6種葉菜吸附顆粒物與葉片微形態(tài)特征研究

查 燕，牛天新，湯 婕

（1.杭州市農(nóng)業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310024；2.安徽農(nóng)業(yè)大學，安徽 合肥 230016）

【研究意義】隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，大氣顆粒物污染已經(jīng)嚴重影響到城市環(huán)境和人類健康。研究發(fā)現(xiàn)，城市綠化植物葉片通過吸附或滯留大氣顆粒物的方式，以減少或控制大氣顆粒物含量，發(fā)揮改善空氣質量的功能[1-2]。【前人研究進展】大氣顆粒物是有毒有害物質的載體，能夠通過葉面氣孔的主要途徑吸收大氣顆粒物中攜帶的污染物，例如重金屬[3-4]、多環(huán)芳烴[5]、黑碳[6]，其中一部分存在于葉片表面，一部分被固定于植物蠟質層中。由此可見，利用植物吸收大氣污染物實現(xiàn)改善空氣質量被認為是一種生態(tài)友好型的控制手段[7-8]。近年來，利用植物監(jiān)測大氣環(huán)境的報道較多，大量研究集中在綠化植物對不同粒徑顆粒物的吸附效應上?！颈狙芯壳腥朦c】葉菜作為一種特殊的綠色植物，不僅是人類日常生活的重要組成部分，而且在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著關鍵作用。目前研究已表明，大氣顆粒物負載的重金屬已成為我國蔬菜中重金屬積累的重要來源之一[9-11]，其中25%～40%的植物重金屬來源于受污染區(qū)域大氣沉降顆粒物[12-13]。在工業(yè)污染密集區(qū)域大氣沉降是農(nóng)作物中Cd、Pb、As 和Hg 等重金屬的重要來源[14]。綜上所述，葉菜葉片重金屬含量存在超標現(xiàn)象，究其原因可能與其龐大的葉表面為大氣顆粒物及其攜帶的污染物進入體內提供了更大的可能[15-16]。葉菜作為一種大氣-土壤交界的重要環(huán)境界面，同樣具備顯著消減大氣顆粒物濃度的生態(tài)功能?！緮M解決的關鍵問題】目前，關于定量研究葉菜對吸附大氣顆粒物的特征和機理研究卻鮮有報道。鑒于此，本研究對杭州市6 種常見葉菜葉片不同粒徑顆粒物吸附量及葉表微形態(tài)特征進行分析，以期為利用葉菜表征區(qū)域大氣顆粒物污染提供參考依據(jù)，同時為今后探究顆粒物中重金屬對葉菜食用安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)擾動機制提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試6 個葉菜品種分別為青菜Brassica chinensisL.、菠菜Spinacia oleraceaL.、生菜Lactuca sativavar.crispa、莧菜Amaranthus tricolorL.杭白菜Brassica chinensisvar.oleifera、葉用番薯Ipomoea batatas，均種植于杭州市農(nóng)科院基地。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集 選擇晴朗天氣種植6 種葉菜，每種葉菜種植12 顆。栽培期間添加適當自來水以保持土壤濕度，切勿對葉片進行噴灑灌溉，以保證葉片表面顆粒物的完整性。待葉菜成熟后選擇晴朗無風天氣統(tǒng)一進行采集，且采樣前2 周內無降雨和大風等極端天氣。分別在各葉菜東、南、西、北4 個方向選擇葉面積相近、生長狀況良好的健康葉片作為樣本，每種葉菜分別采集約60片葉片，分3組用于重復試驗。樣品采集后小心裝入自封袋中帶回實驗室，置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆么治觥?/p>

1.2.2 測定指標及方法 分別將試驗所需的10、2.5和0.2 μm 的纖維濾網(wǎng)進行編號，隨后放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重（2 h），置于萬分之一天平上稱量得到各孔徑濾膜的初始質量，記作W1。先用約300 mL的超純水浸泡采集的葉片。通過超聲波清洗器將附著于葉片的顆粒物震蕩溶于超純水中，用鑷子輕輕夾出葉片置于200 mL 超純水中，再用毛刷輕刷葉片上下表面2～3次，合并2次懸濁液。不同粒徑顆粒物測定方法參照Xu 等[17]。用已烘干的不同孔徑濾膜放置在直徑47 mm 的真空抽濾裝置（R300E，美國Sciencetool）中依次用10、2.5和0.2 μm 的親水性濾膜（EMD Milipore USA）進行3 次分級抽濾，得到的載塵濾膜放置烘箱中烘干至恒重（60 ℃，6 h）。再用萬分之一天平稱量，分別得到各濾紙質量W2。用差量法分別計算各樣本中不同粒徑顆粒物質量。采用3000c 型葉面積儀計算葉面積（S），計算單位葉片面積吸附顆粒物質量。葉菜葉片每單位面積吸附顆粒物量為W=（W2-W1）/S。

選取清洗干凈后的葉片，用刀片避開葉脈切割成5 mm×5 mm 的正方形若干，分為上下表面分別制樣。用真空冷凍干燥機（-83 ℃）干燥36 h。樣品干燥后經(jīng)過噴金處理，采用環(huán)境掃描電鏡（FEI Quanta-200，美國FEI公司）觀察葉片表面微結構。用Image J軟件（國立衛(wèi)生研究院，美國）量化單位面積葉片上氣孔長度和氣孔寬度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理分析應用SPSS 19.0 軟件，計量采用均數(shù)±標準差表示。為驗證不同葉菜葉片吸附不同粒徑顆粒物的種間差異，對上述參數(shù)進行了單因素方差分析（One-way，ANOVA），并采用了最小顯著性差異法（least significant difference，LSD，P＜0.05）進行檢驗。并進行雙因素方差（Two-way Anova）分析不同粒徑顆粒物質量與微形態(tài)各指標間的關系。

2 結果與討論

2.1 不同葉菜總顆粒物吸附量

研究表明，本研究測定的6種葉菜總顆粒物吸附量存在差異（圖1A）。6種葉菜葉片單位面積TSP吸附量由大到小依次為葉用番薯、青菜、菠菜、杭白菜、莧菜和生菜。其中葉用番薯單位面積PM吸附量最大，為（192.31±17.46）μg/cm2，生菜吸附量最小，為（51.35±7.67）μg/cm2。葉用番薯單位面積PM吸附量是生菜的3.75 倍。韓營[18]2019 年研究發(fā)現(xiàn)南方和北方秋季青菜葉表面吸附顆粒物平均含量分別為111 μg/cm2和303 μg/cm2，表明葉菜葉片對大氣顆粒物的吸附易受到葉菜生長環(huán)境的影響。林鑫濤等[19]研究發(fā)現(xiàn)青岡、冬青、紅花檵木對顆粒物平均吸附量在30.4～63.7 μg/cm2，低于本研究結果。劉延惠等[20]研究發(fā)現(xiàn)喬木和灌木2種生活型樹種葉面懸浮總顆粒物吸滯量為1.56～11.14 μg/cm2，低于本研究結果。

2.2 葉菜對不同粒徑顆粒物吸附量的比較

不同品種葉菜對不同粒徑顆粒物的吸附量存在顯著差異。6種葉菜單位面積吸附PM＞10的能力由大到小表現(xiàn)為葉用番薯、青菜、菠菜、杭白菜、莧菜和生菜（圖1B），其中葉用番薯和青菜對大顆粒物的吸附量顯著大于其他4種葉菜，比附吸附能力最小的生菜分別高出4.16倍和2.69倍。6種葉菜葉片單位面積吸附PM2.5～10的能力由大到小表現(xiàn)為葉用番薯、菠菜、莧菜、青菜、生菜和杭白菜（圖1C），其中吸附量最大的葉用番薯（22.62±4.15）μg/cm2，吸附量最小的杭白菜（6.46±1.22）μg/cm2，葉用番薯高出杭白菜3.50倍。6 種葉菜葉片單位面積吸附細PM0.2～2.5的能力由大到小表現(xiàn)為葉用番薯、菠菜、青菜、杭白菜、生菜和莧菜（圖1D），其中吸附量最大的葉用番薯（6.34±1.39）μg/cm2，吸附量最小的莧菜（1.13±0.37）μg/cm2，葉用番薯高出莧菜5.61倍?？傮w而言，葉用番薯對PM、PM＞10、PM2.5～10及PM0.2～2.5的吸附量最多，生菜對PM和PM＞10的吸附量最少，杭白菜對PM2.5～10的吸附量最少，莧菜對PM0.2～2.5的吸附量最少。大量研究表明，植物葉片微形態(tài)特征是導致其吸附顆粒物差異的重要因素[21]。

圖1 葉菜葉片單位面積顆粒物吸附量Fig.1 The adsorption particulate matter mass per unit area on leave surface

2.3 葉菜對不同粒徑顆粒物吸附量百分比的比較

由圖2 可知，葉菜葉片以吸附PM＞10為主，占總顆粒物質量的75.19%～88.42%，PM2.5～10占總顆粒物質量的7.75%～22.93%，PM0.2～2.5占總顆粒物質量的1.87%～4.19%。李春義等[8]研究發(fā)現(xiàn)濕地植物葉面以滯留10～100 μm 的顆粒物為主，占PM 組分的64.2%～87.1%。Dzierzanowsi 等[22]研究發(fā)現(xiàn)植物葉面吸附顆粒物以10～100 μm粒徑為主，其次是2.5～10 μm，＜2.5 μm 的最少。木尼拉[23]研究發(fā)現(xiàn)PM＞10占總顆粒物的70.58%～97.37%，粗顆粒物PM1～10占總顆粒物的比例為2.60%～29.42%，劉延惠等[20]研究發(fā)現(xiàn)葉面吸滯的大顆粒物（PM10～100）和粗顆粒物（PM2.5～10）質量百分比為97.36%，而對細顆粒物（PM1.0～2.5）和超細顆粒物（PM1）吸滯能力較弱。王琴等[24]研究發(fā)現(xiàn)各喬木單位葉面積滯留PM2.5和PM10質量分別占總粉塵量的0.7%～8.9%和3.6%～33.9%，與本研究結論類似。綜上所述，葉菜葉表面對不同粒徑顆粒物的吸附特征與城市綠化植物一致，主要以吸附PM＞10為主，PM2.5～10其次，PM0.2～2.5最少。

圖2 葉菜對不同粒徑顆粒物吸附量比例Fig.2 The adsorption ratio of different sizes of particulate matter by leafy vegetable

2.4 葉菜葉表面微形態(tài)

植物吸附PM2.5等大氣顆粒物的影響因素有很多，與自身的生理學特征關系密切[19]。通過掃描電鏡對6種葉菜葉表面微結構進行觀察發(fā)現(xiàn)（圖3），杭白菜上表面較為平滑，粗糙度低（圖3，A1），具有淺狀的條紋突起，未觀察到明顯的氣孔器。葉片下表面氣孔呈褶皺狀，紋路排列無規(guī)則，氣孔器呈張開狀態(tài)，但氣孔較小（圖3，A2），其波狀起伏的溝壑結構有利于吸附顆粒物。莧菜葉片上表面粗糙且有凸起的紋路（圖3，B1），下表面波狀彎曲的褶皺狀與細胞壁構陷成規(guī)則的褶皺狀，且溝槽較深，但未能觀察到氣孔（圖3，B2）。菠菜葉片上下表面微形態(tài)相似，上表面粗糙，略微凸起紋路（圖3，C1），氣孔開口小，幾乎呈閉合狀態(tài)，條狀突起明顯，但溝壑深度較淺且溝槽不密集；下表面溝槽交錯與周邊組織形成的溝槽較寬，氣孔附近有不規(guī)則條狀組織，氣孔開口?。▓D3，C2）。生菜葉片上表面光滑，氣孔呈細長條狀，開口度較小（圖3，D1），此種結構不利于吸附細顆粒物。下表面粗糙且有溝壑組織，氣孔器開口大于葉片上表面（圖3，D2），其光滑的葉表面導致其吸附顆粒物的能力較弱。青菜葉片上表面粗糙，凸起的紋路交錯形成較大的溝槽。因此青菜易于吸附顆粒物（圖3，E1）。青菜下表面分布大量的氣孔器，但開口較小，且氣孔周圍溝槽較淺（圖3，E2），這樣的結構不利于吸附細顆粒物。葉用番薯葉片上表面粗糙，布滿波狀彎曲的密集褶皺，皺褶與細胞周壁下限構成不規(guī)則的溝槽圖3，F(xiàn)1）。葉片下表面氣孔開口較大，氣孔周圍密布褶皺，褶皺與細胞周壁形成密集的波折狀組織（圖3，F(xiàn)2），其復雜的微觀結構有利于吸附不同粒徑顆粒物。

圖3 6種葉菜葉片上下表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrographs of six leaves surface

2.5 葉片微形態(tài)與吸附不同粒徑顆粒物的關系

進一步通過線性擬合可見，氣孔長度、氣孔寬度與PM＞10質量呈顯著相關（圖4），隨著氣孔長度和寬度的增大，PM＞10質量也隨之增加。研究發(fā)現(xiàn)，更大的氣孔開口尺寸有利于植物葉面滯塵[25]，這與本研究結果一致。氣孔長度、寬度、氣孔長寬比與PM2.5～10質量無顯著線性關系（圖5）。氣孔長度與PM0.2～2.5質量呈相關關系，氣孔寬度與PM0.2～2.5質量呈顯著相關（圖6），隨著氣孔寬度的增大，細顆粒物質量也隨之增加。李春義等[8]研究發(fā)現(xiàn)，氣孔寬度與PM、PM10和PM2.5吸附量呈顯著正相關關系（P＜0.05），由于氣孔寬度越大，開合度也越大，因此有利于攔截顆粒物，且粒徑較小的顆粒物部分進入氣孔。此外，劉玲等[26]研究認為氣孔口大屬于氣孔吸附主導型，這類植物葉面主要以吸附細顆粒為主。Sch?nherr 等[27]通過研究得出氣孔密集且開口較大的植物葉片能夠滯留更多的PM2.5。本研究中以葉用番薯的氣孔寬度最大，達到14.55 μm，易使細顆粒物聚集于葉表面。而莧菜與生菜氣孔寬度和長度較小，導致其吸附顆粒物的能力小于其他4種葉菜。

圖4 葉片單位面積吸附PM＞10與氣孔關系Fig.4 The relationship between PM＞10 mass per unit area and stoma

圖5 葉片單位面積吸附PM2.5～10與氣孔關系Fig.5 The relationship between PM2.5-10 mass per unit area and stoma

圖6 葉片單位面積吸附PM0.2～2.5與氣孔關系Fig.6 The relationship between PM0.2-2.5 mass per unit area and stoma

表1 PM＞10與氣孔長度、寬度相關分析Tab.1 The correlation analysis between PM＞10 and stoma length，width

表2 PM2.5～10與氣孔長度、寬度相關分析Tab.2 The correlation analysis between PM2.5～10 and stoma length，width

表3 PM0.2～2.5與氣孔長度、寬度相關分析Tab.3 The correlation analysis between PM0.2-2.5 and stoma length，width

3 結論

本文在對6 種葉菜吸附顆粒物特征的研究基礎上，探討了葉表微形態(tài)與吸附顆粒物能力的關系，得出以下結論：

（1）不同葉菜葉表面對總顆粒物的吸附能力存在差異，6種葉菜葉片單位面積TSP吸附量由大到小依次為葉用番薯、青菜、菠菜、杭白菜、莧菜和生菜，以葉用番薯吸附總顆粒物的能力最強（22.62±4.15）μg/cm2，生菜吸附能力最弱（6.46±1.22）μg/cm2。

（2）通過比較葉菜對不同粒徑顆粒物的吸附量可知，以葉用番薯對PM＞10、PM2.5～10及PM0.2～2.5的能力最強，以生菜吸附PM＞10最弱，以杭白菜吸附PM2.5～10能力最弱，以莧菜吸附PM0.2～2.5能力最弱。

（3）葉菜葉片對不同粒徑顆粒物的吸附特征與城市綠化植物一致，主要以吸附PM＞10為主，占總顆粒物質量的75.19%～88.42%，PM2.5～10占總顆粒物質量的7.75%～22.93%，PM0.2～2.5占總顆粒物質量的1.87%～4.19%。

（4）通過線性擬合可知，氣孔長度、氣孔寬度與PM＞10質量呈顯著性關系，氣孔長度與PM0.2～2.5質量呈相關關系，氣孔寬度與PM0.2～2.5質量呈顯著性關系。本研究中氣孔寬度最大的葉用番薯（14.55 μm），其吸附顆粒物的能力最強。