段嵩嵐,閆淑君,吳艷芳,金妍超,田高飛,劉 震,陳 瑩
(福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院,福建 福州 350002)
工業(yè)化及城市化程度的加深使可吸入顆粒物污染問題日益嚴(yán)重,影響人體健康、大氣能見度和全球氣候變化的大氣顆粒物污染問題愈加突出[1]。園林植物通過阻滯吸附等物理和化學(xué)方式顯著消減大氣顆粒物[2-4],細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物可直接通過氣孔被植物體吸收參與生理循環(huán)[5];蒙塵葉片經(jīng)雨水淋洗后又恢復(fù)吸附能力,可重復(fù)利用[6];一定污染程度下,植物葉片結(jié)構(gòu)隨污染程度的不同會有適應(yīng)性的改變,但仍能正常健康生長[7-8],因此植物可以有效凈化城市空氣質(zhì)量。但植物葉片對顆粒物的滯留是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程,受到氣象(風(fēng),溫度,濕度,降雨等)、季節(jié)、滯留累積時間、所處位置、植物結(jié)構(gòu)以及植物本身的生理生態(tài)特征等諸多因素影響[9-10]。此外,大氣環(huán)境中的顆粒物與植物葉片滯留的顆粒物互為“源” 和“匯”,而大氣顆粒物的時空分布具有一定規(guī)律[11-12],因此植物滯留顆粒物也具有一定的時空效應(yīng)。目前的研究多集中在植被吸附顆粒物的能力、過程、作用機(jī)理等方面[13-20],但結(jié)合植被信息、大氣顆粒物的時空分布特征以及葉片著生角度等因素的綜合性研究仍較少。本文通過對福州市15種常用綠化灌木四季、4條不同交通密度的道路以及4個不同范圍著生角度葉片滯留顆粒物的能力進(jìn)行研究,得出植物滯留顆粒物的時空變化規(guī)律及其影響因素,為大氣顆粒物的定期定向的污染防控以及四季和小區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)揮最佳滯留效果的灌木配置提供參考依據(jù)。
1.1.1 供試灌木種類 本研究選取福州市道路常用的15種綠化灌木:朱蕉(Cordylinefruticosa,Cf)、非洲茉莉(Fagraeaceilanica,Fc)、紅背桂(Excoecariacochinchinensi,Ec)、鵝掌柴(Scheffleraoctophylla,So)、黃金榕(Ficusmicrocarpa‘Golden Leaves’ ,Fm)、龍船花(Ixorachinensis,Ic)、夾竹桃(Neriumindicum,Ni)、花葉假連翹(Durantarepens‘Variegata’ ,Dr) 、毛杜鵑(Rhododendronpulchrum,Rp)、金葉假連翹(Durantarepens‘Dwarf Yellow’ ,Dd)、紅花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum,Lc)、紅絨球(Calliandrahaematocephala,Ch)、雀舌梔子(Gardeniaaugustavar.radicans,Ga) 三角梅(Bougainvilleaspectabilis,Bs)、小葉黃楊(Buxusmicrophyllavar.sinica,Bm)。
1.1.2 采樣時間與地點(diǎn) 所有滯塵過程均通過降水將塵埃顆粒洗出葉表完成[21],15 mm的雨量就可以沖掉植物葉片的降塵[21-22],然后重新滯塵。按照福州氣象條件的劃分方法,春、夏、秋、冬四季分別為3-5月、6-9月、10-11 月、12-次年2月。采樣位置見圖1,滯留顆粒物季節(jié)變化試驗(yàn)于(雨后1周)秋季(2015.11.8)、冬季(2016.1.3)、春季(2016.3.30)、夏季(2016.5.29)于閩江大道對15種灌木進(jìn)行采樣;位置變化試驗(yàn)(雨后1周,2016.1.3)依到市中心的距離選取二環(huán)內(nèi)道路(白馬北路),二環(huán)至三環(huán)間道路(江濱西大道和閩江大道),三環(huán)快速路4條道路上立地環(huán)境相同(灌木距每條道路距離相同,采樣點(diǎn)均為位于道路兩側(cè)人行橫道附近的綠化帶,每種灌木采樣位置均為單一灌木綠化,上方無喬木遮擋)、樹形相近的11種重復(fù)樹種,減少因個體差異而導(dǎo)致其對顆粒物吸附量的差別;由于試驗(yàn)組數(shù)較多,葉片著生角度試驗(yàn)(雨后1周, 2016.5.6)在白馬北路通過最大滯留顆粒物方法選取5種典型樹種,葉片著生角度以地平面為基準(zhǔn),與地面平行記為0°,偏離地面水平向上30°以內(nèi)的,記為0°~ 30°,偏離地平面水平向上在 30°和60°以內(nèi)的,記為30°~ 60°;依次類推,偏離地平面水平向上在 30°和60°以內(nèi)的、60°和90°以內(nèi)的,分別記為30°~ 60°和60°~ 90°;偏離地平面水平向下的,則全部記為90°~ 180°。試驗(yàn)前,選取不同角度葉片各15片(小型葉30片)系細(xì)繩標(biāo)記。依葉片類型確定數(shù)量,較大的種類包括非洲茉莉、紅背桂、鵝掌柴、黃金榕、龍船花、夾竹桃、花葉假連翹每組20片,特大的朱蕉5片,較小的種類包括毛杜鵑、金葉假連翹、紅花檵木、紅絨球、雀舌梔子、三角梅、小葉黃楊30片,復(fù)葉植物鵝掌柴、紅絨球以小葉計。各灌木葉片在四季、4條道路和4個著生角度的采樣數(shù)量分別均相同,每次試驗(yàn)前的降雨量均超過15 mm。
1.2.1 葉片處理 每種綠化灌木設(shè)置3組重復(fù)試驗(yàn),即將個灌木葉片分為等量的3組,各自放于3個已編號盛有蒸餾水的燒杯中,浸泡1~2 h,用小毛刷多次重復(fù)清洗葉片上下表面的附著物。
1.2.2 滯塵量及滯留細(xì)顆粒物量的測定 葉片總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量的測定方法參照洪秀玲[14]的水洗-濾膜法結(jié)合比例換算。
1.2.2.1 總滯塵量的測定 將各灌木編號的洗滌液直接用燒杯定容,待視線與刻度線齊平時讀取讀數(shù),記為V1,用恒溫磁力攪拌器攪拌洗滌液5~10 min至均勻分散,并移取15 mL于提前稱重(M1)的培養(yǎng)皿中,記為V2,將盛有洗滌液的培養(yǎng)皿置于60℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中烘干至恒重(2次測定值≤0.000 2 g),用0.000 1 g天平(CP114,奧豪斯儀器(上海)有限公司))稱量獲得顆粒物質(zhì)量M2;按照式(1)計算溶液顆粒物總量M總。
(1)
1.2.2.2 植物滯留不同粒徑顆粒物量的測定 將孔徑為10 μm和2.5 μm的微孔濾膜(含培養(yǎng)皿)(北京海成世潔過濾器材有限公司)烘干至恒重(M3)和(M4),取相應(yīng)級別濾膜依次進(jìn)行過濾,然后將2次過濾后的微孔濾膜(含培養(yǎng)皿)分別放于60℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重并稱量,記為(M5)、(M6)與干凈濾膜(含培養(yǎng)皿)的質(zhì)量差即為相應(yīng)粒徑范圍內(nèi)顆粒物量。依式(2)、式(3)計算洗滌液中Dp>10 μm、2.5 μm (2) (3) M9=M總-M7-M8 (4) M10=M9+M8 (5) 1.2.3 葉面積測定 葉面積測定采用輔助數(shù)碼相機(jī)拍照法[23-24]:將待測葉片和一元硬幣擺放于A3白紙上,利用數(shù)碼相機(jī)拍照獲取圖像。在Photoshop6.0軟件中打開圖像,通過“魔棒工具”選定硬幣周邊輪廓,再通過“圖像”菜單下的“直方圖”選項(xiàng),可得硬幣像素A1;通過同樣方式得葉片像素數(shù)A2;依式(6)得葉片總面積S2。 (6) 用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、圖表制作,用SPSS22.0對樹種不同季節(jié),不同空間總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量指標(biāo)的差異進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)并進(jìn)行LSD顯著性檢驗(yàn),用字母標(biāo)記法表示差異顯著性,處理間平均值差異顯著水平(P<0.05)。 注:Site A:二環(huán)內(nèi)道路-白馬北路;Site B:二環(huán)至三環(huán)間道路-江濱西大道;Site C:二環(huán)至三環(huán)間道路-閩江大道;Site D:三環(huán)快速路-福建農(nóng)林大學(xué)段。 圖1樣地位置分布 Fig.1 The distribution of the sample positions 2.1.1 滯留顆粒量的季節(jié)變化 15種綠化灌木四季葉片總滯塵、滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒的能力受季節(jié)和樹種影響(表1)。大部分樹種滯留顆粒物的能力呈現(xiàn)出秋季最少,春季或冬季最多的規(guī)律。金葉假連翹冬季滯留顆粒物的量可達(dá)秋季的8倍。方差分析表明,季節(jié)變化顯著影響非洲茉莉、黃金榕、夾竹桃(總滯塵方面包括龍船花和金葉假連翹)等8個樹種的總滯塵和滯留粒徑<10 μm顆粒能力(P<0.05),秋季低于其他季節(jié),而不影響大部分樹種滯留粒徑<2.5 μm顆粒的能力(P>0.05)。 不同樹種在同一季節(jié)滯留顆粒物的能力差異顯著(P<0.05),紅花檵木春季的滯留量(總滯塵、滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒)顯著高于其他樹種,分別可達(dá)3.101 6、2.504 8 g·m-2和1.879 8 g·m-2;小葉黃楊、雀舌梔子、金葉假連翹、紅絨球夏季的滯留量顯著高于其他樹種,變化范圍在3.196 3~3.569 7、2.405 0~3.288 7 g·m-2和2.342 5~2.713 5 g·m-2;雀舌梔子、毛杜鵑秋季的滯留量顯著高于其他樹種,變化范圍為1.139 7~3.196 3、1.113 9~1.376 6 g·m-2和1.033 5~1.155 2 g·m-2;毛杜鵑和金葉假連翹冬季的滯留量顯著高于其他樹種,變化范圍為2.786 7~3.572 3、2.381 2~2.565 0 g·m-2和2.180 2~2.384 1 g·m-2。 表1 葉片單位葉面積滯留顆粒物能力分析(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差) 注:同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。 2.1.2 不同季節(jié)滯留顆粒物粒徑特征 15種灌木四季單位葉面積滯留降塵(Dp>10 μm)、粗顆粒(2.5 μm 2.2.1 不同道路環(huán)境對滯留顆粒物的影響分析 11種灌木單位葉面積總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量隨空間位置變化而變化(圖2~圖4)。黃金榕、雀舌梔子、金葉假連翹、紅絨球、鵝掌柴、花葉假連翹等在三環(huán)快速路的總滯塵量最小,大部分樹種滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒的量基本呈現(xiàn)江濱西大道>白馬路>閩江大道>三環(huán)的規(guī)律。方差分析表明,道路環(huán)境顯著影響黃金榕、毛杜鵑、金葉假連翹等7個樹種的總滯塵能力(P<0.05),而不影響大部分樹種滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒的能力(P>0.05)。 2.2.2 葉片著生角度對滯留顆粒物的影響分析 為研究葉片著生角度對滯塵的影響,選5種灌木進(jìn)行研究,灌木不同著生角度總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒能力不同(圖5a、圖5b、圖5c)。滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒能力在各角度范圍的規(guī)律相同,毛杜鵑、鵝掌柴和黃金榕的滯留能力呈現(xiàn)60°~90°>30°~60°>0°~30°>90°~180°的規(guī)律,且總滯塵量也在60°~90°內(nèi)最大。方差分析表明,葉片著生角度顯著影響除紅花檵木(滯留粒徑<10 μm顆粒包括紅背桂)外其他樹種的總滯塵和滯留粒徑<10 μm顆粒的能力(P<0.05),而對鵝掌柴、紅背桂和紅花檵木等樹種滯留粒徑<2.5 μm顆粒的能力無顯著影響(P>0.05)。 表2 葉片單位葉面積滯留顆粒物粒徑質(zhì)量分布 注:D1,白馬北路;D2(J),江濱西大道;D2(M),閩江大道;D3,三環(huán)快速路。圖3、圖4同。 圖3 11種綠化灌木4條道路單位葉面積滯留粒徑<10 μm顆粒量比較 圖4 11種綠化灌木4條道路單位葉面積滯留粒徑<2.5 μm顆粒量比較 圖5 綠化灌木4種葉片著生角度單位葉面積總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量比較 城市大氣顆粒物多受交通、工業(yè)、生活排放物、氣象因素及人為活動影響。植物環(huán)境利于形成湍流,增強(qiáng)了滯留能力;氣象因素通過改變植物物候期及顆粒物濃度影響其滯留能力[25-28]。福州市非采暖與重工業(yè)區(qū),顆粒物源排放受沙塵暴和人類過度活動影響較少,天氣狀況主要影響PM10和PM2.5濃度[29]。研究表明,一定風(fēng)速范圍內(nèi)大氣顆粒物與風(fēng)速、空氣溫度呈負(fù)相關(guān),而與空氣相對濕度呈正相關(guān),細(xì)顆粒物受影響更大[30-31]。福州冬、春季低溫濕潤,相對靜風(fēng)的氣象狀態(tài)易造成顆粒物的嚴(yán)重聚集,而夏、秋季高溫少雨,空氣干燥,太陽輻射強(qiáng),風(fēng)速較大,大氣對流和湍流活動旺盛,逆溫層易被打破,加快空氣流動,利于顆粒物的稀釋和擴(kuò)散,所以春、冬季顆粒物的滯留量大于夏、秋季。春季較冬季,大氣顆粒物背景濃度較低,且多數(shù)灌木葉片為幼葉,絨毛、腺點(diǎn)、小室、氣孔等吸附顆粒物的生理結(jié)構(gòu)不完善,滯留能力略弱于冬季,因此,樹種冬季的滯留量最大;秋季持續(xù)有風(fēng)的氣象促進(jìn)了顆粒物的擴(kuò)散,樹種秋季的滯留量最小。綜上所述,綠化灌木四季滯留顆粒物能力與大氣顆粒物含量季節(jié)動態(tài)變化一致。 各樹種秋季滯留Dp<2.5 μm顆粒占總滯塵的質(zhì)量比最大,主要與植物滯留細(xì)顆粒的方式和福州秋季持續(xù)有風(fēng)的氣象條件相關(guān),植物主要依靠自身葉片表面的一些細(xì)微結(jié)構(gòu)如氣孔、深溝壑、粗糙表皮、絨毛、小室等形態(tài)通過附著的方式滯留Dp<2.5 μm顆粒[21],且不易受風(fēng)的影響較為穩(wěn)定,而降塵是以停著的方式被滯留,易受風(fēng)和降雨的影響迅速脫落,效果弱;其次,福州市秋季適合植物生長,適于其的生長期導(dǎo)致其生理生態(tài)如蒸騰作用旺盛及葉表發(fā)達(dá)[27],增強(qiáng)了植被滯留Dp<2.5 μm顆粒的能力。進(jìn)入生長期的植物,萌發(fā)狀態(tài)的新葉數(shù)量增加,單葉面積不斷增大,導(dǎo)致總體葉面積顯著增大;葉綠素的形成增強(qiáng)了植物代謝,促進(jìn)了植物與外界的物質(zhì)和氣體交換,以及增加的開放氣孔均可提高植物滯留Dp<2.5 μm顆粒的效率。此外,王琴[33]利用PMF模型解析得二次源為北京市PM2.5年均貢獻(xiàn)率最大的來源,福州市夏秋季二次粒子對PM2.5的貢獻(xiàn)率高于其他污染源,也增大了秋季各樹種滯留Dp<2.5 μm顆粒的比例。春季沿海區(qū)域偏北風(fēng)引導(dǎo)的北方沙塵或上游污染物擴(kuò)散至福州,造成一部分浮塵和揚(yáng)沙[34],春季滯留的粗顆粒物的百分比最大。 研究表明,葉片吸附顆粒物能力與環(huán)境整體顆粒物的濃度水平、粒徑組成及塵源距離密切相關(guān),且未達(dá)極限前隨空氣污染的加重而增強(qiáng)[13,35-36];相同氣象條件下,交通車輛是顆粒物污染的主要來源,交通量越大,顆粒物濃度越高[36],因此樹種在三環(huán)快速路的總滯塵量最小。而滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒的量基本呈現(xiàn)江濱西大道>白馬路>閩江大道>三環(huán)快速路的規(guī)律,江濱西大道沿江公園的施工和綠化面積大于白馬路導(dǎo)致江濱西大道顆粒物的濃度高于白馬路。此外,不同道路距離較遠(yuǎn),各區(qū)溫度、濕度、太陽輻射等氣象條件也會導(dǎo)致植物滯留能力的差異[37]。 植物滯留顆粒物能力與葉片著生角度有關(guān),著生角度向上,與水平面夾角越小(即60°~90°范圍)的葉片,接受顆粒物的面積大,降塵、粗顆粒物受重力沉降到地面和細(xì)顆粒物受風(fēng)和其他氣流影響擴(kuò)散較少,總滯塵、滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒能力最強(qiáng),而著生角度向下的葉片則易造成顆粒物的滑落和擴(kuò)散。角度或道路環(huán)境不影響植物滯留粒徑<2.5 μm顆粒的能力,這與細(xì)顆粒在空氣中停留時間長,傳播距離遠(yuǎn)有關(guān)。 形狀狹長、復(fù)葉或多裂的葉片易形成湍流,比表面積大,利于滯留顆粒物[27];葉表粗糙,被絨毛,主脈明顯,有溝壑和小室等微結(jié)構(gòu)易滯留顆粒物[19,38]。本研究中,葉片被絨毛類樹種如毛杜鵑、紅花檵木和紅絨球;高氣孔密度和厚蠟質(zhì)層以及網(wǎng)狀脈樹種如黃金榕、雀舌梔子;表面粗糙或深葉脈及深溝壑樹種如朱蕉、金葉假連翹等樹種四季,4條道路的總滯塵、滯留滯留Dp<10 μm和Dp<2.5 μm顆粒的能力均較強(qiáng),說明葉片與滯留顆粒物相關(guān)的特性基本不受季節(jié)和道路環(huán)境影響。綠化配置中應(yīng)主要選擇福建茶、毛杜鵑、紅絨球、紅花檵木、巴西野牡丹、木芙蓉、紅花蘆莉、馬纓丹等被絨毛類和黃金榕、梔子、雀舌梔子、小葉黃楊、法國冬青、海桐、灑金桃葉珊瑚、含笑、琴葉珊瑚等高氣孔密度和厚蠟質(zhì)層以及朱蕉、金葉假連翹、花葉假連翹、三角梅、紅背桂等灌木。然而,過量的顆粒物也會使植物生理機(jī)能降低甚至消失[38],在借助植物滯留顆粒物的同時,應(yīng)加以保護(hù),合理的澆水養(yǎng)護(hù),修剪以維持一定高度與著生角度,密植等均利于其生長及滯留顆粒物。此外,有研究表明,機(jī)動車尾氣是細(xì)顆粒物PM2.5的首要影響因子[34],有必要進(jìn)一步加強(qiáng)對福州市機(jī)動車尾氣污染的治理工作,減輕植物負(fù)擔(dān),利于其長效發(fā)揮滯留效應(yīng)。 參考文獻(xiàn): [1] 胡敏,唐倩,彭劍飛,等.我國大氣顆粒物來源及特征分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2011,36(5):15-19. 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2 結(jié)果與分析
2.1 綠化灌木葉片滯留顆粒物能力的季節(jié)變化規(guī)律
2.2 綠化灌木滯留顆粒物空間變化研究
3 結(jié)論與討論
3.1 植物葉片滯留顆粒物能力的季節(jié)變化
3.2 植物葉片滯留顆粒物能力的空間變化
3.3 不同時空強(qiáng)滯留顆粒物能力樹種篩選