鄭州市常綠樹種滯塵能力與葉片生理結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

賀 丹，汪安印，李紫萱，王翼飛，李朝梅，雷雅凱，李永華，董娜琳

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 蘇州大學(xué)金螳螂建筑學(xué)院，江蘇 蘇州 215127）

0 引言

【研究意義】大氣顆粒物是指懸浮在空氣中微小固體和液體小滴的混合物，是霧、煙和空氣塵埃的主要成分。其中按顆粒物直徑可分為總懸浮顆粒物（TSP，d≤100 μm）、PM10（d≤10 μm）和PM2.5（d≤2.5 μm）[1]。由于城市化進程加快以及能源消耗不斷增加，我國大氣顆粒物污染日益嚴(yán)重，尤以冬季為甚，危害巨大[2?5]。植物能夠阻擋、過濾和吸滯大氣顆粒物[6,7]。不同的綠化樹種，對于不同粒徑顆粒物的滯塵能力有明顯差異，在改善城市大氣顆粒物污染中起重要作用[1,4,8]?！厩叭搜芯窟M展】目前，國內(nèi)外學(xué)者在植物滯塵能力方面進行了一定的研究，例如植物的滯塵能力受到環(huán)境因子、生理特性和葉片結(jié)構(gòu)的影響[9?12]。不同地區(qū)環(huán)境污染程度存在較大差異，植物為了適應(yīng)環(huán)境會改變自身的生理特性[13]。在大氣污染嚴(yán)重的地區(qū)，植物葉片滯留的大量顆粒物會導(dǎo)致其光合作用減弱，進而使葉片中的葉綠素a、b 破壞分解[14]。同時在該地區(qū)，植物葉片內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除平衡也會受到破壞，引發(fā)膜脂過氧化，最終導(dǎo)致丙二醛含量升高[14]。而且，在植物葉片周圍懸浮的顆粒物很容易造成植物葉片的氣孔堵塞，此時氣孔密度增加有利于提高葉片單位葉面積的氣孔交換能力，使其能適應(yīng)污染嚴(yán)重的環(huán)境[13]。因此，環(huán)境污染程度也影響著葉片表面結(jié)構(gòu)的變化[10,15,16]。植物葉表結(jié)構(gòu)會影響其滯塵能力，葉表粗糙多毛的樹種的滯塵能力顯著高于葉表光滑的樹種[17]。此外，葉表滯留的顆粒物集中分布在中脈和凹槽附近[18]?！颈狙芯壳腥朦c】鄭州由于冬季采暖，大氣顆粒物污染嚴(yán)重，而部分植物存在落葉無法滯塵的情況，此時常綠樹種在冬季滯塵的作用顯得尤為重要[19?21]。目前，鄭州市常綠樹種綜合抗污染性相關(guān)研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以鄭州市7 種常見的常綠樹種為研究對象，測定并計算出各樹種單位葉面積滯留不同粒徑顆粒物（TSP、PM10和PM2.5）的質(zhì)量，比較分析不同污染程度下各樹種葉片的生理指標(biāo)（葉綠素a、b 和丙二醛）和葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)，探討不同污染程度下不同樹種的抗污染能力，為篩選緩解鄭州市空氣粉塵污染、提升空氣質(zhì)量的園林綠化樹種提供了一定的理論依 據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

鄭州市地處河南省中北部（34°16′～34°58′N，112°42′～114°14′E），屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年降水量652.9 mm，且多集中在夏季，冬季降水較少，大氣顆粒物污染頻發(fā)[22]。本次采樣地點設(shè)置在鄭州市中原區(qū)，選取3 個有代表性的采樣區(qū)，分別為新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)熱力公司（簡稱工廠）、隴海西路（簡稱道路）和鄭州植物園（簡稱公園）?，F(xiàn)場測得的空氣顆粒物含量分別為146.4 μg·m?3、101.3 μg·m?3、53.8 μg·m?3，對應(yīng)設(shè)為高、中和低3 個不同污 染等級（圖1）。

圖1 采樣區(qū)域分布Fig. 1 Schematic distribution of sampling area注：1、公園；2、道路；3、工廠。圖5 同。Note: 1. park; 2. road; 3. factory. The same was applied in Fig.5.

1.2 供試樹種

在3 處不同污染程度采樣區(qū)選擇7 種鄭州市典型常綠樹種為研究對象，分別為針葉樹種：圓柏（Sabina chinensis）和雪松（Cedrus deodara），闊葉樹種：女貞（Ligustrum lucidum）、石楠（Photinia serratifolia）、大葉黃楊（Buxus megistophylla）、海桐（Pittosporum tobira）和南天竹（Nandina domestica）。其中，2 種針葉樹種在鄭州市主要公園的平均出現(xiàn)頻率為100%，5 種闊葉樹種平均出現(xiàn)的頻率為80%。每種樹種隨機選擇3 株，要求生長健壯無病害，生長 狀況一致。

1.3 葉片采集方法

采樣時間為鄭州冬季供暖后，于 2020 年11 月雨后第7 天開始（微風(fēng)無降水的天氣條件）在3 處采樣地區(qū)進行采集，各供試樹種設(shè)置3 個重復(fù)，共采集3 次。每次采樣采取分層取樣法，將樹冠分為上、中、下3 個垂直部分和東西南北的4 個方向，隨機均勻地采集健康完整的葉片，單葉較大樹種采取10～15 片，較小的樹種采取30～45 片，小心放入樣品袋中 ，并立即帶回實驗室處理。

1.4 葉面滯塵量的測定

采用改良的分級濾膜過濾法測定各樹種葉片滯留 TSP、PM10和PM2.5的質(zhì)量[4]。通過便攜式葉面積儀（YMJ-B，浙江托普）對植物葉面積進行測定；針葉樹采用王會霞的排水法計算葉面積[23]。每個樹種葉面積的測定重復(fù)3 次，分別計算各植物 TSP、PM10、PM2.5滯留量與葉片總面積的比值，得到單位葉 面積各粒徑顆粒物的滯留量。

1.5 生理指標(biāo)測定

選取新鮮的葉片對植物其他生理指標(biāo)進行測定。每項試驗重復(fù)測定3 次，將葉片洗凈后放在65 ℃的烘箱中烘干，除去葉脈后剪碎，葉綠素a、b 值采用改良的80%丙酮溶液浸提比色分析測定[14]；丙二醛 （MAD）采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法測定[24]。

1.6 葉表面微結(jié)構(gòu)觀測

將葉片平放，切成1 cm×1 cm 正方形，用超景深三維視頻顯微鏡（Leica-DVM6A，德國）在60 倍的放大倍數(shù)下觀察各樹種葉表面靠近中脈和遠離中脈的顆粒物的分布情況以及葉表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)。隨后刮去上表皮和葉肉組織，只留下表皮，在1 200 倍的放 大倍數(shù)下觀察并統(tǒng)計氣孔的大小、數(shù)量等。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0 軟件進行單因素方差分析（ANOVA），確定不同樹種各粒徑顆粒物的滯塵能力以及生理指標(biāo)的差異，并用最小顯著差數(shù)法（LSD）和Dunnett’s T2 檢驗數(shù)據(jù)之間的差異顯著性，采用Pearson 相關(guān)性分析法分析植物葉片滯塵能力與生理指標(biāo)之間的關(guān)系，采用Excel 2010、Origin 2007繪 圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同程度污染下樹種滯塵能力比較

如圖2 所示，各樹種單位葉面積滯留TSP、PM10、PM2.5的變化范圍分別為0.385～29.012 g·m?2，0.211～13.033 g·m?2和0.134～12.109 g·m?2。不同樹種滯塵量差異顯著，針葉樹種單位葉面積滯塵量顯著高于闊葉樹種，針葉樹種中圓柏的滯塵量高于雪松，闊葉樹種中單位葉面積滯塵量最高為女貞，其次依次為石楠、大葉黃楊和海桐，滯留量最低的為南天竹。其中石楠與大葉黃楊、海桐與南天竹之間滯塵量存在顯著性差異（P＜0.05）。同一樹種在不同污染程度采樣區(qū)的滯塵量差異也較大，污染越嚴(yán)重的地區(qū)樹種滯塵量越高。單位葉面積滯留TSP 能力最強的圓柏和雪松在工廠的滯留量是其在清潔區(qū)公園的4.3 倍和5.6 倍，而TSP 滯留能力較差的大葉黃楊和海桐在工廠的滯留量是其在公園滯留量的3 .6 倍和3.8 倍。

圖2 7 種常綠樹種在3 個采樣區(qū)滯塵量的比較Fig. 2 Dust deposition on 7 species of evergreen in 3 sampling areas注：不同小寫字母表示在同一采樣區(qū)下不同樹種間差異顯著（P＜0.05）；A、圓柏；B、雪松；C、女貞；D、石楠；E、大葉黃楊；F、海桐；G、南天竹。圖3、圖4 和圖5 同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences among different tree species in the same sampling area (P＜0.05); A. Sabina chinensis. B. Cedrus deodara. C. Ligustrum lucidum. D. Photinia serratifolia. E. Buxus megistophylla. F. Pittosporum tobira. G. Nandina domestica. The same for Fig.3, 4, 5.

2.2 不同污染程度對樹種葉片生理特性的影響

7 種樹種在3 個不同污染程度采樣區(qū)的葉綠素含量差異較大，污染越嚴(yán)重葉綠素含量越低；而丙二醛含量則隨污染程度的加深而增加（圖3）。相同污染程度下7 種樹種的生理響應(yīng)程度也存在差異，石楠和大葉黃楊的葉綠素a、葉綠素b 含量顯著高于其他綠化樹種（P＜0.05），圓柏和雪松的丙二醛含量顯著高于其他綠化樹種（P＜0.05）。在污染嚴(yán)重的情況下，圓柏、雪松的葉綠素a 含量變化較小，分別為0.06 mg·g?1和0.03 mg·g?1，葉綠素b 含量變化較小的樹種為圓柏、雪松和女貞，分別為0.01 mg·g?1、0.04 mg·g?1和0.04 mg·g?1，而海桐和南天竹的丙二醛含 量 變 化 較 小， 分 別 為 3.82 μmol·g?1和 2.71 μ mol·g?1。

圖3 7 種常綠樹種在3 處采樣區(qū)的葉綠素a、b 以及丙二醛含量比較Fig. 3 Contents of chlorophyll a, chlorophyll b, and malondialdehyde of evergreens in 3 sampling areas

2.3 不同植物葉面結(jié)構(gòu)分析

利用超景深三維視頻顯微鏡對7 種常綠樹種葉片的主脈、側(cè)脈等進行觀察（圖4）。針葉樹種圓柏和雪松的葉表面附著大量的顆粒物，顆粒物滯留量明顯高于闊葉樹種（圖4A、4B）；闊葉樹種女貞和石楠的葉表面均有明顯的主脈和側(cè)脈結(jié)構(gòu)，附著有較多的顆粒物（圖4C、4D），二者在闊葉樹種中滯留顆粒物最多；大葉黃楊上表面溝槽較淺或較平整，粉塵固著較分散，除中脈外有少量的顆粒物滯留（圖4E），總體顆粒物滯留量一般；海桐的褶皺和溝槽中滯留著一定數(shù)量的顆粒物，且在除中脈外的區(qū)域仍有一些顆粒物滯留，整體上海桐顆粒物滯留量一般（圖4F）；南天竹極窄的中脈有少量的顆粒物滯留，除中脈外葉表面其余部分光滑無毛，無顆粒物滯留，因此整體葉片粉塵滯留最少（圖4G）。

圖4 7 種常綠樹種的葉面顆粒物分布Fig. 4 Distribution of particles fell on leaves of various species of evergreens注：箭頭為不同植物葉面顆粒分布集中區(qū)域（×60 倍）。Note: Arrows are the concentrated areas of leaf particles of different plants (×60 times).

由表1 和圖5 可知，同一植物在不同污染程度下氣孔密度和氣孔大小不同，除圓柏和雪松外，女貞、石楠、大葉黃楊、海桐、南天竹的氣孔密度均隨污染程度增加而變大，而氣孔長度和氣孔寬度均隨污染程度增加而變小。隨著污染程度增加，7 種樹種中，雪松和圓柏的氣孔密度變化較小，石楠和海桐變化較大；氣孔長度變化較小的為女貞和圓柏，變化較大的為雪松和海桐；南天竹和女貞的氣孔寬度變化較小，海桐和圓柏變化較大。利用SPSS 中一般線性模型，以污染程度和樹種差異為固定因子，以氣孔長度、氣孔寬度和氣孔密度為因變量進行方差分析，探究樹種差異和污染程度對氣孔指標(biāo)的影。

表 1 7 種常綠樹種在3 處采樣區(qū)的葉面氣孔參數(shù)Table 1 Stomatal parameters of evergreens in 3 sampling area

圖5 7 種常綠樹種在3 處采樣區(qū)的葉面氣孔形態(tài)觀察 （×1 200 倍）Fig. 5 Leaf stomata morphology of evergreens in 3 sampling areas (1 200 ×)

2.4 滯塵量與生理指標(biāo)的相關(guān)性及主成分分析

為了進一步分析樹種滯塵能力與生理指標(biāo)之間的關(guān)系，分析各樹種的單位葉面積顆粒物（TSP、PM10、PM2.5）滯留量與生理指標(biāo)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)達到極顯著相關(guān)的有7 個（表3）。

表 2 樹種、污染程度與氣孔指標(biāo)的方差分析Table 2 Variance analysis on tree species, pollution degree, and stoma index

表3 葉片滯塵量與生理指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between dust retention and physiological indices of leaves

將滯塵、生理指標(biāo)轉(zhuǎn)化為6 個主成分進行分析（表4）。由滯塵量在第1 主成分上具有較高載荷，說明第1 主成分主要反映了植物滯塵能力。第2 主成分中葉綠素a、b 含量具有較高載荷，說明第2 主成分主要反映了樹種的生理響應(yīng)。前2 個主成分的累積方差貢獻率為96.65%，反映出滯塵能力和生理指標(biāo)95%以上的信息；因此，可以提取前2 個主成分 作為植物滯塵能力和生理響應(yīng)評價的綜合指標(biāo)。

表4 滯塵量與生理指標(biāo)的主成分貢獻率和因子載荷矩陣Table 4 Contribution rate and factor loading matrix of principal components on dust retention and physiological indicators

2.5 樹種抗污染性綜合評價

為了更好評價供試植物的綜合抗污染能力，根據(jù)提取的前2 個主成分的貢獻率得到樹種的綜合得分公式：

F=0.799 2F1+0.167 3F2

式中：F1表示樹種在第1 主成分的得分；F2表示樹種在第2 主成分的得分；F 表示樹種的綜合得分。

基于以上公式對植物的滯塵、生理以及綜合抗污染能力進行評價和排序（表5），得出滯塵能力排前2 名的樹種為雪松和圓柏，說明雪松和圓柏的滯塵能力較強，生理響應(yīng)前2 名的樹種為石楠和女貞，綜 合得分前2 名為雪松和圓柏。

表5 樹種在第1、2 主成分的得分以及綜合得分Table 5 Overall score and scores of first and second principal components on varied species of plants

3 討論

綜合單位葉面積滯塵量和葉表面觀察，發(fā)現(xiàn)，7 種常綠樹種中，針葉樹的單位葉面積滯塵能力顯著強于闊葉樹種，這可能與針葉樹本身存在蠟質(zhì)微結(jié)構(gòu)有關(guān)，這與史軍娜等[25]、 趙松婷等[26]的研究結(jié)果一致。針葉樹種中圓柏的單位葉面積TSP 滯留能力強于雪松，且兩者之間存在顯著差異，圓柏的鱗形葉有密集的脊?fàn)钔黄?，突起之間溝槽寬度與深度較明顯，對粒徑較大的顆粒物(TSP)滯留能力更顯著[27,28]。雪松分泌的油脂對粒徑較小的顆粒物(PM10和PM2.5)滯留能力更顯著[25?27]。結(jié)合單位葉面積滯塵量，闊葉樹種中，女貞的滯塵能力最強，大葉黃楊、石楠和海桐葉表面較光滑，滯塵能力一般，南天竹滯塵能力最差，雖然南天竹氣孔密度最大，但由于葉片表面氣孔較小且平整，滯塵能力最弱[19,29]。

本研究中各樹種葉片葉綠素a、b 含量在污染嚴(yán)重的地區(qū)較低，并與滯塵量呈顯著負相關(guān)（P＜0.01）。這可能是由于葉片受到大氣污染后，葉片中的葉綠素a、b 受到破壞而分解。裘璐函等[30]的研究也表明隨滯塵時間的增加, 大部分樹種葉片葉綠素相對含量呈下降趨勢。本研究中丙二醛含量與滯塵量呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），在污染嚴(yán)重的地區(qū)相對較高，這可能是由于污染物破壞了植物葉片內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡，導(dǎo)致丙二醛含量升高[24,31]；此外， 俎麗紅等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，樹種的丙二醛含量升高還可能與大氣顆粒物中重金屬含量較高、供試樹種年齡較大有關(guān)。污染嚴(yán)重的工廠的植物，氣孔密度最大，長度和寬度均最小，滯塵能力較強。王會霞等[13]、李艷梅等[33]發(fā)現(xiàn)不同程度的顆粒物污染會導(dǎo)致植物氣孔大小和密度發(fā)生變化。這可能是由于植物在遭受顆粒物污染時其氣孔密度在一定閾值內(nèi)增加有利于提高葉片單位葉面積的氣孔交換能力，使其能適應(yīng)污染嚴(yán)重的環(huán)境[34]。而氣孔密度與滯塵能力在整體閾值上影響趨勢仍需進一步研究。不同樹種在遭受顆粒物污染時生理指標(biāo)響應(yīng)程度不同，在嚴(yán)重污染的情況下，圓柏和雪松等樹種的葉綠素a、b 含量、氣孔密度和氣孔長度等生理指標(biāo)的變化較小，說明二者對于顆粒物污染的抗性較強，這可能與針葉樹種能分泌脂類物質(zhì)提升自身的抑菌和抗污染能力有關(guān)[27,32]。

通過主成分分析法得出樹種綜合抗污染能力的得分依次為雪松、圓柏、女貞、石楠、大葉黃楊、海桐和南天竹?？梢姡┧珊蛨A柏的綜合抗污染能力較強，是因為二者滯塵能力強，同時在遭受污染時生理指標(biāo)變化小即對顆粒物污染的抗性較強，因此 二者擁有較強的綜合抗污染能力。

4 結(jié)論

（1）樹種滯塵能力與葉表面結(jié)構(gòu)（溝槽、中脈、毛狀體和氣孔等）密切相關(guān)，葉表面粗糙的樹種滯塵能力更強。不同程度污染下樹種的滯塵量不同，污染越嚴(yán)重的地區(qū)樹種滯塵量越高。

（2）大部分樹種的葉綠素a、b 含量在污染嚴(yán)重地區(qū)相對較低，丙二醛含量在污染嚴(yán)重地區(qū)相對較高。樹種的滯塵量與生理指標(biāo)存在顯著相關(guān)性，不同樹種在遭受顆粒物污染時生理指標(biāo)響應(yīng)程度不同。

（3）綜上所述，今后在鄭州治理大氣粉塵污染、進行城市綠化時，還需將滯塵能力、不同植物葉表結(jié)構(gòu)進行綜合考慮，應(yīng)優(yōu)先選用雪松、圓柏這種綜合抗污染能力較強的樹種從而提高城市環(huán)境質(zhì)量。