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†
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]
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