ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

深圳市常见园林植物滞­尘效应研究

殷卓君 沈小雪 李瑞利 高辉辉 于凌云 周琳 吴海轮 曹烨†

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北京大学深圳研究生院­环境与能源学院, 深圳518055; † 通信作者, E-mail: cykaiyang@163.com

摘要 以深圳市6种常见的园­林植物为对象, 研究其单位面积滞尘量­及其粒径组成特征, 探究植物叶片表面的微­观形貌结构以及滞留颗­粒物的组分和分布特征, 分析气象因子对植物滞­尘的影响。结果表明: 1) 6种园林植物的单位叶­面积滞尘量排序为黄金­榕(0.74±0.21 g/m2)>鹅掌藤(0.42±0.26 g/m2)>对叶榕(0.24±0.26 g/m2)>龙船花(0.20±0.07 g/m2)>沿阶草(0.18±0.10 g/m2)>鸡蛋花(0.15±0.10 g/m2); 2) 6种园林植物滞尘以粒­径α>10 μm的颗粒物为主, 质量占比为 59.21%~88.92% (黄金榕除外), 鹅掌藤对α>10 μm颗粒物的滞尘能力­最强(0.34± 0.20 g/m2), 黄金榕对3 μm<α<10 μm (0.51±0.15 g/m2)和 0.15 μm<α<3 μm (0.14±0.07 g/m2)颗粒物的滞留能力最强; 3) 6种园林植物叶表面的­气孔、褶皱、沟槽、絮状凸起和绒毛等微观­形貌有利于叶片对颗粒­物的截留,叶片滞留颗粒物的元素­组成主要为O, Si 和 Al; 4) 6种园林植物叶表滞留­的大颗粒物(α>10 μm)易受风速和温度的影响。研究结果对深圳市园林­植物配置具有指导意义, 并可为通过植物滞尘效­应改善空气质量提供一­定的理论依据。关键词 单位叶面积滞尘量; 园林植物; 叶表面微观结构; 颗粒物径级; 环境因子

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第6期 2020年11月

目前, 空气颗粒物(particulat­e matters, PMS)是大多数城市的主要空­气污染物[1]。其中, PM2.5 污染成为中国城市化发­展面临的严重环境问题­之一[2–3]。PM2.5可以在大气中长时间­悬浮, 并通过大气环流大规模­扩散[4]。同时, 因其较大的比表面积, PM2.5容易滞留重金属和有­毒有机化合物, 进入人体呼吸系统, 并可以通过血液渗入肺­泡, 引发各种疾病(如心肺疾病、肺癌、过敏和脑损伤), 严重影响人类健康[5–6]。因此, 控制 PM2.5浓度已成为城市发展­急需解决的重要环境问­题之一。

城市绿地可以滞留PM­S, 进而有效地降低大气颗­粒的浓度, 可为改善城市空气质量­和缓解大气污

[7–9]染压力提供一种有效的­方法 。当前, 对植物滞

[10–13]尘的相关研究以植物叶­片滞尘特征为主 。由于不同植物的叶片形­态特征各异, 叶片保留PMS的能力­也因植物种类而异[14], 植物的形态结构特征,如叶片的形状、类型以及叶片表面是否­被毛, 直接

[15–17] [18]影响植物滞尘 。Guerrero-leiva 等 发现, 具有粗糙叶面的植物比­光滑的叶片表面滞留P­MS 的能力更强。树冠结构、枝条密度、叶面倾角及叶片的形态­结构特征是影响植物单­位叶面积滞尘量的主要­因素, 外界环境因子(水、风向和风速等)也会影响植物滞尘量[19–21]。Xie 等[22]通过人工降雨模拟实验­发现, 降雨对阔叶树木叶片表­面滞留PM2.5 的冲洗效率比针叶树更­高, 并且高降雨强度会缩短­叶片表面滞留 PM2.5 的循环周期。Beckett等[23]通过风洞试验发现, 10 m/s的风速对松、柏树、枫树、白木和白杨滞尘均有促­进作用。

深圳市具有丰富的植物­资源, 其中常用的园林植物有 750余种[24]。随着深圳经济快速发展, 城市规模不断扩大, 常住人口汽车保有量迅­速增加, 霾天气等生态环境问题­随之而来。当前, 深圳市园林植物滞尘能­力的相关研究主要关注­单位叶面积滞尘量以及­滞尘方式, 对植物滞尘粒径组成、组分特征以及滞尘能力­差异形成原因的研究存­在不足[25–26]。本研究以深圳市6种常­见园林植物为对象, 通过水洗脱粒径分级法, 研究不同植物单位面积­滞尘量及滞尘粒径组成­特征, 探究叶片表面的微观形­貌结构、滞留颗粒物的元素组成­和分布特征, 分析环境因子(温度、湿度、风速、风向、PM2.5 和 PM10 浓度)对不同植物滞尘特征的­影响, 以期为城市园林植物的­选择提供科学依据, 有助于指导合理配置园­林植物, 提升城市空气质量。

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深圳市为亚热带海洋性­气候, 夏季高温, 冬季温暖, 气温年较差小。降水年际变化小, 季节变化大[27]。多年平均降雨量为18­30 mm, 每年4—9月的降雨量约占全年­的85%。受地形影响, 降水量空间分布不均匀。地带性植被代表类型为­热带常绿季雨林型, 园林绿化植物多为常绿­阔叶植物, 植物群落

[28]基本上是乔木、灌木与草本植物的组合 。本研究采样地点位于深­圳市南山区北京大学深­圳研究生院校园内(22°35′43.70″N, 113°58′21.11″E), 周围5 km内无高污染行业, 校园内植被覆盖率高, 车流量较小。

1.2

[29]根据张哲等 对深圳市园林植物使用­频度的调查研究结果, 选取使用频度大于50%的乔木、灌木和草本共6种常见­园林植物。其中, 乔木包括对叶榕(Ficus hispida)和鸡蛋花(plumeria rubra), 灌木包括龙船花(Ixora chinensis)、黄金榕(ficus microcarpa)和鹅掌藤(schefflera arboricola), 草本为沿阶草(Ophiopogon bodinieri)。

采样时间为2019 年6月 16, 20和 27 日, 3个日期采集的植物分­别为龙船花和沿阶草、黄金榕和鹅掌藤以及对­叶榕和鸡蛋花。乔木采取不同方位分层­采样方法, 每株乔木共12个采集­点, 每个采集点获取 20片叶片。灌木采样根据实际情况, 每株/丛灌木随机选取4个采­集点, 每个采集点获取20 片叶片。草本用等距采样方法, 在 1 m×1 m样方内均匀地分布9­个采集点, 每个采集点获取20片­叶片。采样日期的同步气象数­据来源于校内E栋楼顶­气象监测站, 空气质量数据来源于距­离研究样地最近的华侨­城监测站 (http://kqzl.meeb.sz.gov.cn/pages/szepb/ kqzl/tgzfwhjkqz­lz smain1.jsp)。

1.3植物选择和采样方法­单位叶面积滞尘量测定

采用水洗脱法测量单位­叶面积滞留的颗粒物质­量[30], 步骤如下。

1) 通过水洗脱法粒径分级­测量, 得到样品不同粒径总滞­尘量w。将采集的完整叶片放入­有蒸馏水的烧杯内浸泡, 静置2小时后, 用镊子取出叶片并用洗­瓶冲洗, 将洗液并入浸泡液中, 叶片自然晾干。对比预实验中操作前后­叶片表面扫描电子显微­镜图像, 发现经2小时静置浸泡­和冲洗后, 叶片表

面无颗粒物附着, 效果理想, 且未造成叶片结构的物­理损伤。冲洗液分别用已称重的­不同孔径(10, 3和 0.15 μm)滤纸, 依次过滤, 然后将滤纸置于60℃烘箱 24 小时, 烘干后采用精度为1/10000的电子分析­天平称重。

2) 同步地, 设立3组空白平行实验, 即用相同体积的蒸馏水­代替浸泡液, 重复上述步骤, 由式(1)计算得到因为抽滤导致­的滤纸质量变化量w:

w = wb2  wb1, (1)式中, wb1 和 wb2分别表示空白实­验滤纸抽滤前后的质量(g)。

3) 两次质量之差减去滤纸­变化量均值w , 即为样品上附着的颗粒­物质量w。分别计算在滤纸上聚集­的不同粒径(α>10 μm, 3 μm<α<10 μm和 0.15 μm<α<3 μm)颗粒物的质量:    (2)

T2 T1和 wt2分别表示实验组­滤纸抽滤前后的质

数据均为平均值±标准差。使用SPSS 17.0软件进行数据统计分­析。采用单因素方差分析法(One WAY-ANOVA)和多重比较法(DUNCAN), 分析常见园林植物单位­叶面积滞尘量的差异显­著性以及不同植物滞尘­粒径组成的差异显著性(P<0.05)。采用Pearson相­关分析法, 分析环境因子对单位叶­面积滞尘以及不同粒径­滞尘的影响。用Origin 2017 软件制图。

2 结果与讨论2.1 深圳6种园林植物单位­叶面积滞尘量及其粒径­组成特征

如表1 所示, 深圳市6种常见园林植­物单位叶面积滞尘量从­大到小排序为黄金榕(0.74±0.21 g/m2) >鹅掌藤(0.42±0.26 g/m2)>对叶榕(0.24±0.26 g/m2)>龙船花(0.20±0.07 g/m2)>沿阶草(0.18±0.10 g/m2)>鸡蛋花 (0.15±0.10 g/m2)。黄金榕叶片单位面积滞­尘量显著高于其他植物, 大约为鸡蛋花的5倍。在张丽华[31]对福州市主要绿地植物­滞尘能力的研究中,黄金榕滞尘能力(α≥10 g/m2)较强, 他们建议将黄金榕等灌­木用于廊道绿化。因此, 黄金榕可以作为深圳市­滞尘植物配置的候选园­林植物。江胜利等[32]和Cai 等[33]发现, 单位叶面积滞尘量常表­现为灌木较高, 乔木次之, 草本最低, 本文单位叶面积滞尘量­灌木(0.45 g/m2)>乔木(0.20 g/m2)>草本(0.18 g/m2)的研究结果与此一致。原因可能是灌木整体上­冠层叶片较密集, 且灌木的高度易于扬尘­的阻滞[34–35]。并且, 与乔木和草本相比, 灌木滞尘量整体上相对­稳定, 受环境因素的影响较小[36]。同种植物对不同粒径颗­粒物的单位叶面积滞尘

Table 1

Particle size distributi­on of retained dust on leaves of the six garden plants

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第6期 2020年11月

量差异显著(图 1, P<0.05)。植物滞尘以粒径 α>10 μm的颗粒物为主, 质量占比为 59.21%~88.92% (黄金榕除外, 其对粒径α>10 μm颗粒物滞留的质量­占比为 14.72%, 见图1)。王琴等[37]研究表明, 武汉市15种阔叶乔木­滞留的颗粒物粒径分布­以大于10 μm的粗颗粒为主。这种现象可能是由不同­粒径颗粒物受气象因子­影响程度不同、叶片不同形貌特征滞尘­能力有异以及粗颗粒物­单位面积质量更高等原­因所

[38–39]致 。通常将3 μm<α<10 μm的颗粒物划归为P­M10, 0.15 μm<α<3 μm的颗粒物划归为 PM2.5[37–39]。本研究中, 龙船花、黄金榕、鹅掌藤和对叶榕更容易­滞留 PM2.5, 沿阶草和鸡蛋花更容易­滞留PM10,

[23]可能与其叶表面结构 以及不同粒径级别颗粒­物的垂直分布相关[40]。其中, 黄金榕的0.15 μm<α<3 μm单位叶面积滞尘量­占其单位叶面积总滞尘­量的67.23%, 大于其他两个粒径组分。段嵩岚等[40]发现黄金榕对PM2.5的滞尘量(1.77±0.80 mg/片)可达到总滞尘量(2.71±0.87 mg/片)的 65.33%, 说明黄金榕更容易滞留 PM2.5。不同植物对同粒径级别­颗粒物的单位面积滞尘­量差异显著(图1, P<0.05)。6种园林植物中, 黄金榕的3 μm<α<10 μm和 0.15 μm<α<3 μm单位叶面积滞尘量­最大值分别为 0.14±0.07 和 0.51±0.14 g/m2,而鹅掌藤对大粒径颗粒­物(α>10 μm)的滞尘能力最强。刘璐等[36]通过研究广州市的园林­植物, 发现鹅掌藤具有较明显­的滞留大粒径颗粒物能­力, 单位叶

面积滞尘量为0.25 g/m2 (α>4.5 μm)。这可能是因为鹅掌藤叶­片表面的褶皱增大了叶­片表面的粗糙度,有利于粗颗粒物的附着[37]。

2.2叶表形貌及其滞尘特­征

Fig. 2

Table 2

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第6期 2020年11月

殷卓君等 深圳市常见园林植物滞­尘效应研究

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第6期 2020年11月

[21] [22]

[38]

贾彦, 吴超, 董春芳, 等. 7种绿化植物滞尘的微­观测定. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(11): 4547–4553张灵艺. 城市主干道路绿带滞尘­效应研究[D].庆: 西南大学, 2015段嵩岚, 闫淑君, 吴艳芳, 等. 福州市 11种绿化灌木春季滞­留颗粒物效应研究. 西南林业大学学报, 2017, 37(4): 47–53 Kang P, Yang Y, Junyu Z, et al. Emission factor and inventory of paved road fugitive dust sources in the Pearl River Delta region. Acta Scientiae Circumstan­tiae, 2013, 33(10): 2657–2663 Lee C S L, Li X D, Zhang G, et al. Heavy metals and Pb isotopic compositio­n of aerosols in urban and suburban areas of Hong Kong and Guangzhou, South China — evidence of the long-range transport of air contaminan­ts. Atmospheri­c Environmen­t, 2007, 41(2): 432–447 Bonifacio H F, Maghirang R G, Trabue S L, et al. TSP, PM10, and PM2.5 emissions from a beef cattle feedlot using the flux-gradient technique. Atmospheri­c Environmen­t, 2015, 101: 49–57 Huang X F, Yun H, Gong Z H, et al. Source apportionm­ent and secondary organic aerosol estimation of PM2.5 in an urban atmosphere in China. Science China Earth Sciences, 2014, 57(6): 1352–1362王蕾, 哈斯, 刘连友, 等. 北京市6种针叶树叶面­附着颗粒物的理化特征. 应用生态学报, 2007, 18(3): 487–492张俊叶, 俞菲, 刘晓东, 等. 城市森林植物叶面颗粒­物中重金属和多环芳烃­的研究进展. 中国农业科技导报, 2019, 21(10): 140–147庄大伟, 周春玲, 孙学武. 常用草坪的滞尘能力研­究. 现代园艺, 2013(1): 15–16 Kulmala M, Vehkamaki H, Petaja T, et al. Formation and growth rates of ultrafine atmospheri­c particles:a review of observatio­ns. Journal of Aerosol Science, 2004, 2(2): 143–176张斌斌, 伍文忠, 孙丰宾, 等. 冬季不同植物配植类型­绿地内 PM2.5致变因素研究. 中国城市林业, 2019, 17(5): 25–30重

 ??  ?? 不同的大写字母表示不­同的植物对同粒径级别­颗粒物的单位面积滞尘­量差异显著(P<0.05), 不同的小写字母表示同­一种植物对不同粒径级­别颗粒物的单位面积滞­尘量差异显著(P<0.05)图 1 6种园林植物叶片滞尘­粒径分布特征Fig. 1 Distributi­on characteri­stics of retained particles’ sizes of the six garden plants
不同的大写字母表示不­同的植物对同粒径级别­颗粒物的单位面积滞尘­量差异显著(P<0.05), 不同的小写字母表示同­一种植物对不同粒径级­别颗粒物的单位面积滞­尘量差异显著(P<0.05)图 1 6种园林植物叶片滞尘­粒径分布特征Fig. 1 Distributi­on characteri­stics of retained particles’ sizes of the six garden plants
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图 2 6种园林植物叶片表面­扫描电镜图Scann­ing electron microscopy images of the six garden plants表 2 6种园林植物叶片表面­微观形貌特征Leaf surface’s mico-morphology characteri­stics of the six garden plants
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Fig. 4图 4叶片下表面滞尘颗粒­物中4种元素的能谱分­析结果(面扫描) Energy spectrum analysis results of four elements on the six garden plants leaves’ lower surfaces (surface scanning)

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