李耀華,玉米提·哈力克,*,木尼拉·阿不都木太力甫,陳 暉,阿麗亞·拜都熱拉

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046

2 新疆維吾爾自治區(qū)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046

3 復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系, 上海 200433

4 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院, 烏魯木齊 830052

空氣中的顆粒污染物對(duì)人體健康,尤其是對(duì)肺部和心臟造成危害,同時(shí)對(duì)城市居民的生活質(zhì)量構(gòu)成威脅[1—2]。隨著我國(guó)城市大氣顆粒物污染的加重,因中風(fēng)、心臟病和肺癌導(dǎo)致的死亡率大幅增漲[3]。因此,減輕并控制空氣顆粒物污染是目前所面臨任務(wù)中的重中之重。

研究表明,植物葉片可以有效過(guò)濾空氣中的顆粒物。顆粒物通過(guò)重力沉降、擴(kuò)散(布朗運(yùn)動(dòng))或湍流轉(zhuǎn)移沉積在葉片表面[4]。樹(shù)冠的結(jié)構(gòu)會(huì)引起空氣的湍流運(yùn)動(dòng),從而增加顆粒物在葉片表面的沉積[5]。不同綠化樹(shù)種之間的特異性差異決定了其滯留顆粒物能力,主要取決于葉片的結(jié)構(gòu)特征,如葉片絨毛、葉脈密度、葉面粗糙度或凸凹度等[6]。Beckett等[7]發(fā)現(xiàn),相較于葉片光滑的闊葉樹(shù)種,葉片粗糙的闊葉樹(shù)種能夠更加有效地積累顆粒物。因此,在不同樹(shù)種之間進(jìn)行樹(shù)木對(duì)顆粒物滯留能力的比較,有利于選取滯塵能力強(qiáng)的樹(shù)種在城市綠化設(shè)計(jì)中優(yōu)先推廣應(yīng)用[8]。目前的研究多集中于大氣顆粒物在葉片表面的積累[9—11]。王琴等[12]對(duì)比分析了武漢市15種闊葉喬木滯塵能力與葉表微形態(tài)特征之間的關(guān)系,但對(duì)于干旱、多風(fēng)沙區(qū)域城市園林樹(shù)木葉面微形態(tài)對(duì)顆粒物滯留的能力、途徑和機(jī)制的研究較少[13]。

干旱區(qū)典型綠洲城市——烏魯木齊市近20年來(lái)的城市化速度極快,城市交通量增長(zhǎng)迅速,因地形逆溫所引起的冬季空氣污染,導(dǎo)致其成為我國(guó)空氣污染最嚴(yán)重的城市之一,大氣中PM2.5含量一直處于全國(guó)省會(huì)城市前列,惡劣的空氣環(huán)境對(duì)市民健康和生產(chǎn)生活造成不利影響[14—15]。為科學(xué)選擇園林綠化樹(shù)種,提高城市空氣質(zhì)量,降低PM2.5等顆粒物污染,本文在烏魯木齊市河灘快速路兩側(cè)選取10種常見(jiàn)綠化樹(shù)種,測(cè)定其葉面滯留大顆粒PM>10、粗顆粒PM3—10、細(xì)顆粒PM2.5的含量,對(duì)比分析各綠化樹(shù)種滯留不同粒級(jí)顆粒物的能力,并探討植物葉面微結(jié)構(gòu)特征對(duì)不同粒級(jí)顆粒物攔截效果的影響機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

河灘快速公路是烏魯木齊市南北方向最大的主干道及交通匯聚處,承擔(dān)著烏魯木齊市城市道路交通量的47%,每天約有30萬(wàn)輛各類車輛通行[16]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察,根據(jù)樹(shù)種豐富度和生長(zhǎng)狀況觀測(cè)結(jié)果,選擇河灘快速路東側(cè)廣匯橋底下往南200 m處,長(zhǎng)200 m、寬50 m的林帶為采樣帶。在樣帶內(nèi),選取距主干道10 m、25 m、40 m處設(shè)采樣點(diǎn),選擇常見(jiàn)的10種園林喬灌木,對(duì)其葉片滯留大氣顆粒物的能力進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 研究方法

1.2.1樹(shù)種選擇

本文采樣點(diǎn)有喬灌木近30種,基于對(duì)烏魯木齊市綠地現(xiàn)有綠化樹(shù)種的基礎(chǔ)調(diào)查,以及園林樹(shù)種在城市樹(shù)種的使用頻度、多度和健康狀況,對(duì)研究樣帶主要綠化樹(shù)種進(jìn)行篩選,選取10個(gè)綠化樹(shù)種作為代表性樹(shù)種,測(cè)試它們?nèi)~片微結(jié)構(gòu)、粗糙度對(duì)葉片滯塵能力的影響。供試的10個(gè)植物基本信息見(jiàn)表1。

表1 供試植物基本信息

1.2.2葉片采集方法

為確保取樣條件的一致性,防止氣象因子對(duì)取樣的干擾,如雨水等環(huán)境因素對(duì)葉表面沉積顆粒物沖洗所造成的差異,本研究主要在2018年7月30日至8月10日期間無(wú)雨、晴朗、無(wú)風(fēng)的天氣下進(jìn)行采樣。采樣前的整個(gè)7月份無(wú)降雨天氣,期間空氣顆粒物PM2.5、PM10含量平均值為19 μg/m3、56 μg/m3(www.aqistudy.cn/historydata)。供試樣樹(shù)均在距離道路10 m的范圍內(nèi),選擇樹(shù)木生長(zhǎng)狀況良好,葉齡相近,無(wú)病蟲(chóng)害的健康葉片,所選樹(shù)種個(gè)體長(zhǎng)勢(shì)情況(胸徑、樹(shù)高)保持大致一致。在植株的上、中、下部位及東南西北四個(gè)方向均勻采集,單葉較大者采集20—30片,較小者采集40—50片,每個(gè)樹(shù)種分別選取3棵樣樹(shù)采樣,樣品采集后立即裝入保鮮袋內(nèi),并盡快帶回實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移至冰箱內(nèi)保存。

1.2.3葉面顆粒物滯留量測(cè)定

葉面顆粒物滯留量及其粒徑組成采用水洗濾膜法測(cè)定。將選取植物葉片放入盛有140 mL蒸餾水的燒杯中,用毛刷仔細(xì)清洗葉片,隨后小心夾出葉片,將清洗液依次通過(guò)已處理好的微孔濾膜A1(孔徑分別為10 μm、3 μm、1 μm),采用SHZ—ⅢD型循環(huán)水式真空泵進(jìn)行抽濾,過(guò)濾后的濾膜送至60 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量,再次取出后自然風(fēng)干使濾膜在常溫下進(jìn)行固定,再用0.0001 g的電子天平稱量,重量記作A2。所得的重量(A2—A1)記為葉片表面滯留的所有顆粒物質(zhì)量,其中直徑大于10 μm的顆粒物(標(biāo)記為PM>10),直徑在3—10 μm間的顆粒物(標(biāo)記為PM3—10)、直徑在1—3 μm間的顆粒物(標(biāo)記為PM1—3),以及總顆粒物(TSP)均可以得到。將清洗后的葉片用吸水紙吸干后置于掃描儀下進(jìn)行掃描,然后用Image J圖像處理軟件(Version 1.46, National Institutes of Health, USA)測(cè)定單葉面積。各樣品PM>10、PM3—10、PM1—3滯留量和TSP滯留量與單葉葉面積的比值即為單位葉面積顆粒物滯留量(μg/cm2)。

1.2.4葉面微結(jié)構(gòu)觀測(cè)

選取所測(cè)試樹(shù)種葉片樣品,其中有效樣品10種,從樣本主葉脈兩側(cè)中部切成2—4份面積約1 cm2的小方塊,使用S3400N 型掃描電子顯微鏡(E—1045 型離子濺射裝置,日本,日立)觀測(cè)葉片表面氣孔特征、絨毛特征、葉表面粗糙度、凹槽寬度等微觀指標(biāo),并進(jìn)行拍攝。

1.2.5數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),若差異顯著則用LSD法(Least-significant difference)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠化樹(shù)種葉片滯納顆粒物比較

由圖1可知,不同樹(shù)種間的葉片單位面積顆粒物附著量存在顯著差異(P<0.05)。在所測(cè)的10個(gè)樹(shù)種中總滯塵量(TSP)變化范圍介于((4.90±0.64)—(53.38±0.71))μg/cm2之間。其中,榆樹(shù)、山楂、黃金樹(shù)葉片單位面積吸附量較大,分別達(dá)到(53.38±0.71)、(35.45±4.54)、(31.11±0.64)μg/cm2,遠(yuǎn)超總平均滯塵量16.87 μg/cm2；紅瑞木葉片單位面積附著量最小,僅為(4.90±0.64)μg/cm2；其余6個(gè)樹(shù)種,火炬、楊樹(shù)、山桃、白蠟、旱柳、忍冬單位葉片顆粒物滯留量分別為(12±0.47)、(12.60±1.43)、(13.87±1.55)、(15.56±0.9)、(19.36±1.9)、(23.8±1.73)μg/cm2與平均滯塵量接近；根據(jù)10個(gè)樹(shù)種單位面積葉片對(duì)不同粒徑空氣顆粒物的吸附百分比圖所示,所測(cè)樹(shù)木葉片吸附的主要是粒徑大于10 μm的大顆粒物。10個(gè)樹(shù)種中,火炬、白蠟、山楂單位面積葉片上PM>10顆粒物含量最高,分別占TSP的90.6%、92.9%、90.5%。旱柳、忍冬、榆樹(shù)單位面積葉片PM>10顆粒物則相對(duì)較少,分別為69.5%、69.7%、68.3%；粗顆粒PM3—10占TSP的1%—17%,其中火炬、白蠟含量最少,僅為1.18%和3%；細(xì)顆粒物PM1—3在TSP含量中占比最少,單位葉面積顆粒物平均含量占TSP的7.84%,但各樹(shù)種PM1—3占TSP的含量差距較明顯,其中黃金樹(shù)占比最少,僅為2.2%,旱柳占比最多,為17.3%；比較明顯的是,旱柳、忍冬、榆樹(shù)的粗顆粒物PM3—10和細(xì)顆粒物PM1—3含量在所測(cè)的10個(gè)樹(shù)種中占比較高,原因可能是這三種樹(shù)木的葉表面微結(jié)構(gòu)對(duì)粗、細(xì)顆粒物具有更好的吸附性。

圖1 不同樹(shù)種葉片單位面積附著顆粒物含量

2.2 不同種類植物葉表面電鏡掃描圖

通過(guò)觀察葉表面結(jié)構(gòu)電鏡圖可知(圖2),火炬、忍冬、榆樹(shù)氣孔結(jié)構(gòu)特征明顯,多呈開(kāi)啟狀態(tài)且氣孔密度排列較為緊密,同時(shí)氣孔周邊存在顆粒物?；鹁妗紫?、旱柳、榆樹(shù)葉片正反面都有細(xì)長(zhǎng)絨毛,且絨毛周邊存在顆粒物。黃金樹(shù)絨毛僅生長(zhǎng)在葉片背面,山楂也只有在葉片正面存在絨毛。通過(guò)測(cè)算,所測(cè)樹(shù)種的絨毛長(zhǎng)度排序?yàn)?黃金樹(shù)>山楂>火炬>旱柳>大葉白蠟>榆樹(shù)。其中黃金樹(shù)絨毛最長(zhǎng),為374.071 μm,其次是山楂,為202.549 μm。榆樹(shù)葉片絨毛最短,為71.279 μm。紅瑞木、黃金樹(shù)、山楂、榆樹(shù)葉片正反面均有溝槽,凹槽內(nèi)部存在少量顆粒物。除山楂葉片正(3.245 μm)反(4.095 μm)面凹槽寬度較接近外,其余三個(gè)樹(shù)種葉片凹槽均有一定差距。楊樹(shù)葉片背面凹槽寬度在所測(cè)樹(shù)種中最大,為6.89 μm。通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在單位面積葉表面結(jié)構(gòu)中,氣孔結(jié)構(gòu)、絨毛長(zhǎng)度、溝槽寬度等均與其滯塵量存在相關(guān)關(guān)系。

圖2 10種植物葉面微結(jié)構(gòu)不同倍數(shù)下的電鏡掃描圖像

2.3 植物葉片滯納空氣顆粒物與其微結(jié)構(gòu)的關(guān)系

不同葉片微結(jié)構(gòu)特征能夠直接影響葉片表面吸附顆粒物能力。如圖3和表2所示,氣孔的孔徑長(zhǎng)短、密度與單位葉面積滯留總懸浮顆粒物(TSP)和PM1—3具有相關(guān)性,但相關(guān)性不顯著(P>0.05)；氣孔數(shù)量、密度與TSP、PM1—3含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。此外,絨毛長(zhǎng)度、凹槽寬度與葉表面顆粒物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,除PM1—3含量與絨毛長(zhǎng)度呈顯著負(fù)相關(guān)外(R=-0.57；P<0.05),其余粒級(jí)含量與絨毛長(zhǎng)度相關(guān)性并不顯著(P>0.05)?？偨Y(jié)以上分析,10個(gè)綠化樹(shù)種葉片微結(jié)構(gòu)中的絨毛長(zhǎng)度、氣孔半徑、凹槽寬度與單位面積各粒級(jí)顆粒物滯留量的關(guān)系并不顯著,絨毛長(zhǎng)度與顆粒物滯留量關(guān)系也不顯著(P>0.05),氣孔不管是長(zhǎng)徑或短徑均不對(duì)顆粒物滯留量有直接影響,凹槽寬度越寬反而會(huì)造成顆粒物不易滯留,但氣孔數(shù)量、密度卻與顆粒物滯留量呈顯著相關(guān)性,表明氣孔數(shù)是葉片滯留顆粒物的主要因素之一,其原因可能與植物通過(guò)葉片進(jìn)行呼吸有關(guān)。

圖3 測(cè)試樹(shù)種的葉面微結(jié)構(gòu)與滯塵含量變化

表2 葉表面微結(jié)構(gòu)特征與顆粒物滯留量之間相關(guān)性

3 討論

3.1 環(huán)境因素對(duì)不同粒徑顆粒物滯留量的影響

樹(shù)木在滯留空氣中顆粒物方面發(fā)揮著重要的作用,被稱為“城市粉塵過(guò)濾器”,研究植被滯留PM2.5等顆粒物能力的差異,對(duì)城市園林綠化樹(shù)種的選擇具有重要意義[17]。樹(shù)木對(duì)顆粒物的吸附作用主要是植物葉片、樹(shù)干等器官或某些特殊結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5的滯留作用[18]。本研究主要針對(duì)植物通過(guò)葉片滯留顆粒物的方式進(jìn)行探討。

查燕等[19]以石楠(Photiniaserrulata)、海桐(Pittosporumtobira)、桂花(Osmanthusfragrans)和二球懸鈴木(Platanusorientalis)為例對(duì)城市植被吸附不同粒徑大氣顆粒物進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)葉面顆粒物以PM10為主,其顆粒物所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,平均為67.54%。王兵等[20]對(duì)北京市6種典型落葉喬木樹(shù)種單位面積葉片對(duì)空氣總懸浮顆粒物、粗顆粒物、細(xì)顆粒物的滯納量進(jìn)行測(cè)定,發(fā)現(xiàn)欒樹(shù)等單位葉面積粗顆粒物平均占TSP含量的50%。張維康等[21]對(duì)北京市主要的20種樹(shù)種進(jìn)行了測(cè)定,測(cè)得不同粒級(jí)顆粒物所占比例在樹(shù)種間存在顯著差異,在葉表面滯納顆粒物中,PM10占TSP的58.74%—92.82%,而PM1—3占PM10的比例為16.90%—63.75%。S?b?等[22]對(duì)挪威23種綠化植物單位葉面積滯塵量的測(cè)定結(jié)果顯示,細(xì)顆粒物(0.2—2.5 μm)占總滯塵量比例變化為4.78%—36.09%,平均比例為12.37%。以上結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,但本實(shí)驗(yàn)大顆粒物占TSP平均含量高于以上研究結(jié)果。本研究中,所測(cè)得10種植物葉片表面滯留的顆粒物以PM>10為主,其中PM>10顆粒物平均含量占TSP平均含量的79.9%,火炬、白蠟、山楂的PM10顆粒物平均含量甚至達(dá)到TSP含量的90%。PM1—3顆粒物的含量則相對(duì)較少,平均含量占TSP不到10%。榆樹(shù)不同粒級(jí)顆粒物滯留量是紅瑞木滯留量的9—11倍之多,這表明葉片表面所滯留大顆粒物占總顆粒物的比例、細(xì)顆粒物占總顆粒物、細(xì)顆粒占大顆粒物的比例因樹(shù)種差異而不同[23],造成不同樹(shù)種單位葉面積滯留顆粒物含量差異可能是植物特性、氣候和其他環(huán)境因素之間復(fù)雜相互作用的結(jié)果[24]。研究區(qū)位置的選取也是造成不同粒徑顆粒物滯留差異的原因之一,本研究采樣點(diǎn)選在快速公路主干道旁,較大的車流量攜帶著大量顆粒污染物,同時(shí)汽車尾氣和輪胎磨損顆粒物會(huì)導(dǎo)致大顆粒污染物的含量在空氣中明顯增多[25]。

3.2 葉面微結(jié)構(gòu)特征對(duì)顆粒物滯留量的影響

通過(guò)觀察試驗(yàn)植物葉片掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn),葉片表面微結(jié)構(gòu)形態(tài)與顆粒物附著密度有著對(duì)應(yīng)關(guān)系[26—27]。葉片的氣孔半徑、密度、面積、數(shù)量、分布狀況以及葉表面的絨毛與凹槽等對(duì)葉表面滯塵能力有不同程度的影響[28]。魯邵偉等[29]通過(guò)觀察葉表面微形態(tài)特征,并分析葉表面粗糙度等參數(shù),發(fā)現(xiàn)葉片粗糙度與單位葉面積PM1—3吸附量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。賈彥等[30]認(rèn)為粗糙程度大、微形態(tài)結(jié)構(gòu)密集和深淺差別大的葉面,會(huì)增加其與顆粒物的接觸面積,使得葉片對(duì)顆粒物的滯留量較高。本研究發(fā)現(xiàn),葉表面氣孔形態(tài)特征明顯、氣孔數(shù)量較多且密度較大等葉面微結(jié)構(gòu)特征有利于滯留更多的顆粒物,故吸附PM1—3及其他粒徑顆粒物的能力較強(qiáng),如黃金樹(shù)、山楂、榆樹(shù)等氣孔數(shù)量較多的樹(shù)種,其單位葉面積滯塵量在一同測(cè)試樹(shù)種中位居前列,這與張鵬騫等[31]研究發(fā)現(xiàn),葉面氣孔數(shù)量及其形態(tài)、分布特征對(duì)滯塵能力有重要影響結(jié)果相一致。植物葉表面微結(jié)構(gòu)特征與滯留TSP含量之間存在相關(guān)性,其中PM>10平均顆粒物占TSP含量約80%,兩者與葉面微結(jié)構(gòu)特征相關(guān)性幾乎達(dá)到一致,說(shuō)明大顆粒物滯留量與葉表面微結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)系[32]。植物葉片氣孔開(kāi)度大且排列密集能增加顆粒物與葉片的接觸面積,從而增加葉片對(duì)顆粒物的吸附作用[33]。榆樹(shù)、黃金樹(shù)等樹(shù)種葉表面氣孔特征明顯,氣孔數(shù)量、密度均與滯塵量存在相關(guān)關(guān)系,其原因可能是上述植物葉表面氣孔蒸騰作用強(qiáng)烈,部分親水性顆粒物更易被吸附在葉表面[34]。山桃、白杜等樹(shù)種葉表面具有寬度較寬的溝槽,但其滯塵量遠(yuǎn)不及山楂、海棠樹(shù),同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)這幾種擁有較寬溝槽的樹(shù)種與其滯塵量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明溝槽寬度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致TSP及其中PM1—3等顆粒物不易停留在溝槽處,即使存在顆粒物也不會(huì)停留很久,易松動(dòng)脫落[35]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)使用高精度電子顯微鏡,對(duì)烏魯木齊河灘快速路10種園林樹(shù)木單位葉面積不同粒徑滯留物含量進(jìn)行測(cè)定,分析了樹(shù)木葉表面微結(jié)構(gòu)與滯留物含量之間的關(guān)系。主要研究結(jié)論如下:

(1)所測(cè)試樹(shù)種間不同粒級(jí)顆粒物含量差異明顯,最高顆粒物滯留含量是最低顆粒物滯留含量的10倍。造成不同樹(shù)種單位葉面積滯留顆粒物含量差異可能是植物特性、氣候和其他環(huán)境因素之間復(fù)雜相互作用的結(jié)果。

(2)植物葉表面氣孔特征、絨毛長(zhǎng)度、凹槽寬度會(huì)影響葉片對(duì)不同粒徑顆粒物滯留效果,氣孔特征越明顯,氣孔數(shù)量越多的葉片表面顆粒物含量較多,其原因可能是植物葉表面氣孔蒸騰作用強(qiáng)烈,部分親水性顆粒物更易被吸附在葉表面。葉片表面凹槽寬度越寬顆粒物含量反而降低,凹槽過(guò)大會(huì)導(dǎo)致PM1—3等顆粒物不易停留。

(3)對(duì)比所選10種城市園林樹(shù)木葉面微結(jié)構(gòu)對(duì)大氣顆粒物的滯留能力,榆樹(shù)滯留不同粒徑顆粒物含量遠(yuǎn)超其他樹(shù)種,在未來(lái)的城市綠化工作中可作為優(yōu)先考慮的道路綠化樹(shù)種。