王會(huì)霞, 石 輝, 王彥輝

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091 2 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 西安 710055

典型天氣下植物葉面滯塵動(dòng)態(tài)變化

王會(huì)霞1,2, 石 輝2,*, 王彥輝1

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091 2 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 西安 710055

在天氣變化頻繁的春季選擇了幾種典型天氣觀測(cè)了油松、女貞、珊瑚樹和三葉草葉面滯塵動(dòng)態(tài)變化及其與氣象因子和空氣中顆粒物濃度的關(guān)系。研究表明：(1)供試物種的葉面滯塵量(g/m2)由大到小依次為油松(4.57—5.45)，珊瑚樹(2.23—5.85)，女貞(2.14—4.27)和三葉草(0.12—0.38)；(2)油松和三葉草葉面滯塵量無(wú)明顯變化，而天氣狀況對(duì)女貞和珊瑚樹葉面滯塵影響明顯；(3)連續(xù)2d(17.1、14.8 mm)的降雨后，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量降低了50%以上；極大風(fēng)速對(duì)女貞和珊瑚樹葉面滯塵量的影響均呈現(xiàn)先升高后降低，在極大風(fēng)速為14 m/s時(shí)達(dá)到峰值；相對(duì)濕度大于80%時(shí)，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量明顯降低；空氣中高濃度的顆粒物可使女貞和珊瑚樹葉面滯塵在4—5 d達(dá)到飽和。

葉面潤(rùn)濕性; 葉面微結(jié)構(gòu); 滯塵效應(yīng); 大氣顆粒物; 動(dòng)態(tài)變化

經(jīng)濟(jì)和城市化的迅速發(fā)展使城市空氣中顆粒物、有毒有害氣體等日趨增多，其中顆粒物污染已成為主要的城市環(huán)境問(wèn)題之一。顆粒物因其影響大氣能見度、產(chǎn)生光化學(xué)煙霧、加劇溫室效應(yīng)[1-2]，而且含有重金屬、細(xì)菌、病毒、PAHs等致癌物質(zhì)嚴(yán)重影響人民健康[3]，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外公眾、政府和學(xué)者共同關(guān)注的重要問(wèn)題。為了有效降低城市空氣中的顆粒污染物和提高人居環(huán)境質(zhì)量，各級(jí)政府大力營(yíng)造城市森林，通過(guò)森林表面積巨大的葉片和枝干來(lái)滯塵、吸塵等發(fā)揮其滯塵效應(yīng)。

城市植被對(duì)顆粒污染物的滯留已成為研究的熱點(diǎn)[4-9]。京西門頭溝自然植被的年滯塵量可達(dá)39.47×104t[4]。英國(guó)大倫敦地區(qū)的城市植被能降低0.7%—2.6%的可吸入顆粒物(PM10)[5]。美國(guó)城市植被年滯留PM10的量高達(dá)21.49×104t[6]。在國(guó)內(nèi)，也有學(xué)者關(guān)注不同植物單位葉面積/葉重的滯塵量以及年滯塵量[7-9]。廣州市18種行道樹的滯塵量在0.066—1.831 g/m2[7]，其中大葉榕(Ficusvirensvar.sublanceolata)、小葉榕(Ficusmicrocarpa)、紅花羊蹄甲(Bauhiniablakeana)和芒果(Mangiferaindica)4種喬木年滯塵量可達(dá)8013 t[8]。惠州建成區(qū)大葉榕、小葉榕、高山榕(Ficusaltissima)和紅花羊蹄甲單位葉面積的滯塵量分別為0.98、0.75、0.64和0.41 g/m2，年滯塵量為4431 t[9]。這些研究對(duì)植被的滯塵作用與效果提供了大量的量化數(shù)據(jù)，但大多為模擬或在特定時(shí)間(生長(zhǎng)季中或生長(zhǎng)季末)測(cè)定或計(jì)算所得。在實(shí)際環(huán)境中，受降雨、大風(fēng)、沙塵等天氣狀況的影響，植物葉面滯塵量將發(fā)生變化[10-11]，因此這些數(shù)據(jù)在應(yīng)用到具體規(guī)劃設(shè)計(jì)及量化區(qū)域和時(shí)間尺度上的植被滯塵效應(yīng)上時(shí)，其可操作性就顯得較差了。因此，如何在綜合考慮天氣狀況的影響下量化植被滯留大氣顆粒物的作用就成為一個(gè)值得進(jìn)一步研究的課題[12]。

西安市(北緯34°10′—34°25′，東經(jīng)108°47′—109°10′)是典型的北方城市，顆粒物一直是其主要污染物[13]。油松(Pinustabuliformis)、女貞(Ligustrumlucidum)、珊瑚樹(Viburnumodoratissimum)和三葉草(Trifoliumrepens)是常見的常綠植物，對(duì)大氣顆粒物消減尤為重要。本文在天氣變化頻繁的春季，選擇典型天氣條件，對(duì)4種植物動(dòng)態(tài)觀測(cè)了葉面滯塵量，探討了天氣狀況對(duì)葉面滯塵的影響。這些研究有助于揭示葉面滯留大氣顆粒物的機(jī)理和過(guò)程，并能為葉面滯塵量化評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料與樣品采集

供試的4種植物(油松、女貞、珊瑚樹和三葉草)分屬4個(gè)科，其基本性狀及第1次采樣時(shí)的葉面接觸角見表1。

考慮到不同天氣狀況對(duì)葉面滯塵的影響，選擇的采樣日分別為2010年3月21日(連續(xù)6d晴天)、3月27日(連續(xù)12d晴天)、4月3日(2.3 mm雨后1d)、4月10日(15.2 m/s大風(fēng)后3d，當(dāng)天12.1 m/s大風(fēng))、4月19日(8.8 mm雨后4d)、4月22日(連續(xù)2d雨后(17.1、14.8 mm))、4月26日(1.2 mm雨后1d、沙塵天氣、14.0 m/s大風(fēng))和5月3日(連續(xù)6d晴天)。采樣地點(diǎn)為緊鄰雁塔北路的西安建筑科技大學(xué)校園內(nèi)，在與道路距離相同的位置(約50 m)，每物種選擇樣樹3—6株，在樹冠不同方位的上、中、下不同部位分別采集葉樣；根據(jù)葉片大小每株樣樹采集數(shù)量為50—150片/簇不等。三葉草則隨機(jī)選取40—50株。用修枝剪剪下帶葉枝條，插入裝滿水的燒杯中，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定葉面的滯塵量、接觸角和微結(jié)構(gòu)。

表1 供試物種的基本性狀和第1次采樣時(shí)接觸角大小Table 1 The life form, leaf traits and contact angles of the selected plant species

不同小寫字母表示物種間的多重比較結(jié)果在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示各物種正背面接觸角在0.05水平上差異顯著

1.2 研究方法

1.2.1 滯塵量測(cè)定

1.2.2 接觸角測(cè)定

在室溫條件下，用靜滴接觸角/界面張力測(cè)量?jī)x(JC2000C1，上海中晨科技發(fā)展有限公司)分別在15片葉片上測(cè)定葉片表面與蒸餾水的接觸角。已有研究表明，液滴體積在1—10 μL時(shí)接觸角不受液滴體積的影響[16]。根據(jù)闊葉樹和針葉樹的葉面積大小，本研究中液滴體積分別采用6 μL和2 μL。對(duì)于闊葉物種，同一葉片沿中脈分開，分別用作正面和背面接觸角的測(cè)定。選取葉片較平坦的表面并盡量避開葉脈，制成約5 mm×5 mm的樣本。對(duì)于針葉物種，制成約10 mm長(zhǎng)的樣本。將待測(cè)樣本鋪平后用雙面膠粘于玻璃板上，置于靜滴接觸角/界面張力測(cè)量?jī)x的載物臺(tái)上，然后調(diào)節(jié)毛細(xì)管出水，在葉面上分別形成約6 μL或2 μL大小的液滴。利用CCD成像后采用量角法測(cè)定接觸角大小。接觸角可以定量描述液體在固體表面上的潤(rùn)濕程度，θ<110°時(shí)可潤(rùn)濕，θ>110°時(shí)不潤(rùn)濕[17]。

1.2.3 植物葉面的掃描電鏡觀察

將采集的葉樣制成約5 mm×5 mm(針葉長(zhǎng)度約10 mm)的樣本，鋪平后用導(dǎo)電膠黏貼在掃描電鏡載物臺(tái)上，用JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡(JEOL，Japan)觀察并拍照。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)收集采樣期間逐日降水、極大風(fēng)速和平均相對(duì)濕度[18](圖1)。在西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站網(wǎng)站獲得采樣期間空氣中PM10數(shù)據(jù)[13](圖1)。

圖1 降水量、極大風(fēng)速、可吸入顆粒物和平均相對(duì)濕度日變化Fig.1 Diurnal variations of precipitation, maximum wind speed, PM10 and mean relative humidity

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)不同物種葉面滯塵量、各物種不同采樣時(shí)間葉面滯塵量、各物種單葉面積及葉面潤(rùn)濕性的差異，進(jìn)行單因素方差分析，并用Student-Newman-Keuls法進(jìn)行多重比較。各物種葉正背面潤(rùn)濕性的差異用t檢驗(yàn)。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS19.0(SPSS，IBM，USA)軟件。差異顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果

2.1 供試植物葉面特征

4種植物單葉面積、接觸角均具有顯著差異(ANOVA，P<0.001)，單葉面積(cm2)由大到小依次為女貞(35.60±10.55)>珊瑚樹(28.30±6.61)>油松(8.38±0.34)>三葉草(7.72± 1.66)。植物葉片正背面接觸角分別變化于：58.9°—128.5°、60.7°—76.3°(表1)，其中油松、女貞和珊瑚樹葉面易潤(rùn)濕，僅三葉草葉正面表現(xiàn)出疏水特征[17]。

2.2 供試植物葉面微結(jié)構(gòu)

油松葉正背面有平行排列的棱，其間有大量小粒徑的顆粒物。粒徑較大的顆粒物多沉積在棱上，有絲狀物質(zhì)將多個(gè)顆粒連接在一起而呈積聚態(tài)(圖2a)。女貞葉正面較光滑，表面被大量顆粒物覆蓋；背面有脊?fàn)钔黄?，在突起間和突起上有少量小顆粒物(圖2b)。珊瑚樹葉正面有大量顆粒物，少量顆粒物呈積聚態(tài)；背面氣孔周圍為脊?fàn)钔黄?，有少量顆粒物分布在氣孔周圍(圖2c)。三葉草葉正面密被蠟質(zhì)晶體，極少有顆粒物；背面表皮細(xì)胞突起，有少量顆粒物(圖2d)。女貞、珊瑚樹和三葉草葉面上的顆粒物粒徑多小于10 μm，且大部分小于2.5 μm(圖2b—d)。

圖2 供試植物葉面微結(jié)構(gòu)(×1000；a：油松，b：女貞，c：珊瑚樹，d：三葉草；1：正面，2：背面)Fig.2 The surface structure of the selected plant species with a magnification of 1000 (a: Pinus tabuliformis, b: Ligustrum lucidum, c: Viburnum odoratissimum, d: Trifolium repens)

2.3 不同植物葉面滯塵量

4種植物葉面滯塵量具有顯著差異(ANOVA，P< 0.001，圖3)，變化于0.12—5.85 g/m2。油松葉面滯塵能力最強(qiáng)，珊瑚樹次之，女貞居三，而三葉草最??；葉面滯塵量分別變化于4.57—5.45g/m2、2.23—5.85g/m2、2.14—4.27g/m2和0.12—0.38g/m2(圖3)。

2.4 植物葉面滯塵動(dòng)態(tài)

受降雨、大風(fēng)和沙塵等的影響，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量變化明顯，而三葉草和油松葉面滯塵量變化不顯著(圖3)。4種植物在連續(xù)6d和12d晴天情況下，葉面滯塵量均無(wú)明顯變化(圖3)，因此可代表其滯塵飽和量。2.3 mm的降水和15.2 m/s的大風(fēng)使女貞葉面滯塵量降低了約30%(圖3)；連續(xù)2d(17.1、14.8 mm)的降雨后，女貞葉面滯塵量降低了約50%；8.8 mm降水后4d，女貞葉面滯塵量已恢復(fù)了80%以上(圖3)。對(duì)珊瑚樹而言，僅連續(xù)2d的降水導(dǎo)致葉面滯塵量降低了62%(圖3)。在1.2 mm降雨后1d的沙塵天氣下，珊瑚樹和女貞的葉面滯塵量均達(dá)最大(圖3)。

圖3 不同采樣時(shí)間葉滯塵量Fig.3 Leaf captured dust quantity on different dates

2.5 植物葉面滯塵與空氣中PM10和氣象因子的關(guān)系

空氣中PM10濃度高達(dá)474 μg/m3的沙塵天氣時(shí)，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量顯著升高，其變化量分別為0.71、1.21 g m-2d-1；油松葉面滯塵量微弱增加，其增加量為0.41 g m-2d-1；而三葉草葉面滯塵量變化不明顯(圖4)。降水對(duì)油松和三葉草葉面滯塵量影響不明顯；降水量小于12 mm時(shí)，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量緩慢降低；隨著降水量的增加女貞和珊瑚樹葉面滯塵量迅速降低，其變化量分別為0.71、1.32 g m-2d-1(圖4)。相對(duì)濕度大于80%時(shí)，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量明顯降低(圖4)。隨著極大風(fēng)速增加，油松葉面滯塵量呈現(xiàn)為微弱變化，而女貞和珊瑚樹葉面滯塵量均呈現(xiàn)先升高后降低，在極大風(fēng)速為14 m/s時(shí)達(dá)到峰值(圖4)。

圖4 供試植物葉面滯塵量變化量與采樣期間降水量、極大風(fēng)速、相對(duì)濕度和空氣中PM10的關(guān)系Fig.4 The relationships between the variation of dust retention amount and daily precipitation, maximum wind speed, relative humidity and PM10 concentrations during the sampling period

3 討論

3.1 不同物種葉面滯塵量

不同樹種的葉面滯塵量受葉面粗糙度、分泌物、枝葉密集程度、葉面傾角、葉質(zhì)地、顆粒物粒徑以及氣象條件(如降水、風(fēng)速、沙塵等)等因素的影響[7-8, 11, 14, 19]。在相同氣象條件下，樹種間滯塵能力的差異是由植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、葉面積等決定的[7-9, 11]。如果葉子的表面粗糙，具絨毛和溝狀脊?fàn)钔黄?、粘液油脂和葉柄短等特征，則可吸附大量飄塵顆粒[20]。而賈彥等[21]認(rèn)為葉表粗糙程度對(duì)顆粒物的滯留能力與葉表溝狀結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān)。葉面微結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)細(xì)顆粒物具有篩選作用；溝壑寬度小于或等于粉塵顆粒粒徑時(shí)，將不會(huì)增強(qiáng)植物葉片的滯塵能力。R?s?nen等[22]模擬測(cè)定了歐洲赤松(Pinussylvestris)、垂枝樺(Betulapendula)、歐洲樺(Betulapubescens)和歐洲椴(Tiliavulgaris)葉片的滯塵能力及葉面特征對(duì)其的影響，發(fā)現(xiàn)葉小的歐洲赤松具有高的滯塵能力；闊葉植物葉面若具有絨毛、易潤(rùn)濕和氣孔密度低則有利于滯留顆粒物。本研究表明，4種植物中葉面積最小且易潤(rùn)濕的油松葉面滯塵量最高，而與其面積相當(dāng)?shù)娜~草葉面滯塵量最低，這與三葉草葉面的蠟質(zhì)晶體導(dǎo)致了葉面的疏水特性有關(guān)。此外，顆粒污染物與葉表面的接觸主要受氣相阻力控制[23]；越粗糙的表面，邊界層越厚，產(chǎn)生的相鄰切變較多，因而氣相阻力越大[24]。邊界層厚度的微小差別將影響污染物擴(kuò)散到植物葉表面的速率，污染物更易從邊界層薄的區(qū)域進(jìn)入葉表面[25]。因此，葉面粗糙度較高的女貞[26]葉面滯塵量較珊瑚樹低。

不同植物葉面的滯塵能力差異也與顆粒物與葉面的作用方式有關(guān)。顆粒物在葉面的滯留依賴于其粒徑分布，粒徑< 0.1 μm的顆粒主要受擴(kuò)散過(guò)程的影響，粒徑0.1—10 μm的顆粒受擴(kuò)散過(guò)程和湍流撞擊的雙重影響，而粒徑>10 μm 的顆粒則以湍流撞擊為主[1]。珊瑚樹、女貞和三葉草葉面上的顆粒物粒徑多小于10 μm，由此認(rèn)為葉片滯塵主要由顆粒重力下降和微環(huán)境下空氣湍流引起的撞擊作用導(dǎo)致。油松葉面顆粒物以絲狀物為骨架形成的顆粒團(tuán)為主，這主要是油松葉面分泌粘性油脂的作用結(jié)果。

3.2 不同物種葉面滯塵動(dòng)態(tài)

受降水、大風(fēng)、沙塵等天氣的影響，葉面滯塵量變化頻繁，其變化程度因物種而異。三葉草葉正面接觸角較大，由于葉表皮細(xì)胞突起、蠟質(zhì)晶體的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及其疏水性質(zhì)，使得葉片與顆粒物的接觸面積較小，從而導(dǎo)致顆粒物與葉面的親和力較小，不易在葉表面沉積[27]，因而其葉面滯塵量低且受外界環(huán)境變化干擾很小。油松葉面的棱狀結(jié)構(gòu)有利于小顆粒的附著，分泌的粘性油脂使小顆粒物積聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的顆粒團(tuán)，在大風(fēng)、降水、沙塵等天氣事件發(fā)生時(shí)，葉面滯塵量也不會(huì)發(fā)生明顯變化。

連續(xù)2d降水(17.1、14.8 mm)后，易潤(rùn)濕的珊瑚樹和女貞的葉面滯塵量分別降低了62%和50%；小雨(2.3 mm)和大風(fēng)(15.2 m/s)也使女貞葉面滯塵量降低了約30%。一般認(rèn)為，15 mm的降水可沖掉葉面附著的顆粒物[8]，但葉面部分顆粒物附著牢固，較難被雨水沖掉。王蕾等[11]認(rèn)為14.5 mm的雨后側(cè)柏(Platycladusorientalis)、圓柏(Sabinachinensis)和云杉(Piceaasperata)葉面顆粒物附著密度為冬季顆粒物附著密度的一半以上。小雨(1.2 mm)后1d的沙塵天氣，可能通過(guò)以下幾種方式影響葉面滯塵：1)攜帶入侵沙塵的氣流速度較高，遇到植物產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，有利于葉面捕獲顆粒物[11, 28]；2)空氣污染程度對(duì)植物葉面滯塵量影響很大，高污染環(huán)境中葉面滯塵量較高[14]，而沙塵天氣發(fā)生時(shí)空氣中的顆粒物濃度很高；3)外來(lái)沙塵粒徑較大，其密度較高[1]，對(duì)葉面滯塵量貢獻(xiàn)較大；4)雨后葉面周圍相對(duì)濕度較大，潤(rùn)濕的葉面更易于滯留顆粒物[29-30]；5)小顆粒物中可溶性的成分與水發(fā)生作用后粒徑增大[31]，有利于小顆粒物滯留在葉面。

3.3 空氣中PM10和氣象因子對(duì)葉面滯塵的影響

3.3.1 空氣中PM10

在大氣顆粒物污染嚴(yán)重的時(shí)段，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量變化量分別為0.71、1.21 g m-2d-1，這說(shuō)明在顆粒污染物濃度高的時(shí)段或區(qū)域女貞和珊瑚樹葉面滯塵可在4—5 d達(dá)到飽和?？諝庵蓄w粒物的濃度會(huì)對(duì)植物葉面的滯塵量產(chǎn)生很大的影響。陳瑋等[32]的研究表明檜柏(Sabinachinensis)葉面的滯塵量以機(jī)動(dòng)車道與自行車分車帶最高，而公園內(nèi)最低。邱媛等[9]研究了廣東省惠州市不同功能區(qū)的大葉榕、小葉榕、高山榕和紅花羊蹄甲，發(fā)現(xiàn)葉面滯塵可在20 d達(dá)飽和，其滯塵量由大到小依次為：工業(yè)區(qū) > 商業(yè)交通區(qū) > 居住區(qū) > 清潔區(qū)。王贊紅等[33]研究發(fā)現(xiàn)大葉黃楊(Euonymusjaponymus)葉面可在15 d達(dá)到其滯塵飽和量。植物葉片受到外界環(huán)境的干擾，單位葉面積滯塵量的變異較大，說(shuō)明即使在同一環(huán)境中葉面滯塵達(dá)到飽和的時(shí)間也會(huì)存在差異。

3.3.2 降水

研究發(fā)現(xiàn)，12 mm以下的降水并不能有效去除葉面上滯留的顆粒物。31.9 mm(連續(xù)2 d降水，17.1、14.8 mm)的降水后，油松和三葉草葉面滯塵量變化不明顯，而女貞和珊瑚樹葉面上約50%和62%的顆粒物被洗除。Kaupp等[34]發(fā)現(xiàn)20%的葉面污染物能夠被水沖洗掉。歐洲赤松葉面30%—40%的顆粒物能夠被20 mm的降水沖洗掉[35]。Rodríguez-Germade等[10]認(rèn)為降水能夠有效清洗掉懸鈴木(Platanushispanica)葉面上附著的顆粒物。王蕾等[11]對(duì)北京市部分針葉樹種葉面滯塵量進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)側(cè)柏和圓柏葉表面密集的脊?fàn)钔黄痖g的溝槽可深藏許多顆粒物，且顆粒物附著牢固，不易被中等強(qiáng)度(14.5 mm)的降水沖掉。然而，Beckett等[36]認(rèn)為，降水并不能沖洗掉葉面上滯留的顆粒物。王贊紅等[33]對(duì)大葉黃楊葉片上表皮的滯塵顆粒物進(jìn)行了掃描電鏡觀察，葉面顆粒物被清洗的程度與模擬降水的強(qiáng)度和降水量有關(guān)，即使深度清洗也不能去除葉面上粒徑小于1 μm的顆粒物。降水對(duì)不同植物葉表面顆粒物的清洗作用因物種而異，與葉表面結(jié)構(gòu)、葉表滯留顆粒物粒徑和降水特性密切相關(guān)。自然界的降水過(guò)程對(duì)葉面上滯留顆粒物的沖洗作用是植物恢復(fù)滯塵功能的關(guān)鍵因素，但降雨洗刷葉面滯塵的作用大小與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等有關(guān)，詳細(xì)關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

3.3.3 相對(duì)濕度

本研究中相對(duì)濕度大于80%時(shí)，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量明顯降低?？蓮囊韵聨追矫婵疾炜諝庀鄬?duì)濕度對(duì)滯塵的影響。一方面，相對(duì)濕度的增大一般發(fā)生在降雨后，降雨可沖洗附著在葉面上的顆粒物，并能有效降低空氣中顆粒物的含量并固化地面及其他物體表面可能揚(yáng)起的灰塵，這樣植物葉面的滯塵量將降低。另一方面，空氣中的顆粒物因濕度的增加而相互凝結(jié)或因自身的潤(rùn)濕性吸收水分而增大[31]，從而有利于沉降或被植物葉片滯留。同時(shí)，空氣濕度的增加以及植物的蒸騰作用也會(huì)使植物葉面更潤(rùn)濕，從而提高植物的滯塵能力。由于植物葉面的滯塵與粉塵脫落同時(shí)存在，相對(duì)濕度較高時(shí)，葉面顆粒物的脫落大于滯留，這樣也可能導(dǎo)致葉面滯塵量的降低。

3.3.4 風(fēng)

植物葉面滯塵量的大小除受其他因素外，還取決于空氣中顆粒物的運(yùn)動(dòng)方式及運(yùn)動(dòng)速度。Freer-Smith等[28]借助風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)速對(duì)葉面滯塵及顆粒物沉降速率的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒物在大風(fēng)條件下(9 m/s)滯留量及沉降速率均較小風(fēng)(3 m/s)時(shí)高。Beckett等[37]發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速小于8 m/s，葉面滯塵及顆粒物沉降速率隨風(fēng)速的增大而增大，但風(fēng)速的繼續(xù)增大則可能導(dǎo)致葉面滯塵及顆粒物沉降速率的減小。Ould-Dada和Baghini[38]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速小于5 m/s時(shí)并不能影響葉面上顆粒物的滯留量。王蕾等[11]研究發(fā)現(xiàn)，10.4 m/s的大風(fēng)并不能吹掉側(cè)柏、圓柏、油松和云杉葉面上滯留的顆粒物。只有在合適風(fēng)速時(shí)，植物的滯塵功能才表現(xiàn)的最為突出，若在一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速過(guò)高，植物滯塵功能則降低。

綜合來(lái)看，典型天氣狀況下植物葉面滯塵量變化是受多種因素綜合影響的結(jié)果。在不同天氣狀況下是否多個(gè)因素共同起作用還是哪個(gè)因素起主要作用，還需要加強(qiáng)深入的研究。

4 結(jié)論與建議

(1)油松、女貞、珊瑚樹和三葉草葉面滯塵量差異顯著，其滯塵量分別變化于：4.57—5.45、2.14—4.27、2.23—5.85、0.12—0.38 g/m2。

(2)受降水、大風(fēng)和沙塵等不同類型天氣影響導(dǎo)致的葉面滯塵量變化存在很大的物種差異。珊瑚樹和女貞葉面部分顆粒物易受外界環(huán)境條件的影響導(dǎo)致其滯塵量變化顯著；而三葉草和油松滯塵量變化不明顯，這與三葉草葉面的疏水特征和油松能夠分泌粘性油脂有關(guān)。

(3)降雨和風(fēng)吹能降低葉面滯塵量，如連續(xù)兩天降水(17.1、14.8 mm)后的珊瑚樹和女貞葉面滯塵量降低了62%和50%；小雨和大風(fēng)也使女貞葉面滯塵量降低約30%。極大風(fēng)速對(duì)女貞和珊瑚樹葉面滯塵量的影響呈現(xiàn)先升高后降低，在極大風(fēng)速為14 m/s時(shí)達(dá)到峰值；相對(duì)濕度大于80%時(shí)，女貞和珊瑚樹葉面滯塵量明顯降低；空氣中高濃度的顆粒物可使女貞和珊瑚樹葉面滯塵在4—5 d達(dá)到飽和。

(4)一般認(rèn)為，當(dāng)經(jīng)過(guò)降雨量>15 mm或風(fēng)速>17 m/s的天氣后，植物葉面滯塵能力即可恢復(fù)，開始下一次滯塵過(guò)程，并以此為依據(jù)來(lái)推算植被滯塵量。但從本研究來(lái)看，降水和大風(fēng)對(duì)葉面滯塵能力恢復(fù)程度的影響因物種而異。對(duì)易受降雨和大風(fēng)影響的物種，推算植被滯塵效益時(shí)需考慮降雨和大風(fēng)對(duì)葉面滯塵能力恢復(fù)程度的影響，此外如果有葉量變化時(shí)也需予以考慮。對(duì)于受降雨、大風(fēng)影響小的物種，在推算葉面滯塵效應(yīng)時(shí)，則需更多地考慮葉量的季節(jié)變化。在受沙塵影響大的地區(qū)評(píng)價(jià)植被滯塵時(shí)，還需考慮沙塵天氣的出現(xiàn)頻率和強(qiáng)度的影響。

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Dynamics of the captured quantity of particulate matter by plant leaves under typical weather conditions

WANG Huixia1,2, SHI Hui2,*, WANG Yanhui1

1TheInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi′an710055,China

The dynamics of particulate matter (PM) deposition and subsequently cleaning of the leaves during the season are probably greatly affected by weather conditions, such as precipitation, wind and extraneous dust storm. Such information is necessary for determining total PM deposition during a season or year. It may also be important in designing the surface of the ground under vegetation, which should be adapted to increase deposition and immobilization of pollutants and prevent further re-suspension. In a study carried out in spring under typical weather conditions (e.g., continuous sunny day, medium-rainfall, small rainfall, strong wind, extraneous dust storm), the ability of four plant species includingPinustabuliformis,Ligustrumlucidum,Viburnumodoratissimum, andTrifoliumrepensto accumulate PM from ambient air in urban area was investigated. The effects of rainfall, relative humidity, maximum wind speed and PM10(particulate matter with an aerodynamic diameter less than 10 μm) concentrations on PM deposition on foliage were also determined. The results showed that the amount of PM accumulated on leaves (g/m2) differed considerably between plant species, and decreased in this order:P.tabuliformis(4.57—5.45) >V.odoratissimum(2.23—5.85) >L.lucidum(2.14—4.27) >T.repens(0.12—0.38). The amount of PM accumulated on leaves ofP.tabuliformisandT.repensremained relatively constant in the whole spring. The species likeP.tabuliformiscan emit sticky materials and makes the particulate matters hard to be removed by precipitation and wind. While the leaves ofT.repenshas water repellency characteristics and makes the particulate matters hard to be captured. Among the species analyzed, precipitation and wind removed a considerable proportion of PM accumulated on leaves ofV.odoratissimumandL.lucidum. A decrease in the amount of PM accumulated on leaves was observed after two days of medium-rainfall (17.1, 14.8 mm) forV.odoratissimum(62%) andL.lucidum(50%), compared with the maximum values observed. Moreover, a decrease of about 30% in the amount of PM deposition was found after light rain and strong wind forL.lucidum. With the increase of the maximum wind speed, the PM retention amounts ofL.lucidumandV.odoratissimumfirstly increased and then decreased, and the peak value was reached at a maximum wind speed of 14 m/s. The influence of relative humidity on leaf PM retention amount only occurred when its value over 80%, leading to a decrease in leaf PM retention amount. The saturation of PM storage capacity of leaves ofL.lucidumandV.odoratissimumcould occur in four to five days in a heavily polluted condition. These results showed that both, the dynamics of deposition and PM removal by rain and wind during the season need to be considered when evaluating the total and actual effect of vegetation in pollutant remediation.

leaf surface wettability; leaf surface micromorphology; dust capturing effect; particulate matter; dynamic variation

國(guó)家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304301-05)

2013-06-05;

日期:2014-07-18

10.5846/stxb201306051356

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shihui06@126.com

王會(huì)霞, 石輝, 王彥輝.典型天氣下植物葉面滯塵動(dòng)態(tài)變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(6):1696-1705.

Wang H X, Shi H, Wang Y H.Dynamics of the captured quantity of particulate matter by plant leaves under typical weather conditions.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1696-1705.