李艷梅陳奇伯李艷芹鄧志華貝榮塔(.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明650224;2.玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,云南昆明650224)
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昆明10個(gè)綠化樹種對(duì)不同污染區(qū)的滯塵及吸凈效應(yīng)
李艷梅1,2陳奇伯1,2李艷芹1,2鄧志華1貝榮塔1
(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明650224;2.玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,云南昆明650224)
摘要:對(duì)昆明市不同污染區(qū)10個(gè)使用頻率均較高及樹齡比較接近的樹種的滯塵能力及其對(duì)SO2及NOx的吸收凈化效應(yīng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明:闊葉樹和針葉樹同一高度葉片單位面積滯塵量和平均單位面積滯塵量均表現(xiàn)為:工業(yè)區(qū)>主城區(qū)>清潔對(duì)照區(qū);闊葉樹滯塵效果從大到小依次為:天竺桂>桂花>大葉女貞>法國(guó)梧桐﹥滇樸﹥廣玉蘭;針葉樹滯塵效果從大到小依次為:龍柏>塔柏>柳杉>雪松。對(duì)于滯塵效果最好的天竺桂,工業(yè)區(qū)和主城區(qū)的單位面積滯塵量為15.203 g/ m2和8.504 g/ m2,分別為清潔區(qū)的10.2倍和5.7倍;4個(gè)針葉樹種滯塵量之間的差異為1.06~1.43倍,針葉樹間滯塵差異沒有闊葉樹大,無(wú)論是闊葉樹還是針葉樹,“低”位的滯塵量明顯高于“高”位;植物葉片中S、N的含量與土壤中S、N的含量相關(guān)性較弱,植物葉片中S和N的富集吸收量主要來(lái)自于大氣;法國(guó)梧桐、大葉女貞和桂花對(duì)SO2的富集吸收能力較強(qiáng),大葉女貞和法國(guó)梧桐對(duì)NOx有較強(qiáng)的富集吸收能力。
關(guān)鍵詞:綠化樹種;滯塵;吸收凈化能力;昆明
隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快,大氣顆粒物污染和SO2、NOx污染已成為嚴(yán)重的城市環(huán)境問(wèn)題。其中大氣顆粒物中的PM10即分散在空氣中的固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)(空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在10.0 μm),容易通過(guò)鼻腔和咽喉進(jìn)入人體呼吸道內(nèi),直徑≤2.5 μm的顆粒物稱為可入肺顆粒物,是形成灰霾天氣的最大元兇[1];其來(lái)源于人類活動(dòng)、汽車尾氣排放、化石燃燒等的SO2和NO2是大氣污染物的重要組成成分,不僅會(huì)刺激人們的呼吸道,減弱呼吸功能,危害人體健康,還可能導(dǎo)致酸雨,給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重危害。植物作為一種經(jīng)濟(jì)、有效、持久的大氣環(huán)境污染修復(fù)載體,已經(jīng)成為社會(huì)公眾和政府部門公認(rèn)的有潛力的修復(fù)工程技術(shù)中的研究對(duì)象。
從20世紀(jì)開始,許多學(xué)者開始對(duì)植物凈化空氣方面的理論進(jìn)行研究,近年來(lái),由于沙塵暴天氣和霧霾天氣主要在北方頻發(fā),因此,這方面的研究主要集中在北方地區(qū),如蘭州、新疆、內(nèi)蒙、哈爾濱、北京等[2-4],這些研究得出了不同城市綠地類型、主要樹種的滯塵能力,改善城市中負(fù)氧離子的效應(yīng),減少噪音、吸收甲醛等作用,但對(duì)南方地區(qū)及綠化樹種吸收空氣中的主要污染物如SO2、氮氧化物的研究很少。昆明作為著名的旅游城市,是有名的“春城”,隨著昆明市工業(yè)化、城市化和現(xiàn)代化的快速發(fā)展,由人為因素造成的大氣污染問(wèn)題也逐漸凸顯出來(lái),不僅影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量和居民的身體健康,也將會(huì)影響旅游業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,為此,客觀評(píng)價(jià)不同污染區(qū)常用綠化樹種的滯塵及對(duì)SO2、NOx的凈化效應(yīng)將對(duì)園林植物的選擇、園林植被群落的建設(shè)具有重要意義。
1.1樣地設(shè)置
選擇昆明市主城區(qū)(交通流量較大的區(qū)域)及工業(yè)區(qū)為研究區(qū)域,以西南林業(yè)大學(xué)綠化區(qū)作為清潔對(duì)照區(qū)。在采樣區(qū)布設(shè)36個(gè)樹種采樣點(diǎn)和36個(gè)土壤采樣點(diǎn),即在工業(yè)區(qū)、主城區(qū)和清潔區(qū)每樹種布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn),在每個(gè)樹種對(duì)應(yīng)的土壤區(qū)域各布設(shè)1個(gè)土壤采樣點(diǎn)。
1.2樹種選擇
選擇昆明市主城區(qū)、工業(yè)區(qū)及清潔對(duì)照區(qū)使用頻率均較高,且在3個(gè)區(qū)域均生長(zhǎng)10 a以上,樹齡比較接近的10個(gè)綠化樹種采樣測(cè)定。根據(jù)文獻(xiàn)[5]及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,選擇天竺桂(Cinnamomum japonicum)、法國(guó)梧桐(Platanus acerifolia)、大葉女貞(Ligustrun lucidum)、廣玉蘭(Magnolia Grandiflora)、桂花(Osmanthus fragrans)、滇樸(Celtis kunmingensis)、龍柏(Sabina chinensis cv.kaizuca)、塔柏(Sabina chinensis cv.pyramidalis)、柳杉(Cryptomeria japonica)、雪松(Cedrus deodara)作為供試樹種。
1.3樣品采集與測(cè)定方法
選擇樹冠外緣與道路中心距離相同的位置采樣,在距離最近1次降雨38 d后從樹冠外圍按照2~3 m及4~6 m的位置隨機(jī)重復(fù)采樣。每個(gè)重復(fù)采集闊葉樹20~30個(gè)葉片,針葉樹60~100 g小枝,將采集的葉片或小枝放在自封袋內(nèi),在實(shí)驗(yàn)室用蒸餾水浸泡2 h,清洗葉片附著物,把葉片用鑷子小心夾出,晾干后,闊葉樹用LI-3000A型葉面積儀測(cè)量葉面積A,針葉樹將小枝烘干,稱質(zhì)量(W),清洗液用已烘干稱質(zhì)量(W1)的濾紙過(guò)濾,濾后將濾紙放在75°烘箱中烘至恒質(zhì)量,稱濾紙和粉塵的質(zhì)量(W2),計(jì)算滯塵量,闊葉樹為(W2- W1)/ A,針葉樹為(W2- W1)/ W。
在每個(gè)采集樹種下土壤區(qū)域采集土壤樣品,以5點(diǎn)混合法按0~20,21~40,41~60 cm 3個(gè)層次分別采集土壤樣品均勻混合。
將土壤烘干后用王水消解,葉片烘干粉碎后用HNO3-HCLO4消解[6],用ICP-AES測(cè)定S的含量,用全氮儀法測(cè)定N的含量。
1.4分析方法
采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、SPSS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。
2.1不同污染區(qū)闊葉樹的滯塵效應(yīng)
植物冠體可通過(guò)降低風(fēng)速而吸滯粉塵達(dá)到減少空氣灰塵量的效果,不同植物葉面大小的差異,葉片紋理以及葉片密集程度的差異性使得其滯塵量各不一樣[7]。
由于植物滯塵量最大是在秋冬季節(jié)[8],選擇38 d無(wú)雨、天氣晴好的秋季采樣測(cè)定。從表1可以看出,分布于不同區(qū)域的各樹種葉片滯塵量從大到小依次為:工業(yè)區(qū)>主城區(qū)>清潔對(duì)照區(qū),對(duì)于6個(gè)樹種,無(wú)論是在樹高2~3 m和4~6 m,其葉片單位面積滯塵量還是2個(gè)高度的平均單位面積滯塵量,工業(yè)區(qū)和主城區(qū)的葉片平均滯塵量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清潔對(duì)照區(qū),單位面積滯塵效果最好的天竺桂,工業(yè)區(qū)和主城區(qū)的單位面積滯塵量為15.203 g/ m2和8.504 g/ m2,分別為清潔區(qū)的10.2倍和5.7倍,其余樹種也表現(xiàn)出類似的規(guī)律,對(duì)同一樹種同一高度的單位面積滯塵量,工業(yè)區(qū)比主城區(qū)大,這可能是工業(yè)區(qū)是以鋼鐵生產(chǎn)為主,生產(chǎn)過(guò)程中使用大量煤炭,許多工程車輛出入揚(yáng)起大量的塵土,使得工業(yè)區(qū)的植物滯塵量要高許多。對(duì)于主城區(qū),交通流量較大,尾氣排放等增加了空氣中顆粒物的含量,使得其葉片滯塵量明顯高于清潔區(qū)。相比較而言,工業(yè)區(qū)的污染要高于主城區(qū),說(shuō)明城市工業(yè)對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)比主城區(qū)大。
表1 闊葉樹葉片滯塵能力Table 1 The dust retention amount of broadleaf tree leaves ?。╣·m-2)
不同樹種的葉片滯塵量不同。在工業(yè)區(qū)和主城區(qū),6個(gè)樹種的單位面積平均滯塵量從大到小依次為:天竺桂>桂花>大葉女貞>法國(guó)梧桐>滇樸>廣玉蘭;在樹高2~3 m和4~6 m位置,也表現(xiàn)出類似規(guī)律;對(duì)于滯塵量較高的工業(yè)區(qū),滯塵效果最好的天竺桂的平均單位面積滯塵量是滯塵效果相對(duì)差的廣玉蘭的3.05倍,桂花的平均單位面積滯塵量是廣玉蘭的2.4倍。這可能是對(duì)于不同樹種而言,由于葉片的表面特征、樹冠結(jié)構(gòu)、枝葉密度、接觸角、分泌物等不同,滯塵量也存在明顯差異;在葉片滯塵過(guò)程中,葉片對(duì)灰塵的吸附和脫落同時(shí)存在;從現(xiàn)場(chǎng)采樣來(lái)看,天竺桂葉片有分泌物,灰塵落在其葉片上,不容易受空氣氣流影響而掉落,桂花葉片密布無(wú)規(guī)則排列的氣孔,而與氣孔周邊有脊?fàn)钔黄鹩嘘P(guān)[9]。對(duì)于清潔區(qū)而言,除天竺桂和桂花外,其余4個(gè)樹種差異并不明顯,這可能是由于清潔區(qū)本身空氣中灰塵較少,葉片吸附的量少,脫落的量也差異不大造成的。
對(duì)于不同的污染區(qū),不同樹種在不同高度的滯塵量呈現(xiàn)出類似的特征,在樹高2~3 m處單位葉面滯塵效果好于4~6 m,即“低”位的滯塵量明顯高于“高”位,這可能是由于在開敞式環(huán)境條件下車輛行人繁多,植物葉片的滯塵或粉塵脫落同時(shí)存在,容易造成路面較大程度的二次揚(yáng)塵,因此,同一植株葉片低的位置滯塵量明顯高于上部。
2.2不同污染區(qū)針葉樹的滯塵效應(yīng)
由于針葉樹的葉表面不是上下兩個(gè)面,方向變化較多,用葉表面計(jì)算滯塵的準(zhǔn)確性不高,因此,本研究用單位葉片干質(zhì)量中滯塵的質(zhì)量來(lái)反映針葉樹的滯塵量,3個(gè)區(qū)域共有的樹種滯塵量見表2。
表2 針葉樹葉片滯塵效果Table 2 The dust retention effect of conifer leaves ?。╣·kg-1)
與闊葉樹相似,不同污染區(qū)針葉樹葉片滯塵量從大到小依次為:工業(yè)區(qū)>主城區(qū)>清潔對(duì)照區(qū),“低”位的滯塵量明顯高于“高”位,同一樹種同一高度,工業(yè)區(qū)和主城區(qū)的單位干質(zhì)量針葉的滯塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清潔區(qū),工業(yè)區(qū)的龍柏、塔柏、柳杉和雪松單位干質(zhì)量針葉的平均滯塵量分別為清潔區(qū)的7.0、9.1、5.4倍和6.5倍,主城區(qū)的龍柏、塔柏、柳杉和雪松的單位干質(zhì)量針葉的平均滯塵量分別為清潔區(qū)的3.6、3.9、3.0倍和2.3倍,除清潔區(qū)外,4種針葉樹滯塵能力從大到小依次為:龍柏>塔柏>柳杉>雪松,工業(yè)區(qū)中,4種針葉樹滯塵量之間的差異為1.06~1.43倍,滯塵差異沒有闊葉樹明顯;在清潔區(qū),樹種間滯塵差異也不明顯。
2.3不同污染區(qū)植物葉片S、N含量與土壤S、N含量的相關(guān)關(guān)系
植物不同器官對(duì)S和N具有一定的吸收、富集功能,為了探明植物葉片中S和N的來(lái)源,在測(cè)定葉片S和N含量的同時(shí),測(cè)定土壤中S和N的含量,用SPSS軟件對(duì)不同區(qū)域10個(gè)樹種葉片中S、N含量與其在土壤中含量進(jìn)行相關(guān)性及顯著性分析,結(jié)果見表3。
表3 土壤S、N含量與葉片S、N含量的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis between S and N content in soil and in leaves
從表3可以看出,無(wú)論是在工業(yè)區(qū)、主城區(qū)還是清潔區(qū),各樹種葉片S和N含量與土壤S和N含量相關(guān)均較弱,相關(guān)系數(shù)較低,其相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平,說(shuō)明3個(gè)區(qū)域10個(gè)樹種葉面富集吸收的S和N主要來(lái)自于大氣而不是土壤,3個(gè)區(qū)域各樹種葉片S和N痕量可以作為該區(qū)域大氣中SO2和NOX污染狀況的監(jiān)測(cè)結(jié)果。
2.4不同污染區(qū)各樹種葉片對(duì)S、N的吸收效應(yīng)
各樹種在能夠忍受的污染濃度范圍內(nèi),其葉肉細(xì)胞通過(guò)氣孔吸收大氣中的污染物質(zhì),溶于細(xì)胞中,再加以同化利用[10]。不同污染區(qū)各樹種葉片中S和N的含量見表4。
表4 植物葉片中S、N含量Table 4 The content of S and N in plant leaves ?。╣·kg-1)
從表4可以看出,不同污染區(qū),各樹種葉片S、N富集吸收情況不同;同一區(qū)域不同樹種富集S、N的能力又有所差異。對(duì)于S來(lái)說(shuō),不同污染區(qū)各樹種葉片的富集規(guī)律是:工業(yè)區(qū)>主城區(qū)>清潔對(duì)照區(qū),工業(yè)區(qū)與主城區(qū)各樹種葉片S的含量差異較大,說(shuō)明污染區(qū)對(duì)大氣污染中SO2的貢獻(xiàn)比主城區(qū)大,這可能與工業(yè)區(qū)化石燃料的燃燒排放較多有關(guān)。10個(gè)樹種對(duì)S均有富集吸收能力,但吸收的能力有所差異;以吸收富集量超過(guò)10個(gè)樹種平均值的情況看,法國(guó)梧桐、大葉女貞和桂花對(duì)S的富集吸收能力較強(qiáng),其富集吸收量分別超過(guò)了10個(gè)樹種平均富集能力的123.7%、45.3%和20.5%;其次為柳杉和天竺桂,接近于10個(gè)樹種富集吸收的平均水平;其余樹種對(duì)S的富集吸收能力較弱。不同樹種葉片N的含量在工業(yè)區(qū)與主城區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清潔區(qū),但在工業(yè)區(qū)與主城區(qū)并沒有表現(xiàn)出明顯的差異,說(shuō)明污染區(qū)和主城區(qū)對(duì)大氣污染中NOX的貢獻(xiàn)均比較大;這可能是由于,隨著城市車輛的增多,汽車尾氣的排放也增加,釋放了大量的NOX到大氣中有關(guān)。對(duì)于不同樹種而言,大葉女貞和法國(guó)梧桐葉片中N的含量分別超過(guò)了10個(gè)樹種平均含量的85.0%和22.6%,對(duì)N有較強(qiáng)的富集吸收能力;其次為天竺桂,其富集吸收量超過(guò)10個(gè)樹種平均水平的0.3%,其余樹種對(duì)N富集吸收能力比較接近,這可能與不同樹種具有不同的葉片結(jié)構(gòu)、生理生態(tài)特點(diǎn)有關(guān)。
1)植物滯塵是借助3種方式同時(shí)進(jìn)行,即滯留、附著和粘附,滯留容易受到氣象因素如氣流等的影響,而附著和粘附則需要一定強(qiáng)度的風(fēng)和雨水才能沖刷掉[11],各種植物滯塵的效應(yīng)與其自身的生理形態(tài)有關(guān),葉片表面有溝狀、密集脊?fàn)?,凸凹不平比較容易附著和粘附顆粒物,葉片上有纖毛或者分泌物,也同樣容易附著或粘附灰塵[2]。在本研究中,不同樹種的滯塵效果在3個(gè)區(qū)域均表現(xiàn)出類似的規(guī)律,闊葉樹中天竺桂和桂花,針葉樹中龍柏和塔柏滯塵效果較好,這可能與不同樹種表面結(jié)構(gòu)差異有密切的關(guān)系,如果要進(jìn)一步從形態(tài)學(xué)上揭示其滯塵的機(jī)理,后續(xù)可以借助對(duì)葉片進(jìn)行電鏡掃描進(jìn)行分析[12-13]。
2)陳偉等人對(duì)不同針葉樹同一滯塵條件及同一針葉樹不同滯塵條件下的滯塵效果研究發(fā)現(xiàn),針葉樹在東北有很強(qiáng)的滯塵能力,尤其是在冬季,不同針葉樹葉表面結(jié)構(gòu)不同,滯塵量差異較大[14]。本研究中4個(gè)針葉樹種在不同污染區(qū)的滯塵規(guī)律與闊葉樹相似,4個(gè)針葉樹種滯塵效果從大到小依次為:龍柏>塔柏>柳杉>雪松,各樹種滯塵效果之間的差異為1.06~1.43倍,滯塵差異沒有闊葉樹明顯,無(wú)論是闊葉樹還是針葉樹,“低”位的滯塵量明顯高于“高”位。
3)植物對(duì)大氣中的NO2及SO2,具有一定的抵抗能力,同時(shí)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,葉片中S含量與N含量與大氣中NO2及SO2有密切關(guān)系[15]。本研究中,各樹種所在區(qū)域土壤中S和N含量與其在葉片中的含量相關(guān)性較弱,說(shuō)明植物葉片中S、N的含量主要來(lái)自于大氣;法國(guó)梧桐、大葉女貞和桂花對(duì)SO2的富集吸收能力較強(qiáng),大葉女貞和法國(guó)梧桐對(duì)NOx有較強(qiáng)的富集吸收能力,但數(shù)值與廣州、浙江等地區(qū)相比有差異[16-17];這可能是由于觀測(cè)區(qū)域大氣中NO2及SO2濃度本身不同有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),大氣中NO2的濃度超過(guò)一個(gè)濃度閾值以后,植物對(duì)NO2的吸收能力就會(huì)由于植物本身的生理特性以及對(duì)NO2的容納程度的改變而發(fā)生變化,導(dǎo)致植物儲(chǔ)存氨基酸和蛋白質(zhì)閾值大的植物吸收NO2的量顯著增強(qiáng)[18]。在不同濃度梯度下,更多范圍的樹種對(duì)NO2及SO2的吸收凈化能力有待進(jìn)一步研究。
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(責(zé)任編輯趙粉俠)
第1作者:李艷梅(1978—),女,博士生,副教授。研究方向:生態(tài)恢復(fù),城市生態(tài)環(huán)境。Email:kmlymei@126.com。
Study on the Effect of Absorption and Purification Air Pollution of 10 Common Greening Species at Different Polluted Area in Kunming
Li Yanmei1,2,Chen Qibo1,2,Li Yanqin1,2,Deng Zhihua1,Bei Rongta1
(1.College of Environmental Science and Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan,650224,China;2.National Station for Forest Ecosystem in Yuxi,Kunming Yunnan 650224,China)
Abstract:The dust retention and SO2and NOxabsorption and purification of 10 species of trees with high frequency use and similar in tree-age were studied at different polluted area in Kunming.The results showed that catching quantity of per unit leaf area dust at the same high degree and average per unit area dust for broadleaf trees and conifers are as follows:industrial area > main city area > clean check plot;dust-retention ability of broadleaf trees is as the follows:Cinnamomum japonicum > Osmanthus fragrans > Ligustrun lucidum > Platanus acerifolia > Magnolia Grandiflora > Celtis kunmingensis,catching quantity of conifers from large to small is as follows:Sabina chinensis cv.kaizuca > Sabina chinensis cv.pyramidalis > Cryptomeria japonica > Cedrus deodara;The species of best dust removal effect is Cinnamomum japonicum,its dust catching quantity in industrial area and the main urban area are 15.203 g/ m2and 8.504 g/ m2,they are 10.2 times and 5.7 times of clean area,respectively;The difference of dust amount for four conifer species is 1.06-1.43 times,the difference was smaller than it is in the broad leaved tree.The dust amount in low position was significantly higher than that of the high position whether conifer orbook=106,ebook=109broadleaf trees;The contents of N and S in the leaves of the plant have a weak correlation with that of the soil,the concentration and absorption of N and S in the leaves of the plant were mainly derived from the atmosphere;The SO2absorption ability of Platanus acerifolia,Ligustrun lucidum,Osmanthus fragrans and Ligustrun lucidum and Platanus acerifolia for NOxabsorption ability are stronger than others.
Key words:greening tree species,dust retention;absorption and purfication capacity,Kunming
通信作者:陳奇伯(1965—),男,博士,教授。研究方向:土壤侵蝕,生態(tài)恢復(fù)。Email:chengqb@swfu.edu.cn。
基金項(xiàng)目:國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204101-10)資助;云南省高校優(yōu)勢(shì)特色重點(diǎn)學(xué)科(生態(tài)學(xué))建設(shè)項(xiàng)目資助。
收稿日期:2015-12-05
doi:10.11929/ j.issn.2095-1914.2016.03.018
中圖分類號(hào):S719
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):2095-1914(2016)03-0105-06