周士鈞,叢 嶺,劉 瑩,張振明,*

1 北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院,北京 100083 2 北京林業(yè)大學(xué)黃河流域生態(tài)保護(hù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

隨著城市化和經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展,顆粒物污染已成為影響人們正常生產(chǎn)生活的主要環(huán)境問(wèn)題之一。顆粒物污染不僅對(duì)環(huán)境造成極大的危害,還對(duì)人體健康有嚴(yán)重的負(fù)面影響。流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究的證據(jù)一致表明,短期或長(zhǎng)期暴露于顆粒物(PM),特別是最細(xì)顆粒物(即空氣動(dòng)力直徑小于 2.5 μm 的空氣顆粒物,PM2.5),會(huì)增加心血管和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和死亡率,觸發(fā)急性心臟事件[1-3]。治理和控制顆粒物污染已成為維持和提高區(qū)域性和全球性環(huán)境質(zhì)量、保障生態(tài)環(huán)境安全和人體健康的迫切需要,也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求[4]。

植物滯塵作為治理顆粒物污染最常見(jiàn)的方法,已廣泛應(yīng)用于日常生活之中。植物可作生物過(guò)濾器,在其葉表面等結(jié)構(gòu)滯留顆粒物?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究大多集中于常見(jiàn)單一植物類(lèi)群(如喬、灌、草等)物種間大氣顆粒物滯留能力的比較,以及造成其顆粒物滯留能力差異性原因的探討。植物葉表面滯留顆粒物的能力取決于葉表面與顆粒物之間的粘附力,而粘附力的大小與葉表面微結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。研究證明葉表面微結(jié)構(gòu)、葉片大小及形狀、年齡、顆粒物的大小與來(lái)源等均是顆粒物滯留的重要預(yù)測(cè)因子[5-8],強(qiáng)調(diào)葉片性狀組合在影響顆粒物沉積方面的重要性[9],有助于顆粒物污染修復(fù)的綠化植物物種選擇。此外,植物所處環(huán)境對(duì)其葉表面顆粒物的滯留有明顯的影響,不同下墊面對(duì)顆粒物的去除效果存在明顯的差異。研究發(fā)現(xiàn),與森林生態(tài)系統(tǒng)相比,濕地生態(tài)系統(tǒng)不僅可通過(guò)植物葉片等結(jié)構(gòu)滯留顆粒物,還可依靠增強(qiáng)空氣相對(duì)濕度促進(jìn)顆粒物的吸收和積累[10]。濕地生態(tài)系統(tǒng)處于水陸過(guò)渡帶的特殊性逐漸被人了解,而處于其間的濕地植物其滯塵規(guī)律也應(yīng)與常見(jiàn)的喬、灌、草等植物有所不同,理應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究,但現(xiàn)階段關(guān)于濕地植物葉表面顆粒物滯留的研究較少。已有研究證明,不同下墊面可通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變大氣湍流交換[11],且不同生態(tài)系統(tǒng)綠地植物配置模式與其滯塵效果密切相關(guān)[12-13]。地表景觀結(jié)構(gòu)可引起局地氣候變化并影響顆粒物的遷移轉(zhuǎn)化[14],不同下墊面通過(guò)影響氣象因子進(jìn)而影響大氣顆粒物質(zhì)量濃度,氣象因子與大氣顆粒物質(zhì)量濃度之間存在顯著相關(guān)性[15-16]。

不過(guò),植物滯塵仍存在一定的局限性,其滯留顆粒物的量有一定的閾值,一旦接近或到達(dá)閾值時(shí),便不再滯留,且過(guò)多的顆粒物會(huì)對(duì)植物生理生態(tài)特性如光合特性造成影響,危害植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[17-18]。降雨、降雪等方式在此時(shí)便可有效的發(fā)揮其除塵作用,將顆粒物從植物葉表面去除,使葉表面重新具有滯留顆粒物的能力。由于自然降雨難以量化和控制,現(xiàn)階段大部分研究都采用了人工模擬降雨的方法,將降雨分解為降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等變量,更為精細(xì)的探討降雨對(duì)葉表面顆粒物滯留的影響。人工模擬降雨的方法是利用能量相似的原理來(lái)模擬天然降雨的沖刷作用,通過(guò)模擬降雨的雨滴粒徑與雨滴擊濺速度來(lái)實(shí)現(xiàn)降雨能量的相似,實(shí)驗(yàn)中一般通過(guò)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)[19-20]。因此大多研究皆將降雨特性量化為降雨強(qiáng)度和歷時(shí),但忽略了降雨高度這一變量的影響。而當(dāng)雨滴粒徑越大時(shí),雨滴擊濺速度達(dá)到終速所需的降雨高度越大,此時(shí)則需考慮降雨高度通過(guò)影響雨滴動(dòng)能對(duì)葉表面顆粒物滯留造成的影響[19-20]。已有研究發(fā)現(xiàn),降雨強(qiáng)度與葉表面顆粒物的去除效率呈正相關(guān),較大的降雨強(qiáng)度可在較短時(shí)間清除大部分葉表面顆粒物,降雨時(shí)間和風(fēng)速對(duì)清除率的影響不顯著；而相對(duì)較小的降雨強(qiáng)度對(duì)葉表面顆粒物的去除作用存在很大差異,偶爾出現(xiàn)葉表面顆粒物量增大的現(xiàn)象,其關(guān)鍵影響因素是是降雨時(shí)間和風(fēng)速而不是雨滴大小分布[21-22]。顆粒物去除量隨降雨強(qiáng)度的增加而增加[23-25]。降雨對(duì)不同粒徑顆粒物去除能力有較大差異,10—100 μm 粒徑范圍的顆粒物更易去除,顆粒物去除量呈現(xiàn)出 10—100 μm>2.5—10 μm>0.4—2.5 μm 的規(guī)律,與未降雨前一致[22,24,26]。

目前,關(guān)于降雨對(duì)植物葉表面顆粒物滯留的影響研究較多,且基本采用人工模擬降雨的方法。但研究對(duì)象主要針對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)常見(jiàn)的喬、灌、草等植物進(jìn)行研究,且對(duì)降雨特性的量化大多為降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí),缺乏濕地生態(tài)系統(tǒng)常見(jiàn)植物以及降雨高度這一特性所致影響的研究。因此,本研究采用人工模擬降雨的方法,在對(duì)降雨特性的量化中加入降雨高度這一變量,并以常見(jiàn)濕地植物為研究對(duì)象,致力于探討降雨對(duì)濕地植物葉表面顆粒物滯留的影響,為濕地生態(tài)系統(tǒng)的植物配置和物種選擇提供一定的參考和依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品采集

本實(shí)驗(yàn)選取北京地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)常見(jiàn)植物——香蒲(Typhaorientalis)、菖蒲(Acoruscalamus)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、黃花鳶尾(Iriswilsonii)共四種進(jìn)行研究,將采樣地定于北京奧林匹克森林公園。已有研究證明風(fēng)、降雨等氣象因素對(duì)植物葉表面滯留顆粒物會(huì)產(chǎn)生一定的影響,一般認(rèn)為 15 mm 的降水或者 17 m/s 的大風(fēng)可以將植物葉片上積累的顆粒物沖刷掉[27],因此選擇在穩(wěn)定天氣(風(fēng)和日麗的晴天)進(jìn)行采樣,經(jīng)手持氣象儀(Nielsen Kellerman,Kestrel 5500)測(cè)定出,地面 2 m 高度處風(fēng)速均小于 2 m/s,且采樣前 18 d未下過(guò)雨,本研究認(rèn)為此時(shí)收集的葉片樣品表面顆粒物滯留量已達(dá)到飽和狀態(tài)[6,28-29],以此來(lái)避免氣象因素對(duì)植物葉片滯留顆粒物的影響。同時(shí),相關(guān)研究表明植物葉片的成熟程度顯著影響葉表面顆粒物的滯留作用[30],因此本文將采樣季節(jié)定在植物生長(zhǎng)的旺季(夏季),選取同一高度東南西北四個(gè)方向進(jìn)行采樣,葉片長(zhǎng)勢(shì)均良好,無(wú)病蟲(chóng)害,每個(gè)樣采集葉片總面積約為 100—200 cm2,采集的葉片密封保存在自封袋中并做好標(biāo)記,人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)前冷藏于 4 ℃ 的冰箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)于北京林業(yè)大學(xué)人工模擬降雨大廳開(kāi)展,降雨大廳位于北京市鷲峰實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),其人工降雨裝置為 QYJY-503C。降雨過(guò)程采用旋轉(zhuǎn)的下噴式和疊加式噴頭模擬自然降雨。每個(gè)降雨區(qū)的大小為 8 m×8 m,降雨高度為 12 m,實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)獨(dú)立降雨區(qū)。在人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始之前,先進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),在平地上對(duì)降雨大廳降雨均勻性進(jìn)行標(biāo)定,通過(guò)調(diào)節(jié)降雨大廳的噴頭的壓強(qiáng)與開(kāi)度控制雨強(qiáng),擺放 8—24 個(gè)雨水收集器,在 5 或 15 min 內(nèi)進(jìn)行雨水的收集并稱量體積,通過(guò)公式計(jì)算得出人工降雨預(yù)實(shí)驗(yàn)雨強(qiáng),以及降雨均勻度系數(shù),判斷其是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需,多次實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)至所需雨強(qiáng),并確保降雨均勻度系數(shù)大于 0.85 (均勻度系數(shù)大于 0.8 時(shí),方為有效[31]),再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示,分為葉片放置層與集水層兩層,設(shè)置旋鈕可以自由調(diào)節(jié)兩層的高度,高度設(shè)計(jì)為 1 m 和 2 m(由于人工模擬降雨大廳的降雨高度為 12 m,且降雨大廳的降雨高度無(wú)法調(diào)節(jié),所以本文所定義的降雨高度為“植物葉片離地高度”)。將每種植物葉片均勻放置于葉片放置層,每個(gè)樣品間隔一定的距離,并在植物葉片下方垂直放置雨水收集器,收集沖洗植物葉片后的雨水。共 4 種植物,每種植物 3 組重復(fù),結(jié)果取平均值,并在每場(chǎng)降雨中同高度放置孔徑相同的雨水收集器,收集未沖洗植物葉片的雨水作為空白對(duì)照,重復(fù) 3 組,結(jié)果取平均值。本研究共設(shè)計(jì)三個(gè)降雨強(qiáng)度,分別為 30 mm/h、45 mm/h、60 mm/h,每個(gè)降雨強(qiáng)度依不同降雨高度降雨兩場(chǎng),共降雨6場(chǎng),每場(chǎng)降雨歷時(shí)1 h。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental set-up diagram

1.2.2顆粒物去除量測(cè)定

對(duì)實(shí)驗(yàn)所用材料進(jìn)行編號(hào),將孔徑為 10 μm,3 μm 和 0.4 μm 的濾膜分別放入寫(xiě)好編號(hào)的濾膜盒中,濾膜放入 60 ℃ 烘箱中干燥 30 min 后置于室內(nèi)(25℃)穩(wěn)定24 h[32]后稱量并記錄濾膜初始質(zhì)量。人工模擬降雨后收集的雨水先通過(guò)孔徑為 100 μm 的不銹鋼篩,以去除直徑超過(guò) 100 μm 的大顆粒物質(zhì),之后將其依次通過(guò)已知孔徑為 10 μm,3 μm 和 0.4 μm 的濾膜過(guò)濾,使用隔膜真空泵(GM-1.0 A 60 L/min)進(jìn)行抽濾,加快過(guò)濾速率,此時(shí)濾膜上分別得到粒徑范圍為 10—100 μm、3—10 μm、0.4—3 μm 的顆粒物。過(guò)濾后的濾膜重復(fù)過(guò)濾前濾膜的處理過(guò)程,確保過(guò)濾前后濾膜烘干及穩(wěn)定流程所用時(shí)間和溫度相同,稱量并記錄濾膜過(guò)濾后質(zhì)量。

1.2.3葉表面積測(cè)定

雨后的葉片常溫下干燥后用掃描儀(HP Deskjet 1510 series)掃描,所得圖像結(jié)合 Image J(Version 1.51j8,Wayne Rasband,National Institute of Health,USA)圖像處理軟件測(cè)量葉片單面葉表面積(基于彩色通道相似性圖像分割方法計(jì)算而得[33])。由于該種方法所得面積為葉片單面投影表面積,需通過(guò)對(duì)葉片微結(jié)構(gòu)測(cè)定,選擇適宜的葉表面積計(jì)算方法。一般,植物葉表面積=葉單面投影表面積× 2。

1.2.4單位葉面積顆粒物去除量計(jì)算

根據(jù)測(cè)定的葉片的總表面積以及去除的顆粒物的總質(zhì)量,即可得到單位葉面積顆粒物去除量。計(jì)算方程如下:

其中,Q為單位葉面積去除顆粒物量(μg/cm2)；W2為濾膜末重(μg)；W1為濾膜初重(μg)；A為葉面積(cm2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析樣品采集

實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)使用Excel 2007 軟件進(jìn)行初步的編輯處理,利用 SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,首先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布后,采用單因素方差分析(one-way analysis of variance,ANOVA)對(duì)相同植物條件下,同一雨強(qiáng)不同粒徑葉表面顆粒物去除量之間進(jìn)行比較,事后多重比較采用 LSD 法。同一粒徑條件下,相同植物不同降雨強(qiáng)度間差異、相同降雨強(qiáng)度不同植物間差異亦用單因素方差分析和 LSD 法多重比較。相同植物條件下,同一雨強(qiáng)不同降雨高度之間的比較則采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。差異顯著性水平皆設(shè)定為 0.05。本文所用圖使用 Sigmaplot 12.5 軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地植物葉表面不同粒徑顆粒物滯留的差異

總的來(lái)說(shuō),如圖2所示,無(wú)論降雨強(qiáng)度與高度如何變化,植物葉表面不同粒徑顆粒物去除量基本都呈現(xiàn)粗顆粒物(10—100 μm)粒徑范圍內(nèi)顆粒物去除量最高,且基本呈現(xiàn)粗顆粒物(10—100 μm)>細(xì)顆粒物(3—10 μm)>超細(xì)顆粒物(0.4—3 μm)的趨勢(shì)。但不同粒徑顆粒物之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，偶有出現(xiàn)粗顆粒物顯著大于細(xì)顆粒物或超細(xì)顆粒物(P<0.05)。特別的,在降雨強(qiáng)度為 30 mm/h時(shí),菖蒲在不同高度皆表現(xiàn)出,超細(xì)顆粒物去除量大于細(xì)顆粒物去除量的現(xiàn)象。而在降雨高度 2 m 下,當(dāng)降雨強(qiáng)度為 60 mm/h 時(shí)蘆葦和黃花鳶尾表現(xiàn)出細(xì)顆粒物去除量大于粗顆粒物去除量的現(xiàn)象。

圖2 濕地植物葉表面不同粒徑顆粒物去除量比較Fig.2 Comparison of the removal of particulate matter with different particle sizes on the leaf surface of wetland plants不同大寫(xiě)字母表示粒徑間LSD多重比較結(jié)果在0.05水平上差異顯著

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)濕地植物葉表面顆粒物滯留的影響

具體而言,如圖3所示,當(dāng)降雨高度為 2 m 時(shí),在降雨強(qiáng)度 30 mm/h 和 45 mm/h 下,菖蒲和黃花鳶尾的顆粒物去除量高于香蒲和蘆葦；在降雨強(qiáng)度 60 mm/h 下,菖蒲和蘆葦高于香蒲和黃花鳶尾。當(dāng)降雨高度為 1 m 時(shí),不同降雨強(qiáng)度下則基本呈現(xiàn)香蒲和菖蒲的顆粒物去除量高于蘆葦和黃花鳶尾的現(xiàn)象。綜合來(lái)看,菖蒲在本實(shí)驗(yàn)所試4種濕地植物中,顆粒物去除量皆排在前列。但濕地植物間葉表面顆粒物去除量無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖3 降雨強(qiáng)度對(duì)濕地植物葉表面顆粒物去除的影響 Fig.3 Effect of rainfall intensity on the removal of particulate matter on wetland plant leaf surface不同大寫(xiě)字母表示不同植物間LSD多重比較結(jié)果在0.05水平上差異顯著,不同小寫(xiě)字母表示不同降雨強(qiáng)度間在0.05水平上差異顯著

同時(shí),不難看出,隨著降雨強(qiáng)度的增加顆粒物去除量并未完全呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。僅蘆葦在降雨高度為2 m時(shí)及所試植物在降雨高度 1 m 且為超細(xì)顆粒物時(shí)，單位葉面積顆粒物去除量隨降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其余皆基本表現(xiàn)為降雨強(qiáng)度 45 mm/h 時(shí)顆粒物去除量最高，出現(xiàn)了低降雨強(qiáng)度下顆粒物去除量大于高降雨強(qiáng)度下顆粒物去除量的現(xiàn)象。顆粒物去除量隨降雨強(qiáng)度增加的變化大致呈現(xiàn)為一個(gè)中間微微凸起的山形。

2.3 降雨高度對(duì)濕地植物葉表面顆粒物滯留的影響

總的來(lái)說(shuō),在不同粒徑范圍內(nèi),各濕地植物在不同降雨強(qiáng)度下顆粒物去除量隨降雨高度的變化規(guī)律不明顯,且兩降雨高度之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。此外,黃花鳶尾在不同降雨強(qiáng)度和粒徑范圍內(nèi)，單位顆粒物去除量隨降雨高度基本呈現(xiàn)為 2 m >1 m,蘆葦則基本表現(xiàn)為 1 m>2 m,香蒲和菖蒲表現(xiàn)則不明顯。

圖4 降雨高度對(duì)濕地植物葉表面顆粒物去除的影響 Fig.4 Effect of rainfall height on the removal of particulate matter on the leaf surface of wetland plants不同大寫(xiě)字母表示兩降雨高度之間獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果在0.05水平上差異顯著

3 討論

3.1 濕地植物葉表面不同粒徑顆粒物滯留的差異

由上可知,在不同降雨強(qiáng)度下,基本都呈現(xiàn)粗顆粒物(10—100 μm)粒徑范圍內(nèi)顆粒物去除量最高,且大小趨勢(shì)基本表現(xiàn)為粗顆粒物(10—100 μm)>細(xì)顆粒物(3—10 μm)>超細(xì)顆粒物(0.4—3 μm),部分表現(xiàn)細(xì)顆粒物(3—10 μm)低于超細(xì)顆粒物(0.4—3 μm),但顆粒物之間并無(wú)顯著差異(P>0.05)，偶有出現(xiàn)粗顆粒物顯著大于細(xì)顆粒物或超細(xì)顆粒物(P<0.05)。這表明降雨對(duì)粗顆粒物(10—100 μm)滯留的影響顯著高于細(xì)顆粒物(3—10 μm)和超細(xì)顆粒物(0.4—3 μm),這與已有研究結(jié)果相同[26,34],主要的原因可能是:(1)不同粒徑顆粒物與葉表面滯留方式不同。已有研究證明,顆粒物和植物葉片通常以滯留或停著、附著和粘附三種方式起作用,以粗顆粒(10—100 μm)為主的顆粒通常采用滯留或停著的方式,附著在植物葉表面較為松散,接觸不是特別緊密,容易被雨水沖走,而細(xì)顆粒(3—10 μm)和超細(xì)顆粒(0.4—3 μm)則通常以附著和粘附為主,滯留能力較強(qiáng),葉表面的相對(duì)接觸面積較大且緊密,不易洗脫[35]。(2)顆粒物的來(lái)源。顆粒物的來(lái)源也是重要影響因素之一,由于不同的PM來(lái)源,不同粒徑的PM的物理和化學(xué)性質(zhì)差異很大[36],顆粒物可能已經(jīng)與特定的化學(xué)物質(zhì)結(jié)合形成了難以被雨水清除的化合物[36-37]。(3)降雨對(duì)葉表面顆粒物滯留的影響。降雨使不同植物的葉片表面顆粒物的滯留受到粒徑特征的影響,粒徑特征可能取決于葉片的表面顯微結(jié)構(gòu)、植物種類(lèi)、物理特性、植物群以及葉面積等[38]。

3.2 濕地植物物種間葉表面顆粒物去除量比較

由上可知,雖然總體來(lái)看,菖蒲在本實(shí)驗(yàn)所試4種濕地植物中,顆粒物去除量皆排在前列,但各濕地植物葉表面顆粒物去除量之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。發(fā)生此類(lèi)現(xiàn)象的原因可能是植物生理生態(tài)特性的差異。研究證明,顆粒物滯留在不同葉片尺寸之間(P<0.001),不同葉片形狀之間(P<0.001)以及不同葉片微觀形態(tài)之間(P<0.001)都存在顯著差異[5]。因此本研究對(duì)所試植物葉片進(jìn)行形態(tài)觀察,香蒲葉條形,長(zhǎng)40—70 cm,寬0.4—0.9 cm,上部扁平,下部腹面微凹,背面逐漸隆起呈凸形；菖蒲葉劍狀線形,長(zhǎng)90—150 cm,中部寬1—3 cm,中肋在兩面均明顯隆起；蘆葦葉披針狀線形,長(zhǎng)30 cm,寬2 cm；黃花鳶尾葉寬條形,長(zhǎng)25—55 cm,寬5—8 cm,不同植物葉片形態(tài)存在顯著差異,可能為原因之一。同時(shí),已有研究證明褶皺、凹槽、小室、突起等葉表面顯微結(jié)構(gòu)能顯著促進(jìn)葉片對(duì)顆粒物的滯留[5-6,29]。因此本研究采用掃描電鏡對(duì)所試濕地植物葉片表面進(jìn)行觀察,不難發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所試植物葉表面微結(jié)構(gòu)皆有明顯的褶皺、凹槽、突起以及氣孔等,但4種植物間略有不同,香蒲明顯可以看到排列整齊的網(wǎng)狀凹槽,菖蒲則可以看到褶皺、突起以及氣孔,而蘆葦有規(guī)則水平排列的圓突起和橫脊,黃花鳶尾葉表面則存在平行的橫溝脊及氣孔,可能為原因之二。與此同時(shí),在掃描電鏡觀察植物葉表面微結(jié)構(gòu)時(shí)部分植物葉片上仍有發(fā)現(xiàn)顆粒物的存在,說(shuō)明當(dāng)前降雨所設(shè)置的降雨強(qiáng)度、歷時(shí)等未能完全去除顆粒物,可能由此造成所試濕地植物葉表面顆粒物去除量的差異,此為第三個(gè)可能的原因。此外,雖然所試植物樣品皆來(lái)自同一采樣點(diǎn),但所采不同植物乃至相同植物葉片上所滯留的顆粒物總量并不相同,可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差。

3.3 降雨強(qiáng)度對(duì)濕地植物葉表面顆粒物滯留的影響

由上可知,植物葉表面顆粒物去除量?jī)H在少數(shù)情況下隨降雨強(qiáng)度的增大而變大，大部分皆表現(xiàn)出低降雨強(qiáng)度下的顆粒物去除量大于高降雨強(qiáng)度的現(xiàn)象。例如在降雨高度為 1 m時(shí)，粗顆粒物和細(xì)顆粒物去除量皆在降雨強(qiáng)度為 45 mm/h時(shí)最大，大于高降雨強(qiáng)度(60mm/h)，與已有研究結(jié)果存在些許不同[23,25-26],可能的原因主要有以下兩個(gè)方面:一是人工模擬降雨的局限性。在自然降雨中,由于各種因素,降雨的強(qiáng)度在一段時(shí)間內(nèi)不是恒定的,且模擬降雨實(shí)驗(yàn)選擇的降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然降雨時(shí)的強(qiáng)度。自然降雨強(qiáng)度是基于24 h的降雨,而模擬降雨是基于1 h的降雨。由于設(shè)備的限制,模擬降雨強(qiáng)度也設(shè)置為高于自然降雨的中等或中等至中等降雨強(qiáng)度(按照中國(guó)國(guó)家氣象局標(biāo)準(zhǔn),中到大雨:12 h內(nèi)降雨量5—14.9 mm,或24 h內(nèi)降雨量10—24.9 mm；大雨:12 h內(nèi)降雨量15—29.9 mm或24 h內(nèi)降雨量25—49.9 mm)。同時(shí),自然降雨中雨水的復(fù)雜成分也難以模擬,且自然降雨條件下葉片表面的濕沉降也是增加PM輸入的途徑。自然降雨中雨水所攜帶的顆粒物可能會(huì)滴到植物表面被植物吸收[34],增加了降雨所去除的顆粒物的量。雖然本文在設(shè)置模擬降雨實(shí)驗(yàn)時(shí)加入了空白對(duì)照組以消除模擬降雨雨水中所攜帶的顆粒物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,但不能完全排除其所造成的影響。此外,降雨所處環(huán)境不同。模擬降雨大廳由于是室內(nèi)環(huán)境,下墊面為水泥地,且沒(méi)有植被覆蓋,與本實(shí)驗(yàn)所試植物生長(zhǎng)的環(huán)境存在著一定的差異。已有研究證明,地表景觀結(jié)構(gòu)引起局地氣候變化并影響顆粒物的遷移轉(zhuǎn)化[14],不同生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)影響氣象因子進(jìn)而影響大氣顆粒物質(zhì)量濃度,氣象因子與大氣顆粒物質(zhì)量濃度之間存在顯著相關(guān)性。其中,相對(duì)濕度是影響顆粒物濃度的最重要的氣象因素,與顆粒物濃度成正相關(guān)[16,39]。而風(fēng)也是可能影響PM濃度的因素,一些研究表明,細(xì)PM濃度隨著風(fēng)速的增加而逐漸降低,粗PM濃度則由于風(fēng)下的粉塵再懸浮而增加[40-41]。而室內(nèi)為靜風(fēng)條件,氣象因素影響幾乎忽略不計(jì),且在室內(nèi)環(huán)境下,溫度在降雨前后變幅較穩(wěn)定,對(duì)顆粒物的滯留影響忽略不計(jì),與實(shí)際環(huán)境降雨前后溫度的明顯變異不符。在人工模擬降雨中實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在限制,不可能提供類(lèi)似于植物采樣地點(diǎn)的環(huán)境條件。可通過(guò)改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境,減少自然氣象條件與模擬條件之間的差異。

另一方面則是實(shí)驗(yàn)方法與裝置的局限性。本實(shí)驗(yàn)采用濾膜法計(jì)算葉表面顆粒物去除量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用三種不同孔徑的濾膜對(duì)沖洗葉片后的雨水進(jìn)行過(guò)濾,但由于對(duì)濾膜所能承載顆粒物量的閾值,以及沖洗葉片后雨水所含顆粒物總量的不清晰,會(huì)出現(xiàn)沖洗后的雨水顆粒物量大于濾膜所能承載的量,出現(xiàn)過(guò)濾慢,過(guò)濾時(shí)間長(zhǎng)的現(xiàn)象,長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)濾緩慢還會(huì)導(dǎo)致顆粒物沉積在玻璃器材內(nèi)壁,導(dǎo)致極大的實(shí)驗(yàn)誤差。如何判斷所過(guò)濾雨水中的顆粒物量與濾膜的承載量之間的大小關(guān)系,何時(shí)更換濾膜,更換幾次,存在著極大的主觀判斷。實(shí)驗(yàn)裝置中葉片放置層不同植物樣品之間并無(wú)直接的隔斷,只是將植物葉片按一定距離放置于同一平面,在降雨過(guò)程中,不可避免的會(huì)有沖洗其他植物葉片的雨水相互滴濺,實(shí)際收集的該種植物沖洗葉片后的雨水存在一定的偏差。

3.4 降雨高度對(duì)濕地植物葉表面顆粒物滯留的影響

由上可知,在不同粒徑范圍內(nèi),各濕地植物在不同降雨強(qiáng)度下,顆粒物去除量隨降雨高度的變化無(wú)明顯規(guī)律,兩降雨高度之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)?？赡艿脑蚴?第一,高度設(shè)置的局限性。本實(shí)驗(yàn)于北京林業(yè)大學(xué)人工降雨大廳開(kāi)展,人工降雨大廳的降雨高度為 12 m,但其降雨高度無(wú)法調(diào)節(jié)。故實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的降雨高度只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。而預(yù)實(shí)驗(yàn)中所得出的降雨強(qiáng)度與降雨均勻度系數(shù),是在水平地面,即降雨高度為 12 m 時(shí)所得,提升高度所造成的影響忽略不計(jì),但仍是造成誤差的原因之一。此外,集水瓶與葉片放置層有一定的距離,雨水在沖洗葉片之后會(huì)經(jīng)過(guò)一段空氣到達(dá)集水瓶,可能造成一定影響。第二,本文通過(guò)人工模擬降雨開(kāi)展實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)所得的降雨強(qiáng)度其參考的標(biāo)準(zhǔn),以及所用雨水皆與天然降雨不同,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定的干擾。第三,本文通過(guò)濾膜法來(lái)獲得顆粒物去除量,在雨水過(guò)濾時(shí)可能因未過(guò)濾完全或過(guò)濾時(shí)的損失而存在一定實(shí)驗(yàn)誤差。第四,本文實(shí)驗(yàn)裝置中葉片放置層中未能完全將各實(shí)驗(yàn)植物完全隔離開(kāi),可能會(huì)因相鄰植物葉片擊濺的雨水造成該植物顆粒物去除量增加或減少,引起實(shí)驗(yàn)誤差。第五,本實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)靜風(fēng)條件下進(jìn)行,與植物天然生長(zhǎng)的環(huán)境條件不同,且實(shí)驗(yàn)中未考慮再懸浮。

4 結(jié)論

(1)不同粒徑顆粒物去除量基本呈現(xiàn)粗顆粒物(10—100 μm)>細(xì)顆粒物(3—10 μm)>超細(xì)顆粒物(0.4—3 μm)的大小趨勢(shì),但粒徑之間基本無(wú)顯著差異(P>0.05)；

(2)所試濕地植物中,當(dāng)降雨高度為 2 m 時(shí),在降雨強(qiáng)度 30 mm/h 和 45 mm/h 下,菖蒲和黃花鳶尾的顆粒物去除量高于香蒲和蘆葦；在降雨強(qiáng)度 60 mm/h 下,菖蒲和蘆葦高于香蒲和黃花鳶尾。當(dāng)降雨高度為 1 m 時(shí),不同降雨強(qiáng)度下則基本呈現(xiàn)香蒲和菖蒲的顆粒物去除量高于蘆葦和黃花鳶尾的現(xiàn)象?？山Y(jié)合當(dāng)?shù)刈匀唤涤暧陱?qiáng)大小,為人工濕地建造以及退化濕地修復(fù)的物種選擇提供參考；

(3)在不同降雨高度下,大多皆出現(xiàn)較高降雨強(qiáng)度下顆粒物去除量小于較低降雨強(qiáng)度的現(xiàn)象,似乎不同植物存在顆粒物最適去除雨強(qiáng),應(yīng)在接下來(lái)的研究中繼續(xù)進(jìn)行討論；

(4)降雨高度之間顆粒物去除量基本無(wú)顯著差異(P>0.05)。似乎降雨高度并不是影響降雨對(duì)植物葉表面顆粒物去除的主要因子。是否可忽略不計(jì)其影響，應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究。