查 燕 馮 馳 張銀龍# 王 月

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，能源消耗量日益增大。大氣顆粒物成為全球多數(shù)國家特別是發(fā)展中國家的首要污染物[1-2]，被廣泛認(rèn)定是對人體健康有害的污染物之一[3-4]。2013年，世界衛(wèi)生組織(WHO)把大氣顆粒物升級為致癌物。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計顯示，全球每年向大氣中排放3 000～5 000 t大氣顆粒物，可加劇極地臭氧耗損、全球變暖等極端氣候，并導(dǎo)致能見度下降，空氣質(zhì)量惡化，是形成霧霾天氣的主要因素[5-6]。盡管各國在控制大氣顆粒物排放上做了大量工作，但是單一措施仍不足以有效削減大氣顆粒物[7]。因此，如何采取有效途徑減少大氣顆粒物污染成為當(dāng)今人類面臨的重大課題。

樹木可以有效減輕大氣污染，對大氣顆粒物起到過濾作用[8-10]。利用城市森林效果模型可估算出英國倫敦的樹木每年可去除PM10達(dá)852～2 121 t[11]。廣州市18種行道樹的葉面滯塵量為0.066～1.831 g/m2[12]。植物長期暴露在外界環(huán)境中，對大氣顆粒物的滯留效應(yīng)受到降雨、風(fēng)、空氣濕度等因素影響[13-14]，應(yīng)結(jié)合氣象因子對植物的葉面滯塵量進(jìn)行研究。目前，對南京市不同天氣狀況下的植物葉面滯塵量研究仍未見報道。因此，本研究在南京市選擇4種城市典型植物——海桐(Pittosporumtobira)、桂花(Osmanthusfragrans)、紅葉石楠(Photiniaxfraseri)和大葉黃楊(BuxusmegistophyllaLevl.)，分析其在不同天氣狀況下葉面滯塵量的動態(tài)變化。本研究不僅有助于更好地揭示和理解植物對大氣顆粒物的滯留過程和機(jī)制，還能為準(zhǔn)確評估葉面滯塵量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南京市位于北緯31°14′～32°36′，東經(jīng)118°22′～119°14′，地處我國長江下游?？焖俪鞘谢斐赡暇┦袕?fù)合型污染特征突出。南京市主城區(qū)三面環(huán)山，一面臨水，向西北開口，呈簸箕型，不利于大氣污染物擴(kuò)散。2014年南京市空氣質(zhì)量良好以上為190 d，達(dá)標(biāo)率為52%，在全國空氣質(zhì)量排名靠后，首要污染物為PM2.5。桂花、紅葉石楠、海桐和大葉黃楊是南京市的常見綠色植物，對削減大氣顆粒物有重要作用。在天氣變化頻繁的冬季，選擇降雨和連續(xù)晴朗的天氣狀況下，對4種植物葉面滯塵量的動態(tài)變化進(jìn)行觀測，探討天氣狀況對不同植物葉面滯塵量的影響。

2 研究方法

2.1 樣品采集

考慮到不同天氣狀況對葉面滯塵量的影響，選擇的采樣日期分別為2015年12月23日(12月19—22日連續(xù)4 d晴天)、12月25日(12月24日發(fā)生1.4 mm降雨)和2016年1月1日(12月26—31日連續(xù)6 d晴天)、1月4日(2015年12月26至2016年1月3日連續(xù)9 d晴天)、1月9日(1月5日發(fā)生0.9 mm降雨)、1月11日(1月10日發(fā)生12.4 mm降雨)、1月15日(1月12—14日連續(xù)3 d晴天)、1月19日(1月16日發(fā)生0.3 mm降雨)。采樣點位于緊臨龍蟠路的南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，在林學(xué)院、主教學(xué)樓、逸夫樓、圖書館附近選擇每種植物4～6株，植物的樹齡、胸徑、樹高等生長情況相對一致。采樣部位為樹冠外圍部分東、西、南、北4個方向的葉片，并進(jìn)行樹冠上、中、下部位多點采樣。每株植物根據(jù)葉片大小采集40～60枚葉片，小心裝入自封袋，帶回會實驗室處理。

2.2 研究方法

2.2.1 葉面滯塵量測定

葉面滯塵量測定采用重量法。每種植物測定3株，每株植物各選取20枚葉片。葉片放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡2 h，用小毛刷清洗葉片上的附著物，然后用鑷子將葉片小心夾出。浸洗液用已烘干稱量的微孔濾膜(0.22 μm)過濾，將濾膜置于60 ℃下烘干至恒重，再用萬分之一分析天平稱量，濾膜過濾前后質(zhì)量之差即為葉片所附著的大氣顆粒物的質(zhì)量。

2.2.2 葉面積測定

用打孔法測定葉面積。將燒杯中的20枚葉片取出晾干，晾干后對20枚葉片進(jìn)行稱重，再用打孔器打孔后將20個小圓片進(jìn)行稱重，根據(jù)小圓片的質(zhì)量、面積與全部葉片的質(zhì)量、面積的比例關(guān)系，計算出葉面積。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采樣SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析比較每種植物葉面滯塵量的差異。

3 氣象數(shù)據(jù)來源

逐日降雨量、風(fēng)速、相對濕度由南京市氣象局提供，PM10和PM2.5濃度由南京市環(huán)境監(jiān)測站提供。采樣期間的天氣狀況見圖1。

圖1 采樣期間的氣象因子和大氣顆粒物濃度Fig.1 Meteorological factors and particulate matter during sampling

注：圖中的字母標(biāo)記為單因素方差分析多重比較結(jié)果，同組字母標(biāo)記完全不同者表示具有顯著差異(P<0.05)，標(biāo)有相同字母者表示差異不顯著。圖2 采樣期間不同植物的葉面滯塵量變化Fig.2 Foliar dust amount of different plants during sampling

4 結(jié) 果

由圖2可知，4種植物的葉面滯塵量具有差異性。海桐的葉面滯塵量最大(3.47～5.46 g/m2)，其次是桂花(2.37～4.16 g/m2)，再次是大葉黃楊(1.95～3.88 g/m2)，紅葉石楠的葉面滯塵量最小(1.08～2.35 g/m2)。

2016年1月1日和1月4日，已分別經(jīng)歷了連續(xù)6、9 d的晴天，海桐、桂花、大葉黃楊和紅葉石楠的葉面滯塵量分別從5.12、3.77、3.53、2.11 g/m2增加到5.46、4.16、3.88、2.35 g/m2，增加不顯著，因此2016年1月1日各植物的葉面滯塵量可代表其滯塵飽和量。但葉面滯塵量都受到不同程度降雨的影響。發(fā)生1.4 mm降雨沖刷后，大葉黃楊和紅葉石楠的葉面滯塵量變化較大，相比2015年12月23日分別減少16%、17%；在12.4 mm降雨沖刷下，葉面滯塵量相比2016年1月9日(降雨前)分別減少42%、49%。海桐和桂花受到1.4 mm降雨沖刷后，葉面滯塵量相比2015年12月23日分別僅減少12%、7%；在12.4mm降雨沖刷下，葉面滯塵量相比2016年1月9日分別減少32%、24%。在0.9 mm降雨后4 d，大葉黃楊和紅葉石楠的葉面滯塵量相比2016年1月4日變化幅度較小。

5 討 論

5.1 不同植物的葉面滯塵量差異

不同植物對大氣顆粒物的滯留能力存在顯著差異，從大到小依次為海桐、桂花、大葉黃楊、紅葉石楠。柴一新等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不同植物的葉片本身特性是影響其滯留大氣顆粒物的重要因素。海桐的葉面氣孔密度相對較高。桂花葉面氣孔周圍有脊?fàn)钔黄?，能夠有效吸附大氣顆粒物，使其排列緊密，不易被雨水沖刷或被風(fēng)刮起。紅葉石楠葉片表面平滑，具有較厚蠟質(zhì)，氣孔凹陷。大葉黃楊葉面光滑無毛，不易吸附大氣顆粒物。通過對比分析得出，較高的氣孔密度和脊?fàn)钔黄鸬娜~面微結(jié)構(gòu)，有利于滯留大氣顆粒物。HWANG等[16]研究證明，針葉樹種對大氣顆粒物的吸附作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于闊葉樹種，美國梧桐(Platanusoccidentalis)具有細(xì)密的絨毛結(jié)構(gòu)，其對大氣顆粒物的吸附能力強(qiáng)于主脈明顯的櫸樹(Zelkovschnideriana)。TALLIS等[17]發(fā)現(xiàn)，相比光滑葉片，具有絨毛的葉片吸附大氣顆粒物的能力更強(qiáng)；此外，由于針葉細(xì)長，其吸附大氣細(xì)顆粒物的作用不容忽視。

5.2 葉面滯塵量受降雨的影響

降雨相對于其他氣象因素而言，對葉面滯塵量的作用明顯。一般情況下，降雨具有一定的沖刷作用，不同降雨量對葉面顆粒物的去除效果具有差異性。王會霞等[18]發(fā)現(xiàn)連續(xù)2 d降雨(降雨量分別為17.1、14.9 mm)后，珊瑚樹(Viburnumodoratissinum)和女貞(Ligustrumlucidum)葉面滯塵量分別降低62%、50%。王蕾等[19]發(fā)現(xiàn)葉面部分顆粒物附著牢固，不能被15 mm左右的降雨沖刷。PRZYBYSZ等[20]研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)的20 mm降雨能夠去除樟子松葉片中30%～41%的顆粒物，其中粗顆粒物與細(xì)顆粒物相比更容易被去除。降雨對細(xì)顆粒物的去除效果可能不明顯[21]。

5.3 葉面滯塵量與PM2.5、PM10及空氣濕度的關(guān)系

2015年12月31日，PM2.5為218 μg/m3，PM10為143 μg/m3；2016年1月1日，4種植物葉面滯塵量相比2015年12月25日，都有不同程度升高。江勝利[22]研究發(fā)現(xiàn)：綠化植物群落和城市PM10濃度的變化趨勢基本相同；空氣濕度是影響葉面滯留顆粒物的重要因素，在空氣濕度較大的條件下，有利于葉面顆粒物的累積。吳志萍[23]對不同綠地類型的大氣顆粒物濃度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)TSP、PM10、PM2.5和PM1濃度均與濕度呈正相關(guān)關(guān)系，與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

6 結(jié) 論

(1) 海桐、桂花、大葉黃楊和紅葉石楠的葉面滯塵量具有差異性，其葉面滯塵量分別為3.47～5.46、2.37～4.16、1.95～3.88、1.08～2.35 g/m2。

(2) 海桐葉面氣孔排列緊密，桂花葉面存在脊?fàn)钔黄鹞⒔Y(jié)構(gòu)，均有利于滯留大氣顆粒物。因此，海桐和桂花可以選作滯留大氣顆粒物的優(yōu)勢植物。而大葉黃楊和紅葉石楠的葉面滯塵量較低，可能與其葉面光滑有關(guān)。

(3) 在12.4 mm降雨的作用下，大葉黃楊和紅葉石楠的滯塵量相比降雨前分別降低42%、49%。經(jīng)歷連續(xù)6、9 d的晴天后，4種植物的葉面滯塵量變化幅度極小，基本達(dá)到飽和狀態(tài)。

[1] NOWAK D J,CRANE D E,STEVENS J C.Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States[J].Urban Forestry & Urban Greening,2006,4(3/4):115-123.

[2] SHRIDHAR V,KHILLARE P,AGARWAL T,et al.Metallic species in ambient particulate matter at rural and urban location of Delhi[J].Journal of Hazardous Materials,2009,175(1/2/3):600-607.

[3] World Health Organization.Air quality guidelines:global update 2005.Particulate matter,ozone,nitrogen dioxide,and sulfur dioxide[M].Geneva:World Health Organization,2006.

[4] ARDEN P C,DOCKERY D W.Health effects of fine particulate air pollution:lines that connect[J].Air &Waste Management Association,2006,56(6):708-718.

[5] WU Dui,TIE Xuexi,LI Chengcai,et al.An extremely low visibility event over the Guangzhou region:a case study[J].Atmospheric Environment,2005,35(39):6568-6577.

[6] 楊新興,馮麗華,尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].前沿科學(xué),2012,6(1):22-31.

[7] SCHLEICHER N,NORRA S,DIETZE V,et al.The effect of mitigation measures on size distributed mass concentrations of atmospheric particles and black carbon concentrations during the Olympic Summer Games 2008 in Beijing[J].Science of the Total Environment,2011,412/413:185-193.

[8] BEALEY W J,MCDONALD A G,NEMITZ E,et al.Estimating the reduction of urban PM10concentrations by trees within an environmental information system for planners[J].Journal of Environmental Management,2007,85(1):44-58.

[9] LEE S W.Fine particulate matter measurement and international standardization for air quality and emissions from stationary sources[J].Fuel,2010,89(4):874-882.

[10] MCDONALD A G,BEALEY W J,FOWLER D,et al.Quantifying the effect of urban tree planting on concentrations and depositions of PM10in two UK conurbations[J].Atmospheric Environment,2007,41(38):8455-8467.

[11] YIN Shan,SHEN Zhemin,ZHOU Pisheng,et al.Quantifying air pollution attenuation within urban parks:an experimental approach in Shanghai,China[J].Environmental Pollution,2011,159(8/9):2155-2163.

[12] 劉璐,管東生,陳永勤.廣州市常見行道樹葉片表面形態(tài)與滯塵能力[J].生態(tài)學(xué)報,2013,33(8):2604-2614.

[13] RODRIGYEZ G I,MOHAMD K J,REY D,et al.The influence of weather and climate on the reliability of magnetic properties of tree leaves as proxies for air pollution monitoring[J].Science of the Total Environment，2014，468/469:892-902.

[14] WANG Lei,LIU Lianyou,GAO Shangyu,et al.Physicochemical characteristics of ambient particles settling upon leaf surfaces of urban plants in Beijing[J].Journal of Environmental Sciences,2006,18(5):921-926.

[15] 柴一新,祝寧,韓煥金.城市綠化樹種的滯塵效應(yīng)——以哈爾濱市為例[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2002,13(9):1121-1126.

[16] HWANG H J,YOOK S J,AHN K H.Experimental investigation of submicron and ultrafine soot particles by tree leaves[J].Atmospheric Environment,2011,45(38):6987-6994.

[17] TALLIS M,TAYLOR G,SINNETT D,et al.Estimating the removal of atmospheric particulate pollution by the urban tree canopy of London，under current and future environments[J].Landscape and Urban Planning,2011,103(2):129-138.

[18] 王會霞,石輝,王彥輝.典型天氣下植物葉面滯塵動態(tài)變化[J].生態(tài)學(xué)報,2015,36(6):1-12.

[19] 王蕾,哈斯,劉連友,等.北京市春季天氣狀況對針葉樹葉面顆粒物附著密度的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(8):998-1002.

[20] PRZYBYSZ A,S?B? A,HANSLIN H M,et al.Accumulation of particulate matter and trace elements on vegetation as affected by pollution level,rainfall and the passage of time[J].Science of the Total Environment,2014,481:360-369.

[21] 陳瑋,何興元,張粵,等.東北地區(qū)城市針葉樹冬季滯塵效應(yīng)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(12):2113-2116.

[22] 江勝利.杭州地區(qū)常見園林綠化植物滯塵能力研究[D].杭州:浙江農(nóng)林大學(xué),2012.

[23] 吳志萍.城市不同類型綠地空氣顆粒物濃度變化規(guī)律的研究[D].北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院,2007.