鸢尾对大气颗粒物的滞留与再悬浮能力

谭连帅 刘辉 姜雪磊 李鹏

摘要：以鸢尾（Iris tectorum Maxim.）为材料，采用干洗法测定其叶片的滞尘量，采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP）测定其叶内及叶表的颗粒物成分及含量，并研究不同风速和不同风力作用时间下鸢尾的大气颗粒物再悬浮比例。结果表明，鸢尾叶片的单位面积滞尘量为3.43 g/m2，在草本植物中是比较高的。鸢尾叶表元素及叶内元素中只有Al和K存在显著相关性，风速对沉降于鸢尾叶片表面的大气颗粒物的再悬浮有着显著的影响，而风力作用时间的长短对大气颗粒物的再悬浮影响作用有限。

关键词：鸢尾（Iris tectorum Maxim.）；植物修复；大气污染；电感耦合等离子体发射光谱；再悬浮

中图分类号：X506 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）08-0039-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.010

Retention and Resuspension of Atmospheric Particles by Iris tectorum

TAN Lian-shuai1，2，LIU Hui1，JIANG Xue-lei1，LI Peng1

（1.College of Resource and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，Shandong，China；

2.College of Resource and Environment，Northwest Agriculture & Forestry University，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Abstract： Taking Iris tectorum Maxim. as the material，and the dust content was determined by dry-cleaning method. The composition and content of the particulate matter in the leaf and on the leaf surface were determined by ICP. In addition，resuspension ratio of atmospheric particulate on the leaf surface of I. tectorum was investigated at different wind speed and different time. The results showed that the amount of dust per unit leaf area was 3.43 g/m2，which was relatively high among the herbs. Only Al and K had significant correlations between the interior leaf elements and exterior elements. And wind speed gave significant effect on the resuspension of atmospheric particulates in I. Tectorum，while the wind function time gave the limited effect on the resuspension of atmospheric particulate matter.

Key words： Iris tectorum Maxim.； phytoremediation； air pollution； ICP； resuspension

随着时代的进步与科技的发展，各种化石能源的消耗不断增大，相应的各种产品如汽车等的普及使得大气污染变得越来越严重，而主要污染物之一便是大气颗粒物（Particulate matter，PM）[1-3]。大气颗粒物不仅影响正常的大气可见度，还对市民的健康造成了严重的威胁，其中可吸入颗粒物（PM10）或细颗粒物（PM2.5）作为首要污染物，必须得到有效的控制[4]。

植物修复作为缓解大气污染的措施之一，与相关的工程技术措施相比有经济、环保、高效、可持续等方面的优点[5，6]。其对大气颗粒物的修复过程主要表现在持留和去除两个方面，在持留过程中又涉及植物的截获、吸附、滞留等作用[7-10]。当前的大多数研究将乔木作为植物修复的优先考虑树种[11]，对地被性植物的研究尚不深入，而地被性植物可能在大气颗粒物的修复方面有着更为优良的作用。

鸢尾（Iris tectorum Maxim.）隶属于单子叶植物鸢尾科，为多年生草本植物。作为常用的地被植物，鸢尾在园林观赏方面得到了广泛的应用[12，13]，近些年有研究发现，鸢尾在修复土壤Cd等方面也具有一定作用[14，15]，但对其在大气颗粒物的滞留方面的研究却鲜有相关报道。

选择鸢尾作为试验材料，通过测定其叶片的滞尘量、叶表及叶内的颗粒物成分及含量，并设置不同风速和不同风力作用时间，研究鸢尾在不同条件下的再悬浮，以探究鸢尾对大气颗粒物的修复能力，为地被性植物在大气污染的植物修復研究提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

鸢尾采样于青岛市城阳区长城路的青岛农业大学校园内，在当地降雨两周后于同一区域内采集大小及形状相似的叶片。

1.2 方法

1.2.1 鸢尾叶片表面颗粒物总量的测定 采集鸢尾叶30片，分为3组，每组10片。置于防尘盒内并转移到实验室，采用干洗法测定样品表面颗粒物含量，用去离子水浸泡样品2 h，使附着于叶片上的颗粒物灰尘被充分浸洗下来。2 h后，用镊子夹出叶片，且保留叶片的原有形态，之后将其放置于报纸上充分晾干，利用叶面积仪测量其叶面积（s）。

用已经烘干称重（W1）的滤纸过滤冲洗液。过滤完成后，将该滤纸置于60 ℃烘箱内24 h，烘干后称重（W2）。两次重量的差值，便是所采集的鸢尾叶片之上所附着的颗粒物质的总重量，叶片单位面积滞留颗粒物总含量计算公式如下：

M=（W2-W1）/S

式中，M为单位叶面积滞留颗粒物含量（g/m2）；W1为过滤前滤纸重（g）；W2为过滤后滤纸重（g）；S为叶面积（m2）。

1.2.2 鸢尾叶片表面颗粒物再悬浮含量的测定 风速的影响：取鸢尾叶90片，利用风扇设置1.0、1.5、2.0 m/s 3个风速梯度，每个梯度鸢尾叶30片，分为3组平行试验。在无风室内将叶片固定于同一位置，采用风扇提供风力，用风速仪测量叶片所接受到的风速大小。后利用干洗法测得鸢尾叶片的表面所剩余的颗粒物总量。

时间的影响：将鸢尾叶小心转移至无风室内，在无风环境下固定，利用风扇提供固定风速1.5 m/s，设置10、20和30 min 3个不同的时间梯度，通过风力作用后使用干洗法测得鸢尾叶片表面所剩余的颗粒物总量。

使用已经烘干称重（W3）的滤纸将冲洗液过滤后，置于60 ℃烘箱内24 h，于烘干后进行称重（W4）。两次重量的差值，便是植物叶片上所剩余的颗粒物重量。叶片表面颗粒物再悬浮比例的计算公式如下：

R=1-（W4-W3）/（W2-W1）

式中，R为颗粒物再悬浮比例（%）；W3为过滤前滤紙重（g）；W4为过滤后滤纸重（g）。

1.2.3 鸢尾叶片表面颗粒物成分分析 利用分析天平准确称取一定质量的依据“1.2.1”方法所得到的颗粒物，用混合酸浓硝酸：高氯酸（3∶1）对其实行消解处理，加去离子水定容为10 mL，后使用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）分析其中的Al、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Si、Ti、V等元素的含量，共进行3组平行试验。

1.2.4 鸢尾叶内元素成分与含量的测定 以湿法消解处理鸢尾叶片。称取一定质量的鸢尾叶片，用去离子水将鸢尾叶片的颗粒物冲洗干净，置于恒温干燥箱中105 ℃杀青30 min，后于50 ℃下恒温干燥至恒重。将鸢尾叶片用剪刀尽可能剪碎，置于消解瓶中，加入浓硝酸∶高氯酸（3∶1）溶液中消解。将消解之后的溶液倒入10 mL容量瓶中，用去离子水定容后，使用电感耦合等离子发射光谱仪分析Al、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Si、Ti、V等元素的含量。

2 结果与分析

2.1 鸢尾叶片表面滞尘量及元素含量

鸢尾单位叶面积滞尘量为（3.43±0.06） g/m2，ICP分析结果见表1。由表1可知，13种元素在鸢尾叶片表面灰尘中皆存在。其中，Ni的含量最高，其次为Al和Fe，最少的为Cr与V。在鸢尾叶片内部，只检测到12种元素，与鸢尾叶片表面灰尘相比，不存在V元素。Ni的含量最高，其次为K，最少的为Ti。

对鸢尾叶片内部与叶表灰尘所含各元素利用SPSS进行Spearman系数相关性分析，发现仅有Al和K元素在鸢尾叶片内部与叶表灰尘的含量间存在显著相关性，其余11种元素并不存在显著相关性。

2.2 鸢尾叶片对颗粒物的再悬浮能力

2.2.1 风力强度的影响 设置风速为1.0、1.5、2.0 m/s 3个梯度，固定风力作用时间为10 min。由图1可知，当风速为1.0 m/s时，鸢尾叶片的大气颗粒物的再悬浮量为0.02 g/m2，1.5 m/s时上升到0.03 g/m2， 2.0 m/s时上升到0.06 g/m2。其再悬浮比例由1.0 m/s时的9.31%上升到1.5 m/s时的12.20%，2.0 m/s时达到28.25%（图2）。

单因素方差分析表明，鸢尾叶片在3种风速下的再悬浮量之间都存在显著差异，再悬浮比例之间也存在显著差异，说明风速对沉降于鸢尾叶片表面的大气颗粒物的再悬浮有重要的影响。

2.2.2 风力作用时间的影响 风速设定为1.5 m/s，时间设置为10、20、30 min 3个梯度。由图3可知，鸢尾叶片表面颗粒物10 min时再悬浮量为0.03 g/m2，

20 min时再悬浮量升高到0.06 g/m2，30 min时提高到0.07 g/m2。不同时间相对应的再悬浮比例由13.11%提高到20.70%，最后达到21.76%（图4）。

利用SPSS对鸢尾叶片在相同风速不同时间处理下的再悬浮量进行单因素方差分析，发现鸢尾叶片在20和30 min两个时间梯度下的再悬浮量之间无明显差异，而10和20 min两个时间梯度下的再悬浮量之间有显著差异。对不同时间相对应的再悬浮比例进行单因素方差分析，发现三者之间均无显著性差异。

3 小结与讨论

植物对大气颗粒物的净化机制大体可分为5种，分别为吸附与吸收、降解代谢、转化、同化和超同化、中和缓冲[16，17]。在吸附方面，通常来讲，面积大、具有绒毛、表面不平滑的叶片能够更好的滞留和吸附大气中的颗粒物[18]。本试验选取的鸢尾叶片表面不具绒毛，但具纵脉，叶表不光滑。鸢尾平均单位叶面积滞尘量为3.43 g/m2，相对于白蜡（6.40 g/m2）与国槐（5.40 g/m2）等木本植物的滞尘量要低[19]，说明草本植物在滞尘方面的效果相对乔木有一定差距，这与罗曼[20]研究结论一致，即乔灌木对大气颗粒物的修复有更显著的影响。这可能是由于乔木植株高大、枝繁叶茂、枝干复杂，能滞留更多的颗粒物[21]。

但与其他草本植物相比，鸢尾对大气颗粒物的滞留量有较大的优势。周晓炜等[22]报道草本植物的平均滞尘量为（1.458 3±0.058 4） g/m2，王珂等[23]报道草本地被植物平均单位面积滞尘量为2.136 1 g/m2，均小于本试验鸢尾的滞尘量。这表明鸢尾在草本植物中较其他植物可能有着更好的吸附颗粒物能力，在需要地被植物进行园林绿化时，可优先考虑鸢尾。

植物修复另一个重要的方面是对大气颗粒物的化学离子的吸收，已有研究表明大气颗粒物中的元素含量与植物体内相应累积的重金属的含量有一定的相关性[24，25]。本试验对鸢尾叶片滞留的灰尘和鸢尾叶片分别使用ICP进行元素含量分析，结果表明，所选择的13种常见元素在叶片表面均可测出，但在叶内未测出V元素。对每一种元素进行相关性分析，发现只有Al和K元素在鸢尾叶片内部与叶表灰尘的含量间存在显著相关性，而K是植物必需元素、Al为非必需元素。閆帮国等[26]研究指出土壤类型对叶片N、P、Ca、Mg、Cu等元素均有显著影响；Han等[27]研究发现各元素在植物内的含量有着明显的横向和纵向趋势；申智骅[28]对北海红树研究发现同种元素在不同植株间的变异倍数很大，大量元素的变异倍数超过3倍，微量元素甚至超过25倍。因此，对叶表颗粒物及叶内相应元素含量之间的关系尚需进一步研究。

当大气中的颗粒物于植物上滞留后，其含量会发生进一步的变化，风、雨等气象因素都会对其产生影响。有研究发现降雨对灰尘有很强的冲刷作用[29]，而在一定风力条件下，叶面颗粒物都能被风吹走，不同风速对颗粒物产生的影响效果也具有很大的差异，颗粒物经过风吹后通过再悬浮作用会有一部分灰尘重新进入大气中。王会霞等[30]研究表明女贞的叶面滞尘量会因为大风的影响而降低约30%。本试验同样发现风速对鸢尾叶片的再悬浮作用有较大的影响，这与Ould-Dada等[31]的研究结果相符。

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