鄭州市11種常綠灌木滯塵與抑菌綜合能力評價

賀 丹，王翼飛，汪安印，李朝梅，雷雅凱，李永華，張 曼

(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)

近年來，隨著鄭州市的城市化推進，二次氣溶膠、土壤揚塵、燃煤機動車等污染源導(dǎo)致鄭州市的大氣顆粒物濃度(質(zhì)量分數(shù)，下同)特別是PM10和PM2.5均超出國際限值，空氣污染日趨嚴重[1]。高濃度大氣顆粒物會對人體健康造成危害，不僅隨呼吸作用進入人體，引發(fā)呼吸系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)等疾病，還會顯著降低能見度，從而引發(fā)霧霾天氣[2-5]。霧霾天氣會導(dǎo)致部分病原菌例如芽孢桿菌屬(Bacillus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)等的相對豐度升高，致病力增強[6]。因此研究如何降低空氣中顆粒物濃度對保護環(huán)境、減少疾病傳播、維護人類健康具有重要的意義[7-8]。

園林植物是城市園林綠化的主體部分，可以阻擋、吸附、滯留、凝結(jié)大氣顆粒物，借助植物的清除機制，能夠有效改善城市大氣污染狀況[9-10]。植物主要通過葉片進行滯塵，其滯塵能力與葉片特征特別是葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[11-13]。葉片表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)如絨毛、溝壑、褶皺和蠟質(zhì)層等會影響葉片滯塵能力[9,14-15]。此外，植物葉片自然釋放的揮發(fā)性物質(zhì)具有高效的抑菌活性，能抑菌、殺菌和凈化空氣[16]。不同植物所產(chǎn)生的殺菌或抑菌類物質(zhì)的種類和濃度不同，相同的樹種對不同菌種的抑制作用也不同[17]。枇杷和南天竹對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌及枯草芽孢桿菌的抑制效率達到100%[18]。香樟、楓香對大腸桿菌，白千層、香樟和蒲桃對金黃色葡萄球菌有較強的抑制作用[19]。

不同植物的滯塵能力差異顯著，與落葉喬灌木相比，常綠灌木因株型低矮緊湊，易于附著降塵和地面的揚塵，其滯塵量相對更高[6,20-21]。特別是在冬春季節(jié)，鄭州市多數(shù)闊葉樹種處于落葉未展的狀態(tài)，僅有少數(shù)常綠(含半常綠)闊葉灌木發(fā)揮主要的滯塵效應(yīng)[22-24]。前人研究中，基于相同試驗材料和葉面積測定方法的前提下，常用的滯塵能力評估方法有濾膜法、質(zhì)量差減法、氣溶膠再發(fā)生器法等；而對抑菌作用的測定常用方法為平板計數(shù)法、室外自然沉降法、濾紙片法等；因野外與自然環(huán)境下試驗結(jié)果的可比性較差，且不同方法得到的樹種排序存在重合部分[17,25]，本研究選取鄭州市文化公園11種常綠灌木，采用優(yōu)化后的3級濾膜過濾法測定單位葉面積TSP、PM>10、PM10、PM2.5的滯留量，回避了粒徑、質(zhì)量極其微小的顆粒物不能完全被收集和準(zhǔn)確稱量的缺點[26]；對比幾種常用的抑菌研究方法，應(yīng)用更準(zhǔn)確可靠的平板計數(shù)法測定11種常綠灌木對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌能力，并對其滯塵與抑菌的綜合能力進行評價，為鄭州市大氣污染治理過程中合理選擇高效滯塵抑菌的綠化樹種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)位于河南省中部,典型暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期，全年平均氣溫16.7 ℃，年平均降水量591.48 mm，年平均風(fēng)速2.0 m·s-1，年平均相對濕度61.1%。在植物區(qū)系劃分上屬于暖溫帶落葉闊葉林植被類型，植被資源較豐富[27-29]。采樣點選擇鄭州市文化公園，位于中心城區(qū)，常綠灌木豐富，植被穩(wěn)定，能夠代表鄭州市內(nèi)主要的植物情況和市內(nèi)環(huán)境狀況。

1.2 供試材料

1.2.1 供試植物 選取鄭州市文化公園的11種常綠灌木作為試驗材料，每種植物在文化公園內(nèi)均有分布，且數(shù)量在10株以上(表1)。

表1 11種常綠灌木及葉片長寬值(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

1.2.2 供試菌種 大腸桿菌(Escherichiacoli)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilus)和金黃色葡萄球菌(Staphylococusaureus)均來自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院觀賞植物實驗室。

1.3 研究方法

1.3.1 葉片滯塵量的測定 于2020年8月下旬晴朗的上午采集，每種植物隨機選取3株以上樣樹，在每株樣樹的同一高度、4個方位( 東、南、西、北)隨機采取成熟葉片30～50片，采集后分成2部分放入自封袋，每個樹種設(shè)置3組重復(fù)。采用3級濾膜過濾法測定并計算各灌木不同粒徑顆粒物的滯留量[12,26]。使用葉面積儀(CI-203,CID,USA)對清洗后的葉片進行葉面積測定，重復(fù)3次；單位葉面積滯塵量=葉片顆粒物質(zhì)量/葉片總面積。

1.3.2 葉片揮發(fā)物抑菌能力測定 將采集帶回的葉片去柄，用無菌水充分沖洗后，放在滅菌30 min后的超凈工作臺上。按照常規(guī)法制備好牛肉膏蛋白胨細菌培養(yǎng)基和LB液體培養(yǎng)基，活化3種供試菌種。將3種細菌懸液分別接種在牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基上，在皿蓋中加入供試葉片1 g，每組重復(fù)3次。在37 ℃生化培養(yǎng)箱里培養(yǎng)12 h后，觀察平板培養(yǎng)基上微生物生長情況及菌落的大小，計算菌落個數(shù)，以不放葉片的培養(yǎng)基做對照，從而得出抑菌率，抑菌率(%)=(對照組平均菌落數(shù)-處理組平均菌落數(shù))/對照組平均菌落數(shù)×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 26.0(IBM，USA)軟件進行數(shù)據(jù)處理，用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進行差異分析，用LSD法(least-significant difference)進行多重比較。采用主成分分析法(principle component analysis)分析指標(biāo)的相關(guān)性，并計算綜合得分。采用Origin 2019(origin lab，USA)和Photoshop 2020(adobe systems，USA)軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物單位葉面積滯塵量比較

11種常綠灌木單位葉面積TSP、PM>10、PM10、PM2.5的滯留量變化范圍分別是0.43～2.24，0.33～1.44，0.10～1.03 g·m-2和0.05～0.92 g·m-2，不同灌木之間滯塵量差異顯著(P<0.05)(表2)。單位葉面積TSP和PM>10滯留量最大的是八角金盤，最小的是金森女貞，2種滯塵量前者是后者的5.2倍和4.4倍。單位葉面積PM10和PM2.5滯留能力最強的是夾竹桃，最弱的是金森女貞，分別是其10.3倍和18.4倍。

表2 11種常綠灌木的TSP、PM>10、PM10、PM2.5單位葉面積滯留量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

2.2 不同植物抑菌能力比較

11種常綠灌木葉片對同種菌種的抑菌率差異顯著(P<0.05)，同一樹種對不同菌種的抑菌率差異也是顯著的(P<0.05)(圖1、圖2)。對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌抑菌率最高的分別是南天竹和灑金桃葉珊瑚、火棘、海桐和南天竹；抑菌率最低的分別是海桐、大葉黃楊、珊瑚樹。

圖1 11種常綠灌木對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌率

注：E.大腸桿菌；B.枯草芽孢桿菌；S.金黃色葡萄球菌。1～12參見表1。

2.3 植物滯塵、抑菌能力與形態(tài)性狀的相關(guān)性及主成分分析

通過對11種常綠灌木滯塵、抑菌和葉長寬等9個指標(biāo)之間的相關(guān)性分析得出，各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)達到顯著水平的有22個，包含極顯著水平15個(圖3)。其中，PM10滯留量與PM2.5滯留量的相關(guān)系數(shù)最大，TSP、PM>10、PM10、PM2.5滯留量與葉長、葉寬均為顯著正相關(guān)；TSP、PM>10、PM10、PM2.5滯留量與枯草芽孢桿菌抑菌率和金黃色葡萄球菌抑菌率均呈負相關(guān)；PM2.5滯留量與大腸桿菌呈正相關(guān)。由此可見，各指標(biāo)均具有一定的相關(guān)性，所含信息交叉重復(fù)，所以可以對所有指標(biāo)進行主成分分析。

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān); **表示在0.01水平上極顯著相關(guān); X1.TSP; X2.PM>10; X3.PM10; X4.PM2.5; X5.大腸桿菌抑菌率; X6.金黃色葡萄球菌抑菌率; X7.枯草芽孢桿菌抑菌率; X8.葉長; X9.葉寬。

將滯塵、抑菌與葉長寬指標(biāo)轉(zhuǎn)化為9個主成分進行分析(表3)。TSP、PM>10、PM10、PM2.5、葉長及葉寬在第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和葉長寬指標(biāo)。枯草芽孢桿菌抑菌率、金黃色葡萄球菌抑菌率和大腸桿菌抑菌率在第2、3主成分具有最高載荷，說明第2、3主成分主要反映了抑菌能力。前3個主成分的累積方差貢獻率為81.23%，反映出11種常綠灌木滯塵、抑菌能力和葉長寬指標(biāo)80.00%以上的信息；因此，可以提取前3個主成分作為植物滯塵抑菌能力評價的綜合指標(biāo)。

表3 滯塵、抑菌與葉長寬指標(biāo)的前3個主成分分析貢獻率和因子載荷矩陣

2.4 園林植物滯塵與抑菌能力綜合評價

根據(jù)前3個主成分得分(Y1、Y2、Y3)以及其貢獻率權(quán)重，得到植物的綜合評價公式:Y=0.50Y1+ 0.18Y2+0.13Y3，滯塵與抑菌綜合能力最強的是八角金盤和夾竹桃(表4)。

表4 11種常綠灌木滯塵、抑菌能力的綜合評價

3 結(jié)論與討論

不同樹種對不同粒徑的顆粒物滯留量差異顯著，本研究中八角金盤單位葉面積滯留TSP、PM>10的能力最強，夾竹桃滯留PM10和PM2.5的能力最強。八角金盤具有寬大開展的葉型及起伏不平的輻射狀葉脈，夾竹桃葉表面密布褶皺，葉脈橫向突起明顯，因而滯塵能力強于其他植物[24,27]。滯留PM10和PM2.5較強的樹種為火棘、枸骨、珊瑚樹和灑金桃葉珊瑚，其中灑金桃葉珊瑚滯留TSP和PM>10的能力較弱，可能是因為灑金桃葉珊瑚葉表面較其他3種灌木更為平滑[21,27]。大葉黃楊滯留PM10和PM2.5的能力強于滯留TSP和PM>10的能力，可能是其葉片蠟質(zhì)含量對粒徑在2.5～10 μm的顆粒物滯留量更強，其蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的疏水性使葉表面與顆粒物的接觸角變小而導(dǎo)致[27,30-31]。金森女貞滯留所有粒徑的顆粒物的能力最弱，主要是因為其葉表面無毛，較為光滑平整[27]。由此可知，葉片微形態(tài)結(jié)構(gòu)對所有粒徑顆粒物的滯留能力均有影響，葉型寬大、葉表面粗糙、葉脈凹凸不平的灌木更容易滯留顆粒物[24,27,30]。此外，八角金盤、夾竹桃、灑金桃葉珊瑚位于背陰處，光照微弱，局部氣候與其他常綠灌木有所不同，大氣溫度降低，空氣相對濕度提高，環(huán)境中大氣顆粒物濃度受到氣候因素影響而提高，因此八角金盤、夾竹桃、灑金桃葉珊瑚的滯塵能力較強[32]。

不同樹種間抑菌率差異顯著，植物主要通過葉片釋放揮發(fā)物來抑菌、殺菌。本研究中南天竹、火棘和枸骨對3種菌類有明顯的抑制作用，抑菌率均達70%以上。這可能是由于所釋放的物質(zhì)中類黃酮、生物堿、檸檬烯等含量較多，這些化學(xué)成分能夠影響細菌的細胞膜形成，破壞其對宿主配體的黏附作用；或通過抑制酶活性來擾亂細菌的生長繁殖，從而達到一定的抑菌效果[19,34-35]。同一樹種對不同菌種的抑制率差異顯著，十大功勞和海桐對大腸桿菌的抑菌作用最弱，但對另外2種菌種的抑制作用較強，可能是由于闊葉植物所釋放的抑菌物質(zhì)成分比較復(fù)雜，這與鄭素蘭等[35]的研究結(jié)論相同。

園林植物的滯塵和抑菌功能密切相關(guān)，二者相輔相成，是改善空氣質(zhì)量的重要保障。但是園林植物在自然環(huán)境中的滯塵和抑菌作用，影響因素十分龐雜，除植物自身因素外，還受到氣候因素、環(huán)境狀況的影響[15,25]。因此，單一的量化或簡單的加和會受到人為主觀的影響，綜合客觀地考慮園林植物的多方面功能，才能有效評估園林植物的應(yīng)用價值[36]。本研究采用主成分分析方法，通過數(shù)據(jù)降維將滯塵、抑菌等一系列具有相關(guān)性的指標(biāo)重新組合成相互獨立的綜合指標(biāo)，根據(jù)3個最重要的主成分及其權(quán)重得到綜合評價的計算公式[19]。得出綜合滯塵抑菌能力較強的植物為八角金盤、夾竹桃、珊瑚樹、枸骨。今后鄭州市景觀規(guī)劃設(shè)計中，在觀賞特性的前提下可以優(yōu)先考慮八角金盤、夾竹桃、珊瑚樹等植物進行景觀的營造。