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随着城市化和工业化进程的不断加快,大气污染问题日益严重。据《2019年中国生态环境状况公报》显示,全国337个城市中,有53.4%的城市空气质量超标,累计发生严重污染452天次,重度污染1666天次,且超过78.8%的天数以PM2.5为主要污染物,19.8%以上天数以PM10为主要污染物,大气颗粒物已成为空气污染的首要污染物[1-2]。空气中悬浮颗粒物聚集大量酸性氧化物、挥发性有机化合物、有毒重金属等,会降低空气能见度和空气质量,在沉降后也会对土壤、植物、水体等造成二次污染;此外,粒径较小的颗粒物还能通过皮肤暴露、呼吸道途径等,进一步危害人体健康[3-5]。绿色植物成为缓解空气污染,改善生态环境的首选方案。其茂密的枝冠,能有效降低风速,使得大气中部分颗粒物沉降下来,并通过叶片固定和截留[3, 6],减少颗粒物的移动和扩散,提升空气质量,此外还能发挥遮阴、泌氧、降噪等功能[7];其叶片及花、果能绿化美化市容环境,发挥较大的生态服务能力。
研究表明,植物叶片的滞尘能力与植物叶表面特征、植物本身的结构以及所处的空间密切相关[8]。如Sabin等发现具有绒毛、沟状凸起、粘液油脂或较短叶柄的叶片能吸附更多的PM2.5,叶片越粗糙吸附的颗粒物越多[9];Zhang等发现相较于阔叶树种,针叶树的叶表面更粗糙、气孔排列密度更高,滞留颗粒物的能力也更强[10]。唐明发现不同生活型的植物滞尘能力由高到低依次为绿篱、落叶阔叶树、灌木、草本植物、落叶阔叶大乔木、落叶阔叶小乔木[11];植物叶片滞留颗粒物的能力还与所处的地理环境及气候条件密切相关。如小琴丝竹(Bambusa multiplex cv. Alphonse-Karr)在城市公园绿地的滞尘量高于城市广场绿地、城郊林区与城郊绿地,且冬季滞尘量最高,夏季或春季最低[12]。植物叶片滞留的颗粒物呈现不同的形貌特征,Tomasevic等通过表面扫描电镜-能谱联用(SEM-EDAX)分析发现,位于叶片两侧的颗粒物50%~60%均属于细颗粒物,这些颗粒物单个或聚集成各种团状,呈现球状、片状、不规则状[13];苏维在研究中发现,林木叶片滞留的大气颗粒物多为不规则形,有的颗粒物有较明显的棱角,也有的呈现云片状、长条状、絮状物等;少数颗粒物呈现规则的形状,如椭圆状和球状[14]。
对于植物滞尘的研究,目前多集中于总颗粒物的滞留量,而对不同粒径颗粒物的定量分析较为缺乏,对植物滞留的颗粒物微观形貌特征及所含元素及来源的分析更不多见。从地域而言,我国对于植物滞留颗粒物的研究多集中于北京、青岛、天津、郑州等北方城市,针对长江三角洲城市群的重要城市如杭州市园林植物滞留能力的研究相对较少。本研究通过对浙江省杭州市富阳区不同功能区5个常见园林植物叶片及叶表面颗粒物进行研究,比较园林植物对不同粒径颗粒物滞留量的差异,分析颗粒物的形貌特征及污染物特征,探讨叶片滞尘能力与叶表结构及颗粒物特征的关系,以期为通过合理配置园林绿化植物来降低颗粒物污染、净化城市空气提供科学依据。
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根据浙江省杭州市富阳区用地类型及植被分布情况,选择工业区(119°55′46.455″ E,29°56′29.058″ N)、交通区(119°57′56.264″ E,30°3′39.347″ N)、清洁区(119°57′48.826″ E,30°3′52.596″ N)3个功能区(图1)展开研究。工业区位于富阳区中西线附近的环山工业区,此地集中多家再生铜冶炼企业,是富阳区主要工业产业之一,周围人流稀少,车流量相对较少;交通区位于大桥路附近,分布有学校、商铺和居民区,车流人流较大;清洁区位于中国林科院亚热带林业研究所院内,此地树木繁茂,车流人流较少,环境质量较好。
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在对研究区域植物种类开展调查的基础上,选择3个功能区共有的、生长状况良好的香樟(Cinnamomum camphora (Linn.) Presl)、桂花(Osmanthus fragrans (Thunb.) Lour)、红花檵木(Loropetalum chinense (R. Br.) Oliver var. rubrum Yieh)、红叶石楠(Photinia × fraseri Dress)和海桐(Pittosporum tobira (Thunb.) Ait)5种典型常绿园林植物作为供试树种(表1)。
树种
Tree species科
Family生活型
Life form叶片特征
Leaf blade features香樟 C. camphora 樟科 Lauraceae 乔木 Arbor 叶互生,卵状椭圆形;革质
Leaves alternate, ovoid ellipse; leathery红花檵木 L. chinense var. rubrum 金缕梅科 Hamamelidaceae 灌木 Shrub 卵形;革质 Ovate; leathery 桂花 O. fragrans 木犀科 Oleaceae 乔木 Arbor 叶椭圆形、长圆形或椭圆状披针形;革质
Elliptic, oblong or elliptically lanceolate; leathery红叶石楠 Photinia × fraseri 蔷薇科 Rosaceae 灌木 Shrub 长椭圆形或倒卵状椭圆形;革质
Long elliptic or obovate-elliptic; leathery海桐 P. tobira 海桐科 Pittosporaceae 灌木 Shrub 倒卵形;革质 Obovate; leathery Table 1. Biological characteristics of tree species used in the experiment
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根据赵勇等研究结果,降雨量在15 mm以上、降雨强度达到10 mm·h−1的降水,可冲刷掉叶片上的粉尘,然后重新滞尘,雨后第7天左右,植物叶片累积的颗粒物达到饱和状态[15]。根据研究区的降雨特点,于2020年8月14日雨后7 d进行采样,天气良好,无风。选择生长良好,树高和冠幅近似的3株植株分别进行取样(植株高度约为2 ~ 2.5 m,植株间距约为3 ~ 5 m)。采取植株靠近道路侧,离地面1.5 m左右、无病害长势良好的叶片,用镊子或枝剪轻轻将叶片剪落至自封袋带回,放入实验室冰箱保存待测。
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采用质量差值法对叶片滞尘量进行测定[16]。选取15片叶片放入烧杯中浸泡2 h,利用毛刷将叶表面的颗粒物洗刷到蒸馏水中,用镊子取出叶片自然晾干。将滞尘待测液依次用事先称质量的孔径为10.0、2.5、0.2 μm的亲水性滤膜进行抽滤,可依次得到粒径大于10 μm、粒径大于2.5 μm小于10 μm、粒径小于2.5 μm的颗粒物,抽滤后滤膜放入培养皿,再在烘箱中60℃烘干至恒质量,并称质量[17]。两次滤膜质量之差为△m,其为不同粒径范围颗粒物的质量,PM10的质量为孔径2.5 μm和0.2 μm的滤膜质量差值之和,PM2.5为滤膜0.2 μm的滤膜质量差值,TSP则为3个滤膜质量之差的总和。叶片晾干后,用Epson Perfection V700 Photo扫描仪扫描叶片,再用WinRHIZO Pro2005b(加拿大Regent Instruments公司)根系分析系统测量叶面积S,则△m/S为不同粒径范围颗粒物的单位叶面积滞留量。
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将清洗后的叶片放入烘箱中,60℃烘干至恒质量,随机选择叶片,并选取靠近叶脉两侧约5 mm × 5 mm的2个正方形叶片,选取一片观察叶片上表面,另一片观察叶片下表面。将裁剪好的叶片用导电胶粘在样品台上,进行喷金处理。处理好的样品放入扫描电镜(飞纳/Phenom Pro)中观察。
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用导电胶沾取烘干后滤膜上不同粒径的颗粒物,放入样品台进行喷金处理。将处理好的样品放入扫描电镜(飞纳/Phenom Pro)中观察,调整电镜观测的倍数、亮度、对比度、焦距,直至图片清晰并保存。在扫描电镜观测颗粒物的基础上利用能谱仪(飞纳/Phenom Pro)同时进行颗粒物元素分析。
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应用DPS7.05统计软件对植物叶片滞尘量进行单因素方差分析,采用LSD进行多重比较,分析不同处理之间的差异,显著性差异水平为α = 0.05。图表用Excel 2020绘制。
1.1. 样品采集
1.1.1. 研究区域及采样地点
1.1.2. 试验树种
1.1.3. 采样方法
1.2. 测定方法
1.2.1. 滞尘量测定
1.2.2. 叶片表面结构测定
1.2.3. 颗粒物特征及元素分析
1.3. 数据处理
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由图2A可知,工业区不同树种对于总颗粒物(TSP)的滞留量差异显著,滞留量从大到小依次为:红花檵木(7.36 g·m−2)、桂花(6.53 g·m−2)、海桐(6.44 g·m−2)、红叶石楠(4.28 g·m−2)和香樟(2.59 g·m−2),红花檵木的滞尘量约为香樟的2.8倍,且具有显著性差异(P < 0.05)。各树种对于PM10的滞留量大小依次为:红花檵木(2.98 g·m−2) > 海桐(0.96 g·m−2) > 红叶石楠(0.72 g·m−2) > 桂花(0.67 g·m−2) > 香樟(0.30 g·m−2),其中红花檵木的滞尘量近乎为香樟的10倍。各树种对于PM2.5的滞留量大小依次为:红花檵木(1.68 g·m−2)、红叶石楠(0.55 g·m−2)、海桐(0.46 g·m−2)、桂花(0.36 g·m−2)和香樟(0.16 g·m−2)。
图2B为交通区,不同树种对于不同粒径颗粒物的滞留量与工业区相似:对总颗粒物滞留量、PM10的滞留量以及PM2.5的滞留量均以红花檵木最高,香樟最低,其含量分别为2.83 g·m−2、1.28 g·m−2;1.39 g·m−2和0.30 g·m−2;0.59 g·m−2、0.12 g·m−2。在清洁区中(图2C),各树种对于总颗粒物、PM10的滞留量顺序与工业区和交通区相同,而对于PM2.5的滞留量大小顺序略有差异。清洁区不同树种对于PM2.5的滞留量大小顺序为:红花檵木(0.25 g·m−2)、红叶石楠(0.14 g·m−2)、桂花(0.114 g·m−2)、香樟(0.113 g·m−2)、海桐(0.06 g·m−2),其中红花檵木滞留量最大,海桐最少,具有显著性差异(P < 0.05)。
由图3可知,同一树种在不同污染条件下,对于不同粒径的滞留量具有显著差异(P < 0.05),不论是总颗粒物还是PM10、PM2.5,均呈现为工业区 > 交通区 > 清洁区。工业区树种对于TSP的总滞留量达27.19 g·m−2,交通区和清洁区分别为10.42、5.48 g·m−2,工业区树种的总滞尘量是清洁区的近4.96倍,具有显著性差异(P < 0.05)。海桐对于TSP的滞留量在不同功能区的差异最大,在工业区的滞留量是清洁区的近6.63倍。红花檵木对于PM10的滞留量在不同功能区差异最大,在不同功能区的滞留量分别为2.98、1.39、0.92 g·m−2。在不同功能区不同树种对于PM2.5的总滞留量分别为3.21、1.50、0.77 g·m−2,海桐的差异最大,工业区的滞留量是清洁区的7.49倍。
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不同功能区中同一树种滞留的同一粒径颗粒物所占总颗粒物的比值存在较大差异(表2)。不同树种对于不同粒径颗粒物的滞留比值均大致呈现同样的规律,从大到小依次为:粒径d >10 μm、粒径2.5 μm < d ≤ 10 μm、 粒径d ≤ 2.5 μm。各树种滞留粒径d > 10 μm颗粒物的比值在不同污染条件下均大于50.00%,其中桂花叶片滞留粒径d > 10 μm的颗粒物占比最高,为90.00%,红花檵木叶片滞留的该类颗粒物占比最小,为59.67%。不同树种对于粒径2.5 μm < d ≤ 10 μm颗粒物滞留量占比约为10.00%~47.98%。不同树种滞留粒径d ≤ 2.5 μm颗粒物的比值均小于30.00%,其中最小的为桂花叶片滞留的此类颗粒物,为5.18%。不同功能区的粒径d > 10 μm颗粒物总量占比依次为85.22%、69.21%、60.32%,呈现为工业区 > 交通区 > 清洁区;粒径2.5 μm < d ≤ 10 μm颗粒物总量占比与粒径d > 10 μm颗粒物总量占比相反,依次为14.85%、69.21%、60.32%。由此可知,香樟、红花檵木、桂花、红叶石楠和海桐滞留粗颗粒物的比值较大,滞留细颗粒物的比值较小。
树种
Tree species工业区 Industrial zone 交通区 Transport zone 清洁区 Clean zone d >
10 μm/%2.5 μm < d ≤
10 μm/%d ≤
2.5 μm/%d >
10 μm/%2.5 μm < d ≤
10 μm/%d ≤
2.5 μm/%d >
10 μm/%2.5 μm < d ≤
10 μm/%d ≤
2.5 μm/%香樟
C. camphora88.33 11.67 6.41 76.60 23.40 9.10 58.44 41.56 18.04 红花檵木
L. chinense var. rubrum59.67 40.33 22.38 52.02 47.98 21.60 55.49 44.51 15.73 桂花
O. fragrans90.00 10.00 5.18 82.99 17.01 5.00 69.95 30.05 10.00 红叶石楠
Photinia × fraseri82.90 17.10 12.99 62.25 37.75 28.97 52.19 47.81 18.10 海桐
P. tobira85.05 14.95 7.30 63.81 36.19 7.86 55.99 44.01 6.68 Table 2. The ratios of particles differed in size to total particulate matter attached to the leaves
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不同植物的叶表形貌在气孔大小、叶面绒毛、叶面分泌物等存在差异,这些差异对于植物的滞尘能力有一定的影响[11, 18]。通过电镜扫描可见,香樟叶片表面较为光滑,上表面和下表面细胞结构较为明显,无明显褶皱,且气孔密度较小,气孔开口较小,其对于不同粒径颗粒物的滞留量均较小(图4A、B);红花檵木上表面褶皱明显,能明显观测到滞留的颗粒物,下表面能明显观测到大绒毛,且气孔密度大,其对于不同粒径的颗粒物滞留量均最大(图4C、D);桂花上表面褶皱明显,下表面能观测到沟状组织,气孔密度大,对于颗粒物的滞留量较大(图4E、F);红叶石楠上表面有浅线状凸起,下表面气孔密度较大,开口较小,对于不同粒径颗粒物的滞留量均较大(图4G、H);海桐上表面具有蜡质层,褶皱明显,沟壑较多,下表面气孔密度大,对于不同粒径颗粒物的滞留量也相对较大(图4I、J)。5个园林树种的叶片表面结构特征列于表3。
树种
Tree species叶表面结构特征 Leaf surface characteristics 滞尘量
Amount of dust叶表皮上表面
Upper blade surface叶表皮下表面
Lower blade surface香樟
C. camphora无明显褶皱,较平滑
No obvious fold, relatively smooth气孔密度较小,有浅沟槽
Small stomatal density, shallow groove较小 Smaller 红花檵木
L. chinense var. rubrum高低起伏明显,有明显褶皱,吸附有大量颗粒物
Obvious ups and downs, obvious fold, mass particulate matter有大绒毛,气孔密度大,气孔开口较大
Big nap, stomatal density, large pore opening最大 Maximum 桂花
O. fragrans褶皱明显,吸附大量颗粒物
Fold obvious, mass particulate matter沟状组织,气孔密度大,气孔开口较小
Grooved tissue, stomatal density, small pore opening较大 Larger 红叶石楠
Photinia × fraseri有浅线状凸起,无明显褶皱
Shallow linear bulge, no obvious fold气孔密度较大,气孔开口较小
Stomatal density, small pore opening较大 Larger 海桐
P. tobira有蜡质层,有明显的褶皱,沟壑密集
Waxy layer, obvious fold, dense gullies气孔密度大,气孔开口较小
Stomatal density, small pore opening较大 Larger Table 3. Leaf surface characteristics of 5 tree species
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由图5可见,绿化树种叶片表面滞留的不同粒径颗粒物总形貌特征有很大差异,粒径d > 10 μm的颗粒物多为不规则块状颗粒物,粒径较大,能清楚地观测到每个颗粒物的形貌特征;粒径2.5 μm < d ≤ 10 μm的颗粒物常见规则和不规则的块状颗粒,在扫描电镜下能清楚地观测到其棱角。粒径d ≤ 2.5 μm的颗粒物,粒径较小,不易观测到具体的形貌特征,但大多为不规则的块状细颗粒。
在扫描电镜下,叶片滞留颗粒物主要分为规则状和不规则状(图6)。不规则状的颗粒物大多与自然界的岩石、砂砾等有相似的形状,棱角分明,其中不规则的颗粒物多为蓬松状聚合体、链状聚合体,不规则块状、不规则片状。规则的颗粒物多为球状、椭圆状、柱状。图6A为不规则的块状,棱角分明,表面光滑,能谱图显示主要成分为C、O、Si元素,属于矿物颗粒,极有可能为石英颗粒。图6B为不规则的片状,成层,表面光滑,主要含有C、O、Si、Al等元素,少量含有Fe、Mg等元素,属于矿物颗粒,可能为硅酸盐颗粒。图6C、D为蓬松状聚合体和链状聚合体,是烟尘集合体最常见的两种形态,其主要含有O、C、Si、Ca等元素。图6E为柱状矿物颗粒物,表面光滑,附有微小颗粒,主要有O、C、Si等元素,属于石英颗粒物。图6F为球形颗粒,属于高温燃烧后的飞灰颗粒,表面光滑,主要含有C、O、Si、Al等元素。图6G为椭圆形颗粒物,主要含有C、O元素,可能属于生物颗粒。图6H呈现蜂窝状,与自然界中花粉颗粒极为相似,其中含有C、O及少量Ca、Si元素,属于生物颗粒。由此可知,绿化树种滞留的颗粒物主要为生物颗粒、矿物颗粒、飞灰颗粒、烟尘集合体4种(表4)。
图6图片编号
Number颗粒类型
Particle classification物理特征
Physical characteristics相对组成
Elementary compositionA 矿物颗粒
Minerals particles不规则的块状,棱角分明,表面光滑
Irregular blocky, angular, smooth surface主要含有C、O、Si元素
Mainly contains C, O and Si elementsB 矿物颗粒
Minerals particles不规则的片状,成层,表面光滑
Irregular sheet, layered, smooth surface主要含有C、O、Si、Al等元素,少量含有Fe、Mg等元素
Mainly contains C, O, Si, Al, and small amount of Fe, Mg and other elementsC 烟尘集合体
Soot aggregates蓬松状聚合体
Fluffy polymer主要含有O、C、Si、Ca等元素
Mainly contains O, C, Si, Ca and other elementsD 烟尘集合体
Soot aggregates链状聚合体
Chain polymerization主要含有O、C、Si、Ca等元素
Mainly contains O, C, Si, Ca and other elementsE 矿物颗粒
Minerals particles柱状,表面光滑,表面附有微小颗粒
Column, smooth surface, surface with tiny particles主要含有O、C、Si等元素
Mainly has O, C, Si and other elementsF 飞灰颗粒
Fly ash particles球型,表面光滑
Spherical shape, smooth surface主要含有C、O、Si、Al等元素
Mainly has C, O, Si, Al and other elementsG 生物颗粒
Biological particles蜂窝状 Honeycomb 主要含有C、O Mainly has C, O H 生物颗粒
Biological particles椭圆形,表面附有微小颗粒
Oval,surface with tiny particles含有C、O及少量Ca、Si元素
Mainly contains C, O and other elements, and small amount of Ca, Si and other elementsTable 4. Morphological characteristics and chemical composition of residual single particles in blades