兰州市常见阔叶树种对大气颗粒物吸滞能力的评估1)

杨克彤 陈国鹏 李广 汤东 张凯

(甘肃农业大学，兰州，730070)

一般而言，空气悬浮颗粒物主要指PM10.0和PM2.5，空气悬浮颗粒物因其微小的形态、强大的吸附力和巨大的表面积，可以携带大量有毒有害物质而损害人体健康[1-2]。城市化进程压力下，大气污染日益严重，绿化树种作为城市有限空间中最主要的绿色植物，被认为具有吸滞空气悬浮颗粒物的能力。如今借助自然界的清理机制从而缓解城市大气污染压力逐步成为一种有效途径[3-5]。

近年来，园林绿化植物吸滞大气粉尘的作用受到越来越多的关注[6-9]。不同生活型绿化树种的多层次配置能在宏观范围阻滞大气颗粒物的地域性扩散，其中乔木的吸滞能力优于灌木，但也有研究持不同观点[10-11]。叶面形态的研究则从微观角度更好地解释了植物叶片的滞尘机理[5，12-13]，不同绿化树种间滞尘能力存在显著差异，可相差5～40倍[14]，造成这种差异的原因与叶表褶皱数量、叶表粗糙度、沟槽数量、叶表起伏程度等微形态紧密相关[15-16]。有研究表明，造成树种吸滞能力的差异主要由叶面积大小和植株着生的叶片数量(绿量)决定[17-18]，并且不同树种对大气颗粒物的吸滞存在粒径特异性，即部分树种仅对细颗粒物或极细颗粒物表现出显著的吸滞能力。然而，当前的树种滞尘能力研究仅从少量树种的叶表微形态进行相关机理解释，缺乏绿化树种对不同粒径颗粒物特异性吸滞能力的量化研究[6，19]，尤其对半干旱区及生态脆弱区的树种滞尘能力研究鲜见报道[20-22]。

兰州市处于半干旱农牧交错脆弱带，因其特殊的“两山夹一河”地形使大气循环不畅，导致大气颗粒物在城区久聚不散，空气环境问题严峻，曾位列“全国十大重污染城市”，这严重影响人们的身体健康和幸福生活[7，9，23]。研究园林绿化植物对大气颗粒物的吸滞效果对改善环境质量问题具有重要意义。本研究通过对兰州市区30种绿化树种叶片吸滞量的测定，将30种绿化树种单叶吸滞量大小进行排序，分析了不同树种吸滞大气颗粒污染物中粗、细颗粒物的比例及其特异性，以期进一步解释造成不同树种吸滞量差异和不同粒径颗粒物占比不同的原因，为兰州市防治大气污染和合理配置街道绿化树种提供理论依据。

1 研究区概况

兰州市(36.3°N，103.40°E，海拔约1 500 m)位于黄土高原的西北部，地势西南高东北低，呈东西狭长带状盆地形，南北群山环抱，属于大陆性很强的温带季风气候，年均气温为10.3 ℃，年均日照时间2 446 h，年均无霜期180 d，年均降水量327 mm左右，主要集中在6—9月份(50%～70%)。土壤以灰钙土为主，其次为栗钙土和灰褐土，自然植被主要是多年生禾草、旱生灌木和小乔木，其中在绿化植物的种类上乔木和灌木占绝对优势，草本植物次之。

2 材料与方法

2.1 叶片采集与滞尘量测定

试验地点位于兰州市城区。由于大于15 mm的降水和大于5级的大风即可对植物叶片滞留颗粒物的数量造成影响，因此采样前15 d内，没有大于15 mm降水和5级大风[24-25]。考虑到北方树种着叶期与生长期，于2018年6月中旬采样并试验。查阅《中国植物志》对树种生活型(乔木、灌木)和叶片形态进行分组(见表1)。

采样时避开人、车流高峰及道路边缘等强干扰路段，乔木树种在距地表1.8 m处采样，灌木树种根据株型不同在距地表1.0～1.8 m处采样[19]，尽可能保证采样高度基本一致。此外，在树木集中生长区(可认为空气污染状况相近)选定3棵树龄相近的标准木，于树冠中层按东、西、南、北、中5个方位，各取1片叶形完整、无病虫害的叶片(每个树种15片)，装入纸质采集袋(无静电)中迅速带回，并在2 h内完成叶表颗粒物吸滞量的测定[14，26-27]。

表1 兰州市区主要阔叶绿化树种

吸滞量的测定参考柴一新等[28]的洗脱质量法，鉴于空气颗粒物粒径分布范围较广，用过滤法进行颗粒的精细划分存在难度，因此将大于10 μm的颗粒物统称为粗颗粒物，将2～10 μm的颗粒物统称为细颗粒物，二者之和称为吸滞总量[6]。首先将滞尘后的叶片在烧杯中用蒸馏水浸泡2 h，再用小毛刷清洗叶片上的附着物，然后置于超声清洗仪中以25 ℃蒸馏水清洗5 min，用镊子将叶片小心夹出。浸洗液用已烘干称量的定量滤纸(Ma1，最大孔径10 μm)过滤后，将滤纸置于80 ℃下烘干至恒质量；继续用已烘干称量的滤纸(Mb1，最大孔径2 μm)进行第2次过滤，置于80 ℃下烘至恒质量并称量；最后分别称量过滤烘干后的滤纸(Ma2和Mb2)，2次质量之差即分别记为叶片上所附着降尘粗颗粒物和细颗粒物的质量，以上称量均使用同一精度天平，精度为1/10 000。将拭去水分的叶片通过EPSON Scan扫描后，使用Image J软件计算叶面积。

2.2 数据分析

采用单位面积吸滞量(μg·cm-2)表示叶片的吸滞能力[19]。单叶吸滞量、单位面积吸滞量(即吸滞能力)、吸滞总量分别由下式计算，

Ma=Ma2-Ma1；

Mb=Mb2-Mb1；

Wa=Ma/S；

Wb=Mb/S；

M=Ma+Mb；

W=Wa+Wb。

式中：Ma表示单叶粗颗粒吸滞量；Mb表示单叶细颗粒吸滞量；Wa表示单叶粗颗粒吸滞能力；Wb表示单叶细颗粒吸滞能力；M表示单叶吸滞总量；W表示单位面积吸滞总量。

通过Origin 9.0软件对树种生活型和叶片形态滞尘量的差异进行单因素方差分析，并利用自定义衰减指数函数y=a+be-cx拟合叶面积与滞尘量间的关系，因该函数能体现叶面积与单位面积滞尘吸滞量间的关系，此外求出函数的吸滞转折点，其中，

X=(Mmax-Mmin)/M，

M=(x1w1+x2w2+…+xnwn)/(w1+w2+…wn)。

式中：X为函数转折点；Mmax和Mmin分别为单位面积最大、最小吸滞量；M由叶面积为权重的单位面积吸滞量加权平均求得，xn为第n个样本，wn为第n个样本的权重。统计、计算使用Microsoft Excel 2010软件进行，分析、作图使用Origin 9.0软件进行。

3 结果与分析

3.1 单叶吸滞不同粒径颗粒物质量及比例

30种阔叶树单叶吸滞量排序情况见表2，火炬树单叶吸滞量最大，贴梗海棠单叶吸滞量最小，单个叶片最大与最小吸滞量相差34倍；日本晚樱、红瑞木、紫藤、连翘、金银忍冬、刺槐和火炬树等树种滞尘变异系数较大(0.70～0.84)，小叶黄杨、牡丹、紫薇、紫丁香、月季和白蜡等滞尘变异系数较小(0.40～0.51)。树种单叶吸滞能力排序见表2，树种间单叶吸滞能力最大相差980倍；单叶吸滞能力较大的树种以灌木居多，较小的以乔木居多。

表2 单叶和单位叶面积吸滞不同粒径颗粒物质量

不同树种单叶吸滞不同粒径颗粒物的比例间存在显著差异(见表3)，除火炬树、紫叶小檗、小叶黄杨外，其余树种吸滞不同粒径颗粒物的质量均表现为粗颗粒物高于细颗粒物，其中玉兰、杜仲对粗颗粒物吸滞量占吸滞总量的70%以上。不同树种单位面积吸滞不同粒径颗粒物的能力也存在显著差异(见表3)，刺槐、杜仲、玉兰、三球悬铃木这4种树单叶吸滞粗颗粒物的能力超过了单叶吸滞总能力的60%。

表3 单叶和单位叶面积吸滞不同粒径颗粒物比例

3.2 不同功能型树种单叶吸滞总量特征

叶质(革质与纸质)、覆毛状况(覆毛与无毛)和叶片粗糙程度(粗糙与光滑)均未显著影响单叶吸滞量和吸滞能力(见表4)，仅有生活型(乔木和灌木)显著影响单叶吸滞能力，灌木的单叶吸滞能力为(2 149.73±155.84)μg·cm-2，显著大于乔木的(1 012.38±52.15)μg·cm-2。

3.3 叶片大小对单位面积吸滞量的影响

叶片大小对单叶吸滞细颗粒物的能力无明显影响(P=0.43，见图1)，对单叶吸滞粗颗粒物及吸滞总量的能力有显著影响(P<0.05)；但随着叶片面积的增大，单叶吸滞粗、细颗粒物及总量的能力先急剧下降后趋于稳定，呈指数衰减函数变化趋势，其拟合函数分别为y=185.86+3 520.24e-0.166 0x(R2=0.90)、y=220.37+2 577.78e-0.116 3x(R2=0.77)、y=417.78+6 154.57e-0.143 6x(R2=0.86)，拐点(X)分别为17.34、10.37、13.21 cm2。

表4 不同生活型及叶形态对吸滞总量的影响

4 结论与讨论

叶片吸滞总颗粒物能力具有显著的种间差异[19，29]，对兰州市30种绿化树种单叶吸滞量的综合比较发现，火炬树、丝棉木和连翘等吸滞能力较强，杜仲和贴梗海棠较弱，树种间吸滞量最大与最小可达37倍。王会霞等[14]也发现不同绿化树种间吸滞能力存在显著差异，最大可相差40倍，本研究结果与之近似。本研究中紫叶小檗、冬青卫矛、榆叶梅和紫丁香等灌木吸滞能力与王会霞等[14]研究的结果基本一致，即紫叶小檗吸滞颗粒物能力最强、冬青卫矛和榆叶梅次之、紫丁香最弱，这可能与植株高度有关。大气颗粒物的沉积特性和分层效应会引起不同高度植株的吸滞量差异[5-7，11-14]，由于兰州地区紫叶小檗最大株高约90 cm，地表二次扬尘可能会在紫叶小檗叶表面逐渐积累，进而导致其吸滞能力较强。

叶片对不同粒径颗粒物的吸滞具有明显特异性[30]，赵松婷等[31]发现小叶黄杨叶片吸附的颗粒物主要以细颗粒物、超细颗粒物为主；赵云阁等[32-33]对北京9种树木的研究也发现，白蜡吸滞PM2.5能力强，而杨树和柳树则对PM10.0有更强的吸滞能力；对夏季6个绿化树种的研究发现，单位面积PM2.5吸滞量由大到小为：柳树、五角枫、杨树、银杏，且各树种叶片对PM10.0的吸滞量占颗粒物总量的50%以上。本研究发现，不论选取何种指标进行评价，玉兰、杜仲、三球悬铃木、刺槐4种树吸滞粗颗粒物的能力均优于其他树种，叶片吸滞粗颗粒物的量占吸滞总量的60%以上。一方面可能与叶面大小有关，另一方面可能与叶片微形态有关，玉兰与三球悬铃木叶表具绒毛，杜仲叶片则多褶皱，且3种树均具有较大的叶面积，较大的粗颗粒被卡在绒毛与沟槽之间，难以沉降到地面，导致其吸滞粗颗粒物能力较强。但刺槐具有较小的叶面积且叶表平整无毛，其吸滞粗颗粒物依旧较多，具体原因尚需进一步探究。另外，紫叶小檗、小叶黄杨等吸滞粗颗粒物能力最弱，可能与其叶表具有疏水性有关，导致较大颗粒物难以附着，该结果支持了树种对颗粒物吸滞具有特异性和偏向性这一观点[6]。

图1 单叶吸滞量、单位面积吸滞能力随叶面积的变化关系

植物滞尘能力的差异受生活型影响显著[12，34]。有研究发现单位面积吸滞能力以草本植物最大、灌木次之、乔木最小[12，35-37]。本研究中，尽管乔木树种单叶吸滞量大于灌木，但差异未达到显著水平(P=0.16)，而灌木单位面积的吸滞量却显著高于乔木(见表4)，进一步验证了上述观点。灌木株高往往低于乔木，而植株高度又在一定程度上影响着叶片吸滞量差异[37]，行人、车辆和大风可引起地面粉尘的二次沉降，进而干扰乔灌吸滞量差异[37-38]。因此多样化搭配绿化树种，提高绿化树种的空间利用率，可以将吸滞效果发挥到最大。叶片质地与微型态，如纸质、革质、覆毛状况、沟槽深度和粗糙程度等都将影响植物叶片吸滞颗粒物的能力，叶表面的细小绒毛可以将大气颗粒物卡在绒毛之间难以脱离[14，40]，叶表粗糙的网格组织及褶皱使得细小的颗粒物不易被雨水冲刷掉落，因此叶表绒毛越多、粗糙度越大、沟槽越深则叶片滞尘能力越强[41-43]。本研究中，尽管革质、无毛、光滑叶片优于纸质、覆毛、粗糙叶片的吸滞能力，但单因素方差分析发现叶片质地、覆毛与否、粗糙程度对单叶吸滞量和单叶吸滞能力的影响均不显著，与部分研究结果相异，这可能与取样树种的数量与叶表微型态有关，取样数量引起的总叶面积不均掩盖了个体间差异状况，而叶表微型引起的滞尘差异忽略了叶面积的影响，另外吸滞量指标的选取也会使得植物吸滞能力出现较大分异[44]。

不论物种类型还是叶片特征影响吸滞量的表达时多为单叶吸滞量、单叶吸滞能力或单株吸滞量[29，44-45]。在吸滞量一定时，单叶吸滞能力主要取决于叶面积绿量，绿量越大吸滞能力越强[17]。本研究发现，叶面积大小极显著地影响着兰州市主要绿化树种单叶吸滞颗粒物能力，随着叶片面积增大，单叶吸滞能力先急剧下降后渐趋稳定，采用指数衰减函数拟合并计算叶面积-吸滞能力间的转折点后发现，叶面积分别为17.34、10.37、13.21 cm2时，达到吸滞细颗粒物、粗颗粒物和吸滞总能力的临界点，超过临界值后随叶面积增大吸滞量变化逐渐趋近于0。叶面积吸滞量临界值如何影响叶片吸滞能力，具有怎样的生物学意义，尚需进一步探究。

30种树种对不同粒径颗粒物的吸滞量存在特异性，其中，树种生活型仅对单位面积叶片吸滞量有显著影响，而叶表形态对单位面积叶片吸滞量和单叶吸滞量均无显著影响，随着叶片面积的增大，单位面积吸滞粗、细颗粒物及总量的能力先急剧下降后趋于稳定。