柳杉与其他2种针叶树种叶片滞尘量的比较

杨 冰, 丁访军, 刘延惠, 袁丛军, 赵文君, 侯怡菊, 舒德远

(贵州省林业科学研究院, 贵州 贵阳 550005)

0 引言

随着城市化的迅速发展,大气悬浮颗粒物(PM)已经成为一种严重的大气污染物,总悬浮颗粒物记为TSP.大气中PM10、PM2.5等空气动力学直径小于10 μm的颗粒物,是对人类健康影响较为严重的物质[1-4].城市绿地是城市生态系统的重要组成部分,绿地植物是改善城市环境的主体,它们可有效降低大气颗粒物浓度,森林通过阻尘、滞尘、降尘和减尘等途径去除空气中的颗粒物,从而发挥其净化大气的功能[5-8].

植物滞尘是个复杂的动态过程,叶片微形态、叶面倾角、树冠高度、枝叶密度以及气象条件等因素都能影响植物的滞尘效应.从微观上来说,植物的叶片能够通过叶面气孔吸收等途径去除大气中的颗粒物[9],吸附在叶片上的颗粒物一部分存在于叶片表面,另一部分被固定于植物蜡质层中[10],叶片结构影响着植物的滞尘能力.从宏观上来说,乔木凭借其茂密的林冠和较大的叶面积,比灌木和草本植物滞尘能力更强.不同树种对大气颗粒物的吸附能力差异很大.对英格兰东南部5个城市的树木滞尘的研究发现,松属植物捕获颗粒物能力最强,杨属最弱[11].Tiwary等[12]发现松树的吸附颗粒物的能力是阔叶树种的2倍.研究表明针叶树种叶片滞尘能力强于阔叶树种.

外界的环境因素也对植物滞尘有着很大影响.在大气环境背景相似的条件下,不同地点的大气颗粒物在来源组成和叶面滞尘量上均有显著的差异,这些差异主要是由于植物所处环境的差别所造成的[13].研究表明,植物对颗粒物的吸附有一个限度,超过这个极限,效果就会下降,直至处于一个动态平衡[14],在树种叶片滞尘能力达到极限之前,叶片的滞尘量随着环境中粉尘含量的增多而增大[15].植物在不同季节中生长发育状况不同,外界气候环境差别也较大,对大气颗粒物的阻滞作用存在差异,呈现出明显的季节性变化.有研究认为,植物对大气颗粒物的吸附具有明显的季节变化,其变化规律与植物的生长期基本保持一致,夏、秋季植物生长旺盛,滞尘能力较高,春、冬季较低[16].但有一些研究结果显示,夏季降水量大,雨水对叶片冲刷较多,植物的滞尘量反而比较小,春、秋季降水量较少,对颗粒物的吸附滞留量增多,与空气中大气颗粒物含量季节动态变化相一致[17].

本文以柳杉为主要研究对象,研究不同季节、不同生境(林内、林外)条件下柳杉叶片对大气中颗粒物的吸附情况,并比较柳杉与杉木、水杉叶片滞尘情况,分析影响针叶树种叶片吸附颗粒物的因素,为进一步研究植物对颗粒物的吸附能力和城市绿化树种选择与配置提供依据.

1 研究方法

1.1 研究区域概况贵阳是中国森林之城,城郊的针叶林在城市森林中占有很大比重,结合植被分布状况、气候条件等因素,选择贵州省林业科学研究院(以下简称“林科院”)办公区和试验林场作为采样点,林科院位于贵阳市东南郊,距市区8 km,地理位置为东经106°44′,北纬26°29′,属亚热带气候,年平均气温15.2 ℃,极端最高气温35.4℃,极端最低气温-7.8 ℃,年降雨量1 198.9 mm,年平均风速2.2 m/s,年平均相对湿度77%,全年日照时数1 412.6 h,无降霜期278 d[18].贵州省林科院试验林场总面积为1 227.0×107m2,主要植被类型包括马尾松、杉木、柳杉,另外引种栽培有鹅掌楸、北美红杉、银杉、日本柳杉、火炬松、红枫、樱花、红豆杉、四照花和油橄榄等树种以及木兰科植物.

1.2 样树选择及采样方法为研究生长环境和季节对滞尘情况的影响,分别在柳杉与杉木纯林中选择生长良好的林木各3株(试验区无水杉林分),代表林内生境样树,选择柳杉、水杉孤立木各3株(杉木无孤立木样树),代表林外生境样树.采样点分布如图1所示.

图 1 采样点分布

柳杉叶片采集时间为2015年10月20日(秋季)、2016年12月5日(冬季)、2017年3月28日(春季)、2017年8月14日(夏季),杉木和水杉叶片采集时间为2017年8月14日.所有样品采集时间都为降雨后3 d,每次采样在1 d内完成.选取的样树树龄相近、状况良好且没有病虫害,根据样树自身的高度特点,用高枝剪从上、中、下不同树冠高度,及东、南、西、北不同方位分别采集新鲜叶片200 g左右,混成1份样品放入自封袋内,每株样树采集3份样品作为重复.采集过程中应尽量防止叶表面颗粒物掉落,采集完成的叶片及时进行实验处理.

1.3 叶片不同粒径颗粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)吸附量测定将待测样叶置于气溶胶再发生器(QRJZFSQ-Ⅱ)料盒内,利用风蚀原理,将样叶上滞留的颗粒物吹起、混匀,再次产生气溶胶,每份样品3次重复.使用连接在气溶胶再发生器上的环境粉尘检测仪(DUSTMATE,Turnkey公司,英国)测试箱内和环境中的TSP、PM10、PM2.5以及PM1气溶胶浓度,并用仪器自带程序计算各类颗粒物的质量m(μg/cm2)[19].

1.4 叶面积测定及单位叶面积吸附颗粒物量计算把测量完的阔叶树种的叶片放入扫描仪扫描,使用Photoshop软件对扫描的图像进行处理,运用叶面积分析软件计算叶面积S(cm2).

单位叶面积吸附颗粒物量依据以下公式计算:

其中,Mi是不同树种单位叶面积吸附的不同粒径颗粒物的质量(μg/cm2),i为不同树种,j为颗粒物种类,n=3.

1.5 数据处理数据统计分析主要采用Microsoft Office Excel 2007和SPSS18.0,采用单因素方差分析比较叶面滞尘量的差异.

2 结果与分析

2.1 不同季节林内柳杉叶片滞尘量分析采集不同季节林内柳杉叶片,计算不同季节单位面积柳杉叶片对不同粒径颗粒物的吸附量(见图2).由图1可知,柳杉叶片对TSP和PM10的吸附量:春季>夏季>秋季>冬季;春季吸附TSP和PM10最多,分别为(2.033 3±0.347 1) μg/cm2和(0.895 0±0.165 0) μg/cm2;冬季吸附TSP和PM10最少,分别为(1.138 2±0.439 5) μg/cm2和(0.473 3±0.167 4) μg/cm2.而粒径较小的PM2.5和PM1在秋季的吸附量最高,分别为(0.073 7±0.056 2) μg/cm2和(0.010 8±0.007 4) μg/cm2.

柳杉对粒径较小的PM2.5和PM1的吸附量在秋季明显比其他季节高,有研究表明空气中较大粒径的颗粒物在重力作用下容易在近地面沉降,粒径较小的颗粒物能够在空气中长时间悬浮[20],秋季较为干燥,空气中粒径较小的颗粒物较多,同时柳杉叶片气孔较小,大量小粒径的颗粒物可通过气孔被植物体吸附,而粒径较大的颗粒物(如TSP、PM10)却不容易吸附在叶片表面.

图 2 不同季节林内柳杉叶片对不同粒径颗粒物的吸附量

2.2 不同环境下柳杉叶片滞尘量分析林内和林外2种生境下的柳杉叶片各粒径颗粒物平均吸附量的比较如图3.林外和林内的TSP吸附量分别为(1.723 4±0.650 1) μg/cm2和(1.462 2±0.481 0) μg/cm2；PM10吸附量分别为(0.740 6±0.273 5) μg/cm2、(0.630 3±0.220 4) μg/cm2；PM2.5吸附量分别为(0.058 0±0.044 5) μg/cm2和(0.038 2±0.016 1) μg/cm2；PM1吸附量为(0.005 9±0.006 9) μg/cm2和(0.002 9±0.001 8) μg/cm2.

林外柳杉叶片对TSP、PM10、PM2.5、PM1粒径颗粒物的吸附量都大于林内.有研究发现，同种植物在封闭式环境条件下叶片滞尘量明显低于开敞式环境条件下的滞尘量,也就是说同种植物叶片滞尘量随着环境中粉尘颗粒物含量的增多而增大[21～22],所以林外比林内空气中的粉尘颗粒物含量高.

图 3 不同环境条件下柳杉叶片对不同粒径颗粒物的吸附量

2.3 柳杉与杉木叶片滞尘量比较分析柳杉和杉木叶片采集于林内环境,采集时间为2017年8月14日,林内环境下柳杉和杉木对不同粒径颗粒物的吸附量见图4.由图4可知,单位面积柳杉叶片TSP、PM10、PM2.5和PM1吸附量都大于杉木叶片.其中,柳杉TSP吸附量为(1.712 0±0.210 6) μg/cm2,杉木为(0.523 3±0.038 5) μg/cm2；柳杉PM10吸附量为(0.748 3±0.070 5) μg/cm2,杉木为(0.222 7±0.024 1) μg/cm2；柳杉PM2.5吸附量为(0.038 3±0.007 5) μg/cm2,杉木为(0.013 0±0.003 6) μg/cm2；柳杉PM1吸附量为(0.001 7±0.000 6) μg/cm2,杉木为(0.001 3±0.000 6) μg/cm2.这说明柳杉叶片的滞尘能力大于杉木叶片的滞尘能力,其原因可能与叶表面结构有关系,柳杉和杉木的叶表面电镜扫描图如图5.

结合叶表面形态及叶片滞尘量分析,上表面表皮光滑的杉木叶片滞尘量较小,其上表面仅有很浅的条纹状沟槽,下表面有排列整齐且密集的瘤状突起,而这种结构可能较难滞留颗粒物；柳杉叶片滞尘量较大,其叶表面不仅有瘤状突起,还具有较深的条纹状沟槽,在电镜下可看出瘤状突起存在于角质化条纹状的沟槽里,这些沟槽为容纳颗粒物提供了更多的空间,沟槽内的瘤状物分布不均匀,有些地方瘤状物排列密集，聚集成团状,而有的地方却较为稀少,柳杉叶表面的这种结构起到了一定滞留颗粒物的作用.这些瘤状物可能是针叶通过计算得出内合成的一种物质存留在叶表面,也可能是某些腺体的分泌物,瘤状突起物对植物的针叶可以起到一种保护作用,同时也是叶表面堆积较多颗粒物的重要原因[23].

图 4 柳杉与杉木对不同粒径颗粒物的吸附量

Fig.4TheadsorptioncapacityofdifferentparticlesizesofCryptomeriafortuneiandCunninghamialanceolate

柳杉 杉木(正面) 杉木(背面)

2.4 林外柳杉与水杉叶片滞尘量比较分析林外环境下柳杉和水杉对不同粒径颗粒物的吸附量,见图6.

由图6可知,单位面积柳杉叶片吸附TSP、PM10和PM2.5量都大于单位面积水杉叶片,但吸附PM1的量柳杉叶片却小于水杉叶片.其中,TSP吸附量：柳杉为(1.712 0±0.210 5) μg/cm2,水杉为(1.607 7±0.225 2) μg/cm2；PM10吸附量：柳杉为(0.748 3±0.070 5) μg/cm2,水杉为(0.649 0±0.122 5) μg/cm2；PM2.5吸附量：柳杉为(0.038 3±0.007 5) μg/cm2,水杉为(0.026 7±0.006 0) μg/cm2；PM1吸附量：柳杉为(0.001 7±0.000 5) μg/cm2,水杉为(0.002 7±0.000 5) μg/cm2.水杉PM1的吸附量大于柳杉,但总体来说,柳杉在吸附空气颗粒物方面强于水杉.

3 结论与讨论

试验结果表明,柳杉叶片对TSP和PM10的吸附量春季>夏季>秋季>冬季,而柳杉对粒径较小的PM2.5和PM1的吸附量在秋季明显比其他季节高.由于同种类植物叶片滞尘量随着环境中粉尘颗粒物含量的增多而增大,在对柳杉叶片林内、林外2种环境下的滞尘量进行比较研究时,发现柳杉符合这一规律,林外柳杉叶片对TSP、PM10、PM2.5和PM1粒径的颗粒物的吸附量都大于林内.比较发现,柳杉叶片的滞尘能力总体上说大于其他2种针叶树种.

图 6 柳杉和水杉叶片对不同粒径颗粒物的吸附量

柳杉与其他2种针叶树种(杉木和水杉)不同类型树种吸附颗粒物的能力存在较大差异.周瑞玲等[23]研究表明:不同类型树种的滞尘能力高低顺序为针叶乔木、灌木、阔叶乔木.针叶树种叶片细小、枝茎结构复杂,并全年处于有叶期,因此可以更有效地吸附大气颗粒物.因此,在园林绿化和道路绿化中,在种植常绿阔叶树种以及落叶阔叶树种外,还应考虑搭配一些针叶树种,形成一个针叶树种和阔叶树种混交的合理群落结构.

本研究中的柳杉叶片对空气颗粒物有着较强的吸附能力,这与柳杉的叶表面结构有关,柳杉叶片表面不仅有瘤状突起,而且具有较深的条纹状沟槽,瘤状突起存在于角质化条纹状的沟槽里,这些具有不规则分布瘤状突起的沟槽为容纳颗粒物提供了较多的空间,是叶表面堆积较多颗粒物的重要原因.从形态外观上来看,柳杉是常绿乔木,树姿秀丽,树形圆整高大,最适于列植,或于风景区内大面积群植成林,是良好的绿化观赏树种.柳杉用作城市绿化,既可增强景观的观赏性,也可以丰富生物多样性，产生较好的环境效益.