徐立人，劉寵，張軍，柳俊明，王立成，李清泉，楊敏生，李彥慧

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；3.河北省保定市滿城區(qū)苗圃場，河北 保定 071000)

大氣污染已成為目前最受關(guān)注、最為嚴重的生態(tài)問題，而空氣顆粒物是大氣的首要污染物，其中含有的大量重金屬元素及其他有害成分嚴重影響了人類健康及生活質(zhì)量[1]?？諝忸w粒物中直徑小于等于10 μm(PM10)的顆粒物，由于其可以直接進入呼吸道，稱為可吸入顆粒物。其中粒徑小于等于2.5 μm(PM2.5)的微粒，由于其附著能力強，表面積大，可攜帶大量細菌、病毒直接進入人體血液循環(huán)中，引發(fā)大量疾病，對人類健康的危害極大[2-4]。

刺槐(RobiniapseudoaciaL.)，又名洋槐，屬豆科(Leguminosae)刺槐屬(RobiniaLinn)多年生落葉喬木。其萌芽性強、根系發(fā)達、耐干旱、生長迅速、適應(yīng)性強，是水土保持、防風固沙、土壤改良、園林綠化及提供蜜源和飼料的優(yōu)良樹種，現(xiàn)已成為我國北方優(yōu)良的水土保持樹種[5-7]。單葉刺槐(Robiniapseudoacaciaf.unifolia)是刺槐的變種，主要特征是復(fù)葉僅有一個或幾個小葉片，葉片的長寬明顯大于普通刺槐。2004年從德國引進了單葉刺槐無性系，發(fā)現(xiàn)其與普通刺槐混栽，可產(chǎn)生種子，半同胞家系中復(fù)葉的小葉數(shù)、葉面積等發(fā)生明顯的變異[8]。目前，對園林綠化樹種滯塵能力的研究主要集中在不同樹種之間的縱向?qū)Ρ?，且大多針對的為單一滯塵指標，尚無對同樹種不同無性系滯塵能力的研究[9-12]，對單葉刺槐及其半同胞子代的研究也僅限于組培體系的建立[13]和子代SSR鑒定[8]等。

本試驗以單葉刺槐及6個半同胞子代無性系5月的當年生葉片為材料，測定其單位面積總滯塵量，同時運用Mastersizer 2000儀器測定其粒徑分布，利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)掃描各樣本葉表面圖像，比較各無性系對不同粒徑塵土吸附量的差異，探討單葉刺槐吸附塵土的機理及影響因素，采用隸屬函數(shù)法、聚類分析法對各無性系的滯塵能力進行綜合評價，以期為今后單葉刺槐在園林中的合理應(yīng)用及遺傳改良、新品種選育提供重要的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地保定市滿城區(qū)苗圃場位于河北省保定市滿城區(qū)南韓村鎮(zhèn)，屬溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明。根據(jù)2019年保定市環(huán)境質(zhì)量公報，全市空氣質(zhì)量一級達標天數(shù)僅為30 d，PM2.5年均濃度為58 μg/m3，滿城區(qū)的空氣質(zhì)量近年來在保定市22個縣(市、區(qū))中，始終位列倒數(shù)前5名，而本試驗地所處的滿城區(qū)南韓村鎮(zhèn)在全市236個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，空氣質(zhì)量排名也較為靠后。

2019年5月5日選取單葉刺槐母本及已通過SSR分子鑒定的26個子代，嫁接在定植于保定市滿城區(qū)苗圃場的2 a生普通刺槐上，形成27個無性系，每個無性系嫁接20株，選取母本及6個葉形產(chǎn)生明顯變異的子代的當年生葉片為試驗材料(表1)。

表1 各參試無性系的葉形特征Tab.1 Leaf shape characteristics of all clones

1.1.1 葉表顆粒物測定及粒度分析

于2020年5月進行3次采樣(每次采樣的前7 d無降雨且風速小于5級)，在選定的7個無性系中，每個無性系選擇生長狀況良好、長勢一致的5株(5個重復(fù))進行采樣?？紤]到高度對葉片滯塵能力的影響，分東、南、西、北4個方向，上、中、下3層均勻采集50 g左右的健康葉片，封存于PE自封袋內(nèi)帶回實驗室進行測定，每個重復(fù)平行測定3次，實驗過程中佩戴PE手套，盡可能避免樣品灰塵脫落及受到污染。

1.1.2 葉表SEM特征分析

2020年5月19日，在選定的樣樹上摘取健康完整的葉片，封存于充氣的PE自封袋(避免葉片因受到擠壓而導(dǎo)致表皮毛受損)，帶回實驗室分析。

1.2 研究方法

1.2.1 葉表滯留顆粒物質(zhì)量測定方法

參考洪秀玲等[14]的方法并作適當改進，將采集的葉片用去離子水沖洗的同時用軟毛刷輕刷上下葉表，之后稱懸濁液質(zhì)量(MT)。用恒溫磁力攪拌器攪拌懸濁液5 min，使懸濁液中的顆粒均勻分布，取30 mL左右的懸濁液于培養(yǎng)皿中，稱質(zhì)量(Mp)。將培養(yǎng)皿置于60℃烘箱中，烘干后稱質(zhì)量(mp)，葉表滯留顆粒物質(zhì)量(M)如下：

①

1.2.2 葉面積計算方法

參考張桐等[10]的方法并作優(yōu)化，將葉片鋪于純白A4紙上，使用惠普公司生產(chǎn)的 Scanjet 200型掃描儀掃描并保存圖片，使用Adobe Photoshop CS5軟件對葉面積進行測定。首先新建畫布，參數(shù)設(shè)置為國際標準紙張(長為297 mm，寬為210 mm)，將掃描得到的葉片圖片導(dǎo)入畫布，利用軟件自帶的魔棒及油漆桶工具，將圖片底色調(diào)為純白(RGB參數(shù)均為255)，將葉片顏色調(diào)為純黑(RGB參數(shù)均為0)，使用直方圖工具獲得純黑部分百分比。葉片雙面面積計算公式如下：

葉片雙面面積=純黑部分百分比×A4紙張面積×2 ②

1.2.3 葉表顆粒物粒徑分布測定

將采集到的葉片使用ddH2O清洗，方法同1.2.1，抽取30 mL懸濁液，封裝于50 mLPE離心管，超聲震蕩后使用馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀對懸濁液進行粒徑分析。

1.2.4 葉表SEM特征觀察

將1.2.3中已洗凈的葉片，使用圓孔打孔器(0.5 mm)在葉片邊緣、葉脈兩側(cè)打孔，將得到的圓片參考張俊葉等[11]的方法進行前處理、冷凍干燥、粘臺鍍金，之后使用日立公司生產(chǎn)的SU8100冷場掃描電鏡觀察拍照。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 25.0和Excel 2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行有效性檢驗、單因素方差分析(Duncan法)、聚類分析、相關(guān)性分析，并繪制圖表。

參考郭燕等[15]的方法，進一步利用隸屬函數(shù)法，計算各滯塵指標隸屬度，以各樣本、各指標的隸屬度均值作為滯塵能力的綜合評價標準，聚類分析，對全部樣本的滯塵能力進行排序、分類及綜合評價。各滯塵指標隸屬度計算公式如下：

Uij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

③

式中：Uij表示編號為i的樣本j指標的隸屬函數(shù)值，Xij表示編號為i的樣本j指標的測定值，Xjmin表示所有樣本j指標的最小值，Xjmax表示所有樣本j指標的最大值，i表示某個編號樣本，j表示某一指標。

2 材料與方法

2.1 單葉刺槐及各半同胞子代葉表滯塵能力

2.1.1 滯留總顆粒物的能力

葉片的單位葉面積滯留量體現(xiàn)了植物對空氣中總顆粒物的滯留能力。

由圖1可知，各編號無性系的單位葉面積滯留量在39.50～76.32 μg/cm2之間，其中子代B24-3、C24-2、B23-1、C24-1、C23-1的單位葉面積滯留量分別比母本提高了51%、5%、90%、63%、65%；與母本相比，B24-3、B23-1、C24-1、C23-1差異顯著，C24-2不顯著。子代A20-5的單位葉面積滯留量比母本降低了2%，與母本相比無顯著差異。說明對滯留空氣中總顆粒物的能力而言，大多數(shù)子代優(yōu)于母本。

圖1 單葉刺槐母本及不同子代總顆粒物滯留能力注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，下同。Fig.1 Capture capacities of particulate matters retained by plant leaves of R.pseudoacacia f.unifolia female parent and different progenies

變異系數(shù)反映了葉片滯塵能力的穩(wěn)定度，7個無性系的變異系數(shù)在6%～28%區(qū)間內(nèi)，均低于30%，說明各參試無性系對空氣中總顆粒物的滯留能力均較為穩(wěn)定。

2.1.2 葉表滯留顆粒物粒徑分析

(1)葉表PM2.5吸附能力對比 空氣中的PM2.5(D≤2.5μm)微粒，可通過人類口鼻吸入到細支氣管和肺泡，直接影響肺的通氣功能，使機體易處在缺氧狀態(tài)。由葉表滯留顆粒物PM2.5百分比的測定結(jié)果可知(圖2-A)，子代B23-1、C24-1分別比母本提高7%、15%。與母本相比，C24-1差異顯著，B23-1差異不顯著，子代A20-5、B24-3、C24-2、C23-1分別比母本降低60%、25%、17%、50%，與母本相比均差異顯著。說明就改善大氣PM2.5污染的角度而言，C24-1最優(yōu)，但大多數(shù)子代吸附PM2.5的能力不及母本。

圖2 單葉刺槐母本及不同子代葉片滯留顆粒物粒徑分析注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，下同。Fig.2 Particle size analysis by plant leaves of R.pseudoacacia f.unifolia female parent and different progenies

(2)葉表PM2.5-10吸附能力對比 空氣中PM2.5-10(2.5μm

(3)葉表PM>10吸附能力對比 空氣中PM>10(D>10μm)微粒，在人體呼吸時通常會被鼻腔和咽喉所阻滯，產(chǎn)生不適感，但并不入肺，對人體的危害程度相對較低。由葉表滯留顆粒物PM>10百分比的測定結(jié)果可知(圖2-C),子代A20-5、B23-1、C24-1分別比母本提高7%、1%、2%，與母本相比，差異均不顯著。子代B24-3、C24-2、C23-1分別比母本降低32%、38%、23%，與母本相比均差異顯著。說明母本及半數(shù)子代對于空氣中PM>10微粒的吸附能力相對較強。

(4)葉表滯留顆粒物SSA對比 SSA(Specticic surface aera)，是供試材料葉表單位質(zhì)量顆粒的表面積之和。SSA值越高，其吸附的有害物質(zhì)量越大，從一定意義上看，環(huán)境效益也就越高。由各參試無性系SSA的測定結(jié)果可知(圖2-D)，子代A20-5、C24-1分別比母本提高14%、31%，與母本相比，C24-1差異顯著，A20-5差異不顯著。子代B24-3、C24-2、B23-1、C23-1分別比母本降低27%、24%、25%、33%，與母本相比，C23-1差異顯著，B24-3、C24-2、B23-1差異不顯著。說明子代C24-1吸附有害物質(zhì)的能力較強。

2.2 單葉刺槐及各半同胞子代葉表SEM特征分析

通過對上下葉表微觀結(jié)構(gòu)進行SEM特征分析，可以更詳細地了解單葉刺槐半同胞子代與母本相比在葉表結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的微米級變異。由圖3可知，各樣本間的葉面粗糙程度均有所差異，其中子代C24-1、B23-1的葉面粗糙程度與母本相比顯著提高，且B23-1葉面存在瘤狀突起。

圖3 500倍SEM視野下各樣本葉表微觀結(jié)構(gòu)注：圖中字母與數(shù)字組合為各無性系的編號，上下分別表示葉片上表皮與下表皮。Fig.3 SEM of micro-configurations of leaf epidermis for R.pseudoacacia f.unifolia and its different hybrid progenies(500×)

進一步分析各樣本的氣孔器形態(tài)、氣孔數(shù)量、表皮毛數(shù)量(表2)可知，各樣本的氣孔形狀無較大差異，均為圓形，且排列均不整齊。從氣孔大小來看，除子代B23-1、C23-1外，母本及其余子代的氣孔大小均不統(tǒng)一。從氣孔的開閉程度來看，各樣本間均存在差異，其中子代C24-1的氣孔幾乎均開放，但A20-5、B24-3、B23-1的氣孔幾乎均關(guān)閉。從氣孔數(shù)量來看，母本與其余樣本相比，氣孔數(shù)量最多，且少部分保衛(wèi)細胞存在突起。母本及各子代葉表均有表皮毛，但密度存在差異，其中B23-1的表皮毛數(shù)量最多，在500倍視野下為8根，母本、子代B24-3及C24-2表皮毛數(shù)量最少，均為1根。

表2 各樣本葉表皮氣孔及表皮毛特征(500倍視野下)Tab.2 The characteristics of leaf epidermis stomata and epidermis of all clones tested(500×)

2.3 葉形及葉表SEM特征與滯塵指標的關(guān)系

為進一步探討單葉刺槐及各半同胞子代的葉表滯塵機制，將葉形及葉表SEM指標、各滯塵指標的原始數(shù)據(jù)經(jīng)無量綱化處理后，進行相關(guān)性分析，篩選與滯塵能力顯著相關(guān)的葉形、SEM指標(表3)。結(jié)果表明小葉面積與單位葉面積總滯塵量呈顯著正相關(guān)(r=0.816)，說明小葉面積越大，各樣本對空氣中總顆粒物的滯留能力越強。氣孔的開閉程度與PM2.5的滯留能力呈極顯著正相關(guān)(r=0.957)，說明氣孔的開放程度越高，對于空氣中PM2.5的滯留效果也就越好。表皮毛數(shù)量與單位葉面積總滯塵量呈顯著正相關(guān)(r=0.847)，與PM2.5的滯留能力呈極顯著正相關(guān)(r=0.978)，說明表皮毛的密度顯著影響了各樣本對空氣中總顆粒物及PM2.5的滯留效果。葉面粗糙程度與單位葉面積總滯塵量極顯著正相關(guān)(r=0.923)，與其余滯塵指標均呈顯著正相關(guān)，說明葉面粗糙程度對葉表滯塵能力的影響最大，且葉面越粗糙，滯塵能力越強。

表3 葉形及葉表SEM特征與各滯塵指標的關(guān)系Tab.3 Relationship between leaf shape and SEM characteristics of leaf surface and dust retention indexes

2.4 滯塵能力綜合評價

依據(jù)單一滯塵指標無法客觀全面的反映樣本滯塵能力的強弱，運用隸屬函數(shù)法，以5個滯塵指標及與其相關(guān)性顯著的葉形指標(除氣孔開閉程度指標，因為此指標受光照、溫度等因素影響較大)的標準化數(shù)據(jù)為依據(jù)，計算各指標的隸屬度，并求各樣本的隸屬度均值，均值越大，其葉表滯塵能力越強。如表4所示，7個樣本按綜合滯塵能力強弱排序為：B23-1、C24-1、A1-1、A20-5、C23-1、C24-2、B24-3。

表4 各樣本滯塵指標隸屬度值Tab.4 Membership value of dust retention index of each sample

進一步以各樣本的隸屬度均值為依據(jù)進行聚類分析(圖4)，當類間最短距離為5時，可按滯塵能力強弱將全部樣本分為4類，第I類為B23-1，滯塵能力強；第Ⅱ類為C24-1，滯塵能力較強；第Ⅲ類包括A1-1、A20-5、C23-1、C24-2，滯塵能力中等；第Ⅳ類為B24-3，滯塵能力相對較差。

圖4 單葉刺槐及其不同子代滯塵能力聚類分析注：圖中字母與數(shù)字組合為各無性系的編號。Fig.4 Cluster analysis of dust retention ability of R.pseudoacacia f.unifolia and its different hybrid progenies

3 討論與結(jié)論

根據(jù)近5 a的河北省環(huán)境質(zhì)量公報，本試驗所在的河北省保定市全年環(huán)境空氣質(zhì)量達國家二級標準的天數(shù)不足60%，空氣污染程度始終位列全國前十名，雖達標天數(shù)逐年增加，但空氣質(zhì)量狀況仍不容樂觀。而植物葉片對大氣顆粒污染物有明顯的滯留效果，不同樹種間的滯塵能力可達40倍以上[16-18]。因此合理選擇滯塵樹種，對改善空氣質(zhì)量，提高人民的幸福感具有重要意義。

本研究表明，供試無性系的單位葉面積總顆粒物滯留量均值為55.85 μg/cm2，高于大葉黃楊(Buxusmegistophylla)、白蠟(Fraxinuschinensis)、元寶楓(Acertruncatum)等北方常見綠化樹種[10]，說明單葉刺槐的整體滯塵能力較為優(yōu)秀。原因可能是由于樹種間葉表微觀結(jié)構(gòu)存在差異，單葉刺槐各參試無性系的葉表均有表皮毛結(jié)構(gòu)，提高了單葉刺槐單位葉面積對顆粒物的滯留量，而上述樹種均無此葉表結(jié)構(gòu)，也有可能是由于采樣月份、采樣地域的空氣質(zhì)量狀況不同所導(dǎo)致。運用激光粒度儀對總顆粒物進行粒度分析，結(jié)果表明各樣本吸附的顆粒物粒徑主要分布在PM10(D≤10μm)以內(nèi)，各樣本滯留PM2.5、PM2.5-10、PM>10的能力存在差異。這與Wang等[19]、Tomaevi等[20]的研究結(jié)論一致，與張桐等[10]得出的北京市6種植物葉表滯留顆粒物粒徑主要分布在10～50 μm的結(jié)論不同，原因可能是由于樹種之間存在差異，也有可能是由于采樣時間的不同導(dǎo)致的。運用SEM法觀察各樣本的葉表微觀特征，結(jié)果表明部分子代在微觀結(jié)構(gòu)上與母本相比產(chǎn)生了明顯變異，這也進一步體現(xiàn)了在雜交育種的過程中微觀結(jié)構(gòu)的性狀分離[21]。將各葉形及SEM指標與滯塵指標進行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明小葉面積、表皮毛數(shù)量與單位葉面積總滯塵量顯著相關(guān)，氣孔的開閉程度、表皮毛數(shù)量與PM2.5的滯留能力顯著相關(guān)，葉面粗糙程度與各滯塵指標均顯著相關(guān)，從微觀角度解釋了各樣本間滯塵指標存在差異的原因。這與張俊葉等[11]、魯紹偉等[22]眾多學(xué)者的研究結(jié)論相似，與王琴等[9]對武漢市15種綠化植物滯塵能力研究得出的氣孔大小與滯塵能力無關(guān)的結(jié)論不同，原因可能是氣孔開放程度越大，細小的顆粒物越容易吸附在氣孔內(nèi)壁，也有可能是兩地氣候條件的不同或樹種的不同導(dǎo)致的。進一步利用隸屬函數(shù)法、聚類分析法對7個樣本的滯塵能力進行綜合評價，結(jié)果表明僅子代B23-1、C24-1的綜合滯塵能力優(yōu)于母本，原因可能是由于本試驗材料為2019年嫁接，生長時間僅1 a，部分優(yōu)勢性狀還未完全體現(xiàn)。

本研究表明，單葉刺槐及各子代的滯塵能力較為優(yōu)秀，可作為園林滯塵樹種在我國北方大規(guī)模推廣。利用葉形及SEM指標，可對樣本間滯塵能力的差異作出有效解釋。子代B23-1的滯塵能力最強，C24-1對PM2.5的吸附能力最強，A20-5對PM2.5-10及PM>10的吸附能力最強，但大部分子代的雜種優(yōu)勢并未完全體現(xiàn)，還有待進一步培育優(yōu)化。