高海波

摘要：【目的】分析常見園林樹種葉片表面的微形態(tài)結(jié)構(gòu)、吸附顆粒物的粒徑分布及滯留重金屬能力，為選擇和配置園林樹種以改善我國空氣環(huán)境質(zhì)量提供科學依據(jù)。【方法】對垂柳（Salix babylonica）、油松（Pinus tabulaeformis）、紫葉李（Prunus cerasifea）、榆樹（Ulmus pumila）、紫荊（Cercis racemosa）、國槐（Sophora japonica）、銀杏（Ginkgo biloba）、大葉黃楊（Euonymus japonicus）和白蠟（Fraxinus americana） 9個園林樹種的葉片進行低溫冷凍干燥處理后，采用掃描電鏡掃描其表面及滯留顆粒物的形態(tài)，以能譜儀測定葉片表面滯留的重金屬成分，分析葉片表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)與滯留顆粒物的關(guān)系?！窘Y(jié)果】在北京市六郎莊橋區(qū)域，大氣中的顆粒物主要附著在綠化帶園林樹種葉片上表面，且以吸附可吸入顆粒物（PM10）為主;不同園林樹種單位葉面積滯留大氣顆粒物總數(shù)排序為大葉黃楊>白蠟>紫荊>國槐>油松>銀杏>榆樹>垂柳>紫葉李;銀杏、紫荊和油松葉片表面具有較深且寬的溝槽，大葉黃楊和白蠟葉片表面具有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，國槐葉片上表面具有較淺的波浪狀突起和較短而稀疏分布的表皮毛，有利于大氣顆粒物滯留;除紫荊和油松外，其他樹種葉片上表面滯留細顆粒物（PM2.5）的能力明顯高于下表面;9個樹種葉片上表面的PM2.5/PM10平均值高于下表面。各樹種葉片上表面吸附鋁、銅、鋅、砷和鎘等重金屬元素較多，吸附鈦、鉻、鎳和鉛等重金屬元素較少。相關(guān)性分析結(jié)果表明，葉片表面滯留的鋅含量與銅和砷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）?！窘Y(jié)論】銀杏、紫荊和油松葉片表面具有大量較深且寬的溝槽，大葉黃楊和白蠟葉片表面具有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，國槐葉片上表面具有較淺的波浪狀突起和較短而稀疏分布的表皮毛，均有利于吸附大氣顆粒物，可作為滯塵能力較強的綠化樹種選用。

關(guān)鍵詞： 園林樹種;葉表面;可吸入顆粒物;重金屬;能譜儀

中圖分類號： S719 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）05-1035-07

Abstract：【Objective】In order to provide a scientific basis for selecting and arranging garden trees to improve quality of air environment in China，some typical garden tree species were applied in the current study，where the analysis of relationships among the fine structures of leaf surface，the diameter range of absorptive particles and the remaining amount of mental particles were made. 【Method】Salix babylonica， Pinus tabulaeformis， Prunus cerasifea， Ulmus pumila， Cercis racemosa， Sophora japonica， Ginkgo biloba， Euonymus japonicus and Fraxinus americana were used as materials. The leaves of nine tree species were subjected to freeze-drying treatment. Scanning electron microscopy was used to scan the surface of the leaves and the morphology of the retained particles. The heavy metal components retained on the surface of the leaves were measured by energy spectrometer. The relationship between the micro-structure of the leaf surface and particles matter that remained on freeze dried leaves was analyzed. 【Result】The atmospheric particles mainly adhered to the upper surface of plant leaves，and were mainly inhalable particulate matter（PM10） in Liulangzhuangqiao， Beijing. The capability of different garden tree species to retain the total number of particles per leaf unit are sorted in order： E. japonicu>F. americana>C. racemosa>S. japonica>P. tabulaeform>G. biloba>U. pumila>S. babylonica>P. cerasifea. The surface of the leaf had deep and wide groove in G. biloba， C. racemosa and P. tabulaeform. E. japonicu and F. americana had waxy structure on the leaf surface. For S. japonica， the narrow groove on the surface of the leaf and the densely distributed short epidermal structure were conducive to the retention of atmospheric particles. Except for C. racemosa and P. tabulaeformis，the ability of other species to retain fine particulate matter（PM2.5） on the upper surface of the leaves was significantly higher than that of the lower surface. The average value of PM2.5/PM10 was characterized by the upper surface of the leaf being higher than the lower surface. The upper surface of the leaves of each tree species adsorbed more aluminium（Al），copper（Cu），zinc（Zn），arsenic （As） and cadmium（Cd） in the leaves，and less titanium（Ti），chromium（Cr），nickel（Ni） and lead（Pb） were adsorbed. Correlation analysis results showed that Zn retained was significantly positively correlated with Cu and As（P<0.05）. 【Conclusion】G. biloba， C. racemosa and P. tabulaeformis have a large number of deep and wide grooves on the surface of leaves， the leaves of E. japonicus and F. americana have a waxy structure， the upper surface of the leaves of S. japonica has shallow wavy fluctuations and a short and sparsely distributed epidermis. These features on the surface of the leaves are more conducive to the adsorption of atmospheric particles. These results show that these garden trees can be used as greening trees with strong dust retention ability.

Key words： garden tree species; leaf surface; inhalable particulate matter; heavy metal; energy spectrometer

0 引言

【研究意義】可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）分別為空氣動力學直徑小于或等于10.0和2.5 μm的大氣顆粒物，PM2.5是影響我國空氣質(zhì)量的首要污染物（趙越等，2004）。大氣顆粒物中的重金屬元素具有不可降解性，能通過呼吸系統(tǒng)進入人體，其中附著在PM2.5的重金屬元素可直接進入肺泡沉積，在人體內(nèi)長期積累引發(fā)心肺疾病，對健康產(chǎn)生不利影響（Mazzei et al.，2008;侯聰?shù)龋?016;Zhang et al.，2016）。園林綠化植物葉片可通過吸附和滯留大氣中的顆粒物以減少和控制大氣中的顆粒物含量，發(fā)揮凈化環(huán)境功能（陳波等，2018;林星宇等，2018）。但目前針對園林樹種吸附大氣顆粒物及滯留重金屬能力等方面的研究鮮見報道。因此，分析常見園林樹種葉片表面的微形態(tài)結(jié)構(gòu)、吸附顆粒物的粒徑分布及葉片滯留重金屬的能力，對選擇和配置綠化樹種以改善我國空氣環(huán)境質(zhì)量具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】直接采用新鮮葉片進行掃描電鏡觀測是研究植物葉片滯留PM2.5等顆粒物粒徑分布的常用方法（王蕾等，2006;Galindo et al.，2011;趙松婷等，2015）。田建平等（2008）研究認為，將植物葉片進行低溫冷凍干燥處理有利于對葉片材料噴金后進行葉表面重金屬元素含量測定。張銀龍等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)區(qū)和交通樞紐區(qū)重金屬污染最嚴重，工業(yè)區(qū)銅和鋅等重金屬污染較嚴重。王丹丹等（2012）研究表明，沉積在葉片表面上含有重金屬的顆粒物可通過氣孔或受損傷的部位進入植物葉片內(nèi)部。王會霞等（2012）研究顯示，工業(yè)區(qū)植物葉面吸附的塵埃中重金屬含量最高。劉璐等（2013）研究認為，對常見行道樹種葉片進行掃描電鏡觀測時存在葉片滯留的顆粒物不能全部保留在葉面上、葉片由于失水導致葉面微形態(tài)改變及在分析葉面微形態(tài)的同時無法對葉面滯留重金屬元素進行分析等問題。李新宇等（2016）研究認為，將植物葉片進行低溫冷凍干燥處理能保持葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，掃描電鏡得到的圖像更接近真實情況?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關(guān)于植物滯留顆粒物的研究主要集中在不同植物滯塵量上，而結(jié)合植物葉片表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)、滯留的不同顆粒物粒徑分布及對重金屬元素滯留能力進行的研究未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以北京市西北四環(huán)六郎莊橋區(qū)域9個常見園林樹種為材料，采用掃描電鏡掃描其葉片表面及滯留顆粒物的形態(tài)，采用能譜儀測定葉片表面滯留的重金屬成分，分析葉片表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)、吸附的顆粒物粒徑分布及葉片滯留重金屬能力，以期為全國各地選擇和配置園林樹種以改善空氣環(huán)境質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試9個樹種分別為垂柳（Salix babylonica）、油松（Pinus tabulaeformis）、紫葉李（Prunus cerasifea）、榆樹（Ulmus pumila）、紫荊（Cercis racemosa）、國槐（Sophora japonica）、銀杏（Ginkgo biloba）、大葉黃楊（Euonymus japonicus）和白蠟（Fraxinus americana），均種植于北京市西北四環(huán)六郎莊橋附近綠化帶。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 樣品采集 參照王蕾等（2006）的方法，選擇大于15 mm降雨（一般認為15 mm的降雨可沖掉葉面附著的顆粒物）后的第7 d，分別在各樹種的樹冠四周及不同高度隨機采集葉片樣品，并用鋒利刀片將葉片隨機切割成2 mm×2 mm小塊，充分混合后置于自制銅網(wǎng)中，放置識別標簽后用液氮處理。樣品帶回實驗室后，于-80 ℃真空冷凍干燥（VIRTIS-BT2KXL型，美國）6 d，經(jīng)24 h緩慢升溫至與室溫平衡后，置于干燥器中備用。

1. 2. 2 測定指標及方法 掃描電鏡及X射線微區(qū)分析：每個園林樹種的葉片樣品冷凍干燥后用鋒利刀片沿葉片主脈切割成兩部分，以便于在電鏡測量時區(qū)分葉片的上、下表面。將帶有主脈的葉片切段用雙面膠粘貼在樣品臺上，置于日立E-1010型離子真空濺射儀中進行鍍金處理后，在日立S-3400N型掃描電鏡下進行觀察并拍攝，記錄葉片上、下表面表皮毛、樹脂道、溝槽及不同粒徑顆粒物的微形態(tài)結(jié)構(gòu)，每個園林樹種葉片的上、下表面均重復觀測3次，每次重復觀測時使用不同的2 mm×2 mm葉片。每次對葉片表面拍攝后，用日立EX-250X型射線能譜儀分別在葉片上、下表面隨機選取5個顆粒物，測量其碳、氮、氧、鋁、硅、硫、鈣、鈦、鉻、錳、鐵、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鋇和鉛等18種元素含量，計算鋁、鈦、鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛等9種重金屬元素的重量相對百分比，每個園林樹種重復觀測3次，計算15個點的平均值。

1. 3 統(tǒng)計分析

采用Image J圖像處理軟件測量掃描電鏡獲取的葉片上、下表面不同顆粒物粒徑，統(tǒng)計不同粒徑顆粒物的數(shù)量，同一葉片測量3個區(qū)域，每個區(qū)域的面積為1000 μm2，計算平均值，然后分別計算PM2.5和PM10在1000 μm2葉面積范圍內(nèi)的數(shù)量占全部統(tǒng)計顆粒物數(shù)量的百分含量，用PM2.5/PM10表示粒徑≤2.5 μm顆粒物與粒徑≤10.0 μm顆粒物數(shù)量的百分比（Wang et al.，2006）。試驗數(shù)據(jù)采用OriginPro 2018b進行統(tǒng)計分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同園林樹種葉片表面的微形態(tài)特征

從圖1可看出，垂柳葉片上表面分布的表皮毛較長且稀疏（圖1-A1），下表面分布的表皮毛較粗短且密集（圖1-B1）;油松葉片上、下表面均存在較規(guī)則、較深的條狀溝槽及不規(guī)則的凹陷結(jié)構(gòu)，葉片上表面有很強的黏性（圖1-A2），下表面有規(guī)則分布的樹脂道（圖1-B2）;紫葉李葉片上表面存在大量較窄的縱橫交錯溝槽，溝槽邊緣突起，同時分布有密集、呈放射狀排列的突起狀結(jié)構(gòu)（圖1-A3），下表面密布較寬的淺溝，氣孔數(shù)量較多，氣孔周圍有輻射狀排列的突起結(jié)構(gòu)（圖1-B3）;榆樹葉片上表面存在大量不規(guī)則的突起狀結(jié)構(gòu)（圖1-A4），下表面分布著密集的氣孔，氣孔間連接處存在連續(xù)的微小縫隙（圖1-B4）;紫荊葉片上表面的粗糙程度（圖1-A5）不及下表面，下表面存在大量突起，突起間形成較深的溝槽（圖1-B5）;國槐葉片上表面較平整，僅有較淺的波浪狀突起和稀疏分布且較短的表皮毛（圖1-A6），下表面有較多氣孔，氣孔間形成較寬的溝槽（圖1-B6）;銀杏葉片上表面有大量較深且較寬的溝槽（圖1-A7），下表面存在大量不規(guī)則的突起狀結(jié)構(gòu)，突起間存在細小、連續(xù)、條帶狀的縫隙（圖1-B7）;大葉黃楊葉片上、下表面均較平整（圖1-A8和圖1-B8），但下表面有大量氣孔（圖1-B8）;白蠟葉片上表面較平整（圖1-A9），下表面有大量氣孔和寬窄不一的溝槽（圖1-B9）;大葉黃楊和白蠟葉面均具有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2. 2 不同園林樹種葉片滯留顆粒物的粒徑分布

由表1可知，9個園林樹種葉片上、下表面滯留的顆粒物平均數(shù)量分別為132.4和53.1粒。其中，除紫荊葉片下表面滯留的顆粒物數(shù)量遠多于上表面及油松葉片上、下表面滯留的顆粒物數(shù)量相當外，其他樹種葉片上表面滯留的顆粒物數(shù)量均明顯多于下表面;9個園林樹種單位葉面積滯留的大氣顆粒物總數(shù)排序為大葉黃楊（282.0粒）>白蠟（280.0粒）>紫荊（220.0粒）>國槐（205.0粒）>油松（189.0粒）>銀杏（185.0粒）>榆樹（149.0粒）>垂柳（97.0粒）>紫葉李（63.0粒）。結(jié)合圖1中9個園林樹種葉表面微形態(tài)特征分析，發(fā)現(xiàn)銀杏、紫荊和油松葉面具有大量較深且寬的溝槽，大葉黃楊和白蠟葉面具有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，國槐葉片上表面具有較淺的波浪狀突起和較短而稀疏分布的表皮毛，均有利于吸附大氣顆粒物。

從表1還可看出，9個園林樹種葉片上表面滯留的大氣顆粒物中，PM2.5和PM10的百分含量分別為74.3%和97.3%，粒徑大于10.0 μm的顆粒物所占比例不到5.0%;葉片下表面PM2.5和PM10的百分含量分別為54.9%和86.4%，粒徑大于10.0 μm的顆粒物所占比例不到15.0%，說明9個園林樹種葉片上、下表面滯留的大氣顆粒物多為粒徑小于10.0 μm的可吸入顆粒物。

PM2.5/PM10反映葉片滯留的全部可吸附顆粒物（PM10）中細顆粒物（PM2.5）所占比例。由表1可知，9個園林樹種PM2.5/PM10的平均值呈葉片上表面（76.4%）高于下表面（63.5%）的特點，表明各樹種葉片上表面吸附PM2.5的能力強于下表面。9個園林樹種中，僅紫荊葉片上表面的PM2.5/PM10（65.6%）低于葉片下表面（82.1%），同時發(fā)現(xiàn)垂柳葉片上、下表面的PM2.5/PM10均低于其他樹種，且下表面吸附的顆粒物數(shù)量少、粒徑較大。

2. 3 不同園林樹種葉片表面滯留的重金屬元素含量

由表2可看出，9個園林樹種葉片上、下表面的鋁、銅、鋅、砷和鎘等重金屬元素相對重量百分比分別為0.77%、0.98%、0.34%、0.33%和0.21%，而鈦、鉻、鎳和鉛等重金屬元素含量相對較低，表明鋁、銅、鋅、砷和鎘等重金屬元素是北京六郎橋區(qū)域空氣中的主要重金屬污染源。

2. 4 主要重金屬元素含量間的相關(guān)性分析

由表3可知，北京六郎橋區(qū)域綠化樹種葉面滯留的重金屬中鋅含量與銅和砷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同），銅含量與鎳含量呈顯著負相關(guān)，其他重金屬元素含量間無顯著相關(guān)性，表明該地區(qū)的重金屬來源于多種因素，而其中鋅含量與銅含量的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.91，說明鋅和銅具有相同的來源或相同的復合污染源。

3 討論

王蕾等（2006）測定北京市園林植物（其中與本研究相同的植物有白蠟和國槐）葉面顆粒物附著密度，發(fā)現(xiàn)11種園林植物均主要通過葉片上表面滯留大氣顆粒物。本研究結(jié)果與其相似，9個園林樹種中除油松和紫荊外，其余7個樹種主要通過葉片上表面滯留大氣顆粒物，而紫荊葉片下表面滯留大氣顆粒物的能力較上表面強，應與其下表面具有較深且寬的溝槽有關(guān)。

本研究結(jié)果表明，葉片上、下表面滯留大氣顆粒物主要為粒徑≤10.0 μm的顆粒物（即PM10），與王贊紅和李紀標（2006）、謝濱澤等（2014）的研究結(jié)果基本一致，不同的是，本研究中垂柳葉片下表面滯留PM10的數(shù)量百分含量33.3%。PM2.5/PM10可反映植物葉片滯留粒徑≤2.5 μm細顆粒物（即PM2.5）的能力，這部分顆粒物對人體健康危害極大。本研究中9個園林樹種葉片上、下表面PM2.5/PM10平均為76.4%和63.5%，表明這些樹種葉片具有較強的滯留PM2.5能力，但垂柳、榆樹和國槐葉片下表面滯留PM2.5的能力不如其他樹種。

本研究中，9個園林樹種單位葉面積滯留大氣顆粒物總數(shù)排序為大葉黃楊（282.0粒）>白蠟（280.0粒）>紫荊（220.0粒）>國槐（205.0粒）>油松（189.0粒）、銀杏（185.0粒）>榆樹（149.0粒）>垂柳（97.0粒）>紫葉李（63.0粒）。其中，銀杏葉片上表面和紫荊葉片下表面存在大量較深且寬的溝槽，大葉黃楊和白蠟葉片上表面較平整但覆蓋有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，國槐葉片上表面有較淺的波浪狀突起和稀疏分布的短表皮毛，因此滯留大氣顆粒物能力較強;紫葉李葉片上表面分布大量較窄的溝槽結(jié)構(gòu)，滯留顆粒物能力相對較弱;垂柳葉片上表面密集分布較長的表皮毛，滯塵能力較強，下表面的滯塵能力較差。柴一新等（2002）研究認為，樹種間滯塵能力的差異由葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)決定，葉片的粗糙程度及葉片上、下表皮具有的形狀是造成滯塵能力差異的原因。綜合上述研究結(jié)果，葉表面具有較深且寬的溝槽有利于大氣顆粒物積累，葉表面存在蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于大氣顆粒物滯留;密集分布有較窄溝槽、較長表皮毛的葉片滯留大氣顆粒物能力較弱。但也有研究認為，表面平滑且有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的葉片滯塵能力較弱（劉璐等，2013）。

北京六郎橋區(qū)域是北京市的交通樞紐地區(qū)，汽車輪胎磨損和尾氣排放的廢氣中含銅、鋅和鎘等重金屬元素，導致該區(qū)域植物葉面滯留相對含量較高的重金屬元素，與符小晴等（2018）的研究結(jié)果一致。本研究中，9個園林樹種葉面上的鋁、銅、鋅、砷和鎘含量均較高，與下表面滯留的重金屬元素含量存在明顯差異，其中，垂柳、紫葉李、榆樹、國槐、銀杏、大葉黃楊和白蠟葉片上表面滯留的重金屬元素重量百分比均高于下表面，油松葉片上表面滯留的重金屬元素重量百分比稍低于下表面，而紫荊葉片上表面滯留的重金屬元素重量百分比明顯低于下表面，可能與紫荊葉片下表面滯留的大氣顆粒物中吸附了大量痕量元素有關(guān)。任乃林等（2004）研究表明，環(huán)境中的重金屬被植物葉片滯留后，只有通過生物吸收才得以降解。王丹丹等（2012）研究認為，生產(chǎn)上的重金屬污染大部分以顆粒狀出現(xiàn)，或吸附在其他顆粒物上，沉積在葉片表面的顆粒物可通過氣孔或受損傷的部位進入葉片內(nèi)部。相關(guān)性分析結(jié)果表明，北京六郎橋區(qū)域綠化樹種葉面滯留的重金屬中鋅含量與銅和砷含量呈顯著正相關(guān)，表明這些重金屬來源相同。張一修等（2012）研究認為，鋅與銅主要來源于汽車輪胎磨損及燃油泄露，彭舜磊等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，電廠、礦區(qū)綠化樹種葉片吸附大氣中的重金屬鉛、鎘、銅和鋅元素含量顯著大于公園風景區(qū)，本研究結(jié)果與張一修等（2012）的研究結(jié)果一致，各園林樹種葉面較高的鋅和銅含量是交通排放的結(jié)果。代杰瑞等（2018）、王興等（2018）研究認為，鋁和砷主要來源于燃煤和工業(yè)污染，北京六郎橋區(qū)域園林樹種葉片上的鋁和砷含量較高，說明該區(qū)域樹種葉面滯留的鋁和砷主要來源于燃煤和工業(yè)等人為活動。

4 結(jié)論

9個園林樹種葉片表面主要滯留顆粒物為粒徑≤10.0 μm的PM10;上表面滯留粒徑≤2.5 μm的PM2.5能力強于下表面，其中銀杏、紫荊和油松葉面具有大量較深且寬的溝槽，大葉黃楊和白蠟葉面具有蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，國槐葉片上表面具有較淺的波浪狀突起和較短而稀疏分布的表皮毛，均有利于吸附大氣顆粒物，可作為滯塵能力強的綠化樹種選用。

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（責任編輯 思利華）