表征城市树木滞尘：一种景观分析方法

Characterization of particulate matter deposited on urban tree foliage:

A landscape analysis approach

一种新方法可以准确地量化不同直径的颗粒在叶片上的数量、大小、形状和空间分布。

AA：臭椿；  FC：白蜡树；SM：旱柳

NP：单位叶面积上颗粒物树木 N/mm2. TA：颗粒物覆盖叶面积的比例 %. Weight：单位叶面积上颗粒物质量 mg/mm2.

结果与讨论

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颗粒物的数量、面积和重量

1.SM累计的NP变化最大而且最多，中值可达到FC的10倍，AA的8倍。2.AA、FC和SM的TA中位数分别为4.6%、10.7%和19.4%，因此，SM在这三个物种中的叶片覆盖率最高，AA最低。3.AA、FC和SM的中位重量分别为189、530和573 ng/mm2。SM单位叶面积颗粒重量最高，AA最低。从数量、质量和尺寸分布来判断，SM在积累粒子方面是有效的。此外，叶槽有一个粗糙的表面，可以促进颗粒在叶片上沉积。

颗粒面积和形状

颗粒物面积和形状的分布

如图所示。关于颗粒大小，SM分布曲线是尖锐的，表明颗粒面积分布是集中的；此外，该值在0.03 mm2左右达到峰值。相反，AA和FC的形状相似，分别在0.04~0.09和0.04~0.07之间有中等高的值区间。关于粒子的形状，山谷发生在大约1.02处的所有三个物种。第一个峰出现在约1处，SM具有最高峰；因此，在1周围具有形状值的粒子比例高于AA和FC。此外，在这三种物种中，出现了一个中等高值区间：1.1~1.2，表明这三种物种的颗粒都很丰富。

四个径级的特点

小颗粒，特别是细颗粒和超细颗粒，可能是有害的。小颗粒很难清除。此外，细颗粒具有相对较高的比表面积，可以吸收有毒物质并增加毒性。除了毒性外，细颗粒还可以深入呼吸系统，从而导致严重的肺部疾病。颗粒数浓度与气道炎症和肺损伤有关。PM1和PM2.5占总粒子数的大部分，但它们只占总重量的很小一部分。因此，利用重量评估PM清洁植被的价值可能是有偏差的。例如，AA的重量低于FC，但PM1的比例较高。因此，根据质量和尺寸分布，AA可能是一个比FC更有效的物种。如图所示，关于CA，AA和FC的特征表现出相似的趋势：粒子的中值随粒子直径的增加而增加。大颗粒的中值较高(AA和FC分别为3%和5.8%)，PM1的中值较低(AA和FC分别为0.9%和0.6%)。对于NP，中值随颗粒直径的增大而减小。PM1的中值分别为57943、38086和543294。大颗粒的中值较低：AA、FC和SM分别为325、325和1320。PM1的数量是大颗粒的100~400倍。

大颗粒平均具有相对复杂的形状，PM1具有最简单的形状。这种现象可能是因为PM1主要有人为源，如高温燃烧。此外，在四个类和三个物种中，SM类粒子的平均面积最低，表明SM可能更喜欢小粒子。关于不同组分颗粒的比例，一般来说，超细颗粒和细颗粒在数量上占主导地位，这与以往的研究是一致的。这可能是由于大气颗粒物的组成造成的：1超细颗粒和细颗粒的浓度大于粗颗粒。2 PM10和大面积覆盖率占主导地位。3大的颗粒在体重上占主导地位。

颗粒物来源

形状分布与尺寸分布相结合，可以用来估计粒子的元素，方便粒子的来源。颗粒的化学特性可以通过尺寸分布来推断，因为尺寸分数的差异是由不同的成分引起的。获得每个粒子的直径可以调查来源、元素包含和叶片上粒子的污染物水平。例如，大于1毫米的粒子大多来自自然来源，小于1毫米的粒子大多来自人类活动。从生态系统的角度来看，颗粒污染的叶子可能是城市生态系统在降水过程中的一个非点源的污染源，这对污染物从空气向土壤的转移至关重要，并影响生物地球化学循环。这项研究的结果将有助于高时间和空间分辨率的监测。

结果与展望

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本文用景观生态学框架，促进对叶片颗粒的理解。Fragstats是一种景观分析软件，可用于检测叶片颗粒。转换后的景观度量也可以用综合度量来量化植物上的颗粒，即：大小、形状和空间特征。在叶片表面研究中引入并初步量化了这种颗粒沉积的空间概念。此外，仅仅重量不足以量化植被对颗粒沉积的重要性，因为应该考虑粒度分布大小。一般来说，小颗粒具有简单的形状，大颗粒通常具有复杂的形状。在本研究中发现了一种新的现象。特别是，不同种类的PM表现出不同的接近特性。大粒子比其他类具有更低的接近性。与其他类相比，PM10具有相对较高的接近性。有助于进一步研究植被保留颗粒的机制，以及评估和预测空气中颗粒沉积的本地、区域和全球。该技术可用于原位识别颗粒，量化颗粒与特定叶片结构(如气孔)之间的位置。这项技术还可用于研究颗粒对叶片和植物生理的影响。

首先，应该在不同的环境中对更多的树种个体进行采样：无论是在像这些样品这样的源附近，还是在更多的区域，在这些区域中，颗粒负荷更有可能是相似的，而不受特定的源和位置的影响，就像我们在高度异质的颗粒沉积环境中进行的研究一样。第二，由于风速、降雨、PM浓度和粒度分布、人类活动等因素的综合影响，季节效应会影响颗粒物的去除。在中国广州，旱季的灰尘滞留率较高。在北京，灰尘滞留的季节变化也出现了。不同物种对季节的粉尘保持反应不同，一些物种在春季积累了更多的颗粒物，而一些物种在夏季到秋季积累了更多的颗粒物。

Reference：

Lin, L., Yan, J., Ma, K., Zhou, W., Chen, G., Tang, R. and Zhang, Y. (2017) Characterization of particulate matter deposited on urban tree foliage: A landscape analysis approach. Atmospheric Environment 171, 59-69.

Written by Xinyuan Wu

February 28, 2020