1. 引言
随着社会的快速发展，环境污染日趋严重，大气颗粒物污染也日益严峻。与大气颗粒物有紧密联系的城市雾霾成为近年来环境关注的焦点，以京津冀地区为代表的全国众多城市近些年来发生多起雾霾事件，不仅影响着人体健康，导致呼吸系统疾病，更是影响日照时间和地面能见度 [1] [2]。植物因其茸毛和表面蜡层被称为“天然的空气过滤器”，除了可以美化环境之外，其滞尘效应在改善环境空气质量起到了不可或缺的作用。
目前，国内外关于不同植物的滞尘能力与叶表结构、不同气象条件下、不同城市和不同功能区的研究较多。Souch [3] 等研究表明，植物的树冠能够阻挡气流，从而有部分颗粒物被吸附，起到一定的滞尘作用。Dzierzanowski等 [4] 的研究表明，叶片表面滞留的颗粒物总悬浮颗粒物最多，细颗粒物最少。另外，国外已有学者尝试利用微区分析等高端分析技术来测定被叶片吸附的尘土的成分，并且对这些细尘粒进行毒理研究 [5]。国内有学者研究表明，对于叶表相对光滑，其滞尘能力较弱，而对于叶表结构较密集，起伏比较大的树种，如叶表具有明显的丰富的纤毛或脊状褶皱的树种，滞尘能力则较强 [6] [7]。黄承石等 [8] 通过研究5种润楠属植物，研究结果表明：表面附着物、叶片形态、叶脉复杂程度等都会影响叶片的滞尘能力，表皮细胞大小和叶片面积对滞尘能力的影响不大，而气叶片的滞尘能力与孔器的大小呈正相关。相对而言，国内外对于不同植物搭配样方的滞尘效应的评价研究较少。本文对青岛市黄岛区有代表性的不同绿地中的园林植物进行深入研究和实地调研，并对不同植物的滞尘能力和不同搭配产生的效果进行统计分析，旨在为城市园林绿化植物的选择提供科学理论依据。
2. 研究方法
2.1. 研究领域
黄岛区位于青岛市胶州湾西海岸(120.18˚E, 35.97˚N)，它南面黄海，东临胶州湾，西依小珠山，夏无酷暑，冬无严寒，属于温带海洋性气候。据报道，仅2018年冬季，黄岛区雾霾天气超过了60天，因此对于空气颗粒物的治理工作迫在眉睫。
2.2. 样品的采集
2.2.1. 采样地点
在进行正式场地采集前先通过查阅各种资料文献等确定主要研究区域，并进行实地考察黄岛绿地分布状况。根据黄岛区车流量和实地调研，选择了两条主干道和一个公园为三个功能层次，分别为：科大北门(渭河路科大北门120.118˚E，36.008˚N)、交通局(香江路交通局120.172˚E，35.97˚N)和公园(南辛安河公园120.132˚E，36.004˚N)，如图1所示。
Figure 1. Distribution of sampling points in Huangdao District
图1. 黄岛区采样点分布图
2.2.2. 植株选择与样地设置
通过对黄岛区三个功能区的系统调查，选取生长状况良好、植物分布均匀的样地，样地面积设置为5 m × 3 m，确定了黄杨、冬青、沿阶草、樱花、石楠等黄岛区常见绿化植株作为研究对象，各功能区供试植物见表1。
2.2.3. 植株基础数据的测量和估算
根据不同绿地结构的占地面积，在5 m × 3 m的样方内确定不同植物的株数、株高(高乔木目测估算)、叶片数(乔木灌木，用标准枝法估算整株；草本，取一个小的单位面积，估算叶片数，再扩大到整个样方)、盖度(估算正投影时投影占总单位面积的百分比)、冠幅(三次测量单株植株的垂直方向宽度的平均值，如果太高不便测量，可以量投影)，以及乔木胸径(离地1.3米处的直径)，数据见表1。
Table 1. Greening plant data information
表1. 绿化植物数据信息
2.2.4. 叶片采集
园林绿化植物滞尘量会受到当地天气气候的影响。因此选取晴朗无雨的一天，在距地面相同高度处，选取健康、成熟、面朝街道且大小相近的10个叶片为一组测试样本。一只手用圆头镊子夹住叶柄，另一只手用枝剪将叶柄剪断；然后用圆头镊子夹住被剪断的叶柄，连同叶片小心置于保留部分气体的自封袋中，尽量不要震荡或触摸叶片，防止灰尘抖落或叶表绒毛被破坏影响实验结果。每种植物采集3组样本，即重复采样三次。
2.3. 样品数据的测定
2.3.1. 叶面积的测定
叶面积的测定采用基于手机和PS软件的测定法，先将一组叶片样本悉数摆放至200 mm × 250 mm的坐标纸上，在保证所有叶片均在视野范围前提下使用手机拍照功能拍取照片，将照片上传至电脑，用PS软件对叶片的像素面积和单位面积的像素面积进行比较进而得出实际面积。对样品中的每一个叶片都进行叶面积的测定，然后得出平均叶面积S。
2.3.2. 叶片总滞尘量和单位面积滞尘量的测定
将采集的叶片在蒸馏水浸泡1 h后，用刷子清洗叶片上灰尘，随后用镊子将叶片小心夹出。用布氏漏斗(内置已烘干的10 μm滤膜(W1))对浸洗液进行抽滤，后将滤膜置于烘箱中(100℃下烘0.5 h)，再用千分之一天平称重(W2)，2次质量之差即为大于等于10 μm的滞尘量，重复3次。取一洁净的蒸发皿置于烘箱中烘0.5 h，取出称量其重量记为W3。将抽滤后的溶液用恒温磁力搅拌器搅拌6分钟，取出40 ml或50 ml (原体积的十个之一)置于质量已知为W3的蒸发皿中，将蒸发皿置于烘箱中(100℃下烘4 h)，再用千分之一天平称重量为W4，两次质量之差的十倍即为小于10 μm的滞尘量。
某种植物 ≥ 10 µm的单位叶面滞尘量M1 = (W2 − W1)/S，其<10 µm单位叶面滞尘量M2 = [(W4 − W3)*10]/S，单位叶面总滞尘量M = M1 + M2。最终数据均取三次测量所得平均值来计算。
2.4. 车流量的测定
在一天中的相同时间段，即上午10:00~10:10，记录相同单位时间内被研究道路的单向车流量。
3. 结果与讨论
3.1. 不同植物滞尘能力的比较
Table 2. Dust retention capacity of different plants
表2. 不同植物的滞尘能力
本研究对3个功能层次研究区内14种植物的叶片单位面积滞尘量进行了测量，植物名称见表2，其中冬青是三地(科大北门、公园、交通局)数据的平均值，沿阶草是科大北门和公园数据的平均值，石楠是交通局和公园数据的平均值。
变异系数(又称离散系数)是概率分布函数中离散程度的归一化量度。在这里，变异系数反映了调研的植物叶片颗粒物滞尘能力的稳定性，数值越小，表明该植物越稳定。由表2可知，调研植物叶片的总颗粒物滞尘能力较稳定，变异系数在0.05~0.39之间，最大的是草本类的沿阶草，最小的是乔木类的黄栌，比张桐研究 [7] 的北京市夏季的六种植物的变异系数(34.19%~79.53%)小，可能与植物种类及两地的气候不同有关。变异系数大于0.3的植物有沿阶草、小叶黄杨、红叶石楠、玉兰、中山杉，其中PM10占TSP滞尘比例较小的是玉兰。因此玉兰不适宜作为防治大气颗粒物污染的植物，但是由于其景观效果较好，可以适当作为消减颗粒物的植物。变异系数小于0.2的植物有黄栌、樱花、冬青、金边黄杨、石榴，其中PM10占TSP滞尘比例较大的有金边黄杨、石榴，充分说明了这两种植物滞尘较稳定且倾向于滞留细粒径颗粒物，进一步表明了这两种植物较适宜作为消减颗粒物的植物，且这两种植物都是景观较好的灌木，对于细颗粒物较多且汽车尾气排放较多的城市市区非常适宜。
通过对植物所滞尘土颗粒物的粒径大小分析，<10 µm颗粒物占总滞尘量比例都大于 ≥ 10 µm颗粒物占总滞尘量比例。其中PM10占TSP滞尘比例大于80%的有金边黄杨、小叶黄杨、红叶石楠、连翘、剑叶金鸡菊、石榴和中山杉，其中所占比例最大的是中山杉，达到94.89%。
从表2单株总滞尘量来看我们所调查的植物，在乔木类的植物中，由高到低依次是梧桐、中山杉、黄栌、樱花、玉兰。其中，中山杉和梧桐单株滞尘量大主要是因为它的冠幅大，叶片数多，为其提供了更多接触尘土的机会。而在灌木中，由高到低依次是石榴、冬青、连翘、小叶黄杨、金边黄杨、石楠、红叶石楠。因此，绿化中提高冬青和石榴的比例是正确的选择。灌木中的黄杨类，小叶黄杨的单株滞尘量要远远大于金边黄杨。灌木中的同为蔷薇科石楠属的石楠和红叶石楠，杂交种的红叶石楠滞尘效果远不如石楠。草本中沿阶草单株滞尘量比剑叶金鸡菊要大。
3.2. 不同地区植物滞尘能力比较
Table 3. Dust retention capacity of plants in different regions
表3. 不同地区植物滞尘能力
由记录得科大北门91辆/10 min，交通局车流量为124辆/10 min，公园车流量为0辆/10 min。由表3可知，对于单位叶面积滞尘量和单株树木滞尘量，公园都要明显小于车流量较大的科大北门和交通局，充分表明了车辆行驶引起的粉尘再悬浮和汽车尾气对大气颗粒物的较大贡献。此外，没有车流量的公园植物也有一定的滞尘能力，说明机动车尾气及车辆行驶引起尘土的再悬浮对植物叶片滞尘有较大贡献，但建筑施工、工业排放和气象因素等也不容忽视。
3.3. 不同园林配置下的植物滞尘能力
Table 4. The ability of plants to retain dust in different areas
表4. 不同地区不同园林配置下的植物滞尘能力
由表4可知，科大北门所调研的植物的单位叶面滞尘量由大到小依次是沿阶草、冬青、连翘、红叶石楠、玉兰、黄栌，科大北门调查的植物中单株总滞尘量由大到小依次是黄栌、玉兰、冬青、连翘、红叶石楠、沿阶草。其中黄栌的单位叶面滞尘量最少但单株滞尘量最多，沿阶草的单位叶面滞尘量最多但单株滞尘量最少，这说明单株滞尘量与单株植物的叶子数目有很大的关系。
由表4可知，交通局所调研的植物的单位叶面滞尘量由大到小依次是小叶黄杨、冬青、石楠、金边黄杨、石榴、梧桐，单株总滞尘量由大到小依次是梧桐、小叶黄杨、石榴、冬青、金边黄杨、石楠。其中小叶黄杨的单位叶面滞尘量最多且单株滞尘量也较多，梧桐的单位叶面滞尘量最少但单株滞尘量最多，这是因为梧桐的叶片较大且叶子数量较多。
由表4可知，公园所调研的植物的单位叶面滞尘量由大到小依次是中山杉、剑叶金鸡菊、沿阶草、樱花、冬青、石楠，单株总滞尘量由大到小依次是中山杉、樱花、石楠、冬青、剑叶金鸡菊、沿阶草。其中中山杉的单位叶面滞尘量最多且单株滞尘量也最多，石楠的单位叶面滞尘量最少但单株滞尘量较多。
由表4可知，科大北门所调研的植物类型单位叶面积平均滞尘量为草本(9849.37 mg/m2) > 灌木(5470.19 mg/m2) > 乔木(2553.08 mg/m2)，交通局调研的植物类型则为灌木(3616.09 mg/m2) > 乔木(1727.03 mg/m2)，而公园调研的植物类型中单位叶面积平均滞尘量为乔木(3816.71 mg/m2) > 草本(3540.12 mg/m2) > 灌木(1515.94 mg/m2)。根据我们的调研可知，不同区域的不同植物类型的滞尘能力是有差异的。
同样的，徐晶等 [9] 的研究表明，河北省道路绿化和部分城市防护林带等几种典型的植物的滞尘能力为灌木 > 乔木，与我们所调研的交通局处结论相同。江胜利等 [10] 对杭州市道路绿化植物进行滞尘能力研究，滞尘能力从大到小依次为灌木(1.7451 g/m2)、草本(0.8195 g/m2)、乔木(0.5534 g/m2)。韩敬等 [11] 对临沂市滨河大道处的植物的滞尘能力进行了研究，滞尘能力从大到小依次为乔木(0.2510 mg/cm2)、灌木(0.1292 mg/cm2)、草本(0.0667 mg/cm2)。由数据可知，青岛市和杭州市、临沂市的不同类型植物滞尘量和滞尘能力大小排序均有一定的差异，相比而言我们所调研的青岛市各个树种的滞尘量都相对较高，可能与本研究采集的样品面朝街道且车流量较大有关。EL-Khatib等 [12] 通过对3种不同叶片形态的树种(无花果、黑桑和圆柏)进行研究得出：无花果吸附能力介于黑桑和圆柏之间。莫若果等 [13] 的研究指出，植物的滞尘能力大小为灌木 > 乔木，且灌木的滞尘量较稳定，而乔木的滞尘量变化较大。因此，不同植物类型滞尘量差异显著，不同城市不同街道的尘源不同，也会导致植物的滞尘量存在较大差异。
三个功能区域距离在20公里以内，可从整体上比较一下同面积样方的不同搭配的滞尘能力。从表4计算可得，总滞尘量最多的样方是最少的19倍。不同搭配的样方总滞尘量由大到小依次为：搭配三(乔–灌–灌) > 搭配五(灌–灌) > 搭配一(乔–灌–灌–草) > 搭配二(乔–灌–灌–草) > 搭配七(乔–灌–草) > 搭配六(乔–灌–灌–草) > 搭配四(灌–灌)。排在前四位的是有明显车流量的交通局和科大北门，这些样方的滞尘量且都大于900克。值得一提的是，同一尘源的搭配四和搭配五，且同为灌木和灌木搭配，滞尘量却差别很大，主要是由于金边黄杨和石楠的样方滞尘量差别很大。因此，除了公园等景点外，道路两侧应优选金边黄杨作为绿化植物。
前人在这方面也做了大量的研究，罗曼等 [14] 的不同植物搭配研究表明：乔–灌–草结构 > 乔–草结构或灌-草结构 > 单一结构的绿地。冯建军等 [15] 的指出，乔–灌–草结构对TSP的净化效果最佳，乔–灌、乔–草等的滞尘效果较差。郑少文等 [16] 对山西农大校园内的3种类型绿地滞尘效果研究表明，乔灌草型滞尘率最高，灌草次之，单一草坪最差。刘学全等 [17] 的不同植物搭配研究表明，乔–灌–草 > 单一草坪。张新献等 [18] 对北京方庄小区不同植物搭配研究表明，乔灌草型 > 灌草型 > 单一草坪。李上志等 [19] 的研究中表明道路绿化不同植物搭配滞尘能力大小为，乔–灌–草类型最佳，乔–灌或灌–草或乔–草类型次之，单一类型的绿化最差。众多研究表明，立体层次越强的植物搭配滞尘能力越强，是提高城市道路绿地滞尘效益的有效途径。本研究这七种样方都是不同的植物搭配在一起的，总滞尘量都是较高的。其中搭配三(梧桐–小叶黄杨–冬青)达到2486g的滞尘量，其中梧桐的枝叶繁茂且单片树叶面积较大其单株滞尘效果较好，金边黄杨不仅枝繁叶茂且单位面积内的株数较多，故样方内总滞尘量最大，是较理想的道路绿化搭配，从而可以消减大气中颗粒物的浓度。
4. 结论
通过对青岛市黄岛区三功能区14个常见植物的单位表面滞尘能力和7个典型搭配样方的总滞尘能力的分析，得到如下结论：
1) 变异系数反映了调研的植物叶片颗粒物滞尘能力的稳定性，本研究供试植物变异系数在0.05~0.39之间，最大的是草本类的沿阶草，最小的是乔木类的黄栌，表明黄栌是滞尘最稳定的植物，沿阶草是最不稳定的。
2) PM10占TSP滞尘比例大于80%的有中山杉、金边黄杨、小叶黄杨、红叶石楠、连翘、剑叶金鸡菊、石榴，其中中山杉比例最大，达到94.89%。
3) 金边黄杨和石榴变异系数小且PM10占TSP滞尘比例较大，可作为优选绿化植物。
4) 公园的单位叶面积滞尘量和单株树木滞尘量都要明显小于车流量较大的科大北门和交通局，充分表明了车辆行驶引起的粉尘再悬浮和汽车尾气对大气颗粒物有较大贡献率。
5) 滞尘量最多的样方搭配是最少的19倍，此种搭配(梧桐–小叶黄杨–冬青)每样方(5 m × 3 m)的滞尘量达到2486克，是非常理想的搭配样方。
因此，在进行道路绿化时，除了有不同类型的植物形成较强的立体结构，应根据不同植物的滞尘能力和特性的差异，进行合理配置。
基金项目
山东省自然科学基金(ZR2018MD010)。