福州市15种常用灌木滞留颗粒物效应的时空特征

段嵩岚，闫淑君，吴艳芳，金妍超，田高飞，刘 震，陈 莹

(福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002)

工业化及城市化程度的加深使可吸入颗粒物污染问题日益严重，影响人体健康、大气能见度和全球气候变化的大气颗粒物污染问题愈加突出[1]。园林植物通过阻滞吸附等物理和化学方式显著消减大气颗粒物[2-4]，细颗粒物和超细颗粒物可直接通过气孔被植物体吸收参与生理循环[5]；蒙尘叶片经雨水淋洗后又恢复吸附能力，可重复利用[6]；一定污染程度下，植物叶片结构随污染程度的不同会有适应性的改变，但仍能正常健康生长[7-8]，因此植物可以有效净化城市空气质量。但植物叶片对颗粒物的滞留是一个复杂的动态变化过程，受到气象(风，温度，湿度，降雨等)、季节、滞留累积时间、所处位置、植物结构以及植物本身的生理生态特征等诸多因素影响[9-10]。此外，大气环境中的颗粒物与植物叶片滞留的颗粒物互为“源” 和“汇”，而大气颗粒物的时空分布具有一定规律[11-12]，因此植物滞留颗粒物也具有一定的时空效应。目前的研究多集中在植被吸附颗粒物的能力、过程、作用机理等方面[13-20]，但结合植被信息、大气颗粒物的时空分布特征以及叶片着生角度等因素的综合性研究仍较少。本文通过对福州市15种常用绿化灌木四季、4条不同交通密度的道路以及4个不同范围着生角度叶片滞留颗粒物的能力进行研究，得出植物滞留颗粒物的时空变化规律及其影响因素，为大气颗粒物的定期定向的污染防控以及四季和小区域范围内发挥最佳滞留效果的灌木配置提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试灌木种类 本研究选取福州市道路常用的15种绿化灌木：朱蕉(Cordylinefruticosa,Cf)、非洲茉莉(Fagraeaceilanica,Fc)、红背桂(Excoecariacochinchinensi,Ec)、鹅掌柴(Scheffleraoctophylla,So)、黄金榕(Ficusmicrocarpa‘Golden Leaves’ ,Fm)、龙船花(Ixorachinensis,Ic)、夹竹桃(Neriumindicum,Ni)、花叶假连翘(Durantarepens‘Variegata’ ,Dr) 、毛杜鹃(Rhododendronpulchrum,Rp)、金叶假连翘(Durantarepens‘Dwarf Yellow’ ,Dd)、红花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum,Lc)、红绒球(Calliandrahaematocephala,Ch)、雀舌栀子(Gardeniaaugustavar.radicans,Ga) 三角梅(Bougainvilleaspectabilis,Bs)、小叶黄杨(Buxusmicrophyllavar.sinica,Bm)。

1.1.2 采样时间与地点 所有滞尘过程均通过降水将尘埃颗粒洗出叶表完成[21]，15 mm的雨量就可以冲掉植物叶片的降尘[21-22]，然后重新滞尘。按照福州气象条件的划分方法，春、夏、秋、冬四季分别为3-5月、6-9月、10-11 月、12-次年2月。采样位置见图1，滞留颗粒物季节变化试验于(雨后1周)秋季(2015.11.8)、冬季(2016.1.3)、春季(2016.3.30)、夏季(2016.5.29)于闽江大道对15种灌木进行采样；位置变化试验(雨后1周,2016.1.3)依到市中心的距离选取二环内道路(白马北路)，二环至三环间道路(江滨西大道和闽江大道)，三环快速路4条道路上立地环境相同(灌木距每条道路距离相同，采样点均为位于道路两侧人行横道附近的绿化带，每种灌木采样位置均为单一灌木绿化，上方无乔木遮挡)、树形相近的11种重复树种，减少因个体差异而导致其对颗粒物吸附量的差别；由于试验组数较多，叶片着生角度试验(雨后1周， 2016.5.6)在白马北路通过最大滞留颗粒物方法选取5种典型树种，叶片着生角度以地平面为基准，与地面平行记为0°，偏离地面水平向上30°以内的，记为0°～ 30°，偏离地平面水平向上在 30°和60°以内的，记为30°～ 60°；依次类推，偏离地平面水平向上在 30°和60°以内的、60°和90°以内的，分别记为30°～ 60°和60°～ 90°；偏离地平面水平向下的，则全部记为90°～ 180°。试验前，选取不同角度叶片各15片(小型叶30片)系细绳标记。依叶片类型确定数量，较大的种类包括非洲茉莉、红背桂、鹅掌柴、黄金榕、龙船花、夹竹桃、花叶假连翘每组20片，特大的朱蕉5片，较小的种类包括毛杜鹃、金叶假连翘、红花檵木、红绒球、雀舌栀子、三角梅、小叶黄杨30片，复叶植物鹅掌柴、红绒球以小叶计。各灌木叶片在四季、4条道路和4个着生角度的采样数量分别均相同，每次试验前的降雨量均超过15 mm。

1.2 试验方法

1.2.1 叶片处理 每种绿化灌木设置3组重复试验，即将个灌木叶片分为等量的3组，各自放于3个已编号盛有蒸馏水的烧杯中，浸泡1～2 h，用小毛刷多次重复清洗叶片上下表面的附着物。

1.2.2 滞尘量及滞留细颗粒物量的测定 叶片总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量的测定方法参照洪秀玲[14]的水洗-滤膜法结合比例换算。

1.2.2.1 总滞尘量的测定 将各灌木编号的洗涤液直接用烧杯定容，待视线与刻度线齐平时读取读数，记为V1，用恒温磁力搅拌器搅拌洗涤液5～10 min至均匀分散，并移取15 mL于提前称重(M1)的培养皿中，记为V2，将盛有洗涤液的培养皿置于60℃电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070A型，上海一恒科学仪器有限公司)中烘干至恒重(2次测定值≤0.000 2 g)，用0.000 1 g天平(CP114，奥豪斯仪器(上海)有限公司))称量获得颗粒物质量M2；按照式(1)计算溶液颗粒物总量M总。

(1)

1.2.2.2 植物滞留不同粒径颗粒物量的测定 将孔径为10 μm和2.5 μm的微孔滤膜(含培养皿)(北京海成世洁过滤器材有限公司)烘干至恒重(M3)和(M4)，取相应级别滤膜依次进行过滤，然后将2次过滤后的微孔滤膜(含培养皿)分别放于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干至恒重并称量，记为(M5)、(M6)与干净滤膜(含培养皿)的质量差即为相应粒径范围内颗粒物量。依式(2)、式(3)计算洗涤液中Dp>10 μm、2.5 μm

(2)

(3)

M9=M总-M7-M8

(4)

M10=M9+M8

(5)

1.2.3 叶面积测定 叶面积测定采用辅助数码相机拍照法[23-24]：将待测叶片和一元硬币摆放于A3白纸上，利用数码相机拍照获取图像。在Photoshop6.0软件中打开图像，通过“魔棒工具”选定硬币周边轮廓，再通过“图像”菜单下的“直方图”选项，可得硬币像素A1；通过同样方式得叶片像素数A2；依式(6)得叶片总面积S2。

(6)

1.3 数据处理

用Excel 2003进行数据整理、图表制作，用SPSS22.0对树种不同季节，不同空间总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量指标的差异进行单因素方差分析(ANOVA)并进行LSD显著性检验，用字母标记法表示差异显著性，处理间平均值差异显著水平(P<0.05)。

注：Site A：二环内道路-白马北路；Site B：二环至三环间道路-江滨西大道；Site C：二环至三环间道路-闽江大道；Site D：三环快速路-福建农林大学段。

图1样地位置分布

Fig.1 The distribution of the sample positions

2 结果与分析

2.1 绿化灌木叶片滞留颗粒物能力的季节变化规律

2.1.1 滞留颗粒量的季节变化 15种绿化灌木四季叶片总滞尘、滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒的能力受季节和树种影响(表1)。大部分树种滞留颗粒物的能力呈现出秋季最少，春季或冬季最多的规律。金叶假连翘冬季滞留颗粒物的量可达秋季的8倍。方差分析表明，季节变化显著影响非洲茉莉、黄金榕、夹竹桃(总滞尘方面包括龙船花和金叶假连翘)等8个树种的总滞尘和滞留粒径<10 μm颗粒能力(P<0.05)，秋季低于其他季节，而不影响大部分树种滞留粒径<2.5 μm颗粒的能力(P>0.05)。

不同树种在同一季节滞留颗粒物的能力差异显著(P<0.05)，红花檵木春季的滞留量(总滞尘、滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒)显著高于其他树种，分别可达3.101 6、2.504 8 g·m-2和1.879 8 g·m-2；小叶黄杨、雀舌栀子、金叶假连翘、红绒球夏季的滞留量显著高于其他树种，变化范围在3.196 3～3.569 7、2.405 0～3.288 7 g·m-2和2.342 5～2.713 5 g·m-2；雀舌栀子、毛杜鹃秋季的滞留量显著高于其他树种，变化范围为1.139 7～3.196 3、1.113 9～1.376 6 g·m-2和1.033 5～1.155 2 g·m-2；毛杜鹃和金叶假连翘冬季的滞留量显著高于其他树种，变化范围为2.786 7～3.572 3、2.381 2～2.565 0 g·m-2和2.180 2～2.384 1 g·m-2。

表1 叶片单位叶面积滞留颗粒物能力分析(平均值±标准偏差)

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.1.2 不同季节滞留颗粒物粒径特征 15种灌木四季单位叶面积滞留降尘(Dp>10 μm)、粗颗粒(2.5 μm

2.2 绿化灌木滞留颗粒物空间变化研究

2.2.1 不同道路环境对滞留颗粒物的影响分析 11种灌木单位叶面积总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量随空间位置变化而变化(图2～图4)。黄金榕、雀舌栀子、金叶假连翘、红绒球、鹅掌柴、花叶假连翘等在三环快速路的总滞尘量最小，大部分树种滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒的量基本呈现江滨西大道>白马路>闽江大道>三环的规律。方差分析表明，道路环境显著影响黄金榕、毛杜鹃、金叶假连翘等7个树种的总滞尘能力(P<0.05)，而不影响大部分树种滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒的能力(P>0.05)。

2.2.2 叶片着生角度对滞留颗粒物的影响分析 为研究叶片着生角度对滞尘的影响，选5种灌木进行研究，灌木不同着生角度总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒能力不同(图5a、图5b、图5c)。滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒能力在各角度范围的规律相同，毛杜鹃、鹅掌柴和黄金榕的滞留能力呈现60°～90°>30°～60°>0°～30°>90°～180°的规律，且总滞尘量也在60°～90°内最大。方差分析表明，叶片着生角度显著影响除红花檵木(滞留粒径<10 μm颗粒包括红背桂)外其他树种的总滞尘和滞留粒径<10 μm颗粒的能力(P<0.05)，而对鹅掌柴、红背桂和红花檵木等树种滞留粒径<2.5 μm颗粒的能力无显著影响(P>0.05)。

表2 叶片单位叶面积滞留颗粒物粒径质量分布

注：D1，白马北路；D2(J)，江滨西大道；D2(M)，闽江大道；D3，三环快速路。图3、图4同。

图3 11种绿化灌木4条道路单位叶面积滞留粒径<10 μm颗粒量比较

图4 11种绿化灌木4条道路单位叶面积滞留粒径<2.5 μm颗粒量比较

图5 绿化灌木4种叶片着生角度单位叶面积总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量比较

3 结论与讨论

3.1 植物叶片滞留颗粒物能力的季节变化

城市大气颗粒物多受交通、工业、生活排放物、气象因素及人为活动影响。植物环境利于形成湍流，增强了滞留能力；气象因素通过改变植物物候期及颗粒物浓度影响其滞留能力[25-28]。福州市非采暖与重工业区，颗粒物源排放受沙尘暴和人类过度活动影响较少，天气状况主要影响PM10和PM2.5浓度[29]。研究表明，一定风速范围内大气颗粒物与风速、空气温度呈负相关，而与空气相对湿度呈正相关，细颗粒物受影响更大[30-31]。福州冬、春季低温湿润，相对静风的气象状态易造成颗粒物的严重聚集，而夏、秋季高温少雨，空气干燥，太阳辐射强，风速较大，大气对流和湍流活动旺盛，逆温层易被打破，加快空气流动，利于颗粒物的稀释和扩散，所以春、冬季颗粒物的滞留量大于夏、秋季。春季较冬季，大气颗粒物背景浓度较低，且多数灌木叶片为幼叶，绒毛、腺点、小室、气孔等吸附颗粒物的生理结构不完善，滞留能力略弱于冬季，因此，树种冬季的滞留量最大；秋季持续有风的气象促进了颗粒物的扩散，树种秋季的滞留量最小。综上所述，绿化灌木四季滞留颗粒物能力与大气颗粒物含量季节动态变化一致。

各树种秋季滞留Dp<2.5 μm颗粒占总滞尘的质量比最大，主要与植物滞留细颗粒的方式和福州秋季持续有风的气象条件相关，植物主要依靠自身叶片表面的一些细微结构如气孔、深沟壑、粗糙表皮、绒毛、小室等形态通过附着的方式滞留Dp<2.5 μm颗粒[21]，且不易受风的影响较为稳定，而降尘是以停着的方式被滞留，易受风和降雨的影响迅速脱落，效果弱；其次，福州市秋季适合植物生长，适于其的生长期导致其生理生态如蒸腾作用旺盛及叶表发达[27]，增强了植被滞留Dp<2.5 μm颗粒的能力。进入生长期的植物，萌发状态的新叶数量增加，单叶面积不断增大，导致总体叶面积显著增大；叶绿素的形成增强了植物代谢，促进了植物与外界的物质和气体交换，以及增加的开放气孔均可提高植物滞留Dp<2.5 μm颗粒的效率。此外，王琴[33]利用PMF模型解析得二次源为北京市PM2.5年均贡献率最大的来源，福州市夏秋季二次粒子对PM2.5的贡献率高于其他污染源，也增大了秋季各树种滞留Dp<2.5 μm颗粒的比例。春季沿海区域偏北风引导的北方沙尘或上游污染物扩散至福州，造成一部分浮尘和扬沙[34]，春季滞留的粗颗粒物的百分比最大。

3.2 植物叶片滞留颗粒物能力的空间变化

研究表明，叶片吸附颗粒物能力与环境整体颗粒物的浓度水平、粒径组成及尘源距离密切相关，且未达极限前随空气污染的加重而增强[13,35-36]；相同气象条件下，交通车辆是颗粒物污染的主要来源，交通量越大，颗粒物浓度越高[36]，因此树种在三环快速路的总滞尘量最小。而滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒的量基本呈现江滨西大道>白马路>闽江大道>三环快速路的规律，江滨西大道沿江公园的施工和绿化面积大于白马路导致江滨西大道颗粒物的浓度高于白马路。此外，不同道路距离较远，各区温度、湿度、太阳辐射等气象条件也会导致植物滞留能力的差异[37]。

植物滞留颗粒物能力与叶片着生角度有关，着生角度向上，与水平面夹角越小(即60°～90°范围)的叶片，接受颗粒物的面积大，降尘、粗颗粒物受重力沉降到地面和细颗粒物受风和其他气流影响扩散较少，总滞尘、滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒能力最强，而着生角度向下的叶片则易造成颗粒物的滑落和扩散。角度或道路环境不影响植物滞留粒径<2.5 μm颗粒的能力，这与细颗粒在空气中停留时间长，传播距离远有关。

3.3 不同时空强滞留颗粒物能力树种筛选

形状狭长、复叶或多裂的叶片易形成湍流，比表面积大，利于滞留颗粒物[27]；叶表粗糙，被绒毛，主脉明显，有沟壑和小室等微结构易滞留颗粒物[19,38]。本研究中，叶片被绒毛类树种如毛杜鹃、红花檵木和红绒球；高气孔密度和厚蜡质层以及网状脉树种如黄金榕、雀舌栀子；表面粗糙或深叶脉及深沟壑树种如朱蕉、金叶假连翘等树种四季，4条道路的总滞尘、滞留滞留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm颗粒的能力均较强，说明叶片与滞留颗粒物相关的特性基本不受季节和道路环境影响。绿化配置中应主要选择福建茶、毛杜鹃、红绒球、红花檵木、巴西野牡丹、木芙蓉、红花芦莉、马缨丹等被绒毛类和黄金榕、栀子、雀舌栀子、小叶黄杨、法国冬青、海桐、洒金桃叶珊瑚、含笑、琴叶珊瑚等高气孔密度和厚蜡质层以及朱蕉、金叶假连翘、花叶假连翘、三角梅、红背桂等灌木。然而，过量的颗粒物也会使植物生理机能降低甚至消失[38]，在借助植物滞留颗粒物的同时，应加以保护，合理的浇水养护，修剪以维持一定高度与着生角度，密植等均利于其生长及滞留颗粒物。此外，有研究表明，机动车尾气是细颗粒物PM2.5的首要影响因子[34]，有必要进一步加强对福州市机动车尾气污染的治理工作，减轻植物负担，利于其长效发挥滞留效应。

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