植物去除大气颗粒物的机理及空气净化作用

Plants can effectively remove ambient particles and improve air quality. Based on the basic theory of sand blown by the wind, physical geography and botany, etc., taking the garden plants in Beijing as the research object, by ESEM and instrument analysis means such as ICP and XRD, through investigation, sampling and analysis, the project plans to: 1）examine the correlations among the micro-morphology of leaf surfaces, the dust retention capacities of 65 species main garden plants in Beijing and the physicochemical characteristics of particles settling upon leaf surfaces, then to clear the contributions of different micro-morphology of leaf surfaces to dust retention capacities of plants, and to make a classification and definitions to micro-morphology of leaf surfaces; 2）measure the dynamic variation in densities of particles settling upon leaf surfaces of 6 species garden plants with the different micro-morphology of leaf surfaces, in the periods of leaves growth, in the sand and dust process and in spatial and temporal variations of weather (rainfall and wind), traffic and seasons, in order to discuss the dynamic processes of adsorption, retention and resuspension and their impact factors, to reveal the mechanisms of ambient particles removal by plants; and 3) comparatively study the physicochemical characteristics of particles settling upon leaf surfaces, ambient particles and dust fall collected contrastively in order to assess the efficiencies and the air-purifying effects of PM2.5 and highly dangerous heavy-metal elements removal by plants. The research results have an important significance to improve the theory of the interaction between plants and sand and dust and provide the basis of readjustment programme of afforestation.

植物能够有效去除大气颗粒物，改善空气质量。本课题拟以风沙科学、自然地理学、植物学等理论为基础，以北京市园林植物为对象，利用环境扫描电镜、ICP、XRD等仪器分析手段，通过调查、采样和分析，探讨65种植物叶表面微形态特征与滞尘能力和附着颗粒物理化特征的相关性，弄清不同叶表面微形态特征对滞尘能力的贡献，据此对叶表面微形态特征进行分类及定义；以叶片生长过程和沙尘天气过程为切入点，结合天气（大风、降雨）、交通状况和季节的时空变化，重点考察代表不同叶表面微形态特征的6种植物叶面附着颗粒物的动态变化，阐明大气颗粒物在植物叶面的附着、滞留和脱离等动态变化过程及其影响因素，揭示植物去除大气颗粒物的机理；对比叶面附着颗粒物与对照采集的大气颗粒物和降尘的理化特征差异，明确植物去除PM2.5和重金属等高危颗粒物的效率及空气净化作用。研究结果对完善植物与沙尘相互作用理论有重要意义，同时为园林建设方案调整提供依据。

植物能够有效去除大气颗粒物，改善空气质量。本项目开展了北京市65种常见园林植物的叶面滞尘能力与叶表面微观形态特征、代表植物的叶面附着颗粒物的动态变化及理化特征的观测研究，探讨了叶面滞尘能力的影响因素和植物去除大气颗粒物的机理。65种测试植物依据叶面滞尘能力，被划分为强滞尘能力（Ⅰ级）、较强滞尘能力（Ⅱ级）、中等滞尘能力（Ⅲ级）、较弱滞尘能力（Ⅳ级）、弱滞尘能力（Ⅴ级）5个等级。叶面滞尘能力主要由叶表面微观形貌和蜡质两者共同决定。强滞尘能力和较强滞尘能力的植物，叶表面通常具有复杂的微观形貌；而弱滞尘能力和较弱滞尘能力的植物，叶表面均有发达的蜡质。叶表面蜡质层的破裂、脱落会导致吸附颗粒物的增加。相对于20 ~ 40 µm尺度的叶表面微观形态结构，宽1 ~ 3 µm、高0.6 ~ 1.2 µm的脊状突起和沟槽更有利于叶面吸附大气颗粒物，该有效结构的密度是叶面滞尘能力的重要影响因素。榆树（Ulmus pumila）、垂柳（Salix babylonica）和银杏（Ginkgo biloba）的叶面分别代表膜状、板状和管状3种叶表皮蜡质超微结构，其滞尘能力差异显著。膜状结构能够最有效地吸附大气颗粒物，尤其是PM2.5；管状结构因极大地降低了与颗粒物之间的接触面积而具有最低的滞尘能力；板状结构的滞尘能力介于膜状结构和管状结构之间。3种植物，在叶芽破裂至叶片成熟期间，在降雨作用下，其叶面附着颗粒物数量不会持续增加，而是维持动态平衡，上、下表面颗粒物覆盖面积平衡值分别为10% ~ 50%和3% ~ 35%。叶芽破裂后，大气颗粒物在幼叶叶面快速累积，在4 ~ 7天即达到较高数量。在北京较高大气颗粒物浓度下，因为湿沉降作用，降雨经常增加叶面附着颗粒物的数量。对于一次降雨事件，降雨强度、降雨量和大气颗粒物浓度共同决定降雨对叶面附着颗粒物的影响。植物叶面能够有效吸附PM2.5，叶面附着粒径小于1 µm的颗粒物占附着颗粒物总量的80% ~ 92%，粒径小于2.5 µm的颗粒物占附着颗粒物总量的90% ~ 99%。本项目在理论上进一步揭示了植物去除大气颗粒物的机理，提出叶面特性，包括微观结构的物理特性和组成成分与结构的化学特性是植物去除大气颗粒物最重要的内在控制因素。在实践上，积累了65种常见园林植物滞尘能力和叶表面微观形貌图像及三维数据，为园林绿化树种选择提供基础数据。