王彤 張丹 楊軼晗 常宇飛 吳俊杰 王紫含

摘要 以長(zhǎng)春市南湖公園5種針葉喬木樹(shù)種為研究對(duì)象，探討了植物葉片結(jié)構(gòu)特征和葉表面微觀形態(tài)特征與葉片滯留大氣顆粒物能力的關(guān)系。結(jié)果表明：5種常綠針葉喬木樹(shù)種葉表面滯留大氣顆粒物的能力存在顯著差異，各樹(shù)種單位葉面積滯留大氣顆粒物量由高到低依次為沙冷杉（Abies holophylla）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica）、紅松（Pinus koraiensis）、黑皮油松（Pinus tabuliformis var.mukdensis）。植物葉表面的滯留大氣顆粒物能力與植物種類(lèi)及其微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)之間具有一定的相關(guān)關(guān)系，凸起、溝槽、氣孔及各種紋理等微細(xì)結(jié)構(gòu)增加了葉表面的粗糙程度，提高了植物的滯留顆粒物能力。葉片表面的氣孔數(shù)量、氣孔直徑、溝壑寬度、溝壑?jǐn)?shù)量皆與其滯留大氣顆粒物量有顯著相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 常綠針葉樹(shù)種；滯留大氣顆粒物；葉表面微形態(tài)特征

中圖分類(lèi)號(hào) X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2023）09-0077-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.019

Abstract In this study， five evergreen coniferous species of Nanhu Park in Changchun were selected as the research objects to explore the relationship between leaf structure characteristics， leaf surface morphology characteristics and the ability of leaves to retain atmospheric particulate matter.The results showed that there were significant differences in the capacity of atmospheric particulate matter retention on leaf surface of five coniferous tree species， and the order of atmospheric particulate matter retention per leaf surface of each species was as follows： Abies Holophylla， Picea koraiensis， Pinus syvestris var. mongholica， Pinus koraiensis， Pinus tabuliformis var.mukdensis.The ability of atmospheric particulate matter retention on plant leaf surface was correlated with plant species and their microstructure.The microstructures such as bulges， grooves， stomata and various textures increase the roughness of leaf surface and improve the dust retention ability of plants. The number of stomata， stomata diameter， gully width， gully number on leaf surface were significantly correlated with dust retention.

Key words Evergreen coniferous trees;Atmospheric particulate matter retention;Leaf surface micromorphological characteristics

基金項(xiàng)目 “長(zhǎng)大學(xué)者攀登計(jì)劃”項(xiàng)目（ZKP202015）。

作者簡(jiǎn)介 王彤（1997—），女，吉林雙遼人，碩士，從事城市森林園林生態(tài)功能研究。*通信作者，講師，從事城市森林群落結(jié)構(gòu)、多樣性、生態(tài)服務(wù)功能研究。

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和工業(yè)化、城市化程度不斷提高，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，尤以大氣污染最為凸顯［1］。大氣顆粒物主要來(lái)自化石燃料燃燒、礦石冶煉、機(jī)動(dòng)車(chē)等污染源的直接排放和SO2、NOX、NH3、VOCS等污染物的間接轉(zhuǎn)化［2］。大氣顆粒物因與人類(lèi)呼吸道、心血管、支氣管和哮喘等疾病關(guān)系密切而受到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注［3-5］。PM10（空氣動(dòng)力學(xué)直徑Dp＜10.0 μm的顆粒物）已被證實(shí)是危害人類(lèi)健康的最主要物質(zhì)之一，PM2.5（Dp<2.5 μm）能夠進(jìn)入人體肺部導(dǎo)致肺泡發(fā)炎而具有更大的危害性［6］。最新研究證實(shí)，城市空氣中的細(xì)顆粒物可以增大肺癌的發(fā)病危險(xiǎn)［7］，由此可見(jiàn)，大氣顆粒物的存在會(huì)危害市民身心健康，降低市民生活質(zhì)量［8-9］。

樹(shù)木具有過(guò)濾大氣污染物的功能，可以緩解城市大氣顆粒物污染狀況［10-11］，是改善大氣顆粒物濃度實(shí)際有效的方法［12-13］。20世紀(jì)70年代，國(guó)外已開(kāi)展樹(shù)木減緩大氣顆粒物能力的相關(guān)研究，提出了森林植被是顆粒態(tài)污染物蓄積庫(kù)的說(shuō)法，研究重點(diǎn)主要集中在樹(shù)木滯留放射性顆粒物及金屬污染物等方面［11］。國(guó)內(nèi)有關(guān)樹(shù)木減緩大氣顆粒物能力的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。有研究結(jié)果表明，各樹(shù)種間滯留大氣顆粒物量大小差異明顯［14］，并且不同植物滯留大氣顆粒物的能力相差2～10倍以上［15］。

樹(shù)木滯留大氣顆粒物能力受葉片結(jié)構(gòu)特征、外界環(huán)境條件等諸多因素影響［16］，已有研究表明葉片表面溝狀組織、褶皺及纖毛的存在對(duì)滯留大氣顆粒物能力具有一定影響［14，17］。然而，隨著物候的變化，絕大部分植物秋冬落葉休眠已成為其基本規(guī)律，這極大地減弱了城市綠化植物發(fā)揮其生態(tài)效益的能力。尤其是在北方秋冬季節(jié)，氣候干燥風(fēng)沙肆意，針葉常綠樹(shù)種是冬季發(fā)揮滯留大氣顆粒物效應(yīng)的主要綠化樹(shù)種。陳瑋等［18］對(duì)東北地區(qū)城市針葉樹(shù)種冬季滯留大氣顆粒物效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：不同針葉樹(shù)種滯留大氣顆粒物能力具有一定差異。然而，已有研究大多集中在葉片表面滯留大氣顆粒物能力的對(duì)比，有關(guān)葉片蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物能力的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。

筆者選取長(zhǎng)春市5種常見(jiàn)的常綠針葉樹(shù)種，探明不同針葉樹(shù)種葉片表面及葉片蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物能力差異，探討不同樹(shù)種葉表面形態(tài)特征對(duì)其滯留大氣顆粒物能力的影響，旨在篩選出減緩大氣顆粒物能力較強(qiáng)的針葉樹(shù)種，為降低城市大氣顆粒物污染及提高空氣質(zhì)量提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樹(shù)種選擇

長(zhǎng)春市位于124°18′～127°05′E，43°05′～45°15′N(xiāo)，居北半球中緯度北溫帶地區(qū)。年均氣溫5.5 ℃，年降雨量582 mm。長(zhǎng)春南湖公園總面積222余萬(wàn)m2，是東北最大的市內(nèi)公園。選取南湖公園常見(jiàn)的5種針葉喬木樹(shù)種作為研究對(duì)象，分別為紅皮云杉（Picea koraiensis）、沙冷杉（Abies holophylla）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica）、黑皮油松（Pinus tabuliformis var.mukdensis）和紅松（Pinus koraiensis）。

1.2 研究方法

1.2.1 葉片采集。

每個(gè)樹(shù)種選取3株典型、健康的植株，分別從樹(shù)冠東、西、南、北方向的上、中、下不同部位進(jìn)行葉片采集。每株植物采集葉片的數(shù)量不低于30片，采集好的葉片立即封存于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室即將采集好的葉片一部分用于滯留大氣顆粒物含量及葉片結(jié)構(gòu)特征測(cè)定，另一部分葉片采用掃描電子顯微鏡（JSM-6510LA）進(jìn)行葉表面微觀形態(tài)特征測(cè)定。

1.2.2 葉片滯留大氣顆粒物量測(cè)定。

葉片表面滯留大氣顆粒物含量測(cè)定采用蒸餾水浸洗法。將采集后的葉片用蒸餾水浸泡 2～3 h，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，最后用鑷子將葉片小心夾出。將孔徑為0.22 μm的聚四氟乙烯微孔濾膜于 80 ℃下烘干至恒重，用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)重，記為W1（g），浸洗液通過(guò)真空抽濾裝置進(jìn)行抽濾，抽濾后將帶有大氣顆粒物的微孔濾膜重量計(jì)為W2（g），2次重量之差（W2-W1）即為采集樣品上所附著的大氣顆粒物重量。浸洗后的葉片晾干后用葉面積儀求算葉面積 S（mm2）［19-20］。

葉片蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物含量測(cè)定采用氯仿浸洗法。將蒸餾水浸洗后的葉片用氯仿浸泡2 h，然后將濾液通過(guò)真空抽濾裝置進(jìn)行抽濾，抽濾后帶有大氣顆粒物的微孔濾膜重量計(jì)為W3（g）。

單位葉面積滯留大氣顆粒物量、蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物量和葉片滯留大氣顆粒物總量計(jì)算公式如下：

W葉表面=（W2-W1）/S

W蠟質(zhì)層=（W3-W1）/S

W總=W葉表面+W蠟質(zhì)層

1.2.3 葉表面微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定。

選取所測(cè)試樹(shù)種葉片樣品，每個(gè)樹(shù)種3個(gè)重復(fù)，每份樣品取出3～5片葉片，從樣本主葉脈兩側(cè)中部切成面積約1 cm×1 cm的小方塊，采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)葉片表面微結(jié)構(gòu)特征，包括氣孔大小、氣孔數(shù)量、葉表面有無(wú)絨毛及葉表面溝壑情況等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹(shù)種滯留大氣顆粒物量對(duì)比分析

如圖1A所示，不同樹(shù)種葉片表面滯留大氣顆粒物能力有差異，沙冷杉葉片表面單位面積滯留大氣顆粒物量最高，其次為紅皮云杉、樟子松和黑皮油松，紅松最低。其中，沙冷杉葉片表面單位面積滯留大氣顆粒物量顯著高于樟子松、黑皮油松和紅松（P<0.05），分別為樟子松、黑皮油松和紅松的2.13、6.17、6.33倍。

如圖1B所示，不同樹(shù)種葉片蠟質(zhì)層滯留顆粒物能力也有差異，但滯留顆粒物能力大小與葉片表面表現(xiàn)不一致，其中紅皮云杉葉片蠟質(zhì)層單位面積滯留大氣顆粒物量最高，其次依次為沙冷杉、樟子松和紅松，黑皮油松最低。紅皮云杉葉片蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物量分別是沙冷杉、樟子松、紅松和黑皮油松的2.45、4.12、4.90、51.5倍，且紅皮云杉顯著高于其他樹(shù)種（P<0.05），且沙冷杉顯著高于黑皮油松（P<0.05）。

不同樹(shù)種葉片滯留大氣顆粒物總量與葉片表面單位面積滯留大氣顆粒物量具有相同的趨勢(shì)，也表現(xiàn)為沙冷杉最高，其次依次為紅皮云杉、樟子松、紅松，黑皮油松最低，滯留大氣顆粒物總量分別為7.76、6.49、3.68、1.37和1.20 g/m2，其中，沙冷杉葉片單位面積滯留大氣顆粒物總量顯著高于樟子松、紅松和黑皮油松（P<0.05），分別為樟子松、紅松和黑皮油松的2.11、5.66、6.47倍（圖1C）。

這主要是由于樟子松、紅松以及黑皮油松葉片表面氣孔排列整齊，溝壑起伏不明顯，滯留少量顆粒物；而紅皮云杉葉片上表面（圖2b1）氣孔分布較多且深，下表面（圖2b2）氣孔明顯、相鄰縫隙滯留顆粒物較多；沙冷杉上表面（圖2d1）有較寬的條狀凸起，有利于大氣顆粒物的附著，部分區(qū)域大氣顆粒物堆疊明顯，下表面（圖2d2）氣孔中滯留大量顆粒物。

綜合以上結(jié)果，不同樹(shù)種之間的滯留大氣顆粒物能力差異較大，無(wú)論是葉片表面還是葉片蠟質(zhì)層，5種針葉喬木樹(shù)種中沙冷杉和紅皮云杉都具有較好的滯留大氣顆粒物能力。

2.2 不同樹(shù)種葉片結(jié)構(gòu)特征

如圖3所示，不同樹(shù)種葉片結(jié)構(gòu)特征具有顯著差異。其中，葉寬表現(xiàn)為沙冷杉>樟子松>紅皮云杉>黑皮油松>紅松，沙冷杉葉寬分別為樟子松、紅皮云杉、黑皮油松和紅松的1.32、1.37、1.77、2.02倍。而葉面積、葉長(zhǎng)、葉周長(zhǎng)及葉長(zhǎng)寬比例均表現(xiàn)為黑皮油松>紅松>樟子松>沙冷杉>紅皮云杉，黑皮油松的葉面積、葉長(zhǎng)均顯著高于紅松、樟子松、沙冷杉和紅皮云杉（P<0.05），黑皮油松葉長(zhǎng)寬比例顯著高于樟子松、紅皮云杉和沙冷杉。

2.3 不同樹(shù)種葉片表面微形態(tài)特征

如圖4所示，不同樹(shù)種葉片上表面單位面積氣孔數(shù)有顯著差異，除沙冷杉葉片上表面沒(méi)有氣孔外，紅松葉片上表面單位面積氣孔數(shù)顯著多于紅皮云杉、樟子松和黑皮油松（P<0.05），分別為紅皮云杉、樟子松和黑皮油松的3.40、4.11、4.83倍（圖4A）。而葉片下表面單位面積氣孔數(shù)不同樹(shù)種之間差異較小，其中紅皮云杉最多，其次為沙冷杉、紅松和樟子松，黑皮油松最少，分別為130.68、123.89、104.97、99.91、88.86 個(gè)/mm2（圖4B）。不同樹(shù)種上表面單位面積溝壑?jǐn)?shù)有明顯差異，紅皮云杉數(shù)最多，其次為紅松、黑皮油松和沙冷杉，樟子松最少，分別為444.72、364.53、182.06、173.64、150.13條/mm2，其中紅皮云杉分別為紅松、黑皮油松、沙冷杉和樟子松的1.22、2.44、2.56、2.96倍（圖4C）。不同樹(shù)種下表面單位面積溝壑?jǐn)?shù)表現(xiàn)為黑皮油松最多，其次為紅皮云杉、樟子松、紅松，沙冷杉最少，分別為491.59、268.36、176.44、121.76、113.83條/mm2，其中，黑皮油松下表面單位面積溝壑?jǐn)?shù)分別為紅皮云杉、樟子松、紅松和沙冷杉的1.83、2.79、4.04、4.32倍（圖4D）。

2.4 不同樹(shù)種葉片滯留大氣顆粒物影響因素

由表1可知，黑皮油松葉片滯留大氣顆粒物總量與其葉片上表面溝壑寬度（r=0.717）以及葉片下表面氣孔直徑（r=0.726）呈顯著正相關(guān)（P<0.05），紅皮云杉與其葉片上表面單位面積溝壑寬度（r=0.717）呈顯著正相關(guān)（P<0.05），而沙冷杉與葉片下表面氣孔直徑（r=-0.732）呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），紅松與葉片上表面氣孔直徑（r=0.817）呈顯著正相關(guān)，但與葉片下表面溝壑寬度（r=-0.717）呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。

3 討論

3.1 不同樹(shù)種滯留大氣顆粒物能力差異分析

植物滯留大氣顆粒物的能力因植物種類(lèi)、氣候環(huán)境、生長(zhǎng)狀態(tài)、生活型等差異而不同［21］。柴一新等［14］對(duì)哈爾濱市主要綠化樹(shù)種進(jìn)行滯留大氣顆粒物能力研究表明，不同樹(shù)種間滯留大氣顆粒物量具有顯著差異，紅皮云杉、杜松是滯留大氣顆粒物能力較強(qiáng)的樹(shù)種。這與該研究結(jié)果有一定相似性，5種針葉樹(shù)種中紅皮云杉滯留顆粒物能力較強(qiáng)。蘇俊霞等［15］對(duì)山西師范大學(xué)校園綠化植物滯留大氣顆粒物能力的研究表明，不同植物滯留大氣顆粒物的能力可差 2～10 倍以上。該研究中沙冷杉葉片表面單位葉面積滯留大氣顆粒物量分別為樟子松、黑皮油松和紅松的2.13、6.17、6.33倍。Xu等［22］通過(guò)對(duì)哈爾濱3種常綠喬木葉片顆粒物數(shù)、組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異研究得出，紅皮云杉葉片滯留大氣顆粒物中23.11%來(lái)自蠟質(zhì)層，黑皮油松葉片所滯留的大氣顆粒物中38.22%來(lái)自蠟質(zhì)層，在不同樹(shù)種間葉片蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物量有顯著差異。該研究中紅皮云杉與黑皮油松葉片蠟質(zhì)層滯留顆粒物量有顯著差異，紅皮云杉蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物量為黑皮油松的51.5倍，并且紅皮云杉蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物量占其葉表面滯留顆粒物量的19.4%，而黑皮油松蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物量?jī)H占其葉表面滯留大氣顆粒物總量的1.7%。

3.2 不同樹(shù)種滯留大氣顆粒物能力與葉片表面微形態(tài)特征的關(guān)系

不同樹(shù)種葉片表面滯留大氣顆粒物能力與其葉片表面氣孔數(shù)量、溝壑寬度和溝壑深度具有一定相關(guān)性。劉璐等［23］對(duì)廣州市 18 種常用行道樹(shù)的葉片表面形態(tài)與滯留大氣顆粒物的能力的研究表明，葉表面具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氣孔密度較大，且氣孔開(kāi)口大等特征更利于粉塵的滯留；而氣孔排列整齊，無(wú)起伏結(jié)構(gòu)則不利于葉片顆粒物的滯留。該研究中滯留大氣顆粒物總量表現(xiàn)為沙冷杉最高，其次為紅皮云杉、樟子松和紅松，黑皮油松最低。

王琴等［24］研究表明，葉表面的氣孔和顆粒物滯留量之間未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)，但與溝槽寬度有關(guān)。而孫應(yīng)都等［25］則認(rèn)為，氣孔密度和大小與顆粒物滯留能力有關(guān)。該研究也表明，葉片表面溝壑寬度影響植物滯留大氣顆粒物量，黑皮油松和紅皮云杉葉片滯留大氣顆粒物總量與其葉片上表面溝壑寬度呈顯著正相關(guān)，紅松葉片蠟質(zhì)層滯留大氣顆粒物總量與葉片下表面溝壑寬度呈顯著負(fù)相關(guān)。以上結(jié)果表明，樹(shù)木葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)與其滯留大氣顆粒物總量有顯著相關(guān)性，但不同樹(shù)種間影響因素具有一定差異。

4 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，不同樹(shù)種葉片表面單位葉面積滯留大氣顆粒物量表現(xiàn)為沙冷杉>紅皮云杉>樟子松>黑皮油松>紅松，其中沙冷杉是紅松的6.33倍，葉片蠟質(zhì)層單位葉面積滯留大氣顆粒物量以紅皮云杉最高，黑皮油松最低，紅皮云杉滯留大氣顆粒物量是黑皮油松的51.5倍。

植物葉表面的滯留大氣顆粒物能力與植物種類(lèi)及葉表面的微形態(tài)特征之間具有顯著相關(guān)關(guān)系，植物葉表面的凸起、溝壑寬度、氣孔直徑是影響不同植物滯留大氣顆粒物能力的主要因素。

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