葉志群，李奕宏，黃 盼，李巧云，朱穎芳

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004； 2.湖南省植物園，湖南 長沙 410116；3.湖南長株潭城市群森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，湖南 長沙 410116）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的不斷加快，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，其中最突出的便是以大氣顆粒物為主的空氣污染問題［1］。大氣顆粒物中空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5μm的顆粒物又被稱為細(xì)顆粒物（PM2.5），由于其粒徑較小、質(zhì)量較輕，很難自然沉降到地表面，并會隨著風(fēng)向遠(yuǎn)距離傳播，容易被吸入人體內(nèi)［2］，從而對人體健康帶來傷害，比如損傷呼吸系統(tǒng)［3］、神經(jīng)系統(tǒng)等［4］。有研究表明，PM2.5濃度過高可能會促進(jìn)COVID-19病例爆發(fā)［5］。

森林植被能夠通過枝干和葉片降低風(fēng)速［6］、吸附顆粒物［7］，使大氣中部分細(xì)顆粒物有效地滯留在植被上，從而降低空氣中PM2.5的濃度。陳波等［8］利用氣溶膠發(fā)生器將待測葉片上的顆粒物吹起制成氣溶膠，再使用顆粒物監(jiān)測儀測定不同樹種葉片吸滯PM2.5的能力，通過對比發(fā)現(xiàn)大量凹陷和凸起、褶皺較多的葉片對PM2.5的吸附量多于表面平滑、氣孔長圓形且粗糙度小的葉片。李春義等［9］研究發(fā)現(xiàn)不同濕地植物吸附顆粒物的能力存在明顯差異，濕地植物氣孔大小對植物吸附顆粒物的能力起重要作用。范舒欣等［10］發(fā)現(xiàn)葉表面形態(tài)特征、吸附方式等因素能夠影響葉片表面的吸附能力。魯君悅［11］研究認(rèn)為葉片吸附PM2.5的能力與葉表面是否存在氣孔和凹槽溝壑有關(guān)。王琴等［12］、孫應(yīng)都等［13］通過電鏡觀測顯示，植物氣孔大小、葉面粗糙程度是影響植物葉片吸附PM2.5的重要因素。同一植物因地區(qū)氣候［14］等條件和污染程度［15］的差異也會導(dǎo)致研究結(jié)果不同。本文選擇長沙市常見的綠化植物作為試驗(yàn)材料，研究其葉片吸附PM2.5的能力，可為科學(xué)營林造林以及城市林業(yè)綠化樹種的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

長沙市位于湖南省東部偏北，地處洞庭湖平原南端向湘中丘陵盆地的過渡地帶，北、西、南三面為山地，東南部為丘陵，全市土地面積約1.18萬km2，地域范圍為111°53＇-114°15＇E，27°51＇-28°40＇N。長沙市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，季節(jié)變化明顯，降水充沛，冬冷夏熱。長沙市植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，香樟（Cinnamomum camphora）是該市的市樹，杜鵑（Rhododendron simsii）為市花。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

以湖南省植物園為采樣地點(diǎn)，選擇6種喬木和3種灌木進(jìn)行試驗(yàn)，分別包括：香樟、桂花（Osmanthus fragrans）、廣玉蘭（Magnolia grandiflora）等闊葉植物；金錢松（Pseudolarix amabilis）、馬尾松（Pinus massoniana）和池杉 （Taxodium distichum var.imbricatum）等針葉植物；杜鵑、紅葉石楠（Photiniafraseri frase）和月季花 （Rosa chinensis）等灌木。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，從每種植物中選取3株生長情況相似的樣樹，在每棵樣樹上采摘30片葉子分組保存，然后使用葉面積掃描儀和氣溶膠再生器測定每組葉片的總面積和PM2.5的吸附總量并計(jì)算出單位葉面積PM2.5的吸附量。通過顯微鏡觀察葉片的氣孔數(shù)目，重復(fù)5～6次后取平均值，并計(jì)算出氣孔密度。隨后采用單因素方差分析法進(jìn)行方差分析，根據(jù)多重比較結(jié)果判斷不同植物葉片PM2.5吸附能力的差異，最后分析氣孔密度與PM2.5吸附能力的相關(guān)性。

2.3 指標(biāo)采樣和測定方法

（1）葉片采樣以及葉面積的測量

每種植物分別選擇3株生長條件較好、樹齡比較相近的植株，在2～3 m處采集喬木葉片、1～2 m處采集灌木葉片。根據(jù)每樹葉片生長狀況的差異，采集較為成熟的、完整的、且無病蟲害的葉片100～200 g，裝進(jìn)自封袋，在實(shí)驗(yàn)室通過葉面積掃描儀及相關(guān)軟件測量出葉片的全部表面積S總。

（2）葉表面PM2.5吸附量的測定

將采集的葉片放入空氣顆粒物氣溶膠再生器內(nèi)。儀器在鼓風(fēng)機(jī)的帶動(dòng)下，來回?cái)噭?dòng)葉片，能將葉片上吸附的PM2.5重新釋放出來，形成穩(wěn)定、密度均勻的氣溶膠，之后手持粉塵監(jiān)測儀測量并計(jì)算葉片對PM2.5的總吸附量M，并根據(jù)式（1）計(jì)算出單位葉面積上PM2.5的吸附量Q。

式中：Q 是單位葉面積PM2.5的吸附量，單位μg·cm-2；M是實(shí)驗(yàn)中放入氣溶膠再發(fā)生器的所有葉片表面上PM2.5的總含量，單位μg；S總則表示總面積，單位cm2。

（3）葉片表面氣孔密度測定

制作新鮮葉的上（或下）表皮樣本，將表皮置于顯微鏡（用低倍鏡還是高倍鏡取決于表皮氣孔數(shù)）下觀察視野中氣孔數(shù)目，移動(dòng)后在表皮的不同部位測量，重復(fù)5～6次后取其平均值。接著用物鏡測量微尺量得視域直徑，則半徑R可知，并根據(jù)公式（2）計(jì)算視域面積S。

式中：π是圓周率（取3.141 6）；R是視域圓的半徑。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本文使用Microsoft Excel2019和PyCharm 2021軟件作圖，用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物單位葉面積的PM 2.5吸附量

在實(shí)驗(yàn)室通過氣溶膠再發(fā)生器，測算不同植物單位葉面積的PM2.5吸附量差異，結(jié)果如表1所示。吸附量最大的是月季花，為1.669 8μg·cm-2；吸附量最小的是香樟，為0.350 1μg·cm-2。不同植物單位葉面積的PM2.5吸附量從大到小排列順序?yàn)樵录净ǎ径霹N＞紅葉石楠＞金錢松＞馬尾松＞池杉＞桂花＞廣玉蘭＞香樟。

表1 不同植物單位葉面積的PM 2.5吸附量比較Tab.1 Com parison of PM 2.5 adsorption content per unit leaf area of different plantsμg·cm-2

3.2 不同植物單位葉面積的PM 2.5吸附能力

通過上面的數(shù)據(jù)可知，不同的植物單位葉面積的PM2.5吸附量有大小之分。為了判斷不同的植物吸附PM2.5的能力是否有差異，本文進(jìn)行了單因素方差分析，結(jié)果如表2所示。在單因素方差分析前，對數(shù)據(jù)正態(tài)分布性和方差齊性進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布條件和方差齊性條件。

表2 單因素方差分析Tab.2 One-way ANOVA

從表2可知，F(xiàn)＝253.454，對應(yīng)的顯著性P＝0.000＜0.01，說明不同植物間葉片的PM2.5吸附能力存在極顯著性差異。為了繼續(xù)探討是哪幾種植物吸附PM2.5的能力差異極顯著，本文選用了Turkey法進(jìn)行多重比較，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同植物單位葉面積的PM 2.5吸附能力Fig.1 PM 2.5 adsorption capacity per unit leaf area of different plants

經(jīng)多重比較發(fā)現(xiàn)，香樟和廣玉蘭的差異不顯著且吸附能力最低，說明香樟和廣玉蘭吸附PM2.5的能力相似。除此之外，其他各種植物之間的PM2.5吸附能力差異極顯著（P＜0.01）。根據(jù)圖1可知，PM2.5吸附能力大小順序?yàn)樵录净ǎ径霹N＞紅葉石楠＞金錢松＞馬尾松＞池杉＞桂花＞廣玉蘭＞香樟。

3.3 植物葉面微結(jié)構(gòu)與PM 2.5吸附能力的關(guān)系

不同植物有不同的葉片性狀結(jié)構(gòu)。通過電鏡對9種植物葉片的樣品進(jìn)行掃描觀察，電鏡圖像如圖2所示，葉面氣孔特征如表3所示。所測樣品葉表面氣孔特征可以分為卵圓形、長圓形、圓形、無規(guī)則4種。氣孔數(shù)目是（25～156）個(gè)·200倍視野-1，其中氣孔密度較大的是月季花156個(gè)，杜鵑138個(gè)、紅葉石楠123個(gè)；氣孔密度最小的是香樟，僅為25個(gè)。

圖2 植物葉片氣孔分布掃描電鏡圖像Fig.2 Scanning electron m icrographs ofm icro-configurations of leaf stomata

表3 植物葉面氣孔特征Tab.3 Surface characteristics of stomata

植物葉片的表面微結(jié)構(gòu)與其滯塵能力有很大的關(guān)系，葉表面絨毛形狀、氣孔密度大小等都會影響葉片表面粗糙度。在研究中，紅葉石楠、月季花、杜鵑等植物葉片滯塵量較大，單位葉面積PM2.5吸附含量分別達(dá)到1.144 6、1.669 8和1.407 2μg·cm-2。3種灌木的葉片表面粗糙、凹凸不平，呈現(xiàn)網(wǎng)狀和溝狀結(jié)構(gòu)，氣孔開口較大，在一定程度上，它們很容易吸附空氣中各種大小的顆粒物，使被吸附的顆粒很難被風(fēng)帶走，因此可以起到穩(wěn)定滯塵的作用。氣孔數(shù)目集中在（120～160）個(gè)·200倍視野-1。馬尾松、金錢松、池杉等針葉樹種葉表皮突起和凹陷形成的空間也比較容易吸收灰塵，但是其吸附能力相對低于前3種植物。香樟、廣玉蘭、桂花等闊葉樹種吸附能力最弱，因其葉片表面有較高的條形突起，阻礙灰塵的沉積，其中香樟葉片氣孔密度最小，表面光滑，垂直壁突出且易于形成網(wǎng)格，氣孔周圍分布有大量淺線性條紋，附著在上面的灰塵和顆粒很容易被風(fēng)沖走，所以吸附PM2.5的能力一般；廣玉蘭葉片的氣孔密度只有38個(gè)，雖然有纖毛，但纖毛較為柔軟、排列分散，不易對微粒進(jìn)行沉積；桂花葉片的氣孔密度為50個(gè)，且其表面蠟質(zhì)較多，很難滯留灰塵。這些樹種吸附PM2.5的能力都較弱。

4 結(jié)論與討論

本文對長沙市常見綠化植物葉片吸附PM2.5的能力進(jìn)行了分析，并探究了不同植物葉表面微結(jié)構(gòu)特征與吸附PM2.5能力之間的關(guān)系，結(jié)果表明：不同植物吸附PM2.5的能力差異很大，但也存在差異不顯著的情況（如廣玉蘭和香樟）。根據(jù)前文分析的結(jié)果，測量的9種植物中平均單位葉面積吸附PM2.5的含量大小為月季花＞杜鵑＞紅葉石楠＞金錢松＞馬尾松＞池杉＞桂花＞廣玉蘭＞香樟?？梢?，因葉片氣孔密度較大，月季花、杜鵑等植物吸附PM2.5的能力較強(qiáng)；在王琴等［12］的文章中，也提到了石楠和桂花的滯塵能力強(qiáng)于廣玉蘭。而廣玉蘭和香樟等植物因其葉片表面平滑、氣孔密度和開度較小，粗糙度較小，因此吸附PM2.5能力較弱，在孫應(yīng)都等［13］和羅佳等［14］的文章中，也有香樟吸附PM2.5能力較弱的類似結(jié)論。不同植物葉表面氣孔密度大小與其單位葉面積PM2.5吸附量呈較好的線性關(guān)系，這與多數(shù)文章的結(jié)論一致。在園林綠化樹種選擇時(shí)，可以考慮相對有利于吸附顆粒物的植物，如月季花、杜鵑、桂花等。當(dāng)前研究主要集中在植物葉片單位葉面積PM2.5的吸附量上，但是單位葉面積吸附量大，單株植物對PM2.5的吸附量不一定大。孫應(yīng)都等［13］還提出應(yīng)該考慮植物在四季或早晚的吸附能力之間的變化。尚有許多科學(xué)問題有待于后續(xù)開展進(jìn)一步的研究。