城市綠化植物對(duì)不同粒徑大氣顆粒物的吸附特征研究*

查 燕 馬華升 俞祥群 張銀龍

(1.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310024；2.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210037)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市空氣污染日益嚴(yán)重，顆粒物成為影響城市大氣環(huán)境的首要污染物[1]。這些顆粒物懸浮于大氣中，能富集重金屬、多環(huán)芳烴、細(xì)菌、病原微生物等有害物質(zhì)[2-3]，對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅。植物通過(guò)其龐大的葉表面能夠有效吸附顆粒物[4-5]，可作為改善城市環(huán)境的重要手段[6-8]。

植物葉片具備特殊的表面結(jié)構(gòu)(絨毛、氣孔和粗糙表皮等)，能夠有效阻滯和截留空氣中的污染物[9-10]，不同植物葉片微結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致其滯留顆粒物差異的重要因素[11],[12]16。有研究表明，不同粒徑顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的分布特征能夠反映出不同污染水平下大氣光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和區(qū)域排放源特征[13]，然而，目前有關(guān)植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的吸附特征研究卻鮮有報(bào)道。有關(guān)綠化植物葉片吸附不同粒徑顆粒物的區(qū)域差異和種間差異、不同粒徑顆粒物質(zhì)量及數(shù)量在葉表面的分布特征、葉片微結(jié)構(gòu)對(duì)不同粒徑顆粒物吸附的影響研究還需深入探討及總結(jié)。為此，本研究在南京市城區(qū)、城郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)選取4種常見綠化植物，分析植物葉片吸附顆粒物的區(qū)域差異及種間差異，探究單位葉面積吸附不同粒徑顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量百分比，剖析植物葉片微結(jié)構(gòu)對(duì)單位葉面積吸附不同粒徑顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的影響，以期為篩選吸附顆粒物能力強(qiáng)的樹種提供理論參考，同時(shí)為城市綠地建設(shè)和城市生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試樹種

南京市立體交叉綠地中灌木以紅葉石楠(Photiniaserrulata)、海桐(Pittosporumtobira)、桂花(Osmanthusfragrans)為主[14]，而二球懸鈴木(Platanusorientalis)是南京近代綠化歷史的典型代表，因此本研究選取此4種綠化植物作為供試對(duì)象。

1.2 采樣點(diǎn)選擇和樣品采集

根據(jù)4種常見綠化植物分布狀況，分別布設(shè)二球懸鈴木(35個(gè))、海桐(56個(gè))、桂花(38個(gè))和紅葉石楠(48個(gè))采樣點(diǎn)。選取葉面積指數(shù)相近、生長(zhǎng)狀況良好、樹形相近的成熟健康的植株作為樣本，以減少個(gè)體差異而導(dǎo)致顆粒物吸附量的差異。每個(gè)采樣點(diǎn)每個(gè)樹種選擇5～8株樣樹，采集葉片的高度：?jiǎn)棠炯s為2.0～6.0 m，灌木約為0.5～2.0 m。根據(jù)樹種自身的高度特點(diǎn)，從東南西北4個(gè)方向上、中、下不同高度位置均勻采集葉片。根據(jù)各種植物葉片面積大小，分別采集足夠葉片數(shù)量。每種植物在每個(gè)采樣點(diǎn)各采集4份樣品作為重復(fù)，采樣前2周內(nèi)無(wú)降雨和大風(fēng)事件。

1.3 樣品處理

1.3.1 葉片微結(jié)構(gòu)觀察

每種植物分別選取6片未清洗的新鮮葉片，用刀片避開葉脈取5 mm×5 mm的正方形若干，分上下表面分別制樣。用真空冷凍干燥機(jī)(-83 ℃)干燥36 h。樣品干燥后經(jīng)過(guò)噴金處理，采用掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta-200，美國(guó)FEI公司)觀察葉片表面微結(jié)構(gòu)。

1.3.2 顆粒物質(zhì)量測(cè)定

顆粒物質(zhì)量測(cè)定的具體操作步驟參照文獻(xiàn)[15]。分別將孔徑為2.5、10.0、0.2 μm的濾紙放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，取出后用萬(wàn)分之一天平稱重，分別得到各孔徑濾紙初重。結(jié)合超聲波清洗及軟毛刷輕刷方法將葉片上的顆粒物充分溶解于去離子水中，用已烘干的不同孔徑濾膜放置在直徑47 mm的真空抽濾裝置(R300E，美國(guó)Sciencetool)中依次進(jìn)行3次分級(jí)抽濾，得到的載塵濾膜放置60 ℃烘箱中烘干至恒重，取出后置于萬(wàn)分之一天平稱重，分別得到各濾紙重量。用差量法分別計(jì)算各樣本中總顆粒物(TSP)、大顆粒物(粒徑>10.0 μm)、粗顆粒物(2.5 μm<粒徑≤10.0 μm)、細(xì)顆粒物(0.2 μm<粒徑≤2.5 μm)的吸附質(zhì)量，用3000c型葉面積儀計(jì)算葉面積，計(jì)算單位葉片面積的顆粒物吸附量。

1.3.3 顆粒物數(shù)量測(cè)定

用Photoshop軟件對(duì)SEM圖選區(qū)，掃描兩次計(jì)算像素的平均值。根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)換算出選區(qū)真實(shí)面積，經(jīng)掃描儀(Scanjet 4850)掃描對(duì)顆粒物數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于觀測(cè)影像上顆粒物多為不規(guī)則形狀，所以要利用Erdas、Photoshop軟件對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，以便提取出顆粒物的柵格圖像，再利用ArcGIS 10.2等軟件對(duì)處理后的圖像進(jìn)行二值化、重分類等處理，提取出葉面顆粒物的矢量圖像，得出不同粒徑顆粒物數(shù)量、體積、面積等分布情況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，運(yùn)用Origin 9.0軟件對(duì)分析結(jié)果作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物葉片對(duì)顆粒物吸附的區(qū)域差異

植物葉片對(duì)顆粒物的吸附特征見圖1。城區(qū)4種植物葉片對(duì)TSP的吸附量顯著大于遠(yuǎn)郊區(qū)，城郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)海桐和桂花葉片對(duì)TSP的吸附量具有顯著差異(見圖1(a))。城區(qū)二球懸鈴木、紅葉石楠對(duì)大顆粒物的吸附量均顯著大于城郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)。城區(qū)海桐和桂花葉片對(duì)大顆粒物的吸附量顯著大于遠(yuǎn)郊區(qū)(見圖1(b))。城區(qū)二球懸鈴木葉片對(duì)粗顆粒物的吸附量顯著大于城郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)，城區(qū)海桐和紅葉石楠葉片對(duì)粗顆粒物的吸附量顯著大于遠(yuǎn)郊區(qū)。城區(qū)和城郊區(qū)桂花葉片對(duì)粗顆粒物的吸附量顯著大于遠(yuǎn)郊區(qū)(見圖1(c))。城區(qū)二球懸鈴木葉片對(duì)細(xì)顆粒物的吸附量顯著大于城郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)，城區(qū)和城郊區(qū)海桐、紅葉石楠和桂花葉片對(duì)細(xì)顆粒物的吸附量顯著大于遠(yuǎn)郊區(qū)(圖1(d))。

總體而言，4種植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附量均表現(xiàn)為城區(qū)>城郊區(qū)>遠(yuǎn)郊區(qū)，說(shuō)明不同研究區(qū)域下大氣顆粒物的污染濃度水平存在差異。城區(qū)和城郊區(qū)有2～3種植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附量無(wú)顯著差異，但均與遠(yuǎn)郊區(qū)差異顯著，說(shuō)明城區(qū)和城郊區(qū)近地表顆粒物粒徑組成差異不大，遠(yuǎn)郊區(qū)植物葉片顆粒物質(zhì)量較小，可能是受該區(qū)域大氣顆粒物污染濃度影響。

注：圖中小寫字母不同表示不同區(qū)域間數(shù)值差異顯著(p<0.05)，小寫字母相同表示不同區(qū)域間數(shù)值差異不顯著；大寫字母不同表示不同植物之間數(shù)值差異顯著(p<0.05)，大寫字母相同表示不同植物之間數(shù)值差異不顯著。

2.2 植物葉片對(duì)顆粒物吸附的種間差異

由圖1可見，總體看來(lái)，不同區(qū)域下二球懸鈴木葉片對(duì)TSP、大顆粒物、粗顆粒物和細(xì)顆粒物的吸附量均顯著高于其他3種植物，海桐和紅葉石楠葉片之間無(wú)顯著差異，但均高于桂花。研究表明，植物對(duì)特定粒徑顆粒物具有明顯的吸附作用，而不同粒徑顆粒物在大氣環(huán)境中的形成方式不同。粒徑在10.0 μm以上的顆粒物主要通過(guò)湍流撞擊形成，粒徑在0.1～10.0 μm的顆粒物受擴(kuò)散過(guò)程和湍流運(yùn)動(dòng)的雙重影響，而粒徑小于0.1 μm的顆粒物則主要通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)碰撞而成[16]。其中，大氣中粒徑較大的顆粒物能夠在重力作用下沉降于地表，地面揚(yáng)塵粒徑大部分在30 μm以上[17]。本研究中紅葉石楠、海桐和桂花均屬于低矮灌木，受地面揚(yáng)塵中大顆粒物、粗顆粒物的影響較大。根據(jù)大氣顆粒物的理化性質(zhì)可知，粒徑小于1.0 μm的超細(xì)顆粒物能夠長(zhǎng)期懸浮于大氣中，其在空中的比例高于近地表，在氣流作用下被高大樹冠攔截吸附在葉片表面[18]，因此，二球懸鈴木具有吸附細(xì)顆粒物的優(yōu)勢(shì)。

2.3 植物葉片上顆粒物的質(zhì)量分布特征

不同區(qū)域4種植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物均表現(xiàn)出相同吸附規(guī)律(見圖2)，大顆粒物所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，平均為67.54%，粗顆粒物、細(xì)顆粒物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.62%、10.84%。植物對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附能力具有種間差異，桂花對(duì)大顆粒物的吸附效果最佳，其葉片上大顆粒物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)74.73%；二球懸鈴木上大顆粒物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.11%，略低于其他3種植物，但二球懸鈴木對(duì)細(xì)顆粒物的吸附更有優(yōu)勢(shì)，細(xì)顆粒物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.63%，高于其他3種植物。紅葉石楠和海桐上粗顆粒物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.25%、23.12%，兩者吸附能力相近，其次為二球懸鈴木(22.26%)，桂花最弱(17.89%)。

圖2 植物葉片吸附不同粒徑顆粒物的質(zhì)量分布Fig.2 The mass distribution of different size particulate matters on leaf surface

2.4 植物葉片上顆粒物的數(shù)量分布特征

4種植物葉片上不同粒徑顆粒物的數(shù)量分布如圖3所示。由圖3可見， 4種植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物數(shù)量吸附特征均表現(xiàn)出相同規(guī)律，即細(xì)顆粒物吸附數(shù)量最大，平均百分比為68.24%，說(shuō)明細(xì)顆粒物是顆粒物總數(shù)量的主要組成；粗顆粒物和大顆粒物數(shù)量的數(shù)量百分比分別為26.01%、5.75%。在不同粒徑顆粒物吸附數(shù)量上，不同植物具有種間差異，二球懸鈴木葉片具有吸附細(xì)顆粒物的優(yōu)勢(shì)，桂花葉片具有吸附粗顆粒物的優(yōu)勢(shì)。不同區(qū)域下紅葉石楠和桂花對(duì)細(xì)顆粒物的吸附能力相當(dāng)。

圖3 植物葉片吸附不同粒徑顆粒物的數(shù)量分布Fig.3 The number distribution of different size particulate matters accumulation on leaf surface

本研究中4種植物葉片吸附粗顆粒物和細(xì)顆粒物的數(shù)量百分比分別為26.01%、68.24%，低于趙松婷等[11]對(duì)5種喬木和4種灌木葉片吸附顆粒物的研究結(jié)論(PM10數(shù)量百分比在98%以上，PM2.5數(shù)量百分比在90%以上)。SONG等[19]研究發(fā)現(xiàn)北京市5種常綠樹種葉片細(xì)顆粒物數(shù)量占總顆粒物數(shù)量的96%左右，高于本研究結(jié)果；粗顆粒物和大顆粒物的吸附數(shù)量百分比分別為3.70%、0.14%，低于本研究結(jié)果。相關(guān)研究結(jié)果的差異可能與采樣區(qū)域大氣顆粒物濃度、氣象條件及葉片表面微結(jié)構(gòu)有關(guān)。綜上所述，4種植物對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附數(shù)量和質(zhì)量均具有一致性，即大顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小的細(xì)顆粒物在數(shù)量上占一定優(yōu)勢(shì)。

2.5 葉片微結(jié)構(gòu)與顆粒物吸附特征分析

4種植物葉片上下表面的SEM圖見圖4。圖中白色不規(guī)則塊狀、球體和聚合體物質(zhì)即為顆粒物，以粒度小于10.0 μm居多。4種植物葉片上下表面均無(wú)分泌物，主要通過(guò)葉表絨毛、溝槽、凹槽、氣孔等吸附顆粒物。紅葉石楠葉片上表面粗糙度較低，吸附顆粒物數(shù)量較少，主要吸附大顆粒物(見圖4(a))；葉片下表面有大量氣孔，周圍密布條狀組織，相對(duì)密集且深淺不一的溝槽有利于固定顆粒物，其固定的顆粒物粒徑與溝槽處尺寸頗為吻合，以10.0 μm顆粒物居多，而細(xì)顆粒物較少(見圖4(b))。二球懸鈴木葉片上表面波狀彎曲的褶皺和細(xì)胞周壁構(gòu)成較密集的不規(guī)則網(wǎng)格，在其褶皺凹陷處發(fā)現(xiàn)數(shù)量較多的細(xì)顆粒物，且顆粒物易被葉片上表面覆蓋的絨毛卡住而難以脫落(見圖4(c))；葉片下表面分布3～5 μm左右的溝槽，能夠吸附更多粗顆粒物，在氣孔口處可見少量細(xì)顆粒物(見圖4(d))。海桐葉片上表面光滑，有略微凸起的紋路，吸附形狀不規(guī)則的大顆粒物、粗顆粒物較多(圖4(e))，葉片下表面氣孔開口較大，其溝槽中富集了球狀細(xì)顆粒物(見圖4(f))，但海桐葉片具有向外反卷的特征，容易造成顆粒物滑落。桂花葉片上表面具有淺狀溝槽和條紋突起，在淺狀條紋處觀察到極少數(shù)的顆粒物(見圖4(g))，葉片下表面氣孔開口較大、數(shù)量多且氣孔周圍溝槽很淺，并未有明顯的顆粒物吸附(見圖4(h))。

圖4 葉片上下表面SEM圖Fig.4 SEM image of upper and lower epidermis of leaf

通過(guò)比較4種植物葉片上下表面的SEM圖可以看出，植物葉片下表面吸附細(xì)顆粒物數(shù)量明顯少于上表面，與MO等[12]18研究結(jié)果一致。將葉片放大2 000倍后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出二球懸鈴木氣孔密度為295個(gè)/mm2，桂花為255個(gè)/mm2，紅葉石楠為283個(gè)/mm2，海桐為236個(gè)/mm2。一般情況下，植物對(duì)顆粒物吸附量隨葉片氣孔數(shù)量增多而增加，但桂花氣孔排列無(wú)規(guī)則，加上氣孔較平且無(wú)明顯起伏，減少了顆粒物與葉片的接觸面積，因此其吸附顆粒物的能力較弱，與俞學(xué)如[20]研究結(jié)論一致。盡管闊葉樹種氣孔數(shù)量較少，但其氣孔附近的溝槽處能夠附著較多細(xì)顆粒物。此外，葉片絨毛是影響葉片吸附顆粒物的重要因素，胡適等[21]發(fā)現(xiàn)葉片表面密布短絨毛的二球懸鈴木在不同研究區(qū)域的滯塵量均最高。SPEAK等[22]研究發(fā)現(xiàn)二球懸鈴木葉片表面絨毛周圍附著細(xì)顆粒物，其溝槽狀結(jié)構(gòu)能夠捕獲較多的可吸入顆粒物，并能夠有效阻止顆粒物再懸浮。綜上所述，相對(duì)密集且深淺不一的溝槽及絨毛結(jié)構(gòu)有利于吸附細(xì)顆粒物。

3 結(jié) 論

(1) 4種植物葉片對(duì)不同粒徑顆粒物吸附量具有顯著的區(qū)域差異，表現(xiàn)為城區(qū)>城郊區(qū)>遠(yuǎn)郊區(qū)，說(shuō)明城區(qū)、城郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)環(huán)境中大氣顆粒物污染濃度水平存在差異，葉片對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附量受區(qū)域環(huán)境中顆粒物濃度水平和顆粒物粒徑組成影響。

(2) 植物對(duì)顆粒物的吸附能力具有種間差異，總體表現(xiàn)為二球懸鈴木吸附能力最強(qiáng)，紅葉石楠和海桐吸附能力相近，桂花吸附能力最弱。二球懸鈴木對(duì)細(xì)顆粒物的吸附具有優(yōu)勢(shì)，

(3) 4種植物對(duì)不同粒徑顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的吸附特征具有一致性，即大顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，細(xì)顆粒物在數(shù)量上占一定優(yōu)勢(shì)。

(4) 通過(guò)SEM觀察不同植物葉片上下表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，葉片上表面吸附不同粒徑顆粒物的能力明顯強(qiáng)于下表面。褶皺交錯(cuò)而形成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)有利于吸附細(xì)顆粒物，且主要吸附在溝槽處。葉片絨毛也有利于吸附細(xì)顆粒物，但對(duì)大顆粒物及粗顆粒物的吸附能力較弱。