氣象因子對(duì)城市植物葉面顆粒物的影響研究

查燕

摘要 城市植物可以有效阻滯顆粒物，改善空氣質(zhì)量。目前，國內(nèi)外已經(jīng)積累大量有關(guān)不同植物類型累積顆粒物差異性的研究，但是植物葉面滯留顆粒物的含量受到多種氣象因子的影響。該研究分別從降雨、風(fēng)速、行星邊界層等角度，闡述了不同氣象因子對(duì)植物葉面滯留顆粒物含量產(chǎn)生的影響。今后需要加強(qiáng)氣候因子對(duì)葉面細(xì)顆粒物的去除機(jī)理研究，有利于了解顆粒物沉積于葉面的動(dòng)態(tài)以及機(jī)制；在降雨因素方面應(yīng)進(jìn)行長期監(jiān)測，充分掌握城市植物葉面顆粒物在降雨作用下的年變化量，有助于建立全面的城市植物滯留顆粒物含量數(shù)據(jù)庫，為今后合理有效利用城市植物提供理論指導(dǎo)，同時(shí)為大氣污染物與城市植物相互關(guān)系的深入研究提供新的思路。

關(guān)鍵詞 城市植物；葉面顆粒物；氣象因素

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）20-246-03

Abstract Urban plant can block particles effectively and improve air quality. At present domestic and overseas has accumulated a large number of studies of different plant type differences between accumulated particulate matter， but plant foliar stop particles content under the influence of various meteorological factors. This paper respectively from the aspects such as rainfall， wind speed， planetary boundary layer， expounds the effects of meteorological factors on different plant foliar stop the effects of particulate matter content. Need to strengthen in the future climate factor on leaf fine particle removal mechanism research， is helpful to understand particles deposit on the leaf of the dynamic and mechanism； In rainfall factors should carry on the longterm monitoring， fully grasp the city plant leaf particles under the influence of rainfall amount of annual change， help build a comprehensive urban plant stranded particles content database， rational and effective use of urban plants provide theoretical guidance for the future， at the same time for the further study of the relationship between air pollution and urban plant to provide new ideas.

Key words Urban plant； Foliar particles matter； Meteorological factors

大氣顆粒物（particulate matter，PM）一直是全球多數(shù)城市特別是發(fā)展中國家的首要污染物[1-2]，被廣泛認(rèn)定是對(duì)人體健康最有害的污染物之一[3-4]。一般按照顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑將其分為4種類型：總懸浮顆粒物TSP、粗顆粒物PM10 （2.5～10.0 μm）、細(xì)顆粒PM2.5（0.1～2.5 μm）、超細(xì)顆粒物PM0.1（≤0.1 μm）[5]。城市中樹木和灌木可以有效減輕大氣污染[6-7]，城區(qū)各種植物積累顆粒物的效果和差別已有許多報(bào)導(dǎo)[5，8-9]。其主要來源于大氣顆粒物的沉降，相關(guān)研究表明，植物葉面通過滯留（或停留）、附著和粘附3種方式吸附顆粒物[9-12]。城市不同植物滯留葉面顆粒物具有差異性，葉面特性是影響植物滯留顆粒物含量差異性的主要原因，同一葉片的上表皮和下表皮對(duì)顆粒物的滯留含量不同。Wang L等研究發(fā)現(xiàn)只有17%的顆粒物吸附在葉片底部[13]；Hwang等發(fā)現(xiàn)，法國梧桐葉片多毛的底面比光滑上表面更能有效捕捉顆粒物[14]，與Sb A等[12]發(fā)現(xiàn)具皺的葉片和多毛的葉片比光滑葉片能捕捉更多的顆粒物研究結(jié)論相似。此外，葉片大小并不與滯留顆粒物含量成正比，盡管松樹葉片不具備絨毛或者粗糙表面的性質(zhì)，實(shí)際上又長又窄的葉片特性比寬大扁平的葉片更容易擊中大氣中顆粒物[12]。Tiwary等用計(jì)算機(jī)模擬研究看出松針比實(shí)際中觀察到的能累積兩倍的顆粒物[15]，松柏類植物對(duì)顆粒物具有較強(qiáng)累積性的特征已被相關(guān)學(xué)者記載[11，16]，部分原因是由于松柏類植物對(duì)污染物具有敏感性。不同樹種對(duì)不同粒徑顆粒物的累積也具有差異性。Elisa Terzaghi等發(fā)現(xiàn)闊葉和針葉表面累積粒徑范圍在0.2～70.4 μm的顆粒物；更小粒徑的顆粒物（<10.6 μm）甚至可以進(jìn)入葉蠟組織[17]；通過比較山毛櫸、橡樹和銀杏累積顆粒物的差異性，發(fā)現(xiàn)山毛櫸具有較高滯留顆粒物的能力，銀杏在整個(gè)生長季節(jié)收集的顆粒物數(shù)量最小，橡樹呈現(xiàn)出累積顆粒物的含量隨著年齡增長而增加的趨勢[18]。通過上述研究證實(shí)城市植物具有吸附顆粒物，減少空氣中顆粒物含量的能力，對(duì)空氣質(zhì)量起到改善作用。

但葉面特性只是影響植物滯留顆粒物的部分原因，在實(shí)際環(huán)境中葉面滯留顆粒物受到降雨、大風(fēng)等天氣狀況的影響[19]。這些顆粒物會(huì)隨著霧或者露水溶解，一些粒子會(huì)被雨水從葉片表面沖刷掉[20-21]，另一些粒子仍然殘留在葉片表面[22]，結(jié)合相關(guān)研究表明葉面滯留顆粒物含量受氣象因子影響的動(dòng)態(tài)變化是一種復(fù)雜過程。為了深入了解氣象因子對(duì)植物滯留顆粒物含量產(chǎn)生的影響，筆者從降雨、風(fēng)速、行星邊界層（PBL）等方面綜述了氣象因子對(duì)植物葉面顆粒物影響的研究進(jìn)展，分析目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為今后研究顆粒物沉積于葉面的動(dòng)態(tài)以及機(jī)制提供理論依據(jù)，并有助于解釋葉面滯留大氣顆粒物的機(jī)理與過程，以及為大氣污染物與城市植物之間的作用關(guān)系研究提供新的思路。

1 降雨對(duì)植物葉面顆粒物的去除作用

降雨對(duì)葉面顆粒物起到強(qiáng)大的沖刷作用，直接將葉面顆粒物沖刷至地面，不同降雨量的去除效果具有差異性。王蕾等發(fā)現(xiàn)葉面部分顆粒物附著牢固，不能被中等強(qiáng)度降雨（15 mm）沖刷[23]；Przybysz等研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)降雨20 mm下能夠去除樟子松葉片中30%～41%的顆粒物，其中大顆粒物與細(xì)顆粒物相比較易去除。在另一項(xiàng)研究中，14.5 mm的降雨量能夠沖洗大約50%的顆粒物[24]。但是也有研究表明，降雨作用并不能去除葉片中粗細(xì)顆粒物，尤其是對(duì)細(xì)顆粒物的去除效果幾乎不明顯[21]。這與降雨能夠去除較大粒徑和粗糙粒徑的顆粒物，然而細(xì)顆粒物更加強(qiáng)烈粘附在葉面上的研究結(jié)論相似[25]。ZH Wang等研究得出，大葉黃楊葉片上粒徑<1 μm的顆粒物比<5 μm的更難去除[22]。劉志剛等通過計(jì)算樹冠穿透水中PAHs的污染通量得出降雨對(duì)溶解相PAHs有滯留作用，對(duì)顆粒相PAHs具有釋放作用[26]，說明降雨能夠沖刷掉葉面較大粒徑的顆粒物。吳志萍等發(fā)現(xiàn)對(duì)PM2.5的去除作用在雨后晴天發(fā)揮較好[27]。 總體來說，降雨能夠去除葉面上大部分的大型顆粒物，細(xì)顆粒物更加附著在葉面不易被雨水沖刷[24]。其他研究還發(fā)現(xiàn)與降雨的頻率和程度有關(guān)，也與當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚锖坑嘘P(guān)[9，24，28-29]。

2 風(fēng)速對(duì)植物葉面顆粒物的影響

自然情況下，一定風(fēng)速都?jí)虼底呷~面顆粒物，不同風(fēng)速影響顆粒物的效果差異明顯。王蕾等發(fā)現(xiàn)5～6級(jí)大風(fēng)并不能使葉面顆粒物附著密度減少，外來塵土在風(fēng)的帶動(dòng)下進(jìn)一步增大葉面顆粒物附著密度，只有在一定的風(fēng)速情況下，葉面顆粒物才能被風(fēng)吹掉，較大風(fēng)速反而不能吹掉葉面顆粒物[23]。 這與L Wang等[30]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)（<10.4 m/s）前后葉片沉積顆粒物含量去除效果不明顯的研究結(jié)果一致。Beckett等發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速<8 m/s，葉面顆粒物的沉降速率會(huì)隨風(fēng)速的增大而增大[16]。 Huixia Wang等研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速<11.1 m/s不能吹走葉面沉積顆粒物[25]，強(qiáng)風(fēng)能夠去除葉面27%～36%的顆粒物。Wang等研究得出，降雨主要去除大粒徑和粗糙粒徑顆粒物，反而增加細(xì)顆粒物在葉面的粘附性。但是風(fēng)速到達(dá)一定值，葉面顆粒物沉積速率反而減小[19]。FreerSmith等研究顆粒物在風(fēng)速9 m/s的沉降速率比風(fēng)速3 m/s時(shí)高，其含量也高于3 m/s[5]。OuldDada 和Baghini 發(fā)現(xiàn)，持續(xù)5 m/s的微風(fēng)風(fēng)速引起一小部分顆粒物再懸浮[31]?？傊?，大顆粒物以及粗糙顆粒物易被風(fēng)吹脫，細(xì)顆粒物一直沉積在葉片微形態(tài)的凹槽處，不易被雨水沖刷或被風(fēng)吹走；風(fēng)還可以通過攜帶的較高沙塵氣流速度，產(chǎn)生較大的湍流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致葉面捕獲顆粒物含量增加[20]。

3 行星邊界層高度對(duì)植物葉面顆粒物的間接影響

行星邊界層高度的變化對(duì)闊葉或者針葉面顆粒物濃度產(chǎn)生的影響已被研究，Moreselliet用建模方法研究大氣有機(jī)污染物濃度的短期變化現(xiàn)象，結(jié)果表明夜間化學(xué)物質(zhì)釋放到大氣的濃度高出白天6倍多[32]。杜川利等研究發(fā)現(xiàn)，城市邊界層高度變化與顆粒物濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，冬季PM10、PM2.5、PM1.0 3種顆粒物濃度高于夏季，具有明顯月變化特征，冬季葉面顆粒物濃度>夏季[33]。Terzaghi等研究得出，行星邊界層高度影響山茱萸葉面顆粒物的累積量，其夜晚累積量高于白天[17]。Elisa Terzaghi等發(fā)現(xiàn)，葉面PAH濃度與行星邊界層高度成正比，并且不同分層植物的光降解敏感性不同[34]。劉漢衛(wèi)等研究發(fā)現(xiàn)，地面PM2.5質(zhì)量濃度與行星邊界層高度呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)[35]?？傮w來說，行星邊界層高度的變化有利于大氣濃度的釋放和吸收，從而間接影響植物葉面顆粒物濃度。

4 其他氣象因子對(duì)植物葉面顆粒物的影響

Isabel等發(fā)現(xiàn)空氣濕度是影響葉面磁性顆粒物的重要因素；在空氣濕度較低的條件下，大氣顆粒物蒸發(fā)速率快，有利于葉面累積較多的顆粒物。其次降雨和大氣灰塵的暴露時(shí)間也是影響葉面顆粒物的另兩種因素[24]。適當(dāng)?shù)墓庹諚l件有利于植物進(jìn)行光合作用，并通過氣孔、皮孔等吸收部分顆粒物[36]。劉漢衛(wèi)等研究發(fā)現(xiàn)，地面PM2.5質(zhì)量濃度與地面氣壓、相對(duì)濕度呈明顯正相關(guān)。當(dāng)與相對(duì)濕度呈現(xiàn)正相關(guān)，其他氣象因素相關(guān)不明顯[35]。降雨和大風(fēng)天氣等是影響植物葉面顆粒物含量的主要自然因素，二者都能在一定程度上減少葉面累積顆粒物的含量。降雨和風(fēng)的綜合作用對(duì)葉面顆粒物的去除作用明顯，王會(huì)霞等發(fā)現(xiàn)，連續(xù)2 d降水（17.1、14.8 mm）珊瑚樹和女貞葉面滯塵量降低了62%和50%，小雨和大風(fēng)也能使女貞葉面滯塵量降低30%。極大風(fēng)速對(duì)葉面顆粒物的影響呈現(xiàn)出先升高后降低的特點(diǎn)，在一定的風(fēng)速和降雨條件下，女貞和珊瑚樹葉面顆粒物含量明顯降低[19]。此外，季節(jié)變化對(duì)葉面顆粒物影響較大，有研究表明，冬季葉面顆粒物含量最高[37]。李玉琛研究也表明，滯塵量變化規(guī)律：冬季、秋季含量較高，春季和夏季較低[38]，即使在相同生境的各樹種之間葉面顆粒物含量也存在顯著差異；Prajapati和Tripathi發(fā)現(xiàn)冬天和夏天雨季的顆粒物含量較少，但是不同季節(jié)的雨水沖刷作用不同，葉片顆粒物含量多可歸結(jié)于降雨過程能夠增加葉片濕潤性，有利于吸附較多顆粒物[39]。吳志萍等發(fā)現(xiàn)降雨陰天顆粒物濃度比雨后晴天高426%[27]，王蕾等研究發(fā)現(xiàn)春季降雨、大風(fēng)、沙塵等天氣狀況交替出現(xiàn)導(dǎo)致葉面顆粒物附著密度隨之變化，大多數(shù)時(shí)間低于冬季[40]。葉面累積最大含量的顆粒物出現(xiàn)在11月，最低量出現(xiàn)在8月[25]。降雨和氣溫共同作用對(duì)葉面顆粒物含量的影響較為明顯?？傮w來說，氣象因素對(duì)葉面顆粒物的去除效果起到直接或者間接作用。

5 小結(jié)

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物葉面顆粒物受降水、風(fēng)向、風(fēng)速、PBL等方面的影響取得了較多的研究成果，降雨作用對(duì)葉面顆粒物去除作用略強(qiáng)于強(qiáng)風(fēng)作用。對(duì)于特殊天氣影響的情況，需要考慮其出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，在以下4方面仍要進(jìn)一步研究。

（1）目前主要集中對(duì)植物葉面顆粒物的研究，對(duì)于細(xì)顆粒物PM2.5的研究較少，數(shù)據(jù)資料也相當(dāng)有限。PM2.5作為危害最大污染物之一，應(yīng)進(jìn)行深入研究，并對(duì)PM2.5攜帶的重金屬、多環(huán)芳烴、黑碳等污染物展開具體研究。

（2）在風(fēng)力作用下顆粒物通過再懸浮重新進(jìn)入大氣，或是隨著降雨作用沖刷到地表徑流以及土壤的行為需要進(jìn)行整體研究。尤其是在高降雨地區(qū)，結(jié)合降雨因素對(duì)葉面顆粒物的歸趨行為進(jìn)行綜合研究，同時(shí)如何設(shè)計(jì)植被下面的地表也尤為重要。地表的設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)沉積物的增加，污染物的固定和防止污染物再懸浮的發(fā)生。

（3）目前研究對(duì)植被滯塵效果提供相關(guān)參數(shù)，大多數(shù)集中在特定生長季節(jié)和生長季末測定所得。今后應(yīng)對(duì)降雨去除葉面顆粒物進(jìn)行長期監(jiān)測，了解城市植物葉面顆粒物在降雨作用下的年變化量，用來建立全面的城市植物滯留顆粒物含量的數(shù)據(jù)庫，為今后合理有效利用城市植物提供理論指導(dǎo)。

（4）葉面滯留顆粒物時(shí)間是從葉面沖洗后到再測定時(shí)的時(shí)間間隔，在此期間很多試驗(yàn)條件都是不可控的。為了增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的可比性，保證所有植物顆粒物的測定在同一條件下完成，就需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬野外自然條件，例如人工模擬不同強(qiáng)度降雨可以探討降雨因素對(duì)葉面顆粒物的去除作用?？傊瑲庀笠蜃訉?duì)城市植物葉面顆粒物的影響是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，其去除機(jī)理還需要深入研究。

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