城市树木和森林植被净化大气颗粒污染物的功能受到了广泛的重视,但由于受多种植被特征与环境因素的影响,定量评价城市植被净化大气颗粒污染物功能非常困难.研究了不同降雨条件下大叶黄杨、银杏、栾树、五角枫、杜仲5种我国北方城市绿化典型树种叶面滞尘量的变化特征.在选定的样树冠层分上、中、下3层和东、南、西、北4个方向,采集成熟叶片,采用刷洗样本叶表,抽取水样及分级抽滤并烘干称重的方法,测定这5种树种降雨后12d(夏季累积滞尘量)、14mm降雨后(小雨)、29mm降雨后(中雨)以及室内模拟降雨30mm/h(15mm雨量)后叶片表面不同粒径大气颗粒污染物的滞留量.研究结果表明:降雨对不同粒径颗粒物去除能力有较大差异,除银杏以外,PM＞10以上颗粒物更容易去除;小雨对颗粒物的冲刷能力有限;中雨可以冲刷掉50％以上总颗粒物;室内模拟强降雨可以冲刷掉90％以上颗粒物,随着降雨增大,各粒径颗粒物随之冲刷量增加;同时叶表结构对抗冲刷能力有显著影响,革质叶片更容易滞尘及冲刷,绒毛结构滞尘能力较低,抗冲刷能力较强;北方大叶黄杨具有综合去除空气中颗粒物优势(小雨TSP冲刷量为(775.06±33.99) mg,/m2),银杏具有去除细颗粒物优势(中雨PM2.5冲刷量为(426.55±40.83.99) mg/m2).

植物叶表附属物是与大气颗粒物最先接触的结构,但现在少有研究表明这些特殊结构是如何影响大气颗粒物的滞留的.因此,本研究以具有典型叶表面附属物-鳞片的植物-空气凤梨维路提拉为实验对象,通过人工去除鳞片,比较鳞片的有无对其叶片滞尘量的影响,并比较了不同时间、不同风力强度条件下其叶片表面所滞留的大气颗粒物再悬浮的比例.结果表明,未去除叶表鳞片的维路提拉的最大滞尘量(23.24 ±0.11 g·m-2)和自然滞尘量(10.22±0.92g· m-2)均显著高于去除鳞片的植株(P＜0.05).大气颗粒物沉降到叶片表面后,在风力作用下,去除鳞片的空气凤梨植株上超过99.0％的粉尘会被吹起,而未去除鳞片的空气凤梨植株上这一比例仅有28.1％.而且,鳞片去除的越多,大气颗粒物的再悬浮比例越大.以上结果表明维路提拉叶表鳞片对大气颗粒物的作用不仅体现在总滞尘量上,而且体现在大气颗粒物的再悬浮过程中,它会有效降低沉降于叶表面颗粒物的再悬浮,起着促进颗粒物滞留的作用.

植物叶片对大气颗粒物的作用机制可分为吸附、再悬浮、雨水淋洗、吸收等过程,但却少有研究探讨大气颗粒物沉降于叶片表面后的再悬浮过程,并对叶片表面吸附的颗粒物含量与叶片内部元素含量之间的相关性进行探讨.本研究选择二球悬铃木和广玉兰两种常见绿化树种,分析其叶表大气颗粒物和叶内元素成分与含量及再悬浮比例.结果表明:二球悬铃木叶片的单位面积滞尘量(4.98 g·m-2)明显高于广玉兰(2.65 g· m-2),这可能与二球悬铃木叶片上下表面均粗糙、有绒毛有关.电感耦合等离子体发射光谱(ICP)分析表明,15种不同的元素均可在二球悬铃木和广玉兰叶表和叶内监测出来,在整体上两树种叶表与叶内元素含量间存在明显的相关性.但仅有Cr、Fe、V等3种元素在二球悬铃木叶表与叶内间存在显著的相关性,而广玉兰中仅有K、Mn、Si、Ti和Zn等5种元素没有显著的相关性,说明两树种叶片对不同元素的吸收具有较强的选择性.再悬浮分析表明,无论是随着风速的增加还是随着风力作用时间的延长,大气颗粒物的再悬浮比例均随之显著增加.在研究植物对大气颗粒物滞留效果时,必须考虑到颗粒物的再悬浮,才能准确评估植被与大气颗粒物的沉降关系.

以热带地区湛江市常见的行道乔木作为研究对象,研究行道树滞尘能力及作用机理,为筛选生态效益高、适合热带环境种植的行道树种提供理论依据.选择热带街道常见的9种行道乔木在4个地点重复采样,采用最新比例称重法计量尘埃质量,纸重法测量叶面积,并进行叶面微结构,叶面特征,叶柄长度和滞尘情况组合分析探索滞尘机理.这9种行道树的滞尘能力差异极显著,麻楝滞尘能力最强,达6.2907 g·m–2,羊蹄甲滞尘能力最差,为1.3136 g·m–2,它们相差达5倍,9个树种的滞尘能力从大到小依次是:麻楝>小叶榄仁>非洲楝>人面子>大花紫薇>垂叶榕>雅榕>糖胶树>羊蹄甲;植物的滞尘能力与其叶片气孔密度、开闭程度有关,表明气孔密度小且开张程度大的植物叶片滞尘能力高于气孔密度大且开张程度小的植物;植物的滞尘能力与叶片表面特征和伸展角度有一定关系,其关键影响因素是叶面的纹路和粗糙程度,而与叶片的质地关系不大;关键研究结果是行道树叶柄长度与滞尘能力呈明显的负相关,其叶柄越长,滞尘能力相应越差,羊蹄甲平均叶柄长度为3.43 cm,滞尘能力最差.行道树间滞尘能力差异极显著,行道树的气孔特征、叶面特征、叶柄长度和枝条伸展角度都会影响行道树的滞尘能力.

降雨能够冲洗植物表面滞留的颗粒物并将其带入土壤中,使植物表面恢复滞尘能力.本文采用人工模拟降雨,以木犀(Osmanthus fragrans)、海桐(Pittosporum tobira)、女贞(Ligustrum lucidum)、石楠(Photinia serrulata)、荷花玉兰(Magnolia grandiflora)和白皮松(Pinus bungeana)6种常绿植物为研究对象,选取60和90 mm·h-1两个雨强,历时60 min,从不同粒径颗粒物(被孔径10μm滤膜截留的颗粒物,标记为PM＞10;通过孔径10 μm滤膜而被2.5 μm截留的颗粒物标记为PM2.5～10;通过孔径2.5 μm滤膜的颗粒物标记为PM2.5)的洗脱率、滞留颗粒物阈值、建立拟合关系3个方面阐述了降雨和颗粒物之间的动态关系.结果 表明:降雨对叶面各粒径颗粒物均有明显的洗脱作用,PM、PM＞10、PM2.5～10和PM2.5的洗脱率分别为54.55％～95.07％、49.83％～96.00％、63.15％～93.63％和75.80％ ～ 91.84％;且90mm·h-1雨强对PM和PM＞10的洗脱率较60 mm·h-1高(P＜0.05);降雨强度对PM＞10的洗脱率影响显著,对于PM2.5～10和PM2.5的影响不明显;6种植物滞留PM和PM＞10的阈值由大到小为白皮松＞女贞＞荷花玉兰＞石楠＞海桐＞木犀;降雨初期,叶表面颗粒物洗脱率随降雨历时先急剧上升,随后趋于平稳;降雨量与颗粒物洗脱率有良好的拟合关系,随着降雨量的增大,颗粒物的洗脱率呈对数升高,并且在降雨初期30 min内颗粒物洗脱率上升较快,随后上升趋势趋于平缓.

以武汉市15种常见的阔叶乔木为研究对象,通过3级滤膜过滤法测定了各乔木单位叶面积滞留不同粒径颗粒物(TSP、PM>10、PM10 、PM2.5)的质量,并通过扫描电镜观察比较了15种乔木的叶表面微形态结构,分析了微形态对植物滞尘能力的影响.结果 表明:15种乔木单位叶面积的滞尘量存在显著差异(P<0.05),综合滞尘能力最强的植物为二球悬铃木、桂花和石楠,除以上3者外,女贞和广玉兰分别具有较强的滞留PM10和PM25的能力;加杨滞留TSP和PM>10的能力最弱,玉兰滞留PM10和PM2.5的能力最弱.各乔木单位叶面积滞留PM2.5和PM10的质量分别占总粉尘量的0.7％-8.9％和3.6％-33.9％.叶表面微结构观察表明,叶表面粗糙、褶皱较多,或被有蜡质层的植物有利于粉尘颗粒物的附着.相关性分析表明,植物单位叶面积的滞尘量与叶表面沟槽的宽度呈显著相关,上下表面沟槽宽度越小,越有利于细微颗粒物(PM2.5)的滞留,下表面沟槽宽度增加,有利于粉尘总颗粒物(TSP)的滞留.由此可见,叶表面粗糙度、蜡质含量和沟槽宽度等微形态结构是调控绿化树种叶片滞尘能力的重要因素,在武汉以治理大气粉尘污染为目标进行城市绿化时,可考虑选择二球悬铃木、桂花和石楠等滞尘能力强的树种.

绿化树种的滞尘能力差异与叶面微结构特征密切相关.以宁东能源化工基地火电厂周边5种典型阔叶绿化树种为研究对象,采用洗脱法测定叶片滞尘量,并用扫描电镜-能谱分析仪(SEM-EDX)研究植物叶表面微结构与滞尘能力的相关性.结果表明:各树种间滞尘量差异明显,5个树种单位面积滞尘能力从大到小依次为火炬树(Rhustyphina)＞臭椿(Ailanthus altissima)＞榆树(Ulmus pumila)＞山槐(Maackia amurensis)＞ 白蜡(Fraxinus chinensis);叶表面兼有表皮毛、气孔和沟壑、粗糙等微结构特征的树种如火炬树、臭椿等其滞尘能力较强;对叶表面滞尘颗粒物粒径及其组成分析发现,部分树种存在对不同粒径颗粒物选择性滞留和吸附现象,如白蜡以气孔吸附型为主导,对PM2.5的吸附能力相对较强;而兼具表皮毛、气孔和沟壑等微结构的火炬树和臭椿则吸附粒径范围较广;通过能谱分析发现,源自土壤扬尘的颗粒物在5种绿化树种上广泛存在,而源自人为源的有机污染物则更易于被具有表皮毛的树种所滞留.因此,在进行能源工业区绿化树种选择时,应依据当地大气污染类型和对滞尘有利的叶面微结构选择并推广相应树种.

现阶段植物滞尘作为治理大气颗粒物污染的有效方法已被广泛接受与应用.已有研究表明,降雨等方式对植物叶表面颗粒物的滞留有着显著的影响,可有效地将颗粒物从叶表面去除,使植物再次具有滞留颗粒物的能力.由于自然降雨难以量化,现有研究大多采用模拟降雨的方式,将降雨特性量化为降雨强度、降雨历时等可控变量,但较少将降雨高度这一变量纳入研究.且大多以森林生态系统或者城市生态系统中常见的乔、灌、草等植物为主要研究对象,而忽略了处于水陆过渡带的湿地生态系统中植物的特殊性.湿地生态系统不仅可通过植物叶片等结构滞留颗粒物,还可依靠增强空气相对湿度促进颗粒物的吸收和积累,导致湿地植物滞尘规律的特殊性.因此,选择北京地区湿地生态系统内的4种常见植物(香蒲、菖蒲、芦苇和黄花鸢尾)作为研究对象,通过人工模拟降雨的方式,将降雨特性量化为降雨高度与降雨强度两个变量,共设置1 m(11 m)、2 m(10 m)两个不同降雨高度,30 mm/h、45 mm/h、60 mm/h三种不同降雨强度,并将颗粒物划分粗颗粒物(10-100 μm)、细颗粒物(3-10μm)、超细颗粒物(0.4-3 μm)三种粒径范围.通过滤膜法获得单位叶面积颗粒物去除量,探讨人工降雨对湿地植物叶表面颗粒物滞留的影响.主要研究结果如下:(1)颗粒物去除量在粗颗粒物(10-100 μm)粒径范围内最高;(2)所试4种湿地植物中,菖蒲的颗粒物去除量位居前列;(3)只有在一定的范围内,植物叶表面颗粒物去除量才随降雨强度的增加而增加;(4)不同降雨高度下所试湿地植物叶表面颗粒物去除量无明显规律,降雨高度之间无显著差异(P＞0.05).

基于对20种常用绿化树种天然环境中叶面滞尘量和滞尘粒度的分析,并与大气降尘对比,探讨不同树种滞尘能力和滞尘的粒度差异,揭示了叶片形态与表面结构对滞尘机械组成的影响.结果表明:20个树种叶面滞尘量存在显著差异,冬青卫矛滞尘量最大,为1.75 g·m-2;鸡树条最小,为0.40 g·m-2,相差4.4倍;各树种叶面滞尘粒度分布曲线可分为双峰分布、三峰分布与四峰分布3类,同期的大气降尘粒度分布曲线呈三峰分布,大气降尘与20个树种滞尘粒度差异表明植物叶片对大气降尘具有选择性滞留作用;不同树种叶片对不同粒径组分的颗粒物滞留能力有差异,叶片滞尘中PM＞10的体积含量最大,具有沟槽的叶片有利于滞留PM2.5,具有突起结构的叶片有利于滞留PM＞10的颗粒物;具有绒毛、沟槽和突起等粗糙微结构的叶片具有较强的滞尘能力.研究结果有助于针对不同污染源筛选合适的绿化树种,缓解大气污染,改善空气质量.

园林植物叶面微结构会影响其截留大气颗粒物的能力.选取乌鲁木齐市主干道10种常见落叶阔叶树种,采用水洗滤膜法测定不同树种单位叶面积对空气总悬浮颗粒物(TSP)、大颗粒物(PM＞10)、粗颗粒物(PM3-10)和细颗粒物(PM1-3)的滞纳量,探究不同粒级颗粒物含量及其占总颗粒物含量的百分比;用高倍电子显微镜观察叶表面微形态特征(绒毛长度、气孔半径、凹槽宽度等),分析叶表面在微观结构下各形态特征与其不同粒级颗粒物吸附能力间的相关性.结果表明:不同树种单位叶面积颗粒物滞纳量表现出较大差异,其中榆树总颗粒物滞纳量最高(53.38±0.71)μg,是红瑞木总颗粒物滞纳量(4.90±0.64)μg的10倍;PM＞10颗粒物平均含量占TSP约80％.榆树的PM3-10、PM1-3滞纳量最高,达(9.14±1.08)μg和(7.75±0.05)pg,是其他树种的3-5倍.气孔数量与TSP、PM＞10颗粒物含量呈显著正相关性,相关系数均为0.51(P＜0.05);绒毛长度与PM1-3含量具有显著负相关关系,相关系数为-0.57(P＜0.05).试验树种滞尘主要以大颗粒物为主,且叶面微结构与大颗粒物滞尘量关系密切;叶面凹槽与TSP、PM＞10、PMI-3颗粒物含量呈负相关关系,其中叶背面凹槽宽度与PM＞10含量呈显著负相关(P＜0.05).通过测定10种树木叶片滞纳颗粒物含量发现,榆树、山楂等树木的叶面微结构特征具有较强的颗粒物滞纳能力,在乌鲁木齐市街道绿化工作中可作为优选物种应用.