張 羚,陳沅江

中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083

基于紅外熱像檢測(cè)的粉塵環(huán)境植物適生性評(píng)價(jià)

張 羚*,陳沅江

中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083

植物防塵是一類多功能復(fù)合、有很高環(huán)保經(jīng)濟(jì)價(jià)值的防塵技術(shù),其關(guān)鍵是要優(yōu)選出在不同粉塵污染環(huán)境中具強(qiáng)適生性的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。為此,以我國(guó)南方某工業(yè)園區(qū)內(nèi)4種常見(jiàn)灌木為研究對(duì)象,在室內(nèi)仿真模擬的工業(yè)粉塵污染環(huán)境中,對(duì)盆栽植物樣本的滯塵能力及其引起的葉表溫度變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)和適生性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,葉片滯塵會(huì)普遍引起葉表溫度升高,不同粉塵環(huán)境中的葉表溫度變化存在明顯差異,含堿性物質(zhì)和重金屬元素的粉塵對(duì)植物的影響較為顯著。所研究的4種樣本植物在實(shí)驗(yàn)粉塵環(huán)境中的適生性大小順序?yàn)椋汗鸹?、鵝掌柴、紅繼木、茶樹(shù)。在工業(yè)園區(qū)綠化建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在充分考慮粉塵污染環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)計(jì)劃引進(jìn)植物進(jìn)行適生性評(píng)價(jià),選擇粉塵阻滯吸附能力強(qiáng)且滯塵后葉片溫度變化平緩的樹(shù)種,從而更有效的利用綠色植物防治大氣顆粒物污染。

粉塵污染環(huán)境；滯塵能力；葉表溫度；植物防塵；適生性評(píng)價(jià)

植物防塵投入成本低,抑塵效果好,且兼有凈化空氣、保持水土、改善生態(tài)壞境、調(diào)節(jié)小氣候、促進(jìn)人的身心健康等生態(tài)效益和社會(huì)價(jià)值,是治理大氣顆粒污染物的有效措施。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者以不同地區(qū)、不同氣候類型的代表植物為研究對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣和實(shí)驗(yàn)?zāi)M,對(duì)植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物的阻滯吸附量[1- 5]、植物滯塵機(jī)理及其影響因素[6-12]等方面進(jìn)行了比較分析,確定了不同環(huán)境條件下吸滯顆粒物的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。針對(duì)部分植物在粉塵環(huán)境中失綠、壞死等現(xiàn)象,研究人員通過(guò)測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)植物在滯留粉塵顆粒的同時(shí),粉塵的遮蔽阻塞會(huì)改變植物的光譜特征[13-16],降低光合效率和蒸騰速率[17-24],抑制正常生理代謝反應(yīng),對(duì)植物生長(zhǎng)造成不良影響,甚至引發(fā)病理危害。因此,為了更有效地利用綠色植物防治大氣顆粒物污染,需要將植物滯留與耐受粉塵的能力相結(jié)合,找出特定環(huán)境下滯塵能力強(qiáng)且抗逆性高的植物。

工業(yè)生產(chǎn)粉塵是城市大氣顆粒污染物的主要來(lái)源之一,且由于具有復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì),對(duì)生物體的破壞作用遠(yuǎn)大于普通顆粒物粉塵。研究表明,對(duì)比商貿(mào)區(qū)、文教區(qū)等其他區(qū)域,工業(yè)區(qū)內(nèi)的植物光合生理指標(biāo)下降幅度最大,生長(zhǎng)受限最為明顯[19]。因此,在工業(yè)園區(qū)綠化景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)植物的適生防塵性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估,擇優(yōu)選出在該環(huán)境中滯塵能力強(qiáng)且適生性好的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種,對(duì)城市大氣顆粒物污染起到有效的源頭防治作用。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外研究人員主要針對(duì)粉塵污染環(huán)境下植物光譜特征和生理生態(tài)反應(yīng)的變化進(jìn)行了研究分析[25]。研究結(jié)果表明,粉塵會(huì)改變植物在可見(jiàn)光波段和紅外波段的反射率[13,15],葉片只吸收小部分太陽(yáng)輻射進(jìn)行正常光合生理反應(yīng),大部分熱能被葉片吸收,導(dǎo)致葉面溫度升高[26]；粉塵的遮蔽阻塞導(dǎo)致植物氣體交換受阻,使長(zhǎng)波輻射、熱對(duì)流和水分蒸騰等散熱機(jī)制受到抑制,無(wú)法對(duì)葉片溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié),若無(wú)雨水、大風(fēng)等外界環(huán)境干擾,葉片溫度會(huì)持續(xù)升高[27]。由此可見(jiàn),葉片葉表溫度的升高是葉面塵對(duì)植物反射光譜和生理生態(tài)反應(yīng)影響的綜合結(jié)果。以葉片滯塵前后的葉面溫度變化作為植物生理反應(yīng)指標(biāo),可以全面反應(yīng)粉塵顆粒物對(duì)植物的影響,同時(shí)溫度異?？梢栽谥参锇l(fā)生明顯的失綠、壞死等病理危害前及時(shí)檢測(cè)出來(lái),以采取必要措施,防止或減緩粉塵對(duì)植物的影響。因此,本文即以葉片葉表溫度變化情況作為粉塵環(huán)境中植物的適生性評(píng)價(jià)指標(biāo),考慮到灌木滯塵能力較強(qiáng)且高度位于行人呼吸范圍內(nèi)[28],選擇長(zhǎng)沙主要工業(yè)園區(qū)內(nèi)4種典型灌木作為研究對(duì)象,在模擬環(huán)境中利用實(shí)地采集的粉塵樣對(duì)室內(nèi)盆栽植物樣本進(jìn)行滯塵實(shí)驗(yàn),應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)葉面溫度變化進(jìn)行非接觸式測(cè)量,以避免破壞被測(cè)植物葉表粉塵分布及溫度場(chǎng),同時(shí)應(yīng)用顯微圖像分析系統(tǒng)對(duì)葉片滯塵能力進(jìn)行分析,綜合植物滯塵能力和葉片葉表溫度變化,對(duì)植物在粉塵污染環(huán)境下的適生性進(jìn)行評(píng)估,為城市工業(yè)園區(qū)綠化建設(shè)和維護(hù)提供一定的參考和建議。

1 研究方案的確定

1.1 研究地點(diǎn)和被測(cè)植物的選擇

本文的目的在于通過(guò)模擬滯塵實(shí)驗(yàn)評(píng)估工業(yè)粉塵污染環(huán)境中植物的適生性,為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況盡可能相吻合,需要有針對(duì)性地選擇生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有代表性的工業(yè)粉塵環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)背景,進(jìn)行實(shí)地粉塵采樣及相關(guān)環(huán)境因素的測(cè)量。調(diào)查發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)沙市長(zhǎng)年P(guān)M10年平均濃度超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(100μg/m3),是我國(guó)中部大氣顆粒物污染嚴(yán)重的代表性城市之一[29]。在對(duì)該市主要工業(yè)園區(qū)的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)類型和污染物排放情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和研究分析的基礎(chǔ)上,選擇暮云工業(yè)園區(qū)木材加工廠、金井工業(yè)園區(qū)糧油面粉加工廠、望城經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)金屬粉末加工廠和天心工業(yè)園區(qū)水泥加工廠等四處典型的工業(yè)粉塵顆粒污染物排放源作為粉塵采樣地點(diǎn),以代表4種典型的工業(yè)生產(chǎn)粉塵,即木糠、面粉、金屬粉末和水泥。

在樣本植物的選取方面,綜合四處采樣地點(diǎn)共有植物的基礎(chǔ)上,考慮到灌木的高度通常位于行人的呼吸范圍內(nèi),其滯留的大氣顆粒物粉塵對(duì)行人的影響較大[28],選擇桂花、紅繼木、茶樹(shù)、鵝掌柴等4種植物作為研究對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)?zāi)M工業(yè)粉塵環(huán)境中應(yīng)用長(zhǎng)勢(shì)相似的植物盆栽作為研究對(duì)象,進(jìn)行滯塵能力及葉片葉表溫度變化的測(cè)量和分析。

1.2 研究手段及采用的具體步驟

利用本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的環(huán)境參數(shù)基本恒定的大型人機(jī)環(huán)境仿真模擬室,對(duì)所選研究地點(diǎn)植物生長(zhǎng)的粉塵污染氣象環(huán)境進(jìn)行人工再造仿真,通過(guò)滯塵實(shí)驗(yàn)探討長(zhǎng)期無(wú)雨水、大風(fēng)的惡劣氣候下植物在其中對(duì)粉塵的耐受和適應(yīng)特性。該人機(jī)模擬室的可控環(huán)境參數(shù)范圍如下：溫度范圍0—70℃,濕度范圍0—100%,風(fēng)速范圍0—10m/s,氣壓范圍-5000—3000Pa；測(cè)量葉片葉表溫度所用儀器為FILR SC7300紅外熱像儀,其波長(zhǎng)范圍為8—14μm,測(cè)溫范圍為-20—55℃,室溫下溫度分辨率小于0.05℃,溫度統(tǒng)計(jì)分析采用其附帶的Altair輻射測(cè)量軟件；測(cè)量葉片滯塵能力所用儀器為XSJ-HS型生物顯微圖像電腦分析系統(tǒng),該系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成,顯微鏡選用高清晰度攝像專用主機(jī),攝像部分采用日本原裝高分辨率彩色攝像機(jī),滯塵能力分析采用其中的顯微分析軟件系統(tǒng)。

(1)粉塵采樣及濃度測(cè)量

連續(xù)一周(雨水、大風(fēng)天氣除外)應(yīng)用粉塵收集器和微電腦粉塵濃度測(cè)定儀自9:00—17:00(采樣地點(diǎn)工業(yè)企業(yè)正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間)對(duì)4處研究地點(diǎn)的粉塵顆粒物進(jìn)行連續(xù)采樣和濃度測(cè)量,以收集到的粉塵作為實(shí)驗(yàn)粉塵來(lái)源,以粉塵平均濃度作為模擬滯塵濃度。

(2)模擬環(huán)境滯塵實(shí)驗(yàn)

1)在每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前,根據(jù)長(zhǎng)沙市年平均溫度(17.6℃)、濕度(78%)、風(fēng)速(2.6m/s)、氣壓(1027hpa)等基本氣象環(huán)境因素值[30]對(duì)人機(jī)模擬室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),確認(rèn)各項(xiàng)參數(shù)已穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值附近后,將葉表洗凈擦干的樣本植物在其中放置3d,使其充分適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境；

2)滯塵開(kāi)始前,進(jìn)行第一組采樣,作為空白對(duì)照組；

3)將粉塵顆粒均勻倒入粉塵發(fā)射器中,根據(jù)測(cè)量得到的粉塵平均濃度值(0.953、0.944 、0.994 、0.993 mg/m3)設(shè)置出口濃度,進(jìn)行模擬滯塵實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中,間歇性安排人員走動(dòng)以模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中人車走動(dòng)產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵。每組實(shí)驗(yàn)滯塵6d,滯塵時(shí)間為9:00—17:00。采樣時(shí)間為第2天開(kāi)始滯塵前,從植物冠部四周及上、中、下各部位均勻采集5片樹(shù)葉,并注意預(yù)留一部分葉柄,以便后續(xù)溫度測(cè)量。采樣時(shí)佩戴一次性塑料薄膜手套,避免對(duì)葉片及滯留粉塵的破壞,采樣過(guò)程輕拿輕放,以防滯留粉塵的滑落；

4)每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)殘留粉塵進(jìn)行清理,以確保對(duì)后續(xù)試驗(yàn)不產(chǎn)生影響；

5)重復(fù)上述步驟,共進(jìn)行16組模擬滯塵實(shí)驗(yàn)。

(3)葉片葉表溫度測(cè)量

采樣后立即用紅外熱像儀對(duì)葉片溫度進(jìn)行測(cè)量,以防長(zhǎng)期未處理導(dǎo)致葉片水分丟失,葉表溫度發(fā)生變化。測(cè)量前,調(diào)節(jié)環(huán)境溫度使之與人機(jī)模擬室一致,以避免環(huán)境溫度變化對(duì)葉片溫度的影響。測(cè)量時(shí),為避免粉塵滑落,用透明膠帶粘貼葉片葉柄,使其固定平放于載玻片上；在下方放置電熱臺(tái)板,調(diào)節(jié)至25℃,使紅外圖像中葉片與背景環(huán)境的溫度對(duì)比更加明顯,方便統(tǒng)計(jì)分析,同時(shí)保證電熱臺(tái)板與葉片的距離,避免其輻射作用對(duì)葉片溫度的影響。

(4)滯塵能力分析

在不影響粉塵分布的前提下,對(duì)滯塵葉片做切片處理,采用對(duì)角線法在每個(gè)葉片切片上選取5個(gè)觀測(cè)點(diǎn),應(yīng)用顯微圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集和二值圖像處理,計(jì)算出各觀測(cè)點(diǎn)葉片上所有粉塵顆粒面積與選區(qū)內(nèi)葉表面積的比值,以表征滯塵能力的大小。

(5)適生性分析

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),繪制植物葉片葉表溫度和滯塵能力隨時(shí)間的變化的曲線圖,結(jié)合圖表對(duì)四種植物在對(duì)應(yīng)粉塵環(huán)境下植物的適生性大小進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 葉片葉表溫度變化分析

如圖1為實(shí)驗(yàn)所得滯塵葉片紅外熱像圖及對(duì)應(yīng)溫度統(tǒng)計(jì)分析圖?，F(xiàn)以葉片葉表溫度變化作為抗逆性指標(biāo),將試驗(yàn)周期內(nèi)葉片的平均溫度變化記錄于表1中。

圖1 4種植物葉片表面紅外熱像圖及其溫度分布統(tǒng)計(jì)分析Fig.1 Infrared thermal images of leaf surface and corresponding statistical analysis of temperature distribution of four kinds of plants

粉塵類型Dusttype滯塵時(shí)間Dustretentiontime樹(shù)種Treespecies/℃茶樹(shù)Teaplant桂花Fragrans紅繼木Loropetal鵝掌柴Schefflera面粉廠粉塵樣滯塵第1天0．235±0．0680．155±0．0510．198±0．0590．201±0．068Dustsampleofflourmill滯塵第2天0．506±0．1120．343±0．1020．441±0．1050．500±0．115滯塵第3天0．842±0．1360．599±0．1220．749±0．1170．931±0．151滯塵第4天1．302±0．1670．947±0．1421．152±0．1541．417±0．153滯塵第5天1．859±0．1711．402±0．1631．672±0．1441．946±0．165滯塵第6天2．581±0．1911．974±0．1662．301±0．1432．523±0．153木材加工廠粉塵樣滯塵第1天0．194±0．0590．135±0．0410．174±0．0570．123±0．042Dustsampleoftimbermill滯塵第2天0．444±0．1060．301±0．0680．354±0．1060．309±0．085滯塵第3天0．735±0．1450．507±0．1140．564±0．1360．538±0．120滯塵第4天1．096±0．1440．761±0．1340．828±0．1440．816±0．151滯塵第5天1．486±0．1491．105±0．1021．173±0．1531．171±0．143滯塵第6天1．940±0．1681．470±0．1021．583±0．1461．541±0．141金屬加工廠粉塵樣滯塵第1天0．256±0．0790．248±0．0610．243±0．0750．246±0．079Dustsampleofmental-fabrication滯塵第2天0．580±0．1230．554±0．1160．567±0．1100．567±0．130滯塵第3天0．995±0．1560．911±0．1151．012±0．1370．974±0．186滯塵第4天1．505±0．1551．349±0．1381．683±0．1421．522±0．198滯塵第5天2．223±0．2011．896±0．1402．457±0．1692．118±0．200滯塵第6天3．062±0．1792．541±0．1433．463±0．1682．822±0．200水泥廠粉塵樣滯塵第1天0．329±0．0910．289±0．0780．261±0．0740．309±0．091Dustsampleofcementmill滯塵第2天0．734±0．1440．636±0．1340．615±0．1140．714±0．144滯塵第3天1．272±0．1811．090±0．1391．101±0．1441．220±0．173滯塵第4天1．970±0．2091．653±0．1401．759±0．1451．849±0．180滯塵第5天2．854±0．1962．289±0．1292．613±0．1612．564±0．187滯塵第6天3．893±0．1892．930±0．1383．662±0．1813．423±0．195

由表可見(jiàn),同一植物滯留不同粉塵或不同植物滯留同一粉塵,其溫度變化有較明顯的差異,但總體趨勢(shì)均隨著滯塵天數(shù)的增加而升高,且溫度上升速率均隨著滯塵時(shí)間逐漸增大,這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境無(wú)雨水、大風(fēng)等外界因素干擾,葉片粉塵滯留量逐漸增多,對(duì)植物的影響越來(lái)越明顯,植物正常生理代謝功能紊亂,從而導(dǎo)致溫度加速上升。對(duì)應(yīng)同一植物,水泥廠和金屬加工廠粉塵導(dǎo)致的溫度升高遠(yuǎn)大于其他兩種粉塵,這可能是由于水泥廠粉塵樣中含有堿性物質(zhì),金屬加工廠粉塵樣中含有重金屬元素,相對(duì)于其他粉塵樣,對(duì)葉片會(huì)產(chǎn)生直接傷害作用,對(duì)光合作用和蒸騰作用的抑制更強(qiáng),因而導(dǎo)致溫度增幅更大[31-32]。對(duì)應(yīng)同一粉塵,茶樹(shù)覆蓋粉塵后的溫度增幅較大；桂花的溫度增幅明顯小于其他3種植物；鵝掌柴的溫度變化介于之間；紅繼木在面粉廠和木材加工廠粉塵環(huán)境中溫度增幅與鵝掌柴相似,而對(duì)應(yīng)金屬加工廠和水泥廠塵樣,其溫度增幅在4種植物中最高。這些溫度變化的差異可能是由于不同植物在不同環(huán)境中的抗逆性差異導(dǎo)致的,同時(shí)也可能與部分植物滯塵能力較強(qiáng)有關(guān)。因此,對(duì)于四種植物在粉塵環(huán)境中的適生性的評(píng)估,還需要對(duì)葉片滯塵能力進(jìn)行分析。

2.2 葉片滯塵能力分析

應(yīng)用顯微圖像電腦分析系統(tǒng)對(duì)葉片切片進(jìn)行觀測(cè)分析和二值圖像處理,得到如圖2所示滯塵葉片顯微圖像及對(duì)應(yīng)二值化圖像。葉片滯塵能力是指植物單位葉面積在單位時(shí)間內(nèi)滯留的粉塵量。在本實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)顯微分析系統(tǒng)工作原理,規(guī)定單位葉表面積滯塵能力用顯微圖像選區(qū)內(nèi)所有粉塵顆粒面積與選區(qū)內(nèi)葉表面積比來(lái)表示,滯塵量用顯微圖像選區(qū)內(nèi)粉塵顆粒面積表示[2]。應(yīng)用顯微分析系統(tǒng)計(jì)算出各葉片切片滯塵面積比,以表征植物滯塵能力,實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的四種植物在對(duì)應(yīng)粉塵環(huán)境下的葉片滯塵能力平均值記錄于表2。

圖2 滯塵葉片顯微圖像及二值化圖像Fig.2 Microscopic images and binary images of dust-catching leaves

粉塵類型Dusttype滯塵時(shí)間Dustretentiontime滯塵能力Dust-retainingcapability/%茶樹(shù)Teaplant桂花Fragrans紅繼木Loropetal鵝掌柴Schefflera面粉廠粉塵樣空白對(duì)照組0．018±0．0050．027±0．0070．048±0．0090．018±0．004Dustsampleofflourmill滯塵第1天0．214±0．0180．205±0．0270．219±0．0150．211±0．017滯塵第2天0．240±0．0200．237±0．0210．254±0．0180．241±0．018滯塵第3天0．276±0．0230．270±0．0210．291±0．0190．269±0．023滯塵第4天0．306±0．0310．292±0．0220．327±0．0240．298±0．022滯塵第5天0．328±0．0270．324±0．0280．349±0．0230．319±0．025滯塵第6天0．342±0．0310．346±0．0280．376±0．0220．339±0．025木材加工廠粉塵樣空白對(duì)照組0．024±0．0070．018±0．0040．036±0．0060．020±0．004Dustsampleoftimbermill滯塵第1天0．193±0．0190．202±0．0250．211±0．0180．193±0．016滯塵第2天0．213±0．0220．227±0．0150．235±0．0200．218±0．021滯塵第3天0．233±0．0250．254±0．0200．264±0．0240．248±0．023滯塵第4天0．256±0．0210．283±0．0240．287±0．0230．270±0．023滯塵第5天0．276±0．0240．309±0．0190．308±0．0250．290±0．021滯塵第6天0．295±0．0260．323±0．0180．326±0．0250．312±0．023金屬加工廠粉塵樣空白對(duì)照組0．019±0．0050．030±0．0080．057±0．0090．020±0．003Dustsampleofmental-fabrication滯塵第1天0．206±0．0200．217±0．0160．211±0．0170．190±0．016滯塵第2天0．227±0．0210．244±0．0190．242±0．0200．225±0．027滯塵第3天0．252±0．0250．286±0．0190．284±0．0200．250±0．026滯塵第4天0．273±0．0230．306±0．0190．307±0．0220．264±0．026滯塵第5天0．294±0．0290．331±0．0220．328±0．0280．276±0．026滯塵第6天0．310±0．0260．357±0．0230．358±0．0260．290±0．027水泥廠粉塵樣空白對(duì)照組0．020±0．0060．033±0．0080．064±0．0080．028±0．004Dustsampleofcementmill滯塵第1天0．215±0．0200．223±0．0200．217±0．0210．215±0．020滯塵第2天0．243±0．0240．251±0．0230．253±0．0200．243±0．024滯塵第3天0．277±0．0260．285±0．0240．292±0．0230．277±0．026滯塵第4天0．301±0．0270．316±0．0230．327±0．0230．301±0．027滯塵第5天0．323±0．0330．343±0．0240．352±0．0280．323±0．032滯塵第6天0．342±0．0300．372±0．0230．384±0．0310．343±0．032

由表2可見(jiàn),4種植物中,桂花和紅繼木的滯塵能力要明顯強(qiáng)于茶樹(shù)和鵝掌柴,這可能是由于植物的葉表面形態(tài)結(jié)構(gòu)差異所導(dǎo)致的。紅繼木葉表粗糙,且布滿極細(xì)的淺溝狀組織并有少量纖毛,有利于小粒徑顆粒物粉塵的滯留；桂花雖然葉表面較光滑,但密布無(wú)規(guī)則排列的氣孔且有脊?fàn)钔黄?滯塵能力也較強(qiáng)；茶樹(shù)和鵝掌柴葉表面平滑且無(wú)其他特殊結(jié)構(gòu),滯塵能力一般[2]。不同粉塵環(huán)境下同一植物的滯塵能力有所不同,這可能與顆粒物的粒徑大小、形態(tài)特征差異有關(guān)[5,10]。為對(duì)粉塵環(huán)境下植物的適生防塵效果進(jìn)行評(píng)價(jià),需篩選出滯塵能力強(qiáng)且滯塵后溫度升高不甚顯著的樹(shù)種,為此下文將葉表溫度變化和滯塵能力兩個(gè)因素結(jié)合進(jìn)行綜合分析。

2.3 不同粉塵環(huán)境下植物的適生性評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步探究所選樣本植物在實(shí)驗(yàn)粉塵環(huán)境中的適生性大小,如圖3所示,繪制4種粉塵環(huán)境下的植物葉片滯塵能力和葉表溫度隨時(shí)間變化的曲線圖,綜合曲線圖及其變化趨勢(shì)對(duì)植物的適生性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 不同粉塵環(huán)境下4種植物葉片滯塵能力和葉表溫度變化曲線圖Fig.3 Curve diagrams of dust-retaining capability and temperature change of four kinds of plants in different dust environment

由圖3可見(jiàn),在面粉廠粉塵環(huán)境中,紅繼木滯塵能力最強(qiáng),且溫度變化較小,適生性最好；桂花、鵝掌柴、茶樹(shù)滯塵能力相似,且桂花的溫度變化明顯小于另外兩種植物,適生性較好；鵝掌柴與茶樹(shù)溫度變化相近,但茶樹(shù)溫度上升速度大于鵝掌柴,可以預(yù)見(jiàn),若滯塵實(shí)驗(yàn)繼續(xù),茶樹(shù)的溫度會(huì)超過(guò)鵝掌柴。因此,在面粉廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性大小排序?yàn)椋杭t繼木>桂花>鵝掌柴>茶樹(shù)。

由圖3可見(jiàn),在木材加工廠粉塵環(huán)境中,茶樹(shù)滯塵能力最差,溫度升幅最高,適生性最差；紅繼木與桂花滯塵能力相似,均大于其他兩種植物,但桂花的溫度升幅小于紅繼木,所以桂花在木材加工廠粉塵環(huán)境中的適生性更強(qiáng)；鵝掌柴兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均介于4種植物之間,適生性一般。因此,在木材加工廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性大小排序?yàn)椋汗鸹?紅繼木>鵝掌柴>茶樹(shù)。

由圖3可見(jiàn),在金屬加工廠粉塵環(huán)境中,桂花滯塵能力最強(qiáng),溫度變化最小,適生性最好；紅繼木滯塵能力與桂花相似,但溫度升幅也最高,且上升速度明顯大于其他3種植物,可以預(yù)計(jì),如果環(huán)境中金屬粉塵濃度較高,且長(zhǎng)期無(wú)雨水大風(fēng)等外界干擾,紅繼木由于溫度持續(xù)上升將導(dǎo)致嚴(yán)重病變,所以,在金屬粉塵濃度較高的工業(yè)園區(qū)內(nèi),不適宜種植紅繼木；鵝掌柴和茶樹(shù)滯塵能力一般,溫度變化也介于4種植物中間,適生性相似。因此,在金屬加工廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性大小排序?yàn)椋汗鸹?鵝掌柴≈茶樹(shù)>紅繼木。

由圖3可見(jiàn),在水泥廠粉塵環(huán)境中,桂花、茶樹(shù)、紅繼木的滯塵能力均較強(qiáng),其中,桂花溫度變化遠(yuǎn)小于茶樹(shù)和紅繼木,適生性最強(qiáng)；茶樹(shù)和紅繼木溫度變化遠(yuǎn)大于桂花和鵝掌柴,且茶樹(shù)的溫度升高幅度更大,所以在水泥粉塵濃度較大的區(qū)域,茶樹(shù)和紅繼木均不宜種植,其中茶樹(shù)適生性更差；鵝掌柴滯塵能力較差,但溫度升高幅度相對(duì)茶樹(shù)和紅繼木較為緩和,適生性一般,也不宜大范圍種植。因此,在水泥廠粉塵環(huán)境中,4種植物的適生性排序?yàn)椋汗鸹?鵝掌柴>紅繼木>茶樹(shù)。

綜合4種粉塵環(huán)境下葉片滯塵能力及葉表溫度變化的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,4種植物中,桂花滯塵能力較強(qiáng),且受粉塵覆蓋影響較小,適生性最好；紅繼木滯塵能力較強(qiáng),但在含有堿性物質(zhì)或重金屬元素的粉塵環(huán)境中抗逆性較差；茶樹(shù)和鵝掌柴滯塵能力相似,而鵝掌柴適生防塵效果更好。由此可知,同一植物在不同環(huán)境,不同植物在同一環(huán)境的適生防塵性質(zhì)均有所差異。因此,在工業(yè)園區(qū)綠化建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)園區(qū)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)類型預(yù)估顆粒物污染情況,選擇該環(huán)境下滯塵能力強(qiáng)且抗逆性高的植物,以最大限度的抑制粉塵顆粒物污染。對(duì)應(yīng)本實(shí)驗(yàn)中的4種植物和對(duì)應(yīng)粉塵環(huán)境,桂花可以考慮種植,鵝掌柴可以適度引進(jìn),若粉塵中堿性物質(zhì)或金屬元素含量較少,紅繼木也可以考慮種植,而茶樹(shù)則不宜應(yīng)用。對(duì)于綠化建設(shè)已完善的成熟工業(yè)園區(qū),若已種植抗逆性較差的植物,需注意及時(shí)對(duì)葉面塵進(jìn)行保護(hù)性清洗,利用水分沖刷等方法在一定程度上減少粉塵對(duì)植物的影響,同時(shí)需注意盡量避免粉塵清洗后流到植物根部,對(duì)植株生長(zhǎng)造成影響。

3 結(jié)論與討論

植物葉片以其特殊的表面性能,可以有效的截取和固定大氣顆粒污染物,但也會(huì)因?yàn)榉蹓m的遮蔽阻塞影響自身正常生長(zhǎng)。因此,針對(duì)具體環(huán)境在綠化建設(shè)中選擇滯塵能力強(qiáng)且粉塵耐受性好的樹(shù)種是充分發(fā)揮綠色植物滯塵效應(yīng)的關(guān)鍵。研究表明,樹(shù)種間滯塵能力的差異是由葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征決定的,葉表面粗糙多皺,絨毛、溝槽、突起等微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集,深淺差別越大,植物滯塵能力越強(qiáng)[1,10]。本文模擬工業(yè)粉塵環(huán)境中,表面粗糙程度高的紅繼木滯塵能力最強(qiáng),氣孔密集且有脊?fàn)钔黄鸬墓鸹m能力也較強(qiáng),而葉表面光滑無(wú)特殊結(jié)構(gòu)的茶樹(shù)和鵝掌柴滯塵能力一般,這與王建輝、鄭鵬、于曼、陳芳等人植物滯塵能力的研究結(jié)果基本一致[33-36],而賈彥等則認(rèn)為紅繼木滯塵能力較差,這主要是由于其采樣時(shí)間為4—6月,正值長(zhǎng)沙多雨水大風(fēng)天氣,滯留于淺溝組織和纖毛上的粉塵受外界影響,波動(dòng)性較大,滯塵量相對(duì)較小[2],這說(shuō)明植物滯塵能力的比較需要結(jié)合具體環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

在大氣顆粒物污染濃度較高的環(huán)境中,有較強(qiáng)適生性的植物能夠更有效的發(fā)揮滯塵作用。曾青松對(duì)比人工揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)前后桂花葉綠素及各項(xiàng)活性指標(biāo)的變化情況,證明桂花具有極高的抗大氣污染能力,這與本文得到的桂花適生防塵效果較好的結(jié)果是一致的[37]?？讎?guó)輝、溫達(dá)志等對(duì)園林綠化植物在粉塵復(fù)合污染環(huán)境下的空氣污染敏感性進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,發(fā)現(xiàn)桂花、鵝掌柴、茶樹(shù)等植物葉片生長(zhǎng)正常,僅少數(shù)葉片脫落,抗大氣污染能力強(qiáng)[38-39],而本文研究結(jié)果表明茶樹(shù)粉塵耐受性較差,這可能與具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的大氣污染物的性質(zhì)差異有關(guān)。在不同大氣污染環(huán)境下,同種植物葉片對(duì)于不同種類顆粒物元素的吸滯情況不同,不同種類的顆粒污染物對(duì)于植物體生理生態(tài)反應(yīng)的影響程度也有所差異[25]。水泥、石灰等堿性物質(zhì)灰塵與水作用會(huì)從氣孔浸入葉組織,影響細(xì)胞內(nèi)的正常代謝過(guò)程[31]；重金屬元素的吸收和富集則會(huì)直接抑制葉片的氣體交換,破壞葉肉組織[32]。因而在含有堿性物質(zhì)的水泥廠粉塵環(huán)境和含有重金屬元素的金屬粉末加工廠粉塵環(huán)境中,四種植物受粉塵遮蔽阻塞作用導(dǎo)致的葉片葉表溫度升高更加明顯。粉塵對(duì)植物的影響還與其粒徑大小有關(guān)。葉面塵粒徑越小,遮蔽堵塞作用越明顯,產(chǎn)生的遮光效應(yīng)越大,對(duì)植物的影響越大[40-41]。紅繼木的淺鉤狀組織對(duì)滯留顆粒物粒徑有篩選作用,主要吸附小粒徑顆粒粉塵[2],且由于葉表粗糙度較高滯留顆粒物不易清理,會(huì)導(dǎo)致部分粉塵長(zhǎng)時(shí)間積聚,因而在對(duì)植物生長(zhǎng)影響較大的含堿性物質(zhì)和重金屬元素的水泥廠和金屬粉末加工廠粉塵環(huán)境中,生理生態(tài)反應(yīng)變化極為明顯,抗逆性較差。植物對(duì)粉塵的吸附類型同樣會(huì)影響植物的抗逆性,氣孔吸附主導(dǎo)型的植物主要吸附細(xì)顆粒物,且大多分布在氣孔及其附近,受粉塵的影響大于表皮吸附主導(dǎo)型的植物[42]。因此,對(duì)于植物在大氣污染環(huán)境下的抗性研究,需要結(jié)合植物所處環(huán)境的大氣顆粒物污染的理化性質(zhì),植物葉面滯塵特點(diǎn),植物的生理生態(tài)反應(yīng)變化等因素,找出特定環(huán)境下滯塵能力強(qiáng)且耐受粉塵的植物樹(shù)種,起到有效的削減大氣顆粒物污染的目的。

綜上所述,本文通過(guò)模擬滯塵實(shí)驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)沙市工業(yè)園區(qū)四種典型灌木在粉塵環(huán)境中的適生性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),得到如下結(jié)論：

(1) 4種植物在實(shí)驗(yàn)粉塵環(huán)境中的適生性從高到低為：桂花、鵝掌柴、紅繼木、茶樹(shù)。其中,桂花在四種粉塵環(huán)境下滯塵能力均較強(qiáng),且滯塵后溫度變化較小,適宜于在工業(yè)園區(qū)推廣種植；鵝掌柴滯塵能力一般,粉塵對(duì)其影響相對(duì)較緩和,可以考慮適當(dāng)種植；紅繼木滯塵能力強(qiáng),但在堿性物質(zhì)或金屬元素含量較高的水泥廠和金屬加工廠粉塵環(huán)境中溫度上升幅度大且增速較快,需要結(jié)合工業(yè)園區(qū)具體生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)類型決定是否引進(jìn)；茶樹(shù)滯塵能力一般且在四種粉塵環(huán)境下溫度變化均較大,不宜在工業(yè)園區(qū)內(nèi)種植。

(2) 不同植物在同一粉塵環(huán)境中或同一植物在不同粉塵環(huán)境中,其適生性均有較大差異。在工業(yè)園區(qū)綠化建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)企業(yè)經(jīng)營(yíng)類型確定顆粒污染物的成分和數(shù)量,擇優(yōu)選出在對(duì)應(yīng)粉塵環(huán)境中滯塵能力強(qiáng)且抗逆性高的植物,以有效地減緩大氣粉塵顆粒污染。對(duì)于已有實(shí)例或評(píng)價(jià)分析證明具有較強(qiáng)適生性的樹(shù)種,需要比較工業(yè)園區(qū)大氣顆粒物污染特征是否與之相似,在此基礎(chǔ)上決定是否引入該樹(shù)種；對(duì)于尚未有記錄證明具粉塵顆粒污染抗性的植物,可以考慮設(shè)計(jì)模擬滯塵實(shí)驗(yàn),分析其在無(wú)雨水大風(fēng)等外界干擾的極端天氣情況的生理生態(tài)反應(yīng)變化。在粉塵環(huán)境中植物的抗逆性指標(biāo)選取方面,葉片葉表溫度變化是粉塵對(duì)植物光譜特征和生理生態(tài)反應(yīng)變化的綜合結(jié)果,能全面反映粉塵對(duì)植物的影響,可以考慮在今后的研究分析中推廣使用。

(3) 對(duì)于綠化建設(shè)已完善的工業(yè)園區(qū),如因規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮植物對(duì)顆粒物粉塵的耐受性質(zhì)而引入適生性較差的植物,需要及時(shí)采取保護(hù)性措施進(jìn)行人工除塵,以減緩粉塵對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,同時(shí)需注意清洗后流到根部的粉塵,尤其是重金屬粉塵對(duì)植株生長(zhǎng)的影響。必要時(shí)可以設(shè)置警戒溫度,確定保護(hù)性清洗周期,實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)綠化維護(hù)的科學(xué)化管理。

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Evaluation of plant tolerance to environmental dust pollution based on infrared thermography

ZHANG Ling*, CHEN Yuanjiang

SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China

The effects of dust pollution on plant species depends largely on the plant′s natural ‘dustproofing’ ability, which is a kind of multifunctional composite dust-control technology that has great value for both the environment and economy. Our study intended to determine which dominant tree species showed the greatest tolerance and adaptability in different dust pollution environments. We conducted long term monitoring and an adaptability analysis on four kinds of shrubs (osmanthus fragrans, schefflera octophylla, loropetalum chinense var.rnbrum and camellia sinensis) commonly found in industrial parks in southern China. Our study used potted plant samples in an indoor environment where we simulated industrial dust pollution. We measured the dust-retaining capability and leaf temperature of our potted plants using biological microscopic image analysis and a thermal infrared imager. Our results showed that leaf temperature increased as leaves were covered in dust, and this varied according to the amount of dust in the environment. Dust that contained alkaline matter and heavy metal elements had a stronger influence on our test plants. Thus, we suggest that any adaptability analysis of plants should take the specific characteristics of dust pollution into full consideration. Our results suggest that osmanthus fragrans was most tolerant to dust pollution, followed by schefflera octophylla, loropetalum chinense var.rnbrum, and finally camellia sinensis. Selecting plant species that have high dust-retaining capability, and low physiological and ecological responses to dust pollution is important for industrial parks. However, planners and designers of green spaces in industrial parks also need to consider the composition and quantity of dust pollution within each site, as this varies by type and frequency of business enterprises within each industrial park and will help inform plant selection decisions. Our results show that leaf surface temperature is an important predictor of a plant′s physiological and ecological response to dust pollution, and further research should investigate how variation in leaf surface temperature could be used to develop an index of plant tolerance to environmental dust pollution. For existing industrial parks containing plants with relatively poor adaptability to dust pollution, we suggest implementing regular watering, cleaning and other manual dust removal methods to reduce the negative effects of dust particulate matter on plants. Meanwhile, the effects of dust (especially heavy metal dust), on plant root systems should be investigated. To ensure implementation of scientific management of green spaces in industrial parks, we advise creating a temperature alert and maintenance schedule that includes regular protective cleaning of plants.

environmental dust pollution; dust-retaining capability; leaf temperature; plant dustproof; adaptability analysis

2015- 06- 11;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201506111180

*通訊作者Corresponding author.E-mail:zlsafetyehs@163.com

張羚,陳沅江.基于紅外熱像檢測(cè)的粉塵環(huán)境植物適生性評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(24):7960- 7970.

Zhang L, Chen Y J.Evaluation of plant tolerance to environmental dust pollution based on infrared thermography.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):7960- 7970.