太原地區(qū)常用地被植物及植被結(jié)構(gòu)吸附PM2.5等細(xì)顆粒物能力研究

付寶春，秦國(guó)杰，暢 平，王 松，武 敏，左力翔，薄 偉*

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，山西太原 030031；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，陜西楊凌 712100)

PM2.5等細(xì)顆粒物作為目前城市空氣的重要污染源，不僅影響城市交通、惡化城市環(huán)境，而且其中攜帶的有毒物質(zhì)更對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[1-2]。單就PM2.5污染對(duì)人體健康的長(zhǎng)久影響來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果顯示，空氣中PM2.5濃度每上升10 μg/m3，人類(lèi)死亡率就增加5.37%，因心血管、呼吸等疾病死亡的病例分別增加5.91%、2.54%[3]。然而，近年來(lái)城市PM2.5濃度仍呈現(xiàn)相對(duì)升高的趨勢(shì)。

早在2012年，太原市日均PM2.5濃度高達(dá)334 μg/m3，隨著城市工業(yè)進(jìn)程的不斷發(fā)展，PM2.5已成為太原市主要空氣污染物之一，治理PM2.5等細(xì)顆粒物刻不容緩。綠色植物、江河海水是細(xì)顆粒物(PM2.5、PM10等)的克星，在相關(guān)研究過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者探究了女貞、懸鈴木[4]、紅豆杉、銀杏等[5]常見(jiàn)園林綠化植物吸附PM2.5的能力，發(fā)現(xiàn)這些綠化樹(shù)種均可不同程度地改善空氣質(zhì)量、阻滯吸附PM2.5等細(xì)顆粒物[6]。

目前，地被植物作為城市園林綠化的重要植物材料，研究方向主要集中于引種[7]、育種[8]及適應(yīng)性[9-11]等領(lǐng)域，但關(guān)于其對(duì)改善生態(tài)環(huán)境方面的研究報(bào)道極少。為此，筆者在了解大量試驗(yàn)手段的基礎(chǔ)上，選取了鳶尾、萱草、玉簪、景天4種城市常用地被植物，測(cè)定了不同環(huán)境條件下4種植物吸附PM2.5的效果，評(píng)價(jià)出這4種地被植物吸附PM2.5能力較強(qiáng)的植物種，并通過(guò)記錄太原市2017年4—8月的PM2.5濃度值，分析太原市夏春季PM2.5污染情況，說(shuō)明地被植物在太原市園林景觀(guān)建設(shè)以及凈化城市空氣中的重要作用。

1 材料與方法

1.1材料選取太原市園林綠化常用、栽植面積廣泛的4種地被植物(鳶尾、玉簪、萱草、景天)進(jìn)行試驗(yàn)。每種地被植物選取2個(gè)品種，8個(gè)地被植物品種形態(tài)特征見(jiàn)表1。

1.2方法

1.2.1設(shè)置布點(diǎn)及葉片采集。4種地被植物分別取材于人口集中的城市鬧區(qū)、車(chē)流密集的機(jī)動(dòng)車(chē)道和綠樹(shù)成陰的大學(xué)校園3個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)設(shè)置3個(gè)布點(diǎn)，每個(gè)布點(diǎn)相距500 m，每種地被植物葉片分別在這9個(gè)布點(diǎn)采集。

1.2.2試驗(yàn)方法與步驟。用15～20 mL蒸餾水將待測(cè)植物葉片吸附的細(xì)顆粒物清洗干凈[12]，試驗(yàn)結(jié)束后，剪下4種地被植物的葉片，裝入自封袋中，從每個(gè)地被植物品種的葉片中隨機(jī)選擇5片，帶回實(shí)驗(yàn)室，采用稱(chēng)重法測(cè)定吸附塵埃葉片重量、葉片鮮重、葉片干重，并計(jì)算吸附塵埃質(zhì)量、1 g鮮重附塵量、1 g干重附塵量、單位葉面積滯塵量、吸附塵埃質(zhì)量累計(jì)和植物總?cè)~面積累計(jì)。

1.2.3PM2.5濃度觀(guān)測(cè)。以大學(xué)校園(植被結(jié)構(gòu)：?jiǎn)坦嗖?、城市鬧區(qū)(植被結(jié)構(gòu)：?jiǎn)棠?及機(jī)動(dòng)車(chē)道(植被結(jié)構(gòu)：?jiǎn)滩?作為樣地，在其植物群落中分別布點(diǎn)，選取非雨雪天氣，采用Dust mate 粉塵檢測(cè)儀，分別測(cè)定每個(gè)布點(diǎn)內(nèi)部3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面垂直高度0.20 m處PM2.5濃度值，并測(cè)定布點(diǎn)外部距地面0.20 m處PM2.5濃度值作為對(duì)照，1 min記數(shù)1次，每次測(cè)定10 min，據(jù)此計(jì)算3種植被結(jié)構(gòu)的凈化系數(shù)(布點(diǎn)外部PM2.5濃度值與布點(diǎn)內(nèi)部3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度值平均值之差)。

表1 8種常用地被植物形態(tài)特性

1.2.4太原市PM2.5濃度數(shù)據(jù)測(cè)定。該研究所用數(shù)據(jù)由Dust mate 粉塵檢測(cè)儀測(cè)定，包括太原市尖草坪、小店、桃園、南寨和晉源5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)定2017年4—8月PM2.5濃度的日均值。5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分布于太原市各區(qū)域，基本可代表太原城區(qū)PM2.5的污染狀況，太原市PM2.5濃度的日均值由這5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度日均值的平均值表示，并由此求得太原市PM2.5濃度的月均值。

1.3數(shù)據(jù)分析測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進(jìn)行計(jì)算、作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1太原市常用地被植物對(duì)PM2.5等細(xì)顆粒物的吸附效果比較該試驗(yàn)測(cè)試了8個(gè)地被植物品種在山西大學(xué)校園、東中環(huán)機(jī)動(dòng)車(chē)快速路和市中心柳巷的吸附PM2.5等細(xì)顆粒物的能力。從植物葉片吸附塵埃葉片質(zhì)量來(lái)看，白花玉簪吸附細(xì)顆粒物的能力最強(qiáng)，比最弱的八寶景天高99.3%；從植物葉片1 g鮮重附塵量觀(guān)察，白花玉簪吸附細(xì)顆粒物的能力同樣最強(qiáng)，比德國(guó)鳶尾“紫花”高2.2倍，比萱草“紅霞”高4倍；從觀(guān)測(cè)地點(diǎn)分析，4種地被植物可能受到機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的影響，吸附細(xì)顆粒物的能力比大學(xué)校園和城市鬧區(qū)強(qiáng)，其中，鳶尾、景天、萱草3種地被植物大學(xué)校園中吸附細(xì)顆粒物均少于城市鬧區(qū)，這可能與綠地面積較大有關(guān)，而玉簪在大學(xué)校園吸附的細(xì)顆粒物較多，吸附空氣中靜態(tài)細(xì)顆粒物較強(qiáng)，可能與葉片自身具有較深溝壑有關(guān)，且從單位植株的葉片面積來(lái)說(shuō)，2個(gè)玉簪品種優(yōu)勢(shì)較大(表2)。

2.2不同植物葉片對(duì)PM2.5等細(xì)顆粒物吸附能力的影響利用樣地試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制柱狀圖對(duì)比4種地被植物單位面積阻滯吸附PM2.5細(xì)顆粒物的差異(圖1)。從所測(cè)數(shù)據(jù)可知，4種地被植物單位面積吸附PM2.5等細(xì)顆粒物能力依次為玉簪、鳶尾、萱草、景天，其中玉簪在機(jī)動(dòng)車(chē)道吸附細(xì)顆粒物最高。吸附細(xì)顆粒物累積量和每種植物吸附細(xì)顆粒物量的平均值見(jiàn)圖2。由圖2可知，玉簪、鳶尾、萱草、景天單位面積吸附細(xì)顆粒物量均值分別為0.73、0.60、0.50、0.37 mg/cm2，可見(jiàn)景天葉片吸附PM2.5等細(xì)顆粒物的效果最差。4種地被植物的葉面積累計(jì)值及平均值見(jiàn)圖3，玉簪的葉面積累積值最大，景天最小。植物對(duì)PM2.5等細(xì)顆粒物的吸附能力效果和葉表面粗糙程度呈正相關(guān)[13]。王建輝等[14]研究了植物單位葉面積的滯塵量，發(fā)現(xiàn)植物具有褶皺的葉表滯塵效果較好，而光滑或有蠟質(zhì)的植物葉片滯塵效果較差。景天葉片蠟質(zhì)光滑，玉簪葉片褶皺較深，因此玉簪單位面積吸附PM2.5等細(xì)顆粒物的量最大，景天相對(duì)最小。

2.3不同植被結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5等細(xì)顆粒物吸附能力的影響一般而言，利用不同樣地PM2.5濃度差異值來(lái)反映不同樣地凈化PM2.5的能力差異，可能會(huì)因樣地內(nèi)顆粒物濃度差異和氣流影響使試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差。該試驗(yàn)通過(guò)樣地外空氣PM2.5濃度值與樣地內(nèi)部3個(gè)布點(diǎn)PM2.5濃度均值差(凈化系數(shù))來(lái)反映該地被植物吸附PM2.5的能力，避免上述原因引起的誤差，結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。3種植被結(jié)構(gòu)凈化系數(shù)見(jiàn)圖4，3種植被結(jié)構(gòu)凈化系數(shù)均為正值。通常情況下，植物群落內(nèi)PM2.5平均濃度顯著小于植物群落外時(shí)，認(rèn)為該植物群落具有較高的滯塵效應(yīng)[15]，這表明大學(xué)校園的喬灌草植被結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5的阻滯吸附效果較好，而城市鬧區(qū)的單喬木和機(jī)動(dòng)車(chē)道的喬草植被結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5的阻滯吸附作用較弱。3種植被結(jié)構(gòu)阻滯吸附PM2.5能力從大到小依次為喬灌草、喬草、喬木，說(shuō)明豐富的植物群落結(jié)構(gòu)不僅能夠提高綠地覆蓋率，達(dá)到相應(yīng)的景觀(guān)效果，還可以更好地凈化空氣中的顆粒物，創(chuàng)造出更好的生態(tài)環(huán)境，這與Beckett等[16]的研究結(jié)論一致，即植物樹(shù)冠結(jié)構(gòu)、枝葉密度與大氣顆粒物的吸附效應(yīng)存在一定的相關(guān)性。

表2 8種常用地被植物吸附PM2.5等顆粒物質(zhì)統(tǒng)計(jì)

圖1 4種植物吸附 PM2.5等細(xì)顆粒物量比較Fig.1 Comparison of the PM2.5 amount that the four plants arrested

圖2 植物吸附PM2.5等細(xì)顆粒物累積量與單位面積吸附量均值Fig.2 Cumulative amount of PM2.5 that arrested by plants and the amount of PM2.5 that arrested by per unit area

圖3 植物總面積累計(jì)值與平均值Fig.3 Total area of every test plant and the average value

圖4 不同植被結(jié)構(gòu)凈化系數(shù)Fig.4 Purification coefficient of different vegetation structures

2.4常用地被植物在太原市景觀(guān)建設(shè)中的意義太原市夏秋兩季空氣干燥，汽車(chē)尾氣和沙塵天氣對(duì)空氣中細(xì)顆粒物PM2.5的貢獻(xiàn)較大。將2017年4—8月太原市PM2.5濃度的月均值見(jiàn)圖5。由圖5可知，2017年4月太原市PM2.5濃度的月均值最高，達(dá)65.35 μg/m3，一方面可能與多數(shù)園林地被植物此時(shí)均未長(zhǎng)成有一定關(guān)系，另一方面也可能是由于城市集中供暖剛剛結(jié)束，空氣中仍存在較多燃煤殘留物所致，而其余月份PM2.5濃度的月均值差異不大，空氣質(zhì)量等級(jí)始終維持在良好等級(jí)。韓業(yè)林等[17]測(cè)定了太原市全年P(guān)M2.5濃度值，也認(rèn)為夏季PM2.5濃度最低，冬季污染程度最高，這與冬季采暖燃煤增多有關(guān)。

鳶尾、景天、萱草和玉簪是太原市最為常用的綠化地被植物，是太原市夏秋季園林景觀(guān)綠化的重要植物材料。王蕾等[18]研究了針葉樹(shù)葉面附著顆粒物的理化特性，發(fā)現(xiàn)低矮葉片比高處葉片的細(xì)顆粒物吸附密度大，這表明地被植物在PM2.5等細(xì)顆粒物的吸附方面具有較大的位置優(yōu)勢(shì)。高壯的喬木能夠阻滯大氣中的降塵，而地被植物可以吸附地面上的揚(yáng)塵。在太原夏秋兩季，沙塵和尾氣導(dǎo)致低空中PM2.5的濃度增多，而喬灌樹(shù)種對(duì)阻滯吸附低空中PM2.5的能力有限，只有低矮的地被植物可以有效吸附阻滯細(xì)顆粒物。因此，鳶尾、景天、萱草和玉簪等常用地被植物能夠在夏秋兩季的滯塵中發(fā)揮重要作用。

圖5 2017年4—8月太原市平均PM2.5濃度比較Fig.5 Comparison of average PM2.5 concentration in Taiyuan from April 2017 to August

3 結(jié)論

(1)根據(jù)樣地試驗(yàn)數(shù)據(jù)，4種常用地被植物單位葉面積吸附PM2.5等細(xì)顆粒物的能力從大到小依次為玉簪、鳶尾、萱草、景天，究其原因可能與自身葉片形態(tài)特征有關(guān)。在細(xì)顆粒物吸附效果比較中，4種常用地被植物阻滯吸附PM2.5等細(xì)顆粒物的能力也以玉簪屬植物最強(qiáng)。

(2)基于3種植被結(jié)構(gòu)的凈化系數(shù)，阻滯吸附PM2.5能力較強(qiáng)的植被結(jié)構(gòu)為喬灌草相結(jié)合，單喬木對(duì)PM2.5的阻滯吸附作用較弱。

(3)太原市夏秋季PM2.5濃度以4月最高，鳶尾、玉簪、景天和萱草是太原市夏秋園林中極為常用的地被植物，不僅是太原市兩季景觀(guān)綠化的重要植物材料，同時(shí)也具有重要的生態(tài)作用。

[1] 吳兌,劉啟漢,梁延剛,等.粵港細(xì)粒子(PM2.5)污染導(dǎo)致能見(jiàn)度下降與灰霾天氣形成的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(11):2660-2669.

[2] 董鳳鳴,莫運(yùn)政,李國(guó)星,等.大氣顆粒物(PM10/PM2.5)與人群循環(huán)系統(tǒng)疾病死亡關(guān)系的病例交叉研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2013,45(3):398-404.

[3] 徐映如,王丹俠,張建文,等.PM10和PM2.5危害、治理及標(biāo)準(zhǔn)體系的概況[J].職業(yè)與健康,2013,29(1):117-119.

[4] 方穎,張金池,王玉華.南京市主要綠化樹(shù)種對(duì)大氣固體懸浮物凈化能力及規(guī)律研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2007,23(2):36-40.

[5] HWANG H J,YOOK S J,AHN K H.Experimental investigation of submicron and ultrafine soot particle removal by tree leaves[J].Atmospheric environment,2011,45(38):6987-6994.

[6] 郭偉,申屠雅瑾,鄭述強(qiáng),等.城市綠地滯塵作用機(jī)理和規(guī)律的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2010,26(6):1465-1470.

[7] 金立敏,蔡曾煜,姚昆德.20種常綠地被植物在蘇州地區(qū)的引種栽培觀(guān)察[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2006(1):87-89.

[8] 黃蘇珍,顧胭,善安.鳶尾屬(IrisL.)植物的雜交育種[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào),1998,7(1):35-39.

[9] 伍世平,王君健,于志熙.11種地被植物的耐陰性研究[J].武漢植物學(xué)研究,1994,12(4):360-364.

[10] 裴保華,彭偉秀,張東林.富貴草耐陰性的研究[J].河北林學(xué)院學(xué)報(bào),1994,9(3):205-209.

[11] 石愛(ài)平,王紅利,郭睿,等.紫花地丁的幾種抗逆性指標(biāo)研究初探[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1997,12(1):48-52.

[12] 柴一新,祝寧,韓煥金.城市綠化樹(shù)種的滯塵效應(yīng)：以哈爾濱市為例[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(9):1121-1126.

[13] 楊洪斌,鄒旭東,汪宏宇,等. 大氣環(huán)境中PM2.5的研究進(jìn)展與展望[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2012, 28(3): 77-82.

[14] 王建輝,劉奕清,鄒敏. 永川城區(qū)主要綠化植物的滯塵效應(yīng)[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2013, 7(3): 1079-1084.

[15] 古琳,王成,王曉磊,等.無(wú)錫惠山三種城市游憩林內(nèi)細(xì)顆粒物(PM2.5)濃度變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(9):2485-2493.

[16] BECKETT K P，F(xiàn)REER-SMITH P H，TAYLOR G.The capture of particulate pollution by trees at five contrasting urban sites[J].Arboricultural journal,2000,24(2/3):209-230.

[17] 韓業(yè)林,王飛.太原市細(xì)顆粒污染物PM2.5的時(shí)空變化特征及其戶(hù)外鍛煉決策的研究[J].體育科技文獻(xiàn)通報(bào),2017,25(2):46-47.

[18] 王蕾,哈斯,劉連友,等.北京市六種針葉樹(shù)葉面附著顆粒物的理化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(3):487-492.