段嵩嵐，閆淑君，田高飛，金妍超，靳 莎，吳艷芳，劉 震

(1.福建農(nóng)林大學 園林學院，福建 福州 350002；2.山西農(nóng)業(yè)大學 信息學院，山西 太谷 030080)

工業(yè)化水平和城市化過程的加深使大氣污染問題日益嚴重，造成資源損失和人體身心健康的損害。可吸入顆粒物PM10(inhalable particulate matters)和細顆粒物PM2.5(fine particulate matters)對生物和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重風險，因其含量較高而成為大氣顆粒物污染的首要污染物。以PM10和PM2.5為主的顆粒物污染防治成為當前大氣污染治理急需解決的問題。研究表明，植物通過停著、附著和粘附3種方式來滯留顆粒物，減弱了顆粒物污染，明顯改善了環(huán)境空氣質(zhì)量，通過植被經(jīng)降雨沖刷清洗的循環(huán)作用來緩解城市顆粒物污染是目前無法完全通過治理污染源情況下解決污染問題的最佳選擇[1-5]。自然狀態(tài)下葉片對顆粒物的滯留是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程，受環(huán)境、人為及氣象因素等其他因子影響[6-7]，樹種滯留顆粒物的量均難達到飽和；此外，葉片是植物滯留顆粒物的主要載體，葉表面特性及葉型，葉序，葉色，葉形等性狀特點對滯留顆粒物起至關(guān)重要的作用，決定其滯留能力。在植物滯留顆粒物的生態(tài)效應(yīng)方面，前人已有較多研究，且多集中在植被吸附顆粒物的能力、過程、作用機理等方面[8-15]，結(jié)合葉片性狀特點及飽和狀態(tài)滯留能力的定量研究仍較少。通過對福州市19種道路常用綠化灌木在自然和飽和狀態(tài)葉片滯留顆粒物的能力進行研究，同時研究葉片特征，并通過體視顯微鏡對葉片進行掃描，分析葉表面微結(jié)構(gòu)，探究不同樹種葉片滯留顆粒物能力差異的原因，為城市綠化建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試灌木種類 本研究選取福州市道路常用的19種綠化灌木：彩葉扶桑(Hibiscusrosa-sinensisvar.variegata,Hv)、鵝掌柴(Scheffleraoctophylla,So)、非洲茉莉(Fagraeaceilanica,Fc)、福建茶(Carmonamicrophylla,Cm)、紅背桂(Excoecariacochinchinensis,Ec)、紅花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum,Lr)、紅花蘆莉(Ruelliaelegans,Re)、紅絨球(Calliandrahaematocephala,Ch)、紅千層(Callistemonrigidus,Cr)、金葉假連翹(Durantarepens‘Dwarf Yellow’,Dd)、黃金榕(Ficusmicrocarpa‘Golden Leaves’,Fm)、花葉假連翹(Durantarepens‘Variegata’,Dr)、錦繡杜鵑(Rhododendronpulchrum,Rp)、琴葉珊瑚(Jatropapandurifolia,Jp)、雀舌梔子(Gardeniaaugustavar.radicans,Ga)、灑金桃葉珊瑚(Aucubajaponicavar.variegata,Aj)、三角梅(Bougainvilleaspectabilis,Bs)、小臘(Ligustrumsinense,Ls)、梔子(Gardeniajasminoides,Gj)、朱蕉(Cordylinefruticosa,Cf)。

1.1.2 采樣時間與地點 所有滯塵過程均通過降水將塵埃顆粒洗出葉表來完成[4]，15 mm的雨量就可以沖掉植物葉片的降塵[4,16]，然后重新滯塵。自然狀態(tài)滯留顆粒物能力的試驗樣品于冬季雨后1周(2016年1月3日)在白馬北路采集，樣點位于道路兩側(cè)的人行橫道附近的綠化帶，每種灌木采樣點的植物配置方式均為單一灌木綠化，上方無喬木遮擋。灑金桃葉珊瑚位于高架橋下，福建茶位于白馬北路和烏山路的十字路口；由于試驗樣品組數(shù)較多，在最大滯留顆粒物試驗中，選取11個典型樹種于2016年5月6日(春季) 在白馬北路采集，并與春季(2016年3月30日于白馬北路采樣)自然狀態(tài)下的11個樹種進行對比[17]。人工塵源的搜集參考李少寧[18]的方法，利用吸塵器在白馬北路搜集距離地面高度約為1.3 m處的大氣顆粒物，主要組份為降塵(Dp>10 μm)、粗顆粒(2.5 μm

1.2 方法

1.2.1 葉片處理 每種綠化灌木設(shè)置3組重復(fù)實驗，即將各灌木葉片分為等量的3組，各自放于3個已編號盛有蒸餾水的燒杯中，浸泡1～2 h，用小毛刷多次重復(fù)清洗葉片上下表面的附著物。

1.2.2 滯塵量及滯留細顆粒物量的測定 葉片總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量的測定方法參照洪秀玲[9]的水洗-濾膜法結(jié)合比例換算。

1.2.2.1 總滯塵量的測定 將各灌木編號的洗滌液直接用燒杯定容，待視線與刻度線齊平時讀取讀數(shù)，記為V1，用恒溫磁力攪拌器攪拌洗滌液5～10 min至均勻分散，并移取15 mL于提前稱重(M1)的培養(yǎng)皿中，記為V2，將盛有洗滌液的培養(yǎng)皿置于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9070A型，上海一恒科學儀器有限公司)中烘干至恒重(2次測定值≤0.000 2 g)，用0.000 1 g天平(CP114，奧豪斯儀器(上海)有限公司))稱量獲得顆粒物質(zhì)量M2；按照式(1)計算溶液顆粒物總量M總。

(1)

1.2.2.2 植物滯留不同粒徑顆粒物量的測定 將孔徑為10 μm和2.5 μm的微孔濾膜(含培養(yǎng)皿)(北京海成世潔過濾器材有限公司)烘干至恒重(M3)和(M4)，取相應(yīng)級別濾膜依次進行過濾，然后將2次過濾后的微孔濾膜(含培養(yǎng)皿)分別放于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干至恒重并稱量，記為(M5)、(M6)與干凈濾膜(含培養(yǎng)皿)的質(zhì)量差即為相應(yīng)粒徑范圍內(nèi)顆粒物量。依式(2)、式(3)計算洗滌液中Dp>10 μm、2.5 μm

(2)

(3)

M9=M總-M7-M8

(4)

M10=M9+M8

(5)

1.2.3 葉面積測定 葉面積測定采用輔助數(shù)碼相機拍照法[19-20]：將待測葉片和一元硬幣擺放于A3白紙上，利用數(shù)碼相機拍照獲取圖像。在Photoshop6.0軟件中打開圖像，通過“魔棒工具”選定硬幣周邊輪廓，再通過“圖像”菜單下的“直方圖”選項，可得硬幣像素A1；通過同樣方式得葉片像素數(shù)A2；依式(6)得葉片總面積S2。

(6)

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理、圖表制作，用SPSS22.0對樹種自然和飽和狀態(tài)下總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量指標的差異進行單因素方差分析(ANOVA)和LSD顯著性檢驗，并用字母標記法表示差異顯著性，處理間平均值差異顯著水平(P<0.05)。并用SPSS 22.0對各樹種自然狀態(tài)下單位葉面積的總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的能力進行系統(tǒng)聚類分析。

1.4 葉片表面體視顯微結(jié)構(gòu)觀察

于2016年7月6日(雨后1周)采集錦繡杜鵑、非洲茉莉、紅花檵木、鵝掌柴等19種灌木的成熟健康葉片，將其制作成為10 mm×10 mm的樣本，用體視顯微鏡(SZ760B2L)觀察，總結(jié)記錄每種植物葉片的顯微結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用Image-Pro Discovery軟件拍攝獲取葉片顯微結(jié)構(gòu)照片，以分析植物葉面結(jié)構(gòu)特征對滯留顆粒物能力的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠化灌木滯留顆粒物能力比較

19種綠化灌木單位葉面積滯留顆粒物的能力受樹種影響(表1)。其中，黃金榕總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的量均最大，分別可達3.945 9、2.132 3 g/m2和1.832 5 g/m2；灑金桃葉珊瑚總滯塵量最小，僅為0.620 1 g/m2；紅背桂滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的量最小，為0.413 1、0.160 6 g/m2。方差分析表明，不同樹種間總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的能力差異顯著(P<0.05)?？倻m方面，黃金榕能力最強，顯著高于其他樹種；滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒方面，黃金榕、雀舌梔子、琴葉珊瑚(滯留粒徑<2.5 μm顆粒方面還有紅花盧莉、紅絨球和紅花檵木)等樹種的能力最強，顯著高于其他樹種；紅背桂滯留粒徑<10 μm的能力最弱，顯著低于其他樹種?？倻m、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量的極值，最大的黃金榕與最小的灑金桃葉珊瑚、紅背桂之間分別相差6.4、5.2倍和11.4倍。

2.2 綠化灌木葉片性狀與滯留顆粒物能力

2.2.1 綠化灌木葉片特征與滯留顆粒物能力 19種綠化灌木總滯塵、滯留各粒徑顆粒物能力的聚類分析等級及樹種的葉片性狀見表2，葉類別依采樣為標準，鵝掌柴、紅絨球以小葉計。黃金榕、雀舌梔子等葉光澤有腺點，網(wǎng)脈且氣孔密度高的樹種能力較強；彩葉扶桑、非洲茉莉、紅花檵木、紅花盧莉、紅絨球、金葉假連翹、花葉假連翹、錦繡杜鵑、琴葉珊瑚、梔子等葉邊緣反卷葉表有光澤、被星狀絨毛、深葉脈的樹種能力強，毛杜鵑和雀舌梔子等葉表被短柔毛、有光澤，具輪生葉序的樹種能力較強；彩葉扶桑、紅花蘆莉、紅絨球、非洲茉莉、梔子、花葉假連翹、琴葉珊瑚等疏被柔毛、革質(zhì)有光澤且具簇生和聚生葉序的樹種能力中等，其他灌木能力弱。有缺刻葉緣較全緣能力更強；復(fù)葉和長橢圓形、狹倒卵形等線形葉影響樹種的滯留能力；葉片的變色機制可能也影響其滯留能力。

表1 白馬北路灌木單位葉面積滯留顆粒物能力比較(平均值±標準偏差)Table 1 Comparison of particles retained per unit leaf area on North Baima Rd (mean±SD)

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 綠化灌木葉片微結(jié)構(gòu)與滯留顆粒物能力 由圖1可見，葉片上下表面均具有較強滯留顆粒物的能力。葉片被絨毛的紅花檵木、紅絨球、福建茶和錦繡杜鵑主要靠絨毛來滯留顆粒物。首先，植物葉片被毛，水分子出入氣孔的速率降低從而在葉表形成較為濕潤的微環(huán)境，增強了植物滯留親水性顆粒物的能力[21]；其次，絨毛的形態(tài)和密度影響滯留顆粒物的能力，由圖知，錦繡杜鵑上下表面均被絨毛，絨毛細長且密度大，整體被顆粒物覆蓋，而福建茶只有上表面密被短絨毛，滯留于其上的顆粒物易在風和降水作用下擴散，滯留能力弱于錦繡杜鵑。紅絨球上下表面僅葉脈處被稀疏絨毛，滯留能力差。紅花檵木上下表面密被星狀絨毛，絨毛的比表面積大，且星狀絨毛上的叉狀毛既可獨立，又能交錯創(chuàng)造出復(fù)雜的立體空間結(jié)構(gòu)，滯留于其中的顆粒物更不易被風和降水等外界因素干擾，因此滯留能力強[21]；此外，葉片具深溝壑和網(wǎng)狀脈的彩葉扶桑、鵝掌柴、雀舌梔子、梔子等種類的深溝壑和網(wǎng)狀脈內(nèi)滯留了大量顆粒物，顆粒物深陷于其中，不易受外界風和降雨等影響，滯留能力較穩(wěn)定。黃金榕葉片雖光滑，但上下表面均具有一層較厚的疏水蠟質(zhì)，和相對粗糙表面上微米結(jié)構(gòu)的乳突共同造就了葉表的自清潔性。微表面越粗糙，自清潔性越強，鎖住的空氣就越多，滯留的疏水性顆粒物也越多[22-25]；葉片上下表面有氣孔的非洲茉莉、琴葉珊瑚、灑金桃葉珊瑚具有高密度的氣孔，能較大程度地滯留細顆粒物；朱蕉上下表面的深淺差別較大，形成的條狀凸起和溝壑增大了與顆粒物的作用面，其內(nèi)滯留有相當一部分顆粒物，不易受風和降水的影響，效果較穩(wěn)定。

2.3 綠化灌木飽和滯留顆粒物能力

在人工條件下使各樹種葉片的總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的量趨于飽和狀態(tài)，除福建茶，其余10種綠化灌木春季單位葉面積總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量均增至最大，樹種每個指標的排序總體而言也發(fā)生了較大的變動。自然狀態(tài)滯留能力較弱的錦繡杜鵑、琴葉珊瑚、花葉假連翹和鵝掌柴在飽和狀態(tài)的滯留能力卻顯著高于其他樹種。飽和滯留顆粒物能力也受樹種影響(表3)，其中，錦繡杜鵑飽和狀態(tài)的總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的量最高，分別可達6.672 5、4.466 2 g/m2和4.302 1 g/m2，是自然狀態(tài)下的7倍左右；福建茶飽和狀態(tài)的總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量最低，僅為1.200 5、0.693 4 g/m2和0.471 0 g/m2，且低于自然狀態(tài)。這是因為福建茶易滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm的顆粒，而自然狀態(tài)此2種顆粒常懸浮于一定環(huán)境的空氣中，人工收集的顆粒物以及施放的過程均會減小這2種粒子的比例。

表2 白馬北路19種綠化灌木葉性狀與滯留顆粒物級別分析Table 2 Analysis of leaf characteristic with its retaining capacity levels of 19 greening shrubs

表3 灌木春季飽和和自然狀態(tài)滯留顆粒物能力分析Table 3 Comparison of particulate matters retained at natural and saturation in spring

圖1 19種灌木葉表面微結(jié)構(gòu)體視顯微鏡圖像(×350)Fig.1 Stereomicroscope of microconfigurations of leaf epidermis of 19 greening shrubs(×350)

各樹種總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的飽和滯留量較自然狀態(tài)均呈倍增加，總滯塵方面，滯留量增長最多的為錦繡杜鵑，其單位葉面積滯留量增加了5.413 8 g/m2，是自然狀態(tài)的5.3倍；鵝掌柴、小臘、琴葉珊瑚增長量也較明顯，飽和狀態(tài)的滯留量均達到自然狀態(tài)下的4.2倍以上；滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒方面，鵝掌柴、小臘和錦繡杜鵑其單位葉面積滯留量均較明顯，是自然狀態(tài)的6～10倍，鵝掌柴滯留粒徑<10 μm顆粒的量和錦繡杜鵑滯留粒徑<2.5 μm顆粒的量增長最大，分別增加了3.796 6 g/m2和3.703 7 g/m2。方差分析表明，樹種間的飽和總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量差異顯著(P<0.05)。飽和總滯塵方面，錦繡杜鵑、琴葉珊瑚、花葉假連翹、鵝掌柴、黃金榕、紅背桂的滯留量較大，顯著高于其他6個樹種，黃金榕自然或飽和狀態(tài)下的總滯塵量均顯著高于紅背桂、非洲茉莉和小臘；飽和滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒方面，兩者強弱排序一致，僅有灑金桃葉珊瑚、非洲茉莉、福建茶3個樹種能力較弱，顯著低于其他8個樹種。紅花檵木自然或飽和狀態(tài)下的總滯塵量均顯著高于灑金桃葉珊瑚、非洲茉莉、小臘和福建茶。

3 結(jié)論與討論

3.1 葉片性狀對滯留顆粒物能力的影響

植物主要通過葉片滯留各粒徑顆粒物，而葉片性狀是滯留能力強弱的決定性因素[26]。樹種不同，個體性狀不同，葉表面特性、樹冠結(jié)構(gòu)、枝葉密度和葉片著生角度等均不同，樹種滯留顆粒物的能力也不同[27]。本研究中，19種綠化灌木單位葉面積總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒的能力由于自身葉片性狀、葉表面微結(jié)構(gòu)以及所處位置不同而不同。

葉片性狀上，植物葉表的絨毛、溝壑、葉片的著生方式、葉型的復(fù)雜程度、葉形狀、葉緣形式以及葉邊緣是否微卷皺縮等形態(tài)均影響其滯留能力。研究表明，植物葉片主要通過滯留、附著和粘附3種方式滯留顆粒物，葉片的粗糙程度影響其滯留能力[4,10,22,28-30]。樹種葉表越是粗糙，在大氣顆粒物沉降、擴散過程中所受阻力越大，葉片捕捉顆粒物的能力越強。彩葉扶桑、金葉假連翹、花葉假連翹、紅花檵木、錦繡杜鵑、小葉黃楊、夾竹桃等有溝壑、絨毛、洼點和腺點、葉表粗糙的樹種滯留能力強；葉表絨毛密集的樹種較其他絨毛稀疏的樹種滯留能力更強[31]，本研究中3種被絨毛植物的滯留順序為紅花檵木(星狀絨毛)>錦繡杜鵑(密被柔毛)>紅絨球(疏被柔毛)，紅花檵木葉表的星狀絨毛比表面積大，錦繡杜鵑的絨毛密度較紅絨球大，因此葉片表面的絨毛形態(tài)和密度也影響其滯留能力；輪生、叢生及簇生葉序增大了葉片密度和葉片與顆粒物充分接觸的程度，顆粒物通過樹種時不易隨風擴散或受重力沉降，梔子、雀舌梔子、夾竹桃、琴葉珊瑚、法國冬青和海桐等樹種的滯留能力強；狹長葉如海桐、法國冬青、夾竹桃等，多裂如八角金盤，邊緣有缺刻如琴葉珊瑚、花葉假連翹、金葉假連翹等以及復(fù)葉植物如紅絨球、鵝掌柴、雙莢決明等易形成湍流，利于粒徑<2.5 μm顆粒物的滯留[30]；有研究顯示紫背竹芋、紫背萬年青、羽衣甘藍和紅背桂的顯色部位均具有顯色的氣孔器護衛(wèi)細胞，而研究表明氣孔密度越大越利于葉片滯留顆粒物[10,32-34]，因此一些色葉植物的滯留能力也較強。

葉表面微結(jié)構(gòu)上，植物葉表面具有的特殊結(jié)構(gòu)包括絨毛、深溝壑、氣孔、小室、蠟質(zhì)層以及條狀突起等樹種如錦繡杜鵑、黃金榕、小葉黃楊、紅花檵木、雀舌梔子、琴葉珊瑚、金葉假連翹、朱蕉均具有較強滯留顆粒物的能力，尤其是細粒子。顆粒物卡在絨毛間、氣孔和小室內(nèi)及條狀突起間的凹槽內(nèi)，均不易受風和降雨影響而脫落，具有穩(wěn)定的滯留效果。

此外，若樹種位于一些高人車流密度的位置如白馬北路高架橋下的灑金桃葉珊瑚和十字路口的福建茶，其滯留顆粒物能力較強，由于綠化灌木葉片對顆粒物的滯留是一個逐漸飽和的過程，其滯留能力也隨顆粒物背景濃度的增大而增大。

3.2 人工模擬對灌木葉片滯留能力的影響

園林植物通過阻滯吸附等物理和化學方式顯著消減大氣顆粒物污染[1,35]，細顆粒物和超細顆粒物經(jīng)氣孔進入植物體內(nèi)，直接被植物體吸收參與生理循環(huán)；一定污染程度下，葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨污染程度不同將發(fā)生適應(yīng)性改變，但仍能正常生長[33,36]，蒙塵葉片經(jīng)雨雪沖洗后重新具有滯留能力，可重復(fù)利用[4]，植物可有效改善城市空氣質(zhì)量。但植物對顆粒物的滯留也存在一個飽和限度，作為道路綠化樹種的大葉黃楊半月內(nèi)單位葉面積的總滯塵量趨于飽和[11]，作為居住區(qū)綠化樹種的國槐1月內(nèi)單位葉面積的總滯塵量達到飽和[5]，說明由環(huán)境和人為因素導致的大氣顆粒物背景濃度的不同對于葉片滯留顆粒物的量到飽和有重要影響；接觸角大的葉片與顆粒物的接觸面積反而小，降低了顆粒物與葉表的親和力[24]，導致滯留的顆粒物在風和降水等作用下離開葉面[16]，說明氣象因素對樹種葉片滯留顆粒物的量到飽和也有影響。因此，自然狀態(tài)下葉片滯留顆粒物受環(huán)境、人為及氣象因素等其他因子的影響，樹種的總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量均難達飽和。本研究中，除福建茶，各樹種飽和狀態(tài)下的總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量較自然狀態(tài)均顯著增加，同時使植物滯留各粒徑顆粒物至飽和的潛力得到量化。

有研究表明，葉表密被絨毛的懸鈴木、國槐、榆葉梅等樹種和葉片接觸角較小、易潤濕的樹種最大總滯塵量大[16]。本研究中，錦繡杜鵑的飽和總滯塵、滯留粒徑<10 μm和粒徑<2.5 μm顆粒量最大；而自然狀態(tài)則是紅花檵木，兩者葉片均被絨毛；其次是琴葉珊瑚，而自然狀態(tài)灑金桃葉珊瑚次之，兩者葉片均上表面具深葉脈，下表面具氣孔；黃金榕由于具厚蠟質(zhì)層和高密度氣孔，飽和或自然狀態(tài)的滯留能力均較強?？傮w而言，無論飽和或者自然狀態(tài)，葉表具特殊微結(jié)構(gòu)的樹種如被絨毛類(錦繡杜鵑)、深溝壑類(琴葉珊瑚、花葉假連翹、紅背桂)、高密度氣孔類(黃金榕、琴葉珊瑚、灑金桃葉珊瑚)滯留能力強，但也受樹種、環(huán)境和人為因素的影響。

在實際應(yīng)用中，主要搭配種植滯留相應(yīng)粒徑顆粒物潛力較強和葉片性狀特殊的樹種，并進行合理澆灌，幫助葉片進行清潔，提高葉片滯留顆粒物的效率，高效發(fā)揮植物滯留顆粒物的生態(tài)功能。