孫麗，李胤韜，張穎，徐萌，孫迎坤

(1.青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院，山東青島 266109； 2.福建興發(fā)投資發(fā)展有限公司，福建三明 365000)

近年來，工業(yè)生產(chǎn)不合理排放、生活采暖煤炭燃燒以及交通運輸尾氣排放等活動造成大量粉塵顆粒進入大氣環(huán)境中，大氣污染成為城市的一個主要環(huán)境問題[1-3]。青島作為沿海旅游城市，霧霾天氣時有發(fā)生，對人體健康造成一定影響。城市綠地植物作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對改善大氣質(zhì)量、阻滯空氣中的粉塵顆粒、提高環(huán)境生態(tài)效應具有重要作用[4-6]。因此，選擇滯塵、抗塵能力強的植物作為城市綠化主要樹種已成為城市綠化的發(fā)展趨勢，同時也是提高空氣質(zhì)量、降低大氣污染的有效手段[7]。

研究表明不同植物對大氣顆粒物的阻滯效果不同。沈鑫等[8]研究發(fā)現(xiàn)楓香(Liquidambarformosana)、黃蘭(Micheliachampaca)等22種常見植物的單位葉面積滯塵量為3.7～34.7 g/m2，其中紅花羊蹄甲(Bauhiniablakeana)最高，楓香和黃蘭排名中等，龍吐珠(Clerodendrumthomsonae)滯塵量最低；以單葉滯塵量來看，每張葉片滯塵量范圍在0.002 9 g～0.117 3 g之間，其中蒲桃(Syzygiumjambos)最高，海桐(Pittosporumtobira)最低。不同植物對大氣顆粒物的阻滯效益與植物本身的葉片微觀形態(tài)存在顯著關(guān)聯(lián)[8-12]。以8種喬木為試驗材料，發(fā)現(xiàn)單位葉面積滯塵量較大的是紫葉李(Prunuscerasifera)、三球懸鈴木(Platanusorientalis)和毛白楊(Populustomentosa)，其中紫葉李單位葉面積滯塵量最大為2.04 g/m2，較小的是洋白蠟(Fraxinuspennsylvanica)、絳柳(Salixmatsudana)，最小的絳柳為0.57 g/m2。

分析發(fā)現(xiàn)葉表面微觀結(jié)構(gòu)與滯塵量存在顯著相關(guān)性，葉表面具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、表面粗糙、具褶皺、有溝槽或絨毛、氣孔大且多等特征的植物滯塵能力較強[13]。王琴等[14]發(fā)現(xiàn)武漢市15種常見的闊葉喬木中綜合滯塵能力最強的植物為二球懸鈴木(Platanusacerifolia)、桂花(Osmanthusfragrans)和石楠(Photiniaserratifolia)；女貞(Ligustrumlucidum)和荷花玉蘭(Magnoliagrandiflora)分別具有較強的滯留PM10和PM2.5的能力；加拿大楊(Populus×canadensis)滯留粉塵總顆粒物(total suspended particulates，TSP)和PM10的能力最弱，玉蘭(Yulaniadenudata)滯留PM10和PM2.5的能力最弱；植物微形態(tài)對滯塵能力影響較大，粗糙、褶皺多、有蠟質(zhì)層的植物利于粉塵顆粒物附著。

目前，在園林植物滯塵效益等方面的研究主要集中在北京[15]、上海[16]、廣州[17]、昆明[18]等大城市，而關(guān)于青島地區(qū)園林植物滯塵方面的研究還不夠深入。尤其是青島地鐵建設(shè)和道路改造項目的大力開展，建筑施工較為頻繁，導致許多大氣顆粒物污染問題嚴重。因此，本試驗以青島市城陽區(qū)3種典型綠化灌木為研究對象，測定各灌木單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯塵量，對比和分析不同樹種滯留各粒徑顆粒物的能力；并從葉表面和莖面出發(fā)探究各項微結(jié)構(gòu)對植物滯塵能力的影響，為今后青島市利用園林植物治理大氣污染提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點選擇在青島市城陽區(qū)長城路、春城路、正陽路的綠化帶，附近車流量大。城陽區(qū)(東經(jīng)120°12′，北緯36°20′)地處中緯度溫帶季風大陸氣候區(qū)，年平均氣溫在12.6 ℃左右。因距離沿海港口較近，受海洋影響，夏季氣溫較內(nèi)陸低，平均在24 ℃，冬季氣溫較高，平均-0.2 ℃左右。地勢較低，以丘陵和平原為主要地形，一面環(huán)山一面臨海。

1.2 試驗材料

試驗材料為城陽區(qū)應用頻度較高、生長狀況良好、高度基本一致的3種典型綠化灌木，分別為瓜子黃楊(Buxussinica)、火棘(Ligustrumquihoui)、小葉女貞(Pyracanthafortuneana)。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 樣品采集與處理

在選定的區(qū)域，每一樹種設(shè)置3個重復，每株在上、中、下等各部位多點采集葉片共30片，將樣葉小心封存于塑料袋中帶回實驗室。采集過程中應避免刮蹭到葉片表面，以確保試驗的準確性。采集時間從2020年4月20日開始，每周采集1次，在周一早晨9：00進行，一共采集4次，取平均值。

1.3.2 葉面滯塵量的測定

采取水洗過濾法，用離心機離心出所測植物表面的塵埃顆粒，然后通過10 μm、2.5 μm、0.2 μm孔徑的濾膜過濾，計算不同直徑大小的顆粒的質(zhì)量。通過孔徑10 μm、2.5 μm、0.2 μm濾膜上的顆粒物分別視為PM>10、PM2.5～10和PM2.5，顆粒物TSP為PM>10、PM2.5～10以及PM2.5的總和；PM10為PM2.5～10和PM2.5的和[19]。葉面積測定采用葉面儀法，將采集來的葉片樣品鋪平在葉面積儀(Yaxin-1242，北京雅欣理儀科技有限公司)上，進行掃描測定，取3次重復的平均值。

植物單株滯塵量采用分層采樣法測定[20]。首先運用目測法進行分層、分級，直至小枝，然后再計算全株葉量。其中先按枝劃分，也可先將植株分為幾個大枝，接著對各大枝進行分級，直至分到容易計數(shù)葉片的標準小枝為止，標準小枝長度近似相等，當調(diào)查計數(shù)出標準小枝的葉片數(shù)量后，再計算全株葉量。公式為：m0=B×Y×m。

其中：m0為單株滯塵量，g/株；B為標準小枝數(shù)，個/株；Y為標準枝上的葉片數(shù)，片/個；m為平均每張葉片滯塵量，g/片。

1.3.3 葉表面結(jié)構(gòu)觀測

選取試驗地中待測的葉片后，立即封存在特定干凈的塑料封口袋內(nèi)，避免擠壓引起表面結(jié)構(gòu)和纖毛被破壞。將取樣的葉片洗凈后，從葉脈兩側(cè)的中部切取邊長約5 mm的正方形樣品若干，立即用2.5%的戊二醛溶液進行固定，然后用磷酸緩沖液沖洗3～5次；對葉片干燥處理后，取大小適合的葉樣粘于樣品臺上，經(jīng)過噴金處理(60 mA/120 s)，在JEM-7500F型掃描電鏡下(JEOL公司，日本)觀察葉片正反面的表皮絨毛、氣孔大小及分布、褶皺結(jié)構(gòu)等形態(tài)特征，并同步進行拍照及有關(guān)分析[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

以放大 200 倍的掃描電鏡圖片為主，并結(jié)合其他放大倍數(shù)的圖片，使用 Image J 量化統(tǒng)計單位面積(1 mm2)上的葉毛數(shù)量(正反兩面葉毛數(shù)量之和)、氣孔數(shù)量、氣孔大小(氣孔直徑，呈橢圓形時以長軸直徑計量)、溝槽比例(溝槽的投影面積占總面積的百分比)，利用DPS 7.01進行線性擬合分析和最小顯著差數(shù)(LSD)法進行多重比較(α=0.05)，采用Origin Pro 8.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種灌木單位葉面積滯塵能力比較

由圖1可以看出，3種灌木的單位葉面積滯塵量TSP火棘的最大，為1.84 g/m2；小葉女貞的最小，為1.44 g/m2。3種灌木的PM>10、PM10和PM2.5滯塵量的變化范圍分別為1.18～1.47 g/m2、0.16～0.33 g/m2和0.02～0.07 g/m2。3種灌木PM>10和PM10滯塵量均為火棘>瓜子黃楊>小葉女貞；而PM2.5滯塵量為小葉女貞>火棘>瓜子黃楊。3種灌木之間TSP、PM>10滯塵量差異顯著，PM10和PM2.5滯塵量差異不顯著(P<0.05)。

圖1 3種灌木單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯塵量

2.2 3種灌木單株滯塵能力分析

植物單株的滯塵能力不僅與其葉片的滯塵量有關(guān)，還應綜合考慮單株樹木的總?cè)~面積。3種灌木單株滯塵量在3.99～21.19 g/株之間(表1)。火棘的單株植物總?cè)~面積最大為11.52 m2，而瓜子黃楊最小為2.77 m2；單株滯塵量由大到小依次為：火棘>小葉女貞>瓜子黃楊。

表1 3種灌木單株滯塵量

2.3 3種灌木葉表微結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電鏡對3種灌木葉片的表皮絨毛、氣孔大小及分布、褶皺結(jié)構(gòu)等進行觀察，結(jié)果如圖2所示?；鸺媳砥]有明顯的突起和溝壑狀組織，葉表面粗糙，無絨毛(圖2A)；下表皮氣孔較多且分布密集，起伏大，存在不規(guī)則的條紋組織，葉脈存在密集的溝狀組織(圖2B)。小葉女貞葉片上表皮布滿乳狀突起，各乳狀突起之間形成溝狀組織，且存在絨毛(圖2C)；下表皮存在起伏的突起和氣孔，起伏程度小，溝狀組織寬度窄(圖2D)。瓜子黃楊的葉上表面存在塊狀突起，各突起間形成溝壑狀組織，存在絨毛(圖2E)；葉下表皮存在氣孔，起伏程度小，溝壑寬度窄、深度淺(圖2F)。

注：A：火棘上表面；B：火棘下表面；C：小葉女貞上表面；D：小葉女貞下表面；E：瓜子黃楊上表面；F：瓜子黃楊下表面。

通過對3種灌木的上下葉表面結(jié)構(gòu)觀察和比較，發(fā)現(xiàn)3種植物葉表面的結(jié)構(gòu)特征在一定程度上影響了葉表面的粗糙程度，從而影響植物對粉塵顆粒的吸持、固定的能力。小葉女貞和瓜子黃楊的葉上表面都存在乳狀突起和溝狀組織，并且附有絨毛纏繞，但瓜子黃楊的絨毛量和塊狀的突起程度不如小葉女貞，同時瓜子黃楊葉表面溝壑狀起伏寬度較窄，造成粉塵顆粒無法在其溝壑內(nèi)停留吸附，在一定程度上減少了粉塵顆粒與葉面的接觸面積，造成滯塵量下降；瓜子黃楊絨毛量比小葉女貞的絨毛量少，可以說明瓜子黃楊的滯塵量小于小葉女貞，而火棘上表面粗糙程度不如瓜子黃楊和小葉女貞，但下表皮氣孔較多且分布密集，起伏大，相對滯塵量大。

2.4 3種灌木葉表面結(jié)構(gòu)與滯塵量的線性關(guān)系

通過統(tǒng)計各葉表面表皮絨毛數(shù)量、下表皮氣孔密度、氣孔長度、表皮溝槽比例(上下表皮寬度)，探索其與植物單位葉面積總滯塵量TSP之間的關(guān)系。不同植物TSP與下表皮氣孔密度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.597 7(圖3A)；與溝槽比例呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.827 8(圖3B)，與葉表面表皮絨毛數(shù)量、氣孔長度無顯著關(guān)系。TSP與下表皮氣孔密度、表皮溝槽比例的線性擬合曲線方程如圖3。

圖3 3種灌木單位葉面積總滯塵量與氣孔密度及溝槽比例的關(guān)系擬合曲線

3 討論

植物滯塵量會受到各種因素的綜合影響。研究中3種灌木的葉面滯塵量TSP從大到小順序為：火棘>小葉女貞>瓜子黃楊，造成葉面滯塵量差異的原因可能是由于它們?nèi)~面結(jié)構(gòu)的粗糙程度、氣孔密度、絨毛覆蓋量等存在差異?；鸺~表面并沒有能增加與粉塵顆粒接觸的粗糙結(jié)構(gòu)，但存在密布的氣孔，而小葉女貞和瓜子黃楊的表面則是布滿了起伏的溝狀組織和絨毛，極大地增加了粉塵顆粒在其上附著的機率。滯塵試驗結(jié)果表明，火棘葉表面滯塵量比其他兩種植物都大，這可能與葉表面的特征分布有關(guān)[21]，具體還需進一步研究。植株葉片傾斜角對滯塵能力可能產(chǎn)生影響，俞雪如[22]將法國冬青的5個角度范圍的滯塵量做了比較，發(fā)現(xiàn)60°～90°滯塵量最大，30°～60°滯塵量最小，滯塵量相差懸殊。造成滯塵量差異的原因還可能與植物葉片本身分泌的黏性物質(zhì)有關(guān)[23]。一些植物在某些特定情況下會分泌出一些保護物質(zhì)，比如煙草分泌出一些物質(zhì)在葉表面形成膜質(zhì)化表面，抵御粉虱侵擾，這些分泌物質(zhì)基本上都具有黏性，會將一部分塵土顆粒沉降下來。在火棘和小葉女貞的葉表面上觸摸也能感受到這種物質(zhì)的存在。

植物滯塵作用會受到天氣狀況的影響，具有一定的可塑性[24]。當風力到達14 m/s或者雨水量在15 mm以上，植物滯塵量開始明顯下降。在這個階段，其莖、葉表面上的一部分粉塵顆粒會在風力或者其他外力作用下，重新回到空氣中，這也導致一些植物滯塵量積累上發(fā)生變化。此試驗中，第1次與第2次取樣之間有一次降雨，火棘的莖葉滯塵量本來應該隨著時間積累，由于下雨的原因，雨水和風力等綜合因素將吸附在其上的粉塵重新沖刷到了空氣中或者地面，包括黃楊和小葉女貞的滯塵量積累也受到了削弱。這與Mcperson等[25]的觀點相符合，葉片上的粉塵顆粒會受到雨水清洗而離開葉表面，但并不能徹底清除葉面上的顆粒物，較小的顆粒仍會固定在葉表面上。本試驗在第3次和第4次采樣期間，受到一次5級大風(風速為8～11 m/s)影響，這個結(jié)果也進一步得到了驗證，尤其是對葉片和單株上的滯塵量的影響較大。因為火棘整體植株葉面積相對較大，在單位葉面積滯塵量較大的基礎(chǔ)上，自然因素對單株滯塵量影響也相對較大。自然因素(風速、雨量)對滯塵量的影響還需進一步研究。

植物的滯塵量不僅會受到葉表面結(jié)構(gòu)的影響，還會受到表面能量分布特征、葉面分泌物、葉面傾斜角度、植物形態(tài)結(jié)構(gòu)及自然等因素的影響，因此，植物滯塵量必須要綜合所有因素進行考慮，進行詳細、反復的試驗論證，才能成為今后城市綠化的選擇依據(jù)。