杭州市6種常見綠化樹種滯塵能力及光合特性

裘璐函，何婉瓔，劉美華，陳景鋒，溫國(guó)勝

（浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300）

近年來，隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，城市空氣污染日益嚴(yán)重，強(qiáng)霧霾頻繁發(fā)生。杭州作為南方城市的典型代表，自2003年開始，年霾日基本都在150 d以上。大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物（PM2.5）質(zhì)量濃度連續(xù)超標(biāo)是引發(fā)霧霾的直接原因。PM2.5又稱可入肺顆粒物，能長(zhǎng)期懸浮在空氣中，不易沉降，影響范圍較廣，因而難以控制和治理，可導(dǎo)致居民呼吸道疾病發(fā)病率增加30%以上，嚴(yán)重影響人們的日常生活，極大危害居民的身體健康［1］。目前，中國(guó)城市中PM2.5的主要污染源是燃煤和汽車尾氣排放造成的單一型或混合型污染［2］。由于當(dāng)前尚不能完全消除污染源，因此借助自然界的清除機(jī)制是緩解城市PM2.5污染壓力的有效途徑。樹木能有效吸附和清除空氣中的細(xì)顆粒物，加速顆粒物的沉降過程［3－7］，提高空氣負(fù)離子含量［8－10］，改善大氣質(zhì)量，因此，植物滯塵能力成為城市綠化樹種選擇的一個(gè)重要指標(biāo)。近幾年，中國(guó)已有十多個(gè)城市開展了綠化樹種滯塵能力的研究［6－7，11－14］，多從樹種滯塵量的時(shí)間變化規(guī)律或影響因素等方面進(jìn)行相關(guān)研究，但鮮見樹種生理生態(tài)變化與凈化空氣和滯塵能力之間相互關(guān)系的綜合研究。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)杭州市的氣候地理因素以及樹種的多樣性和代表性，選取廣玉蘭Magnolia grandiflora，樟樹Cinnamomum camphora，珊瑚樹Viburnum odoratissinum，苦櫧Castanopsis sclerophylla，木荷Schima superba和黃山欒樹Koelreuteria bipinnata等6種杭州市常見闊葉樹種為代表進(jìn)行研究，通過比較這6種常見樹種的滯塵量、林下空氣質(zhì)量和葉片光合特性變化等差異，分析細(xì)顆粒物對(duì)各樹種的影響。研究結(jié)果能間接反映不同樹種葉片對(duì)霧霾脅迫的抗性強(qiáng)弱，對(duì)于了解不同樹種對(duì)塵污染環(huán)境的適應(yīng)能力及對(duì)空氣的改善作用,科學(xué)指導(dǎo)城市綠化樹種配置建設(shè)具有重要借鑒意義。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學(xué)植物園內(nèi)（30°16′N，119°44′E），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為1 847.3 h，全年平均氣溫為17.8℃，平均相對(duì)濕度為70.3%，年降水量為1 454.0 mm。

杭州市獨(dú)特的三面環(huán)山地形使得城市大氣污染物擴(kuò)散條件弱，易形成城市霧霾，并且杭州位于杭—金—衢和杭—紹—寧2條霧霾多發(fā)帶的交叉點(diǎn)上，易受到其他地區(qū)的霧霾天氣影響。研究樣地位于杭州市區(qū)西部，季風(fēng)氣候易將杭州市區(qū)的大氣顆粒物吹向研究區(qū)，此外研究區(qū)三面環(huán)山，向東呈馬蹄形缺口的地形導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)大氣顆粒物聚集，難以擴(kuò)散。因此，研究區(qū)顆粒物主要來源于杭州城區(qū)的空氣污染物，對(duì)顆粒物進(jìn)行研究具有代表意義。

1.2 樹種選擇

根據(jù)杭州市的植被類型，選擇杭州城市森林最有代表性的6種闊葉喬木樹種開展監(jiān)測(cè)：廣玉蘭、樟樹、珊瑚樹、苦櫧、木荷和黃山欒樹。一般選擇10年生以上大樹，各樣地中研究樹種樹高相似（廣玉蘭、苦櫧、樟樹、木荷樹高6 m左右，黃山欒樹樹高8 m左右，珊瑚樹為綠籬，樹高2 m）。盡量選擇實(shí)驗(yàn)樹種比較單一的樣地，各樹種種群樣地面積10 m×10 m以上，選擇位于樣地中間的實(shí)驗(yàn)樹木進(jìn)行測(cè)量，去除其他樹種對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。

1.3 研究方法

1.3.1 葉片滯塵量的測(cè)定 一般認(rèn)為15 mm的降水量能洗清植物葉片上的滯塵［13］。于2015年夏季（7－8月）15 mm雨后的第5天及第10天對(duì)各樣地實(shí)驗(yàn)樹種進(jìn)行測(cè)量。每種植物依據(jù)其自身特點(diǎn)從下層樹冠四周與內(nèi)部隨機(jī)采集生長(zhǎng)狀態(tài)良好且具有代表性的葉片，采集過程中應(yīng)避免抖動(dòng)，葉片采摘后立即封存于干凈塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，放置于4℃冰箱內(nèi)保存。實(shí)驗(yàn)葉片數(shù)量與葉片面積大小有關(guān)，其中單葉較大者為15～20片，其他為30片［14］。滯塵量的測(cè)定采用浸泡稱量法［8］。樣品用蒸餾水浸泡4 h，浸洗葉片上的附著物，然后用鑷子將葉片小心夾出,浸洗液用已稱量（W1）的濾紙過濾，濾后將濾紙置于60℃溫箱下烘12 h，天平稱量（W2），2次質(zhì)量之差（W2－W1）即采集樣品上所附著的降塵顆粒物質(zhì)量。用LI-3000A便攜式葉面積測(cè)定儀測(cè)葉面積 S。 單位葉面積滯塵量 =（W2－W1）/S， 單位為 mg·cm－2。

1.3.2 葉片生理生態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 在雨后第5天和第10天（滯塵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)），從9：00－11：00對(duì)不同實(shí)驗(yàn)樹種下層樹冠四周及內(nèi)部隨機(jī)選取生長(zhǎng)狀態(tài)良好的5～7片葉片進(jìn)行測(cè)量。利用便攜式葉綠素含量測(cè)定儀（SPAD-502，日本）測(cè)定葉片葉綠素相對(duì)含量［15］，測(cè)定10次取其平均值。用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（PAM-2100，德國(guó)）測(cè)定葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)：光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）；最大量子產(chǎn)量（Yield）以及非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）。測(cè)量5次，取5次數(shù)據(jù)的平均值。

1.3.3 空氣質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)定 在雨后第5天及第10天9：00－11：00，測(cè)量生理指標(biāo)的同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)樹種下層樹冠（近地面1.5 m處）用空氣負(fù)離子檢測(cè)儀測(cè)定空氣負(fù)離子濃度；用溫度、濕度測(cè)量?jī)x測(cè)定溫度、濕度；同時(shí)用手持PM2.5檢測(cè)儀測(cè)量PM2.5及PM10質(zhì)量濃度（以空曠地為對(duì)照）。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 18.0軟件對(duì)各樹種第5天和第10天的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，并比較不同樹種之間的各參數(shù)的差異顯著性；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析，分析滯塵量、PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)葉綠素相對(duì)含量和熒光參數(shù)的影響。

2 結(jié)果

2.1 植物滯塵能力的比較

本次測(cè)量時(shí)間為2015年7－8月。實(shí)驗(yàn)樹種生長(zhǎng)良好，葉片肉質(zhì)柔軟，新陳代謝能力強(qiáng)，在自然狀況下能夠充分發(fā)揮吸附PM2.5等細(xì)顆粒物、改善空氣狀況的能力。雨后第5天及第10天各樹種的單位面積滯塵量如圖1所示。雨后第5天，6種樹種的單位葉面積滯塵量為0.019～0.102 mg·cm－2，樹種間差異顯著（P＜0.05），其中木荷單位葉面積滯塵量最多，是其他5種樹種的2.601～5.475倍（樟樹的5.475倍；黃山欒樹的4.760倍；珊瑚樹的4.349倍），與其他樹種間差異極顯著（P＜0.01）；其次為廣玉蘭，單位葉面積滯塵量為其他4種樹種的1.130～2.105倍（樟樹的2.105倍），與其他樹種間差異極顯著（P＜0.01）；單位葉面積滯塵量最少的為樟樹，僅0.019 mg·cm－2，與其他樹種 （黃山欒樹除外）間差異極顯著 （P＜0.01）。雨后第10天木荷的單位葉面積滯塵量達(dá)到0.135 mg·cm－2，是其他樹種的1.660～5.237倍（是樟樹的5.237倍，是珊瑚樹的4.650倍），與其他樹種間差異極顯著（P＜0.01）；其次為廣玉蘭，單位葉面積滯塵量是樟樹和珊瑚樹的3.156倍和2.357倍，與其他樹種間差異極顯著（P＜0.01）；珊瑚樹最少，僅為0.029 mg·cm－2， 與其他樹種（苦櫧除外）間差異極顯著（P＜0.01）。

不同樹種單位葉面積滯塵量隨滯塵時(shí)間的增加而增加。與雨后第5天相比，雨后第10天各樹種單位葉面積滯塵量增加極顯著（P＜0.01）（苦櫧除外），其中，黃山欒樹增加最快，雨后第10天為雨后第5天的3.205倍；其次為廣玉蘭，雨后第10天為雨后第5天的2.082倍；再次為樟樹（1.389倍）、木荷（1.328倍）和珊瑚樹（1.242倍），苦櫧增加最慢，雨后第10天僅為雨后第5天的1.067倍。

2.2 植物生理生態(tài)指標(biāo)的比較

植物葉綠素相對(duì)含量能夠表明植物光合產(chǎn)物積累的情況，并與其光合能力大小呈正相關(guān)［16］。雨后第5天，珊瑚樹葉片葉綠素相對(duì)含量最高，與其他樹種間差異顯著（P＜0.05）；廣玉蘭葉片葉綠素相對(duì)含量較高，與其他樹種間差異極顯著（P＜0.01），樟樹葉片葉綠素相對(duì)含量最低，與其他樹種間差異顯著（P＜0.05）。雨后第10天，廣玉蘭葉片葉綠素相對(duì)含量最高，樟樹葉片葉綠素相對(duì)含量最低，與其他樹種間差異極顯著（P＜0.01）。黃山欒樹和廣玉蘭的葉片葉綠素相對(duì)含量在雨后第10天比雨后第5天時(shí)增加（差異不顯著，P＞0.05）；其他樹種的葉綠素相對(duì)含量隨滯塵時(shí)間增加呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢(shì)（圖2），即隨滯塵時(shí)間增加，葉片葉綠素相對(duì)含量反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中珊瑚樹（P＜0.05）和木荷（P＜0.01）變化顯著。結(jié)果表明隨滯塵時(shí)間增長(zhǎng)，大部分植物葉片光合能力受到一定的影響。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)是研究植物光合生理狀態(tài)的重要參數(shù)［17］。PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）的變化代表PSⅡ光化學(xué)效率的變化，且逆境脅迫的輕重與Fv/Fm參數(shù)值被抑制程度之間存在正相關(guān)，可作為植物逆指標(biāo)，常根據(jù)其變化趨勢(shì)來判斷植物是否受到了光抑制［18］。隨滯塵時(shí)間增加，不同樹種葉片F(xiàn)v/Fm值（圖3A）呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明原初光能轉(zhuǎn)化效率均降低，但差異不顯著（P＞0.05）。雨后第10天大部分樹種的光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量（Yield）均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中，木荷、廣玉蘭、樟樹和苦櫧的Yield值隨滯塵時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，差異顯著（P＜0.05）（樟樹差異不顯著，P＞0.05），表明這幾個(gè)樹種電子傳遞途徑受到破壞（圖3B）。珊瑚樹、黃山欒樹、廣玉蘭、木荷、苦櫧等的非光學(xué)猝滅系數(shù)（qN）值隨滯塵時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升規(guī)律（圖3C）（木荷變化顯著，P＜0.05；其他樹種變化不顯著，P＞0.05），而樟樹的qN值反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（變化不顯著，P＞0.05）。

圖1 不同樹種滯塵能力變化Figure 1 Dust removal ability of leaves in 6 tree species at 5 days and 10 days after the rain

圖2 葉綠素相對(duì)含量變化Figure 2 Leaf relative chlorophyll content of 6 tree species at 5 days and 10 days after the rain

圖3 雨后第5天和第10天各樹種葉片F(xiàn)v/Fm（A），Yield（B）和qN（C）的變化Figure 3 Changes of Fv/Fm（A）， Yield（B） and qN（C） of leaves in different tree species at 5 days and 10 days after the rain

2.3 植物對(duì)空氣質(zhì)量的改善

雨后第5天及第10天，6種樹種林冠下以及裸地的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度及空氣負(fù)離子濃度如表1所示。結(jié)果表明：不同樹種釋放的空氣負(fù)離子濃度存在差異。比較表1可知：在相同空氣質(zhì)量條件下，雨后第5天各樹種釋放空氣負(fù)離子的能力順序?yàn)樯汉鳂洌军S山欒樹＞樟樹＞木荷＞苦櫧＞廣玉蘭。雨后第5天除苦櫧和廣玉蘭外，研究區(qū)內(nèi)其余樹種林冠下PM2.5質(zhì)量濃度均小于對(duì)照組（裸地），苦櫧冠下PM10質(zhì)量濃度高于其他樹種樣地，同時(shí)釋放空氣負(fù)離子的能力較弱，樟樹林冠下PM2.5及PM10質(zhì)量濃度均低于其他樹種，空氣負(fù)離子濃度為1 520個(gè)·cm－3，明顯高于背景值（裸地），雨后第10天不同樣地空氣中固體顆粒物質(zhì)量濃度變化規(guī)律與雨后第5天基本一致。

2.4 相關(guān)性分析

利用SPSS 18.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），可知Yield與Fm具有顯著正相關(guān)（P＜0.01），空氣質(zhì)量指標(biāo)間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，PM2.5與PM10具有顯著正相關(guān)（P＜0.05），與空氣負(fù)離子濃度和濕度呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（P＞0.05），濕度與空氣負(fù)離子濃度具有顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表1 不同樹種冠下空氣質(zhì)量分析Table 1 Air quality analysis under different tree species at 5 days and 10 days after the rain

表2 各參數(shù)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of each parameter

3 分析與討論

柴一新等［19］對(duì)哈爾濱市28個(gè)樹種進(jìn)行滯塵測(cè)定的結(jié)果表明：樹種之間的滯塵能力可相差2～3倍。本研究表明：6種杭州鄉(xiāng)土樹種間滯塵能力差異顯著，其順序?yàn)槟竞桑緩V玉蘭＞黃山欒樹＞苦櫧＞珊瑚樹＞樟樹。木荷是滯塵的優(yōu)勢(shì)樹種，其滯塵量遠(yuǎn)高于其他樹種。廣玉蘭的滯塵能力僅次于木荷，但林分對(duì)空氣凈化效益較差。黃山欒樹具有良好滯塵能力，同時(shí)能有效地清潔樣地空氣。樟樹與珊瑚樹的滯塵能力顯著小于其他樹種。隨滯塵時(shí)間的增加，各樹種葉片滯塵量均增加。楊佳等［14］的研究證明：不同樹種葉片對(duì)空氣中顆粒物的滯留能力與其表面特性密切相關(guān)。樹冠結(jié)構(gòu)、枝葉密度及葉面傾角等因素會(huì)導(dǎo)致植物滯塵能力的差異［20］。樟樹與珊瑚樹的單位葉面積滯塵量較低可能與其葉表面革質(zhì)、較為光滑、不易保存滯留的固體顆粒物有關(guān)。珊瑚樹林下空氣中顆粒物含量高，滯塵效果不明顯，與其樹冠結(jié)構(gòu)也有一定的關(guān)系。

不同脅迫環(huán)境對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生不同的影響。目前，對(duì)霧霾脅迫下植物葉片熒光參數(shù)變化的研究較少。葉面滯塵作為一種環(huán)境脅迫，會(huì)減少光合有效面積，影響葉片對(duì)光能的吸收、傳遞和利用，從而引起植物光合特征參數(shù)的變化。已有研究表明，在逆境環(huán)境下，PSⅡ反應(yīng)中心失活將嚴(yán)重影響光化學(xué)連鎖反應(yīng)［21］。本實(shí)驗(yàn)中各樹種隨滯塵時(shí)間增加，植物葉片熒光參數(shù)Yield，F(xiàn)v/Fm和qN值的變化幅度隨樹種種類不同而異，這3個(gè)指標(biāo)可間接反映出植物對(duì)霧霾脅迫的抗性強(qiáng)弱。其中木荷葉片Yield值下降最為顯著，葉片在光下用于電子傳遞的能量減少，qN值上升，即PSⅡ反應(yīng)中心吸收的光能中以熱形式耗散掉的光能增加，其光合作用減弱，受到滯塵脅迫劇烈，可知滯塵能力大的樹種對(duì)塵污染脅迫的抗性不一定強(qiáng)。廣玉蘭Yield值下降顯著，電子傳遞途徑受到一定的破壞，但其他熒光參數(shù)值并無明顯變化，對(duì)葉面滯塵具有較好的抗性?？鄼饺~片雨后第10天相較于雨后第5天葉綠素?zé)晒鈪?shù)qN上升，Yield和Fv/Fm均顯著下降，說明其葉片受到嚴(yán)重的光抑制。其他樹種均受到不同程度的光抑制。因此，廣玉蘭和樟樹對(duì)顆粒物污染生境抗性良好，黃山欒樹和珊瑚樹居中，苦櫧和木荷最差。

綜合葉片滯塵量、光合參數(shù)和釋放空氣負(fù)離子、吸收空氣中細(xì)顆粒物的能力，結(jié)果表明：廣玉蘭滯塵能力較強(qiáng)，對(duì)葉面滯塵脅迫具有良好的抗性，但林分對(duì)空氣凈化效益較差；樟樹削減空氣中顆粒物能力較強(qiáng)且改善空氣效益較好，對(duì)空氣中顆粒物脅迫具有良好的抗性，但其滯塵效應(yīng)較弱；木荷、黃山欒樹和珊瑚樹滯塵能力較強(qiáng)，但是受滯塵的影響，其光合作用受到一定的抑制；苦櫧滯塵能力較弱，改善空氣效益較差，隨滯塵時(shí)間增長(zhǎng)，光合作用受到一定抑制。

本研究對(duì)2015年7-8月的6種杭州市常見樹種的滯塵量、葉片光合特性和改善空氣效益進(jìn)行試驗(yàn)，從部分方面反映了不同樹種對(duì)霧霾生境的適應(yīng)能力，全面了解城市樹種的滯塵能力和凈化空氣效益仍需大量的研究。在選擇行道樹樹種時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇滯塵能力比較強(qiáng)、凈化空氣能力較好、對(duì)霧霾生境適應(yīng)性強(qiáng)的樹種，優(yōu)化植被配置。

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