20種常用綠化樹種滯塵能力研究

閆 倩，徐立帥，段永紅

（山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801）

近些年來，隨著經濟的快速增長，粉塵污染對人類生存的環(huán)境造成了很大的威脅，也給人類健康帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。空氣中的粉塵顆粒物、細菌和病毒等會提高呼吸道感染、心血管疾病等的發(fā)病率［1］，尤其是在人口密集、交通繁忙的城市區(qū)域，汽車尾氣或工業(yè)排放的顆粒物會使心肺疾病發(fā)病率和死亡率上升［2］，所以，如何更加合理有效地降低粉塵污染已經成為當今的一大難題。研究表明，植物葉片對顆粒物的吸滯能力與葉片形態(tài)結構、粗糙度、濕潤性、蠟質、被毛、氣孔等特征有關［3］。因此，植物不僅可以作為監(jiān)測環(huán)境的載體，還可以通過對粉塵的滯留緩解大氣污染、改善環(huán)境。

植物葉片表面微結構形態(tài)對滯塵的影響是研究熱點。研究表明，具有溝狀組織、溝槽、纖毛、氣孔的樹種滯塵能力比葉表光滑無毛的強，但如果葉表的溝狀組織較細、溝槽較寬且較淺或絨毛數(shù)量較少時，樹種滯塵能力差［4］；而葉片表面的蠟質含量越多，滯塵量越大［5］；還有研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片越易潤濕，滯塵量越大［6］；此外，基于對不同時段葉片滯塵的研究發(fā)現(xiàn)，不同生長季葉片滯塵量有所差異。王琴等［7］認為夏季樹木生長茂盛，能有效減緩氣流，滯留粉塵顆粒物，因此樹種的滯塵能力在夏季效果最好，但是王月菡［8］的研究結果與之相反，Prajapati等［9］則認為冬季植物滯塵能力最強。

可見，上述相關研究從不同角度闡明了影響植物葉片滯塵能力的因素，但由于研究樹種、地理位置和大氣污染程度等的差異，產生了不同的研究結果。本研究以晉中市太谷區(qū)山西農業(yè)大學校園內的20種常見綠化樹種為研究對象，對比分析在同一時段、相同環(huán)境狀態(tài)下，不同樹種葉片滯塵能力的差異，探討葉片形態(tài)、葉片表面微結構對樹種葉片滯塵能力的影響，以期深入認識植物葉片滯塵能力的影響因素，指導園林綠化樹種篩選。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗在晉中地區(qū)的山西農業(yè)大學取樣，晉中地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，冬冷夏熱，年平均氣溫10.4℃，最熱月出現(xiàn)在7月，平均氣溫為24.2℃，最冷月出現(xiàn)在1月，平均氣溫為-5.1℃；晉中市年總降水量為422.2 mm，降水量主要集中在夏季，為248.1 mm，占全年降水量的59%，冬季降水量為10.0 mm，占全年降水量的2.4%；晉中春季風沙大，冬季嚴寒［10］。山西農業(yè)大學占地面積149.3 hm2，是全國綠化模范單位，校園綠化面積達6×105m2，主校區(qū)綠化覆蓋率達85%以上，共有50科、233種及種下單位樹種。

1.2 試驗材料

選取20個常見綠化樹種進行采樣，樹種類型如表1所示。

1.3 試驗方法

研究表明，降雨量15.0 mm以上或風速達17 m/s的降雨，植物葉片滯留的粉塵會被沖刷掉并重新開始滯塵［11］。本研究于2019年10月3日取樣，在此之前連續(xù)13 d沒有降雨和大風擾動，采樣的植物遠離交通主干道，不受車輛、密集人群等的影響。采樣高度為離地表1.5 m左右，每個樹種選擇生長狀況較一致的樹木，在同一高度環(huán)繞一周采集葉片，單葉較小者采集90～130片，單葉較大者采集60～80片，每個樹種設置3組重復。采樣時用剪刀剪下樹種葉片并保證采樣過程不擾動葉片，采集的葉片放入保鮮袋中做好標記帶回實驗室。在實驗室內將每組葉片放入5 L的塑料燒杯中用去離子水浸泡約2 h，之后將葉片清洗干凈并用掃描儀進行掃描，用于計算葉面積。清洗液靜置48 h后移除上層清液，將下層懸濁液轉移至100 mL離心管并烘干稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Photoshop軟件進行葉片形態(tài)和面積統(tǒng)計分析，最終獲取長軸、短軸、長短軸比、總葉面積和平均單葉面積，通過滯塵量和葉片掃描結果分別計算單位面積滯塵量和單葉面積滯塵量，所有數(shù)據(jù)利用Excel軟件進行統(tǒng)計整理，之后利用SPSS 17和Origin軟件進行分析并繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同樹種葉面形態(tài)特征

從圖1可以看出，各綠化樹種單葉面積變化為3.17～42.85 cm2，其中水栒子的單葉面積最小，為3.17 cm2；華北珍珠梅、龍爪棗、粉花重瓣麥李、皺皮木瓜、白杜、國槐、毛櫻桃、龍爪槐、金葉連翹、冬青衛(wèi)矛、太平花、木槿、金銀忍冬、忍冬、火炬樹、丁香和日本晚櫻均為單葉面積中等的樹種，達5.54～25.10 cm2；而雞樹條和望春玉蘭的單葉面積最大，分別為36.11、42.85 cm2。各樹種長短軸比規(guī)律不明顯，其中火炬樹和粉花重瓣麥李的長短軸比大，而丁香和雞樹條的長短軸比均接近于1，即長短軸幾乎相等，其余樹種長短軸比均在2左右。各樹種葉片特征如表2所示。

表2 20種綠化樹種葉片特征

2.2 不同樹種滯塵量的差異

不同樹種單位面積滯塵量從小到大排序結果如圖2所示，各綠化樹種滯塵量的變化為0.4～1.8 g/m2，平均滯塵量為0.8 g/m2，最大者為冬青衛(wèi)矛，滯塵量為1.8 g/m2，最小者為雞樹條，滯塵量為0.4 g/m2。按單位面積滯塵量可分為3個級別，滯塵量為1.2～2.0 g/m2的樹種劃分為滯塵能力強的樹種，包括水栒子、國槐和冬青衛(wèi)矛3種；滯塵量為0.6～1.2 g/m2的樹種劃分為滯塵能力中等的樹種，包括金葉連翹、火炬樹、華北珍珠梅、粉花重瓣麥李、木槿、日本晚櫻、金銀忍冬、龍爪棗、忍冬、丁香、白杜和毛櫻桃12種；滯塵量低于0.6 g/m2的樹種劃分為滯塵能力弱的樹種，包括雞樹條、望春玉蘭、龍爪槐、太平花和皺皮木瓜5種。

20種綠化樹種單葉滯塵量如圖2所示，其變化在0.34～2.1 mg，平均值為1.0 mg。不同樹種間單葉滯塵量存在較大差異。其中，丁香最大（2.1 mg），望春玉蘭次之（2.0 mg）。單葉滯塵量介于1.0～2.0 mg的樹種有國槐、金銀忍冬、火炬樹、雞樹條、忍冬、日本晚櫻和冬青衛(wèi)矛7種，而滯塵量低于1.0 mg的樹種有11種，分別為皺皮木瓜、華北珍珠梅、水栒子、龍爪槐、粉花重瓣麥李、龍爪棗、太平花、金葉連翹、白杜、毛櫻桃和木槿，其中單葉滯塵量最差的樹種為皺皮木瓜（0.34 mg）。

2.3 葉片形態(tài)對滯塵量的影響

為分析樹種葉片形態(tài)與滯塵量的關系，分別計算不同樹種長軸、短軸、長短軸比、單葉面積與單葉滯塵量和單位面積滯塵量的相關系數(shù)（表3）。結果表明，葉片形態(tài)（長軸、短軸、長短軸比、單葉面積）與單位面積滯塵量均未達到顯著相關，但葉片形態(tài)與單葉滯塵量密切相關，即樹種長軸越長、短軸越長、單葉面積越大，其單葉滯塵量就越多。

表3 各綠化樹種葉片形態(tài)與單葉滯塵量、單位面積滯塵量的相關性（n=20）

3 討論與結論

3.1 葉片形態(tài)與滯塵量的關系

上述相關分析表明，單葉面積與單葉滯塵量顯著相關，這與張家洋等［12］的研究結果一致。張家洋等［12］認為懸鈴木、構樹較其他供試樹種（國槐、紫葉李等）的單葉面積大，可能是導致其單葉滯塵量多的重要原因之一。本研究中望春玉蘭和日本晚櫻的單葉面積分別位居第一和第三，它們的單葉滯塵量也很高，分別位居第二和第四。黃靖懿［13］對哈爾濱市道路綠化樹種滯塵能力的研究發(fā)現(xiàn)，毛櫻桃單位面積滯塵量大于丁香，而兩者單葉滯塵量關系卻相反。本研究結果也是相同，因此可以推斷，植物單葉面積滯塵量主要受葉片形態(tài)，尤其是葉片大小的影響。

范舒欣等［14］研究表明，單位面積滯塵量與單葉面積共同計算得到單葉滯塵能力，單葉滯塵能力偏向于反映葉片形態(tài)與大小對植物滯塵的影響，這就造成了單位面積滯塵能力一般的樹種有可能因為寬碩的葉片而有較強的單葉滯塵能力；反之，單位面積滯塵能力強的樹種，也有可能因葉面積狹小而表現(xiàn)出較弱的單葉滯塵能力，所以樹種單位面積滯塵量與單葉滯塵量的排序情況大不相同。因此，應根據(jù)多個指標對樹種滯塵能力進行評價。本研究也有相同的發(fā)現(xiàn)，不同樹種其葉片滯塵能力（單位葉面積滯塵能力與單葉滯塵能力）有很大不同，例如望春玉蘭單位面積滯塵量為0.495 g/m2，僅比雞樹條多，但其單葉滯塵量卻僅次于丁香，原因可能是望春玉蘭葉片大，有較強的單葉滯塵能力。

3.2 葉表皮微結構與滯塵量的關系

葉表皮微結構主要特征有：表皮絨毛、氣孔密度和大小、溝槽寬度和深度、蠟質層、晶狀體等。研究發(fā)現(xiàn)，葉表面粗糙、褶皺較多，或被有蠟質層的植物有利于粉塵顆粒物的附著［15］。其中，植物葉片的表皮絨毛可增加葉表的粗糙度，從而增加滯塵量［16］，進一步的研究表明，長而稀疏的絨毛不利于滯塵，短而稠密的絨毛可增加植物葉片滯塵量［6］，但也有不同的觀點，長而細的絨毛比較容易卡住粉塵顆粒物，使顆粒物滯留于植物葉表，從而加強滯塵量［17］。本研究認為密集且長短適中的絨毛有利于滯塵，毛櫻桃葉的上表皮布有短而密集的表皮毛，且上表皮有較密集的溝槽［18］，在本研究中其單位面積滯塵量中等偏上，但由于單個葉片較小，其單葉滯塵量呈中等。另外，國槐葉片表面著生細密絨毛，其單位面積滯塵量居第二。

粉塵顆粒物容易滯留于具有溝槽結構的植物葉片，從而增加其滯塵能力［15］。溝槽越密集，越有利于粉塵顆粒物的滯留［19］，反之，則滯塵能力弱［20］：國槐葉片表面布滿密集溝槽，其單位面積滯塵量位居第二。孫曉丹等［21］得出相反的結論，植物葉片的溝槽比例與滯塵量呈負相關關系。此外，溝槽寬度也會對粉塵顆粒物的滯留產生影響，溝槽寬度適中的葉表更容易滯留粉塵顆粒物［22］：日本晚櫻葉片上表面溝槽較淺或較平整，不利于粉塵的穩(wěn)定固著［15］，同其他樹種相比，日本晚櫻的單位面積滯塵量屬于中等偏下；由于望春玉蘭表面溝槽縫隙間距大，粉塵不易附著，其單位面積滯塵量居于末尾。但目前學術界對有利于滯塵的溝槽寬度閾值還沒有明確界定，賈彥等［23］在對7種綠化樹種測定后發(fā)現(xiàn)，當葉表溝槽寬度小于或等于粉塵顆粒物時，葉片的滯塵能力不僅不會增加，甚至還會減弱。

此外，葉表面具有突起結構及氣孔等有利于滯留粉塵，提高樹種的滯塵能力。丁香上表皮細胞有一種單個乳突結構，并且氣孔內陷［24］，在本研究中其單位面積滯塵量屬中等偏上，且由于其葉片適中，單葉滯塵量位居第一；國槐的葉片上表面有一定寬度且高度較低的條狀突起，條狀突起間相互交錯［19］，其單位面積滯塵量僅次于冬青衛(wèi)矛；水栒子角質膜具有乳突［25］，其單位面積滯塵量位居第三；白杜葉片上表皮表面無紋飾，有氣孔分布［26］，其單位面積滯塵量屬于中等；忍冬葉片表面光滑、平坦，金銀忍冬葉片上表面有乳狀顆粒分布［27］，在本研究中忍冬和金銀忍冬單位面積滯塵量和單葉滯塵量均因其葉表不太粗糙的微結構特征處于中等水平。

3.3 結論

本研究對晉中山西農業(yè)大學20種常見綠化樹種滯塵能力與葉片形態(tài)、葉表微結構的關系進行研究，研究結果如下。

1）不同樹種滯塵能力差異明顯。冬青衛(wèi)矛、國槐、水栒子滯塵能力最強，平均滯塵量為1.49 g/m2；金葉連翹、火炬樹、白杜、毛櫻桃等12個樹種滯塵能力次之，平均滯塵量為0.81 g/m2；雞樹條、龍爪槐等5個樹種平均滯塵量為0.50 g/m2。

2）葉片形態(tài)與滯塵關系密切，其中長軸、短軸和單葉面積影響單葉滯塵量，但葉片形態(tài)參數(shù)與單位面積滯塵量不存在相關性。

3）葉片表面結構是影響單位面積滯塵量的重要因素，葉表面粗糙、褶皺多、具有大量的溝槽和突起結構及氣孔或被有蠟質層促進滯塵，相反，葉表面光滑、褶皺少、溝槽和突起結構少及無蠟質層不利于滯塵。