聊城市常見(jiàn)園林樹(shù)木滯塵能力與葉片微形態(tài)解析

寧婷婷 紀(jì)紫嫣 馬雪媛 王首剛 趙紅霞

摘要 以聊城市內(nèi)常見(jiàn)的12種木本植物為研究對(duì)象，分析葉片單位面積與單株滯塵能力，通過(guò)顯微鏡觀察葉表形態(tài)結(jié)構(gòu)，研究植物滯塵能力與葉表微形態(tài)的關(guān)系。結(jié)果表明：?jiǎn)挝蝗~面積滯塵量（TSP）從大到小為白皮松>紫葉李>雪松>紫葉桃>懸鈴木>白蠟>榆樹(shù)>國(guó)槐>油松>銀杏>胡桃>七葉樹(shù)。單株植物滯塵能力（TSP）大小順序?yàn)閲?guó)槐>紫葉李>胡桃>紫葉桃>懸鈴木>七葉樹(shù)>雪松>白蠟>白皮松>油松>榆樹(shù)>銀杏。植物滯塵能力與葉面結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)及樹(shù)體高度有關(guān)。雪松吸附PM10的能力最強(qiáng)，白皮松吸附PM2.5和PM0.1的能力最強(qiáng)。葉片越粗糙、絨毛和褶皺越多、氣孔多且開(kāi)口較大的植物滯塵能力越強(qiáng);樹(shù)冠覆蓋面積大的植株滯塵能力較強(qiáng)，葉片小而疏的植株滯塵能力相對(duì)較弱，高度為2～6 m的植株滯塵效果最佳。

關(guān)鍵詞 滯塵能力;葉表微結(jié)構(gòu);冠層分析;單位面積滯塵量

中圖分類(lèi)號(hào) S718.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）04-0121-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.033

Analysis of Dust Retention Ability and Leaf Micromorphology of Common Garden Trees in Liaocheng

NING Ting-ting，JI Zi-yan，MA Xue-yuan et al （Agricultural College，Liaocheng University，Liaocheng，Shandong 252059）

Abstract Taking 12 kinds of common woody plants in Liaocheng City as the research objects，the dust retention capacity of leaves and single plant was analyzed. The relationship between dust retention capacity and leaf surface micromorphology was studied by observing the morphological structure of leaf surface under microscope. The results showed that the dust retention per unit leaf area （TSP） from large to small was Pinus bungeana Zucc. ex Endl. > Prunus cerasifera Ehrhar f. atropurpurea （Jacq.） > Cedrus deodara （Roxb.） G. Don> Prunus persica ‘Atropurpurea > Platanus acerifolia > Fraxinus chinensis Roxb. > Ulmus pumila L.> Sophora japonica Linn.> Pinus tabulaeformis Carr. > Ginkgo biloba L. > Juglans regia L.> Aesculus chinensis Bunge. The order of TSP of single plant was Sophora japonica Linn.>Prunus erasifera Ehrhar f. atropurpurea （Jacq.） > Juglans regia L. > Prunus persica ‘Atropurpurea > Platanus acerifolia > Aesculus chinensis Bunge > Cedrus deodara （Roxb.） G. Don > Fraxinus chinensis Roxb. > Pinus bungeana Zucc. ex Endl.> Pinus tabulaeformis Carr. > Ulmus pumila L. > Ginkgo biloba L. The results showed that the dust retention ability of plants was related to leaf structure，canopy structure and tree height. Cedrus deodara （Roxb.） G. Don had the strongest ability to absorb PM10，and Pinus bungeana Zucc. ex Endl. had the strongest ability to absorb PM2.5 and PM0.1. The rougher the plant leaves，the more fluff and folds，the more stomata and the larger the opening，the stronger the dust retention ability of the plant.The dust retention ability of plants with large crown coverage was stronger，while that of plants with small and sparse leaves was relatively weak. The dust retention effect was the best when the plant height was about 2-6 m.

Key words Dust retention capacity;Leaf surface microstructure;Canopy analysis;Dust retention capacity per unit area

基金項(xiàng)目 聊城大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（31805）;大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（CXCY3017080/201710447080）。

作者簡(jiǎn)介 寧婷婷（1996—），女，山東濟(jì)南人，從事園林方面的研究。通信作者，講師，博士，從事城市生態(tài)修復(fù)等研究。

收稿日期 2020-07-02

城市大氣中顆粒物主要來(lái)源于工業(yè)污染和汽車(chē)尾氣等二次氣溶膠[1]。PM2.5是霧霾天氣形成最主要的因素[2-3]，其導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度降低;誘發(fā)心肺疾病、侵害人體呼吸系統(tǒng)等[4]。2016—2017年全國(guó)各地頻繁發(fā)出霧霾警報(bào)，引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注[5]，雖然通過(guò)控制顆粒污染物排放和削減空氣顆粒污染物等措施[6]，但削減大氣顆粒物的效果不顯著。

凈化城市大氣污染的重要途徑之一是利用植物吸滯能力，植物的滯塵能力取決于冠層類(lèi)型、葉片和分枝密度、葉片微形態(tài)（粗糙度、絨毛、褶皺）[3，7-9]。植物葉片滯塵能力的主要影響因素為葉面蠟質(zhì)含量、氣孔密度及其葉片接觸角的大小[10-11]。目前研究多集中于植物滯留總顆粒物的能力[12-13]，對(duì)于植物葉片微形態(tài)與顆粒物滯留能力相關(guān)性研究較少。選擇聊城市12種常用綠化樹(shù)種，分析其單位葉面積與單株滯塵能力，研究株高、樹(shù)冠特征以及葉表面微結(jié)構(gòu)對(duì)滯塵能力的影響，以便科學(xué)合理選擇城市綠化樹(shù)種，提高城市綠地的滯塵效率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

聊城市（35°47′～37°03′N(xiāo)、115°16′～116°30′E）地處山東省西部，全市為黃河沖積平原，地勢(shì)平坦，海拔27.5～49.0 m，年均氣溫為13.5 ℃，年均降水量540.4 mm，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有顯著的季節(jié)變化和季風(fēng)氣候特征，屬半干旱大陸性氣候。

1.2 供試樹(shù)種

聊城市城區(qū)木本植物共214種，其中道路綠化樹(shù)種46種[14]。遵循普通、常見(jiàn)、量多的原則，選取聊城市聊城大學(xué)內(nèi)道路兩側(cè)落葉喬木9種：國(guó)槐（Sophora japonica Linn.）、胡桃（Juglans regia L.）、七葉樹(shù)（Aesculus chinensis Bunge）、榆樹(shù)（Ulmus pumila L.）、紫葉李[Prunus cerasifera Ehrhar f. atropurpurea （Jacq.）]、紫葉桃（Prunus persica ‘Atropurpurea）、白蠟（Fraxinus chinensis Roxb.）、懸鈴木（Platanus acerifolia）、銀杏（Ginkgo biloba L.）;常綠喬木3種：雪松[Cedrus deodara （Roxb.） G. Don]、油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、白皮松（Pinus bungeana Zucc. ex Endl.）。共12種，其生物學(xué)特征見(jiàn)表1。

1.3 采樣

研究表明，植物葉片累積顆粒物在15 d 左右達(dá)到飽和（即最大滯塵量）[15]。選擇采集時(shí)間2018年5月10日08：00—10：00（連續(xù)18 d未降雨）。每種選3株樣樹(shù)，分別在東、南、西、北 4個(gè)方向采集健康成熟葉片150～200 g，將樣品合并放入牛皮紙樣本袋中并編號(hào)，每種植物采集 3 組重復(fù)樣。300～400 cm2 的葉片量是過(guò)濾葉片顆粒物的最佳選擇。采樣均在1 d內(nèi)完成，采集后放入 0? ℃恒溫箱中直至分析。

1.4 顆粒物測(cè)定

依據(jù)高國(guó)軍等[16]的方法，測(cè)定葉表面不同粒徑顆粒物和總懸浮顆粒物質(zhì)量。用不掉毛的毛刷仔細(xì)清洗葉片，用去離子水洗上下葉表面后收集帶有顆粒物的懸濁液。利用真空抽濾裝置對(duì)洗后懸濁液進(jìn)行分級(jí)（10、2.5、0.1 μm 孔徑的親水性濾膜）抽濾。60 ℃ 烘箱中烘干載塵濾膜24 h至恒重，濾膜2次烘干后的質(zhì)量差為Δm。

1.5 植物葉面積測(cè)定 采用WinRHIZO根系分析儀測(cè)量葉面積，將清洗后的樣品葉片（通常為2～6片，葉片之間不互相重疊）平整置于掃描盒上，打開(kāi)圖像處理軟件測(cè)定植物葉面積A。

1.6 葉表面微觀結(jié)構(gòu)觀察

清洗后的葉片避開(kāi)主葉脈，隨機(jī)割取0.5 cm×0.5 cm的樣品3份，用日立S-3400N 掃描電子顯微鏡拍照觀察。一般在100～400 倍視野下觀察葉面微形態(tài)[10]，該研究在 300 倍視野下觀察葉片微結(jié)構(gòu)。

1.7 冠層分析

用WinScanopy冠層分析儀（Nikon相機(jī)外加8 mm、F3.5de Stigma魚(yú)眼鏡頭）對(duì)樣地內(nèi)植物冠層進(jìn)行拍照，拍攝高度設(shè)置為1.5 m。選在天氣晴朗的 08：00—10：00 每個(gè)拍攝點(diǎn)拍攝3張照片。用皮尺測(cè)量喬木胸徑，樣點(diǎn)法測(cè)定郁閉度。使用Winscanopy PRO2016軟件對(duì)成像進(jìn)行分析得到單體植物的冠層數(shù)據(jù)。

1.8 數(shù)據(jù)處理 所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理均采用Microsoft Excel 2017進(jìn)行差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位葉面積不同粒徑顆粒物滯留能力

不同樹(shù)種單位葉面積滯留顆粒物能力及種類(lèi)存在明顯差異（P<0.05）（圖1），針葉樹(shù)滯塵能力（TSP）的平均值（1.283 7 g/m2）是落葉闊葉樹(shù)種（0.827 6 g/m2）的1.55倍。分析發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①單位面積針葉樹(shù)（0.824 7 g/m2）PM10滯納量大于闊葉樹(shù)種（0.489 0 g/m2）。②單位面積滯塵能力（TSP）較強(qiáng)的為白皮松（1.834 9 g/m2）和紫葉李（1.659 0 g/m2），最弱的是七葉樹(shù)（0.466 g/m2）。植物滯塵能力（TSP）從大到小為白皮松>紫葉李>雪松>紫葉桃>懸鈴木>白蠟>榆樹(shù)>國(guó)槐>油松>國(guó)槐>銀杏>胡桃>七葉樹(shù)。③同一樹(shù)種對(duì)不同粒徑顆粒物的滯納量差異較大。植物對(duì)PM10的滯納量均大于50%。PM2.5與PM0.1滯納量變化規(guī)律存在差異，白皮松對(duì)這2種粒徑顆粒物滯納量最大，分別為0.583 3、0.352 4 g/m2;PM2.5與PM0.1滯納量最小的分別為七葉樹(shù)0.007 8? g/m2、油松0.014 6 g/m2。

2.2 單株植物的滯塵能力 單株滯塵量是植物滯塵能力的另一評(píng)價(jià)指標(biāo)，供試樹(shù)種單株滯塵量為7.67～123.78 g/m2（表 2）。各樹(shù)種單株滯塵量大小順序?yàn)閲?guó)槐>紫葉李>胡桃>紫葉桃>懸鈴木>七葉樹(shù)>雪松>白蠟>白皮松>油松>榆樹(shù)>銀杏。單株滯塵能力與單位面積滯塵量的結(jié)果并不一致，最大值為最小值的16.14倍。國(guó)槐（123.78 g）單株滯塵量最大，而不是單位面積滯塵量最大的白皮松;七葉樹(shù)單位面積滯塵量排12位，但單株滯塵量居第6位，可能與七葉樹(shù)單株面積較大、白皮松單株面積較小有關(guān)，因此總?cè)~面積是影響植物滯塵量的關(guān)鍵因素之一。

2.3 葉面微結(jié)構(gòu)與滯塵的關(guān)系

單位葉面積滯塵能力較強(qiáng)的為白皮松、雪松，葉面粗糙呈凹凸?fàn)?，具有網(wǎng)狀組織或葉緣具有鋸齒。懸鈴木、紫葉桃、紫葉李的葉表面密布細(xì)密絨毛，表面粗糙凹凸不平，顆粒物易被絨毛卡住。國(guó)槐、榆樹(shù)葉面粗糙，具有凹凸不平的溝狀或網(wǎng)狀組織、有刺突，這類(lèi)結(jié)構(gòu)均有利于顆粒物的滯留（圖2）。

2.4 冠層結(jié)構(gòu)與滯塵量的關(guān)系

葉面積指數(shù)（ LAI ）被定義為單位地表面積上植物所有葉片總表面積的1/2[11]，是冠層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。由表3可知，在選取的12種代表植物中，國(guó)槐單株滯塵量最高，紫葉李、胡桃次之，銀杏單株滯塵量最低。樹(shù)冠覆蓋面積大，高度為2～6 m的植株滯塵能力較強(qiáng)，葉片小而疏的植株滯塵能力相對(duì)較弱。同時(shí)，植株的冠層結(jié)構(gòu)對(duì)其滯塵能力也有一定影響，葉傾角越小，葉面積指數(shù)與冠層孔隙度越大的植株滯塵能力相對(duì)較強(qiáng)。根據(jù)不同植物冠層數(shù)據(jù)分析，植物每日輻射總量與冠層孔隙度及冠層開(kāi)度基本呈正相關(guān)。

3 討論

植物葉片可吸附顆粒物，能有效凈化空氣，是城市空氣的過(guò)濾器。不同樹(shù)種滯塵能力差異顯著。針葉樹(shù)較闊葉樹(shù)種在捕獲PM10方面更有效，粗糙的葉面更能有效地捕獲PM2.5。葉片特性（葉表面具溝槽、絨毛和分泌油脂等）與顆粒物的滯納密切相關(guān)[17]。松科植物葉片靠分泌的油脂、黏液等特殊分泌物吸附顆粒物，難以被雨水沖刷，大部分闊葉樹(shù)種無(wú)特殊分泌物，因此松科植物滯塵能力大多較強(qiáng)。

葉面結(jié)構(gòu)影響植物滯塵能力，滯塵能力受葉片的粗糙程度，上下表皮毛的形狀、數(shù)量，分泌物等影響。粗糙的葉面使顆粒物與葉面之間的作用力較大，影響較大顆粒物的滯留，絨毛密度對(duì)顆粒物的滯留能力有較大影響[18]。葉表面的溝狀、凹陷，孔狀峰谷區(qū)域使得葉面的粗糙度較高，有利于滯留顆粒物[19]。

4 結(jié)論

植物對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附能力與其葉片結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，針葉植物吸附能力主要來(lái)源于分泌物的吸附效果，如雪松、白皮松分泌的松香等樹(shù)脂類(lèi)物質(zhì)使顆粒物黏附在葉片上，難以被雨水沖刷。闊葉樹(shù)種葉面微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致滯塵能力存在差異，如紫葉桃，葉片的針形小刺對(duì)顆粒物的留置有明顯作用;榆樹(shù)、銀杏葉片較為光滑，滯塵能力就相對(duì)較弱。同時(shí)，植株的冠層孔隙度越小、葉面積指數(shù)越大、葉傾角越小的植株滯塵能力越好。

目前植物葉面微結(jié)構(gòu)對(duì)滯塵能力的影響有一定的研究進(jìn)展，但植物滯塵能力與其冠層結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系尚處于探索階段，對(duì)比同類(lèi)型顆粒物的吸附效果，雪松吸附PM10的能力最強(qiáng)，白皮松吸附PM2.5和PM0.1的能力最強(qiáng)。葉面越粗糙、絨毛越多、褶皺越明顯、氣孔多且開(kāi)口較大的植物滯塵能力越強(qiáng);樹(shù)冠覆蓋面積大、葉面積指數(shù)高的植株滯塵能力較強(qiáng)，葉片小而疏的植株滯塵能力較弱，植株高度在2～6 m時(shí)滯塵效果最佳（國(guó)槐、紫葉李、胡桃、紫葉桃）。因地制宜地篩選高滯塵能力的植物，在保證景觀效益的前提下做到生態(tài)效益最大化，對(duì)改善城市空氣質(zhì)量具有重要意義。

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