城市道路植物叶面滞尘的微观效应研究

吴桂香，徐成林，刘 杰，杨燕飞

(昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093)

0 引 言

随着工业化发展环境污染正在加剧，其中颗粒物污染尤为严重.2020年337个地级及以上城市平均优良天数比例为87.0%，空气质量超标率高达40.1%，PM2.5、PM10浓度超标天数分别占比为14.3%、8.5%；颗粒物的排放呈季节性变化，首尾两个季节的PM2.5、PM10浓度均超《环境空气质量标准》“二级标准”较多[1]，且颗粒物污染会对人类生活、健康带来种种问题，如心血管、呼吸道疾病、非意外死亡、出生体重减轻、肺癌和其他炎症，特别是PM2.5可以进入肺泡及血液中造成呼吸道疾病[2-3].绿色植物具有良好截取大气颗粒物的功能，具有降低空气对人体健康影响，具有明显的经济效益.美国城市的植物去除PM10的数量为214 900 t，经济价值为96×106美元[4]；利用污染物在植物的干沉积值计算巴斯克地区去除空气污染物的年经济价值，以健康的益处估计为每年6 000万欧元，大约是巴斯克地区2016年国内生产总值的0.09%[5].

许多学者利用测量工具对不同植物吸附颗粒物的量进行数据测量，1984年Bondietti等[6]首次在气溶胶中加入212Pb,214Pb,7Be来测量其在叶面上的沉积量，这是国际上对不同植物滞留气溶胶量研究的先河; 张新献等[7]用蒸馏水清洗叶面的沉积物除以叶面积估得滞尘量，从而得到绿地的滞尘效益，在国内开创了用沉积物重量来分析植物滞尘量的方法，为植物滞尘规律分析奠定理论基础；吴艳芳等[8]及张桐等[9]发现不同草本植物滞留颗粒物的量差异在3倍以上，灌木的滞尘量大于乔木，灌木中金银木、大叶黄杨滞尘量较高，紫荆较低，雪松的滞尘量是油松的5倍多；用环境扫描电子显微镜观察不同植物的叶面发现由于表面粗糙度、气孔密度和深度、绒毛、沟状组织、凹槽等微观结构不同导致滞尘能力差异.目前植物滞尘的研究主要集中在植物的滞留量，叶面滞留颗粒物微观特征对滞尘影响的成因研究尚需完善，故本文在颗粒物与物体表面的力学表达式基础上，研究叶面滞尘行为与其微观结构的关系，为粉尘污染较严重地区树种的选择和大气污染治理提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 样品采集

试验地点选在长沙市西二环快速道旁的绿化带，供试树种为叶面性状具有代表性的5种植物：桂花树(Osmanthus fragrans，常绿乔木)、红檵木(Loropetalum Chinese，常绿灌木)、枫扬(Pterocarya stenoptera，落叶乔木)、珊瑚树(Viburnum odoratissinum，常绿乔木)、樟树(Cinnamomum camphora，常绿乔木).

在一条绿化带上选取雨后3 d，3株相同类型植物采样，灌木(红檵木)0.5～0.7 m处，乔木(桂花树、枫扬、珊瑚树、樟树)1.2～1.5 m处采集成熟的树叶40片，其中红檵木因树叶相对较小采集110片，采集叶片用保鲜膜避开正面包裹，以防绒毛挤压、粉尘脱落.

1.2 叶面微观滞尘测定

在主叶脉旁取2 cm×1 cm的叶片，用镊子将叶片背面固定在载玻片上，选取叶片中心线至叶边的区域，采用梅花形布点法选取5个点中的颗粒物为观测对象.因金相显微镜不用试剂固定、脱水等步骤就可直接观察叶面结构，故用金相显微镜采集叶面的彩色图片，然后用SJ-HS 型生物显微图像电脑分析系统(北京泰克仪器有限公司)的显微图像分析软件对采集叶面上不同颜色的颗粒物(文献[10-12]研究说明黑色、灰褐色粉尘主要成分为含碳的有机物质，反光、红褐色、浅色粉尘主要为元素及其化合物的无机物质)进行二值化分析，统计颗粒物数量、粒径分布、叶面上有机、无机成分分布.

1.3 叶面接触角的测定

叶片表面接触角采用JGW-360a接触角测定仪(承德市成惠试机有限公司)测量，计算采用Owens/Wendt固体表面自由能估算法，本研究中选择蒸馏水和正十六烷作为测试液体，通过测量两种试液体在叶片的接触角(θ)，并将所得的接触角和两种测试液体的色散成分和极性贡献输入静滴JGW-360a接触角测定仪的计算程序得叶面表面自由能(r)、色散成分(r1)和极性贡献(rs).

2 结果与分析

2.1 树叶特征分析

5种植物树叶的尺寸、叶面结构、叶表接触角等特征见表1.同种植物的树叶尺寸起伏较大，红檵木、桂花树的叶柄相对于树，不易被风吹动，枫杨叶柄长度最长；樟树、枫杨、珊瑚树叶面结构简单，而桂花树叶面密布无规则排列的气孔、红檵木的叶面有沟状组织等特殊结构.叶面润湿性主要是水在叶面代替空气的能力，表现为水对叶面湿润的能力，用接触角来表示.相关学者[13-14]对植物润湿性的相关因素分析发现润湿性与叶面蜡质、叶面绒毛、气孔、表皮细胞等有关，红檵木因表面密度绒毛的影响使接触角最高(97.2°)，枫杨表面蜡质少而接触角最低(63.5°)，表面自由能是叶面吸附颗粒物的最重要的因素，叶表面自由能由色散成分和非色散成分(极性成分)组成，极性成分反映了表面分子间偶极和氢键的相互作用，非极性贡献反映了分子间色散力的作用，樟树的极性成分较高为5.1 J/m2，而珊瑚树的极性成分仅为0.3 J/m2.极性贡献在固体表面自由能中所占比例较小，但极性成分的官能团能与颗粒物中极性成分相互吸引.

表1 典型植物树叶特征

2.2 不同叶面对颗粒物的滞留率差异

植物的滞尘能力用显微分析系统中所选区内粉尘投影面积与选区的面积比来表示，即遮光比，图1为5种典型植物滞留颗粒物的能力.不同叶面滞尘能力有所波动，常绿乔木桂花树滞尘能力最强(2.37%)，常绿灌木红檵木次之(1.52%)，落叶乔木枫杨最弱(1.05%)，故对于降低颗粒物污染、保障粉尘重污染区的公众安全而言，桂花树、红檵木等常绿、滞留粉尘能力强的植物更适合.滞留无机物能力由大到小排序为：桂花树、红檵木、珊瑚树、樟树、枫杨，其中桂花树滞留无机物能力最强(1.8%)，其次为红檵木(1.2%)，滞留有机物能力由大到小排序为：桂花树、樟树、珊瑚树、红檵木、枫杨，其中桂花树滞留有机物能力最强，而樟树滞留的PM(有机物)/PM(无机物)的比值最大，大部分植物滞留无机物的能力大于有机物.

图1 典型植物滞尘能力Fig.1 The dust-retention ability of typical plants

2.3 不同叶面滞留颗粒物的粒径分布

根据大气气溶胶的直径分类标准和不同粒径粉尘对人类危害差别，对粒径在 0～100 μm范围内的颗粒物进行研究，其中PM10能被人直接吸入呼吸道，而PM2.5更甚，故将粒径分为0～2.5 μm、2.5～10 μm、10～100 μm 3个粒径级别；为了分析植物对不同性质颗粒物吸附的趋向性，对5种植物在观察区内吸附的无机物、有机物在3个粒径级别的颗粒数量进行统计，结果见图2、图3.

图2 典型植物黏附有机颗粒物粒径分布Fig.2 The granulometric distribution of organicparticles adherent to typical plants

图3 典型植物黏附无机颗粒物粒径分布Fig.3 The granulometric distribution of inorganicparticles adherent to typical plants

5种植物滞留的无机物主要在粒径0～2.5 μm范围内，PM<2.5(无机物)占PMall(无机物)59.0%～79.6%，滞留PM2.5(无机物)能力最强的为桂花树(1 260颗)、红檵木(1 140颗)，最少的为枫杨(130颗)；PM>10(无机物)占PMall(无机物)的9.3%～31.7%，红檵木粘附PM>10(无机物)最少(141颗)，珊瑚树最多(257颗)，樟树PM>10(无机物)/PMall(无机物)为31.6%,占比最大.5种植物滞留有机物的粒径范围有差异，桂花树(532颗)、樟树(214颗)在0～2.5 μm、10～100 μm粒径范围内PM(有机物)数量与占PMall(有机物)的90%以上，枫杨滞留的PM2.5(有机物) 占PMall(有机物)最多，占比55.2%.

叶面滞留PM2.5/PMall的比值范围为54.5%～76.5%，PM2.5～10/PMall的比值范围为13.3%～20.2%，PM>10/PMall的比值范围为11.8%～31.7%，樟树滞留PM>10/PMall比值最大(31.7%)，其次为桂花树，红檵木滞留PM>2.5/PMall比值最大(76.5%).

2.4 叶面滞留颗粒物的黏附力分析

颗粒物随气流扩散到树叶表面时会发生惯性碰撞，偏离气流的运动轨迹的小粒径颗粒物由无规则的布朗运动撞在叶面上，气流流过叶面暂时停留的颗粒物数量与叶面角度分布、叶面几何尺寸密切相关，叶面周长大，叶面几何尺寸大，即单位接触面大的叶面较容易滞留颗粒物，不同叶面结构、树叶尺寸捕获颗粒物能力不同.颗粒物被叶面捕获后是停留在叶面上，还是因气流作用而被带离，与它们之间的粘附力FP密切相关.叶面吸附颗粒物的黏附力FP主要为静电力FE、范德华力Fa、毛细作用力Fe、氢键力FH、化学作用力Fc[13]：

FP=∑Fi=Fa+FE+Fe+FH+Fc

(1)

范德华力(Fa)是普遍存在的力, 大部分颗粒黏附都是由于它的作用，颗粒物与叶面间范德华力为[14]：

(2)

式中：dP为颗粒直径(μm)；x0为颗粒物与叶面间距离(nm)；A为范德华(Hamaker)常数；z0为叶面的粗糙度(nm)；r为零平面位移(nm)，随植物类别和季节而变化.叶面表面物理性质z0、r可用原子力显微镜AFM测量[15-16].

叶面与颗粒物吸附的时间越长，x0越小颗粒物越难脱离，即叶面粘附颗粒物的时间越长(长时间不下雨，无风天气情况)，越难被雨、气流等因素去除，植物滞尘能力也会变差，故在冬季粉尘污染较严重的地区需对叶面喷洒，恢复植物的滞尘能力；颗粒物的粒径越大，越容易被叶面粗糙度小的叶面黏附，但由于大颗粒重力大于范德华力，故易在外力作用下脱离叶面；房瑶瑶等[19]研究结果认为虽叶片表面粗糙度越大其单位面积饱和滞纳量越大，但单位叶面积PM10的饱和滞纳量与叶片的粗糙度呈显著负相关，而PM2.5无显著相关，故大颗粒易因范德华力吸附在樟树、枫杨等无特殊结构的叶面，樟树滞留PM>10/PMall的比值最大，为31.7%.

静电力(FE)[18]存在于带电的颗粒物与叶面之间.气溶胶的微粒都带电，气溶胶一般在晴朗、干燥的天气带有微小电量的正电荷，空间电子量为104～106C/m3.地面的植物一般带有与周边环境积累电荷量相等、电量相反的负电荷，良好天气地表的电场平均为100 V/m，日变量为20%.带电气溶胶所受的静电力为：

(3)

式中：Q为颗粒物的电量(C)，E0为平均电场100 V/m，h为离地面高度(m)，r1为颗粒物与植物中心位置的距离(m)，A为树冠半径(m).天气、空气电导率、污染物浓度、空间电量变化时会使电场的大小和电极改变植物上的电荷分布不是均匀的，大部分分布在植物突出的部分(如树枝的顶部、树叶边缘)，植物的电场一般比周边环境的电场大点(>100 V/m).良好天气下空气中正离子颗粒物被静电力吸附到植物表面，而负离子颗粒物则被排斥，静电作用有利于叶面在干燥的冬季滞尘，但冬季雨水较少，叶面滞尘饱和后滞尘能力会大幅度降低.

毛细作用力(Fe)与大气中水分子吸附在固体表面形成多层吸附水分子膜的毛细作用有关.由于空气的潮湿，在两个接触物体间的间隙里可产生水蒸汽的凝结，在间隙中形成的这种弯月面将微粒拉向叶面.毛细作用力(Fe)[19-20]为：

(4)

式中：γiv为液体的表面张力(N/m)，对于水，γiv=72×10-3N/m；θ为颗粒物与液体的接触角(°).θ越小、有凹槽的叶面、颗粒物越大与叶面的毛细作用力越大，越易吸附颗粒物，在下雨天也更容易被雨水湿润而带走粉尘.在湿度相对大的环境中，叶面间隙形成的弯月面对颗粒物吸引力，毛细力比范德华力要大得多，故有沟状组织、气孔等不单可以镶嵌住微细颗粒物，还可以利用毛细作用力吸附大颗粒物，文献[21-22]等测定油松、女贞、珊瑚树和三叶草叶面的滞尘量及湿润度对其的影响发现叶面积最小且易润湿的油松叶面滞尘量最高，在湿润环境中桂花树、红檵木、珊瑚树滞尘能力增强；枫杨虽湿润度低，但表面无特殊结构，无间隙中形成弯月面结构，毛细作用力低.

氢键力(FH)与范德华力的最大差别是有饱和性和方向性，键能在一般大气中颗粒物的组成非常复杂，大气中颗粒物的组成非常复杂，其表面极性官能团能与叶片表面的-OH、-COOH、-CHO等极性官能团相互作用[23]，极性分量对叶片滞尘能力的影响是不可忽视的，如在交通车辆轮胎磨损和尾气排放的Zn、Pb、Cu等重金属化合物与叶面的官能团(如茶树含有酚类化合物)或树叶的分泌物中的羧基和酚类等基团之间形成分子间氢键，即环氧树脂与金属之间形成的氢键联接，金属氧化物(Me+O-)与羧基H(δ+)COOC-R的配位反应；另一种氢键力为疏水基之间的作用力，植物叶片靠分泌的油脂等特殊分泌物或表面蜡质吸附大气颗粒物中的疏水性物质，如有机污染物黏附在叶片上不易被雨水冲刷掉主要是依靠有机污染物 (多环芳烃、苯酚类、硝基芳香烃类、多环芳烃类)和油脂(蜡质脂肪族化合物、环状化合物以及羟基脂肪酸等疏水基团)形成的引力作用，疏水作用力是指疏水基团相互接近而形成的一种短期作用力，主要是氢键作用[24]，比范德华力大，疏水引力为：

(5)

式中：f0为疏水相互作用能量常数，λ0为衰减长度(nm).颗粒的润湿接触角越大，f0和λ0的数值就越大，故樟树等叶面带有疏水性基团的叶面易滞留有机颗粒物.

化学键力(Fc)指在颗粒物和表面之间形成化学键后的结合力，有些植物表面存在粘液，与颗粒物之间产生某种化学作用，如油松能够分泌较多油脂，化学键作用力大，粉尘通过化学键力黏附后脱离需要较大力，但只存在少数叶面.

本次试验的叶面不存在粘液故不考虑其影响.故颗粒物间的吸附作用力FP为：

(6)

从式(6)中可以看出，影响颗粒物与叶面黏附力的主要因素有：颗粒物直径，叶面的尺寸、粗糙度、表面官能团、带电性、与水的接触角，空气湿度、温度、叶面与颗粒物接触面积、距离等.

叶面与颗粒间的黏附力越大, 则吸附的颗粒物越多，滞尘能力越强，但一般情况下颗粒物与叶面间作用力并非同时存在，在不同的环境下有一种或几种力联合作用，如在晴朗的天气，FP主要为Fa、FE，而在潮湿的天气中，FP主要为Fa、Fe、FH.以上分析主要针对一种情况而没考虑叶面角度问题，实际上树叶都有一定的叶倾角，颗粒物在重力作用下发生向下的滑动力，特别是大颗粒物，虽大颗粒的范德华力、毛细作用力在同种树叶中作用力大，但重力产生的向下滑动力也会造成颗粒物脱离叶面，而小颗粒物重力小、且容易镶嵌在特殊结构中而占优势，故叶面滞留PM2.5数量多，颗粒物最容易撞击并滞留在湿润、粗糙或带电且结构复杂的叶面.

3 结 论

1) 5种典型植物中滞留总颗粒物能力由大到小的排序为：桂花树>红檵木>珊瑚树>樟树>枫杨，大部分植物滞留无机物的能力大于有机物，桂花树、红檵木滞留无机物能力强，樟树、桂花树滞留有机物能力强.

2) 5种典型植物滞留无机物粒径主要在粒径0～2.5 μm范围内，桂花树滞留PM2.5(无机物)能力最强，枫杨最少；滞留有机物的粒径范围不同植物有较大差异，其中枫杨滞留的PM2.5中有机物成分占比最多，为55.2%.

3) 不同叶面滞留颗粒物的差异性与它们之间的黏附力息息相关，它们间的黏附力中范德华力、毛细作用力、氢键力、化学作用力等受叶面的微表面结构影响较大，而静电力主要与气候、颗粒物性质、植物树冠等因素相关；影响叶面滞留颗粒物的微观因素有：叶片的尺寸，叶柄的长度、叶面的粗糙度、零平面位移、表面官能团、分泌物、带电性、接触角、凹槽，颗粒物带电性、粒径大小、密度、化学性质等.

4) 在晴朗的天气中，无分泌物叶面的黏附力和吸附力主要为范德华力Fa、静电力FE.粗糙度小、零平面位移小的叶面与颗粒物间范德华力大，颗粒物易被吸附到叶面，故晴朗的天气条件下颗粒物不易从叶面脱离；樟树等无特殊结构的叶面，主要靠范德华力黏附大颗粒物，故樟树滞留PM>10占PMall比重最大.在静电力作用下，植物突出的部分易吸附正离子颗粒物，樟树跟枫杨叶面结构简单，都无特殊结构，但樟树因疏水基团比枫杨更易吸附有机物；在潮湿的天气中，叶面与颗粒物的黏附力范德华力Fa、毛细作用力Fe、氢键力FH，易湿润的、有凹槽的叶面与颗粒物间毛细作用力大；有-OH、-COOH、-CHO等极性官能团、疏水基的叶面更易吸附疏水性的有机颗粒物，因毛细作用力的存在，在潮湿的天气植物的滞尘能力更强.