李曉璐 葉錦東 章 劍 周毅烈 袁楚陽(yáng) 于 慧張?zhí)烊?黃 芳 張貴豪 邵 鋒

1 浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院 杭州 311300

2 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

3 縉云縣林業(yè)局 浙江麗水 321400

近年來(lái),大氣顆粒物污染已成為不容忽視的環(huán)境問(wèn)題。長(zhǎng)期暴露于顆粒物中,會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害,誘發(fā)多種疾病[1-2]?？倯腋☆w粒物(TSP,空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤100μm)已成為大多數(shù)城市大氣環(huán)境污染的首要污染物,而空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤10μm(PM10)和≤2.5μm(PM2.5)的顆粒物,對(duì)人體的危害更大,會(huì)對(duì)心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等產(chǎn)生不良影響,增加死亡風(fēng)險(xiǎn)[3-7]。

植物葉片表面可有效滯留大氣顆粒物,改善空氣環(huán)境質(zhì)量[8]。不同植物滯留顆粒物的能力有較大差異,這與植物葉表面微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。葉表面的氣孔、溝槽、蠟質(zhì)、絨毛、分泌物和皺褶等結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒物的滯留有重要影響[9-10]。趙云閣等[11]研究表明,粗糙的植物葉表面滯留PM2.5的質(zhì)量較高。Perini等[12]對(duì)比了4種垂直綠化植物滯留顆粒物的能力,發(fā)現(xiàn)葉表面有較厚蠟質(zhì)的植物滯留能力較好。王琴等[10]研究證實(shí),葉表面的氣孔和顆粒物滯留量之間無(wú)顯著相關(guān)性,而與溝槽寬度有關(guān)。孫應(yīng)都等[13]認(rèn)為,氣孔密度和大小與顆粒物滯留能力有關(guān)。已有多位學(xué)者對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)植物滯留顆粒物的能力和機(jī)理進(jìn)行研究[14-16],但主要集中在植物滯留TSP能力差異方面,而對(duì)植物滯留不同粒徑顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量密度的研究較少；對(duì)葉表面微觀結(jié)構(gòu)的研究多為定性分析,缺乏量化分析。本研究選取杭州地區(qū)常見(jiàn)的10種喬木,采用重量分析法測(cè)定植物葉片滯留顆粒物質(zhì)量,利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察葉表面微觀結(jié)構(gòu),ImageJ軟件量化葉表面滯留的大氣顆粒物數(shù)量密度和葉片氣孔、溝槽等相關(guān)數(shù)據(jù),并結(jié)合X射線能譜儀(EDS)分析葉片上顆粒物元素和可能來(lái)源,以對(duì)比杭州常見(jiàn)喬木的滯塵能力差異,探究造成差異的影響因素,從而為優(yōu)良園林植物材料應(yīng)用和城市植物景觀營(yíng)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究采樣地位于浙江省杭州市臨安區(qū)杭瑞高速公路臨安收費(fèi)站附近的道路綠地(30°23′00″N,119°75′69″E)。采樣地北側(cè)為錢(qián)王街,南側(cè)為吳越街,錢(qián)錦大道貫穿其中。采樣區(qū)域邊界距臨安收費(fèi)站最近距離為200 m。該樣地周邊車(chē)流量較大,交通污染較嚴(yán)重。選取10種常用的成年期喬木作為研究對(duì)象,分別是木荷(Schima superba)、桂花(Osmanthus fragrans)、銀杏(Ginkgo biloba)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、玉蘭(Magnolia denudata)、二球懸鈴木(Platanus acerifolia)、杜仲(Eucommia ulmoides)、榔榆(Ulmus parvifolia)、桃(Amygdalus persica)和無(wú)患子(Sapindus mukorossi)。每種喬木選擇3株生長(zhǎng)勢(shì)良好、枝葉繁茂、無(wú)病蟲(chóng)害,且樹(shù)齡為25～30年的樣株。采樣前1周內(nèi)要求無(wú)降雨、大風(fēng)等極端天氣發(fā)生。樣本采集于2019年8月18號(hào)。采樣當(dāng)天天氣晴朗、風(fēng)速低于2 m·s-1。在每個(gè)樣株2.0～2.5 m高度處,水平方向(東、南、西、北)隨機(jī)選擇葉子進(jìn)行收集。葉片剪下后及時(shí)裝入事先準(zhǔn)備好的采樣袋中密封、貼好標(biāo)簽,并運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室完成后續(xù)操作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)全程戴橡膠手套。為減少樹(shù)木葉片上顆粒物的脫落,運(yùn)送時(shí)不要抖動(dòng)采樣袋。

1.2 研究方法

1.2.1 葉片滯留顆粒物質(zhì)量測(cè)定

利用重量分析法測(cè)定葉片表面和蠟質(zhì)層滯留顆粒物的質(zhì)量,兩者之和即為葉片滯留總顆粒物質(zhì)量。將每種喬木葉片取約200 cm2放入已編碼的錐形瓶中,注入200～300 ml去離子水浸沒(méi)葉片,用封口膜封口,放入恒溫震蕩儀(HZQ-X300C)中震蕩10 min。將過(guò)濾水通過(guò)網(wǎng)篩(孔徑為100μm)過(guò)濾掉＞100μm的顆粒物和其他物質(zhì)。依次通過(guò)裝有不同孔徑親水性濾膜的3套過(guò)濾裝置。過(guò)濾裝置將顆粒物分為細(xì)顆粒物(粒徑0.2～2.5μm)、粗顆粒物(2.5～10μm)和大顆粒物(10～100μm)。水洗后的葉片用于測(cè)定蠟質(zhì)層中顆粒物的質(zhì)量,操作方法和步驟同上,但需要將去離子水和親水性濾膜換成三氯甲烷和疏水性濾膜,且震蕩時(shí)間不超過(guò)1 min。將試驗(yàn)后不同孔徑濾膜靜置于干燥箱(60℃)中干燥30 min。在試驗(yàn)前后均要將不同孔徑的濾膜放入恒溫恒濕(25℃,40%)的人工氣候箱(Premium ICH)中處理24 h,取出后立即用電子天平(SI-234)稱重,并記錄濾膜初重和末重。末重與初重之差即為不同粒徑顆粒物的質(zhì)量。

1.2.2 葉面積測(cè)量

通過(guò)便攜式葉面積儀(LI-3000C)測(cè)量葉片面積,每個(gè)葉片測(cè)量3次取平均值。由于水杉、榔榆葉片較小,無(wú)法使用葉面積儀測(cè)量,因此,采用ImageJ軟件測(cè)量葉面積。各粒徑滯留顆粒物質(zhì)量與葉片總面積的比值即為單位葉面積滯留顆粒物質(zhì)量,單位為μg·cm-2。

1.2.3 葉表面微觀形貌及顆粒物數(shù)量密度觀測(cè)

將樣品放入干燥箱(60℃)中至葉片完全干燥。選取干燥葉片較平坦處,沿葉脈兩側(cè)剪下2小塊(5 mm×5 mm)葉片,分別用于觀察上表面和下表面微觀形貌。用導(dǎo)電膠將葉片粘到樣品臺(tái)上,樣品表面用離子濺射鍍膜機(jī)(E-1045)噴金處理后,在真空條件下,利用掃描電子顯微鏡(SU8000)觀察葉表面的微觀結(jié)構(gòu)和顆粒物狀態(tài),調(diào)整至合適倍數(shù)并拍照保存。每個(gè)葉片表面選擇15張放大倍數(shù)為500倍的掃描電鏡圖,用ImageJ軟件測(cè)量顆粒物的數(shù)量密度、溝槽寬度、氣孔密度、氣孔寬度和氣孔長(zhǎng)度。數(shù)量密度指單位葉面積上滯留顆粒物數(shù)量。在2 000倍放大掃描電鏡成像下,隨機(jī)選擇葉表面上的顆粒物,通過(guò)EDS點(diǎn)掃描分析法進(jìn)行元素組成及含量測(cè)定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件,運(yùn)用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)不同喬木單位葉面積滯留顆粒物質(zhì)量、數(shù)量密度進(jìn)行顯著性分析,并用線性相關(guān)分析葉片滯留顆粒物質(zhì)量、數(shù)量密度和溝槽、氣孔之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片滯留顆粒物質(zhì)量比較

如圖1A所示,10種喬木葉片單位葉面積滯留不同粒徑顆粒物總質(zhì)量存在顯著差異(P＜0.05)。10種喬木滯留TSP、PM10和PM2.5質(zhì)量分別為12.85～76.52μg·cm-2、6.43～34.53μg·cm-2和4.50～21.75μg·cm-2。葉片滯留TSP質(zhì)量較高的是水杉和杜仲,兩者之間不存在顯著差異；其次是二球懸鈴木、榔榆、無(wú)患子和桂花；桃、銀杏、玉蘭和木荷較低。葉片滯留PM10質(zhì)量最高的是水杉,但其滯留PM2.5較低。桂花、二球懸鈴木和榔榆滯留PM10和PM2.5質(zhì)量均較高,而玉蘭和木荷均較低。

圖1 10種喬木單位葉面積滯留顆粒物質(zhì)量

各喬木葉表面和蠟質(zhì)層滯留顆粒物的質(zhì)量不同(圖1B)。葉表面滯留顆粒物質(zhì)量占葉片滯留顆粒物總質(zhì)量的百分比為31.44%～82.29%,蠟質(zhì)層為17.71%～68.56%。除桂花、銀杏、水杉和無(wú)患子外,其余喬木滯留顆粒物質(zhì)量均是葉表面高于蠟質(zhì)層。玉蘭葉表面滯留顆粒物質(zhì)量占總質(zhì)量的82.29%,銀杏和榔榆僅占31.44%和33.33%。

2.2 葉片滯留顆粒物數(shù)量密度比較

由表1可知,葉片表面滯留顆粒物數(shù)量密度均大于下表面(除銀杏外)。對(duì)比分析不同粒徑范圍顆粒物數(shù)量密度發(fā)現(xiàn),所有葉片上、下表面粒徑的數(shù)量密度之和在0.2～2.5μm時(shí)最高,占總數(shù)量密度百分比為93.58%～97.77%。粒徑2.5～10μm和10～100μm的百分比分別為2.08%～6.29%和0.04%～0.29%。桂花的上、下表面滯留細(xì)顆粒物和粗顆粒物的總數(shù)量密度均最高,但其滯留大顆粒物的總數(shù)量密度較低；水杉滯留粗顆粒物和大顆粒的能力均較強(qiáng),銀杏均較弱。10種喬木葉片上、下表面滯留顆粒物總數(shù)量密度排序?yàn)?桂花＞二球懸鈴木＞桃＞水杉＞榔榆＞銀杏＞無(wú)患子＞玉蘭＞木荷＞杜仲。與滯留顆粒物質(zhì)量排序?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn),二球懸鈴木、水杉和榔榆滯留顆粒物質(zhì)量和總數(shù)量密度均較高,而滯留顆粒物質(zhì)量較高的杜仲,其總數(shù)量密度則較低。

表1 葉片上、下表面滯留不同粒徑顆粒物數(shù)量密度及百分比

2.3 葉表面微觀結(jié)構(gòu)與滯留顆粒物能力的關(guān)系

如圖2所示,不同喬木及同一喬木的葉片上、下表面微觀結(jié)構(gòu)差異明顯。10種喬木葉片上表面均未觀察到氣孔,下表面均有氣孔。由表2可知,不同喬木氣孔密度差異較大,變化范圍為109.51～608.77 N·mm-2。無(wú)患子和桂花的氣孔密度較大,杜仲和銀杏較小；桂花的氣孔長(zhǎng)度最小,水杉最大。水杉葉片上、下表面均有密集的深溝槽,葉表面有蠟質(zhì),其表面滯留了大量顆粒物；銀杏葉表面也有深溝槽,有少量顆粒物散落在表面上。桂花和木荷葉表面較平整,下表面均有大量的氣孔和鱗片狀蠟質(zhì),但桂花葉表面的長(zhǎng)枝條狀結(jié)構(gòu)上有顆粒物沉積。杜仲葉表面可見(jiàn)到明顯的皺褶和凹槽,部分顆粒物散落在氣孔和周?chē)鷾喜厶?。玉蘭葉片上表面較光滑,有淺溝槽,下表面有起伏的氣孔。二球懸鈴木葉上表面存在密集且較窄的溝槽,下表面氣孔周?chē)邪欛?氣孔較大。桃葉表面長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)與氣孔周?chē)陌欛逓榇诸w粒物的滯留提供了空間。無(wú)患子和榔榆葉片下表面分布了許多氣孔,氣孔和長(zhǎng)枝條狀結(jié)構(gòu)、瘤狀突起等形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。榔榆葉片上表面的刺狀突起和長(zhǎng)枝條狀結(jié)構(gòu)周?chē)练e了大量顆粒物,無(wú)患子上表面有凹槽,凹槽中分布了密集的細(xì)小突起,其上滯留了許多細(xì)顆粒物。研究表明,葉片上表面的溝槽寬度與葉片滯留PM2.5質(zhì)量之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2＝0.579；P＜0.05),與葉片滯留TSP和PM10質(zhì)量間無(wú)顯著相關(guān)性。氣孔長(zhǎng)度、氣孔寬度和氣孔密度與葉片滯留各粒徑顆粒物質(zhì)量和數(shù)量密度間均未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)。綜上,葉表面有皺褶、密集深溝槽、蠟質(zhì)和突起等結(jié)構(gòu)的喬木,滯留顆粒物能力較強(qiáng)。

表2 10種喬木葉表面氣孔和溝槽數(shù)據(jù)

圖2 10種喬木葉表面微觀結(jié)構(gòu)電鏡圖

2.4 顆粒物的元素組成

不同喬木及同一喬木葉片上、下表面顆粒物元素組成及含量均存在差異(圖3)。葉片上、下表面顆粒物中共含有19種元素,其中有18種元素重疊。葉片上表面顆粒物元素均值由高到低為C、O、Si、N、Al、K、Nb、Na、Rb、Br、Cl、Mg、Sr、S、Ne、Sb、Pb和P；葉片下表面顆粒物元素均值由高到低為C、O、Si、N、Al、Ca、S、K、Nb、Mg、Na、Rb、Br、P、Sb、Cl、Ne、Rb和Sr。葉片上、下表面C和O元素含量均遠(yuǎn)高于其他元素,均值都超過(guò)32%；除C和O外,大多數(shù)喬木葉片上有N、Mg、Al、Si和K,Ca只存在于玉蘭的下表面；此外,還發(fā)現(xiàn)了P、S和Pb,但含量很少。

圖3 葉片滯留顆粒物的元素組成及含量

3 討論

3.1 葉片滯留顆粒物能力與葉表面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

10種喬木滯留大氣顆粒物能力存在顯著差異。二球懸鈴木、水杉和榔榆滯留顆粒物質(zhì)量和數(shù)量密度均較強(qiáng),玉蘭和木荷較弱。王琴等[10]研究發(fā)現(xiàn),二球懸鈴木滯留顆粒物能力較強(qiáng),這與本研究結(jié)果相同。植物滯留顆粒物能力差異與其葉表面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),葉表面有密集深溝槽和蠟質(zhì)的水杉,具有較強(qiáng)滯留顆粒物能力；而葉表面相對(duì)光滑的木荷,其滯留顆粒物的能力則較弱。楊佳等[17]研究表明,植物葉片有毛狀體和溝槽等微觀結(jié)構(gòu),滯留顆粒物的潛力更大。孫曉丹等[18]認(rèn)為,植物溝槽越窄、氣孔越大,其滯留量越多,而與毛狀體的數(shù)量和氣孔密度無(wú)顯著關(guān)系。葉片上表面的溝槽寬度與葉片滯留PM2.5質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而未發(fā)現(xiàn)與氣孔有相關(guān)性。劉斌等[19]研究認(rèn)為,葉表面蠟質(zhì)具有疏水性,不利于顆粒物的滯留,而Kwak等[20]認(rèn)為,蠟質(zhì)將顆粒物固定在葉表面,且不易脫落。本研究表明,具有較厚蠟質(zhì)的桂花雖然上表面較為平坦,但在蠟質(zhì)層中仍滯留了大量顆粒物。葉表面顆粒物容易受風(fēng)和雨等影響,而蠟質(zhì)層中的顆粒物則能固定在蠟中[21-22]。葉表面存在皺褶、密集深溝槽、蠟質(zhì)、長(zhǎng)枝條狀結(jié)構(gòu)、瘤狀突起等結(jié)構(gòu)的喬木,更易滯留顆粒物。

3.2 葉片滯留顆粒物元素組成及來(lái)源

當(dāng)前,交通污染已成為城市中大氣顆粒物最主要的來(lái)源[23]。本研究發(fā)現(xiàn),顆粒物中C和O元素含量較高,而汽車(chē)尾氣中這2種元素也較高[24],因此,C和O可能來(lái)自汽車(chē)尾氣。部分顆粒物中含有少量Pb,這可能來(lái)自于輪胎或車(chē)身油漆[25-26]。Sb存在于大多數(shù)喬木葉片上的顆粒物中,其可能來(lái)自汽車(chē)剎車(chē)片[27]。土壤揚(yáng)塵也是重要的顆粒物來(lái)源之一。杭州臨安地區(qū)的土壤類(lèi)型屬于紅壤土,其主要含有Si、Na、Fe、Al、Ti、Mg和Ca等元素[28]。Shao等[29]研究發(fā)現(xiàn),臨安的土壤中主要元素為Al、K、Fe、Mg、Ca、Na和Ti,這與葉表面顆粒物中的元素類(lèi)似。顆粒物中的N、Si、Al、Ca、Mg、Fe和Na元素可能來(lái)自于土壤粉塵[30]。因此,汽車(chē)尾氣和土壤揚(yáng)塵是葉表面顆粒物的主要來(lái)源。

4 結(jié)論

在本研究的10種常見(jiàn)喬木中,二球懸鈴木、榔榆和桂花滯留顆粒物的能力均較強(qiáng)；不同喬木滯留顆粒物能力差異與其葉表面微結(jié)構(gòu)有關(guān),植物葉表面有皺褶、密集深溝槽、蠟質(zhì)和突起等結(jié)構(gòu),其滯留顆粒物能力較強(qiáng)。因此,在城市綠化建設(shè)中選擇優(yōu)良滯塵植物材料時(shí),應(yīng)結(jié)合對(duì)滯留顆粒物有利的葉表面微觀結(jié)構(gòu)特征選擇并推廣相應(yīng)樹(shù)種,以改善城市環(huán)境質(zhì)量。

本文僅對(duì)喬木的滯留能力進(jìn)行了研究,并未涉及灌木和草本,今后可深入研究不同生活型植物滯留顆粒物能力差異。由于不同的自然環(huán)境條件會(huì)影響植物滯留顆粒物效果,將來(lái)可優(yōu)化植物葉片滯留顆粒物的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)體系,比較不同環(huán)境條件下植物滯留顆粒物的能力差異。