楊 冰, 丁訪軍, 劉延惠, 袁叢軍, 趙文君, 侯怡菊, 舒德遠(yuǎn)

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院, 貴州 貴陽 550005)

0 引言

隨著城市化的迅速發(fā)展,大氣懸浮顆粒物(PM)已經(jīng)成為一種嚴(yán)重的大氣污染物,總懸浮顆粒物記為TSP.大氣中PM10、PM2.5等空氣動力學(xué)直徑小于10 μm的顆粒物,是對人類健康影響較為嚴(yán)重的物質(zhì)[1-4].城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,綠地植物是改善城市環(huán)境的主體,它們可有效降低大氣顆粒物濃度,森林通過阻塵、滯塵、降塵和減塵等途徑去除空氣中的顆粒物,從而發(fā)揮其凈化大氣的功能[5-8].

植物滯塵是個復(fù)雜的動態(tài)過程,葉片微形態(tài)、葉面傾角、樹冠高度、枝葉密度以及氣象條件等因素都能影響植物的滯塵效應(yīng).從微觀上來說,植物的葉片能夠通過葉面氣孔吸收等途徑去除大氣中的顆粒物[9],吸附在葉片上的顆粒物一部分存在于葉片表面,另一部分被固定于植物蠟質(zhì)層中[10],葉片結(jié)構(gòu)影響著植物的滯塵能力.從宏觀上來說,喬木憑借其茂密的林冠和較大的葉面積,比灌木和草本植物滯塵能力更強.不同樹種對大氣顆粒物的吸附能力差異很大.對英格蘭東南部5個城市的樹木滯塵的研究發(fā)現(xiàn),松屬植物捕獲顆粒物能力最強,楊屬最弱[11].Tiwary等[12]發(fā)現(xiàn)松樹的吸附顆粒物的能力是闊葉樹種的2倍.研究表明針葉樹種葉片滯塵能力強于闊葉樹種.

外界的環(huán)境因素也對植物滯塵有著很大影響.在大氣環(huán)境背景相似的條件下,不同地點的大氣顆粒物在來源組成和葉面滯塵量上均有顯著的差異,這些差異主要是由于植物所處環(huán)境的差別所造成的[13].研究表明,植物對顆粒物的吸附有一個限度,超過這個極限,效果就會下降,直至處于一個動態(tài)平衡[14],在樹種葉片滯塵能力達到極限之前,葉片的滯塵量隨著環(huán)境中粉塵含量的增多而增大[15].植物在不同季節(jié)中生長發(fā)育狀況不同,外界氣候環(huán)境差別也較大,對大氣顆粒物的阻滯作用存在差異,呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化.有研究認(rèn)為,植物對大氣顆粒物的吸附具有明顯的季節(jié)變化,其變化規(guī)律與植物的生長期基本保持一致,夏、秋季植物生長旺盛,滯塵能力較高,春、冬季較低[16].但有一些研究結(jié)果顯示,夏季降水量大,雨水對葉片沖刷較多,植物的滯塵量反而比較小,春、秋季降水量較少,對顆粒物的吸附滯留量增多,與空氣中大氣顆粒物含量季節(jié)動態(tài)變化相一致[17].

本文以柳杉為主要研究對象,研究不同季節(jié)、不同生境(林內(nèi)、林外)條件下柳杉葉片對大氣中顆粒物的吸附情況,并比較柳杉與杉木、水杉葉片滯塵情況,分析影響針葉樹種葉片吸附顆粒物的因素,為進一步研究植物對顆粒物的吸附能力和城市綠化樹種選擇與配置提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況貴陽是中國森林之城,城郊的針葉林在城市森林中占有很大比重,結(jié)合植被分布狀況、氣候條件等因素,選擇貴州省林業(yè)科學(xué)研究院(以下簡稱“林科院”)辦公區(qū)和試驗林場作為采樣點,林科院位于貴陽市東南郊,距市區(qū)8 km,地理位置為東經(jīng)106°44′,北緯26°29′,屬亞熱帶氣候,年平均氣溫15.2 ℃,極端最高氣溫35.4℃,極端最低氣溫-7.8 ℃,年降雨量1 198.9 mm,年平均風(fēng)速2.2 m/s,年平均相對濕度77%,全年日照時數(shù)1 412.6 h,無降霜期278 d[18].貴州省林科院試驗林場總面積為1 227.0×107m2,主要植被類型包括馬尾松、杉木、柳杉,另外引種栽培有鵝掌楸、北美紅杉、銀杉、日本柳杉、火炬松、紅楓、櫻花、紅豆杉、四照花和油橄欖等樹種以及木蘭科植物.

1.2 樣樹選擇及采樣方法為研究生長環(huán)境和季節(jié)對滯塵情況的影響,分別在柳杉與杉木純林中選擇生長良好的林木各3株(試驗區(qū)無水杉林分),代表林內(nèi)生境樣樹,選擇柳杉、水杉孤立木各3株(杉木無孤立木樣樹),代表林外生境樣樹.采樣點分布如圖1所示.

圖 1 采樣點分布

柳杉葉片采集時間為2015年10月20日(秋季)、2016年12月5日(冬季)、2017年3月28日(春季)、2017年8月14日(夏季),杉木和水杉葉片采集時間為2017年8月14日.所有樣品采集時間都為降雨后3 d,每次采樣在1 d內(nèi)完成.選取的樣樹樹齡相近、狀況良好且沒有病蟲害,根據(jù)樣樹自身的高度特點,用高枝剪從上、中、下不同樹冠高度,及東、南、西、北不同方位分別采集新鮮葉片200 g左右,混成1份樣品放入自封袋內(nèi),每株樣樹采集3份樣品作為重復(fù).采集過程中應(yīng)盡量防止葉表面顆粒物掉落,采集完成的葉片及時進行實驗處理.

1.3 葉片不同粒徑顆粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)吸附量測定將待測樣葉置于氣溶膠再發(fā)生器(QRJZFSQ-Ⅱ)料盒內(nèi),利用風(fēng)蝕原理,將樣葉上滯留的顆粒物吹起、混勻,再次產(chǎn)生氣溶膠,每份樣品3次重復(fù).使用連接在氣溶膠再發(fā)生器上的環(huán)境粉塵檢測儀(DUSTMATE,Turnkey公司,英國)測試箱內(nèi)和環(huán)境中的TSP、PM10、PM2.5以及PM1氣溶膠濃度,并用儀器自帶程序計算各類顆粒物的質(zhì)量m(μg/cm2)[19].

1.4 葉面積測定及單位葉面積吸附顆粒物量計算把測量完的闊葉樹種的葉片放入掃描儀掃描,使用Photoshop軟件對掃描的圖像進行處理,運用葉面積分析軟件計算葉面積S(cm2).

單位葉面積吸附顆粒物量依據(jù)以下公式計算:

其中,Mi是不同樹種單位葉面積吸附的不同粒徑顆粒物的質(zhì)量(μg/cm2),i為不同樹種,j為顆粒物種類,n=3.

1.5 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析主要采用Microsoft Office Excel 2007和SPSS18.0,采用單因素方差分析比較葉面滯塵量的差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)林內(nèi)柳杉葉片滯塵量分析采集不同季節(jié)林內(nèi)柳杉葉片,計算不同季節(jié)單位面積柳杉葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量(見圖2).由圖1可知,柳杉葉片對TSP和PM10的吸附量:春季>夏季>秋季>冬季;春季吸附TSP和PM10最多,分別為(2.033 3±0.347 1) μg/cm2和(0.895 0±0.165 0) μg/cm2;冬季吸附TSP和PM10最少,分別為(1.138 2±0.439 5) μg/cm2和(0.473 3±0.167 4) μg/cm2.而粒徑較小的PM2.5和PM1在秋季的吸附量最高,分別為(0.073 7±0.056 2) μg/cm2和(0.010 8±0.007 4) μg/cm2.

柳杉對粒徑較小的PM2.5和PM1的吸附量在秋季明顯比其他季節(jié)高,有研究表明空氣中較大粒徑的顆粒物在重力作用下容易在近地面沉降,粒徑較小的顆粒物能夠在空氣中長時間懸浮[20],秋季較為干燥,空氣中粒徑較小的顆粒物較多,同時柳杉葉片氣孔較小,大量小粒徑的顆粒物可通過氣孔被植物體吸附,而粒徑較大的顆粒物(如TSP、PM10)卻不容易吸附在葉片表面.

圖 2 不同季節(jié)林內(nèi)柳杉葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量

2.2 不同環(huán)境下柳杉葉片滯塵量分析林內(nèi)和林外2種生境下的柳杉葉片各粒徑顆粒物平均吸附量的比較如圖3.林外和林內(nèi)的TSP吸附量分別為(1.723 4±0.650 1) μg/cm2和(1.462 2±0.481 0) μg/cm2；PM10吸附量分別為(0.740 6±0.273 5) μg/cm2、(0.630 3±0.220 4) μg/cm2；PM2.5吸附量分別為(0.058 0±0.044 5) μg/cm2和(0.038 2±0.016 1) μg/cm2；PM1吸附量為(0.005 9±0.006 9) μg/cm2和(0.002 9±0.001 8) μg/cm2.

林外柳杉葉片對TSP、PM10、PM2.5、PM1粒徑顆粒物的吸附量都大于林內(nèi).有研究發(fā)現(xiàn)，同種植物在封閉式環(huán)境條件下葉片滯塵量明顯低于開敞式環(huán)境條件下的滯塵量,也就是說同種植物葉片滯塵量隨著環(huán)境中粉塵顆粒物含量的增多而增大[21～22],所以林外比林內(nèi)空氣中的粉塵顆粒物含量高.

圖 3 不同環(huán)境條件下柳杉葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量

2.3 柳杉與杉木葉片滯塵量比較分析柳杉和杉木葉片采集于林內(nèi)環(huán)境,采集時間為2017年8月14日,林內(nèi)環(huán)境下柳杉和杉木對不同粒徑顆粒物的吸附量見圖4.由圖4可知,單位面積柳杉葉片TSP、PM10、PM2.5和PM1吸附量都大于杉木葉片.其中,柳杉TSP吸附量為(1.712 0±0.210 6) μg/cm2,杉木為(0.523 3±0.038 5) μg/cm2；柳杉PM10吸附量為(0.748 3±0.070 5) μg/cm2,杉木為(0.222 7±0.024 1) μg/cm2；柳杉PM2.5吸附量為(0.038 3±0.007 5) μg/cm2,杉木為(0.013 0±0.003 6) μg/cm2；柳杉PM1吸附量為(0.001 7±0.000 6) μg/cm2,杉木為(0.001 3±0.000 6) μg/cm2.這說明柳杉葉片的滯塵能力大于杉木葉片的滯塵能力,其原因可能與葉表面結(jié)構(gòu)有關(guān)系,柳杉和杉木的葉表面電鏡掃描圖如圖5.

結(jié)合葉表面形態(tài)及葉片滯塵量分析,上表面表皮光滑的杉木葉片滯塵量較小,其上表面僅有很淺的條紋狀溝槽,下表面有排列整齊且密集的瘤狀突起,而這種結(jié)構(gòu)可能較難滯留顆粒物；柳杉葉片滯塵量較大,其葉表面不僅有瘤狀突起,還具有較深的條紋狀溝槽,在電鏡下可看出瘤狀突起存在于角質(zhì)化條紋狀的溝槽里,這些溝槽為容納顆粒物提供了更多的空間,溝槽內(nèi)的瘤狀物分布不均勻,有些地方瘤狀物排列密集，聚集成團狀,而有的地方卻較為稀少,柳杉葉表面的這種結(jié)構(gòu)起到了一定滯留顆粒物的作用.這些瘤狀物可能是針葉通過計算得出內(nèi)合成的一種物質(zhì)存留在葉表面,也可能是某些腺體的分泌物,瘤狀突起物對植物的針葉可以起到一種保護作用,同時也是葉表面堆積較多顆粒物的重要原因[23].

圖 4 柳杉與杉木對不同粒徑顆粒物的吸附量

Fig.4TheadsorptioncapacityofdifferentparticlesizesofCryptomeriafortuneiandCunninghamialanceolate

柳杉 杉木(正面) 杉木(背面)

2.4 林外柳杉與水杉葉片滯塵量比較分析林外環(huán)境下柳杉和水杉對不同粒徑顆粒物的吸附量,見圖6.

由圖6可知,單位面積柳杉葉片吸附TSP、PM10和PM2.5量都大于單位面積水杉葉片,但吸附PM1的量柳杉葉片卻小于水杉葉片.其中,TSP吸附量：柳杉為(1.712 0±0.210 5) μg/cm2,水杉為(1.607 7±0.225 2) μg/cm2；PM10吸附量：柳杉為(0.748 3±0.070 5) μg/cm2,水杉為(0.649 0±0.122 5) μg/cm2；PM2.5吸附量：柳杉為(0.038 3±0.007 5) μg/cm2,水杉為(0.026 7±0.006 0) μg/cm2；PM1吸附量：柳杉為(0.001 7±0.000 5) μg/cm2,水杉為(0.002 7±0.000 5) μg/cm2.水杉PM1的吸附量大于柳杉,但總體來說,柳杉在吸附空氣顆粒物方面強于水杉.

3 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明,柳杉葉片對TSP和PM10的吸附量春季>夏季>秋季>冬季,而柳杉對粒徑較小的PM2.5和PM1的吸附量在秋季明顯比其他季節(jié)高.由于同種類植物葉片滯塵量隨著環(huán)境中粉塵顆粒物含量的增多而增大,在對柳杉葉片林內(nèi)、林外2種環(huán)境下的滯塵量進行比較研究時,發(fā)現(xiàn)柳杉符合這一規(guī)律,林外柳杉葉片對TSP、PM10、PM2.5和PM1粒徑的顆粒物的吸附量都大于林內(nèi).比較發(fā)現(xiàn),柳杉葉片的滯塵能力總體上說大于其他2種針葉樹種.

圖 6 柳杉和水杉葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量

柳杉與其他2種針葉樹種(杉木和水杉)不同類型樹種吸附顆粒物的能力存在較大差異.周瑞玲等[23]研究表明:不同類型樹種的滯塵能力高低順序為針葉喬木、灌木、闊葉喬木.針葉樹種葉片細(xì)小、枝莖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并全年處于有葉期,因此可以更有效地吸附大氣顆粒物.因此,在園林綠化和道路綠化中,在種植常綠闊葉樹種以及落葉闊葉樹種外,還應(yīng)考慮搭配一些針葉樹種,形成一個針葉樹種和闊葉樹種混交的合理群落結(jié)構(gòu).

本研究中的柳杉葉片對空氣顆粒物有著較強的吸附能力,這與柳杉的葉表面結(jié)構(gòu)有關(guān),柳杉葉片表面不僅有瘤狀突起,而且具有較深的條紋狀溝槽,瘤狀突起存在于角質(zhì)化條紋狀的溝槽里,這些具有不規(guī)則分布瘤狀突起的溝槽為容納顆粒物提供了較多的空間,是葉表面堆積較多顆粒物的重要原因.從形態(tài)外觀上來看,柳杉是常綠喬木,樹姿秀麗,樹形圓整高大,最適于列植,或于風(fēng)景區(qū)內(nèi)大面積群植成林,是良好的綠化觀賞樹種.柳杉用作城市綠化,既可增強景觀的觀賞性,也可以豐富生物多樣性，產(chǎn)生較好的環(huán)境效益.