鳶尾對大氣顆粒物的滯留與再懸浮能力

譚連帥 劉輝 姜雪磊 李鵬

摘要：以鳶尾（Iris tectorum Maxim.）為材料，采用干洗法測定其葉片的滯塵量，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP）測定其葉內(nèi)及葉表的顆粒物成分及含量，并研究不同風(fēng)速和不同風(fēng)力作用時(shí)間下鳶尾的大氣顆粒物再懸浮比例。結(jié)果表明，鳶尾葉片的單位面積滯塵量為3.43 g/m2，在草本植物中是比較高的。鳶尾葉表元素及葉內(nèi)元素中只有Al和K存在顯著相關(guān)性，風(fēng)速對沉降于鳶尾葉片表面的大氣顆粒物的再懸浮有著顯著的影響，而風(fēng)力作用時(shí)間的長短對大氣顆粒物的再懸浮影響作用有限。

關(guān)鍵詞：鳶尾（Iris tectorum Maxim.）；植物修復(fù)；大氣污染；電感耦合等離子體發(fā)射光譜；再懸浮

中圖分類號：X506 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）08-0039-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.010

Retention and Resuspension of Atmospheric Particles by Iris tectorum

TAN Lian-shuai1，2，LIU Hui1，JIANG Xue-lei1，LI Peng1

（1.College of Resource and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，Shandong，China；

2.College of Resource and Environment，Northwest Agriculture & Forestry University，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Abstract： Taking Iris tectorum Maxim. as the material，and the dust content was determined by dry-cleaning method. The composition and content of the particulate matter in the leaf and on the leaf surface were determined by ICP. In addition，resuspension ratio of atmospheric particulate on the leaf surface of I. tectorum was investigated at different wind speed and different time. The results showed that the amount of dust per unit leaf area was 3.43 g/m2，which was relatively high among the herbs. Only Al and K had significant correlations between the interior leaf elements and exterior elements. And wind speed gave significant effect on the resuspension of atmospheric particulates in I. Tectorum，while the wind function time gave the limited effect on the resuspension of atmospheric particulate matter.

Key words： Iris tectorum Maxim.； phytoremediation； air pollution； ICP； resuspension

隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的發(fā)展，各種化石能源的消耗不斷增大，相應(yīng)的各種產(chǎn)品如汽車等的普及使得大氣污染變得越來越嚴(yán)重，而主要污染物之一便是大氣顆粒物（Particulate matter，PM）[1-3]。大氣顆粒物不僅影響正常的大氣可見度，還對市民的健康造成了嚴(yán)重的威脅，其中可吸入顆粒物（PM10）或細(xì)顆粒物（PM2.5）作為首要污染物，必須得到有效的控制[4]。

植物修復(fù)作為緩解大氣污染的措施之一，與相關(guān)的工程技術(shù)措施相比有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、可持續(xù)等方面的優(yōu)點(diǎn)[5，6]。其對大氣顆粒物的修復(fù)過程主要表現(xiàn)在持留和去除兩個(gè)方面，在持留過程中又涉及植物的截獲、吸附、滯留等作用[7-10]。當(dāng)前的大多數(shù)研究將喬木作為植物修復(fù)的優(yōu)先考慮樹種[11]，對地被性植物的研究尚不深入，而地被性植物可能在大氣顆粒物的修復(fù)方面有著更為優(yōu)良的作用。

鳶尾（Iris tectorum Maxim.）隸屬于單子葉植物鳶尾科，為多年生草本植物。作為常用的地被植物，鳶尾在園林觀賞方面得到了廣泛的應(yīng)用[12，13]，近些年有研究發(fā)現(xiàn)，鳶尾在修復(fù)土壤Cd等方面也具有一定作用[14，15]，但對其在大氣顆粒物的滯留方面的研究卻鮮有相關(guān)報(bào)道。

選擇鳶尾作為試驗(yàn)材料，通過測定其葉片的滯塵量、葉表及葉內(nèi)的顆粒物成分及含量，并設(shè)置不同風(fēng)速和不同風(fēng)力作用時(shí)間，研究鳶尾在不同條件下的再懸浮，以探究鳶尾對大氣顆粒物的修復(fù)能力，為地被性植物在大氣污染的植物修復(fù)研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

鳶尾采樣于青島市城陽區(qū)長城路的青島農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，在當(dāng)?shù)亟涤陜芍芎笥谕粎^(qū)域內(nèi)采集大小及形狀相似的葉片。

1.2 方法

1.2.1 鳶尾葉片表面顆粒物總量的測定 采集鳶尾葉30片，分為3組，每組10片。置于防塵盒內(nèi)并轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，采用干洗法測定樣品表面顆粒物含量，用去離子水浸泡樣品2 h，使附著于葉片上的顆粒物灰塵被充分浸洗下來。2 h后，用鑷子夾出葉片，且保留葉片的原有形態(tài)，之后將其放置于報(bào)紙上充分晾干，利用葉面積儀測量其葉面積（s）。

用已經(jīng)烘干稱重（W1）的濾紙過濾沖洗液。過濾完成后，將該濾紙置于60 ℃烘箱內(nèi)24 h，烘干后稱重（W2）。兩次重量的差值，便是所采集的鳶尾葉片之上所附著的顆粒物質(zhì)的總重量，葉片單位面積滯留顆粒物總含量計(jì)算公式如下：

M=（W2-W1）/S

式中，M為單位葉面積滯留顆粒物含量（g/m2）；W1為過濾前濾紙重（g）；W2為過濾后濾紙重（g）；S為葉面積（m2）。

1.2.2 鳶尾葉片表面顆粒物再懸浮含量的測定 風(fēng)速的影響：取鳶尾葉90片，利用風(fēng)扇設(shè)置1.0、1.5、2.0 m/s 3個(gè)風(fēng)速梯度，每個(gè)梯度鳶尾葉30片，分為3組平行試驗(yàn)。在無風(fēng)室內(nèi)將葉片固定于同一位置，采用風(fēng)扇提供風(fēng)力，用風(fēng)速儀測量葉片所接受到的風(fēng)速大小。后利用干洗法測得鳶尾葉片的表面所剩余的顆粒物總量。

時(shí)間的影響：將鳶尾葉小心轉(zhuǎn)移至無風(fēng)室內(nèi)，在無風(fēng)環(huán)境下固定，利用風(fēng)扇提供固定風(fēng)速1.5 m/s，設(shè)置10、20和30 min 3個(gè)不同的時(shí)間梯度，通過風(fēng)力作用后使用干洗法測得鳶尾葉片表面所剩余的顆粒物總量。

使用已經(jīng)烘干稱重（W3）的濾紙將沖洗液過濾后，置于60 ℃烘箱內(nèi)24 h，于烘干后進(jìn)行稱重（W4）。兩次重量的差值，便是植物葉片上所剩余的顆粒物重量。葉片表面顆粒物再懸浮比例的計(jì)算公式如下：

R=1-（W4-W3）/（W2-W1）

式中，R為顆粒物再懸浮比例（%）；W3為過濾前濾紙重（g）；W4為過濾后濾紙重（g）。

1.2.3 鳶尾葉片表面顆粒物成分分析 利用分析天平準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的依據(jù)“1.2.1”方法所得到的顆粒物，用混合酸濃硝酸：高氯酸（3∶1）對其實(shí)行消解處理，加去離子水定容為10 mL，后使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）分析其中的Al、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Si、Ti、V等元素的含量，共進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。

1.2.4 鳶尾葉內(nèi)元素成分與含量的測定 以濕法消解處理鳶尾葉片。稱取一定質(zhì)量的鳶尾葉片，用去離子水將鳶尾葉片的顆粒物沖洗干凈，置于恒溫干燥箱中105 ℃殺青30 min，后于50 ℃下恒溫干燥至恒重。將鳶尾葉片用剪刀盡可能剪碎，置于消解瓶中，加入濃硝酸∶高氯酸（3∶1）溶液中消解。將消解之后的溶液倒入10 mL容量瓶中，用去離子水定容后，使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀分析Al、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Si、Ti、V等元素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 鳶尾葉片表面滯塵量及元素含量

鳶尾單位葉面積滯塵量為（3.43±0.06） g/m2，ICP分析結(jié)果見表1。由表1可知，13種元素在鳶尾葉片表面灰塵中皆存在。其中，Ni的含量最高，其次為Al和Fe，最少的為Cr與V。在鳶尾葉片內(nèi)部，只檢測到12種元素，與鳶尾葉片表面灰塵相比，不存在V元素。Ni的含量最高，其次為K，最少的為Ti。

對鳶尾葉片內(nèi)部與葉表灰塵所含各元素利用SPSS進(jìn)行Spearman系數(shù)相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)僅有Al和K元素在鳶尾葉片內(nèi)部與葉表灰塵的含量間存在顯著相關(guān)性，其余11種元素并不存在顯著相關(guān)性。

2.2 鳶尾葉片對顆粒物的再懸浮能力

2.2.1 風(fēng)力強(qiáng)度的影響 設(shè)置風(fēng)速為1.0、1.5、2.0 m/s 3個(gè)梯度，固定風(fēng)力作用時(shí)間為10 min。由圖1可知，當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，鳶尾葉片的大氣顆粒物的再懸浮量為0.02 g/m2，1.5 m/s時(shí)上升到0.03 g/m2， 2.0 m/s時(shí)上升到0.06 g/m2。其再懸浮比例由1.0 m/s時(shí)的9.31%上升到1.5 m/s時(shí)的12.20%，2.0 m/s時(shí)達(dá)到28.25%（圖2）。

單因素方差分析表明，鳶尾葉片在3種風(fēng)速下的再懸浮量之間都存在顯著差異，再懸浮比例之間也存在顯著差異，說明風(fēng)速對沉降于鳶尾葉片表面的大氣顆粒物的再懸浮有重要的影響。

2.2.2 風(fēng)力作用時(shí)間的影響 風(fēng)速設(shè)定為1.5 m/s，時(shí)間設(shè)置為10、20、30 min 3個(gè)梯度。由圖3可知，鳶尾葉片表面顆粒物10 min時(shí)再懸浮量為0.03 g/m2，

20 min時(shí)再懸浮量升高到0.06 g/m2，30 min時(shí)提高到0.07 g/m2。不同時(shí)間相對應(yīng)的再懸浮比例由13.11%提高到20.70%，最后達(dá)到21.76%（圖4）。

利用SPSS對鳶尾葉片在相同風(fēng)速不同時(shí)間處理下的再懸浮量進(jìn)行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)鳶尾葉片在20和30 min兩個(gè)時(shí)間梯度下的再懸浮量之間無明顯差異，而10和20 min兩個(gè)時(shí)間梯度下的再懸浮量之間有顯著差異。對不同時(shí)間相對應(yīng)的再懸浮比例進(jìn)行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)三者之間均無顯著性差異。

3 小結(jié)與討論

植物對大氣顆粒物的凈化機(jī)制大體可分為5種，分別為吸附與吸收、降解代謝、轉(zhuǎn)化、同化和超同化、中和緩沖[16，17]。在吸附方面，通常來講，面積大、具有絨毛、表面不平滑的葉片能夠更好的滯留和吸附大氣中的顆粒物[18]。本試驗(yàn)選取的鳶尾葉片表面不具絨毛，但具縱脈，葉表不光滑。鳶尾平均單位葉面積滯塵量為3.43 g/m2，相對于白蠟（6.40 g/m2）與國槐（5.40 g/m2）等木本植物的滯塵量要低[19]，說明草本植物在滯塵方面的效果相對喬木有一定差距，這與羅曼[20]研究結(jié)論一致，即喬灌木對大氣顆粒物的修復(fù)有更顯著的影響。這可能是由于喬木植株高大、枝繁葉茂、枝干復(fù)雜，能滯留更多的顆粒物[21]。

但與其他草本植物相比，鳶尾對大氣顆粒物的滯留量有較大的優(yōu)勢。周曉煒等[22]報(bào)道草本植物的平均滯塵量為（1.458 3±0.058 4） g/m2，王珂等[23]報(bào)道草本地被植物平均單位面積滯塵量為2.136 1 g/m2，均小于本試驗(yàn)鳶尾的滯塵量。這表明鳶尾在草本植物中較其他植物可能有著更好的吸附顆粒物能力，在需要地被植物進(jìn)行園林綠化時(shí)，可優(yōu)先考慮鳶尾。

植物修復(fù)另一個(gè)重要的方面是對大氣顆粒物的化學(xué)離子的吸收，已有研究表明大氣顆粒物中的元素含量與植物體內(nèi)相應(yīng)累積的重金屬的含量有一定的相關(guān)性[24，25]。本試驗(yàn)對鳶尾葉片滯留的灰塵和鳶尾葉片分別使用ICP進(jìn)行元素含量分析，結(jié)果表明，所選擇的13種常見元素在葉片表面均可測出，但在葉內(nèi)未測出V元素。對每一種元素進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)只有Al和K元素在鳶尾葉片內(nèi)部與葉表灰塵的含量間存在顯著相關(guān)性，而K是植物必需元素、Al為非必需元素。閆幫國等[26]研究指出土壤類型對葉片N、P、Ca、Mg、Cu等元素均有顯著影響；Han等[27]研究發(fā)現(xiàn)各元素在植物內(nèi)的含量有著明顯的橫向和縱向趨勢；申智驊[28]對北海紅樹研究發(fā)現(xiàn)同種元素在不同植株間的變異倍數(shù)很大，大量元素的變異倍數(shù)超過3倍，微量元素甚至超過25倍。因此，對葉表顆粒物及葉內(nèi)相應(yīng)元素含量之間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

當(dāng)大氣中的顆粒物于植物上滯留后，其含量會發(fā)生進(jìn)一步的變化，風(fēng)、雨等氣象因素都會對其產(chǎn)生影響。有研究發(fā)現(xiàn)降雨對灰塵有很強(qiáng)的沖刷作用[29]，而在一定風(fēng)力條件下，葉面顆粒物都能被風(fēng)吹走，不同風(fēng)速對顆粒物產(chǎn)生的影響效果也具有很大的差異，顆粒物經(jīng)過風(fēng)吹后通過再懸浮作用會有一部分灰塵重新進(jìn)入大氣中。王會霞等[30]研究表明女貞的葉面滯塵量會因?yàn)榇箫L(fēng)的影響而降低約30%。本試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)風(fēng)速對鳶尾葉片的再懸浮作用有較大的影響，這與Ould-Dada等[31]的研究結(jié)果相符。

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