劉延惠 侯貽菊 舒德遠(yuǎn) 楊 冰 崔迎春 丁訪軍

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550011)

植物因其葉片能吸附、吸收顆粒物(PM)及氣體污染物，從而具有凈化大氣的功能(Terzaghietal.， 2013)。森林有著更大的葉表面積(Hofmanetal.， 2014)，因此其PM干沉降速率比其他土地利用類(lèi)型更高(Wyseetal.， 2015)。森林凈化大氣PM的作用途徑包括： 通過(guò)樹(shù)冠降低風(fēng)速而促進(jìn)PM沉降(張秀梅等， 2001)，通過(guò)植株表面(主要是葉面)的絨毛、分泌物、蠟質(zhì)等附屬結(jié)構(gòu)以及葉面的葉脈、皺褶等結(jié)構(gòu)提供的滯存空間而吸滯PM，在葉片光合作用和呼吸作用過(guò)程中通過(guò)氣孔吸收部分PM，等等。研究表明，植物滯塵作用除受降水、風(fēng)速等環(huán)境因素影響外，更多地受葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)(葉片大小、形狀、粗糙度、表皮毛、氣孔、表皮蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)等)(Weerakkodyetal.， 2018)的影響。樹(shù)種間滯塵能力存在差異，如針葉的凈化PM能力更強(qiáng)(Beckettetal.， 2000a; Freersmithetal.， 2005; Sb?etal.， 2012)； PM吸滯能力具有葉片生長(zhǎng)階段差異(Nguyenetal.， 2015)，2年生針葉較1年生針葉的PM積累量更大，植物的PM凈化能力隨葉面積指數(shù)變化而表現(xiàn)出倒U型的年內(nèi)變化(吳曉娟等， 2006)。樹(shù)冠形態(tài)(Hofmanetal.， 2014; Pretzschetal.， 2015)和群落植物配置(謝濱澤， 2015;王蕾等， 2006)等因素也影響植物滯塵能力的發(fā)揮。此外，植物PM吸滯量隨空氣PM濃度以及降水、風(fēng)速等環(huán)境背景不同而表現(xiàn)出空間差異，如污染較重區(qū)域的植物吸滯量更高(張家洋等， 2013)，主要是因?qū)Υ罅絇M的吸滯量較大(Beckettetal.， 2000b)?？傮w來(lái)看，植物PM吸滯量是上述眾多植被特征及氣象條件和污染程度等環(huán)境因子的復(fù)合作用結(jié)果(Wangetal.， 2015)。然而，目前仍缺乏量化研究，尤其是對(duì)植被形態(tài)結(jié)構(gòu)特征影響PM吸滯能力的量化研究。

貴陽(yáng)市是座山地城市，土地資源缺乏，人口密度高(主城區(qū)高達(dá)1.22萬(wàn)人·km-2)。隨著城市不斷發(fā)展，要依靠面積有限的綠地凈化城市空氣，就需選擇高效滯塵綠化樹(shù)種。然而，目前對(duì)貴陽(yáng)市植物滯塵研究還較少，已有研究主要涉及市郊貴陽(yáng)學(xué)院內(nèi)香樟(Cinnamomumcamphora)和桂花(Osmanthusfragrans)等6種植物吸滯量的種間差異和校園內(nèi)空間差異(石登紅等， 2014)，而對(duì)空間跨度大的城市與郊區(qū)間植物吸滯量的時(shí)空差異還少見(jiàn)研究報(bào)道。為此，本研究在貴陽(yáng)市區(qū)、郊區(qū)的不同污染背景區(qū)，選擇空曠綠地與林內(nèi)的常見(jiàn)綠化樹(shù)種，開(kāi)展葉面吸滯PM特征及其時(shí)空變化研究，分析影響葉面吸滯量的關(guān)鍵形態(tài)因子，以期為合理選擇高效綠化樹(shù)種提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)貴陽(yáng)市(106°07′—107°17′E,26°11′—26°55′N(xiāo))地處云貴高原中部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。本研究沿污染梯度選擇了市區(qū)廣場(chǎng)(US)、市區(qū)公園(UP)、城郊綠地(SG)和環(huán)城林區(qū)(SF)4種景觀，以比較不同污染背景下植物葉片吸滯量差異。US采樣點(diǎn)位于市中心交通密集區(qū)的筑城廣場(chǎng)，兩面臨近繁忙的城市干道，廣場(chǎng)上樹(shù)木較稀(間距5 m以上)。UP采樣點(diǎn)位于市中心的河濱公園，它與US采樣點(diǎn)僅一路之隔，但UP 植被幾乎呈連續(xù)分布，形成大量小片林地，選擇的樣樹(shù)距離主干道均在50 m以上。SG采樣點(diǎn)位于貴州省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)綠地，距公路50 m以上，樹(shù)木孤立散生。SF采樣點(diǎn)位于該院實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)，距交通干道直線距離300 m以上，樣樹(shù)位于林內(nèi)。研究對(duì)象是分布在4個(gè)采樣點(diǎn)或其中部分采樣點(diǎn)的14個(gè)主要園林綠化樹(shù)種，包括桂花、香樟、櫻花(Cerasussubhirtella)、銀杏(Ginkgobiloba)、迎春花(Jasminumnudiflorum)、琴絲竹(Bambusamiltiplex)、女貞(Ligustrumlucidum)、紅花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum)、紅葉石楠(Photiniafraseri)、白玉蘭(Magnoliadenudata)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、雪松(Cedrusdeodara)、楊梅(Myricarubra)和欒樹(shù)(Koelreuteriapaniculata)。樹(shù)種基本特征及分布見(jiàn)表1。

表1 樣樹(shù)的基本特征及采樣點(diǎn)分布情況①Tab.1 Distribution of sample trees in sampling sites and characteristics of sample trees

2 研究方法

2.1 采樣點(diǎn)背景空氣污染情況調(diào)查與測(cè)定

2014年5月13日至15日(空氣質(zhì)量二級(jí)), 每天9:00至18:00，每間隔1 h，用手持粉塵儀(DUSTMATE，英國(guó))連續(xù)測(cè)定SG和SF采樣點(diǎn)PM濃度10 min。US和UP采樣點(diǎn)相距較近，其背景空氣的PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)采用貴陽(yáng)市多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均值(https:∥tianqi.so.com/air/)。市區(qū)和城郊采樣點(diǎn)的空氣PM濃度比較見(jiàn)圖1， 2014年5月14日空氣PM濃度相對(duì)高時(shí)，市區(qū)PM濃度明顯高于郊區(qū)，但在低污染天氣時(shí)(2014年5月13和14日)與SG的污染程度相當(dāng)，SF的污染程度接近SG或較低。

圖1 貴陽(yáng)市區(qū)及郊區(qū)采樣點(diǎn)PM質(zhì)量濃度Fig.1 PM mass concentrationin in urban and suburban sampling sites of Guiyang City

由于采樣點(diǎn)的PM污染源主要是汽車(chē)尾氣，背景污染情況可用離采樣點(diǎn)最近公路的早晚高峰期平均車(chē)流量表示?？紤]汽車(chē)車(chē)型差異，用交通量(T, h-1，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型數(shù)量，文中以小型車(chē)輛為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型)代替車(chē)流量(N, h-1，即不考慮車(chē)型，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛數(shù)量)，具體計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:Ni為采樣點(diǎn)第i種車(chē)型的車(chē)流量，h-1；ci為第i種車(chē)型的車(chē)型轉(zhuǎn)換系數(shù)，ci值對(duì)小型車(chē)輛為1，大貨車(chē)為2.2，小貨車(chē)為1.5，摩托車(chē)為0.4， 大客車(chē)及中型貨車(chē)為1.7。

2.2 葉面顆粒物吸滯量測(cè)定

在4個(gè)采樣區(qū)內(nèi)，選擇生長(zhǎng)良好、無(wú)病蟲(chóng)害的各樹(shù)種3株樣樹(shù)，為避免降水對(duì)葉面吸滯顆粒物的影響，于各季典型晴天采葉樣，每季各采葉樣3次。因貴陽(yáng)市降雨頻繁，為保證葉面能積累一定量的顆粒物，采樣要求在雨后3～5日進(jìn)行，分別在樣樹(shù)東、西、南、北方向的樹(shù)冠中部外緣，采集完整葉片混合，裝入塑料袋密封待測(cè)。

用氣溶膠再發(fā)生系統(tǒng)測(cè)定葉面顆粒物吸滯量。該儀器利用風(fēng)蝕原理，將放入測(cè)定箱內(nèi)葉片上的PM吹起后，用與儀器以通氣管連接的手持粉塵儀測(cè)定箱內(nèi)的PM濃度，測(cè)量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境空氣PM濃度，箱內(nèi)和環(huán)境空氣PM濃度測(cè)量值輸入氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)的自帶程序，計(jì)算葉面PM吸滯質(zhì)量(m，μg)，測(cè)完吸滯量后的葉樣用掃描儀掃描葉面積(A，cm2)以計(jì)算單位葉面積吸滯量(M，μg·cm-2)。

2.3 葉面特征顯微結(jié)構(gòu)測(cè)定

為避免季節(jié)對(duì)葉片生理活性的影響，在8月葉片完全成熟時(shí)，同步采集1次各樹(shù)種葉樣。在樣樹(shù)上選擇生長(zhǎng)良好，形態(tài)完好且無(wú)蟲(chóng)害和病害的成熟葉片剪下，裝入塑料樣品袋，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉面特征顯微結(jié)構(gòu)分析。在新鮮樣葉中部，避開(kāi)主脈，取1塊約2 cm×2 cm的小塊，用蒸餾水洗凈，常規(guī)臨界點(diǎn)干燥，粘在樣品臺(tái)上，之后用HUS-5 GB高真空鍍膜機(jī)噴鍍，用掃描顯微鏡(JSM-6450, JEOL,日本)掃描葉表面形態(tài)并拍照獲取影像。用圖像分析軟件Digimizer(version 4.5.1)測(cè)量并計(jì)算照片中的氣孔、表皮毛、葉脈、突起物數(shù)量等信息，判斷葉面粗糙度和蠟質(zhì)覆蓋程度(根據(jù)圖像蠟質(zhì)下面葉表皮細(xì)胞是否清晰可見(jiàn)量化)特征。測(cè)量信息經(jīng)數(shù)字化處理，定義并計(jì)算葉表面特征各指標(biāo)。這些指標(biāo)定義及計(jì)算方法見(jiàn)表2。

表2 葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)Tab.2 Indexes of micro-morphological structure characteristics of leaf surface

1)葉面微形態(tài)特征測(cè)定與計(jì)算 用圖像分析軟件的測(cè)量工具，測(cè)量葉面顯微照片的影像面積，計(jì)數(shù)照片中氣孔、毛皮毛、疣狀突起的數(shù)量(個(gè))和相應(yīng)密度，并測(cè)量氣孔器和氣孔口徑長(zhǎng)度、寬度和面積及表皮毛長(zhǎng)度和溝槽寬度等指標(biāo)。

2)葉面粗糙度測(cè)定與計(jì)算 葉面電鏡掃描圖像因葉表面凹凸不平而呈現(xiàn)出明暗相間的斑塊(表現(xiàn)為不同灰度的色塊)，突起部分的顏色偏向淺和亮，凹陷部分的顏色偏向暗和深，因而可在一定程度上反映葉面粗糙程度。Digimizer軟件的圖像二值化功能可區(qū)分出明、暗斑塊并計(jì)算斑塊數(shù)量，斑塊數(shù)量越多就越破碎，表明葉面越粗糙。葉面掃描圖像顏色越均勻，呈現(xiàn)的斑塊越少，表明葉面越光滑。避開(kāi)電鏡掃描圖像中有葉脈、表皮毛等分布的位置，選擇圖像適宜區(qū)域，限定斑塊面積在一定范圍內(nèi)，排除過(guò)小和過(guò)大斑塊，以消除突起的葉脈等附屬物影響。本研究定義的粗糙度僅在一定程度上反映葉面起伏的狹義概念，僅用于同一條件下區(qū)別不同樹(shù)種的葉表面粗糙程度。對(duì)圖像二值化后計(jì)算的斑塊數(shù)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，作為相對(duì)粗糙程度指標(biāo)(RD，取值0～1)。

3)葉面蠟質(zhì)覆蓋指數(shù)測(cè)定與計(jì)算 通常葉面蠟質(zhì)或角質(zhì)的厚度不同，蠟質(zhì)呈現(xiàn)粒狀、條狀等突起的紋理，通過(guò)分析葉面掃描照片可觀察明暗程度、表皮蠟質(zhì)紋理、表皮細(xì)胞是否清晰可見(jiàn)，從而間接反映蠟質(zhì)/角質(zhì)覆蓋狀況。 本研究以蠟質(zhì)覆蓋指數(shù)(Iw)反映蠟質(zhì)覆蓋特征(Iw=1，葉面暗，整體覆蓋厚的蠟質(zhì)層，表皮細(xì)胞不可見(jiàn)；Iw=0.75，葉面較暗，蠟質(zhì)覆蓋較厚，蠟質(zhì)紋飾隱約可見(jiàn)，表皮細(xì)胞不可見(jiàn)；Iw=0.5，葉面較亮，蠟質(zhì)紋飾較清晰，但表皮細(xì)胞不可見(jiàn)；Iw=0.25，葉面明亮，蠟質(zhì)紋飾清晰，葉表皮細(xì)胞不可見(jiàn)；Iw=0，葉表面明亮，無(wú)蠟質(zhì)顆粒，表皮細(xì)胞可見(jiàn))。

2.4 數(shù)據(jù)處理

以單位葉面積吸滯顆粒物量表征滯塵作用，簡(jiǎn)稱(chēng)葉面吸滯量(M，μg·cm-2)：

M=m/A。

(2)

2.4.1 單位葉面積吸滯量的種間比較 由于部分樹(shù)種并非在4個(gè)采樣點(diǎn)均有分布(表1)，因此不能簡(jiǎn)單地用各采樣點(diǎn)樣樹(shù)葉面吸滯量均值進(jìn)行種間比較，需先排除采樣點(diǎn)間污染背景差異。本研究以采樣點(diǎn)早晚高峰時(shí)段的平均交通量T反映污染背景，以污染適中的UP采樣點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)污染背景采樣點(diǎn)，其污染背景轉(zhuǎn)換系數(shù)(k)取值為1。其余采樣點(diǎn)的污染背景轉(zhuǎn)換系數(shù)采用其交通量與UP點(diǎn)交通量的比值。其中SF點(diǎn)距道路200 m以上，根據(jù)文獻(xiàn)(潘純珍等， 2004)，PM10和PM2.5濃度在距離道路60 m時(shí)，分別降至距離0 m處的46.78%和94%，本研究SF點(diǎn)轉(zhuǎn)換系數(shù)取值0.6。各采樣點(diǎn)的交通量和污染背景轉(zhuǎn)換系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 采樣點(diǎn)交通量及污染背景換算系數(shù)Tab.3 The traffic volume and pollution background conversion coefficients of sample sites

葉面PM吸滯量均值修正值(M′)計(jì)算見(jiàn)式(3)：

(3)

式中:Mi為第i個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)葉面PM吸滯量(μg·cm-2)；ki為第i個(gè)采樣點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)污染背景采樣點(diǎn)間的污染背景轉(zhuǎn)換系數(shù)。

將經(jīng)換算、剔除空間差異影響后的M′進(jìn)行種間比較。對(duì)部分樣點(diǎn)沒(méi)有的樹(shù)種，用M′替代M值，以求取4個(gè)采樣點(diǎn)的葉面PM吸滯量均值。從M′與M的回歸關(guān)系來(lái)看(圖2)，兩者具有很好的線性關(guān)系(R2=0.993 5)，因此認(rèn)為用M′替代M值是可靠的。

圖2 葉面PM吸滯量計(jì)算值M′與觀測(cè)值M的線性回歸關(guān)系Fig.2 Linear regression relation between the calculated value(M′) and measured value (M) of PM retention quantity on leaf surface

2.4.2 單位葉面積PM吸滯量季節(jié)比較 將每次采樣時(shí)的4個(gè)采樣點(diǎn)(US、UP、SG、SF)樣品M值取平均值，作為該樣次葉面PM吸滯量均值，分季節(jié)計(jì)算各樹(shù)種的季節(jié)M均值。比較各樹(shù)種葉面PM吸滯量的季節(jié)差異。

2.4.3 單位葉面積吸滯量空間差異 為避免因季節(jié)變化帶來(lái)的植物葉面生理活力差異干擾，同時(shí)考慮背景空氣PM濃度相對(duì)穩(wěn)定，僅選擇常綠樹(shù)種的冬季測(cè)定數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間差異分析。

2.4.4 葉表面微形態(tài)特征的滯塵影響分析 應(yīng)用SPSS 19.0軟件，進(jìn)行葉片吸滯量與葉表面微形態(tài)特征數(shù)字化指標(biāo)的方差分析、相關(guān)分析、聚類(lèi)分析和通徑分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉面吸滯量的差異來(lái)源

測(cè)試的14個(gè)樹(shù)種包含了喬木和灌木2種生活型，首先比較2種生活型間單位葉面積吸滯量差異。為避免空氣污染程度背景的采樣日差異干擾，選擇中等污染采樣日(日均空氣PM2.5質(zhì)量濃度40～60 μg·m-3)進(jìn)行單位葉面積總顆粒物(TSP)吸滯量方差分析(表4)。結(jié)果表明，4個(gè)采樣點(diǎn)均未表現(xiàn)出生活型間的顯著差異。

表4 喬木和灌木2種生活型樹(shù)木的單位葉面積吸滯量方差分析Tab.4 Analysis of variance of total suspended particulate retention on leaf surface between tree group and shrub group

圖3 各樹(shù)種葉面對(duì)不同粒徑顆粒物的吸滯量Fig.3 Unit leaf arearetention quality of different diameter PM of different tree species

采用聚類(lèi)分析方法，根據(jù)葉片年均TSP的M′值，將所測(cè)植物劃分為3類(lèi)(表5)： 強(qiáng)吸滯類(lèi)(Ⅰ)、中吸滯類(lèi)(Ⅱ)和弱吸滯類(lèi)(Ⅲ)，其年均葉面總顆粒物吸滯量分別為10.254 、6.235 和2.635 μg·cm-2，相互差異極顯著(P<0.01)。歸為Ⅰ類(lèi)的是紅花檵木和雪松，桂花歸為Ⅱ類(lèi)，其余為Ⅲ類(lèi)，Ⅲ類(lèi)樹(shù)種葉面總顆粒物吸滯量為1.562 ～3.880 μg·cm-2，僅為Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)的25.7%和42.3%。Ⅲ類(lèi)葉面PM10吸滯量分別為Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)的23.7%和43.2%，葉面PM2.5吸滯量分別為Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)的27.3%和40.4%，葉面PM1吸滯量分別分Ⅰ和Ⅱ類(lèi)的30.2%和29.4%。

表5 葉面顆粒物吸滯量等級(jí)劃分Tab.5 Classification of PM retention quatity on leaf surface μg·cm-2

3.2 葉面吸滯顆粒物的粒徑比例

表6表明：葉片的TSP/PM1質(zhì)量比值為458.5，PM10/PM1為204.8，PM2.5/PM1為12.1，背景空氣中的這3項(xiàng)組分比分別為15.38，9.1和3.0，葉面吸滯的顆粒物中TSP、PM10和PM2.5組分在顆粒物中所占比重遠(yuǎn)大于背景空氣中相應(yīng)組分所占的比重；葉面吸滯粒徑2.5～100 μm的PM質(zhì)量占其吸滯總量的97.36%，而粒徑小于2.5 μm 的PM量?jī)H占2.64%，背景空氣中對(duì)應(yīng)比例分別為80.29%和19.71%?？梢?jiàn)植物葉片對(duì)大徑級(jí)PM的吸滯效益高于小徑級(jí)PM。

表6 葉面及空氣中不同粒徑顆粒物組成Tab.6 Size composition of PM adsorbed on leaf surface and in air

3.3 葉面吸滯量的季節(jié)差異

圖4表明，除少數(shù)植物外，多數(shù)植物葉面PM吸滯量(M)為冬、春較高，夏季較低，秋季最低。所有樹(shù)種TSP吸滯量均值表現(xiàn)為冬(2.95 μg·cm-2)>春(2.87 μg·cm-2)>秋(2.14 μg·cm-2)>夏(1.62 μg·cm-2)； 所有樹(shù)種PM10吸滯量均值表現(xiàn)為春(1.38 μg·cm-2)>冬(1.30 μg·cm-2)>秋(0.91 μg·cm-2)>夏(0.73 μg·cm-2)； 所有樹(shù)種PM2.5吸滯量均值表現(xiàn)為春(0.09 μg·cm-2)>冬(0.08 μg·cm-2)>秋(0.05 μg·cm-2)>夏(0.04 μg·cm-2)； 所有樹(shù)種PM1吸滯量均值表現(xiàn)為冬(0.008 μg·cm-2)>春(0.006 μg·cm-2)>秋(0.005 μg·cm-2)>夏(0.003 μg·cm-2)。銀杏、白玉蘭和欒樹(shù)的葉面TSP吸滯量均表現(xiàn)為春季最低?？赡芤虼杭救~面附屬物未發(fā)育完全，影響了葉片滯塵能力。

圖4 各樹(shù)種葉片吸滯量的季節(jié)比較Fig.4 Comparison of PM retention quantity on leaf surface of different species among seasons

3.4 葉片吸滯量的空間差異

圖5反映了冬季桂花、香樟、琴絲竹、紅花檵木和雪松5個(gè)樹(shù)種在各采樣點(diǎn)的平均M，圖5表明:大部分樹(shù)種的各粒徑PM吸滯量表現(xiàn)為市區(qū)大于郊區(qū)； 在同為市區(qū)的2個(gè)采樣點(diǎn)，城市公園參試樹(shù)種平均葉面TSP吸滯量(17.27)大幅高于城市廣場(chǎng)(5.50)，同處郊區(qū)的市郊綠地和市郊森林采樣點(diǎn)接近(分別為4.38和3.55 μg·cm-2)； 各樣點(diǎn)PM10吸滯量表現(xiàn)為UP(6.95 μg·cm-2)>US(2.56 μg·cm-2)>SG(1.92 μg·cm-2)>SF(1.60 μg·cm-2)； PM2.5吸滯量的空間差異與TSP和PM10相似，US、SG和SF采樣點(diǎn)的參試種平均值分別為UP采樣點(diǎn)的46.2%、26.7%和23.0%。PM1吸滯量表現(xiàn)為郊區(qū)采樣點(diǎn)低于市區(qū)，US、SG和SF的參試種平均值為UP的38.8%、17.4%和14.9%。

圖5 各樹(shù)種葉面顆粒物吸滯量的取樣地點(diǎn)比較Fig.5 Comparison of leaf PM retention quantity among sample sites

3.5 葉表面微形態(tài)特征及其對(duì)吸滯量影響

圖6是各種植物葉表面(近軸面、遠(yuǎn)軸面)放大100倍的電子掃描顯微鏡照片，葉片特征描述見(jiàn)表7。葉面微形態(tài)種間差異明顯，紅花檵木葉附星狀毛，白玉蘭及杜鵑葉附較長(zhǎng)表皮毛，琴絲竹葉具刺毛結(jié)構(gòu)； 部分植物(桂花、櫻花、楊梅、欒樹(shù))具網(wǎng)狀葉脈并將葉面分隔為小室，琴絲竹與雪松葉面平行脈形成溝槽狀結(jié)構(gòu)； 部分植物種葉面具蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，其覆蓋厚度、結(jié)構(gòu)紋理有種間差異，這些蠟質(zhì)紋理形成更細(xì)密的小室等結(jié)構(gòu)(如白玉蘭上表面)，利于吸附PM，且難被雨水沖走或風(fēng)吹起。

圖6 植物葉面電鏡掃描影像Fig.6 Leaf surface electron microscope scanning photos

各樹(shù)種葉面量化的特征值見(jiàn)表7。各樹(shù)種葉片氣孔密度差異很大，變化在34.24～596.02 個(gè)·mm-2。氣孔器大小差異也十分明顯，單個(gè)氣孔器長(zhǎng)度變化在14.23～67.73 μm，氣孔器寬度變化在8.46～46.99 μm； 氣孔口橫徑和縱徑變化在1.78～21.19和7.80～37.26 μm。多數(shù)植物種葉片氣孔口大小能通過(guò)小粒徑PM(PM2.5、PM1)，少數(shù)植物種(銀杏、雪松)甚至能吸入大粒徑PM(PM10)。葉片氣孔開(kāi)度差異明顯，變化在0.07～0.33。單位葉面積上氣孔口面積反映了葉片通過(guò)氣孔口吸滯顆粒物的潛力，葉面氣孔口面積表現(xiàn)為櫻花最大(0.054 mm2·mm-2)，欒樹(shù)最小(0.005 mm2·mm-2)。葉脈密度變化在217.25～3 600.31 μm·cm-2。紅葉石楠和杜鵑葉面葉脈突起不明顯，未形成溝槽或小室結(jié)構(gòu)。

表7 葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Tab.7 Micro-morphological structure characteristic parameters of leaf surface

將量化后的葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與葉面吸滯量(M′)進(jìn)行相關(guān)分析，各葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征變量與葉面吸滯量的相關(guān)系數(shù)(r)見(jiàn)表8，相關(guān)性表現(xiàn)為葉面粗糙度>表皮毛密度>表皮毛長(zhǎng)>葉脈密度>氣孔器橫縱徑比，其中粗糙度、表皮毛密度與葉面吸滯量的相關(guān)達(dá)顯著水平(P<0.05)。但是，植物葉片各特征參數(shù)間彼此關(guān)聯(lián)，可能共同影響葉片滯塵能力，相關(guān)分析不能準(zhǔn)確反映各因子的影響。為確定這些特征對(duì)滯塵能力影響的強(qiáng)弱并區(qū)分影響途徑，采用通徑分析區(qū)分了它們對(duì)吸滯量的直接影響(以直接通徑系數(shù)Pd表示)和通過(guò)其他特征參數(shù)的間接影響(以間接通徑系數(shù)Pi表示)，最終以決策系數(shù)(R2)確定各特征參數(shù)的影響程度(表5)。對(duì)吸滯量直接影響較強(qiáng)的因子表現(xiàn)為葉脈密度>氣孔器橫縱徑比>疣狀突起密度>表皮毛長(zhǎng)>氣孔口橫徑>氣孔口橫縱徑比，其直接通徑系數(shù)分別為0.999、0.699、0.497、0.433、0.380、0.361，表明多數(shù)特征對(duì)單位葉面積吸滯量有較強(qiáng)影響； 但各因子對(duì)吸滯量的影響受到其他參數(shù)干擾，如葉脈密度對(duì)葉面吸滯量的直接通徑系數(shù)高達(dá)0.999 ，但其他因子抑制了它對(duì)吸滯量的影響Pi=-0.812 )，尤其是氣孔器橫縱徑比值較大程度地(Pi=-0.345 )減弱了葉脈密度對(duì)吸滯量的直接影響，整體削弱了葉脈密度對(duì)葉面吸滯量的影響程度。各特征參數(shù)的R2值表明粗糙度(R2=0.147 )、表皮毛密度(R2=0.118 )和表皮毛長(zhǎng)(R2=0.065 )是影響葉片滯塵量的最主要因子。

表8 葉面微形態(tài)結(jié)構(gòu)因子與單位葉面顆粒物吸滯量的通徑分析結(jié)果Tab.8 Path analysis of leaf surface micro-morphological structure and PM retention quantity

4 討論

4.1 植物葉面積吸滯量的種間差異

以往多數(shù)研究認(rèn)為，針葉樹(shù)因其葉片小、葉面積指數(shù)高而具有高于闊葉樹(shù)的吸滯量(Hwangetal.， 2011; Freer-Smithetal.， 2005; Morietal.， 2015)。如Beckett等(2010)對(duì)柏木(Cupressocyparisleylandii)、黑松(Pinusnigravar.maritima)、花楸(Sorbusintermedia)、栓皮槭(Acercampestre)和楊樹(shù)(Populusdeltoides×trichocarpa)在不同風(fēng)速下的研究顯示，針葉樹(shù)PM10吸滯量最大，中等葉型且具表皮毛的闊葉樹(shù)花楸次之，其他2種闊葉樹(shù)(栓皮槭、楊樹(shù))最小。然而在本研究中，盡管針葉樹(shù)種(雪松)的單位葉面積吸滯量(8.41 μg ·cm-2)較高，但低于紅花檵木(10.05 μg ·cm-2)，可能因后者葉片較小且葉面密被星狀表皮毛。此外，葉面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、較大的氣孔密度和氣孔開(kāi)度利于滯留粉塵(劉璐等， 2013)。

4.2 葉面吸滯各徑級(jí)顆粒物比例的樹(shù)種比較

本研究表明，各樹(shù)種葉面吸滯的顆粒物均以較大顆粒(粒徑10～100 μm)為主，占總量的49.76%～60.03%，粗顆粒(粒徑2.5～10 μm)占比38.05%～47.52%，細(xì)顆粒(粒徑1～2.5 μm)和超細(xì)顆粒(粒徑≤1.0 μm)占比較低。小粒徑顆粒物占比低可能與其更趨向于被吸存在葉表蠟質(zhì)中及其更難沉降有關(guān)。這與相關(guān)研究結(jié)果一致，即植物葉片傾向吸滯更多的較大粒徑顆粒物。

4.3 葉面吸滯量的時(shí)空差異

14種參試樹(shù)種的葉面PM吸滯量表現(xiàn)出季節(jié)差異，多數(shù)樹(shù)種為冬、春季高于夏、秋季。葉面吸滯量還表現(xiàn)出空間差異，高污染區(qū)(市區(qū))大于低污染區(qū)(郊區(qū))。在市區(qū)，葉面吸滯量表現(xiàn)為樹(shù)木集聚生長(zhǎng)的城市公園高于孤立生長(zhǎng)的城市廣場(chǎng)，表明樹(shù)木聚集生長(zhǎng)產(chǎn)生的樹(shù)冠或枝條復(fù)雜結(jié)構(gòu)易形成湍流，降低風(fēng)速，促進(jìn)顆粒物沉降； 但這種“聚集效應(yīng)”在輕度污染區(qū)似乎未顯現(xiàn)，郊區(qū)綠地和森林采樣點(diǎn)的吸滯量接近。

4.4 葉面結(jié)構(gòu)對(duì)吸滯量的影響

本研究表明，植物葉面粗糙度和表皮毛密度是影響葉面吸滯量的2個(gè)最主要因子。葉脈凸起或皺褶，會(huì)增加葉面粗糙度，形成一些凹陷空間來(lái)容納PM，與光滑葉面相比更難被雨水洗脫或風(fēng)吹起，可積累更多PM。表皮毛的著生，不僅擴(kuò)大了可吸附表面積，而且可減少葉面PM的雨沖和風(fēng)吹損失。有研究表明粗糙度、表皮毛密度及蠟質(zhì)含量與吸滯量顯著正相關(guān)，是影響葉面滯塵的最主要因子。盡管有研究表明葉面蠟質(zhì)量對(duì)吸滯量有較大影響，但本研究表明其影響較小，決策系數(shù)僅為0.003 ，可能與本研究采用風(fēng)蝕法測(cè)得的主要是葉面吸附的PM，而被蠟質(zhì)吸滯的PM難以被風(fēng)吹起從而未被檢測(cè)出有關(guān)。

本研究在葉片尺度研究了貴陽(yáng)市主要綠化樹(shù)種的PM吸滯特征，可為選擇高效滯塵樹(shù)種提供依據(jù)，將來(lái)還需結(jié)合樹(shù)木葉量、葉面積指數(shù)、植物配置等內(nèi)容，在植物單株和林分(林帶)尺度開(kāi)展研究，為建設(shè)具有高效滯塵能力的植被生態(tài)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

5 結(jié)論

1)葉面粗糙度、表皮毛密度、表皮毛長(zhǎng)度是影響葉面吸滯量的主要形態(tài)結(jié)構(gòu)因子。

2)葉面吸滯的大顆粒質(zhì)量占比高于空氣的對(duì)應(yīng)數(shù)值，而粗、細(xì)及超細(xì)顆粒物的質(zhì)量占比低于空氣。表明葉面趨向于吸滯較大粒徑顆粒物。

3)樹(shù)木單位葉面積吸滯量有時(shí)空變化，多數(shù)樹(shù)種表現(xiàn)為冬、春季大于秋、夏季； 在污染嚴(yán)重的市區(qū)高于污染較輕的郊區(qū)； 同在市區(qū)時(shí)，樹(shù)木聚集生長(zhǎng)的城市公園內(nèi)的葉面吸滯量高于城市廣場(chǎng)的散生樹(shù)木，表現(xiàn)出“聚集效應(yīng)”。

4)14種參試樹(shù)種中的紅花檵木、雪松及桂花葉面PM吸滯能力高于其余樹(shù)種，可用于緩解大氣顆粒物污染。