道路綠化樹種滯塵的季節效應與葉片特征關系

路 艷，卞貴建，季洪亮

(1.濰坊學院生物與農業工程學院，山東 濰坊261061；2.四川農業大學風景園林學院，四川 成都611130；3.山東交通職業學院公路與建筑學院，山東 濰坊261206)

空氣中的總懸浮顆粒物(total suspended particle，TSP)是導致大氣環境污染的主要因素[1]。顆粒物易富集多種有害金屬微粒及氧化物，對人體健康造成巨大危害，防治空氣顆粒物污染已成為世界環境污染防治亟待解決的首要問題。大量研究證實，綠色植物是消減城市大氣環境污染的重要過濾載體[2-3]。植物具有粗糙濕潤的葉片，分泌油脂與蠟質物，能夠通過滯留、黏附和固定等機制有效滯留大氣中的顆粒污染物，顆粒物在葉表面發生一系列復雜的生理生態反應后脫離大氣環境[4]。研究表明，滯塵是一個復雜的相對動態過程，不同植物在滯塵途徑和作用機制方面存在差異。一般認為，植物凈化大氣顆粒物的能力與樹冠總葉面積、枝干分枝角度、樹冠形狀及葉片表面特性如皺紋、絨毛、油脂、粗糙度和濕潤性有密切關系[5-7]。此外，植物的滯塵能力存在著地域差異，并隨著季節和累積時間的變化呈現一定的規律性[8-9]。

濰坊地處魯中腹地，是山東省中部工業大市，煤炭等能源消耗量較大，顆粒物污染較為嚴重。據濰坊市空氣質量監測點數據顯示，2018年濰坊市可吸入顆粒物平均質量濃度為94.3 μg·m-3，超過國家標準1.3倍，是北方地區除京津冀外空氣顆粒物污染極為嚴重的城市之一。目前，濰坊城市綠地植物生態效應研究報道較少。為此，開展了濰坊市道路綠化樹種滯塵能力變化規律研究，并建立樹種綜合滯塵效應量化模型，以期篩選具有較強滯塵效應的樹種進行推廣應用，為城市道路綠化樹種的合理選擇和科學配置提供參考，為緩解城市空氣顆粒物污染、構建精細化大氣環境綜合治理體系提供一定依據。

1 材料與方法

1.1 供試樹種選擇

對濰坊市區4條干道(寶通街、櫻前街、北海路、濰安路)的9種綠化骨干樹種進行滯塵量測定。包括懸鈴木(PlatanusacerifoliaWilld.)、欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、國槐(SophorajaponicaLinn.)、大葉女貞(LigustrumcompactumAit.)、日本晚櫻[Prunusserrulatavar.lannesiana(Carr.) Rehd.]、銀杏(GinkgobilobaL.)、五角楓(AcermonoMaxim.)、丁香(SyringaoblataLindl.)、紫薇(LagerstroemiaindicaLinn.)。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集與滯塵量測定 于2017年5、7、10月中雨后進行樣品采集和測定。自然降雨未能滿足試驗要求時，人工淋洗葉片達到初始零積塵量，并對處理葉片進行標記[10]。雨后5、10、15、20、25 d進行采樣，4條道路同時進行。懸鈴木葉片較大，摘取6～10片，其他植物隨機摘取30～40枚葉片，盡量保證同一樹種的采樣高度一致。將采集后的葉片小心裝入密封袋，標記樹種、日期與采樣地點，帶回實驗室于4 ℃冰箱內保存，3 d內完成滯塵量測定，每個樹種設置3組重復試驗。滯塵量的測定參考柴一新等[11]的方法，將葉片置于燒杯中，用蒸餾水將葉片浸泡4 h以上，用軟毛刷清洗葉片上的粉塵，用鑷子小心將葉片夾出，放在報紙上晾干。先將濾紙在50 ℃烘箱中烘干，1/10 000分析天平稱重(m1)。然后將濾紙置于漏斗中，過濾植物葉片的浸洗液，過濾完畢后，將濾紙放入50 ℃烘箱中烘干至恒重，再以1/10 000分析天平稱重(m2)，質量之差(m1-m2)即為葉片附著的顆粒物的質量。夾出的葉片自然晾干后，采用GQT1-202便攜式葉面積儀，計算總葉面積(S)，單位葉面積的滯塵量(g·m-2)=(m1-m2)/S。

1.2.2 植物綜合滯塵效應評價指標選取及數量化 植物的綜合滯塵效應受多種因素影響。參考趙勇等[12]的方法，選取與滯塵效果密切相關的7個指標建立評價體系，葉片高度X1，平均單位葉面積滯塵量X2、植物葉面積指數X3、葉面特性(粗糙度X4、絨毛X5，硬度X6)和葉片著生角度X7。單位葉面積滯塵量和植物葉面積指數直接使用測定的具體數值，植物葉面積指數參考申曉瑜[13]的方法計算獲得。其余5個定性指標分析前進行數量化并分級。

1.3 數據處理

原始數據的統計分析及圖表制作采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件完成。樹種間各滯塵量指標的差異進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用Duncan氏新復極差法(SSR法)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 樹種滯塵量的時間變化規律

由表1可知，樹種滯塵量呈現一定的季節效應和累積時間效應。春季樹種的平均滯塵量最大，秋季次之，夏季最小。隨著累積時間的延長，樹種顆粒物滯留量呈現先升后降的趨勢，不同樹種的滯塵量在滯塵周期內差異顯著。

表1 滯塵周期內不同累積時間樹種平均滯塵量Table 1 Average amount of dust retention per leaf area of various tree species across different accumulation periods

注：樹種拉丁學名用屬名、種加詞首字母表示。平均滯塵量為平均值±標準差(X±SE)，不同小寫字母表示不同樹種的滯塵能力差異顯著，P<0.05。Note: the scientific names of each tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet. The average dust holding capacity is represented as the average±standard deviation (X±SE), and different lowercase letters indicate a significant difference in dust holding capacity at theP<0.05 level.

春季，樹種滯塵量隨時間積累呈線性增加，20 d后葉片滯塵量增幅減慢，日本晚櫻滯塵量最高，為2.506 4 g·m-2，其次是懸鈴木，為2.499 3 g·m-2，五角楓滯塵量最低，且較之前出現小幅下降，只有1.277 7 g·m-2。夏季，樹種滯塵量呈現先降后升的變化特點，期間出現的中雨沖洗掉葉片大部分粉塵，導致10 d測定的滯塵量出現大幅下降。隨后，樹種單位葉面積滯塵量呈線性增加，25 d丁香滯塵量最大，懸鈴木次之，銀杏滯塵量增幅幾乎停滯。秋季，不同樹種滯塵量隨著時間累積持續增加，日本晚櫻滯塵量最大，為1.741 5 g·m-2，紫薇滯塵量最小，為0.558 6 g·m-2，最大滯塵量約是最小的3倍。15～25 d，大葉女貞、五角楓、丁香滯塵量繼續呈線性增加，紫薇滯塵量出現小幅下降，其它樹種滯塵量增幅緩慢。

對綠化樹種滯塵量與累積滯塵時間的函數關系進行曲線擬合，相關系數的擬合曲線方程參見表2。結果表明，構建的二次曲線方程模型擬合效果較好，能反映出樹種滯塵量隨積累時間的變化情況，R2均趨近于1，相關性極為顯著(P<0.01)。

表2 樹種平均滯塵量與累積時間的擬合曲線方程Table 2 Quadratic equation fitted for dust retention per unit leaf area and accumulation time

2.2 樹種滯塵量的季節變化規律

不同季節樹種平均最大滯塵量排序為春季>秋季>夏季，具有明顯的季節效應。除丁香、紫薇夏秋兩季滯塵量差異不明顯外，其他樹種3個季節滯塵量均存在顯著性差異(圖1)。日本晚櫻、懸鈴木、丁香春季滯塵量最高，約為夏季滯塵量的2.7～3.4倍，銀杏、五角楓、紫薇春季滯塵量最低，是夏季滯塵量的3.4～7.4倍。根據濰坊市2017年空氣質量指數(AQI)計算分析可知，春、夏、秋3個季節樹種滯塵量的變化規律與空氣質量指數有一定的相關性。春季測定周期內的平均空氣質量指數為138.8，空氣中懸浮顆粒物較多，植物滯塵量相對較大；夏季平均空氣質量指數為78.5，空氣潔凈，受滯塵周期內出現的中雨影響，植物滯塵量最??；秋季平均空氣質量指數為100.3，葉片滯塵量相比于夏季有增加的趨勢。

注：樹種拉丁學名用屬名和種加詞首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

圖1 不同樹種單位葉面積平均滯塵量的季節變化
Figure1Seasonalvariationsinaveragedustretentionperleafareaofdifferenttreespecies

2.3 道路交通環境對樹種滯留顆粒物的影響

9個樹種3個季節平均最大滯塵量在不同道路交通環境中存在差異(圖2)。丁香在4條道路的總滯塵量(12.585 0 g·m-2)最大，其次是懸鈴木和日本晚櫻，紫薇總滯塵量最小，僅有2.813 8 g·m-2。不同道路交通環境下樹種的總滯塵量差異較大，寶通街樹種總滯塵量最大，櫻前街總滯塵量最小，最大滯塵量約是最小的2倍。大部分樹種顆粒物滯留量呈現寶通街>濰安路>北海路>櫻前街的規律，欒樹的滯塵能力變化呈現寶通街>櫻前街>濰安路>北海路，大葉女貞、銀杏、紫薇呈現寶通街>北海路>濰安路>櫻前街。植物的栽植地點、塵源距離、道路交通流量、周邊環境因素等均是影響樹種滯塵效果的重要因素。方差分析表明，道路環境顯著影響懸鈴木、日本晚櫻、丁香3種植物的滯塵量(P>0.05)，但對其他6個樹種的滯塵能力影響不同，北海路、濰安路、櫻前街之間的滯塵量差異不顯著。

注：樹種拉丁學名用屬名和種加詞首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

圖2 道路交通環境對樹種滯留顆粒物的影響
Figure2Effectsofroadtrafficenvironmentsontheamountofdustretainedperleafareaofdifferenttreespecies

2.4 樹種滯塵能力綜合評價

采用綜合指數的方法分析樹種綜合滯塵能力。選取與滯塵效果密切相關的7個指標(葉片高度、單位葉面積滯塵量、植物葉面積指數、粗糙度、絨毛、硬度和黏度、葉片著生角度)進行數量化，建立樹種評價分類指標體系和滯塵效應量化模型。結果見表3、表4。

表3 道路綠化樹種定性指標數量化標準Table 3 Quantitative criteria for the qualitative indices of road-greening tree species

通過數據標準化、確定權重和計算綜合指數求得綜合指數。具體步驟：

Ai=(0.2，0.2，0.2，0.1，0.1，0.1，0.1)。

一般來說，綜合指數越高說明該植物的綜合滯塵能力越強。表4表明，9種常見道路綠化樹種環境效應綜合指數值高低順序為：丁香>懸鈴木>日本晚櫻>欒樹>國槐>大葉女貞>銀杏>紫薇>五角楓?？珊Y選滯塵能力較強的丁香、懸鈴木、日本晚櫻等作為濰坊市道路綠化的骨干樹種推廣應用。

表4 道路綠化樹種環境效應綜合指數Table 4 Comprehensive index values for the environmental effects of road-greening tree species

注：樹種拉丁學名用屬名和種加詞首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

3 討論與結論

3.1 樹種滯塵量的時間變化規律

樹種滯塵量具有顯著的時間效應，隨滯塵時間的累積逐漸增加。受植物葉表面特性的影響，植物的滯塵量會在一段時間后進入飽和期，最后呈穩定態勢[14]。植物葉片滯塵量達到飽和所用時間存在顯著差異。王贊紅等[15]研究的大葉黃楊單葉滯塵量15 d達到飽和，楊周敏[16]研究發現，西安市區街道綠化樹種夏季滯塵量達到飽和時間約為12 d，而張新獻等[17]研究的北京居住區內國槐等10個樹種的滯塵能力在4周后仍未達到飽和。同一樹種滯塵量在不同環境下達到飽和所用時間也不同。本研究中懸鈴木春季滯塵量20 d后增量減慢，趨向平緩，25 d達到2.499 3 g·m-2，而新疆阿克蘇市懸鈴木春季單位葉面積滯塵量在28 d左右趨于飽和[18]，滯塵量為10.24 g·m-2，說明本研究中懸鈴木的滯塵量遠未達到最大閾值。因此，大氣顆粒物的總量是影響植物葉片滯塵能力的因素之一，也是樹種滯塵量達到飽和時間長短的重要影響因素。

3.2 樹種滯塵能力的季節差異性

植物顆粒物滯留能力具有顯著的季節效應，與大氣顆粒物含量的季節動態變化一致[7]。本研究中不同季節樹種滯塵量的排序為春季>秋季>夏季，春季和秋季樹種滯塵量明顯大于夏季，與劉海榮等[19]研究的天津市城市道路綠化常綠灌木滯塵能力的季節性變化一致，而與楊周敏[16]、么旭陽等[20]研究的西安市和北京市植物滯塵能力季節變化特點不同。研究表明，在滯塵閾值范圍內，植物的滯塵能力季節性變化與大氣顆粒物污染的動態變化具有明顯的相關性，本研究得到相似結論。濰坊春季低溫干燥、受到沙塵天氣的影響，空氣污染嚴重，懸浮顆粒物較多，提高了葉片滯留粉塵的概率。夏季高溫多雨、空氣濕度大，大氣對流和湍流活動旺盛，加速大氣顆粒物的擴散，同時，植物蒸騰所釋放的水氣使葉子表面有一定的濕度，空氣中飄散粉塵顆粒物聚集形成大分子顆粒，有效地抑制空氣中浮沉，不利于葉片對粉塵的滯留，加之降雨等外界因素的干擾，導致滯塵量下降。秋季氣候干燥，大氣中的懸浮顆粒物增多，多數植物葉片逐漸枯黃、落葉，生理結構功能發生變化，影響了葉表結構特征和濕潤性，從而影響了滯塵功能的發揮。

3.3 道路交通環境對樹種滯留顆粒物的影響

研究表明，外部因素中除了環境大氣顆粒物濃度、粒徑組成影響植物葉片吸附顆粒物能力之外，相同氣象條件下，塵源距離、交通車輛、道路周圍環境、建筑揚塵等也是重要的影響因素。程政紅等[21]研究發現，施工路段植物葉片滯塵量大于重度污染路段和風景區與庭院內路段。劉穎等[22]對石家莊市交通道路綠化植物滯塵效應進行研究，發現綠化植物所處交通道路環境不同，葉片單位面積累積滯塵量存在差異。本研究中4條道路的滯塵量排序為寶通街>濰安路>北海路>櫻前街，不同道路之間交通狀況、綠化布局、周圍環境差異較大，對綠化樹種的滯塵效果產生顯著影響。寶通街植物總滯塵量最大，原因是寶通街鄰近郊區，又是城區南外環路，車流量大、重型車輛多，兩側綠化面積少，多處存在建設施工工程，導致寶通街植物單葉滯塵量和總滯塵量均高于其它道路；其次是濰安路，作為市區東外環路，車流量大、重型車輛也較多，但綠化面積較多，綠化格局合理，并且基本沒有建設施工工程；北海路是城區中心道路，小型車流量大，綠化面積大，綠化格局合理；櫻前街是新建道路，車流量小，綠化面積較大，因此總滯塵量最小。另外，塵源距離也是影響滯塵量的重要因素。本研究中位于櫻前街側分隔離帶的欒樹平均滯塵量是1.753 6 g·m-2，顯著大于位于北海路路側綠帶欒樹的滯塵量0.901 4 g·m-2。當道路周圍環境條件相同時，中央隔離帶、側分隔離帶的樹種滯塵量明顯大于路側綠帶。

3.4 樹種的綜合滯塵能力

樹種的綜合滯塵能力與葉片的表面結構、樹木的生長特性、樹冠的結構、枝葉密度、葉面傾角、葉表面濕潤度、葉面積指數等有密切關系。一般認為，表面粗糙、葉毛濃密、葉脈凸出、表面具有黏性的短柄葉片吸附大氣顆粒污染物的能力較強[23]。ESCOBEDOetal[24]研究發現，高的葉面積指數和植被覆蓋率均會使區域滯塵量增加。本研究選取與滯塵效果密切相關的指標進行數量化，采用綜合指數法分析樹種綜合滯塵能力，發現樹種的綜合滯塵能力與植物的高度、單位葉面積滯塵量和植物的葉面積指數具有較大相關性。丁香是綜合滯塵能力最強的樹種，原因可能是丁香為灌木，植物的高度使葉片更容易附著空氣中的顆粒物。丁香葉片上表皮粗糙、葉表氣孔周圍具脊狀突起，葉片著生角度幾近水平，接觸面積大，尖端易蜷曲向上，故而能滯留較多的降塵。滯塵量次之的是懸鈴木，懸鈴木葉面粗糙且密生星狀短絨毛，分泌黏性物質，容易滯留空氣中的降塵。另外，植物葉片表面結構對粉塵顆粒粒徑大小具有選擇性。FREER-SMITHetal[25]研究發現，不同葉片結構對細、粗、超細顆粒物吸附特點不同。植物葉表的氣孔也是影響滯塵能力的一個重要因素，一般而言，植物葉片氣孔孔徑較大，植物的滯塵能力相對較強[26]。但BREWERetal[27]研究發現，當植物葉表氣孔達到較高密度，易形成較強的疏水性，葉片與顆粒物之間的接觸面與親和力減少，從而抑制植物的滯塵能力。

城市綠化樹種能夠阻擋、截留、過濾和吸滯大氣中的顆粒物，是凈化城市大氣污染的一個重要途徑。植物的滯塵效應是一個復雜的動態過程，不僅受到植物自身生理特性的影響，與植物所處環境、大氣顆粒物的時空分布規律、阻滯時間等密切相關，同時受到綠地的景觀格局和群落結構的影響。由于實驗條件的限制，本研究只對濰坊市道路骨干樹種滯塵能力做了初步研究，實際上景觀格局結構對綠地滯塵效應有著更為顯著的影響，未來應該從綠地結構特征與阻滯作用，園林植物削減PM2.5的作用機制、城市綠地系統對大氣顆粒物凈化的功能價值評估等方面做深入研究，對有效減輕城市大氣顆粒物污染具有重要意義。