基于扫描电镜的植物叶面尘定量研究

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大气颗粒物是引起广泛关注和担忧的环境问题,颗粒物能够改变局地气候,降低大气可见度并引起各种疾病。城市植物可以减轻周围环境的颗粒物浓度,净化空气,对改善城市环境有着至关重要的作用。本研究以北京市常见阔叶树种和绿篱树种为研究对象,通过野外采样和扫描电镜拍照的方法,获取用于定量沉降在叶片表面的颗粒物的扫描电镜照片。首先,以北京市常见的三个阔叶树种:臭椿(Ailanthus altissima(Mill.)Swingle)、白蜡(Fraxinus chinensis Roxb)、旱柳(Salix matsudana)为例,构建了定量叶面尘的景观分析的方法。通过基于面向对象的方法使用遥感软件提取照片中的颗粒物,并用景观生态学的软件分析提取的结果以同时获取颗粒物的数量,面积,形状,空间关系等特征。其次,以相关分析,主成分分析和因子分析的方法,探讨了描述颗粒物特征的各指标间的关系。最后,以北京市广泛种植的绿篱树种冬青卫矛(Euonymus japonicus Thunb.)为例,探讨了不同放大倍数对定量叶片表面颗粒物的影响。具体研究方法和结论如下:  1.本研究提出了一种定量描述沉降在叶片表面的颗粒物的新方法。这种方法可以准确的定量叶片上不同粒径颗粒物的数量,面积,形状和空间分布。空间分布由衡量颗粒物亲密程度的邻近度表示。我们采集了北京的三种常见阔叶树种,并通过场发射扫描电镜得到图像。我们采取了基于面向对象的方法从图片中提取颗粒物的方法。接着使用Fragstats软件分析这些颗粒物的景观特征。结果表明,在单位叶面积颗粒物数量和面积以及细颗粒物的比例上,旱柳比臭椿和白蜡滞尘效益更高。颗粒物的形状复杂度随着其粒径的增大而增大。在这三种物种之中,旱柳和臭椿的颗粒物分别产生了最高的和最低的邻近度。臭椿表面的PM1和白蜡,旱柳表面的PM10显示出了最高的邻近度,这可能会影响后续的滞尘。旱柳应该被考虑用于小颗粒的吸附。不同的物种和颗粒物大小表现出不同的邻近度,需进一步研究阐明其机制。  2.沉降在叶面表面的颗粒物能够指示大气质量,提供高空间分辨率的颗粒物监测并可用于估算其净化空气的生态系统服务功能。但是定量叶片表面的颗粒物具有多种多样的指数,而这些定量颗粒物特征的指数之间的关系尚不清楚。我们分析了景观,类,斑块水平的颗粒物的指数之间的相关关系并对指数进行了主成分分析。以北京的三个常见物种:臭椿,白蜡,旱柳为例,代表了三种不同叶片特征。首先,在景观水平,大部分指标相关,同时,臭椿和旱柳的指标的相关性强于白蜡。在类的水平,大部分的指标相关,并且臭椿的指标的相关性弱于白蜡和旱柳。在斑块水平,形状复杂的颗粒物与同粒径区间的颗粒物的距离更小。第二,分别分析四个粒径区间的颗粒物的指数。我们发现只在PM1中,随着颗粒物面积的增加颗粒物的形状复杂度增加。对于大颗粒物,随着颗粒物的面积的增加,形状复杂度下降。在景观和类水平,都分别确认了二个主成分。该相关分析,主成分分析和因子分析为阐明指数间的关系,指数间的推断及指数组合的选择提供了参考。  3.叶片表面的颗粒物的可以作为大气环境质量的监测指标和用于估计植被提供的清洁空气的生态系统服务估算。扫描电镜(SEM)的放大倍数可能从多个方面影响颗粒物的识别,然而这种影响尚未不清楚。本研究分别在500倍,1000倍,2000倍和5000倍的放大倍数下获取了北京常见的绿蓠植被:冬青卫矛叶片的扫描电镜照片。单位叶面积的颗粒物数量随着放大倍数的增加而增加;颗粒物覆盖叶片面积比例是一个在各放大倍数之间较为稳定的指标;单位叶面积颗粒物重量在各放大倍数之间不稳定。随着放大倍数的增大,从颗粒物水平来看,颗粒物的平均面积下降,形状的复杂度增加。直径小于2.5微米的颗粒物比直径大于2.5微米的颗粒物对放大倍数更敏感。测试的4个倍数中,1000倍和2000倍的结果的可比性优于其它倍数。尽管大的放大倍数下能够捕获更多的小颗粒物,但是图像的范围会因此而变小。因此,当比较不同放大倍数的结果时,三个因素应该被小心地考虑:放大倍数,定量指标和颗粒物粒径区间。本文揭示的因子之间的关系能够帮助更好地理解叶面尘的大气环境指示功能和植被净化空气的功能。
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