昆明市6個綠化樹種葉表微結構與滯塵能力的關系研究

孫應都 陳奇伯,2 李艷梅,2 楊思瑩

( 1. 西南林業(yè)大學生態(tài)與水土保持學院，云南 昆明 650233 ；2. 云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 玉溪 653100)

隨著我國工業(yè)化及城市現代化發(fā)展，人們日益增長的物質生活水平與良好的大氣環(huán)境形成反差，城市大氣污染成為我國目前面臨的越來越嚴重且急需解決的難題[1]。其中，大氣顆粒物污染是危害大氣環(huán)境質量的主要因素之一[2]。大氣顆粒物是氣溶膠狀態(tài)的大氣污染物，即空氣動力學直徑為0.001～100 μm的顆粒[3]，其組成成分主要包括碳（元素碳和有機碳）、硝酸鹽、銨鹽、氯鹽、硫酸鹽、礦物塵、多種重金屬元素和水等[4]，因其粒徑太小能直接被人體吸入，所以對人體危害最大[5]，同時也嚴重影響空氣質量，阻礙社會可持續(xù)發(fā)展[6-7]。大量研究表明，植物能通過葉片表面自身結構對大氣顆粒物進行滯留、吸附和黏附而達到滯塵的目的[8]，也能通過葉表面氣孔的呼吸作用吸收有害氣體并通過葉片體內的一系列反應對有害氣體進行凈化[9]，被稱為“城市粉塵過濾器”，也被稱為“大氣凈化器”[10]。因此，對植物的滯塵能力及滯塵機理進行研究，可為城市綠化樹種的選擇和配置提供科學依據。

近年來，許多學者對植物滯塵進行了研究，不同樹種滯塵能力差異較大，植物之所以能降低大氣顆粒物含量達到凈化大氣的效果，正是植物葉表微結構起到關鍵性的作用[11]。葉表的纖毛[12]、氣孔[13]、溝壑形狀以及褶皺情況[14]等不同導致不同樹種對大氣顆粒物的滯塵能力、滯塵途徑等也有所不同。然而目前所做的大多數研究都集中在霧霾、沙塵暴頻發(fā)的北方城市，對南方尤其是昆明研究比較缺乏，我國南北氣候、能源結構等差異較大[15]，植被差異顯著，已有的研究成果[9,16]不能為昆明綠化樹種的選擇提供依據。此外，目前對葉表微結構的特征，主要為定性研究[11-12]，且集中在單個指標[8]，不能全面揭示綠化樹種滯塵的機理。

隨著工業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展，有“春城”之稱的昆明人口和車輛都急速上漲，截止2016年7月，昆明市常住人口達到600多萬人，機動車達到225萬輛[17]，而交通污染物已是許多城市最主要的大氣顆粒物來源[18-19]，昆明的大氣顆粒物含量也明顯增加。本研究以對昆明6種典型綠化樹種為研究對象，探究其葉片滯塵機理，篩選出滯塵效果最好的樹種，為昆明城市綠化建設在樹種選擇方面提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于云貴高原中部，主城區(qū)位于北緯25°02′11″，東經 102°42′31″，海拔 1891 m。全市土地面積21473 km2，市區(qū)面積330 km2。昆明屬于亞熱帶高原山地季風氣候，全年氣候溫和，四季如春，城區(qū)年平均氣溫14.8 ℃，年降雨量1102 mm，有“春城”之稱，人口多，旅游業(yè)發(fā)達。采樣點位于昆明城區(qū)穿金路（北緯 25°07′05″，東經102°74′37″）、白龍路（北緯 25°05′64″，東經102°74′22″）、霖雨路（北緯 25°09′49″，東經102°73′48″）和東風路（北緯 25°03′81″，東經102°71′96″）車流量較大的道路兩側的路邊行道樹及綠化帶。

2 材料與方法

2.1 研究對象

選擇昆明城區(qū)穿金路、白龍路、霖雨路和東風路綠化帶中的6種使用頻率最高且栽植10 a以上的典型綠化樹種：常綠小喬木桂花（Osmanthus fragran）、常綠喬木廣玉蘭（Magnolia grandiflora）、常綠灌木紅花檵木（Loropetalum chinense）、落葉喬木法國梧桐（Platanus acerifolia）、半常綠灌木錦繡杜鵑（Rhododendron pulchrum）、常綠喬木香樟（Cinnamomum camphora）為研究對象。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品采集

采集樣品的時間為2016年9月、2016年12月、2017年3月、2017年6月。研究表明，當降雨量大于15 mm時可將植物葉片上的積塵沖掉[20-21]，且在沖洗后的7 d后葉片再次滯塵達到飽和[22]。因此，本研究選擇在對應季節(jié)雨后持續(xù)晴天1周后的盡量無風或微風的天氣采樣，在穿金路、白龍路、霖雨路和東風路選擇長勢良好、樹齡相近、在本地栽植10 a以上的植株進行采樣，且采樣植株距離道路中心的距離相等。在喬木樹種外圍2～3 m高處沿著不同方向隨機采集比較完整的葉片30枚左右，灌木樹種則在樹冠周圍隨機采集（針對葉片較小的樹種采集葉片80枚左右），并放入聚乙烯塑料袋進行編號，帶回實驗室處理，采集過程中應盡量避免葉片樣品抖動而使塵土掉落。

2.2.2 樣品測定方法

1）葉面滯塵量采用水洗過濾法進行測定。將孔徑為0.45 μm的濾紙烘干至恒質量，用電子天平（精確至0.001 g）稱量，計為m1；用去離子水將葉片樣本浸泡2 h后仔細清洗，隨后把葉片用鑷子夾出晾干，將清洗液用之前烘干至恒質量的濾紙過濾，將濾紙置于60 ℃烘箱中烘干至恒質量，稱量，計為m2。用葉面積儀Li-3000A（LICOR，美國）測出晾干的葉面積，計為S，按公式（1）葉片的單位滯塵量（m）。式中：m1為過濾前濾紙質量（g），m2為過濾后烘干濾紙質量（g），S為葉面積（m2），M為單位葉面積滯塵量（g/m2）。

2）其他指標測定。采集長勢良好的葉片，立即編號封存于塑料紙內以免擠壓破壞葉面結構；將封存在塑料紙內的葉片用純凈水清洗干凈，從葉脈兩側的中部將新鮮葉片切成邊長約5 mm的小方塊4個（包括2個上表皮和2個下表皮），立即用2.5%戊二醛溶液固定24 h；用磷酸緩沖溶液清洗3次；隨后用不同濃度梯度的乙醇脫水（分別為35%、50%、65%、75%、85%、95%、100%），最后滴入正丁醇加以干燥脫水；待干燥后將葉片小方塊用導電膠粘上粘臺，做好標記，并拿到E-1010型離子鍍膜儀（Cressington Scientific Instruments，英國）中濺射鍍金膜，隨后放入S-3000N型掃描電子顯微鏡（5～30萬倍，株式會社日立制作所，日本）上觀察，并在觀察效果最好的300倍視野拍下圖片，最后將圖片導入Image J軟件并測出其溝壑寬度、保衛(wèi)細胞面積、絨毛密度以及氣孔密度等指標。

2.3 數據處理

所有數據使用SPSS19.0進行統(tǒng)計分析，圖表均使用Excel 2007進行繪制。對年平均單位面積滯塵量進行差異性顯著分析和聚類，對各季節(jié)單位面積滯塵量進行單因素方差分析，對葉表微結構參數進行差異性顯著分析，對葉表微結構參數與滯塵量之間進行相關分析；用Image J軟件測量葉表微結構的溝壑寬度、氣孔數量、保衛(wèi)細胞面積、絨毛數量等參數，并用Microsoft Excel 2007進行數據統(tǒng)計。

3 結果與分析

3.1 樹種單位葉面積滯塵量分析

3.1.1 不同樹種單位面積滯塵量比較

由表1可知，6個綠化樹種1 a內平均單位面積滯塵量為0.727 5～4.532 5 g/m2，其單位面積滯塵量從大到小依次為桂花 ＞ 廣玉蘭 ＞ 錦繡杜鵑 ＞紅花檵木 ＞ 法國梧桐 ＞ 香樟。且桂花與廣玉蘭、錦繡杜鵑、法國梧桐、法國梧桐、香樟之間都存在顯著差異（P＜ 0.05），其中滯塵量最大的桂花的單位葉面積滯塵量是滯塵量最小的香樟的6.23倍。對6個樹種滯塵量進行聚類分析，將滯塵能力強的綠化樹種歸為第1類（滯塵量 ＞ 3.000 g/m2）；將滯塵能力中等的綠化樹種歸為第2類（1.500 g/m2＜ 滯塵量≤3.000 g/m2）；將滯塵能力弱的綠化樹種歸為第3類（滯塵量≤1.500 g/m2）。桂花的單位葉面積滯塵量為4.532 5 g/m2，屬于第1類；廣玉蘭、法國梧桐、錦繡杜鵑、紅花檵木單位葉面積滯塵量中等，屬于第2類；香樟的單位葉面積滯塵量為0.727 5 g/m2，屬于第3類。

表 1 6個綠化樹種滯塵能力及其聚類分析Table 1 Clustering analysis on dust detention ability of 6 green tree species

3.1.2 同一樹種不同季節(jié)滯塵量比較

不同季節(jié)降雨量、風速、覆蓋度等大氣顆粒物背景值跟植物葉片滯塵量差異有關[23]。由表2可知，每個樹種在不同季節(jié)的平均單位面積滯塵量均不同，具體表現為紅花檵木和錦繡杜鵑每個季節(jié)之間差異性顯著（P＜ 0.05），其他樹種均存在2個及以上的季節(jié)差異性顯著（P＜ 0.05）。除法國梧桐為春季滯塵量最大外，其他5個樹種均為秋季或冬季節(jié)滯塵量最大，其中桂花、紅花檵木、香樟為秋季滯塵量最大，廣玉蘭和錦繡杜鵑為冬季滯塵量最大。由此可見，同一樹種在不同季節(jié)的滯塵能力存在顯著差異（P＜ 0.05），而且在秋季或冬季的滯塵能力最好，6個樹種滯塵量最好的季節(jié)的滯塵量分別是滯塵量最差的季節(jié)的1.88、3.83、9.68、13.51、5.27、1.36 倍。

表 2 6個綠化樹種在不同季節(jié)的單位面積滯塵量比較Table 2 Dust retention per unit area of 6 greening tree species in different seasons

3.2 不同樹種葉面微結構分析

6個樹種葉表面電鏡掃描照片見圖1，不同植物葉片表面結構參數及其評價結果見表3。

圖 1 6個綠化樹種葉表面電鏡掃描照片Fig. 1 Electron micrographs of leaf epidermis of 6 greening tree species

表 3 不同綠化樹種葉片表面結構參數及其評價Table 3 Leaf surface structure parameters of 6 greening tree species and their evaluations

由圖1可知，6個樹種葉表的粗糙程度各不相同，在此將葉表的粗糙度劃分為粗糙（溝壑較深且多、褶皺明顯且起伏程度大）、較粗糙（溝壑深度、數量以及褶皺和起伏程度中等）、平滑（溝壑和褶皺較少、葉表光滑、起伏程度?。?個等級。錦繡杜鵑和紅花檵木上下表皮粗糙度極高；桂花和法國梧桐較粗糙；廣玉蘭和香樟葉表光滑。6個樹種的氣孔均分布在下表皮，并且氣孔的密度和開口的數量及大小均存在差異。在300倍視野下，按其氣孔密度的大小可依次分為高、中、低 3個等級。其中高等表示在300倍視野下氣孔數量大于100個，桂花氣孔密度最大，氣孔數量為113個，屬于高等；中等表示在300倍視野下氣孔數量在30～60個，法國梧桐和錦繡杜鵑的氣孔數量分別為每300倍視野33個和60個，屬于中等；在300倍視野下氣孔數量小于30的表示低等，所以廣玉蘭、紅花檵木和香樟均屬于低等。

由表3可知，葉片微結構的各個指標在不同樹種之間都存在顯著差異（P＜ 0.05）。在6個樹種中，葉表有絨毛的樹種其絨毛均分布在下表皮，而絨毛的數量和卷曲情況卻不相同。將葉表絨毛數量劃分為高（每100倍視野 ＞ 60條）、中等（每100倍視野30～70條）、低（每100倍視野 ＜ 30條）、無 4個等級，廣玉蘭的絨毛數量高為73條/視野100倍，紅花檵木絨毛數量中等為30條/視野100倍，法國梧桐和錦繡杜鵑的絨毛數量低，桂花和香樟葉片表皮則沒有絨毛。

3.3 不同樹種葉面微結構對滯塵的影響

3.3.1 葉片溝壑寬度及分布特征與滯塵量的關系

植物葉片的滯塵能力受其微結構的影響，其中葉片的粗糙程度及溝壑分布情況就能使滯塵能力產生差異[24]。本研究顯示，香樟的溝壑寬度大而淺，分布比較規(guī)則，對應單位葉面積滯塵量最少，只達到0.727 5 g/m2；其次錦繡杜鵑和紅花檵木的溝壑均較寬且凹槽較淺，附著在葉片上的顆粒物極不穩(wěn)定，很容易被風吹或雨水沖刷而脫落，故滯塵量偏弱，分別為2.067 7 g/m2和2.001 7 g/m2。桂花葉面比較粗糙，有明顯的褶皺，溝壑較深、分布不規(guī)則且寬度適中，所以桂花滯塵能力最強達到4.532 5 g/m2。從表3可以看出，廣玉蘭和法國梧桐的溝壑寬度最小，但2個樹種的滯塵量沒有達到最大，而是位居第2和第5，說明并不是溝壑寬度越小滯塵能力就越強。對植物葉表微結構特征與單位面積滯塵量做相關分析得表4，可以看出溝壑寬度和滯塵能力未達到顯著相關。

表 4 植物葉表微結構參數與滯塵能力之間的相關性Table 4 Correlation between microstructure characteristics of leave surface and the dust detention ability

3.3.2 葉片氣孔密度及開口大小與滯塵量的關系

氣孔的密度和開口大小也是造成植物葉片滯塵能力差異的重要因素[24]。從表3和圖1可知，6個樹種的氣孔密度和保衛(wèi)細胞面積均表現為差異性顯著（P＜ 0.05），氣孔的開口大小不一，且沒有發(fā)現分泌物。滯塵量最大的桂花氣孔密度為113個/視野300倍，保衛(wèi)細胞面積達到425.527 8 μm2，而且從圖1a2中發(fā)現桂花下表皮氣孔不僅密度大，開口也比較大，這在一定程度上能更容易和更多的阻滯各種粒徑的粉塵顆粒物，同時也能使藏在氣孔里的粉塵顆粒不易被風或雨水沖走，故加大滯塵的穩(wěn)定性。其他5個樹種的滯塵量都比桂花小，均在4.0 g/m2以下，對應的氣孔密度也都較桂花小，均在60個/視野300倍以下，且保衛(wèi)細胞面積也沒有桂花大。滯塵量較差的5個樹種氣孔開口均較小，甚至有些氣孔呈閉合狀態(tài)，這就減少了氣孔與粉塵顆粒物的接觸幾率，使其滯塵能力大打折扣。由相關分析可以看出，單位面積滯塵量與葉表的氣孔密度和保衛(wèi)細胞面積均呈顯著正相關（P＜ 0.05），因此，單位面積滯塵量隨著葉表的氣孔密度和保衛(wèi)細胞面積的增大而增大。

3.3.3 葉片絨毛密度及形態(tài)結構與滯塵量的關系

由表3可知，只有廣玉蘭、法國梧桐、錦銹杜鵑、紅花檵木葉表有絨毛，且不同樹種之間絨毛數量存在顯著差異（P＜ 0.05），然而4個樹種雖然有絨毛，但滯塵量均為中等。廣玉蘭的絨毛密度為73根/視野100倍，而法國梧桐、錦繡杜鵑和紅花檵木的絨毛密度分別為10根/視野100倍、3根/視野100倍和30根/視野100倍，絨毛數量均較少，故廣玉蘭的滯塵量較其他3個樹種大。但絨毛密度為30根/視野100倍的紅花檵木滯塵量沒有絨毛密度為3根/視野100倍的錦繡杜鵑大，且表4 中的相關分析表明，單位面積滯塵量與絨毛密度未呈顯著相關。從圖1可知，廣玉蘭下表皮絨毛都是互相纏繞狀態(tài)，其他樹種絨毛都呈針狀或蜷曲狀，且絨毛間距大，從而影響了葉片的滯塵能力。

4 結論與討論

柴一新等[25]、李海梅等[26]、楊佳等[27]、程雨萌等[28]分別對哈爾濱市28個樹種、青島市城陽區(qū)主要園林樹種、北京9個樹種以及北京市5種典型植物進行滯塵測定，結果表明不同樹種滯塵量差異顯著，樹種之間的滯塵能力可相差2倍以上，且不同樹種在不同季節(jié)的滯塵量也有所不同，一般在降雨量較少的季節(jié)滯塵量最大。本研究顯示昆明6個樹種年均滯塵量存在顯著差異且秋冬季節(jié)滯塵量最好，其中滯塵量最大的桂花的單位葉面積滯塵量是滯塵量最小的香樟的6.23倍，這與大量研究結果一致，說明不同樹種滯塵能力差異確實存在顯著差異。秋、冬季植物滯塵能力相對較好可能是因為昆明市在這2個季節(jié)屬于旱季，降雨量遠遠小于春季和夏季，所以葉片滯留的灰塵很少被雨水沖刷。法國梧桐之所以表現為春季滯塵能力好可能是因為法國梧桐屬于落葉樹種，春季的法國梧桐葉片屬于幼葉，表面長有大量絨毛，對灰塵的吸附能力強，所以滯塵能力大，到夏季和秋季葉片長大后，表面絨毛隨之脫落，從而導致滯塵能力下降。

近年來很多專家學者將研究方向集中在植物葉片微觀結構上，并認為樹種間葉片的微觀結構不同導致滯塵能力的差異，其中葉片的溝壑分布情況、絨毛數量及形狀、氣孔的數量及開口大小、分泌物等均是造成植物滯塵能力差異的主要原因[25]。杜雙洋等[29]對長春市20個常用綠化樹種的滯塵效果研究認為葉片表面粗糙、溝壑較寬且分布不規(guī)則更容易滯留各個粒徑的顆粒物。葉面粗糙且溝壑較寬能增大和粉塵的接觸面積，從而加大滯塵，本研究中滯塵能力最好的桂花具有這一特征，但并不是溝壑越寬滯塵能力越好。溝壑寬在一定程度上有利于阻滯不同粒徑的顆粒物，使一些灰塵和顆粒物沉積在不規(guī)則的凹槽內，很難被風或雨水沖刷而脫落[30]，但凹槽太窄會大大減小其與粉塵的接觸面積和顆粒物的滯留量，從而降低葉片滯塵能力。

王會霞等[31]認為有絨毛的葉片能形成一個濕潤的小環(huán)境，且絨毛之間互相纏繞能卡住附著在絨毛上的顆粒物，都在一定程度上增強葉片的滯塵穩(wěn)定性，而絨毛呈針狀的葉片就不利于顆粒物的滯留。本研究中的廣玉蘭葉片下表皮布滿纏繞型絨毛，法國梧桐、錦銹杜鵑和紅花檵木雖有絨毛，但絨毛都呈筆直狀態(tài)，故滯塵能力不如廣玉蘭，這與王會霞等[31]的結論一致。本研究表明，滯塵能力最強的桂花氣孔數量多且開口大，而Burkhardt等[32]通過風洞實驗證明，大多細小的顆粒物集中在植物氣孔附近，說明植物氣孔口的滯塵機理可能跟顆粒物粒徑有關，這有待于進一步研究。有研究指出一些植物枝葉能通過分泌樹脂、黏液、油脂等分泌物來吸附顆粒物，使吸附在枝葉上的顆粒物很難被風或雨水沖刷脫落，達到很好的滯塵效果[33-34]，本研究因6個樹種均不產生分泌物，所以未深入研究。

可見，不同樹種的葉片滯塵能力不同，昆明市6種典型綠化樹種滯塵能力最強的是桂花。滯塵能力從大到小的順序為桂花、廣玉蘭、錦繡杜鵑、紅花檵木、法國梧桐、香樟。每個樹種在春、夏、秋、冬季的滯塵能力也存在差異。對比發(fā)現，大部分樹種在秋季或冬季的滯塵量達到最高。對葉表面微觀結構進行觀察發(fā)現，葉面不同的微觀結構特征確實影響植物滯塵能力。具體表現為葉面越粗糙、溝槽越深、褶皺分布不規(guī)則、溝壑寬度適中，氣孔密集且開口大，葉表長有大量纏繞型絨毛的樹種滯塵能力強。