不同污染程度下樹種滯塵能力與葉表微形態(tài)關(guān)系研究

王軍夢(mèng)，汪安印，王翼飛，賀 丹，李永華，董娜琳

(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)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大氣顆粒物污染問題越來(lái)越嚴(yán)重，已影響到人們的正常工作和生活[1]。大氣中的總懸浮顆粒物(TSP)是指懸浮在空氣中其直徑≤100 μm的顆粒物的總稱，是大氣中最主要的污染物之一[2]。顆粒物表面會(huì)吸收病菌等有毒、有害物質(zhì)，影響人體健康[3]。越細(xì)小顆粒物往往對(duì)人體的傷害越高[4]。PM10(d≤10 μm)能被吸入到人體的口鼻中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成呼吸系統(tǒng)疾病，而PM2.5(d≤2.5 μm)能直接被吸入人體的肺泡和血液循環(huán)系統(tǒng)，造成心血管疾病[5]。此外，懸浮顆粒物還會(huì)導(dǎo)致霧霾天氣及溫室效應(yīng)[6]。

研究表明，植物具有顯著的削減空氣顆粒物作用，能有效改善城市空氣質(zhì)量[7-8]。植物主要通過(guò)葉片滯留顆粒物，葉片的微結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)植物滯塵量產(chǎn)生較大影響，葉表面越粗糙，對(duì)顆粒物的吸附能力越強(qiáng)[9-10]。粗糙多毛的葉片有利于增加粉塵顆粒物與葉表面之間的接觸面積和物理作用力，使被滯留的粉塵不易從葉面脫落，能有效發(fā)揮植物葉片滯塵作用，而葉表面光滑或具有平滑片狀組織的植物對(duì)粉塵顆粒物的吸附能力較差[11-12]。葉表面的溝槽和中脈為顆粒物的截留和嵌入提供了更大空間，且使顆粒物不易被風(fēng)吹走[13]。同時(shí)，不同植物其葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，植物的滯塵能力和機(jī)制也存在明顯差異[14]。因此，研究植物葉表結(jié)構(gòu)與植物滯塵的關(guān)系顯得尤為重要。

植物滯留顆粒物能力除與葉表面形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與植物的生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)[15]。植物生長(zhǎng)環(huán)境不同，滯塵量也存在較大差異[16]。同種植物在重度污染區(qū)的滯塵量往往大于輕度污染區(qū)[17-18]。此外，環(huán)境中粉塵污染程度對(duì)植物滯塵能力影響很大，當(dāng)污染程度較高時(shí)，植物氣孔和光合作用均會(huì)受到一定程度影響，由于不同樹種對(duì)顆粒物的耐受能力不同，阻滯、吸收PM的能力也存在差異[19]。

相較于落葉樹種，常綠樹種因四季均有綠色葉片存在，因此在緩解城市顆粒物污染問題中扮演著重要角色[20]。本文以鄭州市5種常綠植物為研究對(duì)象，應(yīng)用分級(jí)濾膜過(guò)濾法對(duì)3個(gè)不同污染程度的采樣區(qū)(道路、校園和公園)單位葉面積滯塵量(TSP、PM10、PM2.5)進(jìn)行測(cè)定；利用超景深光學(xué)顯微鏡觀察葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究樹種葉表面微觀結(jié)構(gòu)與滯塵能力的關(guān)系，以及樹種在不同程度污染下滯塵量的變化，比較不同樹種的滯塵能力，篩選出滯塵能力較強(qiáng)的樹種用于城市園林綠化。

1 研究區(qū)概況

鄭州市位于34°16′～34°58′N，112°42′～114°14′E，年均降雨量640.9 mm。3個(gè)采樣地分別為道路、校園和公園，道路的采樣點(diǎn)為中州大道(局部)，校園選擇河南農(nóng)業(yè)大學(xué)文化路校區(qū)，公園選擇位于市郊的鄭州植物園。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的空氣顆粒物濃度分別為265.3、105.6和60.6 μg/m3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的空氣污染情況，將3個(gè)采樣區(qū)分別設(shè)為高、中和低3個(gè)不同污染等級(jí)。

2 研究方法

2.1 采樣材料與采樣方法

采樣時(shí)間為2020年5月，在連續(xù)7 d以上無(wú)風(fēng)無(wú)雨后進(jìn)行采樣，樣本為5種鄭州市常見的常綠園林綠化樹種，在3個(gè)采樣區(qū)均有分布。5種樹種分別為：石楠(Photiniaserrulate)、大葉黃楊(Euonymusjaponicus)、海桐(Pittosporumtobira)、女貞(Ligustrumlucidum)和枇杷(Eriobotryajaponica)。在樣地中隨機(jī)選擇3株樣樹，每株樣樹的同一高度、東南西北4個(gè)方向隨機(jī)采集長(zhǎng)勢(shì)良好無(wú)破損的葉片(大葉20片左右，小葉30片左右)，采摘葉片時(shí)帶上手套，采樣時(shí)盡量避免抖動(dòng)，不直接接觸葉表面，從葉柄處切斷，直接使樣本落入密封樣本袋中保存，減少對(duì)葉面粉塵的影響，全部采樣完成后立即帶回實(shí)驗(yàn)室。

2.2 葉片表面顆粒物及葉面積測(cè)定

應(yīng)用分級(jí)濾膜過(guò)濾法分別測(cè)定3個(gè)采樣區(qū)5種樹種的TSP、PM10和PM2.5滯留量，使用YMJ-B便攜式葉面積儀測(cè)定葉片的葉面積[21]。樹種的滯塵量與葉面積的比值即為樹種的單位葉面積滯塵量。

2.3 葉片表面觀察

平放葉片并切成1 cm×1 cm的小正方形，用雙面膠固定后分別在60倍、150倍、1 200倍的超景深光學(xué)顯微鏡(徠卡DVM6A，德國(guó))下觀察各樹種葉表面微觀結(jié)構(gòu)并分別觀察靠近中脈和遠(yuǎn)離區(qū)域的顆粒物聚集情況。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和分析，利用Photoshop 6.0軟件計(jì)算葉片的葉面積，采用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，并進(jìn)行LSD多重比較(顯著水平設(shè)置α=0.05)，用單因素方差分析(One-Way ANOVA)比較其差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種滯留顆粒物能力比較

5種樹種單位葉面積TSP、PM10和PM2.5滯留量見圖1～圖3。

5種樹種單位葉面積對(duì)TSP、PM10和PM2.5的滯留量范圍分別為0.996～5.279 g/m2、0.254～1.330 g/m2和0.217～1.195 g/m2。根據(jù)5種樹種滯留各粒徑顆粒物的量將5種樹種分成3個(gè)顆粒物滯留等級(jí)來(lái)研究，TSP單位葉面積滯留能力較強(qiáng)的樹種為枇杷和石楠，一般的樹種為大葉黃楊和海桐，較弱的為女貞，TSP單位葉面積滯留量最大的石楠是單位葉面積滯留量最小的女貞的4.1倍。PM10單位葉面積滯留能力較強(qiáng)的樹種為石楠和大葉黃楊，一般的樹種為枇杷和女貞，最弱的為海桐。PM10單位葉面積滯留量最大的石楠與單位葉面積滯留量最小的海桐相差1.8倍。PM2.5單位葉面積滯留能力較強(qiáng)的樹種為石楠和女貞，一般的樹種為大葉黃楊和枇杷，最弱的為海桐。PM2.5單位葉面積滯留量最大的石楠與單位葉面積滯留量最小的海桐相差2.2倍。

圖1 5種樹種在3個(gè)采樣區(qū)單位葉面積滯留TSP量Fig.1 Contents of TSP per unit leaf area of 5 tree species planted in 3 polluted areas

圖2 5種樹種在3個(gè)采樣區(qū)單位葉面積滯留PM10量Fig.2 Contents of PM10 per unit leaf area of 5 tree species planted in 3 polluted areas

圖3 5種樹種在3個(gè)采樣區(qū)單位葉面積滯留PM2.5 量Fig.3 Contents of PM2.5 per unit leaf area of 5 tree species planted in 3 polluted areas

3.2 不同程度污染下樹種的顆粒物滯留量

不同污染程度下植物滯塵量不同，污染程度越大，樹種滯塵量越高。石楠、大葉黃楊、海桐、女貞和枇杷5種植物在3個(gè)采樣區(qū)的單位葉面積TSP滯留量均表現(xiàn)為道路>校園>植物園。在3個(gè)采樣區(qū)，石楠、大葉黃楊、女貞和枇杷這4種植物對(duì)PM10滯留量均表現(xiàn)為道路>校園>植物園。石楠、大葉黃楊、女貞和枇杷4種植物在3個(gè)采樣區(qū)的單位葉面積PM2.5滯留量均表現(xiàn)為道路>校園>植物園。單位葉面積滯塵量最高的石楠在道路高污染區(qū)(1.195 g/m2)的PM2.5滯留量為植物園清潔區(qū)(0.190 g/m2)的6.3倍。枇杷、女貞和大葉黃楊在道路的PM2.5滯留量分別為清潔區(qū)的2.0倍、2.0倍、1.6倍。

3.3 不同樹種葉表面特征分析

石楠葉表面細(xì)胞較小，排列緊密(圖4)。枇杷葉表面有大量毛狀體，這些毛狀體覆蓋整個(gè)葉表面(圖5)，此外，枇杷葉表面有大量溝壑和褶皺。大葉黃楊葉表面也存在少量的毛狀體(圖6)，且大葉黃楊的中脈凸出明顯。海桐葉表面也有大量毛狀體分布，但是毛狀體的數(shù)量明顯少于枇杷葉表面(圖7)，且毛狀體只在中脈附近分布，遠(yuǎn)離中脈的區(qū)域毛狀體數(shù)量極少，且海桐葉表面十分平整、光滑。女貞葉表面光滑，無(wú)毛狀體分布，葉表平整(圖8)。葉表面細(xì)胞排列密集會(huì)導(dǎo)致葉表粗糙度增加，而葉表面的毛狀體能夠粘附顆粒物，增加了樹種的顆粒物滯留能力。因此，從葉表面結(jié)構(gòu)上分析，5種樹種中，石楠和枇杷是滯塵最有效樹種，大葉黃楊的滯塵能力僅次于石楠和枇杷，女貞和海桐的滯塵能力較差。

圖4 石楠葉表面毛狀體的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.4 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Photinia serrulate

通過(guò)對(duì)5種樹種葉表面觀察發(fā)現(xiàn)，葉片滯留的大部分顆粒物主要分布在葉片中脈或中脈周圍。對(duì)顆粒物滯留能力較強(qiáng)的樹種，如枇杷(圖9(a)，圖9(b))和石楠(圖10(a)，圖10(b))葉表面滯留的顆粒物主要在中脈周圍聚集，而遠(yuǎn)離中脈區(qū)域則顆粒物滯留量較少或顆粒物分布比較分散。葉表滯留的顆粒物在溝槽和中脈上分布較多，如大葉黃楊(圖11(a)，圖11(b))。在海桐(圖12(a)，圖12(b))和女貞(圖13(a)，圖13(b))這種平整、光滑、革質(zhì)的葉片上顆粒物幾乎無(wú)法被滯留。

圖5 枇杷葉表面毛狀體的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.5 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Eriobotrya japonica

圖6 大葉黃楊葉表面毛狀體的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.6 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Euonymus japonicus

圖7 海桐葉表面毛狀體的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.7 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Pittosporum tobira

圖8 女貞葉表面毛狀體的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.8 Optical microscopic observation of leaf surface roughness of Ligustrum lucidum

圖9 枇杷葉表面顆粒物分布的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.9 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Eriobotrya japonica

圖10 石楠葉表面顆粒物分布的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.10 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Photinia serrulate

圖11 大葉黃楊葉表面顆粒物分布的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.11 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Euonymus japonicus

圖12 海桐葉表面顆粒物分布的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.12 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Pittosporum tobira

圖13 女貞葉表面顆粒物分布的光學(xué)顯微鏡觀察Fig.13 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Ligustrum lucidum

4 結(jié)論與討論

5種樹種中，石楠、大葉黃楊、女貞和枇杷在3個(gè)采樣區(qū)的單位葉面積顆粒物(TSP、PM10、PM2.5)滯留量依次為道路>校園>公園，而海桐滯留量依次為道路>公園>校園。說(shuō)明在不同污染程度下樹種的滯塵量不同，樹種的顆粒物滯留量隨污染程度增加而增加[22]。道路的滯塵量均為最大，這是因?yàn)榈缆返念w粒物來(lái)源主要是密集的車流、大量汽車尾氣的排放和活躍的人類活動(dòng)[15]。校園的顆粒物污染次之，校園顆粒物主要來(lái)自非機(jī)動(dòng)車和密集頻繁的人流動(dòng)[23]。植物園由于植被覆蓋度高，處在郊區(qū)且附近無(wú)其他污染源，因此植物園的顆粒物滯留量最低。海桐在公園的滯塵量大于校園，可能是由于樹種的采集環(huán)境差異所致，在公園采集的海桐位于喬木下面，而在校園的海桐其上面無(wú)喬木覆蓋，位于喬木下面的植物往往由于被覆蓋而得不到雨水沖洗，使葉片上滯留更多顆粒物，從而導(dǎo)致顆粒物滯塵量增加[24]。此外，當(dāng)污染程度較高時(shí)，不同樹種滯塵量與滯塵能力存在明顯差異。5種樹種在污染程度較高的道路的滯塵量依次為枇杷>石楠>海桐>大葉黃楊>女貞，枇杷、石楠在較高污染程度下仍能保持較高的滯塵能力，這可能是因二者的葉片均較粗糙且氣孔密度較大，當(dāng)葉表粗糙、氣孔數(shù)量高時(shí)更多的顆粒物會(huì)被沉積在葉表和氣孔中，使樹種滯塵量增加[19]。女貞在高污染程度下滯塵量仍較低，可能是因其葉片表面光滑，革質(zhì)化明顯，滯塵后表面顆粒物更容易被雨水洗脫，導(dǎo)致樹種滯塵能力降低[25]。

植物主要通過(guò)葉片來(lái)滯留顆粒物，葉片的微形態(tài)特征對(duì)樹種的顆粒物滯留能力起著至關(guān)重要的作用[26]。不同樹種葉表微形態(tài)特征存在差異，滯留顆粒物的能力也不同。葉表面的光滑程度對(duì)樹種滯塵量影響顯著。葉表被毛或具明顯中脈和溝槽的樹種，其葉表面較粗糙，能使顆粒物長(zhǎng)時(shí)間附著在葉片上，起到降塵效果[27]。在5種樹種中，枇杷和石楠的滯塵能力較強(qiáng)，石楠的滯塵量較高可能與其葉片較小且葉表面細(xì)胞排列緊密有關(guān)，這樣排列緊密的細(xì)胞能有效滯留較細(xì)小的顆粒物(PM10、PM2.5)，從而提升樹種滯塵能力[28]。枇杷葉表面存在大量毛狀體，這些毛狀體能夠增加葉片粗糙度，有效滯留住顆粒物，從而增加其滯塵能力[9-10]。滯塵能力一般的樹種為大葉黃楊和海桐，大葉黃楊葉表面只有少量的毛狀體分布，但其葉表有密集的脊?fàn)钔黄?，突起之間溝槽寬度與深度較明顯，這樣的葉表結(jié)構(gòu)對(duì)粒徑較大的顆粒物(TSP)滯留能力更顯著[29]。海桐葉表面中脈附近雖然也有一定的毛狀體，但數(shù)量較少，因此滯塵能力一般。而女貞滯塵能力最弱，可能與其葉片十分平整，中脈和溝槽不明顯且革質(zhì)較厚有關(guān)[30]。根據(jù)不同污染程度下5種樹種的單位葉面積滯塵量和葉表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，得出滯塵能力較強(qiáng)的樹種為枇杷和石楠。在未來(lái)進(jìn)行城市綠化時(shí)可優(yōu)先選擇枇杷、石楠等滯塵能力較強(qiáng)樹種，提高對(duì)城市空氣的凈化能力。