昆明市典型绿化树种的滞尘及吸收SO2、NOx效应
摘要：以清洁区为对照，分析了昆明市工业区和主城区使用频率较高的典型树种滞尘效果，对不同功能区植物的滞尘量做差异性分析。结果表明，植物叶片的滞尘量高低排序是工业区、主城区、清洁区。通过对植株不同高度的滞尘量比较，发现低位置的植物叶片滞尘效果较好；在阔叶树种中，天竺桂（Cinnamomum pedunculatum Nees）的滞尘效果最好，可达到19.660 9 g/m2，而梧桐[Firmiana platanifolia（L. f.）Marsili]是对SO2吸收能力最强的植物；在针叶树种中，龙柏[Sabina chinensis（L.） Ant. var. chinensis cv. Kaizuca]和圆柏[S. chinensis（L.） Ant. Cupress. Gatt.]的滞尘效果较好，柳杉（Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr.）对SO2和NOx的吸收净化能力较强。因此，综合考虑大气污染因素后，在不同功能区除应种植常绿阔叶树种以及落叶阔叶树种以外，还应考虑搭配以龙柏为首选的针叶树种，形成一个针叶树种和阔叶树种混交的合理群落结构。
关键词：植物；滞尘；SO2；NOx；昆明市
中图分类号：Q948.116：X511（741） 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）18-4740-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.028
大气颗粒物是指分散在空气中的固态或液态物质，其空气动力学当量直径在10 μm；这种颗粒物容易通过鼻腔和咽喉进入人体呼吸道内，其中直径小于或等于2.5 μm的颗粒物也称为可入肺颗粒物，是形成灰霾天气的最大元凶[1]。于人类活动、尾气排放、化石燃烧等的SO2和NOx是大气污染物的重要组成成分，它们不仅会刺激人们的呼吸道，减弱呼吸功能，危害人体健康；还可能导致酸雨，给生态系统带来严重危害。现在，植物生长代谢作为一种经济、有效、持久的大气环境污染修复方式，已经成为社会普众和政府部门公认的有潜力的环境污染修复工程组成部分。近年来，许多学者对植物净化空气的机理展开了研究，但由于沙尘暴天气和雾霾天气主要在北方频发，所以植物净化空气研究主要集中在北方地区[2-5]，这些研究得出了不同城市绿地类型、主要树种的滞尘能力、改善城市中空气负离子的效应、减少噪音、吸收甲醛等研究结果；但对南方地区及绿化树种吸收空气中的主要污染物如SO2、氮氧化物的研究很少。昆明市作为著名的旅游城市，是有名的“春城”；随着昆明市工业化、城市化和现代化的快速发展，人为因素造成的大气污染问题也逐渐凸显出来，不仅影响当地环境质量和居民的身体健康，也将会影响旅游业和社会经济的持续发展。为此，客观评价昆明市不同功能区常用绿化树种的滞尘作用以及对SO2、NOx的净化效应成为现实中急需解决的问题，所以课题组开展了这方面的探索，希望以此完善昆明市园林植物的选择、优化园林植被群落的建设。
1 材料与方法
1.1 样地设置
选择昆明市主城区（交通流量较大的区域）及工业区为研究对象，以远离主城区及工业区的西南林业大学绿化区作为清洁对照区。在各采样区布设30个采样点，其中工业区10个采样点、主城区10个采样点、清洁对照区10个采样点。
1.2 供试树种的选择
在昆明市主城区、工业区及清洁对照区都选择发生污染频率较高的区域，根据文献[6]及现场调查情况，在各个区域都选择十年生以上的绿化树种进行采样测定，其中常绿阔叶乔木有4种，分别是天竺桂（Cinnamomum pedunculatum Nees）、大叶女贞[Ligustrum compactum（Wall. ex G.Don） Hook.f. & Thomson ex Decne]、桂花（Osmanthus fragrans Lour.）、广玉兰（Magnolia grandiflora L.）；落叶阔叶乔木有2种，分别是梧桐[Firmiana platanifolia（L. f.）Marsili]、滇朴（Celtis kunmingensis Cheng et Hong）；针叶树种有4种，分别是龙柏[Sabina chinensis（L.）Ant. var. chinensis cv. Kaizuca]、圆柏[Sabina chinensis（L.）Ant. Cupress. Gatt.]、柳杉（Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr.）、雪松[Cedrus deodara（Roxb. ex Lamb.） G. Don]。
1.3 样品采集与研究方法
选择与道路横向距离相同位置的树种进行采样，从树冠外缘东、西、南、北方位按照株高2～3 m及4～6 m的位置进行重复采样。阔叶树种采集 20～30片叶（大叶10片左右），针叶树种采标准小枝250～300 g，在尽量不抖动的情况下密封带回观测站实验室。
滞尘量的测定方法参考柴一新等[7]的方法，先用蒸馏水将叶片浸泡2 h以上，再用小毛刷清洗叶片上的粉尘，然后小心用镊子将叶片夹出。浸洗液用已烘干称量（W1）的滤纸过滤，将滤纸于60 ℃下烘干24 h，再以1/1 000天平称量（W2），质量之差（W1-W2）即为叶片上所附着的降尘颗粒物质量。夹出的叶片晾干后，采用LI-3000A植物叶面积仪扫描测定植物叶片面积（S），（W1-W2）/S即为阔叶树种的单位叶面积滞尘量。由于针叶树种的叶面积测定困难，因此针叶树种的滞尘量表述用单位重量的滞尘量来表示，即把清洗出滞尘以后的针叶树再次放入烘箱里，于60 ℃烘干，称出恒重（W3），（W1-W2）/ W3即得。
植物叶片（小枝）用清水洗净烘干，用粉碎机打磨后，用于样品的含硫量和含氮量测定，植物含硫量用HNO3-HClO4消煮法处理后，采用电感耦合等离子仪测定；植物含氮量用HSO4-HClO4消煮法处理后，采用恒温培养法测定。 1.4 数据处理
试验所得数据采用Microsoft Office Excel 2003软件处理，并用其制表和绘图；运用SPSS 17.0软件单因素方差分析法检测差异显著性，应用LSD法对同一植物叶片的滞尘量进行多重比较，并作相关性分析。
2 结果与分析
2.1 植物的滞尘能力比较
2.1.1 不同功能区阔叶树种的滞尘效应 在实施滞尘量测定的6种阔叶树种中，单叶面积超过110 cm2的有广玉兰和梧桐，大叶女贞的单叶面积在27～35 cm2，单叶面积在20 cm2以下的有滇朴、桂花及天竺桂。选择近40 d无雨、天气晴好的秋季进行采样测定，测定结果见表1。从表1可见，在3个功能区内6种阔叶树种的植物滞尘量大致呈现出一个规律，即阔叶树种的植物滞尘量高低排序是工业区>主城区>清洁区；其中工业区阔叶树种的最高滞尘量可达到19.660 9 g/m2，是清洁区同树种的10倍，主城区阔叶树种的滞尘量最高也可达到清洁区的7.2倍之多。对3个功能区相互间植物的叶片滞尘量进行多重比较，结果见表2。从表2可见，工业区与清洁区的植物叶片滞尘量差异显著，主城区与清洁区的植物叶片滞尘量差异显著，表明不同功能区的植物叶片对大气悬浮颗粒物具有不同程度的滞尘效应。有研究表明，植物树冠通过降低风速将悬浮物滞留在植物叶片表面，同时吸滞粉尘，达到减少空气灰尘量的效果[8]。从污染源头分析可知，工业区以钢铁生产为主，大量煤炭及加工材料产生的固体废弃悬浮物从生产车间往大气中排放，加之出入工厂的绝大部分是工程车辆，扬起大量的尘土，使空气中的大气悬浮颗粒物明显增多，外加大气中上下气流的作用，致使植物叶片表面的滞尘效果增强。对于主城区而言，交通流量较大是主城区的主要特点，空气中颗粒物主要来源是交通工具尾气排放及汽车与地面接触产生的粉尘，从而使得该区域内的植物叶片滞尘量较高于清洁区，但其滞尘量未高于工业区，表明工业区的大气悬浮颗粒物污染程度大于交通运输所造成的污染程度。进一步对表1中阔叶树种在不同高度的植物叶片滞尘量进行比较，发现低位置的植物叶片滞尘效果比高位置的植物叶片滞尘效果好，在2～3 m的最大滞尘量为19.660 9 g/m2，在4～6 m的最大滞尘量为10.744 6 g/m2。从采样情况及文献资料参考看，植物下层枝叶的延伸范围较大，与大气悬浮颗粒物的接触面积大，加之枝叶茂密发达，通过密集的枝叶可降低风速，阻止滞尘随气流扩散，使粉尘更好地富集在植物叶片上。相对来说植物下层的叶片离地面较近，不仅可以吸附工厂向大气排放的悬浮颗粒物，还能直接吸附机动车排放和地面的扬尘。除此之外，开敞式环境条件下车辆行人繁多，造成路面产生较大程度的二次扬尘也是下层植物灰尘滞留量增多的有利因素[9]。而上层植物的枝叶稀疏度较大，降水和大风等天气因素可以减少植物叶片灰尘的存量，同时受大气中上下气流的影响，会将滞尘重新沉降到下层树冠枝叶上，而加强下层植物叶片的滞尘效果[10]。另外，6种阔叶树种的滞尘效果以常绿阔叶树种的天竺桂最好，滞尘量平均可高达15.202 8 g/m2，这是因为天竺桂枝叶浓密茂盛，加之叶片腹凹背凸，是阻止风速且促使滞尘沉降和滞留的重要因素；从采样来看，天竺桂叶片有油脂性分泌物，可使黏附性大大增强，所以滞尘效果最好。其次是大叶女贞，大叶女贞叶片挺直，平展、宽大，这对于滞留粉尘大有帮助，因此大叶女贞也表现出较好的滞尘效果。落叶阔叶树种中是梧桐的滞尘效果较好，其比常绿阔叶树种大叶女贞、广玉兰、桂花还好，个中原因与梧桐的叶面结构有关，梧桐的单叶面积绝大部分在100 cm2以上，且叶片边缘呈锯齿状，并往叶面弯曲。广玉兰和滇朴的滞尘效果相对较差，这是由于广玉兰叶片正面光滑，滇朴的枝叶稀疏度较大且叶片相对单薄，对风的阻力系数较小，使得已经滞留在叶片上的粉尘再次被吹起，最终保留在叶片上的粉尘量减少。因此，造成植物个体间滞尘效果差异的原因主要与叶面粗糙、凹凸不平和密附细毛的表面结构有关，也受到树冠结构、枝叶密集程度、叶面倾角、表面分泌物等的影响[11]。
2.1.2 不同功能区针叶树种的滞尘效应 4种针叶树种的叶片滞尘情况见表3。从表3可见，针叶树种在3个功能区的叶片滞尘效果与阔叶树种叶片的滞尘规律大致相同，从高到低的排序也是工业区、主城区、清洁区。针叶树种中同一树种在工业区的滞尘量最高可达45.082 0 g/kg，这个水平大约是清洁区的4.5倍，因此针叶树种对大气污染具有一定的滞尘效果，同时也表明针叶树种对空气污染的响应是积极的[12]，并且工业区的大气悬浮颗粒物的污染程度大于交通运输所造成的污染程度。比较所调查的几种针叶树种的滞尘量，发现龙柏和圆柏的滞尘效果较好，柳杉和雪松的滞尘效果较差；这是因为龙柏和圆柏的鳞叶小枝近圆形或近四棱形，且小叶排列比雪松和柳杉的针叶排列要紧密得多，而且龙柏的枝条通常是斜上伸展，形成广圆形的树冠，使树冠与空气的接触面比圆柏又大很多，所以龙柏的滞尘效果又比圆柏好。柳杉与雪松相比，柳杉小枝细长，常下垂，但是叶形略向内弯曲，且先端的气孔线是柳杉滞尘的利器，雪松的小枝是针状圆锥形，不利于粉尘附着，所以柳杉的滞尘能力比雪松强[13]。
2.2 不同功能区绿化树种叶片对硫的吸收能力
植物在能够忍受的污染浓度范围内，叶肉细胞通过气孔吸收大气中的SO2，在溶于细胞液后而生成HSO4-及SO42-，并存在于叶内加以同化利用[14，15]。10个绿化树种在不同功能区的叶片含硫量分析、比较情况见图1。从图1可见，10个绿化树种在3个功能区的叶片吸收SO2能力从高到低的排序是工业区、主城区、清洁区。其中对SO2吸收效果最好的阔叶树种是梧桐，并且也是10个绿化树种中对SO2吸收效果最强的，其叶片平均含硫量在工业区、主城区、清洁区里分别达到了5.846 5、4.515 5、3.202 7 g/kg。植物的这种吸收方式与大气中SO2的浓度有关，在较高浓度的SO2环境中，植物对SO2会产生很强的吸收作用，通过生理代谢，可将大气中的含硫化合物转化为自身所需的硫元素，而且通过叶片吸收、累积的硫元素量相对还比较大[16]。在针叶树种中对SO2吸收效果最好的是柳杉，其次是圆柏，因为柳杉和圆柏的气孔密度较大，且气孔开口也大[17]，所以对SO2的吸收效果较好。而阔叶树种天竺桂对SO2吸收效果不佳的原因可能是由于分泌油脂后，在滞尘的过程中容易堵塞气孔，致使对SO2的吸收通道不畅造成的。 2.3 不同功能区绿化树种叶片对氮的吸收能力
10个绿化树种在不同功能区的叶片含氮量分析、比较情况见图2。从图2可见，10个绿化树种在3个功能区的叶片含氮量具有较大的差异，其中在污染相对较高的工业区和主城区植物叶片含氮量明显高于清洁区，然而10个绿化树种在清洁区的叶片含氮量大体一致，说明10个绿化树种叶片对NOx均有相当的吸收潜力。从不同树种的植物叶片含氮量分析来看，针叶树种对NOx的吸收能力比阔叶树种强，其中柳杉对NOx的吸收能力突出，圆柏和龙柏次之，雪松的效果较差。从不同功能区植物含氮量分析看，吸收效果较好的柳杉在工业区和主城区的叶片含氮量分别是清洁区的2.3倍和1.5倍；潘文等[18]、缪宇明等[19]指出，环境里NOx的浓度增高，则植物的吸收氮能力增强，转化成植物所需的营养元素就越多，且植物对于一定浓度范围内的大气污染物不仅具有一定的抵抗力，还具有相当程度的吸收能力，大气中的NOx与植物叶面接触后，植物叶片的分泌物会在吸收NOx后将其转化并储存在氨基酸和蛋白质成分中，这是自然界吸收氮氧化物的有效途径；从环境治理的角度看，也是植物对不良环境的一种修复体现。不同树种的植物含氮量表现出的差异性，可能是植物通过其植物生理代谢过程将环境污染物转化为另一种形态来降低对自身的毒害造成的，说明不同植物的氮生理机制存在差异。
3 小结与讨论
试验结果表明，昆明市的工业区和主城区的植物滞尘量较高，与清洁对照区相比差异明显，反映出工业区的污染程度较为严重。不管是在工业区还是在主城区，处在低位置的植物叶片滞尘效果要比处在高位置的滞尘效果好。对比天竺桂、大叶女贞、桂花、广玉兰、梧桐、滇朴、龙柏、圆柏、柳杉、雪松10种昆明市典型绿化树种对大气污染的吸收净化效应，发现不同植物的净化优势不同，阔叶树种中的天竺桂滞尘效果最好，因此在污染较大的区域种植天竺桂能产生良好的滞尘效应。与此同时，针叶树种也是净化大气污染的优势树种，比如柳杉对SO2及NOx具有较好的净化效果，龙柏的滞尘效果比较可观，可达到45.082 0 g/kg2。周瑞玲等[20]研究后指出，不同类型树种的滞尘能力存在较大的差异，其高低顺序为针叶乔木、灌木、阔叶乔木。因此，在全面考虑大气污染成分时，不同的城市功能区在种植常绿阔叶树种以及落叶阔叶树种外，还应考虑搭配以龙柏为首选的针叶树种，形成一个针叶树种和阔叶树种混交的合理群落结构。
大气悬浮颗粒物是昆明市大气污染的重要组分，市内不同的功能区大气污染物的含量不同，从滞尘量研究结果来看，工业区大气污染贡献高于主城区汽车尾气造成的大气污染，程政红等[21]、鲁敏等[22]曾指出，可以用污染严重的工业区内绿化树种的大气污染物含量来反映区域大气污染的水平以及植物对大气污染的修复能力。因此，通过滞尘量比较来衡量区域间的污染程度是可靠的。植物滞尘借助3种方式同时进行，即滞留、附着和黏附，滞留易受到气象因素如气流等影响，而附着和黏附则需要一定强度的风力和雨水才能去掉[7]，各种植物滞尘的效应与植物的生理、形态结构有关，叶片表面有沟状、密集脊状、凸凹不平结构的比较容易附着和黏附大气颗粒物，叶片上有纤毛或者分泌物的也容易附着或黏附灰尘[2]，试验中的天竺桂和大叶女贞的滞尘效果较好，就与其表面结构有密切的关系，如果要进一步从形态学上揭示其滞尘的机理，后续可以借助对叶片进行电镜扫描深入分析[23]。
植物对大气中的NOx、SO2具有一定的抵抗能力，同时也具有一定的吸收能力，甚至有些植物可以很好地利用氮氧化物[21]，植物叶片中硫含量与氮含量与大气中NOx及SO2有着密切的关系[17]，试验中，在各树种所在区域土壤中硫含量和氮含量差异较小的情况下，柳杉表现出了较强的对大气SO2的吸收能力，叶片中硫含量较高，但这个数值与外地相比偏低[19，20]，可能是试验选择的观测区域大气中NOx及SO2浓度没有外地高有关。下一步要扩大树种分析范围，进一步探寻对NOx及SO2具有吸收净化能力的植物物种[24]，以壮大抗污染绿化树种群体，为昆明市城市绿化及环境治理提供更多的备选植物。
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