孫應都 陳奇伯,2 李艷梅,2 楊思瑩

( 1. 西南林業(yè)大學生態(tài)與水土保持學院，云南 昆明 650233 ；2. 云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 玉溪 653100)

隨著我國工業(yè)化及城市現(xiàn)代化發(fā)展，人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)生活水平與良好的大氣環(huán)境形成反差，城市大氣污染成為我國目前面臨的越來越嚴重且急需解決的難題[1]。其中，大氣顆粒物污染是危害大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素之一[2]。大氣顆粒物是氣溶膠狀態(tài)的大氣污染物，即空氣動力學直徑為0.001～100 μm的顆粒[3]，其組成成分主要包括碳（元素碳和有機碳）、硝酸鹽、銨鹽、氯鹽、硫酸鹽、礦物塵、多種重金屬元素和水等[4]，因其粒徑太小能直接被人體吸入，所以對人體危害最大[5]，同時也嚴重影響空氣質(zhì)量，阻礙社會可持續(xù)發(fā)展[6-7]。大量研究表明，植物能通過葉片表面自身結(jié)構(gòu)對大氣顆粒物進行滯留、吸附和黏附而達到滯塵的目的[8]，也能通過葉表面氣孔的呼吸作用吸收有害氣體并通過葉片體內(nèi)的一系列反應對有害氣體進行凈化[9]，被稱為“城市粉塵過濾器”，也被稱為“大氣凈化器”[10]。因此，對植物的滯塵能力及滯塵機理進行研究，可為城市綠化樹種的選擇和配置提供科學依據(jù)。

近年來，許多學者對植物滯塵進行了研究，不同樹種滯塵能力差異較大，植物之所以能降低大氣顆粒物含量達到凈化大氣的效果，正是植物葉表微結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵性的作用[11]。葉表的纖毛[12]、氣孔[13]、溝壑形狀以及褶皺情況[14]等不同導致不同樹種對大氣顆粒物的滯塵能力、滯塵途徑等也有所不同。然而目前所做的大多數(shù)研究都集中在霧霾、沙塵暴頻發(fā)的北方城市，對南方尤其是昆明研究比較缺乏，我國南北氣候、能源結(jié)構(gòu)等差異較大[15]，植被差異顯著，已有的研究成果[9,16]不能為昆明綠化樹種的選擇提供依據(jù)。此外，目前對葉表微結(jié)構(gòu)的特征，主要為定性研究[11-12]，且集中在單個指標[8]，不能全面揭示綠化樹種滯塵的機理。

隨著工業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展，有“春城”之稱的昆明人口和車輛都急速上漲，截止2016年7月，昆明市常住人口達到600多萬人，機動車達到225萬輛[17]，而交通污染物已是許多城市最主要的大氣顆粒物來源[18-19]，昆明的大氣顆粒物含量也明顯增加。本研究以對昆明6種典型綠化樹種為研究對象，探究其葉片滯塵機理，篩選出滯塵效果最好的樹種，為昆明城市綠化建設在樹種選擇方面提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于云貴高原中部，主城區(qū)位于北緯25°02′11″，東經(jīng) 102°42′31″，海拔 1891 m。全市土地面積21473 km2，市區(qū)面積330 km2。昆明屬于亞熱帶高原山地季風氣候，全年氣候溫和，四季如春，城區(qū)年平均氣溫14.8 ℃，年降雨量1102 mm，有“春城”之稱，人口多，旅游業(yè)發(fā)達。采樣點位于昆明城區(qū)穿金路（北緯 25°07′05″，東經(jīng)102°74′37″）、白龍路（北緯 25°05′64″，東經(jīng)102°74′22″）、霖雨路（北緯 25°09′49″，東經(jīng)102°73′48″）和東風路（北緯 25°03′81″，東經(jīng)102°71′96″）車流量較大的道路兩側(cè)的路邊行道樹及綠化帶。

2 材料與方法

2.1 研究對象

選擇昆明城區(qū)穿金路、白龍路、霖雨路和東風路綠化帶中的6種使用頻率最高且栽植10 a以上的典型綠化樹種：常綠小喬木桂花（Osmanthus fragran）、常綠喬木廣玉蘭（Magnolia grandiflora）、常綠灌木紅花檵木（Loropetalum chinense）、落葉喬木法國梧桐（Platanus acerifolia）、半常綠灌木錦繡杜鵑（Rhododendron pulchrum）、常綠喬木香樟（Cinnamomum camphora）為研究對象。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品采集

采集樣品的時間為2016年9月、2016年12月、2017年3月、2017年6月。研究表明，當降雨量大于15 mm時可將植物葉片上的積塵沖掉[20-21]，且在沖洗后的7 d后葉片再次滯塵達到飽和[22]。因此，本研究選擇在對應季節(jié)雨后持續(xù)晴天1周后的盡量無風或微風的天氣采樣，在穿金路、白龍路、霖雨路和東風路選擇長勢良好、樹齡相近、在本地栽植10 a以上的植株進行采樣，且采樣植株距離道路中心的距離相等。在喬木樹種外圍2～3 m高處沿著不同方向隨機采集比較完整的葉片30枚左右，灌木樹種則在樹冠周圍隨機采集（針對葉片較小的樹種采集葉片80枚左右），并放入聚乙烯塑料袋進行編號，帶回實驗室處理，采集過程中應盡量避免葉片樣品抖動而使塵土掉落。

2.2.2 樣品測定方法

1）葉面滯塵量采用水洗過濾法進行測定。將孔徑為0.45 μm的濾紙烘干至恒質(zhì)量，用電子天平（精確至0.001 g）稱量，計為m1；用去離子水將葉片樣本浸泡2 h后仔細清洗，隨后把葉片用鑷子夾出晾干，將清洗液用之前烘干至恒質(zhì)量的濾紙過濾，將濾紙置于60 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱量，計為m2。用葉面積儀Li-3000A（LICOR，美國）測出晾干的葉面積，計為S，按公式（1）葉片的單位滯塵量（m）。式中：m1為過濾前濾紙質(zhì)量（g），m2為過濾后烘干濾紙質(zhì)量（g），S為葉面積（m2），M為單位葉面積滯塵量（g/m2）。

2）其他指標測定。采集長勢良好的葉片，立即編號封存于塑料紙內(nèi)以免擠壓破壞葉面結(jié)構(gòu)；將封存在塑料紙內(nèi)的葉片用純凈水清洗干凈，從葉脈兩側(cè)的中部將新鮮葉片切成邊長約5 mm的小方塊4個（包括2個上表皮和2個下表皮），立即用2.5%戊二醛溶液固定24 h；用磷酸緩沖溶液清洗3次；隨后用不同濃度梯度的乙醇脫水（分別為35%、50%、65%、75%、85%、95%、100%），最后滴入正丁醇加以干燥脫水；待干燥后將葉片小方塊用導電膠粘上粘臺，做好標記，并拿到E-1010型離子鍍膜儀（Cressington Scientific Instruments，英國）中濺射鍍金膜，隨后放入S-3000N型掃描電子顯微鏡（5～30萬倍，株式會社日立制作所，日本）上觀察，并在觀察效果最好的300倍視野拍下圖片，最后將圖片導入Image J軟件并測出其溝壑寬度、保衛(wèi)細胞面積、絨毛密度以及氣孔密度等指標。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)使用SPSS19.0進行統(tǒng)計分析，圖表均使用Excel 2007進行繪制。對年平均單位面積滯塵量進行差異性顯著分析和聚類，對各季節(jié)單位面積滯塵量進行單因素方差分析，對葉表微結(jié)構(gòu)參數(shù)進行差異性顯著分析，對葉表微結(jié)構(gòu)參數(shù)與滯塵量之間進行相關(guān)分析；用Image J軟件測量葉表微結(jié)構(gòu)的溝壑寬度、氣孔數(shù)量、保衛(wèi)細胞面積、絨毛數(shù)量等參數(shù)，并用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹種單位葉面積滯塵量分析

3.1.1 不同樹種單位面積滯塵量比較

由表1可知，6個綠化樹種1 a內(nèi)平均單位面積滯塵量為0.727 5～4.532 5 g/m2，其單位面積滯塵量從大到小依次為桂花 ＞ 廣玉蘭 ＞ 錦繡杜鵑 ＞紅花檵木 ＞ 法國梧桐 ＞ 香樟。且桂花與廣玉蘭、錦繡杜鵑、法國梧桐、法國梧桐、香樟之間都存在顯著差異（P＜ 0.05），其中滯塵量最大的桂花的單位葉面積滯塵量是滯塵量最小的香樟的6.23倍。對6個樹種滯塵量進行聚類分析，將滯塵能力強的綠化樹種歸為第1類（滯塵量 ＞ 3.000 g/m2）；將滯塵能力中等的綠化樹種歸為第2類（1.500 g/m2＜ 滯塵量≤3.000 g/m2）；將滯塵能力弱的綠化樹種歸為第3類（滯塵量≤1.500 g/m2）。桂花的單位葉面積滯塵量為4.532 5 g/m2，屬于第1類；廣玉蘭、法國梧桐、錦繡杜鵑、紅花檵木單位葉面積滯塵量中等，屬于第2類；香樟的單位葉面積滯塵量為0.727 5 g/m2，屬于第3類。

表 1 6個綠化樹種滯塵能力及其聚類分析Table 1 Clustering analysis on dust detention ability of 6 green tree species

3.1.2 同一樹種不同季節(jié)滯塵量比較

不同季節(jié)降雨量、風速、覆蓋度等大氣顆粒物背景值跟植物葉片滯塵量差異有關(guān)[23]。由表2可知，每個樹種在不同季節(jié)的平均單位面積滯塵量均不同，具體表現(xiàn)為紅花檵木和錦繡杜鵑每個季節(jié)之間差異性顯著（P＜ 0.05），其他樹種均存在2個及以上的季節(jié)差異性顯著（P＜ 0.05）。除法國梧桐為春季滯塵量最大外，其他5個樹種均為秋季或冬季節(jié)滯塵量最大，其中桂花、紅花檵木、香樟為秋季滯塵量最大，廣玉蘭和錦繡杜鵑為冬季滯塵量最大。由此可見，同一樹種在不同季節(jié)的滯塵能力存在顯著差異（P＜ 0.05），而且在秋季或冬季的滯塵能力最好，6個樹種滯塵量最好的季節(jié)的滯塵量分別是滯塵量最差的季節(jié)的1.88、3.83、9.68、13.51、5.27、1.36 倍。

表 2 6個綠化樹種在不同季節(jié)的單位面積滯塵量比較Table 2 Dust retention per unit area of 6 greening tree species in different seasons

3.2 不同樹種葉面微結(jié)構(gòu)分析

6個樹種葉表面電鏡掃描照片見圖1，不同植物葉片表面結(jié)構(gòu)參數(shù)及其評價結(jié)果見表3。

圖 1 6個綠化樹種葉表面電鏡掃描照片F(xiàn)ig. 1 Electron micrographs of leaf epidermis of 6 greening tree species

表 3 不同綠化樹種葉片表面結(jié)構(gòu)參數(shù)及其評價Table 3 Leaf surface structure parameters of 6 greening tree species and their evaluations

由圖1可知，6個樹種葉表的粗糙程度各不相同，在此將葉表的粗糙度劃分為粗糙（溝壑較深且多、褶皺明顯且起伏程度大）、較粗糙（溝壑深度、數(shù)量以及褶皺和起伏程度中等）、平滑（溝壑和褶皺較少、葉表光滑、起伏程度?。?個等級。錦繡杜鵑和紅花檵木上下表皮粗糙度極高；桂花和法國梧桐較粗糙；廣玉蘭和香樟葉表光滑。6個樹種的氣孔均分布在下表皮，并且氣孔的密度和開口的數(shù)量及大小均存在差異。在300倍視野下，按其氣孔密度的大小可依次分為高、中、低 3個等級。其中高等表示在300倍視野下氣孔數(shù)量大于100個，桂花氣孔密度最大，氣孔數(shù)量為113個，屬于高等；中等表示在300倍視野下氣孔數(shù)量在30～60個，法國梧桐和錦繡杜鵑的氣孔數(shù)量分別為每300倍視野33個和60個，屬于中等；在300倍視野下氣孔數(shù)量小于30的表示低等，所以廣玉蘭、紅花檵木和香樟均屬于低等。

由表3可知，葉片微結(jié)構(gòu)的各個指標在不同樹種之間都存在顯著差異（P＜ 0.05）。在6個樹種中，葉表有絨毛的樹種其絨毛均分布在下表皮，而絨毛的數(shù)量和卷曲情況卻不相同。將葉表絨毛數(shù)量劃分為高（每100倍視野 ＞ 60條）、中等（每100倍視野30～70條）、低（每100倍視野 ＜ 30條）、無 4個等級，廣玉蘭的絨毛數(shù)量高為73條/視野100倍，紅花檵木絨毛數(shù)量中等為30條/視野100倍，法國梧桐和錦繡杜鵑的絨毛數(shù)量低，桂花和香樟葉片表皮則沒有絨毛。

3.3 不同樹種葉面微結(jié)構(gòu)對滯塵的影響

3.3.1 葉片溝壑寬度及分布特征與滯塵量的關(guān)系

植物葉片的滯塵能力受其微結(jié)構(gòu)的影響，其中葉片的粗糙程度及溝壑分布情況就能使滯塵能力產(chǎn)生差異[24]。本研究顯示，香樟的溝壑寬度大而淺，分布比較規(guī)則，對應單位葉面積滯塵量最少，只達到0.727 5 g/m2；其次錦繡杜鵑和紅花檵木的溝壑均較寬且凹槽較淺，附著在葉片上的顆粒物極不穩(wěn)定，很容易被風吹或雨水沖刷而脫落，故滯塵量偏弱，分別為2.067 7 g/m2和2.001 7 g/m2。桂花葉面比較粗糙，有明顯的褶皺，溝壑較深、分布不規(guī)則且寬度適中，所以桂花滯塵能力最強達到4.532 5 g/m2。從表3可以看出，廣玉蘭和法國梧桐的溝壑寬度最小，但2個樹種的滯塵量沒有達到最大，而是位居第2和第5，說明并不是溝壑寬度越小滯塵能力就越強。對植物葉表微結(jié)構(gòu)特征與單位面積滯塵量做相關(guān)分析得表4，可以看出溝壑寬度和滯塵能力未達到顯著相關(guān)。

表 4 植物葉表微結(jié)構(gòu)參數(shù)與滯塵能力之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between microstructure characteristics of leave surface and the dust detention ability

3.3.2 葉片氣孔密度及開口大小與滯塵量的關(guān)系

氣孔的密度和開口大小也是造成植物葉片滯塵能力差異的重要因素[24]。從表3和圖1可知，6個樹種的氣孔密度和保衛(wèi)細胞面積均表現(xiàn)為差異性顯著（P＜ 0.05），氣孔的開口大小不一，且沒有發(fā)現(xiàn)分泌物。滯塵量最大的桂花氣孔密度為113個/視野300倍，保衛(wèi)細胞面積達到425.527 8 μm2，而且從圖1a2中發(fā)現(xiàn)桂花下表皮氣孔不僅密度大，開口也比較大，這在一定程度上能更容易和更多的阻滯各種粒徑的粉塵顆粒物，同時也能使藏在氣孔里的粉塵顆粒不易被風或雨水沖走，故加大滯塵的穩(wěn)定性。其他5個樹種的滯塵量都比桂花小，均在4.0 g/m2以下，對應的氣孔密度也都較桂花小，均在60個/視野300倍以下，且保衛(wèi)細胞面積也沒有桂花大。滯塵量較差的5個樹種氣孔開口均較小，甚至有些氣孔呈閉合狀態(tài)，這就減少了氣孔與粉塵顆粒物的接觸幾率，使其滯塵能力大打折扣。由相關(guān)分析可以看出，單位面積滯塵量與葉表的氣孔密度和保衛(wèi)細胞面積均呈顯著正相關(guān)（P＜ 0.05），因此，單位面積滯塵量隨著葉表的氣孔密度和保衛(wèi)細胞面積的增大而增大。

3.3.3 葉片絨毛密度及形態(tài)結(jié)構(gòu)與滯塵量的關(guān)系

由表3可知，只有廣玉蘭、法國梧桐、錦銹杜鵑、紅花檵木葉表有絨毛，且不同樹種之間絨毛數(shù)量存在顯著差異（P＜ 0.05），然而4個樹種雖然有絨毛，但滯塵量均為中等。廣玉蘭的絨毛密度為73根/視野100倍，而法國梧桐、錦繡杜鵑和紅花檵木的絨毛密度分別為10根/視野100倍、3根/視野100倍和30根/視野100倍，絨毛數(shù)量均較少，故廣玉蘭的滯塵量較其他3個樹種大。但絨毛密度為30根/視野100倍的紅花檵木滯塵量沒有絨毛密度為3根/視野100倍的錦繡杜鵑大，且表4 中的相關(guān)分析表明，單位面積滯塵量與絨毛密度未呈顯著相關(guān)。從圖1可知，廣玉蘭下表皮絨毛都是互相纏繞狀態(tài)，其他樹種絨毛都呈針狀或蜷曲狀，且絨毛間距大，從而影響了葉片的滯塵能力。

4 結(jié)論與討論

柴一新等[25]、李海梅等[26]、楊佳等[27]、程雨萌等[28]分別對哈爾濱市28個樹種、青島市城陽區(qū)主要園林樹種、北京9個樹種以及北京市5種典型植物進行滯塵測定，結(jié)果表明不同樹種滯塵量差異顯著，樹種之間的滯塵能力可相差2倍以上，且不同樹種在不同季節(jié)的滯塵量也有所不同，一般在降雨量較少的季節(jié)滯塵量最大。本研究顯示昆明6個樹種年均滯塵量存在顯著差異且秋冬季節(jié)滯塵量最好，其中滯塵量最大的桂花的單位葉面積滯塵量是滯塵量最小的香樟的6.23倍，這與大量研究結(jié)果一致，說明不同樹種滯塵能力差異確實存在顯著差異。秋、冬季植物滯塵能力相對較好可能是因為昆明市在這2個季節(jié)屬于旱季，降雨量遠遠小于春季和夏季，所以葉片滯留的灰塵很少被雨水沖刷。法國梧桐之所以表現(xiàn)為春季滯塵能力好可能是因為法國梧桐屬于落葉樹種，春季的法國梧桐葉片屬于幼葉，表面長有大量絨毛，對灰塵的吸附能力強，所以滯塵能力大，到夏季和秋季葉片長大后，表面絨毛隨之脫落，從而導致滯塵能力下降。

近年來很多專家學者將研究方向集中在植物葉片微觀結(jié)構(gòu)上，并認為樹種間葉片的微觀結(jié)構(gòu)不同導致滯塵能力的差異，其中葉片的溝壑分布情況、絨毛數(shù)量及形狀、氣孔的數(shù)量及開口大小、分泌物等均是造成植物滯塵能力差異的主要原因[25]。杜雙洋等[29]對長春市20個常用綠化樹種的滯塵效果研究認為葉片表面粗糙、溝壑較寬且分布不規(guī)則更容易滯留各個粒徑的顆粒物。葉面粗糙且溝壑較寬能增大和粉塵的接觸面積，從而加大滯塵，本研究中滯塵能力最好的桂花具有這一特征，但并不是溝壑越寬滯塵能力越好。溝壑寬在一定程度上有利于阻滯不同粒徑的顆粒物，使一些灰塵和顆粒物沉積在不規(guī)則的凹槽內(nèi)，很難被風或雨水沖刷而脫落[30]，但凹槽太窄會大大減小其與粉塵的接觸面積和顆粒物的滯留量，從而降低葉片滯塵能力。

王會霞等[31]認為有絨毛的葉片能形成一個濕潤的小環(huán)境，且絨毛之間互相纏繞能卡住附著在絨毛上的顆粒物，都在一定程度上增強葉片的滯塵穩(wěn)定性，而絨毛呈針狀的葉片就不利于顆粒物的滯留。本研究中的廣玉蘭葉片下表皮布滿纏繞型絨毛，法國梧桐、錦銹杜鵑和紅花檵木雖有絨毛，但絨毛都呈筆直狀態(tài)，故滯塵能力不如廣玉蘭，這與王會霞等[31]的結(jié)論一致。本研究表明，滯塵能力最強的桂花氣孔數(shù)量多且開口大，而Burkhardt等[32]通過風洞實驗證明，大多細小的顆粒物集中在植物氣孔附近，說明植物氣孔口的滯塵機理可能跟顆粒物粒徑有關(guān)，這有待于進一步研究。有研究指出一些植物枝葉能通過分泌樹脂、黏液、油脂等分泌物來吸附顆粒物，使吸附在枝葉上的顆粒物很難被風或雨水沖刷脫落，達到很好的滯塵效果[33-34]，本研究因6個樹種均不產(chǎn)生分泌物，所以未深入研究。

可見，不同樹種的葉片滯塵能力不同，昆明市6種典型綠化樹種滯塵能力最強的是桂花。滯塵能力從大到小的順序為桂花、廣玉蘭、錦繡杜鵑、紅花檵木、法國梧桐、香樟。每個樹種在春、夏、秋、冬季的滯塵能力也存在差異。對比發(fā)現(xiàn)，大部分樹種在秋季或冬季的滯塵量達到最高。對葉表面微觀結(jié)構(gòu)進行觀察發(fā)現(xiàn)，葉面不同的微觀結(jié)構(gòu)特征確實影響植物滯塵能力。具體表現(xiàn)為葉面越粗糙、溝槽越深、褶皺分布不規(guī)則、溝壑寬度適中，氣孔密集且開口大，葉表長有大量纏繞型絨毛的樹種滯塵能力強。