合肥市主要園林植物葉片滯塵能力的差異及形態(tài)特征解釋

李 旭，傅松玲，夏得月，張 誠，李義勇?

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽省大地園林股份有限公司，合肥 230088)

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，空氣污染日益嚴(yán)重且已成為一個緊迫的問題，在發(fā)展中國家尤為顯著。大氣顆粒物(PM，空氣動力學(xué)直徑在0.01～100 μm)，由不同的有機和無機化合物組成的液體和固體顆粒組成[1]，是全球最主要的大氣污染物之一，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的威脅日益增加[2-5]?？晌腩w粒物(包括PM2.5和PM10)，尤其是PM2.5(直徑小于2.5 μm)可深入滲透到人類的呼吸系統(tǒng)，使高血壓、心臟疾病、過敏和呼吸道疾病的患病率大大增加[6-10]。隨著城市的發(fā)展，如何建立預(yù)防和控制這一問題的方法已成為一個緊迫的議題。

大量研究發(fā)現(xiàn)，園林植物通過葉片捕捉PM 可以有效降低大氣顆粒物的濃度[2,11-13]，這為改善城市環(huán)境、緩解空氣污染壓力提供了有力的解決方案。例如，一項研究估計，在中國北京市中心，一年內(nèi)約有772 t 的PM10被樹木清除[14]。McDonald 等[15]發(fā)現(xiàn)在英國的一個的城市中，四分之一的城區(qū)植樹就可以將大氣中的PM10濃度降低2% ～ 10%。類似地，根據(jù)對美國10 個城市森林冠層滯塵能力的研究發(fā)現(xiàn)，樹木每年所滯塵的總量達(dá)4.7～64.5 t[16]。早期的研究表明，植被水平的PM 捕捉能力受到冠層面積、森林孔隙度和樹種組成的影響。就個體水平而言，不同樹種的滯塵能力也不盡相同[17-18]。

與灌木和草本植物相比，喬木的葉子表面積更大，從而提高了捕捉PM 的效率[15]。喬木通常形體高大，結(jié)構(gòu)堅實，可以產(chǎn)生空氣湍流，以增加葉片表面顆粒物的積累[19-20]。葉片作為捕捉大氣顆粒物的主要結(jié)構(gòu)，葉表特征的差異影響著不同植物對大氣顆粒物的截留能力[21]，如葉表絨毛和蠟質(zhì)層，可能會增加PM 的積累[11]。淑敏[22]和高傳友[23]等發(fā)現(xiàn)比葉重越大，葉表PM 積累得越多。此外，由于四季常綠，常綠闊葉樹種對空氣凈化作用具有重要意義，因為它們可以不斷積累PM。城市園林植物可作為一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的手段，對城市環(huán)境中的污染物進(jìn)行生物監(jiān)測，因為植物材料(如樹葉和樹皮)易于收集，分析成本低，不產(chǎn)生二次污染[24-25]。然而，對于不同城市綠化植物中PM 捕捉效果的差異，人們知之甚少。盡管國內(nèi)外對植物滯塵已有較多研究，但葉表微結(jié)構(gòu)的研究也僅停留在電鏡掃描觀察與分析上，缺乏對葉表特征的量化數(shù)據(jù)與植物滯塵能力相關(guān)性分析。因此，厘清不同園林植物滯留PM 污染物的能力，對優(yōu)化園林植物在城市環(huán)境中效益至關(guān)重要[26]。

近幾十年來，隨著合肥工業(yè)園區(qū)城市化、工業(yè)化和城鄉(xiāng)移民進(jìn)程的推進(jìn)，環(huán)境污染不斷加劇，大氣顆粒物濃度不斷升高，對合肥市居民健康產(chǎn)生消極影響[27-29]。為了定量評價不同園林植物的滯塵能力，我們對合肥市區(qū)常見種植的24 種園林植物的顆粒物捕捉能力進(jìn)行了研究，探究其葉片滯塵機理，篩選出滯塵效果最好的樹種，旨在為合肥城市綠化建設(shè)在樹種選擇方面提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在位于合肥市中心的安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行(31°87′ N, 117°25′ E)。該地有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨(6—8 月)。從1981 年到2010 年，年均無霜期為228 d；年平均氣溫15.8 ℃，降水量1 171.9 mm，最高氣溫(7 月)32.3 ℃，最低氣溫(1 月)1.1 ℃，生長季(4—10 月)降水分布為年平均降水量的73.0%，其中夏季有一個高峰，為年平均降水量的 41.3%(China Meteorological Data Service, http://data.cma.cn)。進(jìn)入校園的車輛比穿過合肥主要街道的車輛要少，校園周邊5 km 內(nèi)沒有建筑工地、燃煤電廠等高污染行業(yè)，植被覆蓋率高，空氣質(zhì)量好，汽車流量有限。本研究選擇的園林植物包括烏桕(Triadica sebifera)、廣玉蘭(Magnolia grandiflora)、女貞(Ligustrum lucidum)、重陽木(Bischofia polycarpa)、銀杏(Ginkgo biloba)、無患子(Sapindus saponaria)、三角槭(Acer buergerianum)、楓楊(Pterocarya stenoptera)、楝(Melia azedarach)、木犀(Osmanthus fragrans)、樟(Cinnamomum camphora)、黃山欒樹(Koelreuteria bipinnata'integrifoliola' (Merr.) T. Chen)、槐(Sophora japonica)和鵝掌楸(Liriodendron chinense)共14種喬木以及花葉青木(Aucuba japonicavar. variegata)、梔子(Gardenia jasminoides)、紅檵木(Loropetalum chinense. var.rubrum)、金邊黃楊(Euonymus japonicusvar. aurea-marginatus)、海桐(Pittosporum tobira)、大葉黃楊(Euonymus japonicus)、石楠(Photinia serratifolia)、日本珊瑚樹(Viburnum odoratissimumvar. awabuki)、石榴(Punica granatum)和欏木石楠(Photinia davidsoniae)共10 種灌木，均為中國東部城市地區(qū)常見的園林植物(表1)。

1.2 葉片采集

所有樣品采集均于2017 年10 月進(jìn)行，在相對較小的校園中隨機采集生長狀況良好無病蟲害的園林植物葉片樣品(校園內(nèi)任何微小的環(huán)境變化都不會影響結(jié)果)。采樣前后所有采樣點的天氣狀況相似且穩(wěn)定。取樣日期選在取樣前一周沒有降水和取樣時風(fēng)很少的時間段，當(dāng)風(fēng)速小于5 m·s-1時，對葉片上PM 積累無顯著影響[11]。為避免因采樣日期不同而影響葉面滯塵量，該研究確定樹葉采樣日期時要求在前一周內(nèi)無降水，以確保葉面都滯留了一定量的顆粒物，最終定為2017 年10 月17 日當(dāng)天完成所有采樣。由于采樣高度也可能影響葉面滯塵量，各樹種采樣高度要盡可能靠近，結(jié)合采樣點各樹種的實際生長情況，確定采樣高度：灌木為1.0 ～ 1.5 m，喬木為1.7 ～ 2.5 m。選取的每個樹種都有3 個重復(fù)，分別選擇9 株樣樹，在樹冠不同方位(東、西、南和北)采集生長良好的葉片，單葉較大者采集約100片，其他較小者采集約200 片，迅速裝入保鮮袋后封好，標(biāo)明采樣日期和地點，貼上序列號，并在分析前在4 ℃冰箱中保存。

1.3 葉片表面PM 滯留量及葉片特征

采用Dzierzanowski[17]和Song[3]等的方法分析了葉片表面不同粒徑的PM 滯留量。每個葉片樣品用蒸餾水清洗，然后使用 91 型和 42 型濾紙(Whatman, UK)進(jìn)行過濾，以及PTFE(聚四氟乙烯)膜過濾器(Whatman, UK)過濾液體，孔徑分別為10、2.5 和0.2 μm。該過濾器可連續(xù)進(jìn)行3 種粒徑級別的顆粒分離：PM2.5(0.2 ～ 2.5 μm)，PM10(2.5 ～ 10 μm)和PM100(10 ～ 100 μm)。

表1 基于樹種和葉片的葉面滯塵的簇狀分析特征Table 1 Plant species, leaf characteristics and results of species clustering analysis related to leaf surface PM (PM100, PM10 and PM2.5) as variable

采用掃描儀(HP Scanjet 4850, China Hewlett-Packard Co., Ltd., Beijing, China)對每個洗過的葉子樣本進(jìn)行掃描，然后用Photoshop CS6 軟件計算葉面積。獲得的PM 質(zhì)量用葉片的單位面積表示，并計算單位葉面積不同粒徑組分的PM 積累量。利用游標(biāo)卡尺測量掃描后的葉片樣本，得到葉片長度、葉寬、葉柄長度和比葉重等參數(shù)。在放大10 倍的顯微鏡下，以主觀尺度(“+”和“-”分別表示葉片上有無絨毛)評估葉表絨毛。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對不同樹種PM 積累能力進(jìn)行K-means 聚類分析。根據(jù)它們對PM 的積累能力，采用3 個PM 組分(PM2.5，PM10和PM100)的標(biāo)準(zhǔn)化平均積累量對每個樣本進(jìn)行聚類，確定了3 種等級：弱、中和強。種間多重比較采用最小顯著差異多重進(jìn)行比較(顯著性水平設(shè)定為α= 0.05)。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算了葉片PM2.5，PM10和PM100滯留量與比葉重、葉長寬比、葉表絨毛和葉柄長度之間的相關(guān)關(guān)系。文中所有數(shù)據(jù)均運用 Microsoft Excel 2010 和SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析，圖表采用Microsoft Excel 2010 和Sigmaplot 12.5 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位葉面積滯塵量分析

不同粒徑的PM在24種城市植物葉片表面的沉積量差異顯著(圖1)。聚類分析表明，與其他植物相比，花葉青木、石榴、欏木石楠和無患子表現(xiàn)出明顯較高的葉片PM 滯留能力(表1)。灌木樹種的滯塵能力顯著高于喬木樹種(P＜ 0.05)(圖2)。

PM100占葉片上總顆粒物的58.45%(按質(zhì)量計算)。欏木石楠和無患子的單位葉面積PM100積累量大約是黃山欒樹和鵝掌楸的7 倍(P＜ 0.05)(圖1)。PM10占葉片上總顆粒物的25.56%(按質(zhì)量計算)。最高的單位葉面積PM10積累量在紅葉石楠中發(fā)現(xiàn)(49.14 μg·cm-2)，且顯著高于其他樹種(P＜ 0.05)(圖1)；樟和鵝掌楸的單位葉面積PM10積累量最低，分別為13.47 和12.92 μg·cm-2(P＜ 0.05)(圖1)。PM2.5占葉片上總顆粒物的15.99%(按質(zhì)量計算)。黃山欒樹是單位葉面積PM2.5積累量最高的樹種，但卻是單位葉面積PM100積累量最低。單位葉面積PM2.5積累量較高的樹種有紅檵木、石楠、石榴以及黃山欒樹，分別為33.56、33.73、34.43 和36.19 μg·cm-2，顯著高于其他樹種(P＜ 0.05)(圖1)；鵝掌楸是單位葉面積PM2.5積累量最低的樹種(低于6 μg·cm-2)，顯著低于其他樹種(P＜ 0.05)(圖1)。

圖1 不同園林植物葉片3 個粒徑顆粒物積累量Figure 1 PM accumulation of three size fractions on leaf surfaces in different garden plants

圖2 喬木和灌木的葉片不同粒徑顆粒物積累量Figure 2 The average PM (large, coarse and fine) accumulation on shrub and tree leaf surfaces

圖3 葉片不同粒徑顆粒物積累量間的相關(guān)關(guān)系Figure 3 Relationships between leaf surface PM (PM100, PM10 and PM2.5) accumulation

圖4 葉片不同粒徑顆粒物積累量與葉片長寬比間的相關(guān)關(guān)系Figure 4 Relationship between leaf surface PM (large, coarse and fine) accumulation and length-width(L/W) ratio

2.2 不同葉片結(jié)構(gòu)對滯塵的影響

葉表PM100積累量與PM2.5和PM10呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)，葉表PM100積累量與葉長寬比呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)，葉表PM2.5積累量與比葉重、葉長寬比顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)(表2)。葉片PM2.5、PM10和PM100積累量在不同物種間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，葉片性狀與PM 積累量密切相關(guān)(表3、圖3、圖4 和圖5)。同時發(fā)現(xiàn)SLW、L/W 與葉片表面PM2.5和PM100積累量顯著正相關(guān)(圖4 和圖5)。葉表絨毛、葉柄長度與葉表絨毛滯留量之間無顯著關(guān)系(P＞0.05)。葉片表面PM2.5積累量與SLW 呈顯著正相關(guān)(R2= 0.166,P＜ 0.05)。葉片表面PM100和PM2.5積累量與葉片長/寬呈極顯著正相關(guān)(分別為：R2= 0.237,P＜ 0.05;R2= 0.214,P＜ 0.05)。

圖5 葉片不同粒徑顆粒物積累量與葉片比葉重間的相關(guān)關(guān)系Figure 5 Relationship between leaf surface PM (large, coarse and fine) accumulation and specific leaf weight (SLW)

表2 葉片滯塵與葉片特征關(guān)系Table 2 Correlations of leaf surface PM (PM100, PM10 and PM2.5) and leaf traits

表3 園林植物葉片不同粒徑顆粒物積累量Table 3 The average PM accumulation (PM100, PM10 and PM2.5) on the leaf surfaces of garden plant types

3 討論與結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，同一屬的植物具有相似的PM 滯留能力，如金邊黃楊和大葉黃楊，這可能是由于這2 種灌木具有相似的遺傳和形態(tài)特征。由于不同粒徑組分顆粒物對人體健康的影響不同，有必要對葉片表面滯留的不同粒徑組分進(jìn)行區(qū)分。在本研究中，我們觀察到不同粒徑組分間葉片PM 累積的顯著差異，PM100占PM 總量的絕大多數(shù)(按質(zhì)量計算)，其次是PM10和PM2.5，Dzierzanowski 等[17]和Song 等[3]也得出了類似結(jié)論，且Popek 等[30]的研究中也發(fā)現(xiàn)葉表PM 積累量的不同粒徑組分PM2.5、PM10和PM100分別為14%、21%和65%。雖然3 個粒徑組分積累量之間存在差異，但我們發(fā)現(xiàn)3 個粒徑組分積累量之間存在很強的相關(guān)性，說明葉片上PM 累積量的每個粒徑都可以用來反映葉片上沉積PM 的總質(zhì)量。

一些研究表明，植物滯留PM 的能力主要取決于葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)(如：葉表溝壑的深度、粗糙度、氣孔密度、表皮絨毛的形態(tài)和數(shù)量等)、葉面積以及當(dāng)時的氣象條件[31-33]。研究發(fā)現(xiàn)，樹種、喬灌木分類、SLW 和L/W 是影響葉片PM 滯留量的重要因素，這與以往的研究結(jié)果一致[22-23]。然而，我們在研究中發(fā)現(xiàn)葉表絨毛與葉片不同粒徑的顆粒物積累之間無顯著相關(guān)性。Leonard 等[11]預(yù)測葉柄越長，葉片飄動越不規(guī)律，從而帶來更多去除PM 的機會。因此，多個性狀組合而不是單個性狀可能才是影響PM 沉積的關(guān)鍵因素[21]。未來的研究需要集中在葉片性狀的組合上。此外，Song 等[3]和S?b? 等[34]發(fā)現(xiàn)葉片上不同PM 粒徑組分積累量之間只有弱到中度的正相關(guān)，這與本研究一致。

一般來說，高大的樹種(如喬木)、葉面積大的樹種比葉面積小的樹種有更高的捕獲PM 的潛力[21,35-36]。Xia 等[5]發(fā)現(xiàn)喬木對顆粒物污染的捕捉效率較高，灌木對顆粒物的積累能力中等。然而，我們的結(jié)果表明，灌木在單位葉面積上對所有顆粒大小的吸附能力強于喬木，灌木樹種如欏木石楠、石榴和花葉青木在24種園林植物中葉片PM 累積量最高。Mo 等[4]發(fā)現(xiàn)灌木樹種在葉表吸附PM100的能力比喬木樹種強，相反，較小的顆粒物(PM10和PM2.5)更容易被喬木葉片吸附。這可能與灌木較喬木較低，距離地面較近，容易吸附土壤顆粒和地面粉塵有關(guān)[13]，因此園林灌木植物可能是城市低層綠化的重要選擇[34]。然而，目前，灌木對PM 捕獲的貢獻(xiàn)常常被忽視。由于主要滯留PM 的高度不同，這種植物高度的變化允許樹木和灌木在不同的空間尺度上滯留PM，喬灌木的合理搭配才能更好地達(dá)到滯留PM 的效果。此外，由于喬木樹種對PM2.5和PM10的滯留量較大，而灌木樹種對PM100的滯留量較大，而喬木體型龐大，對滯留PM 總量的貢獻(xiàn)較大。因此，在城市綠化設(shè)計中應(yīng)兼顧灌木和樹種，合理搭配利用空間尺度以緩解城市大氣污染。

葉片對顆粒物捕獲能力的不同不僅與樹種差異有關(guān)，也與原位環(huán)境因素有關(guān)[33]，某些植物的PM 積累能力與沉積速率和污染程度密切相關(guān)，而沉積速率和污染程度與特定的立地環(huán)境有關(guān)[37-38]。PM2.5是目前亟需治理的主要污染物，集中治理工業(yè)生產(chǎn)和燃料燃燒的排放將是合肥市治理環(huán)境問題的重點[28]?；ㄈ~青木、石榴、欏木石楠和欏木石楠作為合肥市常見園林植物，葉片表面PM2.5積累量富集，說明這些園林植物對PM2.5的吸附能力較強，建議在人口密集地區(qū)需要凈化空氣PM2.5污染，或在大氣污染嚴(yán)重的地區(qū)增加種植。