李 旭，傅松玲，夏得月，張 誠(chéng)，李義勇?

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽省大地園林股份有限公司，合肥 230088)

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，空氣污染日益嚴(yán)重且已成為一個(gè)緊迫的問(wèn)題，在發(fā)展中國(guó)家尤為顯著。大氣顆粒物(PM，空氣動(dòng)力學(xué)直徑在0.01～100 μm)，由不同的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物組成的液體和固體顆粒組成[1]，是全球最主要的大氣污染物之一，對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的威脅日益增加[2-5]?？晌腩w粒物(包括PM2.5和PM10)，尤其是PM2.5(直徑小于2.5 μm)可深入滲透到人類的呼吸系統(tǒng)，使高血壓、心臟疾病、過(guò)敏和呼吸道疾病的患病率大大增加[6-10]。隨著城市的發(fā)展，如何建立預(yù)防和控制這一問(wèn)題的方法已成為一個(gè)緊迫的議題。

大量研究發(fā)現(xiàn)，園林植物通過(guò)葉片捕捉PM 可以有效降低大氣顆粒物的濃度[2,11-13]，這為改善城市環(huán)境、緩解空氣污染壓力提供了有力的解決方案。例如，一項(xiàng)研究估計(jì)，在中國(guó)北京市中心，一年內(nèi)約有772 t 的PM10被樹(shù)木清除[14]。McDonald 等[15]發(fā)現(xiàn)在英國(guó)的一個(gè)的城市中，四分之一的城區(qū)植樹(shù)就可以將大氣中的PM10濃度降低2% ～ 10%。類似地，根據(jù)對(duì)美國(guó)10 個(gè)城市森林冠層滯塵能力的研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)木每年所滯塵的總量達(dá)4.7～64.5 t[16]。早期的研究表明，植被水平的PM 捕捉能力受到冠層面積、森林孔隙度和樹(shù)種組成的影響。就個(gè)體水平而言，不同樹(shù)種的滯塵能力也不盡相同[17-18]。

與灌木和草本植物相比，喬木的葉子表面積更大，從而提高了捕捉PM 的效率[15]。喬木通常形體高大，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，可以產(chǎn)生空氣湍流，以增加葉片表面顆粒物的積累[19-20]。葉片作為捕捉大氣顆粒物的主要結(jié)構(gòu)，葉表特征的差異影響著不同植物對(duì)大氣顆粒物的截留能力[21]，如葉表絨毛和蠟質(zhì)層，可能會(huì)增加PM 的積累[11]。淑敏[22]和高傳友[23]等發(fā)現(xiàn)比葉重越大，葉表PM 積累得越多。此外，由于四季常綠，常綠闊葉樹(shù)種對(duì)空氣凈化作用具有重要意義，因?yàn)樗鼈兛梢圆粩喾e累PM。城市園林植物可作為一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的手段，對(duì)城市環(huán)境中的污染物進(jìn)行生物監(jiān)測(cè)，因?yàn)橹参锊牧?如樹(shù)葉和樹(shù)皮)易于收集，分析成本低，不產(chǎn)生二次污染[24-25]。然而，對(duì)于不同城市綠化植物中PM 捕捉效果的差異，人們知之甚少。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)植物滯塵已有較多研究，但葉表微結(jié)構(gòu)的研究也僅停留在電鏡掃描觀察與分析上，缺乏對(duì)葉表特征的量化數(shù)據(jù)與植物滯塵能力相關(guān)性分析。因此，厘清不同園林植物滯留PM 污染物的能力，對(duì)優(yōu)化園林植物在城市環(huán)境中效益至關(guān)重要[26]。

近幾十年來(lái)，隨著合肥工業(yè)園區(qū)城市化、工業(yè)化和城鄉(xiāng)移民進(jìn)程的推進(jìn)，環(huán)境污染不斷加劇，大氣顆粒物濃度不斷升高，對(duì)合肥市居民健康產(chǎn)生消極影響[27-29]。為了定量評(píng)價(jià)不同園林植物的滯塵能力，我們對(duì)合肥市區(qū)常見(jiàn)種植的24 種園林植物的顆粒物捕捉能力進(jìn)行了研究，探究其葉片滯塵機(jī)理，篩選出滯塵效果最好的樹(shù)種，旨在為合肥城市綠化建設(shè)在樹(shù)種選擇方面提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在位于合肥市中心的安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行(31°87′ N, 117°25′ E)。該地有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨(6—8 月)。從1981 年到2010 年，年均無(wú)霜期為228 d；年平均氣溫15.8 ℃，降水量1 171.9 mm，最高氣溫(7 月)32.3 ℃，最低氣溫(1 月)1.1 ℃，生長(zhǎng)季(4—10 月)降水分布為年平均降水量的73.0%，其中夏季有一個(gè)高峰，為年平均降水量的 41.3%(China Meteorological Data Service, http://data.cma.cn)。進(jìn)入校園的車輛比穿過(guò)合肥主要街道的車輛要少，校園周邊5 km 內(nèi)沒(méi)有建筑工地、燃煤電廠等高污染行業(yè)，植被覆蓋率高，空氣質(zhì)量好，汽車流量有限。本研究選擇的園林植物包括烏桕(Triadica sebifera)、廣玉蘭(Magnolia grandiflora)、女貞(Ligustrum lucidum)、重陽(yáng)木(Bischofia polycarpa)、銀杏(Ginkgo biloba)、無(wú)患子(Sapindus saponaria)、三角槭(Acer buergerianum)、楓楊(Pterocarya stenoptera)、楝(Melia azedarach)、木犀(Osmanthus fragrans)、樟(Cinnamomum camphora)、黃山欒樹(shù)(Koelreuteria bipinnata'integrifoliola' (Merr.) T. Chen)、槐(Sophora japonica)和鵝掌楸(Liriodendron chinense)共14種喬木以及花葉青木(Aucuba japonicavar. variegata)、梔子(Gardenia jasminoides)、紅檵木(Loropetalum chinense. var.rubrum)、金邊黃楊(Euonymus japonicusvar. aurea-marginatus)、海桐(Pittosporum tobira)、大葉黃楊(Euonymus japonicus)、石楠(Photinia serratifolia)、日本珊瑚樹(shù)(Viburnum odoratissimumvar. awabuki)、石榴(Punica granatum)和欏木石楠(Photinia davidsoniae)共10 種灌木，均為中國(guó)東部城市地區(qū)常見(jiàn)的園林植物(表1)。

1.2 葉片采集

所有樣品采集均于2017 年10 月進(jìn)行，在相對(duì)較小的校園中隨機(jī)采集生長(zhǎng)狀況良好無(wú)病蟲害的園林植物葉片樣品(校園內(nèi)任何微小的環(huán)境變化都不會(huì)影響結(jié)果)。采樣前后所有采樣點(diǎn)的天氣狀況相似且穩(wěn)定。取樣日期選在取樣前一周沒(méi)有降水和取樣時(shí)風(fēng)很少的時(shí)間段，當(dāng)風(fēng)速小于5 m·s-1時(shí)，對(duì)葉片上PM 積累無(wú)顯著影響[11]。為避免因采樣日期不同而影響葉面滯塵量，該研究確定樹(shù)葉采樣日期時(shí)要求在前一周內(nèi)無(wú)降水，以確保葉面都滯留了一定量的顆粒物，最終定為2017 年10 月17 日當(dāng)天完成所有采樣。由于采樣高度也可能影響葉面滯塵量，各樹(shù)種采樣高度要盡可能靠近，結(jié)合采樣點(diǎn)各樹(shù)種的實(shí)際生長(zhǎng)情況，確定采樣高度：灌木為1.0 ～ 1.5 m，喬木為1.7 ～ 2.5 m。選取的每個(gè)樹(shù)種都有3 個(gè)重復(fù)，分別選擇9 株樣樹(shù)，在樹(shù)冠不同方位(東、西、南和北)采集生長(zhǎng)良好的葉片，單葉較大者采集約100片，其他較小者采集約200 片，迅速裝入保鮮袋后封好，標(biāo)明采樣日期和地點(diǎn)，貼上序列號(hào)，并在分析前在4 ℃冰箱中保存。

1.3 葉片表面PM 滯留量及葉片特征

采用Dzierzanowski[17]和Song[3]等的方法分析了葉片表面不同粒徑的PM 滯留量。每個(gè)葉片樣品用蒸餾水清洗，然后使用 91 型和 42 型濾紙(Whatman, UK)進(jìn)行過(guò)濾，以及PTFE(聚四氟乙烯)膜過(guò)濾器(Whatman, UK)過(guò)濾液體，孔徑分別為10、2.5 和0.2 μm。該過(guò)濾器可連續(xù)進(jìn)行3 種粒徑級(jí)別的顆粒分離：PM2.5(0.2 ～ 2.5 μm)，PM10(2.5 ～ 10 μm)和PM100(10 ～ 100 μm)。

表1 基于樹(shù)種和葉片的葉面滯塵的簇狀分析特征Table 1 Plant species, leaf characteristics and results of species clustering analysis related to leaf surface PM (PM100, PM10 and PM2.5) as variable

采用掃描儀(HP Scanjet 4850, China Hewlett-Packard Co., Ltd., Beijing, China)對(duì)每個(gè)洗過(guò)的葉子樣本進(jìn)行掃描，然后用Photoshop CS6 軟件計(jì)算葉面積。獲得的PM 質(zhì)量用葉片的單位面積表示，并計(jì)算單位葉面積不同粒徑組分的PM 積累量。利用游標(biāo)卡尺測(cè)量掃描后的葉片樣本，得到葉片長(zhǎng)度、葉寬、葉柄長(zhǎng)度和比葉重等參數(shù)。在放大10 倍的顯微鏡下，以主觀尺度(“+”和“-”分別表示葉片上有無(wú)絨毛)評(píng)估葉表絨毛。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)不同樹(shù)種PM 積累能力進(jìn)行K-means 聚類分析。根據(jù)它們對(duì)PM 的積累能力，采用3 個(gè)PM 組分(PM2.5，PM10和PM100)的標(biāo)準(zhǔn)化平均積累量對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行聚類，確定了3 種等級(jí)：弱、中和強(qiáng)。種間多重比較采用最小顯著差異多重進(jìn)行比較(顯著性水平設(shè)定為α= 0.05)。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算了葉片PM2.5，PM10和PM100滯留量與比葉重、葉長(zhǎng)寬比、葉表絨毛和葉柄長(zhǎng)度之間的相關(guān)關(guān)系。文中所有數(shù)據(jù)均運(yùn)用 Microsoft Excel 2010 和SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，圖表采用Microsoft Excel 2010 和Sigmaplot 12.5 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位葉面積滯塵量分析

不同粒徑的PM在24種城市植物葉片表面的沉積量差異顯著(圖1)。聚類分析表明，與其他植物相比，花葉青木、石榴、欏木石楠和無(wú)患子表現(xiàn)出明顯較高的葉片PM 滯留能力(表1)。灌木樹(shù)種的滯塵能力顯著高于喬木樹(shù)種(P＜ 0.05)(圖2)。

PM100占葉片上總顆粒物的58.45%(按質(zhì)量計(jì)算)。欏木石楠和無(wú)患子的單位葉面積PM100積累量大約是黃山欒樹(shù)和鵝掌楸的7 倍(P＜ 0.05)(圖1)。PM10占葉片上總顆粒物的25.56%(按質(zhì)量計(jì)算)。最高的單位葉面積PM10積累量在紅葉石楠中發(fā)現(xiàn)(49.14 μg·cm-2)，且顯著高于其他樹(shù)種(P＜ 0.05)(圖1)；樟和鵝掌楸的單位葉面積PM10積累量最低，分別為13.47 和12.92 μg·cm-2(P＜ 0.05)(圖1)。PM2.5占葉片上總顆粒物的15.99%(按質(zhì)量計(jì)算)。黃山欒樹(shù)是單位葉面積PM2.5積累量最高的樹(shù)種，但卻是單位葉面積PM100積累量最低。單位葉面積PM2.5積累量較高的樹(shù)種有紅檵木、石楠、石榴以及黃山欒樹(shù)，分別為33.56、33.73、34.43 和36.19 μg·cm-2，顯著高于其他樹(shù)種(P＜ 0.05)(圖1)；鵝掌楸是單位葉面積PM2.5積累量最低的樹(shù)種(低于6 μg·cm-2)，顯著低于其他樹(shù)種(P＜ 0.05)(圖1)。

圖1 不同園林植物葉片3 個(gè)粒徑顆粒物積累量Figure 1 PM accumulation of three size fractions on leaf surfaces in different garden plants

圖2 喬木和灌木的葉片不同粒徑顆粒物積累量Figure 2 The average PM (large, coarse and fine) accumulation on shrub and tree leaf surfaces

圖3 葉片不同粒徑顆粒物積累量間的相關(guān)關(guān)系Figure 3 Relationships between leaf surface PM (PM100, PM10 and PM2.5) accumulation

圖4 葉片不同粒徑顆粒物積累量與葉片長(zhǎng)寬比間的相關(guān)關(guān)系Figure 4 Relationship between leaf surface PM (large, coarse and fine) accumulation and length-width(L/W) ratio

2.2 不同葉片結(jié)構(gòu)對(duì)滯塵的影響

葉表PM100積累量與PM2.5和PM10呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)，葉表PM100積累量與葉長(zhǎng)寬比呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)，葉表PM2.5積累量與比葉重、葉長(zhǎng)寬比顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)(表2)。葉片PM2.5、PM10和PM100積累量在不同物種間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，葉片性狀與PM 積累量密切相關(guān)(表3、圖3、圖4 和圖5)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)SLW、L/W 與葉片表面PM2.5和PM100積累量顯著正相關(guān)(圖4 和圖5)。葉表絨毛、葉柄長(zhǎng)度與葉表絨毛滯留量之間無(wú)顯著關(guān)系(P＞0.05)。葉片表面PM2.5積累量與SLW 呈顯著正相關(guān)(R2= 0.166,P＜ 0.05)。葉片表面PM100和PM2.5積累量與葉片長(zhǎng)/寬呈極顯著正相關(guān)(分別為：R2= 0.237,P＜ 0.05;R2= 0.214,P＜ 0.05)。

圖5 葉片不同粒徑顆粒物積累量與葉片比葉重間的相關(guān)關(guān)系Figure 5 Relationship between leaf surface PM (large, coarse and fine) accumulation and specific leaf weight (SLW)

表2 葉片滯塵與葉片特征關(guān)系Table 2 Correlations of leaf surface PM (PM100, PM10 and PM2.5) and leaf traits

表3 園林植物葉片不同粒徑顆粒物積累量Table 3 The average PM accumulation (PM100, PM10 and PM2.5) on the leaf surfaces of garden plant types

3 討論與結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，同一屬的植物具有相似的PM 滯留能力，如金邊黃楊和大葉黃楊，這可能是由于這2 種灌木具有相似的遺傳和形態(tài)特征。由于不同粒徑組分顆粒物對(duì)人體健康的影響不同，有必要對(duì)葉片表面滯留的不同粒徑組分進(jìn)行區(qū)分。在本研究中，我們觀察到不同粒徑組分間葉片PM 累積的顯著差異，PM100占PM 總量的絕大多數(shù)(按質(zhì)量計(jì)算)，其次是PM10和PM2.5，Dzierzanowski 等[17]和Song 等[3]也得出了類似結(jié)論，且Popek 等[30]的研究中也發(fā)現(xiàn)葉表PM 積累量的不同粒徑組分PM2.5、PM10和PM100分別為14%、21%和65%。雖然3 個(gè)粒徑組分積累量之間存在差異，但我們發(fā)現(xiàn)3 個(gè)粒徑組分積累量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，說(shuō)明葉片上PM 累積量的每個(gè)粒徑都可以用來(lái)反映葉片上沉積PM 的總質(zhì)量。

一些研究表明，植物滯留PM 的能力主要取決于葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)(如：葉表溝壑的深度、粗糙度、氣孔密度、表皮絨毛的形態(tài)和數(shù)量等)、葉面積以及當(dāng)時(shí)的氣象條件[31-33]。研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)種、喬灌木分類、SLW 和L/W 是影響葉片PM 滯留量的重要因素，這與以往的研究結(jié)果一致[22-23]。然而，我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)葉表絨毛與葉片不同粒徑的顆粒物積累之間無(wú)顯著相關(guān)性。Leonard 等[11]預(yù)測(cè)葉柄越長(zhǎng)，葉片飄動(dòng)越不規(guī)律，從而帶來(lái)更多去除PM 的機(jī)會(huì)。因此，多個(gè)性狀組合而不是單個(gè)性狀可能才是影響PM 沉積的關(guān)鍵因素[21]。未來(lái)的研究需要集中在葉片性狀的組合上。此外，Song 等[3]和S?b? 等[34]發(fā)現(xiàn)葉片上不同PM 粒徑組分積累量之間只有弱到中度的正相關(guān)，這與本研究一致。

一般來(lái)說(shuō)，高大的樹(shù)種(如喬木)、葉面積大的樹(shù)種比葉面積小的樹(shù)種有更高的捕獲PM 的潛力[21,35-36]。Xia 等[5]發(fā)現(xiàn)喬木對(duì)顆粒物污染的捕捉效率較高，灌木對(duì)顆粒物的積累能力中等。然而，我們的結(jié)果表明，灌木在單位葉面積上對(duì)所有顆粒大小的吸附能力強(qiáng)于喬木，灌木樹(shù)種如欏木石楠、石榴和花葉青木在24種園林植物中葉片PM 累積量最高。Mo 等[4]發(fā)現(xiàn)灌木樹(shù)種在葉表吸附PM100的能力比喬木樹(shù)種強(qiáng)，相反，較小的顆粒物(PM10和PM2.5)更容易被喬木葉片吸附。這可能與灌木較喬木較低，距離地面較近，容易吸附土壤顆粒和地面粉塵有關(guān)[13]，因此園林灌木植物可能是城市低層綠化的重要選擇[34]。然而，目前，灌木對(duì)PM 捕獲的貢獻(xiàn)常常被忽視。由于主要滯留PM 的高度不同，這種植物高度的變化允許樹(shù)木和灌木在不同的空間尺度上滯留PM，喬灌木的合理搭配才能更好地達(dá)到滯留PM 的效果。此外，由于喬木樹(shù)種對(duì)PM2.5和PM10的滯留量較大，而灌木樹(shù)種對(duì)PM100的滯留量較大，而喬木體型龐大，對(duì)滯留PM 總量的貢獻(xiàn)較大。因此，在城市綠化設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧灌木和樹(shù)種，合理搭配利用空間尺度以緩解城市大氣污染。

葉片對(duì)顆粒物捕獲能力的不同不僅與樹(shù)種差異有關(guān)，也與原位環(huán)境因素有關(guān)[33]，某些植物的PM 積累能力與沉積速率和污染程度密切相關(guān)，而沉積速率和污染程度與特定的立地環(huán)境有關(guān)[37-38]。PM2.5是目前亟需治理的主要污染物，集中治理工業(yè)生產(chǎn)和燃料燃燒的排放將是合肥市治理環(huán)境問(wèn)題的重點(diǎn)[28]?；ㄈ~青木、石榴、欏木石楠和欏木石楠作為合肥市常見(jiàn)園林植物，葉片表面PM2.5積累量富集，說(shuō)明這些園林植物對(duì)PM2.5的吸附能力較強(qiáng)，建議在人口密集地區(qū)需要凈化空氣PM2.5污染，或在大氣污染嚴(yán)重的地區(qū)增加種植。