长三角乡村空气质量改善技术研究

我们以控降^[3]空气颗粒物为出发点，对长三角乡村地区常见绿化植物控降大气颗粒物能力进行排序，筛选出控降大气颗粒物能力强的长三角乡村地区植物种类；同时研究不同植物群落在不同污染浓度下对颗粒物的控降效果，构建长三角乡村地区控降颗粒物较好的乡村植物群落模式，在长三角乡村地区建设中为乡村空气质量改善型植物群落优化改造提供理论基础和技术支持。

1.研究方法

1）植物筛选

（1）结合文献以及实地调研基础选取长三角乡村地区道路空间、广场空间和工厂区中常见植物，共选择35种植物。包括广玉兰、桂花、女贞、香樟、慈孝竹、白玉兰、垂丝海棠、构树、鸡爪槭、榉树、栾树、石榴、无患子、悬铃木、银杏、樱花、紫薇、紫叶李、龙柏、罗汉松、落羽杉、雪松、水杉、八角金盘、杜鹃、小叶黄杨、海桐、红花檵木、金边黄杨、红叶石楠、洒金桃叶珊瑚、山茶、珊瑚树、狭叶十大功劳、栀子花。

（2）树枝选择。选择生长势良好乔灌木，从枝顶端开始约25 cm长的树枝，每种乔灌木选择枝冠特征相似的55株。

2）长三角乡村地区植物枝叶特征测定

（1）叶密度。计算叶片数量和树枝体积之比。需要测定数据叶片数量、枝型、枝长、截面。

（2）叶面积指数。随机选择其中3个枝条，剪下叶片，测定每个枝条的鲜重W，然后扫描计算出叶总面积S，单位重量叶面积=S/W，单枝叶片中叶面积S1=（W1/W）×S，叶面积指数=S1/垂直投影面积（S2）。

（3）叶质量密度。测定叶片重量与树枝体积之比。

（4）叶粗糙度。分别在15张叶片上测定叶片正背面的接触角，将叶片沿中脉分开，分别用作正面和背面接触角的测定。选取较平坦的表面并尽量避开叶脉，制成约5 mm×5 mm的样本（针叶长约10 mm），铺平后用双面胶粘于玻璃板上，采用3 800袖珍式表面粗糙度仪测定。

（5）叶硬度。采用塑胶硬度计测定。

（6）绒毛。用10倍放大镜观察并记录绒毛数量，计算绒毛密度。

（7）蜡质。叶片蜡质含量的测定采用重量法。根据叶片面积大小选择实验叶片数量，叶片较大的选择10～15片，较小的选择30～40片，总质量约5 g，每个物种各设3个重复。叶片过大则适当剪碎，使其能够放入烧杯浸泡，每次实验用40 ml三氯甲烷浸泡60 s，将提取液转入已称重（W0）的称量瓶中，用少量三氯甲烷润洗烧杯，润洗液一并转入称量瓶中，在通风橱中使三氯甲烷完全挥发，再以0.000 01 g分析天平（良平FA2004，上海良平仪器仪表有限公司）称重（W1），两次差值（W1-W0）即为蜡质质量。单位叶面积的蜡质含量（W，g/m2）。

（8）厚度。分别选择15个叶片用测厚仪测定厚度。

（9）自由能（角度）。分别在15个叶片上测定叶片正背面的接触角，将叶片沿中脉分开，分别用作正面和背面接触角的测定。选取较平坦的表面并尽量避开叶脉，制成约5 mm×5 mm的样本（针叶长约10 mm），铺平后用双面胶粘于玻璃板上，用液滴法借助JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪测定叶表面的接触角。表面自由能及其极性和色散分量的计算采用Owens-Wendt-Kaelble法。同时测定得出叶片黏附力。

（10）冠型。根据冠型分类，分类记录。

（11）树高。用卷尺记录主干高度。

（12）冠幅。用卷尺记录宽和窄两种方向冠幅。

（13）枝稠密度。记录树枝枝条数量，枝稠密度=树枝枝条数量/体积。

（14）枝平均长度。测定主枝长度，以及测定3个小枝条长度均值。

（15）枝直径。在枝条尾端，中段、顶端用测厚仪测定枝条直径，取均值代表枝条直径。

（16）枝硬度。用塑胶硬度计测定树枝硬度。

（17）枝投影面积。计算垂直投影面积。

（18）体积。根据冠型、冠幅、高度计算体积。

（19）枝条表面积。枝条表面积=主枝长度×主枝直径×π+小枝数量×小枝均长×小枝直径均值×π。

3）长三角乡村地区植物对颗粒物捕获过程实验

选择SiO2颗粒作为模拟材料，选择颗粒物粒径约2.5μm和10μm SiO2等量混合，形成混合样。

样本植物放入风洞实验舱，实验舱长、宽、高为2 m×0.8 m×0.8 m，植物垂直底部放置。SiO2混合颗粒物从上风向涡流位置用气泵吹入，放入量可以通过气流量大小确定，空气中颗粒物密度根据放入量以及风速计算。根据风速对树枝的影响，设为3个顶级具体见风力等级表，1级设定为1 m/s，2级为3.5 m/s、8 m/s，添加颗粒物实验用1 m/s风速。持续时间分别初步设定为5、10、15、20、25 min，每5 min随机取出3组，分别将枝叶剪入装有400 mL纯净水的小桶，并立即盖上盖子，放置2小时后，捞出枝叶，用SMIT颗粒计数器，测定捕获PM2.5、PM10颗粒量，并用没有经过颗粒物添加实验植物的颗粒物数量校准，得到因颗粒物添加带来的颗粒数量增加量。估算树叶捕获的颗粒物量。为了有可比性，用枝、叶的表面积作为校准项目。

4）长三角乡村地区植物滞尘能力比较及相关因素分析

为了植物之间可对比性，植物滞尘（PM2.5）能力用单位叶面积PM2.5数量、单位枝表面积PM2.5数量和单位用地面积PM2.5数量表示；植物滞尘（PM10）能力用单位叶面积PM10数量、单位枝表面积PM10数量和单位用地面积PM10数量表示。

通过SMIT颗粒计数器，可以测定出单株枝条上叶片和枝条分别滞留的PM2.5和PM10的数量N叶PM2.5、N叶PM10、N枝PM2.5、N枝PM10，根据枝条叶表面积S叶和枝表面积S枝，植物叶面积指数、枝表面积指数，换算出相应的指标：

（1）单位叶面积PM2.5数量=N叶PM2.5/S叶；单位叶面积PM10数量=N叶PM10/S叶；

（2）单位枝表面积PM2.5数量=N枝PM2.5/S枝；单位枝表面积PM10数量=N枝PM10/S枝

（3）单位用地面积PM2.5数量=单位叶面积PM2.5数量×叶面积指数+单位枝表面积PM2.5数量×枝表面积指数；单位用地面积PM10数量=单位叶面积PM10数量×叶面积指数+单位枝表面积PM10数量×枝表面积指数。

选取不同风速下植物滞留量的最大值，作为植物滞留能力的代表，对滞尘能力较大的树种进行排序，同时通过SPSS软件研究分析植物滞尘影响较大的因素，建立枝冠特征、叶表面特征变量与滞留颗粒数量spearman相关性，分析其显著性。

2.长三角乡村地区植物滞尘能力分析

1）长三角乡村地区植物对PM2.5滞留能力分析

图2.27　长三角乡村地区植物单位叶面积滞留PM2.5数量分析

（1）长三角乡村地区植物叶片对PM2.5滞留能力分析（见图2.27）。不同风速下，长三角乡村地区植物单位叶面积滞留PM2.5 颗粒数量有显著的差异，风速越大，颗粒物滞留越多。不同植物叶面滞留能力差异较为明显。其中，落羽杉在不同风速下滞留PM2.5数量均值可达5 807.625个/cm2，表现最为突出；其次是桂花、香樟、雪松、龙柏、海桐、栀子花、石榴、小叶黄杨、构树、水杉，它们单位叶面积滞留PM2.5颗粒数量在880～2 400个/cm2之间；榉树、洒金桃叶珊瑚、紫薇、无患子、杜鹃、樱花、珊瑚树、八角金盘、鸡爪槭、女贞、白玉兰、罗汉松、银杏它们单位叶面积滞留PM2.5颗粒数量在830～480个/cm2之间；栾树、悬铃木等其他树种单位叶面积滞留PM2.5颗粒数量都小于480个/cm2，单位叶面积滞留PM2.5颗粒数量最小的是狭叶十大功劳，仅有11个/cm2。不同长三角乡村地区植物单位叶面积滞留PM2.5数量存在差异性的原因有多种，首先，风速增大可能有利于增加颗粒物撞击叶片频率，以及有助于颗粒物进入枝条内部，增加颗粒与叶片接触面积，导致叶片滞留了更多的PM2.5；其次，植物枝冠特征也会影响其滞留量，如叶片重叠较少，枝冠结构稀疏简单，有利于颗粒进入枝冠，使得植物每片树叶都充分暴露在颗粒物空气中，增加滞留量；再次，叶表面特征也会影响其对颗粒物的吸附，如粗糙程度、蜡质含量、表面吸附力等。

（2）长三角乡村地区植物枝条对PM2.5滞留能力分析（见图2.28）。不同风速下，长三角乡村地区植物单位枝表面积滞留PM2.5颗粒数量也有极显著的差异，风速较大时颗粒物滞留越多；植物单位枝条面积滞留PM2.5数量明显小于叶片滞留能力；不同植物枝条滞留能力差异较为明显，其中石榴、罗汉松、雪松、榉树、金边黄杨、构树、桂花、海桐、龙柏、栀子花单位枝表面积滞留PM2.5颗粒数量均值在270～500个/cm2之间；洒金桃叶珊瑚、紫薇、小叶黄杨、杜鹃、慈孝竹、垂丝海棠、鸡爪槭、水杉、栾树、红叶石楠、八角金盘、香樟、狭叶十大功劳、珊瑚树、落羽杉它们单位枝表面积滞留PM2.5颗粒数量在130～250个/cm2之间；红花檵木、女贞等其他树种单位枝表面积滞留PM2.5颗粒数量都小于130个/cm2。不同长三角乡村地区植物单位枝表面积滞留PM2.5数量存在差异性的原因有多种，首先，风速增大可能有利于增加颗粒物穿透树叶之间的孔隙与枝条接触，也可能增加与枝条撞击频率；其次，植物枝冠特征也会影响其滞留量，如叶片重叠较少，枝冠结构稀疏简单，有利于颗粒进入枝冠，使得树枝充分暴露在颗粒空气中，增加滞留量；再次，枝表面特征也会影响其对颗粒吸附，如粗糙程度等。(www.xing528.com)

图2.28　植物单位枝表面积滞留PM2.5数量分析

（3）长三角乡村地区植物单位用地面积对PM2.5滞留能力分析（见图2.29）。不同风速下，长三角乡村地区植物单位用地面积滞留PM2.5颗粒数量也有极显著的差异，风速越大，颗粒物滞留越多；不同植物单位用地面积滞留PM2.5能力差异较为明显；单位用地面积滞留PM2.5能力排名前10的是水杉、海桐、慈孝竹、龙柏、白玉兰、鸡爪槭、紫叶李、红叶石楠、银杏、珊瑚树，它们单位用地面积滞留PM2.5数量在5 450～17 760个/cm2之间；其次是构树、榉树、香樟、小叶黄杨、石榴、狭叶十大功劳、落羽杉、杜鹃、金边黄杨、栀子花、紫薇、悬铃木、八角金盘、无患子、垂丝海棠，其单位用地面积滞留PM2.5颗粒数量均值在1 300～5 200个/cm2之间；栾树、罗汉松等树种单位用地面积滞留PM2.5颗粒数量都小于1 300个/cm2。可见，长三角乡村地区植物单位用地面积滞留PM2.5数量原因除了受风速、枝冠特征、叶表面特征影响之外，还与植物生长状态、叶面积指数、枝条数量等有关。

图2.29　植物单位用地面积滞留PM2.5数量分析

不同风速下长三角乡村地区的植物对PM2.5 滞留量能力各有差异（见表2.16）。其中，在风速为1.0 m/s时，对PM2.5滞留能力最强的是海桐，最弱的是洒金桃叶珊瑚；在风速为3.5 m/s时，对PM2.5滞留能力最强的是水杉，最弱的是红花檵木；在风速为8.0 m/s时，对PM2.5滞留能力最强的是水杉，最弱的是桂花。综合3种风速下对PM2.5滞留量均值，PM2.5滞留能力最强的是水杉，最弱的是桂花，排在前10位的是水杉、海桐、慈孝竹、龙柏、白玉兰、鸡爪槭、紫叶李、红叶石楠、银杏、珊瑚树。

表2.16　不同风速下植物对PM2.5滞留能力排名

（续表）

2）长三角乡村地区植物对PM10滞留能力分析

（1）长三角乡村地区植物叶片对PM10滞留能力分析（见图2.30）。从植物单位叶面积滞留PM10颗粒数量来看，不同风速下，颗粒物滞留量有差异，风速较大时颗粒物滞留反而越多；不同植物叶面滞留能力差异较明显，其中雪松、落羽杉、桂花、海桐、香樟、构树、龙柏、榉树、水杉、悬铃木，单位叶面积滞留PM10颗粒数量在474～2 545个/cm2之间；罗汉松、栾树、栀子花、紫薇、小叶黄杨、杜鹃、白玉兰、樱花、石榴、洒金桃叶珊瑚、珊瑚树、无患子、女贞、八角金盘、广玉兰的单位用地面积滞留PM10颗粒数量都小于105个/cm2。单位针叶叶片对PM10滞留量相对阔叶较高。可见，不同长三角乡村地区植物单位用地面积滞留PM10数量差异的原因有多种：首先，风速增大，可能有利于增加颗粒物撞击叶片频率以及有助于进入枝条内部，增加颗粒与叶片接触面积，从而导致叶片滞留更多的PM10；其次，植物枝冠特征也会影响其滞留量，如叶片重叠较少，枝冠结构稀疏、简单，有利于颗粒进入枝冠，使得每片树叶都充分暴露在颗粒空气中，增加滞留量；再次，叶表面特征也会影响其对颗粒吸附，如粗糙程度、蜡质含量、表面吸附力等。

图2.30　植物单位叶面积滞留PM10数量分析

（2）长三角乡村地区植物枝条对PM10滞留能力分析（见图2.31）。从植物单位枝表面积滞留PM10颗粒数量来看，不同风速下，颗粒物滞留量有差异，风速较大时，颗粒物滞留反而越多；单位枝条面积滞留PM10数量明显小于叶片滞留能力；不同植物枝条滞留能力差异较明显，其中构树、石榴、海桐、榉树、罗汉松、雪松、狭叶十大功劳、栀子花、桂花、金边黄杨的单位枝表面积滞留PM10 颗粒数量均值在80～340个/cm2之间；小叶黄杨、紫薇、洒金桃叶珊瑚、杜鹃、香樟、垂丝海棠、栾树、龙柏、慈孝竹、鸡爪槭、红叶石楠、白玉兰、水杉、女贞、红花檵木的单位枝表面积滞留PM10颗粒数量在30～80个/cm2之间。银杏、八角金盘等其他树种单位枝表面积滞留PM2.5颗粒数量都小于30个/cm2。可见，不同长三角乡村地区植物单位枝表面积滞留PM10 数量差异的原因有多种，树枝表面对PM10 滞留影响因素与PM2.5的滞留因素相似。

图2.31　植物单位枝表面积滞留PM10数量分析

图2.32　植物单位用地面积滞留PM10数量分析

（3）长三角乡村地区植物单位用地面积对PM10滞留能力分析（见图2.32）。从植物单位用地面积滞留PM10颗粒数量来看，不同风速下，颗粒物滞留量有差异，风速较大时，颗粒物滞留反而越多；不同植物单位用地面积滞留PM10能力差异较明显，其中在前10名的是海桐、桂花、雪松、龙柏、落羽杉、罗汉松、构树、香樟、榉树、水杉，它们单位用地面积滞留PM10数量在2 300～6 596个/cm2之间；其次是栀子花、杜鹃、小叶黄杨、洒金桃叶珊瑚、慈孝竹、石榴、悬铃木、栾树、珊瑚树、金边黄杨、八角金盘、狭叶十大功劳、紫薇、红花檵木、樱花，其单位用地面积滞留PM10颗粒数量均值在411～1 772个/cm2之间；白玉兰、鸡爪槭等树种单位用地面积滞留PM10颗粒数量都小于411个/cm2。研究表明：不同长三角乡村地区植物单位用地面积滞留PM10数量差异原因除了与风速、枝冠特征、叶表面特征有关外，还与植物生长状态，叶面积指数、枝条数量等有关。

不同长三角乡村地区、不同风速下植物对PM10 滞留量能力各有差异（见表2.17），其中在风速为1.0 m/s时，对PM10滞留能力最强的是桂花，最弱的是红叶石楠；在风速为3.5 m/s时，对PM2.5滞留能力最强的是龙柏，最弱的是无患子；在风速为8.0 m/s时，对PM2.5滞留能力最强的是海桐，最弱的是红叶石楠。综合3种风速时对PM2.5滞留量均值，PM2.5滞留能力最强的是海桐，最弱的是红叶石楠，排名在前10位的是海桐、桂花、雪松、龙柏、落羽杉、罗汉松、构树、香樟、榉树、水杉。

表2.17　不同风速下植物对PM10滞留能力排名

（续表）

3.长三角乡村地区植物滞尘影响因素分析

选取可能影响植物滞留颗粒物数量有关的植物枝冠特征、叶表面特征，如枝长、冠幅、表面积、体积、粗糙度、黏附力等34个变量，分析变量与枝条、叶片滞留PM2.5、PM10数量之间的相关性，计算它们之间的spearman相关系数，并检验其显著性（见表2.18）。结果表明，影响植物枝条滞留PM2.5较显著的因素主要有9个：长冠幅、短冠幅、枝总重、叶鲜重、叶面积、枝截面积、枝冠体积为负向关系，枝密度、风速为正向关系。影响植物枝条滞留PM10较显著的因素有10个：长冠幅、短冠幅、枝总重、叶鲜重、叶面积、枝截面积、枝条表面积、枝冠体积为负向关系，枝密度、风速为正向关系。影响植物叶滞留PM2.5较显著的因素有10个：枝数量、枝截面积、枝冠体积，叶密度为负向关系，叶次脉厚度、叶片厚度、叶正面粗糙度Ra、Rq，叶反面黏附力、风速为正向关系。影响植物叶滞留PM10较显著的因素有8个：枝数量、叶密度、枝密度为负向关系，叶次脉厚度、叶正面粗糙度Rq、叶反面黏附力、加粉时间、风速为正向关系。

表2.18　不同风速下植物滞尘因素相关性分析

（续表）

注：*在置信度（双测）为0.05时，相关性是显著的。**在置信度（双测）为0.01时，相关性是显著的。

从显著相关的影响因素可以看出：不论是枝还是叶，对PM2.5和PM10的滞留能力都受到枝冠体积负向影响，枝冠越大，暴露在颗粒下的枝表面积和叶表面积比例越少，反而会降低颗粒物滞留量，枝密度越高，越有利于滞留颗粒物；叶片越厚、越粗糙、反面黏附力越强，越有助于叶片滞留颗粒物；风速在一定程度上有利于颗粒与枝条、叶片接触，增加滞留面积。

4.小结

本研究以长三角乡村地区常见的35种乔灌木为研究对象，通过室内风洞实验，研究其在不同风速下滞留PM2.5和PM10的量随时间变化规律，分析了相关影响因素，分别筛选出了10种滞留PM2.5及PM10能力较强的植物。

（1）选取可能影响植物滞留颗粒物数量有关的植物的枝冠特征、叶表面特征，如枝长、冠幅、表面积、体积、粗糙度、黏附力等共34个变量，分析变量与枝条、叶片滞留PM2.5、PM10数量之间的相关性，计算它们之间的spearman相关系数，并检验其显著性。结果表明，不论是枝还是叶对PM2.5和PM10的滞留能力都受到枝冠体积负向影响，枝冠越大，暴露在颗粒下的枝表面积、叶表面积比例越少，反而会降低颗粒物滞留量；枝密度越高，越有利于滞留颗粒物；叶片越厚、越粗糙、反面黏附力越强，越有助于叶片滞留颗粒物；风速在一定程度上有利于颗粒与枝条、叶片接触，增加滞留面积。

（2）不同植物单位用地面积滞留PM2.5能力排名在前10位的是：水杉、海桐、慈孝竹、龙柏、白玉兰、鸡爪槭、紫叶李、红叶石楠、银杏、珊瑚树，它们单位用地面积滞留PM2.5数量在5 450～17 760个/cm2之间；其次是构树、榉树、香樟、小叶黄杨、石榴、狭叶十大功劳、落羽杉、杜鹃、金边黄杨、栀子花、紫薇、悬铃木、八角金盘、无患子、垂丝海棠，其单位用地面积滞留PM2.5颗粒数量均值在1 300～5 200个/cm2之间；栾树、罗汉松等树种单位用地面积滞留PM2.5颗粒数量都小于1 300个/cm2。不同植物单位用地面积滞留PM10能力排名在前10位的是海桐、桂花、雪松、龙柏、落羽杉、罗汉松、构树、香樟、榉树、水杉，它们的单位用地面积滞留PM10 数量在2 300～6 596个/cm2之间；其次是栀子花、杜鹃、小叶黄杨、洒金桃叶珊瑚、慈孝竹、石榴、悬铃木、栾树、珊瑚树、金边黄杨、八角金盘、狭叶十大功劳、紫薇、红花檵木、樱花，其单位用地面积滞留PM10 颗粒数量均值在411～1 772个/cm2 之间；白玉兰、鸡爪槭等树种单位用地面积滞留PM10颗粒数量都小于411个/cm2。

（3）滞留PM2.5能力较强的10种植物（乔灌木各5种）水杉、慈孝竹、龙柏、白玉兰、鸡爪槭、海桐、珊瑚树、红叶石楠、小叶黄杨、杜鹃；滞留PM10能力较强的10种植物（乔灌木各5种）桂花、雪松、龙柏、落羽杉、罗汉松、栀子花、杜鹃、小叶黄杨、洒金桃叶珊瑚、金边黄杨。