3種木樨科樹種葉片滯塵效應動態(tài)變化及其與葉片特征的關(guān)系

姜霞 侯貽菊 劉延惠 舒德遠 崔迎春 李成龍 楊冰 丁訪軍

摘要：研究貴州省貴陽市3種木樨科樹種桂花、女貞和迎春花葉片滯塵能力，為篩選出貴陽市滯塵能力優(yōu)良的園林綠化樹種提供參考。利用顆粒物再懸浮法測定3種木樨科主要園林綠化樹種吸滯顆粒物的能力，結(jié)合掃描電鏡分析葉片的表面特征，探討葉片顆粒物吸滯能力的時間變化規(guī)律及葉表面微觀結(jié)構(gòu)對其滯塵能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）不同樹種葉片總懸浮顆粒物（TSP，d<100 μm）滯留能力大小順序為：桂花[（3.73±0.41） μg/cm2]>女貞[（2.49±0.41） μg/cm2]>迎春花[（1.91±0.23） μg/cm2];PM10滯留能力大小順序為：桂花[（1.60±0.18） μg/cm2]>女貞[（1.10±0.19） μg/cm2]>迎春花[（0.85±0.10） μg/cm2];葉片PM2.5滯留能力大小順序為：桂花[（0.11±0.01） μg/cm2]>女貞[（0.07±0.13） μg/cm2]>迎春花[（0.06±0.007） μg/cm2]。（2）在1年內(nèi)，3種樹種葉片TSP、細顆粒物（PM2.5）以及粗顆粒物（PM10）滯留能力隨月份延長呈“高—低—高”趨勢，在5月或10月最低，隨后又逐漸上升。（3）在掃描電鏡下觀察葉表微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)氣孔密度越高，其吸滯顆粒物能力越強。3種樹種葉片滯塵能力表現(xiàn)為桂花>女貞>迎春花。

關(guān)鍵詞：貴陽市;木樨科;樹種;葉表面結(jié)構(gòu);滯塵能力;葉片特征

中圖分類號： S687.101;S718.5 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0150-05

收稿日期：2018-04-19

基金項目：貴州省科技廳社發(fā)攻關(guān)項目（編號：黔科合SY字〔2015〕3021）;貴州省林業(yè)廳重大項目（編號：黔林科合〔2014〕重大01號）;貴州省林業(yè)廳青年人才基金（編號：黔林科合J字〔2017〕01號）;

作者簡介：姜 霞（1981—），女，重慶人，碩士，副研究員，主要從事森林生態(tài)學研究。

通信作者：劉延惠，博士，副研究員，主要從事森林生態(tài)與森林水文研究。

隨著城市化和工業(yè)化的迅猛發(fā)展，大氣顆粒物污染逐漸成為影響我國城市居民健康的重要危險因素[1]?？諝鈶腋☆w粒物通常被稱為粉塵，指一定時間內(nèi)懸浮在空氣中的固體微粒。按照空氣動力學直徑的大小，可將其分為總懸浮顆粒物（TSP，d<100 μm）、可吸入顆粒物（PM10，d<10 μm）和細顆粒物（PM2.5，d<2.5 μm），而其中粒徑在2.5 μm以內(nèi)（PM2.5）的顆粒物是一類可入肺的顆粒，可以直接通過上呼吸道進入到人體肺泡及血液中[2]，以顆粒物為特征的大氣污染問題已嚴重影響公眾身體健康。因此，如何防治大氣顆粒物特別是可吸入顆粒物對人類的危害已成為一個迫切需要解決的問題。根據(jù)貴陽市2016年環(huán)境狀況公報，貴陽市主要污染物濃度除細顆粒物（PM2.5）年均濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB 3095—2012）二級標準濃度限值5.7%之外，其余5項污染物年均濃度均達到二級標準。其中，PM2.5平均濃度為37 μg/m3，SO2平均濃度為13 μg/m3，NO2平均濃度為 29 μg/m3，PM10平均濃度為63 μg/m3，CO第95百分位數(shù)濃度為1.1 mg/m3，O3第90百分位數(shù)濃度為130 μg/m3。

通過滯塵凈化大氣是城市森林重要的生態(tài)功能之一[3]。除了可以通過增濕降溫，增加環(huán)境負離子來調(diào)節(jié)城市小氣候外，植物還可以吸附大氣顆粒物，對降低大氣顆粒物污染發(fā)揮重要作用，從而凈化城市空氣。植物凈化大氣中顆粒物主要通過停著（滯留）、附著、黏附3種方式，這3種方式作用機制不同[4]。植物葉片滯塵過程是一個復雜的動態(tài)過程，但植物的滯塵能力具有絕對性[5]。研究表明，不同綠化樹種因其葉面積大小、葉量、葉形態(tài)結(jié)構(gòu)特征差異而具有不同程度的滯塵能力，同時其滯塵能力的發(fā)揮受到所處生長區(qū)域、氣象條件、季節(jié)時間、環(huán)境因子以及樹木自身特征、滯塵機理與生長狀況等多方面影響[6-8]。這就使同一樹種在不同地區(qū)及不同季節(jié)的凈化空氣懸浮顆粒物的能力也有差異。

目前我國已經(jīng)開展了一些對綠化樹種滯塵能力的研究[9-10]，但有關(guān)貴州城市綠化樹種對顆粒物的滯塵能力研究較少，特別是對桂花[11]、女貞[7]和迎春花[12]葉片滯塵量研究大多采用“干洗法”稱量，且研究主要集中在云南昆明、北京、河北石家莊等大城市，而采用顆粒物再懸浮法對樹種滯塵能力研究較少。本研究利用顆粒物再懸浮法，結(jié)合掃描電鏡分析葉片的表面特征，對貴陽市應用廣泛的3種木樨科樹種桂花、女貞和迎春花進行滯塵能力測定，以期篩選出滯塵能力優(yōu)良的園林綠化樹種來緩解城市空氣顆粒物污染和改善城市人居環(huán)境質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況

貴陽位于貴州省中部，地處106°07′～107°17′E、26°11′～26°55′N之間。處黔中山原丘陵中部，長江與珠江分水嶺地帶，是一個以山地、丘陵為主的丘原盆地地區(qū)，占全市面積的87.5%，海拔506.5～1 762.7 m。屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫為15.3 ℃，年極端最高溫度為35.1 ℃，年極端最低溫度為-7.3 ℃，年平均相對濕度為77%，年平均總降水量為1 129.5 mm，年雷電日平均為49.1 d，年平均陰天日為235.1 d，年平均日照時數(shù)為1 148.3 h，年降雪日數(shù)少，平均僅為11.3 d。城市森林覆蓋率達47.22%，植物種類豐富，主要綠化樹種有荷花玉蘭（Magnolia grandiflora Linn.）、女貞（Ligustruum lucidum Ait.）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl.]、白玉蘭（Michelia alba DC.）、紫薇（Lagerstroemia indica）等。

采樣區(qū)域設(shè)置在貴陽市河濱公園、筑城廣場、貴州省林業(yè)科學院，分別代表貴陽城市、城市公園、市郊3種不同環(huán)境。

2 材料與方法

2.1 供試樹種和樣品采集

本研究涉及3個木樨科常見綠化樹種，桂花[Osmanthus fragrans （Thunb.） Lour.]、迎春花（Jasminum nudiflorum Lindl.）和女貞（Ligustrum lucidum Ait.），3種樹種的形態(tài)特征見表1。

根據(jù)貴陽市的天氣狀況和降水量特點，安排在2017年2、3、5、8、10、11、12月進行試驗。研究表明，大于15 mm的降水即可以對植物葉片滯留顆粒物的能力造成影響[13]，因此，采樣前連續(xù)10 d無降水，風速小于5級。選擇樹種林齡相近、生長狀況良好的3株樣樹進行功能葉片采集，采集樣品原則為在喬木生長高度2～3 m處，分別在4個方位（東、南、西、北）采集成熟、完整且無病蟲害的葉片，根據(jù)葉片大小在每株樹采集100～200 g不等的葉片，將其立即封存帶回實驗室處理。

2.2 單位葉面滯塵量測定

本研究采用連接DUSTMATE手持式環(huán)境粉塵檢測儀的空氣氣溶膠再發(fā)生器（QRJZFSQ-I）測定[14]，計算葉表面吸滯的TSP、PM10、PM2.5的質(zhì)量，每個樹種進行3次重復?？諝鈿馊苣z再發(fā)生器（QRJZFSQ-I）的工作原理為：將待測樹種葉片放入氣溶膠再發(fā)生器的料盒，通過風蝕原理，將葉片上滯納的顆粒物吹起、混勻，再次形成氣溶膠。其中，為了防止顆粒物在料盒內(nèi)壁的吸附，在料盒的內(nèi)壁進行防靜電處理。然后利用連接在氣溶膠再發(fā)生器上的DUSTMATE手持式環(huán)境粉塵檢測儀測定氣溶膠中TSP、粗顆粒物和細顆粒物的濃度，并根據(jù)監(jiān)測的大氣顆粒物濃度和氣溶膠再發(fā)生器的空箱顆粒物濃度，最終結(jié)合料盒的內(nèi)部容積換算得到供試葉片的顆粒物滯納量。之后把測量完的葉片放入掃描儀進行掃描，使用Adobe Photoshop軟件對掃描完的圖像進行處理，利用葉面積分析軟件計算葉片面積S（cm2）。不同樹種單位葉面積吸滯顆粒物量的計算公式為：

Mi=∑n1mij/Si。（1）

式中：Mi表示不同樹種單位葉面積吸滯不同粒徑顆粒物的質(zhì)量，μg/cm2;mij表示測試葉片表面吸滯顆粒物的質(zhì)量，μg;i表示不同樹種;j表示顆粒物種類;n=3，表示重復3次;S表示測試葉片葉面積，cm2。

2.3 葉表現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)觀察

選取健康葉片，在主葉脈中部附近切下1～2 mm2小塊，用蒸餾水洗凈，常規(guī)臨界點干燥，粘在樣品臺上后再用 HUS-5GB高真空鍍膜機鍍碳，用KYKY-1000B掃描電子顯微鏡及NORAN SYSTEM SIX X射線能譜儀觀察、測量長度及拍照。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 18.0軟件和Excel對野外觀測數(shù)據(jù)進行簡單相關(guān)分析、方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種滯塵量

由圖1可知，不同樹種滯留顆粒物的能力有較大差異。不同樹種葉片滯留TSP能力大小順序為：桂花[（3.73±0.41） μg/cm2]>女貞[（2.49±0.41） μg/cm2]>迎春花[（1.91±0.23） μg/cm2];不同樹種葉片滯留PM10能力大小順序為：桂花[（1.60±0.18） μg/cm2]>女貞[（1.10±0.19） μg/cm2]>迎春花[（0.85±0.10） μg/cm2];不同樹種葉片滯留PM2.5能力大小順序為：桂花[（0.11±0.01） μg/cm2]>女貞[（0.07±0.13） μg/cm2]>迎春花[（0.06±0.007） μg/cm2]。滯留顆粒物總量的能力大小順序依次為：桂花>女貞>迎春花。從滯留總量來看，木樨科3種樹種中桂花葉片的顆粒物滯留能力最強，其次為女貞，迎春花的顆粒物滯留能力最弱。

3.2 不同樹種滯塵量的時間變化特征

圖2為3個樹種在不同月份葉片滯留顆粒物（PM2.5、PM10、TSP）的年變化過程，3種樹種的葉片滯塵量（PM2.5、PM10、TSP）年變化均呈U形即“高—低—高”趨勢。

由圖2-a可看出，3種樹種葉片PM2.5滯留能力差異顯著。桂花葉片滯留PM2.5能力在全年以12月[（0.31±0.003） μg/cm2]最大，其次是2月[（0.16±0.04） μg/cm2]，以5月[（0.032±0.004） μg/cm2]最小;迎春花葉片PM2.5滯留能力在全年以2月[（0.085±0.02） μg/cm2]最大， 以5月[（0.016±0.002） μg/cm2]最小;女貞葉片PM2.5滯留能力在全年以2月[（0.10±0.05） μg/cm2]最大，以5月[（0.018±0.007） μg/cm2]最小。

由圖2-b可看出，3種樹種葉片PM10滯留能力差異顯著。桂花葉片滯留PM10能力在全年以12月[（4.22±0.62） μg/cm2]最大，以10月[（0.36±0.06） μg/cm2]最小;迎春花葉片滯留PM10能力在全年以2月[（1.43±0.31） μg/cm2]最大，以10月[（0.17±0.02） μg/cm2]最小;女貞葉片PM10滯留能力在全年以2月[（1.42±0.31） μg/cm2] 最大，以5月[（0.28±0.09） μg/cm2]最小。

由圖2-c可看出，3種樹種葉片滯留TSP能力差異顯著。桂花葉片滯留TSP能力在全年以12月[（9.65±1.18） μg/cm2]最大，以10月[（0.94±0.16） μg/cm2]最小;迎春花葉片滯留TSP能力在全年以2月[（3.16±0.71） μg/cm2]最大，以10月[（0.0.41±0.04） μg/cm2]最小;女貞葉片滯留TSP能力在全年以2月[（3.63±1.50） μg/cm2]最大，以5月[（0.69±0.22） μg/cm2]最小。

研究發(fā)現(xiàn)，3個樹種葉片PM2.5、PM10和TSP滯留量在5月或10月最低，可能是因為貴陽雨水多集中在此階段，葉片吸滯的顆粒物受到雨水的沖洗，使顆粒物量減少。

3.3 不同生長背景下樹種葉片對不同粒徑顆粒物滯留能力比較

由圖3可知，同一樹種葉片對各粒徑顆粒物的滯留能力因地點不同而具有差異性。本試驗選取的3種樹種葉片單位面積對PM2.5滯留量變化趨勢一致，均表現(xiàn)為河濱公園>筑城廣場>貴州省林業(yè)科學研究院（省林科院）;女貞對PM10和TSP的滯留量與桂花和迎春花變化趨勢不相同，女貞表現(xiàn)為筑城廣場>河濱公園>省林科院，桂花和迎春花表現(xiàn)為河濱公園>筑城廣場>省林科院。在不同生長背景下桂花和迎春花葉片單位面積對PM2.5、PM10和TSP滯留量最大值均在河濱公園，在河濱公園桂花的滯留量（PM2.5、PM10和TSP）分別為（0.17±0.03）、（2.68±0.62）、（6.44±1.38） μg/cm2，在河濱公園迎春花的滯留量（PM2.5、PM10和TSP）分別為（0.07±0.013）、（1.02±0.19）、（2.32±0.44） μg/cm2。女貞葉片單位面積對PM10和TSP滯留量最大值均在筑城廣場，分別為（1.58±0.32）、（3.43±0.68） μg/cm2;女貞葉片單位面積對PM2.5滯留量最大值在河濱公園，為（0.45±0.05） μg/cm2。從樹種葉片不同粒徑滯留量隨地點變化來看，總體上表現(xiàn)為河濱公園>筑城廣場>省林科院，變化趨勢為城區(qū)>近郊。

3.4 滯塵量與葉面積的關(guān)系

將3種樹種單位葉面積葉片對PM2.5、PM10、TSP滯留量與葉面積進行簡單相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)見表2。由表2可知，滯塵量與單位葉面積有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在 -0.135～-0.165，呈顯著負相關(guān)，說明葉面積越小，單位面積的滯塵量越大。

3.5 不同樹種葉面微結(jié)構(gòu)與滯塵能力的關(guān)系

對3個樹種葉片樣品進行電鏡掃描，結(jié)果見圖4。通過掃描圖像分析各樹種葉表面特征（表3）可知，從氣孔特征來看，3種樹種氣孔密度大小順序為桂花>女貞>迎春花;3種植物上、下表面均未發(fā)現(xiàn)有明顯的毛被;從葉表面粗糙度來看，桂花葉上表面較光滑但下表皮具有溝狀組織，女貞葉表面有褶皺和密布溝狀組織，迎春花表面有褶皺。結(jié)果表明，滯塵量較大的桂花氣孔密度較大，葉上表面粗糙度較低，但下表皮具有溝狀組織，氣孔開口較大，在一定程度上更容易阻滯灰塵及各種粒徑的顆粒物，使深藏其間的顆粒物很難再次被風或少量雨水帶走，故能穩(wěn)定滯塵，說明較多的氣孔密度增強桂花的滯塵能力。

4 討論與結(jié)論

近幾年，隨著粉塵、霧霾等污染的暴發(fā)日益頻繁，空氣顆粒物嚴重危害城市居民的身心健康，受到世界范圍的關(guān)注。貴陽市總體空氣質(zhì)量較好，首要污染物以PM2.5和PM10為主，其中以PM2.5居多[15]。貴陽市大氣顆粒物PM2.5濃度介于4～193 μg/m3，平均值為（70±33） μg/m3，以12、1月2個月PM2.5濃度較高，7月最低;貴陽市日均PM2.5濃度低于南京、成都、南寧等發(fā)達城市，但遠高于美國東南部城市[16]。因此，本研究選擇貴陽市常見的3種木樨科植物，對其葉片的滯塵能力及葉片結(jié)構(gòu)進行研究。植物因葉片的吸附能力在減少大氣顆粒物方面發(fā)揮了比較大的作用。不同樹種由于其葉面積、葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征不同，使其對不同粒徑顆粒物滯納能力差異明顯。在本研究中，不同樹種葉片滯留TSP能力大小順序為桂花>女貞>迎春花，不同樹種葉片滯留PM10能力大小順序為桂花>女貞>迎春花，不同樹種葉片滯留PM2.5能力大小順序為桂花>女貞>迎春花。研究表明，樹種葉片結(jié)構(gòu)特征、葉表面粗糙程度、被毛情況、氣孔大小、氣孔密度等是決定不同樹種單位面積滯塵能力的主要驅(qū)動因素[17-18]。一般來說，葉片寬大、平展、葉面粗糙且多茸毛植物的滯塵量更大[19]。由于本研究中3個樹種屬于同一科植物，其葉片都是革質(zhì)或近革質(zhì)，葉片表面均無毛被，葉片粗糙程度相差不大，使得3個樹種的滯塵量表現(xiàn)為與氣孔密度關(guān)系密切。這與楊佳等對北京植物園常見樹種葉片滯塵量進行研究，發(fā)現(xiàn)其中紫葉李、元寶楓滯塵量大與其葉片氣孔密度較大相關(guān)的研究結(jié)果[17]一致。本研究中滯塵量較大的桂花具備氣孔密度較大，葉上表面粗糙度較低、下表皮具有溝狀組織、氣孔開口較大的特征，在一定程度上更容易阻滯灰塵及各種粒徑的顆粒物。這也進一步說明對不同樹種葉片結(jié)構(gòu)進行觀察，有助于篩選城市綠化樹種[20]。

由于葉片在不同的生長時間段內(nèi)，其葉片結(jié)構(gòu)不同，使得不同樹種在不同季節(jié)對空氣顆粒物的吸滯能力存在一定差異。而闊葉樹種在不同季節(jié)對空氣顆粒物的吸滯能力受葉片的表面結(jié)構(gòu)影響較大[21]。在不同季節(jié)，3種樹種吸滯TSP、細顆粒物（PM2.5）、粗顆粒物（PM10）能力隨時間的延長呈“高—低—高”趨勢，在5月或10月最低，隨后又逐漸上升。這與張維康等對北京市常見闊葉樹葉片吸滯顆粒物能力呈倒U型趨勢的研究結(jié)果[22]一致。

由于污染程度和環(huán)境氣候特征具有顯著差異，同一樹種在不同地點的滯塵能力也表現(xiàn)出一定的差異性。有研究表明，影響葉片滯塵量的因素除葉片表面形態(tài)特征外，還可能受研究地點、時間及采樣部位等其他因素的影響[23-24]。在本研究中，桂花和迎春花葉片單位面積對PM2.5、PM10和TSP滯留量最大值均在河濱公園，女貞對PM10和TSP滯留量最大值均在筑城廣場，對PM2.5滯留量最大值在河濱公園。3個樹種葉片不同粒徑滯留量隨地點變化總體表現(xiàn)為河濱公園>筑城廣場>省林科院，變化趨勢為城區(qū)>近郊。這可能是由于城區(qū)污染程度較大，使植物葉片的滯塵能力也較高。

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