园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律.docx

园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律赵松婷，李新宇*，李延明北京市园林科学研究院，园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室，北京 100102摘要：为研究常用园林植物滞留大气颗粒物的能力，本文以北京市常用园林植物为例，应用直接采样、电镜分析和统计分析 的方法，对选定园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律进行了系统分析。结果表明：（1）园林植物滞留的颗粒物形 状为不规则块体、球体和聚合体，通过对比分析得出，滞留大气颗粒物能力由高到低的微形态结构依次是蜡质结构绒毛 沟槽条状突起，并且这些微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物。（2）以园林植物叶片滞留颗粒物 的数量进行统计时，得出园林植物叶片表面大部分为 pm10(dp10 m)，均在 98%以上，而 pm2.5(dp2.5 m)均在 90%以 上，粗颗粒物（dp10 m）的数量对总体数量的贡献非常小，均在 2%以下；以体积进行统计时，得出 pm10 的体积在总体 积中的比例在 50%以上，对颗粒物总体积贡献最大，滞留的 pm2.5 体积占总体积 8.5%-17.6%，粗颗粒物（dp10 m）体积 占总体积 20%以上。（3）对园林植物滞留颗粒物累积规律分析得出：在相同观测叶面积下，园林植物滞尘 10 d 的叶表面颗 粒物数量较滞尘 5 d 的叶表面颗粒物数量均有所增加，增幅最大的是小叶黄杨（buxus microphylla），增幅最小的是月季（rosa chinensis），通过方差分析得出绦柳（salix matsudana f.pendula）叶表面颗粒物数量显著低于除银杏（ginkgo biloba）之外的 其它 7 种树种，大叶黄杨（euonymus japonicus）、小叶黄杨和国槐（ sophora japonica）叶表面滞留颗粒物的数量较多，并 且显著高于月季、银杏和绦柳叶表面滞留的颗粒物数量；滞尘 10 d 后园林植物叶表面滞留的颗粒物的总面积均未超过观测 叶面积的 25%，至于叶片持续滞留颗粒物多少天后达到饱和状态仍需进一步研究。 关键词：园林植物；颗粒物；pm2.5；pm10中图分类号：x173；x51文献标志码：a文章编号：1674-5906（2014）02-0271-06引用格式：赵松婷，李新宇，李延明. 园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律j. 生态环境学报, 2014, 23(2): 271-276. zhao songting, li xinyu, li yanming. the characteristics of deposition of airborne particulate matters with different size on certain plants j. ecology and environmental sciences, 2014, 23(2): 271-276.随着社会经济的迅速发展，北京的大气环境问 题愈来愈突出。北京市是我国燃煤和机动车尾气排 放造成的混合型大气污染比较严重的城市之一，同 时受风沙危害较重，造成北京市的浮尘扬沙天气， 致使北京上空产生的大气颗粒物是北京市大气污 染的首要污染物（高金晖，2007；陈自新等，1998）。 在目前尚不能完全依赖污染源治理以解决环境问 题下，借助自然界的清除机制是缓解城市大气污染 压力的有效途径，城市园林绿化就是其一（王赞红 和李纪标，2006）。目前，国内外学者在园林植物滞留大气颗粒物机理和改善城市环境等方面进行了一些开拓性的 工作（ottel 等，2010；wang 等，2006；nowak 等， 2006；beckett 等，2000；little，1977；pal 等，2002； beckett 等，1998；邱媛等，2008）。北京等几个北 方城市主要园林植物单位面积叶片滞留大气颗粒 物重量测定结果已有少量报道，影响因素（例如叶表面微形态）也有初步探讨（高金晖等，2007；陈 玮等，2003；王蕾等，2007；于志会等，2012；柴 一新等，2002；李海梅和刘霞，2008；郭伟等，2010； 刘任涛等，2008）。但这些研究大多集中于 tsp(dp100 m)或 pm10(dp10 m)，关于植物滞留细颗 粒物 pm2.5(dp2.5 m)的研究较少，并且关于植被 对 pm2.5 的阻滞和吸收作用仍没有定量化的研究， 只有少量的关于不同植被对 pm2.5 等颗粒物的阻滞 和吸附的定性研究，园林植物对 pm2.5 的削减作用 到底有多大，如何才能更有效的的发挥园林植物降 低 pm2.5 污染的重要功能，这些还缺少必要的研究 和总结。本研究在北京城区选择常用园林植物 5 种乔木和 4 种灌木，对选定的 9 种常用园林植物进行 植物叶片滞留不同粒径颗粒物尤其是细颗粒物的 规律和特征分析，提炼出园林植物应对 pm2.5 污染 的基础研究成果，为应对 pm2.5 污染的城市绿地建 设提供技术支撑。基金项目：北京市科技计划项目（z121100000312069） 作者简介：赵松婷(1986年生)，女（满族），助理工程师，硕士，研究方向：园林生态。e-mail: *通信作者：e-mail: 收稿日期：2013-10-251材料与方法1.1供试植物种本研究在北京城区选择常用园林树种 9 种，其 中包括 5 种乔木：绦柳（salix matsudana f.pendula）、 国槐（ sophora japonica ）、钻石海棠（ malus yunnanensis cv.sparkler）、杂交马褂木（liriodendron chinense l. tulipifera）和银杏（ginkgo biloba）；4 种灌木：大叶黄杨（euonymus japonicus）、金叶女 贞（ ligustrumvicaryi ）、小叶黄杨（ buxus microphylla）和月季（rosa chinensis），每种植物均 选择生长状况良好的成年植株。9 种园林植物材料 均采自同一区域内，避免不同环境条件下大气污染 不同带来的误差。1.2研究方法1.2.1样品采集与测定一般认为，15 mm 的降雨量就可以冲掉植物叶 片的降尘，然后重新滞尘（张新献等，1997）。于 2012 年夏季雨后（雨量15 mm）5 d、雨后（雨量15 mm）10 d 对选好的树种依据其自身特点从上、中、 下不同高度采集叶片，乔木的纵向高度差距在 75 cm 以上，灌木的纵向高度差距在 25 cm 以上，采 集时选择生长状态良好且具有代表性的叶片，并同 时立即将叶片封存于干净塑封袋中以防挤压或叶 毛被破坏。1.2.2叶片表面的电镜扫描本研究采用 hitachi 台式 tm3000 电镜观测叶 片表面，每一观测叶片均是在叶片上随机裁剪的直 径小于 70 mm 的部分叶片，选择 tm3000 电镜电压 15 kv，观测模式为分析模式，放大倍数为 1 200 倍，存储格式为 tiff。1.2.3颗粒物统计分析对观测影像上叶片颗粒物进行提取，首先利用 photoshop 等软件对影像进行增强处理，提取出颗 粒物的栅格图像，再利用 arcgis 等软件对处理后 的影像进行二值化、重分类等处理，提取出叶面颗 粒物的矢量图像，并做进一步统计分析处理（王蕾 等，2006），得出颗粒物的不同粒径分布情况。具体流程如图 1 所示。2结果分析2.1 植物滞留不同粒径大气颗粒物的分布特征分析 利用 arcgis 地理信息系统软件对电镜图像进 行处理，提取出叶面颗粒物的矢量图像，并做进一步统计分析处理。2.1.1叶表面颗粒物的数量-粒度分布由图 2 可以看出，在相同观测叶面积下，5 种 乔木和 4 种灌木叶面颗粒物主要是 pm10，在叶片表 面占颗粒物总数的平均比例均为 98%以上，pm2.5 均在 90%以上，9 种树种叶表面滞留粗颗粒物的数 量对总体数量的贡献非常小，均在 2%以下。2.1.2叶表面颗粒物的体积-粒度分布体积-粒度分布在一定程度上反映了颗粒物的 质量-粒度分布，并能进一步反映不同树种滞留颗粒 物能力的大小。与叶片表面颗粒物的数量分布不 同，虽然 dp10 m（粗颗粒物）范围内的颗粒物 对总体数量的贡献非常小，但这一粒径范围的颗粒 物对体积的贡献较大，9 种树种粗颗粒物的体积百 分比均在 20%以上，其中大叶黄杨的粗颗粒物百分 比最高，达到了 49%，小叶黄杨仅次大叶黄杨，为 45%，说明大叶黄杨和小叶黄杨滞留粗颗粒物的能 力较强；而在总体数量上贡献较大的 dp2.5 m（pm2.5）范围内的颗粒物对体积的贡献最小，9 种 树种在 8.5%-17.6%之间，除月季以外 9 种园林植物滞留 pm2.5 时表时现出乔木比灌木的滞留能力强， 这与 pm2.5 自身特点有关，粒径小，悬浮于空气中， 更易被较高树木叶片吸附和滞留；9 种园林植物叶 片滞留 pm10 的体积在总体积中的比例在 50%以上， 对颗粒物总体积贡献最大。2.1.3叶表面颗粒物特征分析由于园林植物个体叶表面特性的差异，对大气 颗粒物滞留能力也不同，图 4 是 9 种园林植物上层 叶片滞留颗粒物形态的电镜图像。从图像中可以清 晰地看出叶片颗粒物形状为不规则块体、球体和聚 合体，粒度小于 10 m 居多，其中大叶黄杨和小叶 黄杨表层有蜡质，容易滞留颗粒物，国槐叶表面褶影像增强处理影像矢量化数据分析photoshop 影 像处理软件处 理arcgis 进行二 值化、重分类 并进一步矢量 化arcgis 对矢量 数据进行统计 分析（数量、 面积、体积等）图 1 观测影像颗粒物提取流程图fig.1 the flow chart of extracting particulate matter on observation images100%98%96%比例 94%数量 92%dp10 m颗粒物 90%2.5 m10 m50%2.5 m绒毛沟槽条 状突起；并且这些微形态结构越密集、深浅差别越 大，越有利于滞留大气颗粒物。2.2 累积滞尘规律分析2.2.1 叶表面滞留颗粒物数量累积比较如表 1 所示，在相同观测叶面积下，园林植 物滞尘 10 d 之后叶表面颗粒物数量均有所增加， 增幅最大的是小叶黄杨，颗粒物总颗数增加了 3.6倍，其次是大叶黄杨，增加了 2.5 倍，增幅最小的 是月季，滞尘 10 d 的叶表面颗粒物总颗数仅为滞 尘 5 d 时的 1.06 倍，两次滞尘叶表面滞留颗粒物 数量最少的均为绦柳，可能与绦柳叶片的表面结 构特点、着生方式和易受风等因素影响有关。在 相同观测叶面积下，滞尘 10 d 后 9 种园林植物叶 表面滞留 pm2.5 的数量变化趋势与叶表面滞留总 颗粒物的数量变化趋势基本一致，两次滞尘结果 均显示叶表面滞留 pm2.5 的数量对叶表面滞留总 颗粒物的数量贡献较大。通过对 9 种园林植物滞尘 10 d 后的叶表面颗粒 物数量进行方差分析与多重比较发现，在相同观测 叶面积下，不同树种滞留不同粒径的颗粒物数量有从左到右，从上到下依次是绦柳，国槐，钻石海棠，杂交马褂木，银杏，大叶黄杨，金叶女贞，小叶黄杨和月季图 4 9 种植物上层叶表面颗粒物形态环境扫描电镜图像fig.4 the sem images of particulate matter morphology on leaf surface of 9 kinds of plants表 1 园林植物滞留颗粒物 5 d 和 10 d 的数量统计表table 1 quantitative statistical tables of particulate matter树种名颗粒物总数/颗滞尘 5 dpm2.5 数量/颗pm10 数量/颗颗粒物总数/颗滞尘 10 dpm2.5 数量/颗pm10 数量/颗绦柳151139150251237250国槐110910491107174716681743杂交马褂木551517550143613381405银杏635590632800751798钻石海棠566540566142213641420大叶黄杨651600647231918672305金叶女贞786720783133912481336小叶黄杨413368409192117941915月季911882910971908970所差异，由大到小排序：大叶黄杨小叶黄杨国槐 钻石海棠杂交马褂木金叶女贞月季银杏绦 柳，其中，绦柳在滞留 tsp、pm10 和 pm2.5 时颗粒 物数量显著低于除银杏之外的其它 7 种树种，大叶 黄杨、小叶黄杨和国槐叶表面滞留颗粒物的数量较 多，并且显著高于月季、银杏和绦柳叶表面滞留的 颗粒物数量（如表 2）。2.2.2 颗粒物总面积占观测叶面积比例累积比较由图 5 可以看出，滞留 10 d 后 8 种园林植物叶 片颗粒物总面积均未超过观测叶面积的 25%，8 种 园林植物叶面颗粒物总面积均增加，增幅最大的是 小叶黄杨，滞尘 10 d 后达到 23.6%，增幅最小的是绦柳，仅达到 9.8%。3结论与讨论3.1讨论北京市的空气质量多处在轻微污染，影响空气 质量的主要是颗粒物即降尘和飘尘。北京市适生的 园林树种滞尘能力有较大的差异，选择滞尘能力强 的树种可以产生较大的滞尘效益。通过分析得出，叶片滞留大气颗粒物的能力与 叶片的微型态结构有关，对每一种植物进行深一步 的微观了解，可以有助于滞尘树种的选择。由于园 林植物个体叶表面特性的差异，叶片具有表面蜡质 结构、表面粗糙、多皱、叶面多绒毛、分泌黏性的表 2 9 种园林植物滞尘 10 d 叶表面颗粒物数量均值、 方差分析与多重比较树种名pm2.5pm10tsp大叶黄杨1867224a2018236a2014707a小叶黄杨1794170a1921166a1915500a国槐1668187a1747182a1743182a钻石海棠1364215abc1422213abc1420641abc杂交马褂木1338517abc1436508abc1405510 abc金叶女贞1248151 abc1339167 abc1336500 abc月季908236bc971256bc969850bc银杏751160cd800168cd798474cd绦柳23737d25136d25036dtable 2 average value, anova and anova-lsd of particulate matter quantity on 9 plants leaf surface献最小，除月季以外，8 种园林植物滞留 pm2.5 时 表现出乔木比灌木的滞留能力强；在相同叶面积 下，滞尘 10 d 后 9 种园林植物叶表面滞留不同粒径 颗粒物数量较滞尘 5 d 的叶表面颗粒物数量均有所 增加，方差分析结果表明绦柳滞留的颗粒物数量显 著低于除银杏之外的其它 7 种树种，大叶黄杨、小 叶黄杨和国槐叶表面滞留颗粒物的数量较多，并且 显著高于月季、银杏和绦柳叶表面滞留的颗粒物数 量；滞留 10 d 后 9 种园林植物叶片颗粒物总面积均 未超过观测叶面积的 25%，至于叶片持续滞留颗粒 物多少天后达到饱和状态仍需进一步研究。平均值标准误，同一列中不同小写字母表示差异显著（p绒毛沟槽条状突起；并且这 些微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞 留大气颗粒物。因此，对于有利于附着细颗粒物的 树种，可在以飘尘为主的城市推广此树种，而有利 于附着粗颗粒的树种，可以在以降尘为主的城市推 广此树种。如果在城市中种植滞尘能力强的树种， 再进行合理的结构设计，则对减轻城市中各种颗粒 物的污染具有重要意义。3.2 结论通过对园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的 特征和规律进行分析可知：园林植物叶片表面滞留 颗粒物大部分为 pm10，占 98%以上，说明园林植 物可以对大气可吸入颗粒物起到很好的过滤效应， 有利于人体呼吸健康；9 种园林植物叶片滞留的 pm10 对颗粒物总体积贡献最大，pm2.5 对体积的贡参考文献：beckett k p, freer-smith p h, 2000. taylor g. the capture of particulate pollution by trees at five contrasting urban sitesj. arboricultural journal, 24: 209-230.beckett k p, freer-smith p h, taylor g. 2000. the 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yanmingbeijing institute of landscape architecture, beijing key laboratory of ecological function assessment and regulation technology of green space beijing 100102, chinaabstract: in order to research retention capacity of airborne particulate matters (pm) by common plants, some representative plants in beijing were chosen to systematically analyze the characteristics of deposition of pm with different size on them by using direct sampling, electron microscope analysis and statistical analysis methods. the results showed that: 1) pm retained by plants had shapes of irregular block, ball and polymer. plants which had more waxy leaf surface, or had more glandular hairs and wrinkles on leaves could retain pm more easily. 2) over 98% of pm deposition on plants leaf