城市植被作为天然过滤器：地中海城市公园中不同树种对颗粒物滞留能力的特异性差异

《International Journal of Geoheritage and Parks》：Urban vegetation as a natural filter: Species-specific capacity for particulate matter retention in a mediterranean city park

　　

摘要：颗粒物（Particulate Matter, PM）是城市环境中对人类健康具有重大影响的主要空气污染物。城市植被已被认为是空气中PM的潜在自然汇，但其物种特异性的有效性仍存在差异。本研究以西班牙瓦伦西亚为案例，评估了地中海城市常见的十种乔木和灌木树种在叶片表面积累和滞留PM的能力。研究人员在四个不同时期从城市公园中的十种代表性树种采集叶片样本，并结合重量分析法、离子色谱法和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）分析了粗颗粒物（PMcoarse）和中粒径颗粒物（PMmid-size）。结果显示显著的种间差异，总PM积累量范围为28至114 μg·cm-2。平均而言，叶片滞留了72.5 μg·cm-2的PM，其中大部分为PMcoarse。具有典型地中海特征的物种，如高密度毛状体以及针状或覆瓦状叶片的冬青栎（Quercus ilex）、地中海柏木（Cupressus sempervirens）和意大利松（Pinus pinea），表现出最高的PM捕获能力。水溶性离子平均占滞留总PM的13%，但其贡献在不同物种间差异显著。地中海柏木（C. sempervirens）和夹竹桃（Nerium oleander）表现出最高的离子与PM比值（>20%），而叶子花属植物（Bougainvillea sp.）则显示出最低值。这些发现表明，物种选择在最大化城市植被缓解空气污染的潜力中起着关键作用。选用具有有利形态特征的地中海适应性物种，可以增强绿色基础设施在改善城市空气质量方面的有效性。

论文解读：城市植被作为颗粒物过滤器的物种特异性效能——以地中海城市公园为例

1. 研究背景与科学问题

颗粒物（Particulate Matter, PM）是城市空气中最主要的污染物之一，其与呼吸系统和心血管疾病的发病率密切相关。全球超过90%的城市人口暴露于超出世界卫生组织（World Health Organization, WHO）推荐限值的PM浓度环境中。尽管已有大量研究表明城市植被能够通过叶片表面沉积有效降低空气中的PM浓度，但其效率高度依赖于植物种类、叶片微观形态、冠层结构以及当地气候条件。现有研究多集中于北欧、中欧及东亚地区，针对地中海城市的系统性研究相对匮乏。地中海地区具有独特的干旱夏季、常绿植被主导、以及撒哈拉沙尘入侵和海盐气溶胶等多重污染源叠加的环境特征。因此，亟需在地中海气候背景下，开展基于多种本地常见树种的比较研究，以揭示不同物种在PM捕获能力上的差异及其背后的叶片性状机制，从而为优化城市绿地规划提供科学依据。

2. 研究方法概述

该研究选取了西班牙瓦伦西亚图里亚河公园（Jardín del Turia）内十种代表性常绿乔灌木（包括六种乔木和四种灌木/绿篱），分别在2023年7月、11月、2024年2月和2025年5月四个无雨期后采集叶片样品。研究人员采用叶片清洗法结合分级过滤技术分离并定量了粗颗粒物（PM_coarse, ≥10 μm）和中粒径颗粒物（PM_mid-size, 3-10 μm）。利用离子色谱法测定了滤液中八种水溶性无机离子（Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, NH₄⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, K⁺）的含量。同时，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）对各物种叶片的表面微形态（如毛状体、蜡质层、粗糙度等）进行了定性观察。统计分析采用随机完全区组设计（Randomized Complete Block Design, RCBD）的方差分析（ANOVA）及Tukey HSD事后多重比较检验。

3. 研究结果

3.1 叶片表面PM沉积与累积

研究显示，各物种间总悬浮颗粒物（Total Suspended Particles, TSP）积累量差异显著（p < 0.001），范围从Tipuana tipu的28 μg·cm^-2到Quercus ilex的114 μg·cm^-2。Q. ilex、Cupressus sempervirens和Pinus pinea位列前三，其TSP积累量显著高于Photinia x fraseri、Nerium oleander和T. tipu。进一步分析表明，TSP的种间差异主要由PM_coarse驱动，而PM_mid-size在各物种间的差异较小，仅N. oleander与C. sempervirens之间存在显著差异。日均沉积速率也呈现出与总积累量一致的模式。

3.2 叶片表面性状分析

SEM图像显示，高PM积累物种（如Q. ilex和Grevillea robusta）普遍具有高密度的毛状体（尤其远轴面），或像C. sempervirens和P. pinea那样具有覆瓦状或针状叶片结构。相反，低积累物种如T. tipu叶片光滑、毛状体稀少，且具有复叶和长叶柄，易随风摆动导致颗粒再悬浮。值得注意的是，Laurus nobilis叶片表面被煤污病真菌菌丝覆盖，可能增加了表面粗糙度和黏性，从而促进了PM滞留。

3.3 叶片可溶性离子分析

水溶性离子的总质量在各物种间也存在显著差异，C. sempervirens最高（21.9 μg·cm^-2），T. tipu最低（2.9 μg·cm^-2）。离子组成以二次无机气溶胶（Type I: NO₃^-, SO₄^2-, NH₄⁺）和地壳/沙尘源离子（Type II: Ca²⁺, Mg²⁺）为主。水溶性离子占总PM的比例平均约为13%，但在物种间波动较大（6%-28%）。C. sempervirens和N. oleander的离子占比超过20%，而Bougainvillea sp.最低。这一比例低于先前在中国城市的研究报告，研究人员认为这可能与地中海地区撒哈拉沙尘和本地扬尘带来的难溶性矿物颗粒占比较高有关。

4. 讨论与结论

研究证实，城市植被可作为有效的PM局部汇，但其效率高度依赖物种选择。具有高毛状体密度、复杂叶片形态（针状、覆瓦状）的地中海本土树种（如Q. ilex, C. sempervirens, P. pinea）在PM捕获方面表现最优。然而，研究人员也指出，这些高效物种（如C. sempervirens）往往也具有较高的花粉致敏性，这揭示了生态系统服务（净化空气）与不服务（引发过敏）之间的潜在权衡。因此，在城市绿化规划中，不应单一追求PM去除效率的最大化，而应在一个多功能生态系统服务-不服务的综合框架下进行决策，综合考虑维护成本、水资源需求、花粉致敏风险等因素，以实现公共健康净效益的最优化。

研究结论翻译：本研究提供了在西班牙瓦伦西亚地中海环境条件下，常见城市植物物种滞留空气中PM能力的证据。观察到显著的种间变异性。Quercus ilex、Cupressus sempervirens和Pinus pinea表现出最高的TSP和水溶性离子积累水平，而Tipuana tipu始终表现出最低的滞留能力。这些差异突显了物种特异性性状在决定PM捕获效率中的作用。平均而言，它们积累了72 μg·cm^-2的PM，其中70.2 μg·cm^-2对应于PM_coarse，1.8 μg·cm^-2对应于PM_mid-size。水溶性离子占沉积总PM的比例可变但通常不大，平均约占13%。总体而言，结果证实城市植被可作为空气中PM的相关局部汇，但其效率强烈依赖于物种选择、叶片微形态和冠层结构。对于像瓦伦西亚这样的地中海城市，精心选择用于城市绿地和街道景观的物种可以在减轻颗粒物污染方面发挥关键作用，并对人类健康产生切实益处。尽管如此，城市树木的选择应在多功能生态系统服务-不服务框架内进行，而不是为单一环境功能进行优化。因此，城市绿色基础设施规划应将PM去除效率、致敏潜力和空间暴露模式的物种特异性指标整合到一个基于风险的决策框架中，以优化公共卫生净成果，而不是孤立地最大化单一生态系统服务。