李朝梅，王軍夢，王騰飛，王祖星，雷雅凱，賀 丹

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，我國的空氣污染愈加嚴(yán)重。空氣污染特別是大氣中的顆粒物污染問題成為人們關(guān)注的核心。目前主要的空氣污染物是空氣動力學(xué)直徑≤10 μm(PM10)和空氣動力學(xué)直徑≤2.5 μm(PM2.5)的顆粒物。根據(jù)河南省生態(tài)環(huán)境廳公布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019年鄭州市大氣污染天數(shù)達(dá)到180多d[1]。目前通過解決污染源來治理環(huán)境污染尚不能實現(xiàn)，借助植被的清除機制可以緩解城市的空氣污染[2-3]。因此，研究城市園林植物的滯塵作用，篩選滯塵能力強的樹種，對改善城市空氣質(zhì)量具有重要意義[4-5]。

園林植物能夠吸附顆粒物，減少空氣中的顆粒物污染，混凝效應(yīng)和干沉降是其重要機制[6-8]。不同園林樹種之間的滯塵量存在顯著差異，其滯塵能力的大小和其生長區(qū)域的氣候條件、環(huán)境因子等密切相關(guān)[9]。針葉樹種單位葉面積滯塵量大于闊葉樹種，雪松和油松對顆粒物吸附能力較強[10-13]。植物對顆粒物的滯留能力與葉面屬性密切相關(guān)。植物葉片滯塵量的大小與葉表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，如葉表面有無絨毛、氣孔密度、褶皺或凹陷等相關(guān)[14-17]。葉片分泌物則通過粘附這一方式來吸附顆粒物，且效果穩(wěn)定[18]。葉片表面的蠟質(zhì)層越厚，葉片的滯塵能力越強，而葉片的蠟質(zhì)含量與PM2.5的干沉降速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[19-20]。植物葉片的滯塵過程具有復(fù)雜性和動態(tài)性，是一個動態(tài)平衡過程，滯塵量會隨著時間、季節(jié)的變化而產(chǎn)生變化[21-24]。目前對于影響葉片滯塵能力的原因以及葉片滯塵量的變化規(guī)律已經(jīng)有了一定的研究，但是由于影響植物滯塵的因素十分龐雜，不同地區(qū)氣候和環(huán)境條件差異明顯。因此，要根據(jù)不同地區(qū)氣候、環(huán)境中顆粒物含量和植物的生長特點等分析葉片的滯塵量和滯塵能力[12]。

鄭州市近年來空氣污染問題日益突出，尤其是冬季，對居民的生活造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。為了城市的生態(tài)園林建設(shè)，鄭州市的園林綠化工作實施方案中提出了建設(shè)大量的市內(nèi)公園及小游園。本研究選取了鄭州市常見的10種公園綠化植物，采用濾膜分級過濾稱質(zhì)量法測定其葉片對TSP、PM>10、PM10以及PM2.5的滯留量，分析不同樹種對不同粒徑顆粒物的滯留能力，并結(jié)合植物葉片特征及蠟質(zhì)含量，分析不同樹種之間滯塵能力存在差異的原因，以期為鄭州市公園建設(shè)篩選滯塵能力優(yōu)良的園林樹種，緩解城市的顆粒物污染。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 采樣點概括

鄭州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫14.7℃，年均降水量640.8 mm，年平均風(fēng)速2.3 m/s。夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。采樣區(qū)設(shè)置在碧沙崗公園，碧沙崗公園位于鄭州市中心城區(qū)，是鄭州市內(nèi)建園最早的公園之一，植被穩(wěn)定，能夠代表鄭州市內(nèi)主要的公園綠地情況和市內(nèi)環(huán)境狀況。

1.2 植物種類

選取10種鄭州市公園常見園林植物且在采樣地分布充足，每種數(shù)量在10株以上。包括5種常綠灌木、3種常綠喬木及2種落葉灌木。其中，3種常綠喬木在鄭州市主要公園的平均出現(xiàn)頻率為100%，7種灌木平均出現(xiàn)頻率為77.6%。

1.3 樣品采集與處理

于2019年10月下旬至2019年11月下旬采集植物葉片，選擇在降雨或大風(fēng)后7 d以上、無雨、無風(fēng)(或者微風(fēng))的天氣進(jìn)行。在試驗場地中隨機選擇3株樣樹，在每株樣樹的4個方向隨機采集數(shù)量不等的葉片，放入自封袋中。

1.4 葉片滯塵量測定

葉片滯塵量的測定參照洪秀玲[25]的濾膜分級過濾稱質(zhì)量法，將清洗葉片產(chǎn)生的懸濁液利用燒杯定容，讀數(shù)記為V1；用恒溫磁力攪拌器攪拌5～10 min至懸濁液中的顆粒物分布均勻，從中移取50 mL液體放入已經(jīng)稱重(W1)的培養(yǎng)皿中，記為V2，置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重后再次稱量培養(yǎng)皿的重量(W2)；按照式(1)計算懸濁液中顆粒物總量W0。再將剩余的液體依次用烘干至恒重的10 μm和2.5 μm濾膜(重量記為W3和W4)進(jìn)行過濾后，用恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，記為W5和W6，濾膜2次重量之差即為對應(yīng)粒徑顆粒物的質(zhì)量。按照式(2)、式(3)計算懸濁液中>10 μm、2.5～10 μm顆粒物重量W7和W8；根據(jù)式(4)、式(5)計算總懸濁液中PM10和PM2.5的重量W9和W10。使用葉面積儀(CI-203，CID，USA)對清洗后的葉片進(jìn)行葉面積測定，重復(fù)3次；根據(jù)總?cè)~面積計算單位葉面積TSP、PM>10、PM10以及PM2.5的質(zhì)量。

(1)

(2)

(3)

W9=W0-W7-W8

(4)

W10=W8+W9

(5)

1.5 葉表特征及葉片蠟質(zhì)含量測定

使用超景深三維視頻顯微鏡(Leica，DVM6)觀察葉片表面特征。將清洗后的葉片放入已知重量的燒杯中，加入適量的三氯甲烷浸泡60 s后取出葉片，將燒杯置于通風(fēng)櫥中，待三氯甲烷完全揮發(fā)后取出稱重，2次重量之差即為葉片中蠟質(zhì)的重量，重復(fù)3次。已知蠟質(zhì)重量除以葉片總面積即為單位葉面積蠟質(zhì)含量。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS22.0軟件進(jìn)行分析，采用單因素方差分析法(ANOVA)分析樹種間不同粒徑顆粒物滯留量的差異，若差異顯著，采用LSD法(least-significant difference)進(jìn)行多重比較。利用系統(tǒng)聚類法對不同植物單位面積滯塵量進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。采用Pearson相關(guān)性分析法分析植物葉片蠟質(zhì)含量與滯塵能力之間的關(guān)系。

表1 試驗選擇樹種Table 1 Test plant species selected

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種葉片滯塵能力

10種植物葉片的滯塵量差異顯著，不同植物單位葉面積對不同粒徑顆粒物TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯留能力也存在差異，其滯塵量分別在0.58～3.18、0.39～1.64、0.11～1.56 g·m-2和0.08～1.53 g·m-2。在葉片滯塵量中，PM>10在總滯塵量中所占比例較大，PM2.5占PM10的主體(表2)。

表2 10種植物單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯留量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Table 2 TSP,PM>10,PM10 and PM2.5 retention per unit leaf area of 10 plant species(mean±SE)

植物單位葉面積對TSP的滯留量差異顯著，滯留量最大的是雪松，其次為龍柏、石楠、夾竹桃和大葉黃楊，滯塵量最小的是南天竹，雪松的滯塵量是南天竹的5.5倍。對PM>10滯留量最大的是雪松和龍柏，滯塵量最小的是南天竹，各樹種之間滯塵量差異顯著。PM10和PM2.5滯留能力最強的是石楠，最弱的是灑金東瀛珊瑚，不同樹種滯塵量差異顯著(表2)。

10種植物單葉滯留TSP的質(zhì)量在0.52～13.71 mg·leaf-1，單葉PM>10的滯留量為0.35～7.21 mg·leaf-1，單葉滯留PM10和PM2.5的質(zhì)量分別在0.17～9.03 mg·leaf-1和0.14～8.84 mg·leaf-1。單葉滯留TSP、PM10和PM2.5最大的植物均為石楠，單葉滯塵量分別達(dá)到13.71、9.03 mg·leaf-1和8.84 mg·leaf-1，南天竹對各粒徑顆粒物的單葉滯留量均最小。不同粒徑顆粒物含量與葉面積大小有一定的關(guān)系。在TSP水平上，除石楠、夾竹桃和大葉黃楊外；在PM>10的水平上，除夾竹桃和大葉黃楊外；在PM10和PM2.5水平上，除灑金東瀛珊瑚、夾竹桃和大葉黃楊夾竹桃外；單葉TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯塵量大致隨葉面積的增大而增加(表3)。

表3 10種植物單葉TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯塵量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Table 3 Dust retention of 10 plant species with single leaf TSP,PM>10,PM10 and PM2.5(mean±SE)

通過聚類分析，將10種園林樹木葉片的單位面積滯塵能力劃分為4個等級(圖1)。單位面積滯留TSP能力最強的樹種是雪松和龍柏，滯塵能力較強的是石楠、夾竹桃和大葉黃楊，中等能力的是灑金東瀛珊瑚、錦帶花、棣棠花和海桐，滯塵能力最弱的是南天竹。10種樹種單位面積滯留PM>10能力最強的是雪松、龍柏和大葉黃楊，其次為海桐和灑金東瀛珊瑚，石楠、夾竹桃、錦帶花和棣棠花滯留PM>10的能力屬于中等，南天竹滯留能力最弱。滯留PM10和PM2.5能力最強的是雪松、石楠和夾竹桃，能力較強的是龍柏，其次為大葉黃楊、錦帶花和棣棠花，能力最弱的是南天竹、海桐和灑金東瀛珊瑚。

圖1 10種植物滯塵能力的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of dust retention ability of 10 plant species

2.2 葉片性狀與滯塵能力

10種植物總顆粒物滯留等級與葉片特征、單位面積蠟質(zhì)含量如表4所示。葉邊緣具細(xì)鋸齒或鈍齒的葉片滯塵能力較好。植物葉片中蠟質(zhì)含量與其滯塵量具有一定的相關(guān)性，蠟質(zhì)含量與單位面積PM10及PM2.5的滯留量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，但與單位面積TSP、PM>10的滯留量相關(guān)性不顯著(P>0.05)。表明葉片蠟質(zhì)含量增加時，其單位面積PM10及PM2.5滯留量隨之增加；同時，葉片形狀、葉表面絨毛、凹凸不平的結(jié)構(gòu)以及葉脈走向等葉片特征均會對葉片滯塵能力產(chǎn)生影響。

表4 10種園林植物葉片性狀與滯塵等級分析Table 4 Leaf characters and dust retention grade analysis of 10 garden plant species

3 結(jié)論與討論

植物通過葉片滯留顆粒物，10種園林植物由于葉片性狀的不同，導(dǎo)致不同植物單位葉面積滯塵量之間差異顯著，葉表面粗糙度較大、能分泌粘性油脂或葉脈突出的植物滯塵能力較強；并且同一植物葉片對不同粒徑顆粒物的滯留量也存在差異。同時蠟質(zhì)含量對植物的滯塵能力有一定影響，蠟質(zhì)含量與PM10和PM2.5的滯留量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即葉片單位面積蠟質(zhì)含量越高，PM10和PM2.5的滯留量越大。單葉葉面積會對單葉滯塵量產(chǎn)生影響。

本研究中的2種針葉樹種，雪松和龍柏單位面積滯留TSP和PM>10的能力最強，其中雪松對TSP和PM>10的滯留量分別為3.18 g·m-2和1.62 g·m-2，龍柏對TSP和PM>10的滯留量分別為2.84 g·m-2和1.64 g·m-2。雪松和龍柏的葉片無上表面和下表面之分，四周均能較好的發(fā)揮滯留顆粒物的作用，加之雪松的針葉能分泌粘性油脂，吸附更多的顆粒物且不易脫落，因此能夠比其他樹種滯留更多顆粒物[13,26-27]。滯留PM10和PM2.5能力最強的樹種為雪松、石楠和夾竹桃，滯塵量在1.47～1.56 g·m-2，雪松分泌的油脂、石楠葉表面葉脈形成的略微凹凸的結(jié)構(gòu)以及夾竹桃葉表面橫向突起的葉脈，使得其滯塵能力較強。南天竹對TSP、PM>10、PM10及PM2.5的滯留能力均最弱，這是因為南天竹葉片呈薄革質(zhì)，氣孔表面積較小且葉表面平滑[28]。灌木中大葉黃楊對TSP的滯留量最大，滯塵量達(dá)到2.11 g·m-2，因為大葉黃楊葉表面具有較厚的蠟質(zhì)層，氣孔密集且開口較大，更易滯留大氣顆粒物[30]?？偟膩碚f，單位葉面積滯塵量喬木優(yōu)于灌木，這與謝英贊等[30]、柴一新等[9]的研究結(jié)論相同。

植物滯塵能力還受到葉片蠟質(zhì)含量的影響。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，葉片滯塵量與蠟質(zhì)含量之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，葉片蠟質(zhì)含量與TSP和PM>10的滯留量相關(guān)性不顯著(P>0.05)，與PM10和PM2.5的滯留量相關(guān)性顯著(P<0.05)；蠟質(zhì)含量最高的石楠，單位葉面積PM10和PM2.5的滯留量也最大。葉片滯塵量與蠟質(zhì)含量具有正相關(guān)關(guān)系[27]；但有研究表明，葉片蠟質(zhì)含量僅與粒徑在2.5～10 μm的顆粒物滯留量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與總滯塵量及其他粒徑顆粒物滯留量之間的相關(guān)性不顯著[31]；也有研究表明，蠟質(zhì)通過影響葉表面的濕潤性來對葉片的滯塵能力產(chǎn)生影響，濕潤性越大葉片滯塵能力越強[32-33]。造成研究結(jié)論差異較大的原因可能是不同地區(qū)的環(huán)境因素相差較大，葉片表皮蠟質(zhì)會因為外界環(huán)境的影響而產(chǎn)生不同程度的磨損或破壞，形成不同的蠟質(zhì)微結(jié)構(gòu)，使得濕潤性增加，滯塵能力發(fā)生變化，因此研究結(jié)論具有差異。此外，不同植物葉片蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異也是影響因素之一[32-34]。

植物葉面積的大小與葉表面顆粒物滯留量有一定關(guān)系，一般來說，單葉面積越大，滯留的大氣顆粒物越多。在10種植物中除部分植物外，如大葉黃楊、夾竹桃和灑金東瀛珊瑚，單葉TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯留量大致隨著葉面積的增大而增加；單葉面積較大的石楠，單葉滯塵量達(dá)到13.87 mg·leaf-1。但植物單葉滯塵量除了與葉片表面積具有相關(guān)性外，也會受到葉片其他因素的影響[35-36]。因此，在篩選滯塵能力較強的樹種時，葉片蠟質(zhì)含量、葉表面結(jié)構(gòu)、葉面積等均可作為參考指標(biāo)之一；并將單位葉面積滯塵量、單葉滯塵量以及樹種的單株滯塵能力進(jìn)行綜合考慮。