王 琴,馮晶紅,黃 奕,王鵬程,謝夢婷,萬 好,蘇澤琳,王仁鵬,王征洋,余劉思

湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院, 武漢 430068

近年來,隨著我國高速的城市化進程,工業(yè)燃料的燃燒、交通揚塵、建筑施工揚塵和生活廢氣排放量的驟增,導致嚴重的空氣污染問題,已經嚴重威脅到人類的健康和生活[1]?？諝庵械目倯腋☆w粒物(Total Suspended Particulate,簡稱TSP,粒徑d≤100 μm)是國內外大多數城市的首要污染物,聚集大量有害重金屬、酸性氧化物、有機物、細菌和病菌等[2]。越細小的顆粒物(Particulate Metter,PM)對人體的危害越大,PM10(d≤10 μm的顆粒物)會引起慢性鼻炎或支氣管炎等疾??；PM2.5(d≤2.5 μm的顆粒物)則會誘發(fā)一系列呼吸系統(tǒng)、心腦血管疾病,嚴重的可危及生命[3]。此外,大氣中的懸浮顆粒物由于沉降困難,容易引發(fā)霧霾天氣,還會加劇城市溫室效應[4]。

園林植物可以阻擋、過濾及吸滯大氣中的粉塵顆粒物,改善城市大氣污染狀況[5-6]。由于不同城市的大氣污染特征不同,園林植物分布也存在差異,利用園林植物進行大氣污染治理的措施也就不同。而在同一城市,不同植物具有各自獨特的葉表面微形態(tài)結構,植物的滯塵能力和機制也存在明顯差異[7]。因此,在城市大氣污染治理中,針對地域特性和植物分布特點,篩選具有較強滯塵能力的綠化樹種,并進一步開展綠化樹種滯塵機制研究,可以為城市綠化樹種的合理配置提供理論依據。

目前,我國學者在城市園林植物滯塵能力與機制等方面的研究,主要集中在北京[8-12]、西安[13]、南京[14-15]、青島[16-17]、廣州[18]、昆明[19-20]等城市,武漢作為我國中部地區(qū)的核心城市,關于綠化樹種滯塵機制的研究還不夠深入。周志翔[21]、陳芳[22]、余曼[23]、謝子瑞[24]等對武漢市廠區(qū)、城區(qū)主干道、園林綠地內的不同植物種類的滯塵能力進行了比較,宏觀上分析了不同植物的葉表面特性、樹冠結構、枝葉密集程度等與滯塵能力的關系。但這些研究主要集中于綠化樹種對總懸浮顆粒物(TSP)的滯留能力,缺乏對細微顆粒物(PM10和PM2.5)滯留能力的定量研究；對葉面微結構的研究也僅停留在電鏡掃描觀察與分析上,缺乏對葉表面微結構的量化數據與植物滯塵能力的相關性分析。

研究表明,與灌木和草本相比,喬木憑借其碩大的林冠、復雜的枝葉結構和較多的葉片數量,更有利于截留、阻擋與吸附大氣中的粉塵[8,25]。為了研究武漢市不同樹種對各粒徑顆粒物的滯留能力以及葉表面特征對滯塵能力的影響,本文選取武漢城區(qū)15種常見的園林闊葉喬木,測定各喬木單位葉面積對TSP、PM>10、PM10和PM2.5的吸滯量,對比和分析不同樹種滯留各粒徑顆粒物的能力；并通過掃描電鏡觀察葉表面微結構特征,準確量化各項微結構參數,分析這些微結構特征與植物滯塵量之間的關系,從微觀上解釋各樹種滯塵能力差異的原因,為武漢市大氣污染治理過程中合理選擇綠化樹種提供理論依據。

1 研究地概況

1.1 采樣點概況

采樣地點為武漢市洪山區(qū)巡司河風情公園綠化帶,該綠化帶長2.3 km,寬為56 m,距離南李路主干道約2 m,附近車流量大,且有地鐵施工,汽車尾氣及揚塵污染嚴重。

1.2 供試植物種類

本研究選取了武漢市區(qū)常見的15種園林闊葉喬木進行滯塵能力比較,包括8種常綠喬木：香樟、桂花、石楠、廣玉蘭、女貞、山杜英、構樹和樂昌含笑,7種落葉喬木：二球懸鈴木、欒樹、銀杏、加楊、玉蘭、日本晚櫻、烏桕。經調查和統(tǒng)計,15 種喬木在巡司河風情公園均有分布,且每種數量在10株以上,因此,所有的采樣均在此區(qū)域內進行。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

研究發(fā)現(xiàn),降雨量在15 mm以上,降雨強度達到30 mm/h的降水,可以沖刷掉葉片上90%的粉塵,然后重新開始粉塵積累[26]。本研究于2017年9—11月份降雨后第7天進行3次采樣。為了保證采樣環(huán)境的一致性,各樹種的采樣時段均為每天9:00—11:00,采樣喬木均在距離道路邊界10 m范圍內,采樣高度為離地面2 m左右,每個樹種選擇3株生長狀況較一致的喬木,在樹冠外圍的東、南、西、北4個方位,分為上、中、下3個層次隨機采集健康完整的葉片,單葉較大者采集20—30片,較小者采集50—60片,每個樹種重復采樣3次,并將葉片小心裝入封口帶,立即帶回實驗室處理。

2.2 葉面滯塵量的測定

本試驗采用3級濾膜過濾法測定各喬木單位葉面積附著不同粒徑顆粒物的情況[27]。將每種植物采集的葉片放入蒸餾水中浸泡2小時,并用軟毛刷小心清洗葉片正、反面的粉塵,隨后小心夾出葉片,將清洗液依次用10 μm、2.5 μm、0.2 μm孔徑的濾膜(美國Whatman,聚碳酸酯膜)過濾,過濾后的濾膜放入恒溫干燥箱(溫度設定60℃)烘干,再用萬分之一天平(賽多利斯)稱質量,與3種干凈濾膜的質量差即為不同顆粒物的滯留量,孔徑為10.0 μm、2.5 μm和0.2 μm的濾膜上的顆粒物分別視為PM>10、PM2.5—10、PM2.5,粉塵顆粒物的總質量TSP為三者質量之和,PM10的質量為PM2.5—10與PM2.5的質量之和。清洗晾干后的葉片采用活體葉面積儀(YMJ-B,浙江托普)測量單面面積,每種植物葉片單面面積之和為樣品葉片總面積。

計算各植物TSP、PM>10、PM10、PM2.5滯留量與葉片總面積的比值,得到單位葉面積上各粒徑顆粒物的滯留量。

2.3 葉表面微觀結構觀測

為了觀察葉表面的微觀結構(表皮毛、氣孔密度和大小、溝槽寬度和深度、蠟質層、晶狀體等)和粉塵附著情況,每種植物隨機選擇3片新采摘的、健康無破損的葉片,避開主葉脈隨機切取5 mm×5 mm的正方形樣品若干,每個樣品經過固定后用場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(Hitachi SU- 8010)在低真空模式(10.0 kV)下觀察并拍照。分別選擇5張放大倍數為200倍、500倍和1000倍的掃描電鏡圖統(tǒng)計葉片表皮毛數量、氣孔密度、氣孔長度和寬度、溝槽寬度。

2.4 數據處理

利用SPSS 22. 0(IBM,USA)軟件進行數據處理和聚類分析。不同樹種單位葉面積滯留的TSP、PM>10、PM10和PM2.5用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進行差異分析,若差異顯著則用LSD法(least-significant difference)進行多重比較。采用偏相關法分析樹種葉片微形態(tài)參數與滯塵能力之間的關系。

3 結果分析

3.1 不同樹種單位葉面積滯塵能力比較

由圖1可以看出,各樹種單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯留量變化范圍分別為0.235—1.893,0.171—1.487,0.023—0.358 g/m2和0.006—0.058 g/m2,樹種之間滯塵量存在顯著性差異(P<0.05)。各樹種單位葉面積滯留PM10和PM2.5的質量分別占總粉塵量(TSP)的比例為3.6%—33.9%和0.7%—8.9%。

根據圖1和圖2可知,15種喬木單位葉面積滯塵能力可劃分為3或4個等級。各樹種TSP和PM>10滯留能力的等級劃分一致,最強的是二球懸鈴木、石楠和桂花,三者之間差異顯著,單葉面積TSP和PM>10滯留量分別為1.287—1.893 g/m2和1.060—1.487 g/m2；中等的是女貞、玉蘭、日本晚櫻、欒樹和山杜英,兩兩之間差異不顯著,單葉面積TSP和PM>10滯留量分別為0.632—0.834 g/m2和0.563—0.781 g/m2；最弱的是廣玉蘭、樂昌含笑、香樟、烏桕、銀杏、構樹和加楊,兩兩之間差異亦不顯著,單葉面積TSP和PM>10滯留量分別為0.235—0.528 g/m2和0.171—0.430 g/m2；單位葉面積TSP和PM>10滯留量最大的是二球懸鈴木,最小的是加楊,兩種滯塵量前者是后者的7.8倍和8.7倍。PM10滯留能力最強的是二球懸鈴木(0.358 g/m2),較強的是女貞、石楠、桂花(0.178—0.211 g/m2),中等的是日本晚櫻、樂昌含笑、香樟和烏桕(0.113—0.155 g/m2),最弱的是欒樹、構樹、廣玉蘭、山杜英、加楊、銀杏和玉蘭(0.023—0.057 g/m2)；單位葉面積PM10滯留量最大的二球懸鈴木是滯留量最小的玉蘭的18倍。PM2.5滯留能力最強的是石楠、桂花、二球懸鈴木和廣玉蘭(0.047—0.058 g/m2),較強的是樂昌含笑、欒樹、日本晚櫻和女貞(0.038—0.043 g/m2),中等的是的是香樟、烏桕、銀杏、構樹、山杜英、加楊(0.016—0.027 g/m2),最弱的是玉蘭(0.006 g/m2)；單位葉面積PM2.5滯留量最大的石楠是滯留量最小的玉蘭的9.7倍。

通過比較可以看出,綜合滯塵能力最強的植物是二球懸鈴木、桂花和石楠,除以上3者外,女貞和廣玉蘭分別有較強的滯留PM10和PM2.5的能力,加楊滯留TSP和PM>10的能力最弱,玉蘭滯留PM10和PM2.5的能力最弱。

圖1 15種喬木單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5 滯留量Fig.1 The amount of TSP, PM>10, PM10 and PM2.5 on unit leaf area of 15 tree speciesTSP：總懸浮顆粒物；PM>10：直徑大于10μm的細微顆粒物；PM10：直徑在2.5—10μm范圍的細微顆粒物；PM2.5：直徑在0.2—2.5μm范圍的細微顆粒物；不同小寫字母表示各物種TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯留量的Duncan多重比較結果在0.05水平上差異顯著

圖2 15種喬木滯塵能力的聚類分析Fig.2 Clustering analysis on dust detention ability of 15 tree species

3.2 不同植物葉表微結構分析

利用電鏡掃描對15種喬木葉片的表皮毛、氣孔分布、褶皺結構,以及粉塵附著情況等進行顯微觀察,結果如圖3所示：(1)滯塵能力最強的二球懸鈴木葉片上、下表面均有密集的分枝毛結構,且葉表面粗糙,具明顯的溝槽和氣孔結構,可見顆粒物附著于分枝毛及溝槽間隙；(2)桂花和石楠的葉表面較平整,但二者表面均有明顯的鱗片狀蠟質結構,附著有較多的顆粒物；(3)女貞和日本晚櫻葉片下表面氣孔周圍有較窄的褶皺和深溝槽,這些結構有利于粉塵的滯留,但二者上表面溝槽較淺或較平整,不利于粉塵的穩(wěn)定固著；(4)玉蘭葉片上表面被有表皮毛,下表面分布有起伏的氣孔,可見部分顆粒物滯留于表皮毛和氣孔周圍下陷的溝槽處,但葉片上、下表面的溝槽均較淺,也不利于粉塵的穩(wěn)定固著。(5)欒樹上、下表面有密集的條紋溝槽和凸起結構,可以滯留部分粉塵,但上、下表面的溝槽間距均小于2μm,不利于大顆粒物的附著。(6)山杜英上、下表面較平整,紋理不顯著,下表面分布少量毛狀結構,滯留顆粒物較少。(7)廣玉蘭葉片上表面比較光滑平整,不利于顆粒物滯留,下表面分布有密集的絨毛,有利于細小顆粒物的滯留。(8)樂昌含笑上、下表面相對平整,沒有明顯的突起和下陷,這些結構都不利于顆粒物附著。(9)香樟葉片上表面平展光滑,粉塵不易附著,下表面被有密集白粉,遮蓋氣孔結構,表面顆粒物分布較少。(10)烏桕葉片上、下表面均有不規(guī)則的凸起和溝槽,同時被有密集的片狀晶體結構,具有一定疏水性,不利于粉塵的附著。(11)銀杏葉片上表面細胞為長條形,沿葉脈方向形成條紋狀淺溝槽,下表面細胞凸起,氣孔下陷,溝槽及細胞縫隙可見滯留的粉塵顆粒。(12)構樹葉片上表面粗糙,密被直徑70—80 μm的錐形毛,周圍形成密集條紋突起,溝槽間距小,下表面密被氣孔和白色棉毛,這些結構都有利于粉塵顆粒物的附著。(13)加楊葉片上、下表面平整,均有氣孔分布,細胞之間有較淺的溝槽,分布少量細小顆粒物。

圖3 15種喬木葉表面微形態(tài)掃描電鏡圖像Fig.3 The SEM images of particulate matter morphology on leaf surface of 15 tree species

由以上觀察結果可以看出,不同植物對粉塵顆粒物的附著能力不同。(1)葉片表面粗糙有利于粉塵顆粒物的附著,如二球懸鈴木；葉表面平整光滑不利于粉塵滯留,如廣玉蘭、樂昌含笑、香樟和加楊。(2)葉片表面被蠟質結構容易使粉塵顆粒物吸附,如桂花和石楠；而葉表被疏水性的晶體結構不利于粉塵的附著,如烏桕。(3)葉片表面溝槽的深度和寬度對葉片滯留粉塵能力有很大影響,溝槽較深,寬度適中有利于顆粒物滯留,如二球懸鈴木、女貞和日本晚櫻；而溝槽較淺,寬度太窄或太寬都不利于粉塵顆粒物附著,如玉蘭和銀杏。

3.3 植物葉表微結構與滯塵能力的關系

為了進一步分析植物的葉表微結構對滯塵能力的影響,本研究對各喬木葉表微結構(表皮毛數量、下表皮氣孔密度、氣孔長度和寬度、上下表皮的溝槽寬度)和滯塵量(單位葉面積滯留TPS和PM2.5質量)進行量化統(tǒng)計(表1),同時對兩者進行偏相關分析(表2)。結果表明,葉片的表皮毛數量、氣孔密度、氣孔長度及寬度與單位葉面積TSP和PM2.5滯留量均未達到顯著性相關,但上、下表皮溝槽的寬度與樹種的滯塵能力密切相關。本研究中,上表皮的溝槽寬度與葉片單位面積PM2.5滯留量呈顯著負相關(R2=-0.588；P=0.027),表明葉片上表皮溝槽寬度增加,葉表面滯留的PM2.5質量呈下降趨勢。下表皮的溝槽寬度與葉片單位面積滯留TSP呈極顯著正相關(R2=0.712；P=0.004),與葉片單位面積滯留PM2.5呈顯著負相關(R2=-0.648；P=0.012),表明葉片下表皮的溝槽寬度增加時,單位面積滯留的粉塵總顆粒物(TSP)隨之增加,而滯留的PM2.5呈下降趨勢。因此,在一定范圍內,上、下表皮的溝槽寬度越小時,越有利于細微顆粒物(PM2.5)的滯留,而當下表皮的溝槽寬度增加時,有利于粉塵總顆粒(TSP)的滯留。

表1 15種喬木葉片表面微結構參數

TN,表皮毛數量Trichome number of epidermis；SD,下表皮氣孔密度Stomata density of lower epidermis；SL,氣孔長度Stomata length；SW,氣孔寬度Stomata width；GWU,上表皮溝槽寬度Groove width of upper epidermis；GWL,下表皮溝槽寬度Groove width of lower epidermis；UTSP,單位葉面積TSP, Unifoliate TSP；UPM2.5,單位葉面積PM2.5,Unifoliate PM2.5

表2 植物葉表微結構參數與滯塵能力之間的相關性

4 討論

4.1 各樹種不同粒徑粉塵顆粒物滯留能力的比較

不同樹種對各粒徑粉塵顆粒物的滯留能力存在明顯差異。根據聚類分析的結果,二球懸鈴木、石楠和桂花單位葉面積滯留TSP、PM>10的能力均大于其他樹種,滯留PM10能力最強的是二球懸鈴木,但是滯留PM2.5能力最強的植物卻是石楠和桂花。另外,女貞滯留TSP和PM10的能力分別排第4和第2,但是滯留PM>10和PM2.5的能力僅排第6和第8；廣玉蘭滯留TSP、PM>10、PM10的能力均較弱,但是滯留PM2.5的能力卻較強。其他研究者也得到類似的結果,賈彥等[28]發(fā)現(xiàn)雖然紅桎木葉片滯塵量只有桂花樹的一半,但PM2.5的滯留量卻相差不大。楊佳等[9]的研究中,在同一地點,元寶楓單位葉面積PM滯留量較強,但是PM2.5—10滯留量卻較小。由此可知,樹種單位葉面積總粉塵顆粒物(TSP)的滯留能力不能決定各粒徑顆粒物的滯留能力。這與葉片表面的微觀結構,包括葉片的粗糙程度、表面絨毛的密度與長短、溝槽的寬度與深度、氣孔數量與形狀等都有密切關系[13,18,29]。

本研究中,各供試喬木單位葉面積滯留PM10和PM2.5占總粉塵量TSP的質量分數變化范圍分別為3.6%—33.9%和0.7%—8.9%,即葉片表面滯留的粉塵以大于10 μm的粗顆粒物為主。張桐等[7]的研究也表明,北京6種供試樹種吸附的顆粒物粒徑分布主要在10—50 μm,PM10和PM2.5占總顆粒物的比分別為15.16%—23.79%和4.69%—7.66%,與本研究結果一致。謝濱澤等[30]、Sb?等[31]測定供試植物單位葉面積PM2.5滯留量占TSP平均質量分數分別為13.77%和12.37%,與本研究結果相差不大。但是,趙松婷等[32]的研究結果卻顯示,供試樹種葉表顆粒物主要為PM10和PM2.5,占到總顆粒物的60%—90%以上。分析研究結果存在差異的原因可能有3個方面：(1)不同城市的粉塵污染源不一樣,導致空氣中的TSP濃度和各粒徑顆粒物的分布比例有所不同[30]；(2)不同植物葉表面的微結構差異較大,對不同粒徑顆粒物的滯留能力也存在明顯差別[17]。(3)不同研究者的統(tǒng)計方式不一,細顆粒物PM10和PM2.5由于體積小,數量足,易被植株葉片大量吸附,按數量比統(tǒng)計的結果會比較高,然而其單位體積和單位質量遠不及大顆粒物(d>10 μm),總重量和總體積相應比例也較低[33]。

4.2 葉表面微形態(tài)結構對樹種滯塵能力的影響

不同樹種滯留粉塵顆粒物的能力主要取決于植物葉片表面的微觀結構。葉表面較粗糙[25,32]、具有大量的溝槽和突起結構[34]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,使得滯留的粉塵不易從葉面脫落[20]；葉表面光滑或具有平滑片狀組織的植物對粉塵顆粒物的吸附能力較差[35-36]。本研究中二球懸鈴木葉片上、下表面粗糙、褶皺分布密集,有利于粉塵顆粒物滯留在葉表面溝縫間隙中,其單位葉面積各粒徑顆粒物的滯塵能力在聚類分析中排第一；而葉片表面光滑平整、溝槽數量少的植物如香樟、樂昌含笑、楊樹的滯塵能力則比較弱。此外,植物葉表粉塵顆粒物的滯留量與溝槽的深度和寬度有關,較深的溝槽可攔截較多顆粒物,較淺的溝槽使葉片表面粗糙度降低,顆粒物吸附量減少[10,36]；葉表面溝槽較窄時對PM2.5等粒徑細小的顆粒物表現(xiàn)出較強的滯留能力,而溝槽較寬時,細小的顆粒物不易在葉表溝槽間隙中固著[28,30]。在本研究中,銀杏和玉蘭的葉表分布有大量溝槽,但溝槽深度淺,寬度大,其對PM2.5的滯留能力也相應較弱。通過分析葉表顯微結構參數與滯塵能力之間的相關性,發(fā)現(xiàn)植物葉表面溝槽寬度與植物滯塵能力顯著相關,上下表面的溝壑寬度越小時,越有利于細微顆粒物(PM2.5)的滯留,而當下表面的溝壑寬度增加時,有利于粉塵總顆粒(TSP)的滯留,此結論與李艷梅等[20,30]的研究一致。

植物葉片表面覆蓋的蠟質層也是影響粉塵顆粒物滯留量的重要因素。葉表面滯留的粉塵中一些化學物質可以通過親脂性通道富集在角質層或者表皮蠟質層[37]。一些研究者發(fā)現(xiàn),植物滯塵量與葉片表面蠟質含量呈顯著正相關[31,38]。孫曉丹等[17]、高國軍等[39]發(fā)現(xiàn)大葉黃楊的蠟質層對不同粒徑顆粒物具有較強的吸附能力,能夠有效降低城市中的大氣顆粒物。林鑫濤[33]等發(fā)現(xiàn),青岡、冬青、紅花檵木的單位葉面積蠟質滯塵量分別占其總滯塵量的70.0%、62.6%和63.1%,顆粒物主要滯留于蠟質層中。本研究中,石楠和桂花的顯微結構可以看出,其表面較平整,但覆蓋有較厚的蠟質層,在15種喬木的聚類分析中,這兩種植物的綜合滯塵能力也較高,可見植物的滯塵能力與葉表面蠟質層呈正相關,與以上研究者的結論一致。有的學者則持不同觀點,認為葉片表面的蠟質結構的疏水性使葉片表面與粉塵顆粒物的接觸角變小,導致植物的滯塵能力減弱[18,23,40]。王會霞等[13]發(fā)現(xiàn),植物表面微結構影響植物的接觸角、潤濕性和表面自由能,從而對植物的滯塵能力產生影響。因此,可以以植物葉表的蠟質層與葉片接觸角、潤濕性和表面自由能的關系為切入點,進一步探究葉片表面蠟質含量對植物滯塵能力的影響。

5 結論

(1)武漢市15種常見的闊葉喬木對不同粒徑顆粒物的滯留能力差異顯著,根據聚類分析,15種喬木的滯塵能力可以劃分為3到4個等級,其中,二球懸鈴木、桂花和石楠的綜合滯塵能力最強。另外,女貞和廣玉蘭分別具有較強的滯留PM10和PM2.5的能力。

(2)各喬木葉片表面的微形態(tài)結構對植物滯留不同粒徑粉塵的能力影響很大。葉表面粗糙,或被有蠟質層的植物有利于粉塵顆粒物的附著。相關性分析表明,植物單位葉面積滯塵量與葉表面溝槽的寬度顯著相關,上下表面的溝槽寬度越小時,越有利于細微顆粒物(PM2.5)的滯留,而下表面的溝槽寬度增加時,有利于粉塵總顆粒物(TSP)的滯留。

(3)在武漢以治理大氣粉塵污染為目標進行城市綠化時,可考慮選擇二球懸鈴木、桂花和石楠等滯塵能力強的樹種,葉表面粗糙度、蠟質含量和溝槽寬度可作為評價綠化樹種滯塵能力的主要指標。

致謝：感謝新西蘭奧塔哥大學(University of Otago)Jennifer Smith博士對寫作的幫助。