聊城市徒骇河风景区常绿植物对大气颗粒物削减作用

孟祥　高祥斌　李莉

摘要：文章以聊城市徒骇河风景区10种常绿植物群落为研究对象，测定植物群落内的大气颗粒物浓度和叶面积指数、叶表特征等指标，结果表明，10种群落对3种粒径大气颗粒物的吸附作用存在较大差异。刚竹、圆柏对PM2.5和PM10的吸附作用较强，而白皮松、红叶石楠对PM2.5和PM10的吸附作用则较弱;圆柏、广玉兰对TSP吸附作用较强，大叶女贞、红叶石楠对TSP的吸附作用则较弱;叶面积指数和叶表特征对植物群落吸附不同粒径大气颗粒物具有一定的影响。通过观测冬季不同常绿植物群落对不同粒径大气颗粒物的削减作用，以及叶表面特征和群落冠层对其影响，为大气颗粒物污染的治理在植物选择上提供参考。

关键词：大气颗粒物，吸附，叶表特征，聊城市

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2019.00.026

Effect of Evergreen Plants on Atmospheric Particulates Reductionin Tuhai River Scenic Area of Liaocheng City

Meng Xiangl

Gao Xiangbinl

Li Li1，2

（1.Liaocheng University，Liaocheng 252000，Shandong，China;

2.Garden Administration Division，Shizhong District，Zaozhuang 277100，Shandong，China）

Abstract：The 10 evergreen plant communities of the Tuhai River Scenic Spot in Liaocheng City were selected tomeasure the concentration of atmospheric particulates and leaf area index （LAI）.The result showed that theadsorption effects of 3 different atmospheric particulates were significantly different among the 10 communities.Theabsorption effect of Phyllostachys viridis and Sabina chinensis for PM2.5 and PM10 was stronger while Pinus bungeanaand Photinia fraseri Dress had a weak absorption effect;S.chinensis and Magnolia Grandiflora Linn have strongeradsorption effect on TSP than Ph.fraseri Dress and Ligustrun lucidum Ait.The LAI and leaf surface characteristicshad an impact on the adsorption of atmospheric particulates of different sizes by plant communities.The observation ofthe effect of different evergreen plant communities on the reduction of atmospheric particulates of different sizes as wellas the influence of the leaf surface characteristics and community canopy would provide references for the plantselection to reduce the pollution of the atmospheric particulates.

Key words：atmospheric particulate，adsorption，leaf surface characteristics，Liaocheng City

目前，工业化发展带来的环境污染问题日益严重，大气颗粒物污染已成为城市环境最严峻的污染问题之一。治理大气颗粒物污染是生态环境治理中的重要任务。近年来，植物对大气颗粒物削减作用的研究逐渐增多。王赞红等[1]研究表明大叶黄杨是城市近地面层环境中清除大气颗粒物污染的重要树种。陶玲等[2]认為不同树种的滞尘能力存在很大的差异。赵晨曦等[3]指出今后的研究应当注重不同树种移除大气颗粒物的对比分析及系统研究，并针对研究区域确定防治大气颗粒物污染的优势树种。孙晓丹等[4]研究发现不同绿地结构和不同配置的植物群落削减不同粒径大气颗粒物的能力存在差异。本文综合前人研究的基础，选择聊城市徒骇河风景区稳定的常绿植物群落作为研究对象。由于聊城市地处华北平原，雾霾多发季节为秋冬季节，因此，分析冬季不同常绿植物群落对不同粒径大气颗粒物的削减作用及叶表面特征和群落冠层对其的影响可为华北地区科学有效治理大气颗粒物污染及合理进行植物选择提供参考。

1研究区概况

研究区位于山东省聊城市，35°47'-37°02'N、115°16'-116°32'E，海拔30-38m.地势平坦，属于温带季风气候区，具有显著的季节变化和季风气候特征。年平均气温为13.1℃，1月份最冷，平均气温为-2.5℃;7月份最热，平均气温为26.7℃。徒骇河贯穿聊城市区，两岸修建的徒骇河风景区是典型的城市森林，可以有效地治理大气污染，提高大气环境质量[5]。

2研究方法

2.1样地选择

通过调查分析，在徒骇河风景区内选择10种单一的常绿植物群落（群落内各常绿植物为优势种）（表1），群落样地面积在200-400m2。

2.2测定及实验方法

测定时间为2018年1月，选择典型天气（晴天，日均温度4℃，日均湿度12%，风速0.6m/s）。在每个样地内的对角线交叉点设置高度为1.5m[6]，用OSEN-6C扬尘传感器模块测定每个样地的TSP，PM10，PM2.5数值，测定时长为5min，扬尘传感器每分钟测定1次;并选择距离较近的空旷广场处测定出TSP，PM10，PM2.5数值作为空白对照。

同时用Winscanopy冠层分析仪对样地植物群落的冠层进行拍摄取样，乔木层在1.5m高度，灌木层在0.6m高度。Winscanopy的测定原理是鱼眼镜头数码成像，利用多点取样拍取整个群落的冠层，每个点拍3张照片并随机抽取一张照片[7]，利用Winscanopy PRO 2016對随机抽取出来的照片进行冠层分析，多点平均计算植物群落的叶面积指数（ Leaf Area Index，LAI）。

采摘群落内植物叶片，用奥特光学（CNOPTEC）的BK600生物显微镜进行正面和背面的叶表观察。

2.3数据处理

利用EXCEL2003和SPSS18.0软件进行数据分析，得到10种常绿植物群落中和空旷广场中不同粒径大气颗粒物的含量，计算出不同植物群落对不同粒径大气颗粒物的削减率（图1）[8]。

削减作用计算公式：P=（Cs-Cn/Cs）×100%

其中：P为植物群落对各粒径大气颗粒物的削减率，Cs为空白对照地的大气颗粒物浓度，Cn为样地的大气颗粒物浓度。

3结果与分析

3.1冬季常绿植物群落对不同粒径大气颗粒物削减能力的影响

图1为群落对3种粒径大气颗粒物浓度的削减率，对其分析可知：对PM2.5削减能力的高低依次是刚竹>圆柏、雪松>大叶黄杨、黑松>广玉兰>大石楠球>大叶女贞>白皮松>红叶石楠，刚竹群落对PM2.5的削减能力约是红叶石楠群落的8.9倍。对PM10削减能力的高低依次是：刚竹>广玉兰>圆柏、大叶黄杨>雪松>黑松>大叶女贞>大石楠球>白皮松>红叶石楠，刚竹群落对PM10的削减能力约是红叶石楠群落的8.3倍。对TSP削减能力的高低依次是：圆柏>广玉兰>黑松>大叶黄杨>白皮松>大石楠球>刚竹>雪松>大叶女贞>红叶石楠，网柏群落对TSP的削减能力约是红叶石楠群落的2.1倍。

以群落对3种粒径大气颗粒物浓度的削减率为变量因子，使用SPSS18.0对群落进行聚类分析，如图2所示;并按照聚类分析的结果对群落对于大气颗粒物浓度削减效益按照强、较强、一般、较弱进行分级，分级结果见表2。

由表2可知，对3种粒径大气颗粒物削减效益较强及以上的群落为圆柏、大叶黄杨、雪松和刚竹，削减效益都较弱的群落为白皮松。结合表1可以得出群落密度、郁闭度、生活型等群落构造特征对群落吸附大气颗粒物的能力有一定的影响[8]。其中，郁闭度在0.6-0.8且生活型为大灌木或乔木类型时，吸附大气颗粒物能力较强[9]。

3.2叶面积指数（LAI）对植物削减大气颗粒物浓度的影响

叶面积指数不仅能反映园林植物群落的冠层结构[10-11]，也是研究群落生态效益的重要指标，通过冠层分析得出各群落叶面积指数见表3。依据张灵艺等[12]研究的道路植物群落削减率对叶面积指数的梯度划分，10种植物群落的叶面积指数梯度见表4。表4显示，10种植物群落分布在4个梯度之内：1-2级、4级以上各有1种，2-3级、3-4级各有4种。

10种植物群落对3种粒径大气颗粒物浓度的削减作用随着群落叶面积指数的增大呈现先上升后下降的趋势[12]。叶面积指数在2-3的梯度内，植物群落对颗粒物的削减作用达到最大;而在3-4的梯度内，植物群落对颗粒物的消减作用开始下降。这说明，植物群落对大气颗粒物的削减作用并非是随着叶面积指数的增大而一直增加，当叶面积指数达到一定的值后，植物群落对大气颗粒物的削减作用反而会减弱。造成这种情况的原因可能有：当叶面积指数较小时候，植物群落的树木少、冠层简单、枝叶密度小，对大气颗粒物的阻挡作用和滞留沉降作用也较小，使得其对大气颗粒物的削减作用较弱;当叶面积指数较大时候，植物群落的树木多、冠层复杂、枝叶密度大，虽然对大气颗粒物的阻挡作用较强，但是围合而成的空间较为密闭，空气流动性差，不易于大气颗粒物扩散，并且植物密度过大导致枝叶或个体之间相互交错摩擦，导致沉降滞留的大气颗粒物形成二次扬尘，增大了大气颗粒物的浓度。所以，若想植物群落对大气颗粒物吸附滞留的效益最大化，应保持在一个合理的叶面积指数梯度内。

除了叶面积指数，空隙指数（开度、郁闭度）对植物群落内大气颗粒物浓度也有很大的影响[13-15]，虽然叶倾角是影响叶面滞尘的重要参数[16]，但是本研究选取的样本量少，在做相关性分析时，空隙指数、叶倾角和滞尘率的相关性均未通过显著性检验，故在做下一步研究时应扩大样本容量。

3.3植物叶表结构对植物削减大气颗粒物浓度的影响

在400倍显微镜下，观察10种植物的叶片特征（表5），其中气孔数量取同等面积（400μm×400μm）;并结合群落对大气颗粒物浓度削减效益分级（表3）进行分析。

通过对大气颗粒物浓度削减效益分级来分析，削减效益综合较强的有刚竹、大叶黄杨、雪松和圆柏。刚竹和圆柏叶表面的气孔半径大于40μm。刚竹的叶脉和其他几种植物对比，虽然平行脉对大气颗粒物摩擦力较小，但是其明显的小横脉增加了叶表的粗糙度;圆柏的轮生叶序也可以增加叶的粗糙度，圆柏的叶背具有腺体，有黏性分泌物，可以黏附更多的大气颗粒物;大叶黄杨的网状细脉和雪松的簇生短枝结构都一定程度地增大了叶表及枝干度对大气颗粒物的粗糙度。

对大气颗粒物浓度削減效益综合一般的有大石楠球、黑松、大叶女贞、广玉兰。黑松分泌的树脂具有黏性，可以更多的黏附大气颗粒物;大叶女贞的中脉具有微绒毛、广玉兰背部有长绒毛都增加了叶表的粗糙度，使更多的大气颗粒物附着在叶表;大石楠球的叶表网状细脉对吸附大气颗粒物也有一定的帮助。

对大气颗粒物浓度削减效益综合较差的是白皮松、红叶石楠。白皮松叶脉为平行脉，对比其他树种，其对大气颗粒物的摩擦力相对较小;红叶石楠和大石楠球在叶表结构上虽然类似，但是二者在群落结构特征上的不同导致了其削减大气颗粒物浓度的能力有较大差异。

冬季常绿植物的叶表结构差异与植物对大气颗粒物的吸附有一定的关联性，气孔大小、单位面积内气孔数量、叶脉形状、叶表绒毛等附着物很大程度影响了叶片表面粗糙度;粗糙度越大，则对大气颗粒物的吸附作用越大[17]。叶的腺体分泌物增加了叶表黏度，可以黏附更多的大气颗粒物[18]。叶面积指数和叶表结构特征对群落内大气颗粒物浓度进行综合影响：叶面积指数影响大气颗粒物浓度的扩散，叶表结构特征影响叶片对大气颗粒物的吸附[12-13]。

4结论

在聊城徒骇河风景区的冬季常绿植物群落内，大气颗粒物的浓度差异比较明显，且不同粒径在群落内的浓度也有很大差异。这些差异是由多因素综合作用的结果，既有形态、群落构造上的因素，也有叶表面结构上的因素。郁闭度、生活型、冠层等从群落形态特征上对大气颗粒物浓度产生影响，气孔密度、气孔形态、绒毛、腺体分泌物等叶表微结构特征同样有很大影响;另外叶的形态也对群落内大气颗粒物浓度有一定的影响。刚竹和圆柏郁闭度为6-8，LAI为2-4，生活型为小乔木或大灌木类的群落，对大气颗粒物的吸附作用尤为明显;而广玉兰、黑松的叶表微结构有绒毛或腺体分泌物，其加强了对大气颗粒物的吸附能力。目前对这方面的研究仍有待深入，差异的很多决定性因素还未有定论，有待进一步探索研究。

本文在探索治理大气颗粒污染的过程中，通过选取不同植物进行合理的搭配种植形成适宜的植物群落，以期形成降低大气颗粒物浓度的最佳配置，使冬季的聊城徒骇河风景区有效地降低雾霾，提升聊城区域空气质量。

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收稿日期：2018-08-30

*基金项目：山东省教育厅科技计划项目（Jl2LFll）;聊城大学实验技术研究项目（LDS2014055）

第一作者：孟祥（1987-），男，硕士研究生，研究方向为风景园林工程与管理。L-mail：251118769@qq.com

通信作者：高祥斌（1973-），男，副教授，硕士生导师，研究方向为风景园林工程与管理。L-mail：gaoxiangbin@lcu.edu.cn