北京大興6種常見綠化樹種吸附PM2.5能力研究
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劉斌， 魯紹偉， 李少寧， 陳波， 馬成東， 李琛澤
（1．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北保定071000；
2．北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所，北京100093；
3．河北政法職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050061;
4．河北省林業(yè)廳退耕還林辦公室，河北石家莊050081）
摘要：該文以北京大興南海子公園6種常見同林綠化樹種為研究對象，應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器對植物葉片PM2.5吸附量進行了定量研究，分析了葉表面微形態(tài)特征。結(jié)果表明：單位葉面積PM2.5吸附量油松和白皮松最大，其次為柳樹、五角楓，楊樹和銀杏最小，且針葉樹種PM2.5吸附能力強于闊葉樹種；不同樹種單位葉面積PM2.5吸附量均值：4月在(0.008+0.002)~(0.053+0.008) ug/cm2之間、5月在( 0.010+0.001)~(0.067+0.017)ug/cm2之間、6月在( 0.014+0.001)~(0.328+0.07:3)ug/cm-之間，從不同月份看，表現(xiàn)為6月(0.093+0.124) ug/cmz>5月(0.031+0.023)ug/cm2>4月(0.027+0.019) ug/cmZ;油松、白皮松葉表面凹凸不平，粗糙度較大，且氣孔密集，開度較大，從而致使其吸附PM2.5能力最強；而楊樹、銀杏、五角楓葉表面光滑，氣孔較少，顆粒物不易附著，且因蠟質(zhì)的疏水特性，對植物表面具有一定的清潔作用，其吸附PM2.5能力較弱；此外，葉表面存在絨毛有利于植物葉片吸附PM：j等顆粒物。因此，在綠化造林時可優(yōu)先考慮種植葉表面粗糙、有絨毛存在的針葉樹種，將更有利于PM：。等顆粒物的吸收，從而提高植物的環(huán)保效益。
關(guān)鍵詞：北京； PM2.5; 葉表面微形態(tài)特征； 氣溶膠再發(fā)生器
城市大氣污染一直是我國主要環(huán)境問題之一，顆粒物是大氣主要污染物�？諝忸w粒物( particularmatter，PM)是指懸浮在空氣中微小固體和液滴的混合物，包括降塵和空氣動力學(xué)當(dāng)量小于100 lxm的總懸浮顆粒物( total suspended particle，TSP)，PM10、PM2.5即是TSP中空氣動力學(xué)等效直徑小于10Lm、2.5 pm的可吸入顆粒物。隨著全球工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，顆粒物污染已成為嚴重的城市環(huán)境問題。大氣顆粒物主要來自于化石燃燒、礦石冶煉、機動車尾氣等污染源的直接排放和SO。、NOx、NH3、VOCs等污染物的間接轉(zhuǎn)化�？諝忸w粒物不僅影響全球氣候及城市可見度，而且其中含有重金屬和有機毒物，有毒物質(zhì)能夠進入人體呼吸系統(tǒng)甚至穿透肺泡進入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，對人體的傷害極其嚴重，且粒徑越小對人體危害越大，尤其是可吸入顆粒物PM2.5對人體危害更為突出。北京作為我國的首都，隨著城市化進程的不斷加快，能源與交通規(guī)模逐漸擴大，城市人口迅速膨脹，大氣污染已經(jīng)日益成為地區(qū)性問題，對其城市環(huán)境保護工作意義重大，空氣污染狀況的治理已經(jīng)刻不容緩。
城市園林綠化植物作為城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，可通過降低風(fēng)速、阻擋和吸滯顆粒物等方式將空氣中顆粒物有效滯留在植被枝干或葉片表面，從而達到降低大氣中顆粒物濃度、凈化空氣的目的。不同植被葉片滯塵能力、滯塵累積量和作用機理存在較大差異，因此，研究不同種類園林綠化植物的滯塵機理、選擇和優(yōu)化城市綠化植物種類，對降低城市大氣顆粒污染物和提高空氣質(zhì)量具有重要的意義。為此，減少污染物排放及增加綠化面積，尋找吸滯PM2.5能力強且生長受影響較小的植物已經(jīng)成為國內(nèi)外科研工作者共同努力的目標。陳添等研究發(fā)現(xiàn)，2004年北京市大氣PM10的首要污染源為土壤塵，貢獻率為21.3%，其次為燃煤排放、機動車／燃油排放、二次粒子和建筑水泥塵。陳瑋等對不同針葉樹種同一降塵條件及相同針葉樹種在不同降塵條件下的滯塵能力進行研究，結(jié)果表明，針葉樹種在東北的冬季有很強的滯塵作用，不同針葉樹種滯塵能力排序為：沙松冷杉>沙地云杉>紅皮云杉>東北紅豆杉>白皮松>華山松>油松。吳中能等對合肥15個常見綠化樹種滯塵能力進行測定，發(fā)現(xiàn)闊葉喬木樹種滯塵能力順序為：廣玉蘭>女貞>棕櫚>懸柃木>香樟，這些差異主要是由樹種生物學(xué)特性和所處的環(huán)境引起的。Virginia等研究發(fā)現(xiàn)，粗糙的植物葉表面在滯留懸浮顆粒物時要比光滑的葉表面更有效率，如植物表面有細絨毛或者凸起的葉脈等。這些研究結(jié)果表明植物對PM2.5等顆粒物的吸收具有很大貢獻，因此研究植物吸附PM2.5等顆粒物的作用機制及影響因素意義重大。
Nowak等應(yīng)用BenMAP模擬程序?qū)γ绹?0個城市樹木的PM2.5去除量進行估算，結(jié)果表明樹木每年去除的可吸入顆粒物總量變化范圍為4.7～64.5 t。然而，采用模型模擬研究并不能將具體的實際情況準確模擬出來，模擬過程當(dāng)中存在諸多不確定因素。為了準確測定不同樹種對PM2.5的吸滯能力以及樹種葉表面特征對其影響，本研究選取6個不同園林樹種，應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器對其葉片吸滯PM2.5量進行測定，同時進行葉面積的測算，求得葉片單位面積PM2.5吸滯量，對比不同園林樹種吸滯PM2.5能力的差異；此外，通過電子顯微鏡對不同園林樹種葉片進行掃描，分析不同樹種葉表面微形態(tài)特征，闡述不同樹種葉片PM2.5吸滯能力差異的原因，探討植被對空氣凈化的貢獻以及森林生態(tài)系統(tǒng)對削減PM2.5的影響，為森林生態(tài)建設(shè)及環(huán)境保護提供合理的科學(xué)依據(jù)。
1 研究方法
1.1 研究地概況
北京大興南海子公園是北京四大郊野公園之一，也是北京市最大的濕地公園，全部建成后總面積將超過11 km2。南海子公園地處北京城南，位于大興區(qū)東北部南五環(huán)南側(cè)、大興新城與亦莊新城之間、南苑機場東南，為工業(yè)區(qū)，城鄉(xiāng)結(jié)合部，人流、物流、車流交匯。園內(nèi)主要喬木樹種有油松（Pinus tabulaeformis）、檜柏（Sabina chinensis）、白皮松（Pinus bungeana）、銀杏（Ginkgo biloba）、白蠟（Fraxinus chinensis）、梧桐（Firmiana simplex）、國槐（Sophora japonica）、欒樹（Koelreuteria paniculata），主要灌木有大葉黃楊（Buxus megistophylla）、海棠（Malus spectabilis），主要草本有景天（Sedum spectabilis）、鳶尾（Iris tectorum）等。
1.2 數(shù)據(jù)采集
PM2.5實時濃度值由北京市農(nóng)林科學(xué)院在南海子國槐林內(nèi)建立的森林大氣監(jiān)測站獲得，在監(jiān)測站內(nèi)設(shè)有米特( Meter)全自動氣象站，可以實時觀測氣溫(Tal℃)、相對濕度（RH/%）、風(fēng)速(W/m．s'1)、降水(P/mm)等氣象因子。
1.3 樹種選擇
選擇北京市大興區(qū)南海子公園常見且林齡相近、海拔一致的喬木樹種，針闊葉樹種共計6種（針葉2種、闊葉4種），分別為油松、白皮松、銀杏、楊樹（Pop-ulus L．）、柳樹（Salix babylonica）和五角楓(Acer ele-gantulum)。
1.4 葉片采集
在采集樹葉之前先清洗葉片，并對清洗過的葉片進行標記，以月為單位，在清洗完一月之后每個樹種分別選擇3棵樣樹（林齡相近），在樹冠的上、中、下部位及東、南、西、北4個方向?qū)擞涍^的葉片分別進行采集，將采集的葉片封存于紙質(zhì)采集袋（無靜電）中帶回實驗室處理。
1.5 單位葉面積PM2.5吸附量測定
葉片的PM2.5吸滯量應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器(QR-JZFSQ-I)獲得，氣溶膠再發(fā)生器是本課題組研究人員研發(fā)用來測定植物葉片PM2.5含量的儀器，通過風(fēng)蝕原理，將待測樹種葉片放入氣溶膠再發(fā)生器的料盒，通過攪動、吹風(fēng)、去靜電等處理，氣溶膠再發(fā)生器將葉片上的顆粒物吹起，制成氣溶膠，再結(jié)合Dust-mate手持PM2.5監(jiān)測儀獲取制成氣溶膠中PM25的質(zhì)量濃度，進而推算出葉片上PM2.5的吸附量（ml／ug），每個樹種進行3次重復(fù)；再利用葉面積掃描儀和葉面積軟件計算放人料盒中所有葉片的葉面積（S/cm2），由公式(1)計算單位葉面積PM2.5吸附量m。
式(1)中：m為單位葉面積PM25吸附量(ug/cm2)，ml為放入氣溶膠再發(fā)生器葉片的PM2.5吸附量（ug），S為放人氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積(cm2)。
1.6 葉表面觀測
摘取適量葉片，立即封存于塑料紙內(nèi)以防擠壓或葉毛被破壞；在葉脈兩側(cè)的中部將新鮮葉片切成邊長約5 mm的小立方塊，立即用2.5%（體積分數(shù)）戊二醛溶液進行固定；用磷酸緩沖溶液沖洗3次；用梯度乙醇脫水，分為70%、80%、90%、95%和100%5個梯度；樣品經(jīng)過噴金處理后，采用FEI Quanta-200環(huán)境掃描電子顯微鏡（荷蘭，F(xiàn)EI公司）觀察葉片的表面，選擇適合的比例進行拍攝。
2結(jié)果分析
2.1 不同植物葉片吸滯PM2.5效果分析
圖1顯示了6個不同樹種單位葉面積PM2.5吸滯量，由于1-3月份天氣寒冷，闊葉樹種還未發(fā)芽，故選擇4-6月3個月的時間，對不同樹種的PM2.5吸滯量進行研究。由圖l可以看出，4-6月份不同樹種單位葉面積PM2.5吸滯量不盡相同。總體來看，針葉樹種單位葉面積PM2.5吸滯量明顯大于闊葉樹種，是闊葉樹種的3.68倍。與闊葉樹相比，針葉樹有更小的葉子、更復(fù)雜的枝莖和全年有葉期，因此能更有效地去除大氣顆粒物，且針葉樹種葉表面存在腺體，具有分泌液，同樣造成針葉樹種吸附PM2.5等顆粒物能力的增強。
從不同月份看，PM2.5吸滯量表現(xiàn)為6月(0.093+0.124) ug/cm2>5月(0.031+0.023) ug/cm2>4月(0.027+0.019) ug/cm2，4、5月份差距較小，6月份單位葉面積PM2.5吸滯量分別為4、5月份的3.4和3倍。原因是6月份葉片吸收顆粒物時間更長，積累作用更大，雖然每月都對葉片進行清洗，但是在清洗過程中難免有殘留顆粒物仍然吸附在葉表面，經(jīng)過長時間累積，難以清洗的顆粒物逐漸增多，造成隨著時間推移PM25吸滯量逐漸增大。
從單個樹種看，6個樹種單位葉面積PM2.5吸滯量也有明顯差別。其中4月份各樹種單位葉面積PM2.5吸滯量介于( 0.008+0.002)~( 0.053+0.008) ug/cm2之間，其大小排序為：油松(0.053+0.008) ug/cm2>白皮松(0.046+0.007) ug/cm2>柳樹(0.028+0.002) ug/cm2>楊樹(0.018+0.001) ug/cm2>五角楓(0.011+0.004)ug/cm2>銀杏(0.008+0.002)ug/cm2;5月份PM2.5吸滯量介于( 0.010+0.001)~( 0.067+0.017) ug/cm2之間，排序為：油松(0.067+0.017)ug/cm2>白皮松(0.049+0.007) ug/cm2>柳樹(0.030+0.004) ug/cm2>五角楓( 0.017+0.003) ug/cm2>楊樹(0.012+0.004) ug/cm2>銀杏(0.010+0.001) ug/cm2;6月份PM2.5吸滯量介于( 0.014+0.001)~( 0.328+0.073) ug/cm2之間，排序為：油松(0.328:t:0.073)ug/cmz>白皮松(0.131+0.016)ug/cm2>柳樹(0.055+0.005)ug/cm2>五角楓(0.017+0.002) ug/cm2>楊樹(0.014+0.002) ug/cm2>銀杏(0.014+0.001) Vg/cm2�？梢钥闯觯煌路輪挝蝗~面積PM2.5吸滯量最大的均為油松，其次為白皮松，最小的為銀杏，油松吸滯量分別為銀杏的6.63、6.70、23.43倍。由于油松相較于其他樹種來說，葉表面覆蓋有油脂，且葉表面粗糙度較大，更有利于顆粒物的吸收，造成其PM2.5吸滯量明顯大于其余樹種；而銀杏葉表光滑，不利于顆粒物附著，其吸滯顆粒物能力最弱。
2.2 不同樹種葉表面微結(jié)構(gòu)特征
6個不同園林樹種葉片電鏡掃描微形態(tài)特征見圖2。油松氣孔呈現(xiàn)為圓形，氣孔排列較為規(guī)則，且密度較大(Al)，油松葉表面凹凸不平，氣孔周圍呈現(xiàn)出瘤狀突起，增大了葉表面的粗糙程度，有利于顆粒物的富集(A。)，葉表面紋理有凹陷，排列整齊，有較為纖細的絨毛(A。)；白皮松氣孔呈現(xiàn)為橢圓形，氣孔排列規(guī)則，清晰可見，開度較大，表面粗糙不平(B，)，氣孔周圍吸附有顆粒物，且周圍呈現(xiàn)出褶皺狀，凹凸不平(B2)，葉表面紋理清晰可見，呈凹槽狀，看不到絨毛(B。)；銀杏葉表面光滑，細胞排列緊密，但氣孔密度小，整體圖像中幾乎看不到氣孔的存在(Cl)，葉脈細胞突起形成一個個網(wǎng)格，網(wǎng)格內(nèi)布有氣孔(C2)，紋理呈現(xiàn)出不規(guī)則的凸起，顆粒物大多聚集在凸起的夾縫中(C。)；楊樹葉表面相對光滑，氣孔分布不規(guī)則，但密度較大(Dl)，氣孔為扁長形，開度較小(D2)，紋理較為雜亂，呈網(wǎng)狀分布，表層無蠟質(zhì)(D。)；五角楓葉表面較為平滑，氣+L呈平行狀分布(El)，氣孔開度較小，密度較大，周圍無明顯起伏(E2)，紋理清晰可見，呈條紋狀，但不規(guī)則(E。)；柳樹葉表面呈花紋狀，氣孔零星分布，開度不大(F1)，氣孔周圍呈條紋狀，有一定起伏，但不十分明顯(F2)，葉表面呈現(xiàn)出褶皺，凹凸不平，有少許纖細的絨毛存在(F3)。除以上特征外，各樹種葉表面均未發(fā)現(xiàn)有特殊分泌物。
3討論
3.1 不同樹種吸滯PM2.5能力差異
世界上許多國家都用植樹造林的方式減少空氣污染，森林能夠通過減塵、降塵、阻塵、滯塵等途徑去除大氣顆粒物，從而發(fā)揮著提高空氣質(zhì)量的作用。目前針對植物的滯塵效應(yīng)研究主要集中于TSP和PM10，而針對PM2.5的研究相對較少。樹木去除污染物凈化空氣分為直接和間接2種方式。直接方式是指樹木通過葉片表面氣孔的主要途徑吸收去除氣體污染物，而對于空氣攜帶性顆粒物質(zhì)則主要通過截留的方式清除。間接去除方式是指樹木能夠通過蔭蔽和蒸發(fā)散降低大氣溫度，從而通過節(jié)省降溫能源的方式減少相關(guān)污染物的排放。葉表面形態(tài)特征不同直接影響了植物吸附PM2.5的能力，植物滯塵能力受不同個體葉表結(jié)構(gòu)，樹冠形狀，枝葉密集程度，葉面傾向等因素影響。
到目前為止，關(guān)于植被對PM2。的阻滯和吸收作用仍沒有定量化的研究，只有少量的關(guān)于不同植被對PM25等顆粒物阻滯和吸附的定性研究。有研究指出不同植物截留粉塵的作用有明顯差異，小葉或葉面粗糙的植物較之大葉或葉面光滑的植物具有更大的截留效益。張新獻等對21種園林綠化樹種滯塵研究表明，葉面粗糙有絨毛的植物有較強滯塵能力，而葉片光滑無絨毛的滯塵能力相對較弱，短小密集的針葉樹更加有利于粉塵的滯留。柴一新等對哈爾濱綠化植物滯塵能力研究表明，植物葉片的粗糙度及附著絨毛的疏密程度會影響該種植物的滯塵能力；葉表面具有溝狀組織、密集纖毛的區(qū)域滯塵能力強，瘤狀或疣狀突起處常較光滑、滯塵能力差。本研究針對北京南海子公園常見針闊葉綠化樹種研究分析，發(fā)現(xiàn)在相同條件下針葉樹種油松和白皮松PM2.5吸附能力明顯高于闊葉樹種，且油松和白皮松葉表面粗糙不平，有較多氣孔，葉表面存在絨毛；而PM2.5吸附量相對較小的銀杏和楊樹葉表面光滑，氣孔分布較少，且開度不大。本研究所得結(jié)論與以上研究結(jié)果相一致，故在城市環(huán)境污染嚴重的區(qū)域可以適當(dāng)考慮種植PM2.5吸附能力強的針葉樹種油松和白皮松。
3,2 葉表面特征與PM2.5吸滯量的關(guān)系
王蕾等對6種針葉園林綠化樹種滯塵能力研究表明，葉表面微形態(tài)粗糙程度與顆粒物附著密度有較好的對應(yīng)關(guān)系，即葉表面粗糙程度越大，顆粒物附著密度越高；劉玲等對7種樹木微形態(tài)與葉片滯塵關(guān)系研究表明，不同樹種葉片單位葉面積滯塵量與葉片上下表皮平滑程度、表皮毛的有無、氣孔密度及氣孔開度大小有關(guān)系，上下表皮凹凸不平可使葉表面呈現(xiàn)溝狀，阻止顆粒物的再懸浮，從而增大葉片對顆粒物的吸附量。本研究發(fā)現(xiàn)油松、白皮松對PM2.5吸附能力最強，其葉表面均凹凸不平，呈現(xiàn)褶皺；而葉表面相對平滑的楊樹、銀杏等對PM2.5的吸附能力則最弱；這與以上研究得出的結(jié)論完全一致。
植物葉片氣孔開度大且排列密集能增加顆粒物與葉片的接觸面積從而增加葉片對顆粒物的吸附作用；賈彥等采用顯微圖像分析對7種綠化植物葉片滯塵能力分析測定，發(fā)現(xiàn)葉表有溝狀組織和氣孔且氣孔排列無序的植物滯塵能力比較強；王建輝等對植物單位葉片面積的滯塵量研究發(fā)現(xiàn)，葉表有褶皺時滯塵能力較強，葉片光滑或有蠟質(zhì)時滯塵能力相對較弱；陳雪華對5個榕樹樹種葉表面微形態(tài)與葉片滯塵能力關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)葉表面有絨毛和凹陷孔的葉片滯塵能力明顯強于葉表面光滑無絨毛的葉片。本研究中，銀杏、楊樹、五角楓葉表面光滑，對PM2.5等顆粒物的吸附作用明顯降低，且有的葉片表面存在蠟質(zhì)，降低親水顆粒物的吸附作用，對植物表面具有一定的清潔作用，造成葉片對PM2.5吸附能力的降低；PM25吸附能力最強的油松與白皮松，葉表面氣孔數(shù)量較為密集，且開度較大，故其吸滯PM2.5能力較強；在PM2.5吸附能力相對較弱的4個樹種中，柳樹葉表面存在少許纖細的絨毛，故PM2.5吸附能力略強于其余3個樹種；這與賈彥、王建輝、陳雪華等研究所得結(jié)論相似，從而佐證了本研究所得結(jié)論的準確性。
目前葉片表面微結(jié)構(gòu)與葉片滯塵量關(guān)系的研究基本停留在定性描述階段，往往不能準確表現(xiàn)二者之間的關(guān)系，需運用相關(guān)數(shù)學(xué)和物理知識，建立相應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ蛯ζ溥M行量化分析。另外，在運用電鏡掃描儀測定葉片表面結(jié)構(gòu)過程中，由于葉片易失水和變形導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)不真實而影響結(jié)果，對葉片的處理方法應(yīng)區(qū)別于一般的電鏡材料，需進一步實驗以便研究出盡量減小葉片變形和失水的制樣方法，對于葉表面結(jié)構(gòu)的定量化研究還有待于進一步深化。
4 結(jié)論
應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器對北京大興南海子公園不同樹種葉片PM2.5吸附量進行分析，結(jié)果表明，不同樹種單位葉面積PM2.5吸附量油松和白皮松最大，銀杏最�。会樔~樹種PM2。吸附能力強于闊葉樹種。葉表的各種溝狀組織、氣孔等結(jié)構(gòu)造成葉表面凹凸不平，增加了葉表粗糙度，增大了葉片表面與粉塵顆粒的接觸面積，從而增強了葉片吸附PM2.5等顆粒物能力，故油松和白皮松吸附PM2.5的能力強；葉表較光滑，灰塵顆粒較易脫落，銀杏、楊樹等吸附PM2.5能力較弱；葉表面存在絨毛有利于葉片對PM2.5的吸附。因此，在進行綠化造林時，可考慮優(yōu)先種植對PM2.5吸附能力強的針葉樹種，如油松、白皮松等。
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