趙云閣, 魯笑穎, 劉 斌, 魯紹偉, 陳 波, 李少寧

(1.河北農業(yè)大學 林學院, 河北 保定071000; 2.北京市大興區(qū)南海子郊野公園管理處,北京 110000; 3.北京市農林科學院 林業(yè)果樹研究所 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京100093)

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夏季綠化樹種滯留PM2.5與葉片微形態(tài)特征研究

趙云閣1, 魯笑穎2, 劉 斌1, 魯紹偉3, 陳 波3, 李少寧3

(1.河北農業(yè)大學 林學院, 河北 保定071000; 2.北京市大興區(qū)南海子郊野公園管理處,北京 110000; 3.北京市農林科學院 林業(yè)果樹研究所 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京100093)

研究于夏季在北京大興選取6個綠化樹種(油松、白皮松、柳樹、五角楓、銀杏、楊樹)為對象，應用氣溶膠再發(fā)生器對林木葉片PM2.5吸附量進行定量分析，并應用原子力顯微鏡(AFM)觀察葉表面微形態(tài)特征，測定葉表面粗糙度等參數，闡釋植物葉片吸附PM2.5機制。結果表明：單位葉面積PM2.5吸附量排序為：油松[(0.057±0.004)μg/cm2]>白皮松[(0.052±0.001)μg/cm2]>柳樹[(0.041±0.003)μg/cm2]>五角楓[(0.036±0.007)μg/cm2]>楊樹[(0.021±0.002)μg/cm2]>銀杏[(0.018±0.003)μg/cm2]；從月份變化來看，單位葉面積PM2.5吸附量表現為9月[(0.040±0.017)μg/cm2]>7月[(0.039±0.015)μg/cm2]>8月[(0.034±0.016)μg/cm2]；針葉樹種單位葉面積PM2.5吸附量高于闊葉樹種。植物葉表面存在褶皺、溝槽，粗糙度相對較高的樹種，吸附PM2.5能力較強；葉表面相對光滑，突起部位輪廓較平緩，粗糙度小的樹種，其吸附PM2.5能力也相對較弱；6個樹種粗糙度大小與其吸附PM2.5能力大小順序完全一致，呈顯著正相關(R2=0.957)。因此，為提高城市植被的環(huán)境效應，可選擇葉表面形態(tài)有利于吸滯PM2.5等顆粒物的油松、白皮松等針葉樹種。

PM2.5; 葉表面微形態(tài); 原子力顯微鏡(AFM); 氣溶膠再發(fā)生器; 綠化樹種

隨著工業(yè)化、城市化進程的不斷加快，城市空氣環(huán)境日益惡化，大氣顆粒物成為眾多污染物中的首要污染物[1]。由于顆粒物不僅影響大氣能見度，加劇溫室效應[2]，而且含有重金屬、致癌物質和細菌等，能夠對人體健康產生極大危害[3-4]。尤其是可吸入顆粒物PM2.5，又稱為細顆粒物，由于其粒徑小、比表面積大對人體危害尤為突出[5-7]。而北京地區(qū)的PM2.5濃度遠高于發(fā)達國家大城市大氣中的濃度，已經達到相當嚴重的污染程度[8]。因此，采取有效措施防治PM2.5污染對人類的危害已經成為一項刻不容緩的任務。

除減少污染源和空氣污染物的排放量，利用城市園林植物對大氣顆粒物的滯留作用也是一種凈化大氣環(huán)境的有效手段[9-10]，且在古羅馬時期就被人們所認識[11]。到目前為止，許多國內外學者均證明林木可以降低大氣污染程度，且作用非常明顯[12]。如，McDonald等[13]在英國的研究發(fā)現，一些城市地區(qū)的1/4種植樹木可以使PM10濃度降低2%～10%；有研究顯示[14]：在芝加哥，如果城市樹木占城市總面積的11%，那么美國每年將清除234 t PM10；在上海的一項研究結果表明[15]：與外部城市林地相比，在距離50～100 m的林區(qū)顆粒物濃度降低了9.1%。因此，關于植物吸附PM2.5等顆粒物作用機制及影響因素的研究意義重大。而目前國內外有關植物滯塵效應的研究主要是TSP和PM10，對PM2.5的研究涉及較少。本研究主要針對林木葉片吸附顆粒物的直接方式進行探討，并利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，縮寫為AFM)得到葉表面結構特征，探討葉表面微形態(tài)對植物滯塵能力的影響，為篩選滯塵效果好的園林綠化樹種提供依據，對降低城市大氣顆粒污染物濃度和提高環(huán)境質量具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究地概況

研究地選取位于大興區(qū)東北部的南海子公園，是北京四大郊野公園之一，也是北京最大的濕地公園。地理坐標為東經116°27′41″，北緯39°46′10″，屬于工業(yè)區(qū)與城鄉(xiāng)結合部，人類活動頻繁，交通量較大。園內主要喬木樹種有油松(Pinustabulaeformis)、檜柏(Sabinachinensis)、白皮松(Pinusbungeana)、銀杏(Ginkgobiloba)、國槐(Sophorajaponica)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)，主要灌木有大葉黃楊(Buxusmegistophylla)、海棠(Malusspectabilis)，主要草本有景天(Sedumspectabilis)、鳶尾(Iristectorum)等。試驗期間研究地內PM2.5污染情況由北京市農林科學院林業(yè)果樹研究所在南海子國槐林內建立的城市森林環(huán)境空氣質量監(jiān)測站獲得(表1)。

表1 2014年7-9月研究地內PM2.5污染情況

1.2 數據采集

PM2.5實時濃度值由北京市農林科學院林業(yè)果樹研究所在南海子國槐林內建立的城市森林環(huán)境空氣質量監(jiān)測站獲得，在監(jiān)測站內設有米特(Meter)全自動氣象站，可以實時觀測氣溫Ta(℃)、相對濕度RH(%)、風速W(m/s)、降水P(mm)等氣象因子。

1.3 樹種選擇

以北京市常見綠化樹種為基調，在北京市大興區(qū)南海子公園選擇常見且林齡相近、海拔一致的針葉喬木2種，闊葉喬木4種，見表2：

表2 試驗樹種基本情況

1.4 葉片采集

試驗時間為2014年7月—9月，在確定的每個樹種中分別選擇3棵樣樹(林齡相近)，采集前對樹木葉片進行了清洗標記，30 d后，在樹冠的上、中、下部位及東、南、西、北4個方向對標記過的葉片分別進行采集，將采集的葉片封存于紙質采集袋(無靜電)中帶回實驗室處理。

1.5 單位葉面積PM2.5吸附量測定

葉片吸滯PM2.5含量是由氣溶膠再發(fā)生器(QRJZFSQ-I)[16]獲得，將待測葉片放入氣溶膠再發(fā)生器中，通過風蝕原理，通過攪動、吹風、去靜電等處理，葉片上的顆粒物被吹起，制成氣溶膠，之后利用Dustmate 手持PM2.5監(jiān)測儀測出制成氣溶膠中PM2.5質量濃度，每個樹種進行三次重復，再利用葉面積掃描儀和葉面積軟件計算放入料盒中所有葉片的葉面積S(cm2)，由公式(1)計算單位葉面積PM2.5吸附量M(μg/cm2)。

M=m/S

(1)

式中：M為單位葉面積PM2.5吸附量(μg/cm2);m為放入氣溶膠再發(fā)生器葉片的PM2.5吸附量(μg);S為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積(cm2)。

1.6 葉表面特征觀測

將樣品葉片用蒸餾水沖洗葉片后，除去葉表面水分，盡量選取選取平坦的表面，避開葉脈。將闊葉樹葉片制成約1 cm×1 cm的樣本，針葉樹制成長度約1 cm的樣本。在室溫條件下，利用原子力顯微鏡(SPI3800-SPA-400，Seiko Instruments Inc.)對樣品進行掃描和拍攝，掃描速率0.5 Hz，橫向分辨率為0.2 nm，垂直分辨率為0.01 nm，最大掃描范圍為10 μm ×10 μm。所有圖像均是高度模式，未對做任何處理。

2 結果與分析

2.1 不同樹種葉片吸滯PM2.5能力分析

圖1表明6種針闊葉喬木在不同月份單位葉面積PM2.5吸附量有明顯差別。其中，7月份各樹種單位葉面積PM2.5吸附量介于0.021±0.001～0.058±0.011 μg/cm2，其大小排序依次為：油松(0.058±0.011 μg/cm2)>白皮松(0.051±0.005 μg/cm2)>柳樹(0.042±0.006 μg/cm2)>五角楓(0.039±0.002 μg/cm2)>楊樹(0.021±0.001 μg/cm2)>銀杏(0.021±0.001 μg/cm2)，單位葉面積PM2.5吸附量最大的油松為吸附量最小的銀杏的2.76倍；8月份各樹種單位葉面積PM2.5吸附量范圍為0.016±0.001 μg/cm2～0.053±0.008 μg/cm2，其吸附量大小排序與7月份相同，但總體吸附量低于7月；9月份各樹種單位葉面積PM2.5吸附量相較于前兩月較高，吸附量值在0.017±0.002 μg/cm2～0.061±0.003 μg/cm2，前兩位分別是油松(0.061±0.003 μg/cm2)和白皮松(0.054±0.005 μg/cm2)，其余闊葉樹的吸附量(柳樹、五角楓、楊樹和銀杏)依次為最大吸附量的70.5%，67.2%，37.7%和27.9%。由此可得，在不同月份供試樹種單位葉面積PM2.5吸附量大小整體排序一致，均為：油松>白皮松>柳樹>五角楓>楊樹>銀杏。其中，針葉樹種間單

位葉面積PM2.5吸附量相差不大，且明顯高于闊葉樹種。這主要是由于針葉樹種相較于闊葉樹種，葉表面存在較多絨毛和溝壑，增大葉表面粗糙度，從而更易于顆粒物的富集；且針葉樹種葉片多油脂，葉表面粘性大，對顆粒物具有良好的吸附作用。

從不同月份來看，不同樹種單位葉面積PM2.5吸附量均值基本表現為9月最大，其次是7月，8月吸附量最低，銀杏除外，其單位葉面積PM2.5吸附量表現為7月(0.021±0.001 μg/cm2)>9月(0.017±0.031 μg/cm2)>8月(0.016±0.025 μg/cm2)。其中，9月和7月吸附量差別不大，但均明顯高于8月的吸附量，二者分別為8月PM2.5吸附量的1.18倍和1.15倍。8月份外界環(huán)境PM2.5濃度較低，可能是造成當月植物葉片PM2.5吸附量偏低的原因之一。

圖1 不同樹種單位葉面積PM2.5吸附量

2.2 不同樹種葉表面AFM掃描特征

通過AFM對葉片表面進行觀察，得到圖2所示掃描范圍為5 μm ×5 μm 的二維形態(tài)圖。二維圖以色度值的高低表示物體高度的變化，色度值越高表示高度越高，色度值越低表示高度越。試驗樹種葉表面詳細特征見表3，吸附PM2.5能力強的油松和白皮松表面均存在凹槽或溝狀突起，粗糙度較大；吸附能力相對較弱的柳樹和五角楓也存在突起和凹陷，但輪廓相對平緩；而吸附能力最弱的楊樹和銀杏，表面整體平滑，無明顯突起或凹陷，粗糙度較小。

表3 不同樹種葉表面AFM掃描特征

注：1—8分別為五角楓、銀杏、楊樹和柳樹葉正面、背面的二維圖像；9—10分別為油松和白皮松二維圖像。

圖2 不同樹種葉表面AFM掃描圖像

2.3 不同樹種葉表面AFM掃描參數

從6個不同樹種葉表面粗糙度(見表4)顯示：整體上，葉表面粗糙度值介于47.46±14.52～81.75±3.06 nm，其大小順序為：油松(81.75±3.06 nm)>白皮松(75.01±4.48 nm)>柳樹(70.18±2.85 nm)>五角楓(68.16±7.28 nm)>楊樹(58.20±3.94 nm)>銀杏(47.46±14.52 nm)，這與其單位葉面積PM2.5吸附量大小排序一致。從也表正反面觀測度來看，闊葉樹各樹種葉表面正面粗糙度范圍為59.79±7.23～69.91±3.13 nm，粗糙度最大的是柳樹，最小的則為銀杏，兩者間粗糙度值相差10.12 nm；背面粗糙度排序同正面相同，均為柳樹>五角楓>楊樹>銀杏，最大值為最小值的1.17倍。由上述數據可見，4個闊葉樹種葉表面粗糙度均表現為背面高于正面；其中柳樹、五角楓和楊樹的葉表面粗糙度正、背面無明顯差別，而銀杏、背面葉片粗糙度明顯高于正面，其背面粗糙度為正面的1.71倍。此外，由表4中數據可以看出，峰谷值(P-V)、微粗糙度(RMS)和微觀不平度十點高度(Rz)三個特征值也均與葉片粗糙度(Ra)具有相同變化趨勢。

綜上所述，樹種葉片對PM2.5的吸附量與其表面粗糙度大小排序極為一致，且二者之間呈顯著相關(見圖3)。由圖可知，葉表面粗糙度最小值為47.46 nm，其對應樹種的單位葉面積PM2.5吸附量也為最小值(0.018 μg/cm2)；當葉表面粗糙度逐漸增大，相應樹種葉片單位面積PM2.5吸附量也隨之增大，粗糙度達到最大值(81.75 nm)時，其對應樹種的單位葉面積PM2.5吸附量也達到最大(0.057 μg/cm2)。當葉表粗糙度值較低時，應樹種葉片PM2.5吸附量變化幅度平緩，粗糙度較大時，PM2.5吸附量急劇變化。由此說明，植物葉片對PM2.5的吸附能力因葉表面粗糙度的增大呈逐漸上升的趨勢。

圖3 單位葉面積PM2.5吸附量與葉表面粗糙度的關系

3 討 論

3.1 不同樹種吸附PM2.5特征

樹木能夠有效吸收和減少城市大氣顆粒物，被稱為城市粉塵過濾器[17]。不同樹種吸附PM2.5等顆粒物的能力有所不同，滯塵能力的差異主要由葉片的形態(tài)結構特征決定[18]，包括葉面粗糙度、葉表分泌物、絨毛的形狀和數量、葉面傾角和葉質地等[19]。Beckett等[20]的研究表明葉面的粗糙度影響細小顆粒物的滯留，而較大顆粒物的滯留主要受顆粒物與葉面之間的物理作用力影響。Sabin等[21]認為表面粗糙的葉片，且具有絨毛、溝狀凸起、粘液油脂或較短的葉柄，其吸附PM2.5等顆粒物的能力則較強。Freer-Smith 等[22]、認為葉表粗糙或凹凸不平、具有溝狀組織、表面有褶皺等的植物葉片更容易使顆粒物聚集其中；石輝[23]等研究結果同樣表明葉表面存在大量的溝狀、孔狀峰谷區(qū)域或凹陷，會導致葉表面粗糙度較高，從而有利于顆粒物的滯留。本研究中油松和白皮松葉表面存在起伏較大的凸起，具有溝狀組織，粗糙度較大，且二者吸附PM2.5等顆粒物能力最強，這與以上研究結論完全一致。而賈彥等[24]認為葉表面吸附PM2.5等顆粒物的能力葉表面溝狀結構的尺寸有關，溝壑寬度小于或等于粉塵顆粒粒徑時，將不會增強植物葉片的滯塵能力；王建輝等[25]對重慶市不同綠地的不同植物滯塵能力進行調查研究表明，葉表面被毛或呈不規(guī)則褶皺滯塵能力強，葉表面光滑或呈瘤狀突起滯塵能力相對較弱。本研究中楊樹和銀杏表面具有少許突起部位，但凸起部位間距較大，表面較為光滑，并不能有效滯留PM2.5等細小顆粒物，造成二者吸附PM2.5能力最弱。這與以往學者研究結果完全相同，故在城市環(huán)境污染嚴重的區(qū)域可以大量種植針葉樹種油松和白皮松。

表4 不同樹種葉片AFM 觀察參數

3.2 葉表面微形態(tài)與吸附PM2.5能力的關系

植物吸滯大氣顆粒物能力差異與其葉片表面特性(絨毛分布密度、形態(tài)、粗糙程度等)差異密不可分[26]。AFM 能夠對葉表面進行直接觀察，且可以使葉表面保持原有形態(tài)，在臨近生理狀態(tài)下觀看葉表特征結構。從葉表微結構特征對照圖可以看出，葉片能夠阻滯大氣顆粒物主要是利用其細微結構。葉表面粗糙的樹種滯塵能力較強，葉表面光滑的樹種滯塵能力則相對較弱[1]。不同葉片吸附PM2.5能力有所差異，本研究中的油松和白皮松葉表面存在大量溝狀、孔狀峰谷區(qū)域，葉表面凹凸不平，葉表面粗糙度較高，這樣的葉片結構有利于顆粒物的沉積，從而導致二者吸附PM2.5等顆粒物的能力明顯強于其余4個樹種。王蕾等[27]的研究表明，葉表面微形態(tài)粗糙程度越大，其吸附的顆粒物越多；劉玲等[28]研究同樣顯示，葉片上下表皮凹凸不平可使葉表面呈現溝狀，阻止顆粒物的再懸浮，因而使葉片吸附的顆粒物增多。本研究中的柳樹和五角楓相對于楊樹和銀杏葉表面AFM圖像呈現出多褶皺，凹凸不平，葉表面粗糙度明顯高于楊樹和銀杏葉等特征，且二者對PM2.5等空氣顆粒物的吸附作用也相對較大；而楊樹和銀杏葉表面特征則呈現出相對光滑，僅部分存在突起，但粗糙度不大的特征，致使其吸附PM2.5能力變弱，這與前人的研究結果一致。

R?s?nen等[29]模擬測定了歐洲赤松(Pinussylvestris)、垂枝樺(Betulapendula)、歐洲樺(Betulapubescens)和歐洲椴(Tiliavulgaris)葉片的滯塵能力及葉表面特征與滯塵的關系，發(fā)現葉小的歐洲赤松滯塵能力最高。Smith[30]和Davidson等[31]研究指出不同植物截留粉塵的作用有明顯差異，小葉或葉面粗糙的植物較之大葉或葉面光滑的植物具有更大的截留效益。有研究表明松科植物枝葉能分泌樹脂、粘液等分泌物，從而促進顆粒物吸收，很難被雨水沖刷[32]。此外，研究發(fā)現大部分樹種均無特殊分泌物存在[1,33]，這些均造成針葉樹種相對闊葉樹種來說具有較強的吸附顆粒物能力。研究中對針闊葉樹種進行對比分析，發(fā)現在相同條件下針葉樹種油松和白皮松單位葉面積PM2.5吸附量明顯大于其他闊葉樹種，這與以往學者研究結果均一致。這充分說明葉片表面微結構特征是直接影響林木吸滯大氣顆粒物的主要影響因子之一，因此，為了提高城市綠化樹種吸滯大氣顆粒物凈化大氣的能力，需要進一步對葉表面結構開展定量化研究，來為城市生態(tài)綠化樹種的選擇配置提供參考。

4 結 論

不同樹種單位葉面積PM2.5吸附量油松最大，白皮松次之，銀杏最小，整體上表現為針葉樹種大于闊葉樹種；從不同月份來看，單位面積PM2.5吸附量表現為9月>7月>8月。通過AFM觀察和粗糙度計算，闡釋了不同樹種吸滯PM2.5的機理，油松和白皮松葉表面存在溝槽和突起，粗糙度相對較高，吸附PM2.5能力最強；銀杏和楊樹因其葉表面相對平整，突起部位均較為光滑，表面粗糙度較小，其吸滯PM2.5能力也相對最弱；4個不同闊葉樹種正背面粗糙度均值排序為與對應樹種單位葉面積PM2.5吸附量排序完全一致，單位葉面積PM2.5吸附量隨著粗糙度的增加而增大，P-V，RMS 和Rz參數具有與粗糙度Ra相同的變化特征。所以，在城市園林綠化建設中，選擇滯塵能力相對較強的油松和白皮松等針葉樹種，可以更好的吸附PM2.5等空氣污染物，從而產生更大的生態(tài)環(huán)境效益。

致謝：非常感謝南海子郊野公園在試驗過程中給與的大力支持，特在此表示感謝！

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Study on Four Kinds of Greening Tree Retention PM2.5and Leaf Surface Morphology During Summer in Beijing, China

ZHAO Yunge1, LU Xiaoying2, LIU Bin1, LU Shaowei3, CHEN Bo3, LI Shaoning3

(1.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Heibei071000,China;2.DaxingDistrictNanhaiziCountryParkManagementOfficeofBeijingCity,Beijing110000,China;3.ForestryandPomologyInstitute,BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,BeijingCollaborativeInnovationCenterforEco-environmentalImprovementWithForestryandFruittrees,Beijing100093,China)

Six kinds of greening tree species (Pinustabulaeformis,Pinusbungeana,Salixbabylonica,AcermonoMaxim,Ginkgobiloba,PopulusL.) in Daxing District of Beijing were studied, aerosol generator was applied to quantitatively study leaves PM2.5adsorption, and atomic force microscopy (AFM) was used to observe leaf surface morphology, and analyze the leaf surface roughness parameters, interpret the PM2.5adsorbing mechanism of green plant. The results showed that the sequence of PM2.5adsorption capacity per unit leaf area wasPinustabulaeformis[(0.057±0.004)μg/cm2]>Pinusbungeana[(0.052±0.001)μg/cm2]>Salixbabylonica[(0.041±0.003)μg/cm2]>AcermonoMaxim [(0.036±0.007)μg/cm2]>PopulusL. [(0.021±0.002)μg/cm2]>Ginkgobiloba[(0.018±0.003)μg/cm2], and the sequence of PM2.5adsorption capacity per unit leaf area in different months was September [(0.040±0.017)μg/cm2]> July [(0.039±0.015)μg/cm2]> August [(0.034±0.016)μg/cm2]; PM2.5adsorption of coniferous species was higher than that of broad-leaf species. Fluted or grooved leaves had greater roughness than those with smooth leaf surface, and PM2.5adsorption capacity enhanced with the increase of roughness of leaf surface. Tendency of PM2.5adsorption capacity consistently changed with leaves roughness, and the leaves roughness was significantly related to PM2.5adsorption capacity (R2=0.957). In order to improve the environmental effect of urban vegetation, the tree species whose leaf surface morphology is conducive to adsorb PM2.5and other particles should be planted, such asPinustabulaeformisandPinusbungeana.

PM2.5; leaf surface morphology; Aerosol generator; atomic force microscopy; greening tree

2016-04-19

2016-05-03

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項 (20130430101);北京市農林科學院科技創(chuàng)新能力建設專項“北京燕山森林生態(tài)國家站基礎數據平臺建設”;科技創(chuàng)新服務能力建設—協(xié)同創(chuàng)新中心—林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心(2011協(xié)同創(chuàng)新中心)(市級)(PXM2016_014207_000038)

趙云閣(1990—)女,河北陽原人,在讀碩士,主要研究方向:森林經理學。E-mail:675420514@qq.com

李少寧(1975—),男,河北灤縣人,博士,副研究員,主要從事城市森林生態(tài)功能研究。E-mail:lishaoning@126.com

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1005-3409(2016)06-0052-07