多尺度植物特征对颗粒物再悬浮的影响

《Environmental Pollution》：Effect of multiscale plant traits on particulate matter resuspension

PM再悬浮机制及影响因素研究：基于七种树木风洞实验，揭示了叶面粗糙度、沟宽、气孔密度等微观结构与PM再悬浮率的负相关，叶比表面积和干物质含量呈正相关。风速是主要驱动因素，但低风速下暴露时间对再悬浮更敏感。研究为植被空气净化效能评估提供理论支撑。

　　颗粒物（PM）从植物表面的再悬浮是一个影响其减轻大气颗粒物污染能力的关键过程。然而，目前对枝干结构特征、叶片形态和叶片表面微结构对PM再悬浮的影响尚未得到充分表征。本研究通过风洞实验，对具有不同枝干结构、叶片形状和叶片表面微结构特征的七种树种进行了PM再悬浮机制的探讨。实验结果显示，在风洞实验中，这七种树种的PM再悬浮比例范围为42.41%–87.27%。颗粒物的尺寸越大，其再悬浮比例越高。风速是影响PM再悬浮过程的主要环境因素。然而，层次聚类分析表明，在低风速条件下（1.5m/s–5m/s），PM再悬浮对暴露时间更为敏感，而非风速。对于PM2.5和PM2.5–10，叶片表面粗糙度、沟槽宽度、气孔密度、气孔尺寸以及复杂的枝干结构与PM再悬浮率呈负相关。相反，叶片比表面积和叶片干物质含量与PM2.5和PM2.5–10的再悬浮率呈正相关。通过改善对PM再悬浮机制和影响因素的表征，本研究为评估植物减少大气颗粒物污染的能力提供了新的见解。

颗粒物污染是全球范围内的主要空气污染物之一。世界近99%的人口长期暴露在超过世界卫生组织（WHO）安全阈值的PM浓度中（Cui等，2023；WHO，2024）。PM，尤其是直径小于2.5微米的细颗粒物，能够被吸入肺部甚至进入血液，导致呼吸系统和心血管系统的疾病（Bhatnagar，2022；Fussell等，2022；Rajagopalan等，2024）。最近的流行病学分析表明，2021年全球因PM污染导致的早逝人数达到了810万（WHO，2022；Yu等，2024）。尽管控制PM排放源仍然是根本措施，但基于环境的解决方案逐渐成为重要的缓解策略（Jennings等，2021；Tomson等，2021）。具体而言，植被对PM的生物过滤作用引起了科学界的广泛关注（Diener和Mudu，2021；Mi等，2019；Silverwood等，2025）。植物调节大气PM浓度依赖于沉积–保留–洗涤–再悬浮的循环过程（Chen等，2024a；Li等，2022；Xie等，2022），而再悬浮过程可能会降低净去除效率。此前的研究估计，沉积在叶片表面的PM中有32.02%–61.38%会经历再悬浮，导致二次污染事件，并系统性地高估了植被的PM缓解能力（Lindén等，2023；Xu等，2020）。因此，精确量化植物表面的PM再悬浮对于评估其PM缓解能力至关重要。

PM再悬浮发生在湍流气流施加的分离力超过颗粒物与植物表面之间的附着力（如范德华力或静电相互作用）时（Bi等，2022；Kim等，2016）。因此，风速是PM再悬浮的主要驱动因素（Del Bello等，2018；Zhou等，2020）。然而，长时间的风暴露会降低再悬浮率，因为松散附着的颗粒物优先被移除，而剩余颗粒物的再悬浮则需要更高的能量（Feng等，2025）。实验结果表明，在风速从1.5m/s增加到5m/s时，PM再悬浮率增加了33%–80%（Li等，2022；Xu等，2022；Zheng和Li，2019），而长时间的风暴露可能会使PM再悬浮率减少两个到三个数量级（Ould-Dada，2001）。尽管在不同风条件下已经对植物表面PM再悬浮的依赖性进行了定量表征，但在广泛的连续风速和暴露时间范围内，再悬浮机制仍然缺乏深入研究（Li等，2022；Lindén等，2023；Xie等，2018；Xie等，2019）。因此，量化再悬浮率、风速和暴露时间之间的关系对于改善我们对PM再悬浮机制的理解至关重要。

植物自身的特性，包括叶片微结构、叶片形态和枝干结构特征，也会影响从植物表面的PM再悬浮过程。附着力来源于叶片表面的形态特性（如粗糙度）和结构（如气孔、沟槽、绒毛、角质层）的种间差异（Fillingham等，2019；Kim等，2016；Pace和Grote，2020）。叶片微结构能够通过影响湍流和湿润性，同时增加可用接触面积来有效减少PM再悬浮（Chávez-García和González-Méndez，2021；Lindén等，2023；Ossola和Farmer，2024）。此外，叶片和枝干的形状也能通过改变气流来显著影响PM再悬浮。例如，在枝干密度较低、最小化空气动力阻力的冠层顶部，测得较高的PM再悬浮率（Gillerot等，2024；Xie等，2018）。同时，PM再悬浮表现出显著的种间差异（Tomson等，2024；Xu等，2021）。例如，Li等（2022）表明，在一致的风速下，Abies holophylla（61.38%）的再悬浮比例大约是Robinia pseudoacacia（32.02%）的两倍，而在相同的风速增加下，针叶树种（10.65%）的PM再悬浮比例平均增加了1.21倍，而阔叶树种（8.82%）则增加了1.21倍。这些结果揭示了植物种类在PM再悬浮能力上的差异。

为了澄清这些不一致，有必要建立一个整合叶片微结构和形态特征以及枝干结构特征的综合多尺度框架，以识别影响PM再悬浮过程的植物空气动力特性。本研究结合风洞实验和多尺度植物特征分析，探讨了1）多尺度植物特征对PM再悬浮的影响，以及2）PM尺寸对再悬浮机制的依赖性，包括大颗粒（10–100微米，PM10–100）、中等颗粒（2.5–10微米，PM2.5–10）和细颗粒（PM2.5）。通过表征不同风模式下的再悬浮机制，我们旨在为城市绿地的优化配置以及基于环境的空气污染缓解策略提供理论依据。

本研究选择了四种阔叶树种：Salix babylonica、Acer truncatum、Syringa reticulata和Ginkgo biloba，以及三种针叶树种：Juniperus chinensis、Pinus tabuliformis和Abies holophylla（图1c）。这些树种在叶片微结构、叶片形态和枝干结构上表现出显著差异，并且是东北地区城市绿化中的典型树种（图1c和表S1）。对于样本提取，我们选择了生长状况相似的成熟树木，以确保实验的可比性。

PM再悬浮过程在不同风速模式下的变化如图3所示。PM再悬浮率随着风速的增加而上升。我们发现，在风速从1.5m/s增加到5m/s时，PM10–100的再悬浮比例为92.66%±3.26%，PM2.5–10的再悬浮比例为71.80%±16.83%，PM2.5的再悬浮比例为62.72%±16.58%（图3a–b）。再悬浮率与颗粒物尺寸密切相关，颗粒物尺寸越大，其再悬浮比例越高。然而，PM再悬浮率会随着暴露时间的增加而下降。这一趋势与之前的研究所一致（Li等，2022；Zheng和Li，2019；Ould-Dada，2001）。主要原因是当风引起的分离力超过颗粒物与表面之间的附着力时，PM会发生再悬浮，例如范德华力。因此，理解颗粒物在植物表面的再悬浮机制对于评估植被在空气污染控制中的作用具有重要意义。

此外，研究还发现，植物表面的微结构、形态特征和枝干结构在不同风速和暴露时间下的作用存在显著差异。例如，在低风速条件下，暴露时间对PM再悬浮的影响更为明显，而风速的作用相对较小。这种现象可能与颗粒物在植物表面的附着机制有关。在长时间的风暴露下，松散附着的颗粒物被优先移除，而紧密嵌入的颗粒物则需要更高的能量才能再悬浮。因此，暴露时间对PM再悬浮率的影响可能比风速更为关键。同时，叶片比表面积和干物质含量在PM再悬浮过程中也表现出一定的影响，较高的比表面积和干物质含量可能促进PM的再悬浮。这表明，植物的物理特性在PM再悬浮过程中扮演着重要角色。

本研究的发现对城市绿化规划和空气污染控制策略具有重要的指导意义。首先，选择具有复杂叶片微结构、不规则叶片和密集冠型的树种可能有助于提高PM的再悬浮率，这可能在某些情况下对空气质量产生不利影响。因此，在城市绿化设计中，需要权衡不同植物种类对PM再悬浮的贡献。其次，风速和暴露时间对PM再悬浮的影响存在显著差异，这表明在制定空气污染控制策略时，应考虑不同环境条件下的PM再悬浮行为。例如，在低风速条件下，暴露时间可能是更重要的影响因素，而在高风速条件下，风速的影响更为显著。

本研究还揭示了PM尺寸对再悬浮率的影响。较大的颗粒物在风速增加时表现出更高的再悬浮比例，而较小的颗粒物则相对稳定。这可能与颗粒物的物理特性有关，例如颗粒物的密度和形状。此外，PM2.5和PM2.5–10的再悬浮率受到叶片表面粗糙度、沟槽宽度、气孔密度和气孔尺寸的影响。这些因素在植物种类之间存在显著差异，因此在选择植物种类时，需要综合考虑这些因素对PM再悬浮的影响。

最后，本研究的结果表明，植物的多尺度特征对PM再悬浮过程具有重要影响。通过表征不同风速和暴露时间下的再悬浮机制，我们能够更准确地评估植物在空气污染控制中的作用。这些结果为未来研究提供了重要的基础，同时也为实际应用提供了科学依据。在城市绿化规划中，选择具有复杂叶片微结构、不规则叶片和密集冠型的树种可能有助于提高PM的去除效率，而在高风速条件下，需要考虑暴露时间对PM再悬浮的影响。此外，PM尺寸对再悬浮率的影响也表明，在制定空气污染控制策略时，应考虑不同颗粒物的特性，以优化植被的PM过滤能力。