4樹(shù)種葉片表面顆粒物洗脫特征與其微觀形態(tài)的關(guān)系

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(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

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4樹(shù)種葉片表面顆粒物洗脫特征與其微觀形態(tài)的關(guān)系

房瑤瑤，王兵，牛香

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

【目的】 深入了解不同樹(shù)種葉片的顆粒物(Particulate Matter，PM)滯納能力在降水事件中的恢復(fù)特征?！痉椒ā?對(duì)顆粒物滯納量達(dá)到飽和狀態(tài)的核桃、刺槐、加拿大楊和銀杏4個(gè)樹(shù)種的葉片進(jìn)行模擬降雨處理，降雨量設(shè)置為0，0.66，1.32，1.98和2.64 mm，測(cè)定并計(jì)算單位面積葉片粒徑2.0～8.0 μm的顆粒物(PM2.0～8.0)和粒徑小于2.0 μm的顆粒物(PM2.0)的洗脫率，并觀察葉片的微觀結(jié)構(gòu)，分析其對(duì)顆粒物洗脫作用的影響?！窘Y(jié)果】 單位面積葉片顆粒物飽和滯納量最大的是核桃，其對(duì)PM2.0～8.0、PM2.0的飽和滯納量分別為(37.05±2.54)和(5.30±0.74) μg/cm2，其次為刺槐(對(duì)PM2.0～8.0和PM2.0的飽和滯納量分別為(8.17±1.15)和(2.47±0.14) μg/cm2)；加拿大楊和銀杏葉片的飽和滯納量較低。洗脫率測(cè)算結(jié)果顯示，銀杏葉片表面2個(gè)粒徑范圍的顆粒物均最易洗脫，在降雨量為2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為99.36%和99.44%；刺槐葉片表面PM2.0～8.0比PM2.0更易洗脫，在降雨量為2.64 mm時(shí),PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為78.79%和52.02%；核桃葉片表面PM2.0比PM2.0～8.0更易洗脫，在降雨量為2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為83.13%和95.84%；加拿大楊葉片表面2個(gè)粒徑范圍顆粒物的洗脫率相近，在降雨量為2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為87.36%和80.29%。掃描電鏡圖顯示：核桃葉片表面呈現(xiàn)不規(guī)則平滑褶皺，氣孔較小，數(shù)量較多，蠟質(zhì)呈無(wú)定形態(tài)；刺槐葉片表皮毛分布豐富，表皮細(xì)胞呈頂部平緩的凸起狀，且表面分布形態(tài)規(guī)律的蠟質(zhì)晶體，氣孔十分稀疏；加拿大楊葉片表皮細(xì)胞無(wú)明顯凸起，蠟質(zhì)層平滑，氣孔較大，數(shù)量與核桃相比較少；銀杏葉表皮細(xì)胞具有明顯的穹狀凸起，整個(gè)葉片覆蓋厚且形態(tài)規(guī)律的蠟質(zhì)晶體，氣孔大而稀疏?！窘Y(jié)論】 具有規(guī)則形態(tài)結(jié)構(gòu)的蠟質(zhì)層(加拿大楊、銀杏)和穹狀凸起表皮細(xì)胞及不具有表皮毛(銀杏)的葉片顆粒物飽和滯納量較低，而洗脫率較高；反之，葉片(核桃，刺槐)的顆粒物飽和滯納量較高，洗脫率較低。

葉片；顆粒物滯納量；人工降雨；顆粒物洗脫率；葉片表面微觀形態(tài)

大氣中的顆粒物(Particulate Matter，PM)會(huì)降低空氣質(zhì)量和能見(jiàn)度，并威脅人體健康，顆粒物的粒徑越小，危害程度越嚴(yán)重。粒徑小于10 μm的顆粒物對(duì)太陽(yáng)輻射的散射和吸收作用能夠直接或間接地影響氣候[1-2]，并且顯著降低空氣的能見(jiàn)度[3-4]。大氣中高含量的顆粒物會(huì)對(duì)人體的心腦血管健康造成嚴(yán)重威脅[5]。在我國(guó)的許多大中型城市，大氣顆粒物已經(jīng)成為民眾關(guān)心的首要大氣污染物，如何降低其危害是目前社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

林木的葉片具有較大的表面積，與其他類(lèi)型的下墊面相比，樹(shù)木復(fù)雜的葉片和冠層結(jié)構(gòu)更有利于攔截大氣中的顆粒物，降低其在空氣中的含量，減輕其危害[6-11]。

風(fēng)和降雨能夠移除葉片表面滯納的顆粒物。風(fēng)會(huì)使葉片表面的顆粒物發(fā)生再懸浮，重新回到空氣中[12-13]；而雨水的沖洗作用能夠?qū)⑷~片表面的顆粒物洗脫至地面，并為葉片重新滯納空氣顆粒物提供空間。因此，在不考慮葉片凋落的情況下，降水的洗脫作用能真正清除空氣中的顆粒物。以往對(duì)樹(shù)木顆粒物清除作用的量化研究，并沒(méi)有考慮降水的作用或?qū)ζ溥M(jìn)行簡(jiǎn)化處理[7,14]，這會(huì)對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成較大影響。

葉片的形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和分泌物等會(huì)影響葉片的表面濕潤(rùn)性，對(duì)其顆粒物的滯納量具有重要影響[15-17]，同時(shí)也會(huì)影響水分在葉面的存在狀態(tài)[18]。因此，不同樹(shù)種葉片表面的顆粒物在降雨事件中洗脫的難易程度存在差異，但目前此類(lèi)研究較少且不夠深入。Pullman[19]研究了降雨強(qiáng)度為0.367 cm/min 時(shí)，3個(gè)不同降雨量處理下，3個(gè)樹(shù)種葉片表面3 μm 顆粒物(PM3.0)附著量的動(dòng)態(tài)變化。但該研究采用KNO3顆粒模擬空氣顆粒物，在顆粒物成分和空氣動(dòng)力學(xué)特性等方面與實(shí)際出入較大。

林地通常由多個(gè)樹(shù)種構(gòu)成，且其清除空氣顆粒物是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，研究降水對(duì)不同樹(shù)種葉片顆粒物的洗脫作用機(jī)制，有利于準(zhǔn)確量化林地對(duì)空氣顆粒物的清除作用；同時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓畻l件，有助于優(yōu)化造林綠化的樹(shù)種配置。本試驗(yàn)以我國(guó)4個(gè)常見(jiàn)的典型造林綠化樹(shù)種為例，研究了4種降雨量處理對(duì)2個(gè)粒徑范圍的顆粒物洗脫作用的差異，并從葉片微觀結(jié)構(gòu)角度分析造成這種差異的原因，以期為不同樹(shù)種表面顆粒物在降水事件中的洗脫機(jī)制研究提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究試驗(yàn)材料為核桃(Juglansregia)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、加拿大楊(Populuscanadensis)、銀杏(Ginkgobiloba)的成熟葉片。刺槐、加拿大楊具有速生、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，作為造林和綠化樹(shù)種在我國(guó)大部分地區(qū)廣泛分布；銀杏葉形優(yōu)美，是重要的園林綠化樹(shù)種，尤其在城市綠化中十分常見(jiàn)；核桃作為經(jīng)濟(jì)樹(shù)種和園林綠化樹(shù)種在我國(guó)北方地區(qū)分布廣泛。本試驗(yàn)中的4個(gè)樹(shù)種分布在北京市植物園內(nèi)距離馬路較遠(yuǎn)的區(qū)域，受交通等污染的影響較小，且樹(shù)齡相近，因此樹(shù)種間研究結(jié)果的可比性較高。

1.2采樣地點(diǎn)和樣品采集

本研究采樣地點(diǎn)位于北京市植物園(N 39°48′，E 116°28′)內(nèi)，距離市區(qū)18 km。試驗(yàn)選擇完全成熟的葉片作為樣本，于2014年8月選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣采樣。

每個(gè)樹(shù)種選擇3株生長(zhǎng)狀況良好的樹(shù)木進(jìn)行樣品采集，在樹(shù)體的陰陽(yáng)面隨機(jī)剪取帶有30～50片葉的枝條，每個(gè)樹(shù)種采集6～8個(gè)枝條。盡量保證取葉樹(shù)木的樹(shù)齡接近。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1人工降塵試驗(yàn)空氣顆粒物的來(lái)源主要為工業(yè)、交通、居民生活能源排放的廢氣以及揚(yáng)塵[20-23]，因此本研究收集道路、建筑工地和工廠附近的灰塵充分混合后作為本研究人工降塵試驗(yàn)的顆粒物來(lái)源，并采用激光粒度分析儀(S3500，Mictotrac，US)分析其粒度分布狀況(體積分?jǐn)?shù))，發(fā)現(xiàn)收集到的顆粒物粒徑主要分布在0～100 μm(圖1)，能夠滿足試驗(yàn)需要。研究中采用沉降桶對(duì)葉片進(jìn)行人工顆粒物降塵試驗(yàn)，沉降桶為底部直徑50 cm、高50 cm的聚丙烯圓筒，該設(shè)計(jì)借鑒了Hwang等[24]和Pullman[19]的研究方法，即營(yíng)造一個(gè)封閉的空間，在此封閉的空間內(nèi)制造懸浮顆粒物環(huán)境，對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行處理。桶內(nèi)底部設(shè)有一個(gè)枝條固定部件用于固定枝條。將枝條放入盛有人工顆粒物源的沉降桶，葉片正面向上，密封后上下旋轉(zhuǎn)顛倒20次，再靜置 10～20 min后取出備用。每次沉降試驗(yàn)放置的枝條視葉片的大小而定，總?cè)~面積在1 000～1 500 cm2，桶內(nèi)混合粉塵質(zhì)量保持在400～500 g。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)以上處理的各個(gè)樹(shù)種葉片表面顆粒物密度基本達(dá)到飽和滯納量。將顆粒物滯納量達(dá)到飽和狀態(tài)的葉片用于人工降雨試驗(yàn)。

1.3.2人工降雨試驗(yàn)本研究采用Norton VeeJet 80100型噴嘴式人工模擬降雨機(jī)為模擬降雨設(shè)備，降水高度為2.6 m，均勻度系數(shù)為73.3%。Nowak等[13]研究認(rèn)為，葉片滯納的PM2.5在不同降雨量(Pe)作用下洗脫至地面的判斷方法為：在降雨量約為0.2 mm時(shí)雨水開(kāi)始從葉片上滴落，整個(gè)樹(shù)冠層的降雨劫持量(Ps)為(0.2×LAI)mm(LAI代表林地的葉面積指數(shù))，如果Pe>Ps則認(rèn)為所有的顆粒物都被洗脫至地面。據(jù)此，本研究模擬試驗(yàn)設(shè)置噴頭擺動(dòng)頻率為40次/min(1次表示噴頭從初始位置到最遠(yuǎn)位置或從最遠(yuǎn)位置回到初始位置)，經(jīng)率定降雨強(qiáng)度為0.33 mm/min；試驗(yàn)設(shè)0，2，4，6和8 min等5個(gè)降雨時(shí)長(zhǎng)(單位葉面積的降雨量在0～0.3 mm)，即降雨量依次為0，0.66，1.32，1.98和2.64 mm，對(duì)人工降塵后的樣品進(jìn)行人工降雨處理，每個(gè)降雨處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。樣品在室內(nèi)等待葉面水分晾干后進(jìn)行顆粒物剩余量(m)測(cè)定。

圖 1試驗(yàn)所用顆粒物的粒徑分布

Fig.1Size distribution of particulate matter used for experiment

1.3.3葉片顆粒物剩余量的測(cè)定試驗(yàn)采用水洗法測(cè)定不同降雨量處理后的葉片表面顆粒物的剩余量(m)。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，300～400 cm2葉面積上附著的顆粒物量能夠保證水洗法分析用量，同時(shí)不會(huì)堵塞濾膜造成試驗(yàn)誤差。因此，各個(gè)樹(shù)種的葉片用量為核桃6～8片，刺槐30～40片，加拿大楊6～8片，銀杏15～20片。

首先將試驗(yàn)所需濾膜置于50 ℃烘箱內(nèi)(DHG-9240A，中國(guó))干燥1 h，取出后在天平(型號(hào)：SI-114，US)室中放置30 min以平衡濾膜的濕度，稱(chēng)量濾膜的初始質(zhì)量(M0)。

將葉片放入盛有250 mL超純水的燒杯中，用超聲波清洗機(jī)(KQ-600E，中國(guó))振蕩清洗10 min。葉片微觀試驗(yàn)證明，在本試驗(yàn)條件下，該清洗時(shí)長(zhǎng)能夠最大程度清洗掉葉片表面附著的顆粒物，同時(shí)不損壞葉片表面結(jié)構(gòu)。

采用循環(huán)水式多用真空泵(SHB-Ⅲ，中國(guó))和磨砂玻璃過(guò)濾裝置對(duì)清洗液進(jìn)行過(guò)濾，清洗液順次通過(guò)孔徑為8，2和0.15 μm的GF濾膜(北京卓信偉業(yè)，直徑47 mm)。過(guò)濾完成后，濾膜采用前述方法進(jìn)行干燥稱(chēng)重，記錄質(zhì)量(M′)。過(guò)濾前后濾膜的質(zhì)量差(M′-M0)即為測(cè)試葉片表面顆粒物剩余量(m)。

清洗液依次通過(guò)孔徑為8,2和0.15 μm的濾膜后，孔徑8 μm的濾膜截獲粒徑>8 μm的顆粒物，孔徑2 μm的濾膜截獲粒徑>2 μm且≤8 μm的顆粒物(PM2.0～8.0)，孔徑0.15 μm的濾膜截獲粒徑≤2 μm的顆粒物(PM2.0)。粒徑小于0.15 μm的顆粒物質(zhì)量所占比例非常小，本研究將其忽略不計(jì)。

1.3.4葉面積的測(cè)算葉片采用掃描儀(Canon LIDE 110，Japan)進(jìn)行掃描，利用Adobe Photoshop(Adobe，US)軟件處理圖像，獲取葉片的面積(S)。

1.3.5單位面積葉片顆粒物剩余量及洗脫率的計(jì)算模擬降雨處理后樹(shù)種i單位葉面積上j粒徑顆粒物的剩余量(Aij,μg/cm2)按下式計(jì)算：

(1)

式中：mij為i樹(shù)種j粒徑顆粒物的剩余量(μg)，Si為i樹(shù)種的葉片面積(cm2)。

由1.3.1可知，模擬降雨量為0時(shí)，葉片單位面積顆粒物的剩余量即為葉片的單位面積飽和滯納量(Mij，μg/cm2)。不同降雨量處理后，葉片顆粒物的洗脫率(Woff)按下式計(jì)算：

(2)

1.3.6葉片微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)將同期采摘的葉片用純凈水沖洗干凈，經(jīng)干燥、固定處理后，裁剪成1 cm×1 cm大小的樣品粘貼在樣品臺(tái)上，噴金處理后，采用S-3400N型掃描電鏡(HITACHI，Japan)觀察葉片微觀結(jié)構(gòu)并拍照。

1.3.7數(shù)據(jù)分析本研究采用單因素方差分析進(jìn)行樹(shù)種間顆粒物飽和滯納量的差異分析，并采用LSD法進(jìn)行多重比較分析。數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS 18.0(IBM，US)，采用Origin 8.0(Originlab，US)制圖。

2　結(jié)果與分析

2.14個(gè)樹(shù)種葉片的顆粒物飽和滯納量

由圖2可知，受葉片表面微觀結(jié)構(gòu)差異的影響，4個(gè)樹(shù)種對(duì)不同粒徑空氣顆粒物的滯納能力存在顯著差異(P<0.05)。核桃對(duì)顆粒物的滯納能力最強(qiáng)，其對(duì)PM2.0～8.0的飽和滯納量為(37.05±2.54) μg/cm2，對(duì)PM2.0的飽和滯納量為(5.30±0.74) μg/cm2，分別較另外3個(gè)樹(shù)種高出4～11倍和2～15倍；其次為刺槐，其對(duì)PM2.0～8.0和PM2.0的飽和滯納量分別為(8.17±1.15)和(2.47±0.14) μg/cm2；銀杏的顆粒物飽和滯納能力在4個(gè)測(cè)試樹(shù)種中最低，其對(duì)PM2.0～8.0的飽和滯納量為(4.11±0.52) μg/cm2，對(duì)PM2.0的飽和滯納量為(0.42±0.03) μg/cm2。LSD多重比較分析結(jié)果顯示，加拿大楊對(duì)PM2.0～8.0和PM2.0的飽和滯納量與銀杏差異不顯著(P>0.05)，刺槐對(duì)PM2.0～8.0的飽和滯納量與加拿大楊差異不顯著(P>0.05)。

圖 2　4個(gè)樹(shù)種葉片對(duì)不同粒徑顆粒物的飽和滯納量 柱上標(biāo)不同大寫(xiě)字母表示不同樹(shù)種葉片對(duì)PM2.0～8.0的飽和滯納量差異顯著(P<0.05)， 標(biāo)不同小寫(xiě)字母表示不同樹(shù)種葉片對(duì)PM2.0的飽和滯納量差異顯著(P<0.05)Fig.2　Saturated amounts of particles captured by leaves of 4 species Different capital letters indicate significant difference in PM2.0-8.0 while different lowercase letters indicate significant difference in PM2.0 captured by 4 tree species

2.2不同降雨量對(duì)4個(gè)樹(shù)種葉片上不同粒徑顆粒物的洗脫率

在不同降雨量處理下，4個(gè)樹(shù)種葉片表面的顆粒物洗脫率不同，不同粒徑顆粒物洗脫的難易程度也存在差異(圖3)。4個(gè)樹(shù)種相比較，銀杏葉片表面顆粒物最易洗脫，當(dāng)降雨量為0.66 mm時(shí)，PM2.0～8.0和PM2.0的洗脫率均達(dá)到70%以上；在降雨量達(dá)到2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為99.36%和99.44%。核桃和刺槐葉片表面不同粒徑顆粒物的洗脫率不同。核桃葉片表面PM2.0比PM2.0～8.0更易洗脫，在降雨量為0.66 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為51.40%和 77.80%，相差26.40%；在降雨量達(dá)到2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0洗脫率分別為83.13%和95.84%，相差12.31%。刺槐葉片表面PM2.0～8.0比PM2.0更易洗脫，在降雨量為0.66 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為78.79%和52.02%，相差26.77%；降雨量為2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0、PM2.0的洗脫率分別為93.62%和89.03%，相差4.59%。在相同降雨量條件下，加拿大楊葉片表面PM2.0～8.0和PM2.0洗脫率相近，在降雨量為2.64 mm時(shí)，PM2.0～8.0和PM2.0的洗脫率分別為87.36%和80.29%。

由此可見(jiàn)，在降水事件中，銀杏最容易恢復(fù)對(duì)顆粒物的滯納能力，核桃葉片容易恢復(fù)對(duì)較細(xì)顆粒物(PM2.0)的滯納能力，刺槐容易恢復(fù)其對(duì)較粗顆粒物(PM2.0～8.0)的滯納能力。降雨量和降雨頻率通過(guò)影響樹(shù)木對(duì)顆粒物滯納能力的恢復(fù)程度及恢復(fù)頻率，而影響樹(shù)木一段時(shí)間內(nèi)的顆粒物滯納量。

■核桃Juglans regia；□刺槐Robinia pseudoacacia；◆加拿大楊Populus canadensis；◇銀杏Ginkgo biloba圖 3　不同降雨量下4個(gè)樹(shù)種葉片表面PM2.0～8.0(A)和PM2.0(B)的洗脫率Fig.3　Wash-off rates of leaf-captured PM2.0～8.0 (A) and PM2.0 (B) at different rainfall treatments

2.34個(gè)樹(shù)種葉片的表面微觀結(jié)構(gòu)

圖4為4個(gè)樹(shù)種葉片表面微觀結(jié)構(gòu)的電鏡掃描結(jié)果，從圖4可觀察到，核桃葉片表面呈現(xiàn)不規(guī)則平滑褶皺，氣孔較小，數(shù)量較多，蠟質(zhì)呈無(wú)定形態(tài)(圖4-A，B)；刺槐葉片表皮毛分布豐富，表皮細(xì)胞呈頂部平緩的凸起狀，且表面分布形態(tài)規(guī)律的蠟質(zhì)晶體，氣孔數(shù)量十分稀疏(圖4-C，D)；加拿大楊葉片表皮細(xì)胞無(wú)明顯凸起，蠟質(zhì)層平滑分布，氣孔較大，數(shù)量與核桃相比較少(圖4-E，F(xiàn))；銀杏葉表皮細(xì)胞具有明顯的穹狀凸起，整個(gè)葉片覆蓋厚且形態(tài)規(guī)律的蠟質(zhì)晶體，氣孔大而稀疏(圖4-G，H)。

3　討　論

3.1葉片飽和滯納量與表面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

不同樹(shù)種單位葉面積顆粒物滯納能力是由葉片的表面微觀結(jié)構(gòu)決定的，葉片表面蠟質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成、表皮毛的形狀和數(shù)量、分泌物以及葉片表面的粗糙程度，是造成樹(shù)種間顆粒物滯納量差異的主要原因[6,17,25-27]。本研究結(jié)果顯示，蠟質(zhì)呈無(wú)定形態(tài)、氣孔密度較大且尺寸較小的葉片(如核桃葉片)對(duì)顆粒物的飽和滯納量較大，而蠟質(zhì)晶體形態(tài)規(guī)則且完整(如刺槐、加拿大楊、銀杏的葉片)、表皮細(xì)胞呈不規(guī)則凸起的葉片結(jié)構(gòu)(如刺槐、銀杏的葉片)對(duì)顆粒物的飽和滯納量較小，這與前人的研究結(jié)果[6,17,25-26]相符。刺槐具有豐富的表皮毛，其顆粒物飽和滯納量遠(yuǎn)小于不具表皮毛的核桃葉片，這與表皮毛有利于顆粒物滯納的研究結(jié)果[28-29]相反。然而，Wang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，表皮毛密度較高的國(guó)槐的顆粒物滯納量較低，這與本研究結(jié)果相似。此外，與刺槐和銀杏的葉片表皮細(xì)胞相比，加拿大楊葉片表皮細(xì)胞沒(méi)有明顯的凸起，但其顆粒物飽和滯納量與銀杏無(wú)明顯差異。由此可見(jiàn)，形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則的蠟質(zhì)層不利于顆粒物的附著，表皮毛對(duì)葉片顆粒物滯納量的影響較為復(fù)雜，具有凸起表皮細(xì)胞的葉片對(duì)顆粒物的滯納量較低，氣孔小而密度高有利于顆粒物的附著。

本研究結(jié)果還表明，單位面積葉片對(duì)粒徑較大的顆粒物的飽和滯納量較高，但不同粒徑顆粒物的數(shù)量分布可能并非如此。Terzaghi等[30]研究表明，葉片表面細(xì)顆粒物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗顆粒物，這是由于細(xì)顆粒物粒徑小、質(zhì)量較小，但包含的顆粒物數(shù)量卻很多。

圖 44個(gè)樹(shù)種葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)

A，B.核桃；C，D.刺槐，D中箭頭所指是因葉片清洗、干燥和固定處理造成斷裂的表皮毛；E，F(xiàn).加拿大楊；G，H.銀杏

Fig.4Micro-morphology structure of leaf surface of four tree species

A，B.Juglansregia；C，D.Robiniapseudoacacia,arrows in plot D show the trichomes fractured by washing,drying,

and fixing process；E，F(xiàn).Populuscanadensis；G，H.Ginkgobiloba

3.2葉片微觀結(jié)構(gòu)與顆粒物洗脫難易程度的關(guān)系

蠟質(zhì)、表皮細(xì)胞、表皮毛和氣孔等葉片的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)葉片的濕潤(rùn)性有重要影響[18]。當(dāng)葉片濕潤(rùn)性大時(shí)，降雨會(huì)在葉片上形成水膜，需要足夠的降水濕潤(rùn)葉面并形成水滴才能將顆粒物洗脫至地面；而當(dāng)葉片濕潤(rùn)性小時(shí)，降雨在葉片上易形成水珠，能夠在外力的作用下離開(kāi)葉面，同時(shí)帶走葉片上的顆粒物。因此，具有疏水性結(jié)構(gòu)特征的葉片，其滯納的顆粒物更容易被洗脫。銀杏葉片穹狀突起的表皮細(xì)胞和形狀規(guī)則的蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)使之具有較強(qiáng)的疏水性[31-32]，因而在相同的降雨量處理下，較其他樹(shù)種表現(xiàn)出較高的顆粒物洗脫率。表皮毛對(duì)葉片疏水性的影響較為復(fù)雜，與其密度、長(zhǎng)度、絨毛表面是否存在蠟質(zhì)以及能否刺破水膜有關(guān)[18,33]。本研究結(jié)果表明，刺槐葉片表面表皮毛的存在增加了細(xì)顆粒物的洗脫難度，這與劉璐等[25]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明刺槐的表皮毛不利于葉片表面顆粒物的洗脫。

3.3樹(shù)木對(duì)顆粒物的清除量

本研究認(rèn)為，降雨量和降雨頻率會(huì)影響樹(shù)木對(duì)空氣顆粒物的清除量。Wang等[17]對(duì)不同季節(jié)雨后4～5 d葉片表面顆粒物的滯留量和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了相似的結(jié)論。葉片顆粒物的積累量與當(dāng)?shù)乜諝忸w粒物含量等條件相關(guān)[13,30]。有研究認(rèn)為，在晴朗微風(fēng)的天氣條件下，大葉黃楊葉片表面的顆粒物濃度在雨后15 d達(dá)到飽和[15]。因此，在降雨事件不足的年份中，通過(guò)人工降雨或清洗的手段適當(dāng)增加葉片顆粒物的洗脫頻率，可以增加樹(shù)木對(duì)顆粒物的清除量，是改善空氣質(zhì)量的有效途徑之一。

樹(shù)木的冠層結(jié)構(gòu)會(huì)隨季節(jié)發(fā)生變化，不同的立地條件也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。因此，某一地區(qū)樹(shù)木的顆粒物清除量應(yīng)是隨時(shí)間變化的，本研究只是對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題的初步探討，準(zhǔn)確描述這一動(dòng)態(tài)變化過(guò)程還需要更加深入的研究。

4　結(jié)　論

1)在4個(gè)測(cè)試樹(shù)種中，各樹(shù)種單位面積葉片顆粒物飽和滯納量依次為核桃>刺槐>加拿大楊>銀杏。

2)葉片表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒物的飽和滯納量及顆粒物洗脫難易程度具有不同程度的影響。具有規(guī)則蠟質(zhì)層和穹狀凸起的表皮細(xì)胞及不具表皮毛的葉片，對(duì)顆粒物的飽和滯納量較低，而洗脫率較高；反之，葉片表面顆粒物的飽和滯納量較高，而洗脫率較低。

3)在相同的空氣環(huán)境條件下，葉片的飽和滯納量越大，降雨事件中的洗脫率越高，對(duì)空氣中顆粒物的清除作用越好。

[1]Buseck P R,Pósfai M.Airborne minerals and related aerosol particles:effects on climate and the environment [J].Proceedings of the National Academy of Sciences,1999,96(7):3372-3379.

[2]Bytnerowicz A,Omasa K,Paoletti E.Integrated effects of air pollution and climate change on forests:a northern hemisphere perspective [J].Environmental Pollution,2007,147(3):438-445.

[3]王靜,牛生杰,許丹,等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性 [J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(2):201-208.

Wang J, Niu S J,Xu D,et al.Aerosol optical properties during the typical haze/fog event in Nanjing [J].China Environmental Science,2013,33(2):201-208.

[4]吳兌,鄧雪嬌,畢雪巖,等.細(xì)粒子污染形成灰霾天氣導(dǎo)致廣州地區(qū)能見(jiàn)度下降 [J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2007,23(1):1-6.

Wu D,Deng X J,Bi X Y,et al.Study on the visibility reduction caused by atmospheric haze in guangzhou area [J].Journal of Tropical Meteorology,2007,23(1):1-6.

[5]Anderson J O,Thundiyil J G,Stolbach A.Clearing the air:a review of the effects of particulate matter air pollution on human health [J].Journal of Medical Toxicology,2012,8(2):166-175.

[6]Beckett K P,Freer Smith P H,Taylor G.Particulate pollution capture by urban trees:effect of species and windspeed [J].Global Change Biology,2000,6(8):995-1003.

[7]McDonald A G,Bealey W J,Fowler D,et al.Quantifying the effect of urban tree planting on concentrations and depositions of PM10in two UK conurbations [J].Atmospheric Environment,2007,41(38):8455-8467.

[8]楊阿強(qiáng),孫國(guó)清,盧立新,等.基于 MODIS 資料的中國(guó)東部時(shí)間序列空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和零平面位移高度估算 [J].氣象科學(xué),2011,31(4):516-524.

Yang A Q,Sun G Q,Lu L X，et al.Deriving aerodynamic roughness length and zero-plane displacement height from MODIS product for Eastern China [J].Journal of the Meteorological Sciences,2011,31(4):516-524.

[9]Fowler D,Skiba U,Nemitz E,et al.Measuring aerosol and heavy metal deposition on urban woodland and grass using inventories of 210Pb and metal concentrations in soil [J].Water,Air and Soil Pollution:Focus,2004,4(2/3):483-499.

[10]Yang F,Tan J,Zhao Q,et al.Characteristics of PM2.5speciation in representative megacities and across China [J].Atmospheric Chemistry and Physics,2011,11(11):5207-5219.

[11]Amann M,Klimont Z,Wagner F.Regional and global emissions of air pollutants:recent trends and future scenarios [J].Annual Review of Environment and Resources,2013,38:31-55.

[12]Gillette D A,Lawson J R E,Thompson R S.A “test of concept” comparison of aerodynamic and mechanical resuspension mechanisms for particles deposited on field rye grass (Secale cercele):part 1.Relative particle flux rates [J].Atmospheric Environment,2004,38(28):4789-4797.

[13]Nowak D J,Hirabayashi S,Bodine A,et al.Modeled PM2.5removal by trees in ten US cities and associated health effects [J].Environmental Pollution,2013,178:395-402.

[14]Nowak D J,Crane D E,Stevens J C.Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States [J].Urban Forestry & Urban Greening,2006,4(3):115-123.

[15]王贊紅,李紀(jì)標(biāo).城市街道常綠灌木植物葉片滯塵能力及滯塵顆粒物形態(tài) [J].生態(tài)環(huán)境,2006,15(2):327-330.

Wang Z H,Li J B.Capacity of dust uptake by leaf surface ofEuonymusjaponicusThunb and the morphology of captured particle in air polluted city [J].Ecology and Environment,2006,15(2):327-330.

[16]Pal A,Kulshreshtha K,Ahmad K J,et al.Do leaf surface characters play a role in plant resistance to auto-exhaust pollution? [J].Flora-Morphology,Distribution,Functional Ecology of Plants,2002,197(1):47-55.

[17]Wang H,Shi H,Li Y,et al.Seasonal variations in leaf capturing of particulate matter,surface wettability and micromorphology in urban tree species [J].Frontiers of Environmental Science & Engineering,2013,7(4):579-588.

[18]石輝,王會(huì)霞,李秧秧.植物葉表面的潤(rùn)濕性及其生態(tài)學(xué)意義 [J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(15):4287-4298.

Shi H，Wang H X，Li Y Y.Wettability on plant leaf surfaces and its ecological significance [J].Acta Ecologica Sinica,2011,31(15):4287-4298.

[19]Pullman M R.Conifer PM2.5deposition and re-suspension in wind and rain events [D].New York:Cornell University,2009:16-39.

[20]胡偉,魏復(fù)盛.中國(guó) 4 城市空氣顆粒物元素的因子分析 [J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2003,19(3):39-42.

Hu W,Wei F S.Factor analysis of elements in airborne particulate matter of the 4 Chinese cities [J].Environmental Monitoring in China,2003,19(3):39-42.

[21]戴斯迪,馬克明,寶樂(lè),等.北京城區(qū)公園及其鄰近道路國(guó)槐葉面塵分布與重金屬污染特征 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(1):154-162.

Dai S D,Ma K M,Bao L,et al.Distribution of particle matters and contamination of heavy metals in the foliar dust ofSophorajaponicain parks and their neighboring roads in Beijing [J].Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(1):154-162.

[22]李顯芳,劉咸德,李冰,等.北京大氣 PM2.5中鉛的同位素測(cè)定和來(lái)源研究 [J].環(huán)境科學(xué),2006,27(3):401-407.

Li X F,Liu X D,Li B,et al.Isotopic determ inations and source study of lead in ambient PM2.5in Beijing [J].Environmental Science,2006,27(3):401-407.

[23]宋宇,唐孝炎,方晨,等.北京市大氣細(xì)粒子的來(lái)源分析 [J].環(huán)境科學(xué),2002,23(6):11-16.

Song Y,Tang X Y,Fang C,et al.Source apportionment on fine particles in Beijing [J].Environmental Science,2002,23(6):11-16.

[24]Hwang H,Yook S,Ahn K.Experimental investigation of submicron and ultrafine soot particle removal by tree leaves [J].Atmospheric Environment,2011,45(38):6987-6994.

[25]劉璐,管東生,陳永勤.廣州市常見(jiàn)行道樹(shù)種葉片表面形態(tài)與滯塵能力 [J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(8):2604-2614.

Liu L，Guan D S，Chen Y Q.Morphological structure of leaves and dust-retaining capability of common street trees in Guangzhou municipality [J].Acta Ecologica Sinica,2013,33(8):2604-2614.

[26]王會(huì)霞,石輝,李秧秧.城市綠化植物葉片表面特征對(duì)滯塵能力的影響 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(12):3077-3082.

Wang H X，Shi H，Li Y Y.Relationships between leaf surface characteristics and dust-capturing capability of urban greening plant species [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2010,21(12):3077-3082.

[27]Leuzinger S,Vogt R,K?rner C.Tree surface temperature in an urban environment [J].Agricultural and Forest Meteorology,2010,150(1):56-62.

[28]劉福智,劉加平.植物對(duì)空氣中可吸入顆粒物的量化控制及影響 [J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(5):25-29.

Liu F Z,Liu J P.The quantitative controlling and effect of greens on the dust in air [J].Journal of Qingdao Technological University,2005,26(5):25-29.

[29]劉玲,方炎明,王順昌,等.7 種樹(shù)木的葉片微形態(tài)與空氣懸浮顆粒吸附及重金屬累積特征 [J].環(huán)境科學(xué),2013,34(6):2361-2367.

Liu L，F(xiàn)ang Y M,Wang S C,et al.Leaf micro-morphology and features in adsorbing air suspended particulate matter and accumulating heavy metals in seven tress species [J].Environmental Science,2013,34(6):2361-2367.

[30]Terzaghi E,Wild E,Zacchello G,et al.Forest filter effect:role of leaves in capturing/releasing air particulate matter and its associated PAHs [J].Atmospheric Environment,2013,74:378-384.

[31]Neinhuis C,Barthlott W.Seasonal changes of leaf surface contamination in beech,oak,and ginkgo in relation to leaf micromorphology and wettability [J].New Phytologist,1998,138(1):91-98.

[32]王會(huì)霞.基于潤(rùn)濕性的植物葉面截留降水和降塵的機(jī)制研究 [D].西安：西安建筑科技大學(xué),2012:41-71.

Wang H X.Mechanisms of plant leaves based on leaf surface wettability on rainfall interception and dust-capturing [D].Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology,2012:41-71.

[33]Pandey S,Nagar P K.Patterns of leaf surface wetness in some important medicinal and aromatic plants of Western Himalaya [J].Flora-Morphology,Distribution,Functional Ecology of Plants,2003,198(5):349-357.

Relationship between leaf micro-morphology and particulate matter wash-off characteristics of four tree species

FANG Yaoyao,WANG Bing,NIU Xiang

(KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironmentofStateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

【Objective】 This study aimed to understand the restore characteristics of leaf surface in capturing particulate matter (PM) in rainfall process.【Method】 This study selected foliage samples of 4 species with saturation PM capturing capacity to study its response to simulated precipitations (0,0.66,1.32,1.98,and 2.64 mm).Wash-off rates of PM2.0-8.0(diameter of particulate matter 2.0-8.0 μm) and PM2.0(diameter of particulate matter less than 2.0 μm) for leaves were calculated and the effects of leaf-surface micro-morphology structure on wash-off of PM2.0-8.0and PM2.0were also analyzed.【Result】 The saturated amounts of particles captured by per unit leaf area of the four species were different with a decreasing order ofJuglansregia((37.05±2.54) μg/cm2for PM2.0-8.0and (5.30±0.74) μg/cm2for PM2.0)>Robiniapseudoacacia((8.17±1.15) μg/cm2for PM2.0-8.0and (2.47±0.14) μg/cm2for PM2.0)>Populuscanadensis>Ginkgobiloba.With the precipitation of 2.64 mm,wash-off rates of PM2.0-8.0(99.36%) and PM2.0(99.44%) ofG.bilobawere high.Wash-off rate of PM2.0-8.0(78.79%) was much higher than PM2.0(52.02%) forR.pseudoacacia,while wash-off rate of PM2.0-8.0(83.13%) was much lower than PM2.0(95.84%) forJ.regia.ForP.canadensis,wash-off rates of PM2.0-8.0(87.36%) and PM2.0(80.29%) had no significant difference.The Scanning Electron Microscope (SEM) pictures showed that the surface ofJ.regiafoliage had smooth wrinkles irregularly,stomas were small but large in number,and the wax layer was amorphous.R.pseudoacaciafoliage surface was richly endowed with trichomes,epidermis cells had flat top covered with organized crystal wax layer,and stomas were in sparse levels.On the foliage surface ofP.Canadensis,epidermis cells and wax were smooth,stomas were large in size but smaller in number compared withJ.regia.For theG.biloba,epidermis cells were convex and densely covered by wax crystals,and stomas were thin and in large size.【Conclusion】 Leaves with convex epidermal cells and without trichome (G.biloba&P.canadensis),covered by regular wax crystals (G.biloba) had low particle capturing capability and high PM wash-off rate.Conversely,the particle capturing capability of foliage (J.regia&R.pseudoacacia) was high,and the wash-off rate was low.

foliage;particles captured;simulated precipitation;wash-off rate;micro-morphology structure

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-07-1208:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.08.018

2015-01-04

林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(20130430101；2012040101)

房瑤瑤(1985-)，女，山東萊蕪人，在讀博士，主要從事森林對(duì)大氣顆粒物的調(diào)控作用研究。

E-mail：flyswing9723@163.com

牛香(1982-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，助理研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail：niuxiang@caf.ac.cn

S718.5

A

1671-9387(2016)08-0119-08

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