青島市城陽區(qū)3種灌木滯塵研究

孫麗，李胤韜，張穎，徐萌，孫迎坤

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院，山東青島 266109； 2.福建興發(fā)投資發(fā)展有限公司，福建三明 365000)

近年來，工業(yè)生產(chǎn)不合理排放、生活采暖煤炭燃燒以及交通運(yùn)輸尾氣排放等活動(dòng)造成大量粉塵顆粒進(jìn)入大氣環(huán)境中，大氣污染成為城市的一個(gè)主要環(huán)境問題[1-3]。青島作為沿海旅游城市，霧霾天氣時(shí)有發(fā)生，對(duì)人體健康造成一定影響。城市綠地植物作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)改善大氣質(zhì)量、阻滯空氣中的粉塵顆粒、提高環(huán)境生態(tài)效應(yīng)具有重要作用[4-6]。因此，選擇滯塵、抗塵能力強(qiáng)的植物作為城市綠化主要樹種已成為城市綠化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也是提高空氣質(zhì)量、降低大氣污染的有效手段[7]。

研究表明不同植物對(duì)大氣顆粒物的阻滯效果不同。沈鑫等[8]研究發(fā)現(xiàn)楓香(Liquidambarformosana)、黃蘭(Micheliachampaca)等22種常見植物的單位葉面積滯塵量為3.7～34.7 g/m2，其中紅花羊蹄甲(Bauhiniablakeana)最高，楓香和黃蘭排名中等，龍吐珠(Clerodendrumthomsonae)滯塵量最低；以單葉滯塵量來看，每張葉片滯塵量范圍在0.002 9 g～0.117 3 g之間，其中蒲桃(Syzygiumjambos)最高，海桐(Pittosporumtobira)最低。不同植物對(duì)大氣顆粒物的阻滯效益與植物本身的葉片微觀形態(tài)存在顯著關(guān)聯(lián)[8-12]。以8種喬木為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)單位葉面積滯塵量較大的是紫葉李(Prunuscerasifera)、三球懸鈴木(Platanusorientalis)和毛白楊(Populustomentosa)，其中紫葉李單位葉面積滯塵量最大為2.04 g/m2，較小的是洋白蠟(Fraxinuspennsylvanica)、絳柳(Salixmatsudana)，最小的絳柳為0.57 g/m2。

分析發(fā)現(xiàn)葉表面微觀結(jié)構(gòu)與滯塵量存在顯著相關(guān)性，葉表面具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、表面粗糙、具褶皺、有溝槽或絨毛、氣孔大且多等特征的植物滯塵能力較強(qiáng)[13]。王琴等[14]發(fā)現(xiàn)武漢市15種常見的闊葉喬木中綜合滯塵能力最強(qiáng)的植物為二球懸鈴木(Platanusacerifolia)、桂花(Osmanthusfragrans)和石楠(Photiniaserratifolia)；女貞(Ligustrumlucidum)和荷花玉蘭(Magnoliagrandiflora)分別具有較強(qiáng)的滯留PM10和PM2.5的能力；加拿大楊(Populus×canadensis)滯留粉塵總顆粒物(total suspended particulates，TSP)和PM10的能力最弱，玉蘭(Yulaniadenudata)滯留PM10和PM2.5的能力最弱；植物微形態(tài)對(duì)滯塵能力影響較大，粗糙、褶皺多、有蠟質(zhì)層的植物利于粉塵顆粒物附著。

目前，在園林植物滯塵效益等方面的研究主要集中在北京[15]、上海[16]、廣州[17]、昆明[18]等大城市，而關(guān)于青島地區(qū)園林植物滯塵方面的研究還不夠深入。尤其是青島地鐵建設(shè)和道路改造項(xiàng)目的大力開展，建筑施工較為頻繁，導(dǎo)致許多大氣顆粒物污染問題嚴(yán)重。因此，本試驗(yàn)以青島市城陽區(qū)3種典型綠化灌木為研究對(duì)象，測(cè)定各灌木單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯塵量，對(duì)比和分析不同樹種滯留各粒徑顆粒物的能力；并從葉表面和莖面出發(fā)探究各項(xiàng)微結(jié)構(gòu)對(duì)植物滯塵能力的影響，為今后青島市利用園林植物治理大氣污染提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在青島市城陽區(qū)長城路、春城路、正陽路的綠化帶，附近車流量大。城陽區(qū)(東經(jīng)120°12′，北緯36°20′)地處中緯度溫帶季風(fēng)大陸氣候區(qū)，年平均氣溫在12.6 ℃左右。因距離沿海港口較近，受海洋影響，夏季氣溫較內(nèi)陸低，平均在24 ℃，冬季氣溫較高，平均-0.2 ℃左右。地勢(shì)較低，以丘陵和平原為主要地形，一面環(huán)山一面臨海。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為城陽區(qū)應(yīng)用頻度較高、生長狀況良好、高度基本一致的3種典型綠化灌木，分別為瓜子黃楊(Buxussinica)、火棘(Ligustrumquihoui)、小葉女貞(Pyracanthafortuneana)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 樣品采集與處理

在選定的區(qū)域，每一樹種設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每株在上、中、下等各部位多點(diǎn)采集葉片共30片，將樣葉小心封存于塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。采集過程中應(yīng)避免刮蹭到葉片表面，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。采集時(shí)間從2020年4月20日開始，每周采集1次，在周一早晨9：00進(jìn)行，一共采集4次，取平均值。

1.3.2 葉面滯塵量的測(cè)定

采取水洗過濾法，用離心機(jī)離心出所測(cè)植物表面的塵埃顆粒，然后通過10 μm、2.5 μm、0.2 μm孔徑的濾膜過濾，計(jì)算不同直徑大小的顆粒的質(zhì)量。通過孔徑10 μm、2.5 μm、0.2 μm濾膜上的顆粒物分別視為PM>10、PM2.5～10和PM2.5，顆粒物TSP為PM>10、PM2.5～10以及PM2.5的總和；PM10為PM2.5～10和PM2.5的和[19]。葉面積測(cè)定采用葉面儀法，將采集來的葉片樣品鋪平在葉面積儀(Yaxin-1242，北京雅欣理儀科技有限公司)上，進(jìn)行掃描測(cè)定，取3次重復(fù)的平均值。

植物單株滯塵量采用分層采樣法測(cè)定[20]。首先運(yùn)用目測(cè)法進(jìn)行分層、分級(jí)，直至小枝，然后再計(jì)算全株葉量。其中先按枝劃分，也可先將植株分為幾個(gè)大枝，接著對(duì)各大枝進(jìn)行分級(jí)，直至分到容易計(jì)數(shù)葉片的標(biāo)準(zhǔn)小枝為止，標(biāo)準(zhǔn)小枝長度近似相等，當(dāng)調(diào)查計(jì)數(shù)出標(biāo)準(zhǔn)小枝的葉片數(shù)量后，再計(jì)算全株葉量。公式為：m0=B×Y×m。

其中：m0為單株滯塵量，g/株；B為標(biāo)準(zhǔn)小枝數(shù)，個(gè)/株；Y為標(biāo)準(zhǔn)枝上的葉片數(shù)，片/個(gè)；m為平均每張葉片滯塵量，g/片。

1.3.3 葉表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)

選取試驗(yàn)地中待測(cè)的葉片后，立即封存在特定干凈的塑料封口袋內(nèi)，避免擠壓引起表面結(jié)構(gòu)和纖毛被破壞。將取樣的葉片洗凈后，從葉脈兩側(cè)的中部切取邊長約5 mm的正方形樣品若干，立即用2.5%的戊二醛溶液進(jìn)行固定，然后用磷酸緩沖液沖洗3～5次；對(duì)葉片干燥處理后，取大小適合的葉樣粘于樣品臺(tái)上，經(jīng)過噴金處理(60 mA/120 s)，在JEM-7500F型掃描電鏡下(JEOL公司，日本)觀察葉片正反面的表皮絨毛、氣孔大小及分布、褶皺結(jié)構(gòu)等形態(tài)特征，并同步進(jìn)行拍照及有關(guān)分析[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

以放大 200 倍的掃描電鏡圖片為主，并結(jié)合其他放大倍數(shù)的圖片，使用 Image J 量化統(tǒng)計(jì)單位面積(1 mm2)上的葉毛數(shù)量(正反兩面葉毛數(shù)量之和)、氣孔數(shù)量、氣孔大小(氣孔直徑，呈橢圓形時(shí)以長軸直徑計(jì)量)、溝槽比例(溝槽的投影面積占總面積的百分比)，利用DPS 7.01進(jìn)行線性擬合分析和最小顯著差數(shù)(LSD)法進(jìn)行多重比較(α=0.05)，采用Origin Pro 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種灌木單位葉面積滯塵能力比較

由圖1可以看出，3種灌木的單位葉面積滯塵量TSP火棘的最大，為1.84 g/m2；小葉女貞的最小，為1.44 g/m2。3種灌木的PM>10、PM10和PM2.5滯塵量的變化范圍分別為1.18～1.47 g/m2、0.16～0.33 g/m2和0.02～0.07 g/m2。3種灌木PM>10和PM10滯塵量均為火棘>瓜子黃楊>小葉女貞；而PM2.5滯塵量為小葉女貞>火棘>瓜子黃楊。3種灌木之間TSP、PM>10滯塵量差異顯著，PM10和PM2.5滯塵量差異不顯著(P<0.05)。

圖1 3種灌木單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯塵量

2.2 3種灌木單株滯塵能力分析

植物單株的滯塵能力不僅與其葉片的滯塵量有關(guān)，還應(yīng)綜合考慮單株樹木的總?cè)~面積。3種灌木單株滯塵量在3.99～21.19 g/株之間(表1)?；鸺膯沃曛参锟?cè)~面積最大為11.52 m2，而瓜子黃楊最小為2.77 m2；單株滯塵量由大到小依次為：火棘>小葉女貞>瓜子黃楊。

表1 3種灌木單株滯塵量

2.3 3種灌木葉表微結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電鏡對(duì)3種灌木葉片的表皮絨毛、氣孔大小及分布、褶皺結(jié)構(gòu)等進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示?；鸺媳砥]有明顯的突起和溝壑狀組織，葉表面粗糙，無絨毛(圖2A)；下表皮氣孔較多且分布密集，起伏大，存在不規(guī)則的條紋組織，葉脈存在密集的溝狀組織(圖2B)。小葉女貞葉片上表皮布滿乳狀突起，各乳狀突起之間形成溝狀組織，且存在絨毛(圖2C)；下表皮存在起伏的突起和氣孔，起伏程度小，溝狀組織寬度窄(圖2D)。瓜子黃楊的葉上表面存在塊狀突起，各突起間形成溝壑狀組織，存在絨毛(圖2E)；葉下表皮存在氣孔，起伏程度小，溝壑寬度窄、深度淺(圖2F)。

注：A：火棘上表面；B：火棘下表面；C：小葉女貞上表面；D：小葉女貞下表面；E：瓜子黃楊上表面；F：瓜子黃楊下表面。

通過對(duì)3種灌木的上下葉表面結(jié)構(gòu)觀察和比較，發(fā)現(xiàn)3種植物葉表面的結(jié)構(gòu)特征在一定程度上影響了葉表面的粗糙程度，從而影響植物對(duì)粉塵顆粒的吸持、固定的能力。小葉女貞和瓜子黃楊的葉上表面都存在乳狀突起和溝狀組織，并且附有絨毛纏繞，但瓜子黃楊的絨毛量和塊狀的突起程度不如小葉女貞，同時(shí)瓜子黃楊葉表面溝壑狀起伏寬度較窄，造成粉塵顆粒無法在其溝壑內(nèi)停留吸附，在一定程度上減少了粉塵顆粒與葉面的接觸面積，造成滯塵量下降；瓜子黃楊絨毛量比小葉女貞的絨毛量少，可以說明瓜子黃楊的滯塵量小于小葉女貞，而火棘上表面粗糙程度不如瓜子黃楊和小葉女貞，但下表皮氣孔較多且分布密集，起伏大，相對(duì)滯塵量大。

2.4 3種灌木葉表面結(jié)構(gòu)與滯塵量的線性關(guān)系

通過統(tǒng)計(jì)各葉表面表皮絨毛數(shù)量、下表皮氣孔密度、氣孔長度、表皮溝槽比例(上下表皮寬度)，探索其與植物單位葉面積總滯塵量TSP之間的關(guān)系。不同植物TSP與下表皮氣孔密度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.597 7(圖3A)；與溝槽比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.827 8(圖3B)，與葉表面表皮絨毛數(shù)量、氣孔長度無顯著關(guān)系。TSP與下表皮氣孔密度、表皮溝槽比例的線性擬合曲線方程如圖3。

圖3 3種灌木單位葉面積總滯塵量與氣孔密度及溝槽比例的關(guān)系擬合曲線

3 討論

植物滯塵量會(huì)受到各種因素的綜合影響。研究中3種灌木的葉面滯塵量TSP從大到小順序?yàn)椋夯鸺?小葉女貞>瓜子黃楊，造成葉面滯塵量差異的原因可能是由于它們?nèi)~面結(jié)構(gòu)的粗糙程度、氣孔密度、絨毛覆蓋量等存在差異?；鸺~表面并沒有能增加與粉塵顆粒接觸的粗糙結(jié)構(gòu)，但存在密布的氣孔，而小葉女貞和瓜子黃楊的表面則是布滿了起伏的溝狀組織和絨毛，極大地增加了粉塵顆粒在其上附著的機(jī)率。滯塵試驗(yàn)結(jié)果表明，火棘葉表面滯塵量比其他兩種植物都大，這可能與葉表面的特征分布有關(guān)[21]，具體還需進(jìn)一步研究。植株葉片傾斜角對(duì)滯塵能力可能產(chǎn)生影響，俞雪如[22]將法國冬青的5個(gè)角度范圍的滯塵量做了比較，發(fā)現(xiàn)60°～90°滯塵量最大，30°～60°滯塵量最小，滯塵量相差懸殊。造成滯塵量差異的原因還可能與植物葉片本身分泌的黏性物質(zhì)有關(guān)[23]。一些植物在某些特定情況下會(huì)分泌出一些保護(hù)物質(zhì)，比如煙草分泌出一些物質(zhì)在葉表面形成膜質(zhì)化表面，抵御粉虱侵?jǐn)_，這些分泌物質(zhì)基本上都具有黏性，會(huì)將一部分塵土顆粒沉降下來。在火棘和小葉女貞的葉表面上觸摸也能感受到這種物質(zhì)的存在。

植物滯塵作用會(huì)受到天氣狀況的影響，具有一定的可塑性[24]。當(dāng)風(fēng)力到達(dá)14 m/s或者雨水量在15 mm以上，植物滯塵量開始明顯下降。在這個(gè)階段，其莖、葉表面上的一部分粉塵顆粒會(huì)在風(fēng)力或者其他外力作用下，重新回到空氣中，這也導(dǎo)致一些植物滯塵量積累上發(fā)生變化。此試驗(yàn)中，第1次與第2次取樣之間有一次降雨，火棘的莖葉滯塵量本來應(yīng)該隨著時(shí)間積累，由于下雨的原因，雨水和風(fēng)力等綜合因素將吸附在其上的粉塵重新沖刷到了空氣中或者地面，包括黃楊和小葉女貞的滯塵量積累也受到了削弱。這與Mcperson等[25]的觀點(diǎn)相符合，葉片上的粉塵顆粒會(huì)受到雨水清洗而離開葉表面，但并不能徹底清除葉面上的顆粒物，較小的顆粒仍會(huì)固定在葉表面上。本試驗(yàn)在第3次和第4次采樣期間，受到一次5級(jí)大風(fēng)(風(fēng)速為8～11 m/s)影響，這個(gè)結(jié)果也進(jìn)一步得到了驗(yàn)證，尤其是對(duì)葉片和單株上的滯塵量的影響較大。因?yàn)榛鸺w植株葉面積相對(duì)較大，在單位葉面積滯塵量較大的基礎(chǔ)上，自然因素對(duì)單株滯塵量影響也相對(duì)較大。自然因素(風(fēng)速、雨量)對(duì)滯塵量的影響還需進(jìn)一步研究。

植物的滯塵量不僅會(huì)受到葉表面結(jié)構(gòu)的影響，還會(huì)受到表面能量分布特征、葉面分泌物、葉面傾斜角度、植物形態(tài)結(jié)構(gòu)及自然等因素的影響，因此，植物滯塵量必須要綜合所有因素進(jìn)行考慮，進(jìn)行詳細(xì)、反復(fù)的試驗(yàn)論證，才能成為今后城市綠化的選擇依據(jù)。