煤炭型城市不同功能区植物叶面滞尘特征研究

王卓越，姜泉良，孙 伟，徐 静

(宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)

目前我国经济正处于快速发展阶段，人民的物质生活水平也有了显著提高。然而，在这经济高速发展和物质生活质量不断提升的背后，我们所依赖的环境正在面临更严重的挑战[1]。随着城市化和工业化的推进，大气承受着巨大的污染压力，甚至对人类的身体健康造成了威胁，给我们的后代留下了不可逆转的环境问题。

皖北地区是指位于安徽北部的亳州、阜阳、淮北、宿州、蚌埠、淮南六个地级市[2]，大部分区域位于淮河以北，是安徽地势最平坦的地区，地形以平原为主，除淮南、淮北有部分丘陵外，其他区域均为平原。此外，皖北地区以煤炭型城市为主，近年来工业化进程明显加快，大气污染成为严重威胁皖北人居环境的重要因素。为了适应当地的大气环境，通常会选择种植各种树木，包括常绿乔木、落叶乔木、常绿灌木以及落叶灌木等。植物叶面的滞尘能力是城市不同功能区生态功能的重要研究内容。过去的研究主要集中在研究植物种类、叶面结构以及植物生活型对滞尘能力的影响。由于植物叶面形态和特性以及生长环境的差异，不同树种叶面的滞尘量相差数十倍[3]。

为了更深入地研究不同功能区的植物叶片滞尘能力，我们将本次研究区域划分为工业区、居民区和农业区三个大类。通过采集各功能区内不同种类树木的叶片，并在实验室中对叶片上滞留的颗粒物进行更深层次的测量和研究。这样可以探究不同功能区叶面滞尘量及污染特征的表征，对于定量评估城市大气污染指数、精确追溯污染源并进行定点管控具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样品采样

本项研究选择了宿州市埇桥区的三大功能区(居民区、农业区、工业区)作为研究对象。在研究过程中，我们充分考虑了宿州市埇桥区的植被类型、园林应用、植物生长状况以及叶片特征等因素。为了筛选出适合园林绿化的树木，我们选择了21种常用的园林绿化树木进行研究。考虑到不同植物的生长周期不同，我们选择了成年稳定期的乔木和灌木作为研究对象。

乔木的树龄大约为20年左右，而灌木和乔木处于同一生长阶段，即成年期。我们选择了健康无脱皮、树形饱满、枝叶繁茂的植株作为研究对象，并采集了完整状态的成熟叶片。常绿树木一年四季都具有绿叶，寿命在两三年甚至更久，每年都会有新叶长出，同时部分旧叶会脱落[4]。因此，我们尽可能采集当年生的新叶，以确保采集的常绿树木和落叶树木的叶片生长时间基本一致。

夏季和冬季的气象条件变化较大，经常出现极端气温、干旱、炎热、降雨和降雪等情况，这些都会对试验产生不利影响。另外，在冬季，落叶树木处于落叶期，无法采样。因此，我们选择在春季(4-5月)或秋季(10-11月)进行叶片采集。每种树木我们采集了15片叶片。在进行叶片采集之前，我们确保最近一周内没有发生降雨、大风等极端天气情况。采集时，我们选择天气晴朗、温度适宜、风速较低的情况下进行，以避免外界因素如风的影响导致试验结果出现误差。

由于树木的分枝生长情况不同，我们需要从树冠的垂直方向(上部、中部和下部)和水平方向(东、南、西、北)共计12个点位分别采集相同数量的叶片。采集下来的叶片需要及时装入事先准备好的采样袋中密封，并贴上标签，然后运送至实验室进行后续操作。为了减少树木叶片上颗粒物的脱落，我们在运送时避免抖动采样袋。在整个试验过程中，我们都戴着橡胶手套进行操作，以确保实验的安全性。

为了排除实验的偶然性，我们进行了三次重复的叶片采集，并且不能在同一天进行。这样可以增加实验结果的可靠性和准确性。

1.2 叶面颗粒物的提取与测量

本次实验采用水洗-滤膜法测定叶片对不同粒径颗粒物的吸滞量，首先利用装有蒸馏水的冲洗瓶清洗掉样品树叶上的灰尘至量杯中，每份样品冲洗出400 mL水样，根据叶片大小冲洗的叶片数量也不相同，其中悬铃木冲洗30片，石楠、月桂等冲洗80片。在得到含尘水样后在真空泵上分别放置孔径为0.8 μm、0.45 μm、0.2 μm的滤膜，随后抽真空，分别过滤出不同粒径的滤膜样本，其中在得到每份滤膜样本时留取100 mL滤液供后续实验使用。

在实验最开始采用精度为0.000 1的天平称重得出初始滤膜的质量W1，因考虑到烘干时的损耗，又将滤膜过纯水后置于40 ℃烘箱中约1 h，得到质量W2，使得最终滤膜的处理环境与初始滤膜的所处环境相统一从而排除环境因素可能造成的差异，保证实验的严谨。最后测得滤膜过含尘滤液并烘干后的质量W3，计算膜式过滤器前后的质量差值。通过第一次称量滤膜的质量(W1)和第二次称量膜式过滤器质量(W2)以及样品树叶的总质量(H)来计算颗粒物占实验样本比重，计算公式见公式(1)：

颗粒物质量占比=(W1-W2)/H

(1)

1.3 样本颗粒物溶液紫外光谱的测量与计算

1.3.1 样本颗粒物溶液紫外光谱检测

本次实验紫外光谱检测所采用的主要设备为UV-2600型紫外可见分光光度计，由日本岛津生产制造，与功能强大的操作软件UVProbe结合，操作简单方便。该设备波长范围为185～900 nm，分辨率0.1nm波长准确性在0.3上下浮动，使用氘灯作为光源，采用双光束方式测光，减少了人员对臭氧的吸入。在使用前仪器需预热半小时，达到15～35 ℃后方可使用。操作湿度保证在30%～80%。

首先确认仪器和计算机的工作电源已连接好，检查仪器样品室应无遮挡光路的物品，样品室盖关闭。确认后先开启计算机，然后开启仪器电源(仪器右下侧的power键，开关按到“1”侧表示打开)，等待仪器自检(自检时不开盖)，大约5 min后，听到嘟嘟嘟声表示自检完毕，自检过程中分光光度计外侧的指示灯状态为红灯闪烁到绿灯闪烁，最终显示为绿灯不闪烁。之后进行参数设定，基线校正。最后进行测定，鼠标点击标准表，标准表激活。对照室内装去离子水，样品室内从低到高放入各标准浓度点。然后点击状态栏的“读取”，此时该波长处的吸光度值自动显示在相应标准表里。标准曲线各点测定完毕，工作曲线图上会自动显示方程式和相关系数。与测定标准曲线点一样，在激活样品表后，用同样的方法可以测定未知样品的吸光度值。

1.3.2 通过可见光谱参数与紫外的相关计算

设置光谱仪扫描波段为200～800 nm，石英比色皿光程1 cm，间隔0.5 nm。检测过程中以去离子水做参比溶液，得到各水样的光吸收曲线。

1.4 样本颗粒物溶液荧光光谱的测量与分析

1.4.1 样本颗粒物溶液荧光光谱检测

本次实验荧光光谱检测采用荧光分光光度计(日立F4500)和1 cm光程的石英比色皿在室温下对21个样品进行测量。日立F4500波长范围200～900 nm，扫描速度可达30 000 nm/min。

首先打开光谱仪电源开关(power键)，5 s后再按下氙灯点灯按钮，当氙灯点燃后，再接通主开关(MAIN)。此时主开关上方绿色指示灯连续闪动三下，然后开计算机、显示器、打印机。计算机进入操作系统。运行FL-Solution控制软件。建立试验方法(发射光谱)，设置测量参数：点击快捷栏“Method”后，单击“常规”按钮，测量方式选择波长扫描；单击“仪器条件”按钮，扫描方式选为发射波长扫描。设置参数后，将待测样品倒入四面通光的石英比色皿中，并将其放入仪器的样品架中。点击测量按钮，仪器便开始对样品进行扫描测量。

1.4.2 样本颗粒物溶液荧光光谱分析

荧光光谱的扫描发射波长(Em)为250～650 nm，间隔10 nm，激发波长(Ex)为220～450 nm，间隔为10 nm。Ex与Em的狭缝宽度均设置为5 nm，光谱的扫描速度为240 nm/min，PMT voltage设为700 V。对各组数据检测并保存，主要是对荧光指数、自生源指数和CDOM相对浓度等分类归纳并进行分析。

2 结果与分析

2.1 三大功能区植物单位叶面积滞尘分析

根据表1、表2和表3的数据，我们选取了三种不同植物样本在三大功能区进行了分析。我们发现，同种树种在不同功能区的叶片形态参数差异不大，但滞尘量存在较大差异。以悬铃木为例，其长轴、短轴及长短轴之比在各功能区中的差别不大[4]。然而，在居民区中，悬铃木叶面的长轴最长，达到了15.62 cm；而在工业区中，悬铃木叶面的长轴最小，只有14.37 cm。从单叶面积来看，各功能区之间的差距也不大，相差范围在0.001 m2内。然而，滞尘量却存在较大差异。工业区的滞尘量最大，达到了18.24 g/m2；而农业区的滞尘量最小，只有5.18 g/m2。

表1 悬铃木在不同功能区的滞尘量Table 1 Dust retention of sycamore in different functional areas

表2 月桂在不同功能区的滞尘量Table 2 Dust retention of laurel in different functional areas

表3 石楠在不同功能区的滞尘量Table 3 Dust retention of photinia in different functional areas

综上所述，我们可以得出结论：同种树种在不同功能区的叶片形态参数差异不大，但滞尘量存在较大差异。这一发现对于研究植物在不同环境下的适应能力和生态功能具有重要意义。

通过对月桂在不同功能区的滞尘量分析，发现其长轴、短轴及长短轴之比相差不大。在居民区，月桂的长轴与长短轴之比最大；而在农业区，月桂的长轴与短轴之比最小；而在工业区，月桂的长短轴之比最小。此外，月桂的单叶面积都相差不大，误差在0.000 1 m2内。根据滞尘量来看，工业区的月桂单位面积滞尘量最大，为52.34 g/m2；而农业区的月桂单位面积滞尘量最小，为18.93 g/m2。这两者相差2.8倍。

通过对石楠在不同功能区的滞尘量分析，发现其长轴、短轴与长短轴之比差别不大，这与悬铃木和月桂的特征相似。三种植物的单叶面积在三个功能区之间的差异也很小，仅在0.000 2 m2的范围内。工业区的滞尘量最大，是农业区的2.1倍。然而，滞尘量与长轴、短轴以及长短轴之比和单叶面积之间并没有明显的相关关系。这表明我们选择的这三种植物能够有效地分析不同功能区叶面颗粒物的来源和组成特征。

2.2 功能区颗粒物DOM紫外光谱特征分析

根据实验要求，本研究使用紫外分光光度计对叶面颗粒物浸出液的吸收光谱进行测定。我们扫描了200～800 nm波长范围内每1 nm的吸光度，并结合表4中的一系列模型，研究了宿州埇桥区叶面颗粒物的光谱特征。

表4 紫外-光谱特征参数描述Table 4 Description of UV-spectrum characteristic parameters

2.2.1 CDOM相对浓度分析

根据图1所示，三大功能区叶面颗粒物的CDOM相对浓度存在较大差异。通过数据分析可知其中，位于居民区的政务中心具有最高的CDOM相对浓度，达到了20.04，树种为日本晚樱。而农业区的戚家沟则具有最低的CDOM相对浓度，仅为1.15，树种为月桂。其他功能区的CDOM相对浓度均在2～12之间。总体来看，农业区的CDOM相对浓度最低，工业区次之，而居民区的CDOM相对浓度最高。农业区、工业区和居民区的CDOM相对浓度均值分别为3.45、7.83和11.20。可以看出，三大功能区的CDOM相对浓度的最大均值与最小均值相差224%，这可能与不同功能区所承载的功能特质有关。

图1 埇桥区不同功能区叶面颗粒物CDOM相对浓度Fig.1 Relative concentrations of CDOM in different functional areas of Yongqiao district

居民区的CDOM相对浓度较高，可能是由于人为活动排放等因素的影响。工业区由于承载着城市的各种规模的轻工业和重工业，大量的污染物排放导致大气颗粒物中含尘量增加，从而使CDOM相对浓度较高。而农业区远离城市，且植被覆盖率较高，受化学气体和现代化工业的干扰较少，因此环境质量明显优于其他两个功能区。

同时，从图1中还可以观察到，在同一功能区中，不同树种的CDOM相对浓度也存在明显差异。值得注意的是，无论是在居民区、农业区还是工业区，CDOM相对浓度均遵循月桂<日本晚樱<石楠<女贞的规律。这可能与不同树种的叶面滞尘能力有关，植物叶面的微结构会对空气中颗粒物的吸附能力产生影响。

2.2.2 自生源分析

根据图2所示，三大功能区叶面颗粒物自生源特征差异显著，有明显的比较价值。我们通常用SR数值来反映DOM的组成特征，SR数值较低说明高分子量、芳香性强。SR>1时，说明DOM主要是生物源，SR<1时，DOM主要为外源；从图2可以看出，在农业区(戚家沟)中，光谱斜率比值的月桂值最大，并且是唯一一个大于1的值，为1.94。这与该区域被划分为农业区密不可分。因为SR数值大于1，说明该区域的DOM主要来自生物源，也就是说农业区的生物量比居民区和工业区更大，这符合常规情况。另外，位于居民区(政务中心)的石楠值最小，为0.024，反映了该区域的DOM主要来自外源。而位于工业区(中元化工)的石楠值也较小，为0.044。其余的光谱斜率比值都相差较小，在0.17～0.68之间，说明可能受到外源有机质输入的影响较大[5]。

图2 埇桥区不同功能区叶面颗粒物自生源特征Fig.2 Autogenous characteristics of particulate matter in different functional areas of Yongqiao district

2.2.3 芳香性与疏水性分析

SUVA254参数是指单位有机碳含量在254 nm波长处的吸光度。可用于测量DOM(溶解有机物)的芳香性。一般来说，SUVA254的值越高，DOM的芳香性越强。此外，SUVA260参数可用于确定DOM中疏水成分的含量。SUVA260值越高，疏水成分越多。

根据图3中的数据，可以得出结论，芳香性和疏水性之间存在显著的正相关性。这两个指数与吸收系数之间也有很强的相关性。芳香性的最大值和最小值与疏水性的最大值和最小值一一对应。其中，芳香性和疏水性的最大值都出现在工业区，分别为4.8和4.1，对应女贞的种类。最小值出现在农业区，分别为0.43和0.40，对应月桂树的种类。

图3 埇桥区不同功能区叶面颗粒物芳香性(SUVA254)与 疏水性(SUVA260)特征Fig.3 Characteristics of aroma and hydrophobicity of particulate matter (SUVA254 and SUVA260) in different functional areas of Yongqiao district

图4 埇桥区不同功能区叶面颗粒物DOM分子量Fig.4 Dom molecular weight of particulate matter in different functional areas of Yongqiao district

从各功能区的平均值来看，工业区的平均芳香性和疏水性最高，其次是居住区，农业区的平均值最低。具体来说，工业区平均芳香性为2.43，居民区为2.25，农业区为0.77。进一步观察发现，同一树种在不同功能区的数值也存在差异。比如月桂树的芳香性在居民区最高，工业区次之，农业区最低。工业区石楠的芳香性最高，居民区次之，农业区最低。疏水性和芳香性的区域特征表现出相似的特征。

这些结果表明，不同功能区对芳香性的影响不是绝对的，也有可能结构受到紫外辐射衰减的影响。

2.2.4 DOM分子量分析

E2/E3是用于测量有机物腐殖化程度的指标。该值越低，腐殖化程度越低。根据本次研究结果，埇桥区各功能区叶片颗粒物中溶解有机质(DOM)的分子量较大，最大值和最小值差异不显著，分布较为均匀。其中，农业区石楠的DOM分子量最高，为5.86；居民区石楠的DOM分子量最小，为2.65。此外，从整个功能区来看，三个主要功能区的DOM平均分子量为：居民区<农业区<工业区，居民区最低，为3.30，农业区次之，为4.41，工业区最高，为4.48。这表明居民区的有机质腐殖化程度相对较低，而工业区的腐殖化程度相对较高。其中，人为因素对腐殖化程度影响显著。居民区人口密集，人为干预较多，及时处理枯枝落叶，导致其有机质腐殖化程度相对较低。位于工业区的树木始终处于野生状态，人为干预较少，则腐殖化程度相对较高。总体来看，各功能区DOM的分子量变化相对稳定。

2.3 荧光光谱分析

三维荧光光谱是一种可以同时获得激发波长和荧光发射波长变化的荧光强度信息的技术。与二维平面图像相比，三维荧光光谱具有更多的坐标，因此具有高选择性和高灵敏度等优点，同时它可用于多组分混合物的定性和定量分析。

通过荧光光谱图，我们可以直观地观察到荧光峰的位置、高度等光谱特征。DOM(溶解有机物)的三维荧光峰位通常可以分为六类。其中，类富里酸荧光峰包括荧光峰A(激发波长范围310～360 nm，发射波长范围370～450 nm)和荧光峰B(激发波长范围240～270 nm，发射波长范围370～440 nm)。荧光峰A位于可见光区，而荧光峰B位于紫外区。这两个荧光峰与腐殖质结构中的羰基和羧基密切相关。此外，荧光峰C(激发波长范围350～440 nm，发射波长范围430～510 nm)和荧光峰D(激发波长范围280～288 nm，发射波长范围420～455 nm)属于类腐殖酸荧光峰。荧光峰E(激发波长范围270～290 nm，发射波长范围300～350 nm)和F(激发波长范围270～290 nm，发射波长范围300～320 nm)是类蛋白质荧光峰[5]。其中荧光峰E与类色氨酸荧光峰有关，荧光峰F与类酪氨酸荧光峰有关，这些荧光峰均与DOM中的芳环氨基酸结构密切相关。

三维荧光光谱分析技术与传统的荧光光谱分析方法相比具有独特的优势。它通过同时扫描激发和发射波长，形成荧光激发发射光谱矩阵(EEMS)，从而获得更全面的DOM(溶解有机物)荧光基团信息，该技术可以揭示不同DOM的来源和组件结构[6]。本研究采用origin2019b软件对各组的荧光数据进行分析，得到了一组三维荧光光谱。选取了悬铃木和石楠两组有代表性的数据，分析了它们在不同功能区的三维荧光光谱特征。通过对这些数据的分析，可以观察到悬铃木和石楠在不同功能区荧光光谱特征的差异，这些差异可能反映了它们在不同环境条件下的生长和代谢过程，进一步研究这些差异可以帮助我们更好地理解相关植被的生态适应性和生化特性，从而进一步为叶面颗粒物的研究打下夯实基础。综上所述，三维荧光光谱分析技术为我们提供了一种全面了解DOM荧光组信息的方法。通过分析悬铃木、石楠等植物在不同功能区的三维荧光光谱特征，可以更深入地探究它们的来源和成分结构，为环境领域的研究提供有力的工具。

从图5可以看出，叶片颗粒中DOM的三维荧光光谱呈现锯齿形特征，有明显的荧光峰。在工业区的悬铃木样品中可以观察到两个荧光峰，类腐殖酸峰E和类富里酸峰A。其中E峰更明显，说明该样品腐殖化程度更高。这与前面提到的不同功能区E2/E3值的特征一致。

图5 埇桥区不同功能区叶面颗粒物荧光光谱特征Fig.5 Fluorescence spectra of particulate matter in different functional areas of Yongqiao district

从农业区悬铃木样品来看，有三个明显的荧光峰，分别是类富里酸峰A、B和类腐殖酸峰E，其中荧光峰A最为突出，主要是由一些分子量小、荧光效率高的有机物引起的。这可能与DOM中的羧基有关，通常表示外源输入。这与前面提到的对自生源的特征分析得出的结论是一致的。

在来自居民区的悬铃木样品中，荧光峰主要为类富里酸峰A，是由小分子量有机物引起的，也表明有外源输入，与前面的结论一致。

在悬铃木样品中，农业区和居民区荧光强度最高的波长范围大致相同，而工业区荧光强度最高的波长范围较低，这可能与工业区的位置有关，因为工业区受化学物质污染严重，颗粒中含有较多的有机物，而农业区远离城市，且植被覆盖率较高，受化学气体和现代化工业的干扰较少。

3 结 论

本研究通过以宿州市埇桥区为代表的煤炭型城市不同功能区叶面颗粒物的总量及光谱信息得到以下结论：

(1)各功能区单位叶面积滞尘量差异显著。工业区单位叶面积滞尘量最高，农业区单位叶面积滞尘量最低。这主要是由于工业区内集中了大量的工厂、大型发电厂等污染源设施。此外，很多工业区位于郊区，远离城市，人口相对较少，环境清洁度不够，这也可能是工业区树叶上有大量颗粒物的原因之一。居民区单位叶面积滞尘量高于农业区的原因可能与城市中大量人为污染物有关；

(2)通过分析CDOM的相对浓度，居住区与工业区相对浓度状况相似，而农业区明显减少。这与农村原始环境保护政策密切相关，而居住区和工业区受现代工业影响较大，CDOM相对浓度也较高。从光谱斜率的比值来看，它与CDOM的相对浓度呈明显的负相关，芳香性与疏水性显著正相关。根据三种功能区的芳香性和疏水性的平均值得出，依次为工业区>居住区>农业区。这一结论是通过对自身来源的分析得出的。SR值反映DOM的来源和类型。除农业区月桂的DOM外，其他功能区各树种的DOM均为外源性。说明农业区生物量大于工业区和居民区。E2/E3代表有机质腐殖化程度。其中，居住区受人类活动影响较大，有机质腐殖化程度最低。工业区的腐殖化程度最高，有可能受化学物质污染严重，颗粒中含有较多的有机物，这可能与其人为干预较少有关；

(3)通过使用荧光分光光度计测得的数据可以制作荧光光谱图，观察荧光峰的位置和高度，可以很容易地比较不同功能区的同一物种的荧光光谱。结果表明，它们非常相似，包括荧光峰的位置，这与理论预期一致。工业区荧光峰主要为类腐殖酸峰E，表明其腐殖化程度较高，这与由E2/E3数值得出的结论特征是一致的；居民区荧光峰突出表现为类富里酸峰A，指示了其外源输入的特征也与上文保持一致；

(4)本文在前人对叶面滞尘能力研究的基础上，重点研究了宿州市埇桥区不同功能区不同树种的叶片滞尘能力，为城市建设绿化工作的规划和选择提供了理论依据，为叶面滞尘能力相关的研究提供了有效数据依据。同时，通过对叶面颗粒物的紫外光谱分析，对CDOM的相对浓度、自生源数值、芳香性和疏水性、DOM分子量等方面进行了探索和分析，更为进一步研究宿州市市大气污染物类别特征和大气降水的影响机制提供思路。

综上所述，通过研究不同功能区内不同木本植物叶片对颗粒物的滞留能力和光谱特征，可以揭示城市不同功能区的颗粒物污染现状，并为选择适宜的绿化植被类型提供重要参考。同时，对工业区空气质量的管理也需要加强，以减少叶面颗粒物的含量和复杂有机质的组成。