冀西北常见园林针叶树种生长季叶片滞纳PM10 和PM2.5 能力

高泽威，郝金宏，杨新兵*，秦亚航

（1.河北农业大学林学院，河北 保定071000； 2.察哈尔烈士陵园管理处，河北 张家口 075000）

颗粒物作为大气的首要污染物，一直以来都是城市环境的研究重点[1]。大气颗粒物由鼻腔随呼吸进入人体呼吸道，增加人们患心肺系统疾病的风险，对人类健康存在重大危害风险[2]。PM10和PM2.5分别是指直径在10 μm、2.5 μm 及以下的大气颗粒物。大量研究表明，植被具有净化大气环境的功能，叶片是植物滞留大气颗粒物最主要的载体，叶表面特性的差异是植物滞纳大气颗粒物能力不同的重要原因[3]。不同树种滞尘量存在一定的差异，王成云等[4]研究发现保定地区雨季后针叶树单位叶面积滞纳PM2.5范围在0.53～1.39 mg/m2之间。赵云阁等[5]发现滞纳PM10较强的针叶树种对PM2.5同样具有较强滞纳力，但阔叶树种对不同粒级的颗粒物滞纳能力存有差异。叶片表面结构特征决定了植物滞尘能力，房瑶瑶等[6]发现相同科属的树种则表现为粗糙度越大，颗粒物的滞纳能力越大。北京林业大学余新晓教授认为森林植被对颗粒物的作用主要集中在两个方面：直接作用（吸入、吸附、沉降作用）和间接作用（阻滞作用）[7]。叶片是树木滞留大气颗粒物最主要的载体。

据《张家口市2021 年国民经济和社会发展统计公报》显示，张家口市全年PM2.5平均浓度为23.4 μg/m3，环境空气质量达标天数为322 天，达标率为88.2%，环境空气综合质量指数为3.10，排全省第一，全国168 个重点城市中排名第16 位[8]。为探究绿化针叶树种滞尘能力，本研究选取张家口市常见的4 种针叶绿化树种，通过测定其PM10和PM2.5滞纳量及叶片形态，阐述不同针叶树种滞纳大气颗粒物能力差异，为张家口市今后绿化提供科学依据。

1 研究地概况

研究地位于河北省西北部张家口市中心清水河西岸的人民公园，东经113°50′—116°30′，北纬39°30′—42°10′。属于温带大陆性季风气候，四季分明雨热同期。年平均气温6.9℃，平均降水量461.2mm；土壤类型为褐土。园区内主要绿化树种有：油松 （Pinus tabuliformis）、侧柏 （Platycladus orientalis）、白皮松（Pinus bungeana）、青杄（Picea wilsonii ）、银杏（Ginkgo biloba）、金叶榆（Ulmus pumila）、国槐（Sophora japonica）、榆叶梅（Amygdalus triloba）、紫叶李（Prunus cerasifera ‘Atropurpurea’）、金叶女贞（Ligustrum vicaryi）等。

2 研究方法

2.1 树种选择

试验选取常见4 种针叶树种：油松、侧柏、白皮松、青杄。

2.2 叶片采集方法

2021 年4—10 月份，在张家口地区选取常见4 种针叶树种，每个树种分别选择3 棵样树进行采样（避开雨天），在树冠的上、中、下部位，以及东、南、西、北4 个方向各采集3 叶片，采集完成后将叶片带回实验室测定PM2.5和PM10滞纳量。每月采集3 次。

2.3 PM10 和PM2.5 吸附量测定

应用气溶胶再发生器（QRJZFSQ—Ⅱ）测定不同树种叶片的PM10和PM2.5滞纳量根据公式（1）计算；单位叶面积PM10和PM2.5滞纳量（M）根据公式（2）计算出每公顷林地的PM2.5和PM10滞纳量。公式如下：

式中：M 为单位叶面积PM2.5和PM10滞纳量（μg·cm-2）；m 为放入气溶胶再发生器中叶片PM2.5和PM10滞纳量（μg）；A 为放入气溶胶再发生器料盒中所有叶片的叶面积（cm2）；Q 为每公顷每年林地的PM2.5和PM10滞纳量，kg/（hm2·a）；LAI 为叶面积指数；0.1 为单位转化系数；K 为年洗脱次数。

2.4 不同树种叶表面微形态结构

试验选取滞纳量最大（油松）和最小（青杄）的两个树种，利用环境扫描电镜观察。以4 月和10 月两个时间为代表，观察叶表面特征差异。摘取试验树种的部分叶片，将叶片包裹在防治挤压作为待测样品，将样品经过喷金处理后，采用环境扫描电镜观察不同树种的叶表面结构和形态。

3 结果与分析

3.1 叶片滞纳PM10 特征

不同针叶树种PM10滞纳量存在差异。如表2 所示，从不同树种来看，4—10 月份针叶树种单位面积平均每月PM10滞纳量在1.89±1.10～2.64±1.32 μg·cm-2之间，4 种针叶树种之间无明显差异。其中，油松PM10滞纳量（2.64±1.32 μg·cm-2）最大，青杄最小（1.89±1.10 μg·cm-2），油松月平均PM10滞纳量是青杄的1.39 倍。

表2 不同针叶树种叶片PM10 滞纳量（单位：μg·cm-2）Table 2 PM10retention in leaves of different coniferous tree species（μg·cm-2）

从不同月份来看，各月份针叶树平均PM10滞纳量在1.12±0.56～4.43±0.66 μg·cm-2之间，排序为10 月＞9月＞5 月＞6 月＞4 月＞7 月＞8 月。10 月份平均PM10滞纳量显著大于其他月份，是最小8 月份的3.96 倍，但4-8月份PM10滞纳量彼此之间差异不显著。从不同树种各月份PM10滞纳量来看，9 月、10 月滞纳量最大是油松，5 月、6 月、7 月、8 月滞纳量最大是白皮松，4 月滞纳量最大是侧柏。

4 种针叶树种每公顷每年PM10滞纳量存在较大差异，如图1 所示，每公顷每年PM10滞纳量在10.45±1.38～15.40±1.75 kg/(hm2·a)之间。其中，油松每公顷针叶树种的PM10滞纳量最大，青杄最小，油松是青杄的1.47 倍。

图1 不同针叶树种每公顷PM10 滞纳量Figure 1 PM10 retention per hectare of different coniferous tree species

3.2 叶片滞纳PM2.5 特征

不同针叶树种PM2.5滞纳量也有一定的差异。如表3 所示，从不同树种来看，从4—10 月份各针叶树种PM2.5滞纳量来看，4 种针叶树种单位面积平均每月PM2.5滞纳量在0.63±0.31～0.80±0.35 μg·cm-2之间，4 种针叶树种之间无明显差异。排序为：油松＞白皮松＞侧柏＞青杄，油松月平均PM2.5滞纳量是青杄的1.27 倍。从不同月份来看，各月份针叶树平均PM2.5滞纳量在0.41±0.04～1.40±0.14 μg·cm-2之间，排序为：10 月＞9 月＞6月＞7 月＞5 月＞4 月＞8 月。其中只有10 月份滞纳量在1 μg·cm-2以上，显著大于其他月份，是最小的8 月份的3.41 倍；9 月份和6 月份PM2.5滞纳量显著大于4 月份和8 月份，与5 月份和7 月份差异不显著；4 月、5 月、7月、8 月四个月份PM2.5滞纳量差异不显著。从不同树种各月份PM2.5滞纳量来看，4 月、7 月、8 月、10 月油松最大，5 月最大侧柏，6 月份油松、白皮松滞纳量相同且最大，9 月份青杄最大，油松、侧柏滞纳量相同。

表3 不同针叶树种叶片PM2.5 滞纳量（单位：μg·cm-2）Table 3 PM2.5 retention in leaves of different coniferous tree species（μg·cm-2）

4 种针叶树种每公顷每年PM2.5滞纳量也存在差异，如图2 所示，每公顷每年PM2.5滞纳量在2.42±0.80～3.35±0.98 kg/(hm2·a)之间，排序为：油松＞白皮松＞侧柏＞青杄，油松是青杄的1.38 倍。

图2 不同针叶树种每公顷PM2.5 滞纳量Figure 2 PM2.5 retention per hectare of different coniferous tree species

3.3 不同树种叶片滞纳颗粒物与叶形态特征关系

叶片表面微观结构特征和粗糙度是植物颗粒物滞纳能力的决定因素[9]，试验选取滞纳量最大（油松）和最小（青杄）的两个树种，利用环境扫描电镜观察。由图3 可知，4 月份油松和青杄的叶片表面有大量气孔存在，气孔清晰可见，且叶表面极不光滑，分布着大量的凹槽和凸起，凹槽内有颗粒物附着；10 月份相比起4 月，叶片凹槽内附着颗粒物数量增加，表明其滞纳的大气颗粒物更多。油松比青杄叶片表面的凹槽和凸起的起伏程度更大，粗糙程度更大，并且对比两个月份及平均大气颗粒物滞纳量，油松滞纳大气颗粒物能力明显大于青杄。

图3 油松和青杄叶表面电镜观测图Figure 3 Leaf characteristics of Pinus tabuliformis and Picea asperata

4 讨论

林木叶片具有滞纳颗粒的能力，能有效净化空气，是城市空气的过滤器，但不同树种叶片滞纳颗粒物的能力具有差异。本研究表明张家口地区（4—10 月） 针叶树种单位面积平均每月PM10滞纳量在1.89±1.10～2.64±1.32 μg·cm-2之间，PM2.5滞纳量在0.63±0.31～0.80±0.35 μg·cm-2之间，并且排序规律均为油松＞白皮松＞侧柏＞青杄，与赵云阁[5]等对北京常见绿化树种滞纳颗粒物能力研究结果相似。具有较多气孔和绒毛、粗糙度较大的叶片更有利于滞纳颗粒物，叶片光滑的树种不利于颗粒物附着在其表面[10]。本研究经扫描电镜观察，发现油松叶片粗糙度较其他3 种针叶树种大，其滞纳大气颗粒物的能力优于其他3 种针叶树，与岳晨[10]、房瑶瑶[6]等的研究结果一致。

大气环境是影响植被滞纳大气颗粒物的重要因素[11]。本研究表明不同月份PM10滞纳量排序为10 月＞9月＞5 月＞6 月＞4 月＞7 月＞8 月，PM2.5滞纳量排序为10 月＞9 月＞6 月＞7 月＞5 月＞4 月＞8 月。原因可能是：一方面8 月份张家口地区处于雨季，降雨频繁，大气中颗粒物被降雨冲刷，含量低，同时叶片表面颗粒物也会经常随雨水降落；另一方面10 月份进入秋季后，天气干燥，PM10和PM2.5质量浓度上升，有更多的大气颗粒物被植被滞纳，孔令伟[12]研究发现针叶树种秋季大气颗粒物滞纳量大于春夏两季，与本研究一致。

5 结论

针叶树种（4—10 月）平均每月PM10和PM2.5滞纳量在1.89±1.10～2.64±1.32 μg·cm-2和0.63±0.31～0.80±0.35 μg·cm-2之间，排序均为油松＞白皮松＞侧柏＞青杄，差异不显著。PM10和PM2.5滞纳量10 月最大，8 月最小。每公顷不同树种的PM10和PM2.5滞纳量均表现为油松最大，青杄最小。从植物净化大气颗粒物角度出发，园林绿化针叶树种应优先选择油松。