Characteristics of aroma and hydrophobicity of particulate matter (SUVA254 and SUVA260) in different functional areas of Yongqiao district

圖4 埇橋區不同功能區葉面顆粒物DOM分子量Fig.4 Dom molecular weight of particulate matter in different functional areas of Yongqiao district

從各功能區的平均值來看，工業區的平均芳香性和疏水性最高，其次是居住區，農業區的平均值最低。具體來說，工業區平均芳香性為2.43，居民區為2.25，農業區為0.77。進一步觀察發現，同一樹種在不同功能區的數值也存在差異。比如月桂樹的芳香性在居民區最高，工業區次之，農業區最低。工業區石楠的芳香性最高，居民區次之，農業區最低。疏水性和芳香性的區域特征表現出相似的特征。

這些結果表明，不同功能區對芳香性的影響不是絕對的，也有可能結構受到紫外輻射衰減的影響。

2.2.4 DOM分子量分析

E2/E3是用于測量有機物腐殖化程度的指標。該值越低，腐殖化程度越低。根據本次研究結果，埇橋區各功能區葉片顆粒物中溶解有機質(DOM)的分子量較大，最大值和最小值差異不顯著，分布較為均勻。其中，農業區石楠的DOM分子量最高，為5.86；居民區石楠的DOM分子量最小，為2.65。此外，從整個功能區來看，三個主要功能區的DOM平均分子量為：居民區<農業區<工業區，居民區最低，為3.30，農業區次之，為4.41，工業區最高，為4.48。這表明居民區的有機質腐殖化程度相對較低，而工業區的腐殖化程度相對較高。其中，人為因素對腐殖化程度影響顯著。居民區人口密集，人為干預較多，及時處理枯枝落葉，導致其有機質腐殖化程度相對較低。位于工業區的樹木始終處于野生狀態，人為干預較少，則腐殖化程度相對較高。總體來看，各功能區DOM的分子量變化相對穩定。

2.3 熒光光譜分析

三維熒光光譜是一種可以同時獲得激發波長和熒光發射波長變化的熒光強度信息的技術。與二維平面圖像相比，三維熒光光譜具有更多的坐標，因此具有高選擇性和高靈敏度等優點，同時它可用于多組分混合物的定性和定量分析。

通過熒光光譜圖，我們可以直觀地觀察到熒光峰的位置、高度等光譜特征。DOM(溶解有機物)的三維熒光峰位通常可以分為六類。其中，類富里酸熒光峰包括熒光峰A(激發波長范圍310～360 nm，發射波長范圍370～450 nm)和熒光峰B(激發波長范圍240～270 nm，發射波長范圍370～440 nm)。熒光峰A位于可見光區，而熒光峰B位于紫外區。這兩個熒光峰與腐殖質結構中的羰基和羧基密切相關。此外，熒光峰C(激發波長范圍350～440 nm，發射波長范圍430～510 nm)和熒光峰D(激發波長范圍280～288 nm，發射波長范圍420～455 nm)屬于類腐殖酸熒光峰。熒光峰E(激發波長范圍270～290 nm，發射波長范圍300～350 nm)和F(激發波長范圍270～290 nm，發射波長范圍300～320 nm)是類蛋白質熒光峰[5]。其中熒光峰E與類色氨酸熒光峰有關，熒光峰F與類酪氨酸熒光峰有關，這些熒光峰均與DOM中的芳環氨基酸結構密切相關。

三維熒光光譜分析技術與傳統的熒光光譜分析方法相比具有獨特的優勢。它通過同時掃描激發和發射波長，形成熒光激發發射光譜矩陣(EEMS)，從而獲得更全面的DOM(溶解有機物)熒光基團信息，該技術可以揭示不同DOM的來源和組件結構[6]。本研究采用origin2019b軟件對各組的熒光數據進行分析，得到了一組三維熒光光譜。選取了懸鈴木和石楠兩組有代表性的數據，分析了它們在不同功能區的三維熒光光譜特征。通過對這些數據的分析，可以觀察到懸鈴木和石楠在不同功能區熒光光譜特征的差異，這些差異可能反映了它們在不同環境條件下的生長和代謝過程，進一步研究這些差異可以幫助我們更好地理解相關植被的生態適應性和生化特性，從而進一步為葉面顆粒物的研究打下夯實基礎。綜上所述，三維熒光光譜分析技術為我們提供了一種全面了解DOM熒光組信息的方法。通過分析懸鈴木、石楠等植物在不同功能區的三維熒光光譜特征，可以更深入地探究它們的來源和成分結構，為環境領域的研究提供有力的工具。

從圖5可以看出，葉片顆粒中DOM的三維熒光光譜呈現鋸齒形特征，有明顯的熒光峰。在工業區的懸鈴木樣品中可以觀察到兩個熒光峰，類腐殖酸峰E和類富里酸峰A。其中E峰更明顯，說明該樣品腐殖化程度更高。這與前面提到的不同功能區E2/E3值的特征一致。

圖5 埇橋區不同功能區葉面顆粒物熒光光譜特征Fig.5 Fluorescence spectra of particulate matter in different functional areas of Yongqiao district

從農業區懸鈴木樣品來看，有三個明顯的熒光峰，分別是類富里酸峰A、B和類腐殖酸峰E，其中熒光峰A最為突出，主要是由一些分子量小、熒光效率高的有機物引起的。這可能與DOM中的羧基有關，通常表示外源輸入。這與前面提到的對自生源的特征分析得出的結論是一致的。

在來自居民區的懸鈴木樣品中，熒光峰主要為類富里酸峰A，是由小分子量有機物引起的，也表明有外源輸入，與前面的結論一致。

在懸鈴木樣品中，農業區和居民區熒光強度最高的波長范圍大致相同，而工業區熒光強度最高的波長范圍較低，這可能與工業區的位置有關，因為工業區受化學物質污染嚴重，顆粒中含有較多的有機物，而農業區遠離城市，且植被覆蓋率較高，受化學氣體和現代化工業的干擾較少。

3 結 論

本研究通過以宿州市埇橋區為代表的煤炭型城市不同功能區葉面顆粒物的總量及光譜信息得到以下結論：

(1)各功能區單位葉面積滯塵量差異顯著。工業區單位葉面積滯塵量最高，農業區單位葉面積滯塵量最低。這主要是由于工業區內集中了大量的工廠、大型發電廠等污染源設施。此外，很多工業區位于郊區，遠離城市，人口相對較少，環境清潔度不夠，這也可能是工業區樹葉上有大量顆粒物的原因之一。居民區單位葉面積滯塵量高于農業區的原因可能與城市中大量人為污染物有關；

(2)通過分析CDOM的相對濃度，居住區與工業區相對濃度狀況相似，而農業區明顯減少。這與農村原始環境保護政策密切相關，而居住區和工業區受現代工業影響較大，CDOM相對濃度也較高。從光譜斜率的比值來看，它與CDOM的相對濃度呈明顯的負相關，芳香性與疏水性顯著正相關。根據三種功能區的芳香性和疏水性的平均值得出，依次為工業區>居住區>農業區。這一結論是通過對自身來源的分析得出的。SR值反映DOM的來源和類型。除農業區月桂的DOM外，其他功能區各樹種的DOM均為外源性。說明農業區生物量大于工業區和居民區。E2/E3代表有機質腐殖化程度。其中，居住區受人類活動影響較大，有機質腐殖化程度最低。工業區的腐殖化程度最高，有可能受化學物質污染嚴重，顆粒中含有較多的有機物，這可能與其人為干預較少有關；

(3)通過使用熒光分光光度計測得的數據可以制作熒光光譜圖，觀察熒光峰的位置和高度，可以很容易地比較不同功能區的同一物種的熒光光譜。結果表明，它們非常相似，包括熒光峰的位置，這與理論預期一致。工業區熒光峰主要為類腐殖酸峰E，表明其腐殖化程度較高，這與由E2/E3數值得出的結論特征是一致的；居民區熒光峰突出表現為類富里酸峰A，指示了其外源輸入的特征也與上文保持一致；

(4)本文在前人對葉面滯塵能力研究的基礎上，重點研究了宿州市埇橋區不同功能區不同樹種的葉片滯塵能力，為城市建設綠化工作的規劃和選擇提供了理論依據，為葉面滯塵能力相關的研究提供了有效數據依據。同時，通過對葉面顆粒物的紫外光譜分析，對CDOM的相對濃度、自生源數值、芳香性和疏水性、DOM分子量等方面進行了探索和分析，更為進一步研究宿州市市大氣污染物類別特征和大氣降水的影響機制提供思路。

綜上所述，通過研究不同功能區內不同木本植物葉片對顆粒物的滯留能力和光譜特征，可以揭示城市不同功能區的顆粒物污染現狀，并為選擇適宜的綠化植被類型提供重要參考。同時，對工業區空氣質量的管理也需要加強，以減少葉面顆粒物的含量和復雜有機質的組成。