路 艳，卞贵建，季洪亮

(1.潍坊学院生物与农业工程学院，山东 潍坊261061；2.四川农业大学风景园林学院，四川 成都611130；3.山东交通职业学院公路与建筑学院，山东 潍坊261206)

空气中的总悬浮颗粒物(total suspended particle，TSP)是导致大气环境污染的主要因素[1]。颗粒物易富集多种有害金属微粒及氧化物，对人体健康造成巨大危害，防治空气颗粒物污染已成为世界环境污染防治亟待解决的首要问题。大量研究证实，绿色植物是消减城市大气环境污染的重要过滤载体[2-3]。植物具有粗糙湿润的叶片，分泌油脂与蜡质物，能够通过滞留、黏附和固定等机制有效滞留大气中的颗粒污染物，颗粒物在叶表面发生一系列复杂的生理生态反应后脱离大气环境[4]。研究表明，滞尘是一个复杂的相对动态过程，不同植物在滞尘途径和作用机制方面存在差异。一般认为，植物净化大气颗粒物的能力与树冠总叶面积、枝干分枝角度、树冠形状及叶片表面特性如皱纹、绒毛、油脂、粗糙度和湿润性有密切关系[5-7]。此外，植物的滞尘能力存在着地域差异，并随着季节和累积时间的变化呈现一定的规律性[8-9]。

潍坊地处鲁中腹地，是山东省中部工业大市，煤炭等能源消耗量较大，颗粒物污染较为严重。据潍坊市空气质量监测点数据显示，2018年潍坊市可吸入颗粒物平均质量浓度为94.3 μg·m-3，超过国家标准1.3倍，是北方地区除京津冀外空气颗粒物污染极为严重的城市之一。目前，潍坊城市绿地植物生态效应研究报道较少。为此，开展了潍坊市道路绿化树种滞尘能力变化规律研究，并建立树种综合滞尘效应量化模型，以期筛选具有较强滞尘效应的树种进行推广应用，为城市道路绿化树种的合理选择和科学配置提供参考，为缓解城市空气颗粒物污染、构建精细化大气环境综合治理体系提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 供试树种选择

对潍坊市区4条干道(宝通街、樱前街、北海路、潍安路)的9种绿化骨干树种进行滞尘量测定。包括悬铃木(PlatanusacerifoliaWilld.)、栾树(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、国槐(SophorajaponicaLinn.)、大叶女贞(LigustrumcompactumAit.)、日本晚樱[Prunusserrulatavar.lannesiana(Carr.) Rehd.]、银杏(GinkgobilobaL.)、五角枫(AcermonoMaxim.)、丁香(SyringaoblataLindl.)、紫薇(LagerstroemiaindicaLinn.)。

1.2 试验方法

1.2.1 样品采集与滞尘量测定 于2017年5、7、10月中雨后进行样品采集和测定。自然降雨未能满足试验要求时，人工淋洗叶片达到初始零积尘量，并对处理叶片进行标记[10]。雨后5、10、15、20、25 d进行采样，4条道路同时进行。悬铃木叶片较大，摘取6～10片，其他植物随机摘取30～40枚叶片，尽量保证同一树种的采样高度一致。将采集后的叶片小心装入密封袋，标记树种、日期与采样地点，带回实验室于4 ℃冰箱内保存，3 d内完成滞尘量测定，每个树种设置3组重复试验。滞尘量的测定参考柴一新等[11]的方法，将叶片置于烧杯中，用蒸馏水将叶片浸泡4 h以上，用软毛刷清洗叶片上的粉尘，用镊子小心将叶片夹出，放在报纸上晾干。先将滤纸在50 ℃烘箱中烘干，1/10 000分析天平称重(m1)。然后将滤纸置于漏斗中，过滤植物叶片的浸洗液，过滤完毕后，将滤纸放入50 ℃烘箱中烘干至恒重，再以1/10 000分析天平称重(m2)，质量之差(m1-m2)即为叶片附着的颗粒物的质量。夹出的叶片自然晾干后，采用GQT1-202便携式叶面积仪，计算总叶面积(S)，单位叶面积的滞尘量(g·m-2)=(m1-m2)/S。

1.2.2 植物综合滞尘效应评价指标选取及数量化 植物的综合滞尘效应受多种因素影响。参考赵勇等[12]的方法，选取与滞尘效果密切相关的7个指标建立评价体系，叶片高度X1，平均单位叶面积滞尘量X2、植物叶面积指数X3、叶面特性(粗糙度X4、绒毛X5，硬度X6)和叶片着生角度X7。单位叶面积滞尘量和植物叶面积指数直接使用测定的具体数值，植物叶面积指数参考申晓瑜[13]的方法计算获得。其余5个定性指标分析前进行数量化并分级。

1.3 数据处理

原始数据的统计分析及图表制作采用Excel 2007和SPSS 20.0软件完成。树种间各滞尘量指标的差异进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，采用Duncan氏新复极差法(SSR法)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 树种滞尘量的时间变化规律

由表1可知，树种滞尘量呈现一定的季节效应和累积时间效应。春季树种的平均滞尘量最大，秋季次之，夏季最小。随着累积时间的延长，树种颗粒物滞留量呈现先升后降的趋势，不同树种的滞尘量在滞尘周期内差异显著。

表1 滞尘周期内不同累积时间树种平均滞尘量Table 1 Average amount of dust retention per leaf area of various tree species across different accumulation periods

注：树种拉丁学名用属名、种加词首字母表示。平均滞尘量为平均值±标准差(X±SE)，不同小写字母表示不同树种的滞尘能力差异显著，P<0.05。Note: the scientific names of each tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet. The average dust holding capacity is represented as the average±standard deviation (X±SE), and different lowercase letters indicate a significant difference in dust holding capacity at theP<0.05 level.

春季，树种滞尘量随时间积累呈线性增加，20 d后叶片滞尘量增幅减慢，日本晚樱滞尘量最高，为2.506 4 g·m-2，其次是悬铃木，为2.499 3 g·m-2，五角枫滞尘量最低，且较之前出现小幅下降，只有1.277 7 g·m-2。夏季，树种滞尘量呈现先降后升的变化特点，期间出现的中雨冲洗掉叶片大部分粉尘，导致10 d测定的滞尘量出现大幅下降。随后，树种单位叶面积滞尘量呈线性增加，25 d丁香滞尘量最大，悬铃木次之，银杏滞尘量增幅几乎停滞。秋季，不同树种滞尘量随着时间累积持续增加，日本晚樱滞尘量最大，为1.741 5 g·m-2，紫薇滞尘量最小，为0.558 6 g·m-2，最大滞尘量约是最小的3倍。15～25 d，大叶女贞、五角枫、丁香滞尘量继续呈线性增加，紫薇滞尘量出现小幅下降，其它树种滞尘量增幅缓慢。

对绿化树种滞尘量与累积滞尘时间的函数关系进行曲线拟合，相关系数的拟合曲线方程参见表2。结果表明，构建的二次曲线方程模型拟合效果较好，能反映出树种滞尘量随积累时间的变化情况，R2均趋近于1，相关性极为显著(P<0.01)。

表2 树种平均滞尘量与累积时间的拟合曲线方程Table 2 Quadratic equation fitted for dust retention per unit leaf area and accumulation time

2.2 树种滞尘量的季节变化规律

不同季节树种平均最大滞尘量排序为春季>秋季>夏季，具有明显的季节效应。除丁香、紫薇夏秋两季滞尘量差异不明显外，其他树种3个季节滞尘量均存在显著性差异(图1)。日本晚樱、悬铃木、丁香春季滞尘量最高，约为夏季滞尘量的2.7～3.4倍，银杏、五角枫、紫薇春季滞尘量最低，是夏季滞尘量的3.4～7.4倍。根据潍坊市2017年空气质量指数(AQI)计算分析可知，春、夏、秋3个季节树种滞尘量的变化规律与空气质量指数有一定的相关性。春季测定周期内的平均空气质量指数为138.8，空气中悬浮颗粒物较多，植物滞尘量相对较大；夏季平均空气质量指数为78.5，空气洁净，受滞尘周期内出现的中雨影响，植物滞尘量最小；秋季平均空气质量指数为100.3，叶片滞尘量相比于夏季有增加的趋势。

注：树种拉丁学名用属名和种加词首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

图1 不同树种单位叶面积平均滞尘量的季节变化
Figure1Seasonalvariationsinaveragedustretentionperleafareaofdifferenttreespecies

2.3 道路交通环境对树种滞留颗粒物的影响

9个树种3个季节平均最大滞尘量在不同道路交通环境中存在差异(图2)。丁香在4条道路的总滞尘量(12.585 0 g·m-2)最大，其次是悬铃木和日本晚樱，紫薇总滞尘量最小，仅有2.813 8 g·m-2。不同道路交通环境下树种的总滞尘量差异较大，宝通街树种总滞尘量最大，樱前街总滞尘量最小，最大滞尘量约是最小的2倍。大部分树种颗粒物滞留量呈现宝通街>潍安路>北海路>樱前街的规律，栾树的滞尘能力变化呈现宝通街>樱前街>潍安路>北海路，大叶女贞、银杏、紫薇呈现宝通街>北海路>潍安路>樱前街。植物的栽植地点、尘源距离、道路交通流量、周边环境因素等均是影响树种滞尘效果的重要因素。方差分析表明，道路环境显著影响悬铃木、日本晚樱、丁香3种植物的滞尘量(P>0.05)，但对其他6个树种的滞尘能力影响不同，北海路、潍安路、樱前街之间的滞尘量差异不显著。

注：树种拉丁学名用属名和种加词首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

图2 道路交通环境对树种滞留颗粒物的影响
Figure2Effectsofroadtrafficenvironmentsontheamountofdustretainedperleafareaofdifferenttreespecies

2.4 树种滞尘能力综合评价

采用综合指数的方法分析树种综合滞尘能力。选取与滞尘效果密切相关的7个指标(叶片高度、单位叶面积滞尘量、植物叶面积指数、粗糙度、绒毛、硬度和黏度、叶片着生角度)进行数量化，建立树种评价分类指标体系和滞尘效应量化模型。结果见表3、表4。

表3 道路绿化树种定性指标数量化标准Table 3 Quantitative criteria for the qualitative indices of road-greening tree species

通过数据标准化、确定权重和计算综合指数求得综合指数。具体步骤：

Ai=(0.2，0.2，0.2，0.1，0.1，0.1，0.1)。

一般来说，综合指数越高说明该植物的综合滞尘能力越强。表4表明，9种常见道路绿化树种环境效应综合指数值高低顺序为：丁香>悬铃木>日本晚樱>栾树>国槐>大叶女贞>银杏>紫薇>五角枫。可筛选滞尘能力较强的丁香、悬铃木、日本晚樱等作为潍坊市道路绿化的骨干树种推广应用。

表4 道路绿化树种环境效应综合指数Table 4 Comprehensive index values for the environmental effects of road-greening tree species

注：树种拉丁学名用属名和种加词首字母表示。Note: the scientific names of tree species are written as the initials of the generic name and specific epithet.

3 讨论与结论

3.1 树种滞尘量的时间变化规律

树种滞尘量具有显著的时间效应，随滞尘时间的累积逐渐增加。受植物叶表面特性的影响，植物的滞尘量会在一段时间后进入饱和期，最后呈稳定态势[14]。植物叶片滞尘量达到饱和所用时间存在显著差异。王赞红等[15]研究的大叶黄杨单叶滞尘量15 d达到饱和，杨周敏[16]研究发现，西安市区街道绿化树种夏季滞尘量达到饱和时间约为12 d，而张新献等[17]研究的北京居住区内国槐等10个树种的滞尘能力在4周后仍未达到饱和。同一树种滞尘量在不同环境下达到饱和所用时间也不同。本研究中悬铃木春季滞尘量20 d后增量减慢，趋向平缓，25 d达到2.499 3 g·m-2，而新疆阿克苏市悬铃木春季单位叶面积滞尘量在28 d左右趋于饱和[18]，滞尘量为10.24 g·m-2，说明本研究中悬铃木的滞尘量远未达到最大阈值。因此，大气颗粒物的总量是影响植物叶片滞尘能力的因素之一，也是树种滞尘量达到饱和时间长短的重要影响因素。

3.2 树种滞尘能力的季节差异性

植物颗粒物滞留能力具有显著的季节效应，与大气颗粒物含量的季节动态变化一致[7]。本研究中不同季节树种滞尘量的排序为春季>秋季>夏季，春季和秋季树种滞尘量明显大于夏季，与刘海荣等[19]研究的天津市城市道路绿化常绿灌木滞尘能力的季节性变化一致，而与杨周敏[16]、么旭阳等[20]研究的西安市和北京市植物滞尘能力季节变化特点不同。研究表明，在滞尘阈值范围内，植物的滞尘能力季节性变化与大气颗粒物污染的动态变化具有明显的相关性，本研究得到相似结论。潍坊春季低温干燥、受到沙尘天气的影响，空气污染严重，悬浮颗粒物较多，提高了叶片滞留粉尘的概率。夏季高温多雨、空气湿度大，大气对流和湍流活动旺盛，加速大气颗粒物的扩散，同时，植物蒸腾所释放的水气使叶子表面有一定的湿度，空气中飘散粉尘颗粒物聚集形成大分子颗粒，有效地抑制空气中浮沉，不利于叶片对粉尘的滞留，加之降雨等外界因素的干扰，导致滞尘量下降。秋季气候干燥，大气中的悬浮颗粒物增多，多数植物叶片逐渐枯黄、落叶，生理结构功能发生变化，影响了叶表结构特征和湿润性，从而影响了滞尘功能的发挥。

3.3 道路交通环境对树种滞留颗粒物的影响

研究表明，外部因素中除了环境大气颗粒物浓度、粒径组成影响植物叶片吸附颗粒物能力之外，相同气象条件下，尘源距离、交通车辆、道路周围环境、建筑扬尘等也是重要的影响因素。程政红等[21]研究发现，施工路段植物叶片滞尘量大于重度污染路段和风景区与庭院内路段。刘颖等[22]对石家庄市交通道路绿化植物滞尘效应进行研究，发现绿化植物所处交通道路环境不同，叶片单位面积累积滞尘量存在差异。本研究中4条道路的滞尘量排序为宝通街>潍安路>北海路>樱前街，不同道路之间交通状况、绿化布局、周围环境差异较大，对绿化树种的滞尘效果产生显著影响。宝通街植物总滞尘量最大，原因是宝通街邻近郊区，又是城区南外环路，车流量大、重型车辆多，两侧绿化面积少，多处存在建设施工工程，导致宝通街植物单叶滞尘量和总滞尘量均高于其它道路；其次是潍安路，作为市区东外环路，车流量大、重型车辆也较多，但绿化面积较多，绿化格局合理，并且基本没有建设施工工程；北海路是城区中心道路，小型车流量大，绿化面积大，绿化格局合理；樱前街是新建道路，车流量小，绿化面积较大，因此总滞尘量最小。另外，尘源距离也是影响滞尘量的重要因素。本研究中位于樱前街侧分隔离带的栾树平均滞尘量是1.753 6 g·m-2，显著大于位于北海路路侧绿带栾树的滞尘量0.901 4 g·m-2。当道路周围环境条件相同时，中央隔离带、侧分隔离带的树种滞尘量明显大于路侧绿带。

3.4 树种的综合滞尘能力

树种的综合滞尘能力与叶片的表面结构、树木的生长特性、树冠的结构、枝叶密度、叶面倾角、叶表面湿润度、叶面积指数等有密切关系。一般认为，表面粗糙、叶毛浓密、叶脉凸出、表面具有黏性的短柄叶片吸附大气颗粒污染物的能力较强[23]。ESCOBEDOetal[24]研究发现，高的叶面积指数和植被覆盖率均会使区域滞尘量增加。本研究选取与滞尘效果密切相关的指标进行数量化，采用综合指数法分析树种综合滞尘能力，发现树种的综合滞尘能力与植物的高度、单位叶面积滞尘量和植物的叶面积指数具有较大相关性。丁香是综合滞尘能力最强的树种，原因可能是丁香为灌木，植物的高度使叶片更容易附着空气中的颗粒物。丁香叶片上表皮粗糙、叶表气孔周围具脊状突起，叶片着生角度几近水平，接触面积大，尖端易蜷曲向上，故而能滞留较多的降尘。滞尘量次之的是悬铃木，悬铃木叶面粗糙且密生星状短绒毛，分泌黏性物质，容易滞留空气中的降尘。另外，植物叶片表面结构对粉尘颗粒粒径大小具有选择性。FREER-SMITHetal[25]研究发现，不同叶片结构对细、粗、超细颗粒物吸附特点不同。植物叶表的气孔也是影响滞尘能力的一个重要因素，一般而言，植物叶片气孔孔径较大，植物的滞尘能力相对较强[26]。但BREWERetal[27]研究发现，当植物叶表气孔达到较高密度，易形成较强的疏水性，叶片与颗粒物之间的接触面与亲和力减少，从而抑制植物的滞尘能力。

城市绿化树种能够阻挡、截留、过滤和吸滞大气中的颗粒物，是净化城市大气污染的一个重要途径。植物的滞尘效应是一个复杂的动态过程，不仅受到植物自身生理特性的影响，与植物所处环境、大气颗粒物的时空分布规律、阻滞时间等密切相关，同时受到绿地的景观格局和群落结构的影响。由于实验条件的限制，本研究只对潍坊市道路骨干树种滞尘能力做了初步研究，实际上景观格局结构对绿地滞尘效应有着更为显著的影响，未来应该从绿地结构特征与阻滞作用，园林植物削减PM2.5的作用机制、城市绿地系统对大气颗粒物净化的功能价值评估等方面做深入研究，对有效减轻城市大气颗粒物污染具有重要意义。