攀援植物對大氣顆粒物的吸附作用

李德寧，徐彥森，王百田

北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083

攀援植物對大氣顆粒物的吸附作用

李德寧，徐彥森，王百田*

北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083

植物通過葉片對顆粒物的吸附作用能夠有效降低大氣中顆粒物的濃度。用攀援植物進行綠化是城市綠化的重要手段，五葉地錦（Parthenocissus quinquefolia）作為中國北方地區(qū)常見的攀援綠化植物，研究其對大氣顆粒物的吸附效果能夠為降低大氣中顆粒物濃度、改善環(huán)境質(zhì)量、優(yōu)化綠化方法提供一定依據(jù)。選取道路旁和校園內(nèi)兩處采樣地點，距地表不同采樣高度對五葉地錦葉片進行采樣，使用掃描電鏡和軟件相結(jié)合的方式，對葉表面吸附的顆粒物進行計數(shù)，對顆粒物進行粒徑分級，通過 X射線能譜儀對葉表面吸附顆粒物的元素組成和顆粒物特征進行分析。結(jié)果表明：五葉地錦能夠有效吸附不同粒徑的大氣顆粒物，對粒徑在0.2～2.5 μm的細(xì)顆粒物吸附數(shù)量占總吸附顆粒物數(shù)量的90%以上。顆粒物粒徑越小，吸附在葉表面的數(shù)量越多。葉片上、下表面由于葉表面形態(tài)特征的不同，對吸附顆粒物數(shù)量有影響，五葉地錦葉片上表面對不同粒徑范圍的顆粒物吸附數(shù)量均明顯高于下表面。道路旁2.5 m高度處葉表面上細(xì)顆粒物密度為8.4×106/cm2，校園內(nèi)2.5 m高度處葉表面上細(xì)顆粒物密度為 5.2×106/cm2。環(huán)境對植物吸附顆粒物的數(shù)量有明顯影響。葉表面吸附的顆粒物的組成元素受環(huán)境影響，道路葉片上吸附顆粒物元素組成中Si、Ca、Fe含量高。文章所采用的方法對植物葉片吸附顆粒物數(shù)量和元素組成的分析能夠直觀地反映出植物在減緩大氣污染、減少PM2.5等顆粒物上所起到的作用。

攀援植物；顆粒物；PM2.5；葉片；五葉地錦

大氣中的顆粒物依據(jù)其動力學(xué)當(dāng)量直徑被劃分成不同級別，常見的有 PM10（環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤10 μm的顆粒物）和PM2.5（空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的顆粒物）（China，2012）。正是由于 PM10對人類健康的長期危害，主要會引起呼吸道疾病，所以有關(guān)消除或減少空氣中顆粒物的研究才受到廣泛關(guān)注（Pekkanen et al.，1999）。PM2.5在大氣污染物中以粒徑小、質(zhì)量輕、極易懸浮飄散、富集各種有毒物質(zhì)并可以進入肺泡并沉積于人體等特點，成為防治大氣污染的首要目標(biāo)之一?，F(xiàn)如今，中國北方地區(qū)面臨嚴(yán)重的空氣污染，人們對PM10、PM2.5等大氣污染物越來越關(guān)注。大氣中的顆粒物能夠通過干沉降或濕沉降的方式被移除，其中，干沉降是在重力作用、擴散過程以及氣流擾動等條件下產(chǎn)生的（Freer-Smith et al.，2005）。現(xiàn)有很多研究認(rèn)為植物能夠有效降低大氣中顆粒物的濃度。顆粒物主要粘附在植物的外表面，植被葉片因其表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)可以吸附、固定大氣中的顆粒物，使顆粒物脫離大氣環(huán)境，是減少城市大氣環(huán)境污染的重要過濾體，對于提高空氣質(zhì)量、降低大氣顆粒物濃度有重要的作用（Pardyjak et al.，2008；Clausnitzer et al.，2000）。

在國內(nèi)外研究中，鮮有關(guān)于攀援植物對大氣顆粒物的吸附效果的定量研究。我國攀援植物種類豐富，大多具有較高的觀賞價值，用攀援植物攀附墻面進行墻面綠化是一種常見于城市、高速公路、坡面等處的垂直綠化方式。利用攀援植物進行綠化不僅能夠增加綠化面積，并且有助于凈化空氣、改善生態(tài)環(huán)境（臧德奎等，2000；林秀香 ， 2002） 。 五 葉 地 錦 （ Parthenocissus quinquefolia）是我國北方地區(qū)常見的攀援植物，適用于垂直綠化，屬落葉大型莖卷須吸附型藤本，喜光耐寒（周昊等，2006）。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者已成功將掃描電鏡和 X射線能譜儀相結(jié)合的方法應(yīng)用于大氣顆粒物的識別分析中，包括顆粒物形態(tài)特征、成分組成以及粒徑分布等分析（何國錦等，2009；McGee et al.，2003）。本文選取不同地點墻面上攀附的五葉地錦進行研究，使用掃描電鏡和 X射線能譜儀，對葉表面吸附顆粒物的粒徑等級、數(shù)量、分布以及顆粒物特征進行分析，旨在量化攀援植物對大氣顆粒物的吸附情況，為降低大氣中顆粒物濃度、改善環(huán)境質(zhì)量提供有力依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗思路

現(xiàn)有研究認(rèn)為影響植物有效吸附顆粒物能力的因素主要包括：（1）植物種類，即落葉植物、常綠植物等；（2）植物結(jié)構(gòu)，即植株的寬度、高度、粗糙度、孔隙度、滲透度等；（3）顆粒物的組成成分和濃度；（4）地點，即植物距離顆粒物排放源的距離、周圍建筑物結(jié)構(gòu)等；（5）環(huán)境，即植物生長環(huán)境、局地微氣候等。根據(jù)以上 5點，為探究不同條件對五葉地錦吸附大氣中顆粒物的獨立影響和交互影響，本文通過將條件分組的形式對顆粒物數(shù)量進行統(tǒng)計分析。本實驗選取4個影響因素，每個影響因素分 2至 3個等級，如表1所示。

1.2 實驗方法

本實驗材料為攀附在墻體表面的五葉地錦葉片。采樣地點位于北京市海淀區(qū)學(xué)院路道路旁和北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，具體采樣位置如圖 1所示。采樣時間為2014年10月10日。在不同采樣點、不同高度處用枝剪和高枝剪隨機剪取墻體表面的五葉地錦葉片 2片，直接將葉片裝入已編號的紙袋中，不用手觸碰，以免影響葉片表面顆粒物的數(shù)量。采集的葉片均為成熟、健康、完整葉片，未受病蟲害影響。

圖1 采樣地點示意圖Fig. 1 Sampling sites

表1 采樣設(shè)計Table 1 Sampling design

將采集好的葉片置于80 ℃烘箱中恒溫烘48 h至葉片完全干燥。干燥后的葉片即可用于掃描電鏡觀察。如圖 2所示，隨機選擇 1片葉片，將葉片于葉脈兩側(cè)貼近葉脈切割下2片5 mm×5 mm的正方形葉片，隨機選取其中一塊觀察上表面，另一塊觀察下表面；每個樣品有 2片葉片，每個葉片切下 2片方葉片，因此共有 2個上表面方葉片和 2個下表面方葉片。將已經(jīng)裁剪好的方葉片粘在樣品臺上，噴金處理后，用掃描電鏡觀察。為分析葉表面吸附的顆粒物的元素組成成分，將掃描電鏡與 X射線能譜儀相連，選定本研究中待測元素進行分析。

1.3 顆粒物分析方法

1.3.1 顆粒物數(shù)量和粒徑等級

為區(qū)別葉片上、下表面，采集地點（道路旁和校園內(nèi)）以及采集高度（距離地表 1、2.5和 5 m）的葉片表面所吸附顆粒物的數(shù)量，首先，掃描電鏡在觀察葉片表面時，對每個葉片塊沿從右上角至左下角對角線方向掃描隨機選取 3個能夠清晰觀察出顆粒物分布的范圍，放大 100倍，調(diào)整屏幕清晰度，拍攝照片，命名為 100×。繼續(xù)放大可視范圍至 250倍和 500倍，依照此步驟依次拍攝照片，命名為250×和500×。

圖2 樣品選取方法Fig. 2 Leaf samples chosen to SEM

圖3 Image.J處理掃描電鏡圖片步驟Fig. 3 Procedure of Image.J on accounting particles of the SEM photomicrograph

應(yīng)用軟件Image J.對已拍攝的掃描電鏡圖片進行處理并計算不同粒徑的顆粒物數(shù)量。將原圖3（a）利用Photoshop反相處理為圖3（b），然后用Image J.中的對圖片調(diào)節(jié)閾值分類處理為圖 3（c）。由于葉表面吸附的顆粒物易出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，用Image J.中的分水嶺功能將重疊部分分開計數(shù)。利用Image J.軟件對不同粒徑的顆粒物自動進行測量。因為顆粒物多為圓形，為了排除葉片圖像上其他像素的干擾，設(shè)置對曲率為0.5～1形狀的像素點進行計數(shù)。

1.3.2 顆粒物組成元素

在拍攝 250×的掃描電鏡時，如圖 4所示選取4個代表性形態(tài)顆粒物用X射線能譜儀分析葉表面顆粒物的組成元素，觀察掃描電鏡圖片中顆粒物的形態(tài)，分析特定特征顆粒物的元素組成，每次能譜分析自動重復(fù) 4次，部分典型顆粒物能譜分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 五葉地錦葉片表面顆粒物數(shù)量及各粒徑數(shù)量百分比Table 2 The quantity and percentage of PM on P.tomsoni’s leaf surface

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物數(shù)量和粒徑等級

在面積為 1270 μm×890 μm的葉片掃描圖片上，依據(jù)顆粒物粒徑等級，將葉片上表面和下表面所吸附的顆粒物劃分成組，如圖 5所示。由于粒徑大于 10 μm的顆粒物數(shù)量很少，遠(yuǎn)小于粒徑小于 10 μm的顆粒物，所以在圖 5中就不體現(xiàn)粒徑大于10 μm的顆粒物。

從表 2中可知，五葉地錦葉片表面吸附顆粒物粒徑集中在 0.2～2.5 μm范圍，占吸附總顆粒物數(shù)量的90%以上，粗顆粒物占5%左右，大顆粒物所占百分比不足 0.2%。圖 5中可知，顆粒物的粒徑越小，吸附在葉表面的數(shù)量越大。已有的研究中（Dzier?anowski et al.，2011；S?b? et al.，2012），多數(shù)都是對葉表面吸附顆粒物的質(zhì)量進行量化，其結(jié)果均表明粒徑在 10～100 μm的顆粒物質(zhì)量所占葉片總吸附顆粒物質(zhì)量的比例較大，而 PM2.5在質(zhì)量上所占比例小。在本文以及其他對顆粒物數(shù)量的研究中發(fā)現(xiàn)粒徑在 10～100 μm的顆粒物數(shù)量很少。雖然從質(zhì)量上不能顯著體現(xiàn)出植物對 PM2.5的吸附效果，但是從數(shù)量上來看，植物對PM2.5的吸附效果非常明顯。

表3 典型顆粒物能譜分析數(shù)據(jù)Table 3 EDS analyses belonging to Fig. 4(a), 4(b), 4(c) and 4(d)

從圖 5（a）（b）（c）中可知，在不同環(huán)境條件下五葉地錦葉片上表面吸附的顆粒物數(shù)量明顯多于下表面。距地表 1和 5 m的葉片表面所吸附的顆粒物在各個粒徑范圍均為上表面吸附的數(shù)量大于下表面吸附的數(shù)量；而距地表2.5 m的葉片雖然總體來看依然是上表面吸附的顆粒物數(shù)量多，但其下表面吸附的 1.5～2和 2～2.5 μm粒徑范圍的顆粒物數(shù)量更多。石婕等（2015）、Ottelé et al.（2010）對植物葉片的研究均與本文有相同的結(jié)果。造成葉片上、下表面所吸附顆粒物數(shù)量的差別的因素一方面是五葉地錦葉片上、下表面微觀形態(tài)不同，另一方面是風(fēng)的流動的影響。

圖5 葉片表面不同粒徑范圍顆粒物數(shù)量(n=6)Fig. 5 Thequantitiesof particles in different particle size ranges (n=6)

圖 5（d）中所示，距地表高 2.5 m采集的五葉地錦葉片，在各個粒徑范圍，校園內(nèi)采集的葉片所吸附的顆粒物數(shù)量均比在道路旁采集的葉片所吸附的顆粒物數(shù)量少。2.5 m高度處，道路旁葉表面上細(xì)顆粒物密度為 8.4×106/cm2，校園內(nèi)為5.2×106/cm2。由于兩處采樣地點距離較近，所以氣候環(huán)境和大氣條件可認(rèn)為相同，因此植物葉表面吸附顆粒物數(shù)量上的差別就來自于污染源。由交通所產(chǎn)生的顆粒物多為細(xì)顆粒物，吸附在植物葉表面的顆粒物也以小粒徑占多數(shù)，環(huán)境對植物吸附顆粒物的能力有著重要的影響。

2.2 顆粒物組成元素

從 X射線能譜分析（表 3）的結(jié)果來看，道路和校園葉片上顆粒物元素組成有較大區(qū)別。道路上能譜分析結(jié)果顯示 Si、Ca、Fe含量較高，校園內(nèi)以 C和 O為主，其他元素含量均較低。葉表面顆粒物的組成元素受背景污染情況的影響，在不同地點采集的葉片上吸附顆粒物的組成元素比例也有差異。道路上顆粒物中金屬元素含量較高，可能為車輛行駛過程中產(chǎn)生。校園內(nèi)則是以有機物為主的顆粒物。Ottelé等人（2010）的研究結(jié)論與本文的相一致，在臨近道路處采集的葉片表面觀察到疑似鋁合金的顆粒物，在林內(nèi)葉片表面觀察到有機物且多數(shù)有機物吸附在葉片的下表面。粒徑在 2.5～4 μm的顆粒物主要組成元素包括Si、Al和 Fe，它們也是礦物質(zhì)和土壤的組成部分（Ottelé et al.，2010；魏復(fù)盛等，1991）。PM2.5的組成主要來源于人為污染源。在城市，80%的對健康有危害的顆粒物均來自于交通排放（Beckett et al.，1998）。石婕等人對北京市奧林匹克森林公園和西直門兩處采集的毛白楊葉片的分析結(jié)論指出，處于城市交通樞紐的西直門采樣點處葉片表面吸附的 PM2.5更多地來自于工業(yè)排放、燃油排放等人為源（石婕等，2015）。本研究中觀察道路上顆粒物中 Fe、Al含量較高，可能為合金碎屑，屬于人為污染源。植物能夠作為近污染源的大氣顆粒物吸附器，有效吸附和降低大氣中的顆粒物。Ru-Jin Huang等人在 2015年的研究中指出次級污染物在 PM2.5組成上的貢獻率非常高，其主要包含微量元素 K，Na，Ca，Mg，F(xiàn)e，Ti，Pb，As，Cu，Zn和Ni。（Huang et al.，2014）在本文中也觀察到五葉地錦葉片表面吸附的顆粒物包含此類元素，從元素組成上可以說明葉片能夠有效吸附PM2.5等顆粒物。

3 結(jié)論

攀援植物五葉地錦能夠有效吸附不同粒徑的大氣顆粒物，尤其對粒徑小的顆粒物吸附數(shù)量多，吸附的PM2.5的數(shù)量占總吸附顆粒物的90%以上。葉片上、下表面，采集地點對其吸附顆粒物的數(shù)量有明顯影響；在氣候條件和大氣環(huán)境相同的情況下，道路旁的葉片所吸附的顆粒物數(shù)量高于校園內(nèi)，環(huán)境對植物吸附顆粒物的能力有影響。葉表面吸附的顆粒物的元素組成和比例受其周圍環(huán)境的影響。

應(yīng)用掃描電鏡和 X射線能譜儀相結(jié)合的方法，對植物葉片對大氣顆粒物的吸附效果進行研究，并利用 Image.J軟件進行圖片分析，能夠清晰直觀的反映出葉表面所吸附的顆粒物的形態(tài)特征、成分組成以及粒徑分布。對顆粒物數(shù)量的分析能夠區(qū)別于對顆粒物質(zhì)量的分析，從另一角度反映植物在減緩大氣污染、減少 PM2.5等顆粒物上所起到的作用。對植物葉表面吸附的顆粒物進行元素分析和來源解析，能夠有效地反映出周圍環(huán)境對顆粒物組成的影響以及大氣顆粒物的污染狀況。

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The Deposition of Particulate Matters on Climbing Plant

LI Dening1, XU Yansen1, WANG Baitian1*
College of Soil and Water Conservation, Beijing Forest University, Beijing 100083, China

Numerous studies have demonstrated that the plants can purify particulate matters (PM) by absorbing atmospheric pollutants, and may significantly impact air quality. Climbing plants are widely used in urban greening, and Parthenocissus quinquefolia is a common climbing greening plant in northern China. It is meaningful to study P.thomson’ ability on PM accumulating in order to reduce PM concentration in the atmosphere, improve environment quality and optimize greening method. In this study, leaves of P.thomsoniare collected from two places, near a traffic road and in a campus, and three heights from the ground. A scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray (EDS) is used to count the quantity of particles which are accumulated on leaf surface and analyze the elements of particles. The results shows, P.thomsonican accumulate particulate matters (PM) effectively, especially for fine particles (0.2～2.5 μm) in quantitative terms. The percentage of fine PM accumulation in total PM is more than 90%. The smaller the particle’s size is, the larger quantity accumulates on leaf surface. The upper side of the leaf accumulated more PM than the underside, because the two sides’ microstructures are different. At 2.5 m height, the density of fine PM on leaf surface is 8.4×106/cm2near a road, and it is 5.2×106/cm2in campus. The samples from the road collected more PM than the ones from the campus.The elements found on the leaves affected by the environment, the ratio of elements were different between the two sampling sites. There are more Si, Ca and Feobserved on leaves near the road. The method in this paper could intuitively reflect the plant’s influence on reducing atmosphere pollution and accumulating particles.

climbing plant; particulate matter; PM2.5; leaf; Parthenocissus quinquefolia

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.010

X173

A

1674-5906（2015）09-1486-07

李德寧，徐彥森，王百田. 攀援植物對大氣顆粒物的吸附作用[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(9): 1486-1492.

LI Dening, XU Yansen, WANG Baitian. The Deposition of Particulate Matters on Climbing Plant [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1486-1492.

中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項專題（xdao5050203-04-01）

李德寧（1990年生），男，碩士研究生，主要從事土壤修復(fù)、林業(yè)生態(tài)工程研究。Email: lidn1208@163.com＊通信作者：王百田（1958年生），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持、林業(yè)生態(tài)工程研究。E-mail: wbaitian@bjfu.edu.cn

2015-04-26