李少寧，魯紹偉 ，劉 斌 ，魯笑穎 ，陳軍麗 ，李 輝

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所 北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站 林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100093；2. 河北省水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊 050016；3.北京市大興區(qū)南海子郊野公園管理處，北京 102600）

北京主要綠化樹種葉表面微形態(tài)與PM2.5吸滯能力

李少寧1，魯紹偉1，劉 斌2，魯笑穎3，陳軍麗3，李 輝3

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所 北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站 林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100093；2. 河北省水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊 050016；3.北京市大興區(qū)南海子郊野公園管理處，北京 102600）

以北京大興21個綠化樹種為研究對象，應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器對植物葉片在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下PM2.5吸滯量進(jìn)行定量分析，并應(yīng)用原子力顯微鏡（AFM）對其中8個最常見的樹種葉表面微形態(tài)特征進(jìn)行觀察，測定葉表面粗糙度等參數(shù)，闡釋植物葉片吸附PM2.5機制。結(jié)果表明：21個樹種自然狀態(tài)下單位面積PM2.5吸滯量不盡相同，整體表現(xiàn)為針葉樹種顯著高于闊葉喬木和灌木樹種，其中檜柏、白皮松較大，黃櫨、紫薇吸滯量較??；飽和狀態(tài)下，PM2.5吸滯量顯著增加，但其吸滯能力排序與自然狀態(tài)下基本保持一致。植物葉表面存在褶皺、溝槽，粗糙度相對較高的樹種，PM2.5吸滯能力強；葉表面相對光滑，突起部位輪廓較平緩，粗糙度小的樹種，其吸滯PM2.5能力相對較弱；不同樹種粗糙度大小與其吸滯PM2.5能力排序基本一致，呈顯著指數(shù)正相關(guān)（R2=0.707）。本研究為合理選擇滯塵能力強的綠化樹種提供理論依據(jù)，從而提高城市植被凈化空氣環(huán)境的效率。

綠化樹種；PM2.5；葉表面微形態(tài)；原子力顯微鏡（AFM）；顆粒物

隨著工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，工業(yè)廢棄物、建筑揚塵及汽車尾氣排放量急劇上升[1]，致使空氣顆粒物污染已逐漸成為人類生存與健康的重大隱患[2]。空氣顆粒物（Particulate Matter，PM）是指懸浮在空氣中的微小固體和液滴混合物，其中包含降塵和空氣動力學(xué)當(dāng)量小于100 μm的總懸浮顆粒物（Total suspended particle，TSP），PM10、PM2.5即是TSP中空氣動力學(xué)等效直徑小于10 μm和2.5 μm的可吸入顆粒物[3]。城市空氣中大量的懸浮顆粒物嚴(yán)重影響大氣能見度，且其中細(xì)顆粒物與灰霾天氣及光化學(xué)煙霧現(xiàn)象有密切聯(lián)系[4]，并對人類生活和身體健康產(chǎn)生危害。尤其是可吸入顆粒物PM2.5對人體危害更為突出[5-6]，其組分包含Cd、Pb、Cu等有毒重金屬元素以及多環(huán)芳烴和致病菌，可通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入血液循環(huán)，對心血管系統(tǒng)具有嚴(yán)重危害，會引發(fā)一系列疾病，甚至致癌[7-8]。北京作為首都，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，能源消耗量與交通規(guī)模逐漸擴大，城市人口迅速膨脹，其PM2.5濃度遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家的大城市，已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)嚴(yán)重的污染程度[9]。2013年北京市PM2.5全年平均濃度為89.8 μg·m-3，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（35 μg·m-3）的 2.57 倍，全年空氣環(huán)境質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)僅為176 d，占全年總天數(shù)的48.2%；PM2.5污染問題已經(jīng)嚴(yán)重危害到人類正常生活，采取有效措施防治空氣顆粒物污染已成為亟待解決的問題。

防治空氣顆粒物污染可以通過控制污染源、減少污染物排放量來實現(xiàn)，除此之外森林植被的吸滯作用是一項非常有效的凈化空氣環(huán)境措施。森林植被通過降低風(fēng)速、阻擋和吸滯顆粒物等方式將空氣顆粒物有效的滯留在植被枝干或葉片表面[10]，從而降低空氣顆粒物的濃度、凈化空氣。目前，世界上許多國家都采用增加綠化的方式降低空氣污染程度，其作用是非常明顯的[11]。國內(nèi)外均存在一系列關(guān)于植被滯塵、吸附空氣顆粒物的研究。柴一新等[12]研究發(fā)現(xiàn)，城市綠化樹種有很強的滯塵能力，一株胸徑20 cm的紅皮云杉年滯塵量可達(dá)8.41 kg；張志丹等[13]對毛白楊葉片吸滯PM2.5進(jìn)行定量研究和探討，結(jié)果表明葉片的PM2.5、PM10 吸滯量分別為 8.9×10-6、30.6×10-6g·cm-2；程玉良等[14]則對12種道路綠化樹種葉面塵的重金屬含量進(jìn)行了研究，表明葉片滯塵成分中存在大量重金屬污染物；Nowak等[15]對美國不同城市森林植被吸附空氣顆粒物研究表明，喬灌木樹種對空氣污染物的年移除量約為71.1×104t，價值約380億美元，這些均表明植被對于空氣污染物有顯著的消減作用。

不同植被葉片滯塵能力和作用機理有所不同，Virginia等[16]研究發(fā)現(xiàn)，粗糙的植物葉表面在滯留懸浮顆粒物時要比光滑的葉表面更有效率；葉表面微形態(tài)及各種環(huán)境因素對葉片滯塵能力有顯著影響[17-18]。因此，研究不同綠化植物葉面微形態(tài)與滯塵的關(guān)系具有重要的意義。國內(nèi)外關(guān)于植被滯留空氣顆粒物的研究已較為成熟[12,15,19-20]，但是關(guān)于葉面微形態(tài)對滯塵過程的影響相對較少。運用電子顯微鏡觀測植物形態(tài)特征已有先例[21-22]，而原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，縮寫為AFM）能夠在接近生理狀態(tài)的條件下觀察樣品，為植物樣品接近活體狀態(tài)形貌的觀察研究提供了強大的技術(shù)支持，可準(zhǔn)確定量植物葉片粗糙度和定性葉表面結(jié)構(gòu)特征。本研究通過AFM掃描不同樹種葉表面圖像，分析不同樹種葉表面形態(tài)特征，并應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器測定單位葉面積PM2.5吸附量，探討葉表面微形態(tài)對植物滯塵能力的影響，為合理選擇滯塵能力強的綠化樹種提供理論基礎(chǔ)，從而提高城市植被吸附污染物、凈化空氣環(huán)境的能力。

1 研究方法

1.1 研究地概況

北京大興南海子公園是北京四大郊野公園之一，也是北京市最大的濕地公園，全部建成后總面積將超過11 km2。南海子公園地處北京城南，位于大興區(qū)東北部南五環(huán)南側(cè)、大興新城與亦莊新城之間、南苑機場東南，為城鄉(xiāng)結(jié)合部的，工業(yè)區(qū)人流、物流、車流交匯，歷來是霧霾重污染區(qū)。其周圍環(huán)境（樹種繁多、水量充沛、交通便利、游客稀少）有利于開展森林環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測，園內(nèi)主要的喬木樹種有柳樹Salix babylonica、油松Pinus tabuliformis、側(cè)柏Platycladusorientalis、雪 松Cedrus、 銀杏Ginkgo bilobaLinn.、 國 槐SophorajaponicaLinn.、欒樹Koelreuteriapaniculata和白皮松Pinus bungeana等，主要灌木有大葉黃楊Buxus megistophylla、海棠Malus spectabilis，主要草本有景天Sedum spectabilis、鳶尾Iris tectorum等。

1.2 數(shù)據(jù)采集

PM2.5實時濃度值由北京市農(nóng)林科學(xué)院在南海子國槐林內(nèi)建立的森林大氣監(jiān)測站獲得，在監(jiān)測站內(nèi)設(shè)有米特（Meter）全自動氣象站，可以實時觀測氣溫（Ta/℃）、相對濕度（RH/%）、風(fēng)速（W/m·s-1）、降水（P/mm）等氣象因子。

1.3 樹種選擇

選擇北京市大興區(qū)南海子公園常見且林齡相近、生境一致的喬灌木樹種，針闊葉樹種共計21種。針葉樹種有：檜柏Sabina chinensis、白皮松、雪松和油松，闊葉喬木樹種有：國槐、垂柳、銀杏、黃櫨Cotinus coggygria、白蠟Fraxinus chinensis、懸鈴木Platanus、日本晚櫻Cerasus serrulata、千頭椿Ailanthus altissima、楊樹Populus和五角楓Acer elegantulum，灌木或小喬木有：紫薇Lagerstroemia indica、大葉黃楊、金葉女貞Ligustrum vicaryi、猥實Kolkwitzia amabilisGeaebn、太平花Philadelphus pekinensis、紫葉碧桃Amygdalus persica和珍珠梅Sorbaria sorbifolia。

1.4 葉片采集

實驗時間為2014年1月―2014年12月，其中3―5月為春季，6―8月為夏季，9―11月為秋季，12―2月為冬季；在采集樹葉之前先清洗葉片，并對清洗過的葉片進(jìn)行標(biāo)記，以月為單位，在清洗完1月之后（期間如遇降水，則在降水7 d后進(jìn)行采集）每個樹種分別選擇3棵樣樹（林齡相近），在樹冠的上、中、下部位及東、南、西、北4個方向?qū)?biāo)記過的功能葉片分別進(jìn)行采集，將采集的葉片封存于紙質(zhì)采集袋（無靜電）中帶回實驗室處理。

1.5 單位葉面積PM2.5吸滯量測定

葉片的PM2.5吸滯量應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器（QRJZFSQ—I）[23]獲得，氣溶膠再發(fā)生器是本團隊研究人員研發(fā)用來測定植物葉片PM2.5含量的儀器，通過風(fēng)蝕原理，將待測樹種葉片放入氣溶膠再發(fā)生器的料盒，通過攪動、吹風(fēng)、去靜電等處理，氣溶膠再發(fā)生器將葉片上的顆粒物吹起，制成氣溶膠，再結(jié)合Dustmate 手持PM2.5監(jiān)測儀獲取制成氣溶膠中PM2.5的質(zhì)量濃度，進(jìn)而推算出葉片上PM2.5的吸附量（m1/mg），每個樹種進(jìn)行3次重復(fù)；再利用葉面積掃描儀和葉面積軟件計算放入料盒中所有葉片的葉面積（S/m2），由公式（1）計算單位葉面積PM2.5吸附量（m/mg·m-2）。公式：

式（1）中：m為單位葉面積PM2.5吸附量（mg·m-2），m1為放入氣溶膠再發(fā)生器葉片的PM2.5吸附量（mg），S為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積（m2）。

1.6 單位葉面積PM2.5飽和吸滯量測定

利用吸塵器收集距離地面高度約為1.3 m處的大氣顆粒物，顆粒物收集于廢料盒中，廢料盒四周由塑封袋包裹，收集完成后帶回實驗室進(jìn)行處理。在8月份采集新鮮的枝葉，制備成達(dá)到飽和吸滯量的葉片，制備過程如圖1所示。然后利用單位葉面積PM2.5吸滯量測定方法進(jìn)行測定，直至兩組葉片單位面積PM2.5吸滯量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（兩組之間的差值為0.01 mg·m-2以內(nèi)）。

圖1 飽和吸滯量葉片制備示意Fig.1 Preparation of leaves that reached saturated capacity of PM2.5 adsorption

1.7 葉表面微形態(tài)觀測

將葉片帶回實驗室后，用蒸餾水沖洗葉片，用吸水紙小心除去葉表面水分，選取葉片較平坦的表面并盡量避開葉脈。因針葉樹種多為圓柱形或近似圓柱形，故不區(qū)分正反面，而闊葉樹種需區(qū)分正反面進(jìn)行測定。將闊葉樹種葉片制成約1 cm ×1 cm的樣本，針葉樹種制成長度約1 cm的樣本。在室溫條件下，用掃描探針顯微鏡（SPI3800-SPA-400，Seiko Instruments Inc.） 在原子力顯微分析模式下以非接觸模式，用金涂層 Si3N4探針對樣品進(jìn)行掃描和拍攝，掃描速率 0.5 Hz，橫向分辨率為0.2 nm，垂直分辨率為0.01 nm，最大掃描范圍為5 μm ×5 μm。所有的 AFM 圖像均是高度模式，未對圖像做任何處理。

2 結(jié)果分析

2.1 自然狀態(tài)下不同樹種葉片吸滯PM2.5能力

圖2為自然狀態(tài)不同季節(jié)葉片對PM2.5的吸滯量，由于闊葉喬木和灌木樹種屬于落葉樹種，故冬季沒有數(shù)據(jù)。從整體上看，針葉樹種PM2.5吸附量明顯高于其他闊葉樹種和灌木樹種，而針葉樹種之間PM2.5吸滯量也存在較大差異，總體大小表現(xiàn)為：檜柏（1.39 mg·m-2）＞雪松（0.98 mg·m-2）＞油松（0.74 mg·m-2）＞白皮松（0.53 mg·m-2）；不同季節(jié)中表現(xiàn)為秋季略高于其余季節(jié)，其余季節(jié)變化規(guī)律不明顯。闊葉喬木與灌木樹種二者不同季節(jié)PM2.5吸滯量差距不明顯，其中闊葉喬木樹種表現(xiàn)為秋季PM2.5吸滯量明顯高于春、夏兩個季節(jié)，而灌木樹種則不同，其表現(xiàn)為春、秋兩季PM2.5吸滯量明顯高于夏季。

闊葉喬木PM2.5吸滯量大小順序為：千頭 椿 (0.38 mg·m-2) ＞垂柳 (0.34 mg·m-2)＞ 楊樹 (0.31 mg·m-2)＞日本晚櫻 (0.26 mg·m-2)＞國槐 (0.26 mg·m-2)＞白蠟 (0.24 mg·m-2)＞懸鈴木 (0.23 mg·m-2)＞五角楓 (0.19 mg·m-2)＞銀杏(0.15 mg·m-2)＞黃櫨（0.11 mg·m-2）；

而灌木樹種PM2.5吸滯量排序為：珍珠梅（0.52 mg·m-2）＞紫葉碧桃（0.46 mg·m-2）＞太平花（0.32 mg·m-2）＞金葉女貞（0.31 mg·m-2）＞猥實（0.29 mg·m-2）＞大葉黃楊（0.24 mg·m-2）＞紫薇（0.16 mg·m-2）。

圖2 自然狀態(tài)不同樹種葉片PM2.5吸滯量Fig.2 PM2.5 adsorption by leaves of different tree species under natural condition

21個不同樹種中，PM2.5吸滯量最大的為檜柏，是吸滯量最小的黃櫨的12.63倍；針葉樹種當(dāng)中吸滯量最小的為白皮松，而其吸滯量明顯高于闊葉樹種當(dāng)中吸滯量最大的千頭椿，可見，針葉樹種PM2.5的吸滯能力顯著高于闊葉喬木樹種。

2.2 飽和狀態(tài)下不同樹種葉片吸滯PM2.5能力

圖3 飽和狀態(tài)不同樹種葉片PM2.5吸滯量Fig.3 PM2.5 adsorption by leaves of different tree species in saturation state

圖3為不同樹種葉片飽和滯塵量，PM2.5吸滯量大小與葉片在自然狀態(tài)下吸滯量總體順序變化不大，其中針葉樹種之間吸滯量差距不大，但均明顯高于闊葉喬木和灌木樹種PM2.5吸滯量。其中PM2.5滯納量較高的為白皮松（5.88 mg·m-2）、檜柏（4.63 mg·m-2）、 雪 松（3.65 mg·m-2），PM2.5滯納量較低的為大葉黃楊（0.51 mg·m-2）、紫薇（0.45 mg·m-2）、黃櫨（0.43 mg·m-2）；闊葉喬木樹種當(dāng)中柳樹和千頭椿PM2.5吸滯能力較強，而灌木樹種當(dāng)中吸滯能力相對較強的為珍珠梅；其中PM2.5吸滯量最大的白皮松與吸滯量最小的黃櫨之間的差值為5.45 mg·m-2，二者相差13.69倍。

盡管葉片在不同狀態(tài)下PM2.5吸滯量大小順序差距不大，但其吸滯量大小變化十分顯著，均呈現(xiàn)倍數(shù)增長。其中白皮松變化最為顯著，其吸滯量增加5.35 mg·m-2，為自然狀態(tài)吸滯量的11.09倍；五角楓、柳樹、懸鈴木、白蠟、油松、雪松和黃櫨PM2.5吸滯量變化也十分明顯，均增加為自然吸滯量的4倍左右；PM2.5吸滯量變化最小的為楊樹，增加量為0.26 mg·m-2，僅為自然吸滯量的1.84倍。由此可見，在自然狀態(tài)下，不同樹種葉片PM2.5吸滯量均很難達(dá)到飽和狀態(tài)，這可能是由于自然狀態(tài)下氣象因素（風(fēng)、降雨等）、人為因素以及大氣中PM2.5濃度等的影響，致使樹種在自然狀態(tài)下與飽和狀態(tài)下對PM2.5滯納能力不一致。

2.3 不同樹種葉表面特征分析

選取幾種園林綠化中常見的造林樹種，對其進(jìn)行AFM原子力顯微觀測。通過 AFM對葉片表面進(jìn)行觀察，較好地保持了葉片表面的原始形態(tài)，而且可以在接近生理狀態(tài)的條件下觀測樣品，并獲取葉面的二維和三維微觀結(jié)構(gòu)圖像，為認(rèn)識葉面的結(jié)構(gòu)和功能提供了有力的技術(shù)支持。用 AFM 對樣品進(jìn)行掃描，得到圖 4所示掃描范圍為 5 μm ×5 μm 的二維和三維形態(tài)圖。

2.3.1 葉表面AFM掃描特征

圖4 不同樹種葉表面AFM掃描圖像Fig.4 AFM images of different tree species’ leaf surface

二維圖以色度值的高低表示物體高度的變化，色度值越高表示高度越高，色度值越低表示高度越低；三維圖可以從各個角度觀察物體，可以得到更直觀形象的結(jié)果。各樹種葉表面詳細(xì)特征如表1所示?？梢钥闯?，吸附PM2.5能力強的油松和白皮松表面均存在凹槽或溝狀突起，粗糙度較大；吸附能力相對較弱的柳樹和五角楓也存在突起和凹陷，但輪廓相對平緩；而吸附能力最弱的楊樹和銀杏，表面整體平滑，無明顯突起或凹陷，粗糙度較小。

2.3.2 不同樹種葉表面AFM掃描參數(shù)

常用的表征葉面粗糙度的參數(shù)有輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）、微觀不平度十點高度（Rz）、峰谷值（P—V）和微粗糙度（RMS），其中Ra是最常用的粗糙度表征參數(shù)。表2顯示了8個不同樹種葉表面粗糙度狀況，其葉表面粗糙度大小排序為：油松（81.75±3.06 nm）＞白皮松（75.01±4.48 nm）＞白蠟（76.15nm±6.13 nm）＞柳樹（70.18±2.85 nm）＞國槐（69.07 nm）＞五角楓（68.16±7.28 nm）＞楊樹（58.20±3.94 nm）＞銀杏（47.46±14.52 nm），這與對應(yīng)樹種單位葉面積PM2.5吸附量大小排序完全一致。其中，闊葉樹種區(qū)分正反面測定，其葉表面粗糙度正面排序為：白蠟（78.59±7.51 nm）＞柳樹（69.91± 3.13 nm）＞五角楓（66.69±9.00 nm）＞國槐（63.60±5.23 nm）＞楊樹（57.84± 5.19 nm）＞銀杏（35.14±4.33 nm），背面粗糙度排序與正面基本一致：白蠟（73.70±9.33 nm）＞國槐（70.54±3.55nm）＞柳樹（70.45±3.21 nm）＞五角楓（69.64±6.72 nm）＞楊樹（58.56±3.39 nm）＞銀杏（59.79±7.23 nm）?？梢钥闯觯?個不同樹種均表現(xiàn)為葉片背面粗糙度高于正面；其中銀杏背面葉片粗糙度明顯高于正面，其背面粗糙度分別為正面粗糙度的1.71倍，而其余5個樹種正、背面葉片粗糙度無明顯差別。此外，峰谷值（P-V）、微粗糙度（RMS）和微觀不平度十點高度（Rz）均表現(xiàn)出與葉片粗糙度（Ra）相同的變化趨勢。

表1 不同樹種葉表面AFM掃描特征Table 1 AFM scanning features of different tree species’ leaf surface

8個不同樹種葉表面PM2.5飽和吸滯量大小與其表面粗糙度排序基本一致，二者之間呈顯著相關(guān)關(guān)系（圖5）。由圖可得，葉表面粗糙度最小值為47.46 nm，其對應(yīng)樹種的單位葉面積PM2.5飽和吸滯量同樣表現(xiàn)為較低的0.62 mg·m-2；而后，隨著葉表面粗糙度的逐漸增大，對應(yīng)樹種PM2.5吸附量也逐漸增大，當(dāng)葉表面粗糙度達(dá)到最大的81.75 nm時，對應(yīng)樹種PM2.5吸滯達(dá)到最大，其值為5.88 mg·m-2。當(dāng)葉表面粗糙度在較低范圍內(nèi)變化時，對應(yīng)樹種單位葉面積PM2.5吸附量變化趨勢較為平緩，當(dāng)葉表面粗糙度較大時，隨著粗糙度的增加，其單位葉面積PM2.5吸附量急劇變化，呈明顯上升趨勢?？梢?，植物葉片吸附PM2.5的能力隨著葉表面粗糙度的增大逐漸增強。

圖5 PM2.5飽和吸滯量與葉表面粗糙度的關(guān)系Fig.5 Relationship between PM2.5 saturated adsorption amount and leaf roughness

3 討 論

3.1 不同樹種吸滯PM2.5特征

樹木因在吸附和減少空氣顆粒物方面發(fā)揮著無法替代的作用，被稱為城市粉塵過濾器[24]，研究植被吸附PM2.5等顆粒物的特征意義重大。樹木對污染物移除作用分為直接和間接兩種方式[1]：直接方式主要指植物葉片、枝干等器官或某些特殊結(jié)構(gòu)對PM2.5的吸滯作用；間接方式指樹木通過蔭蔽和蒸發(fā)散降低大氣溫度，從而通過節(jié)省降溫能源的方式減少相關(guān)污染物的排放。本研究主要針對植物吸附顆粒物的直接方式進(jìn)行探討。

許多研究均表明，針葉樹種吸附PM2.5等顆粒物的能力強于闊葉樹種[25]，小葉或葉面粗糙的植物較之大葉或葉面光滑的植物具有更大的截留效益[26]；張新獻(xiàn)[27]等對園林綠化樹種滯塵作用研究表明，短小密集的針葉樹更加有利于粉塵的滯留。本研究中，不同樹種葉片在自然狀態(tài)和飽和吸滯狀態(tài)下，針葉樹種的PM2.5吸滯量均明顯高于闊葉樹種，與既得研究結(jié)果完全一致，原因是針葉樹種絨毛較多、葉表面多油脂、黏性較強，造成其PM2.5吸滯能力明顯高于闊葉樹種和灌木樹種。此外，針葉樹種、闊葉喬木樹種和灌木樹種在不同季節(jié)當(dāng)中變化趨勢不盡相同。3者均在秋季呈現(xiàn)較高的PM2.5吸附值，這是由于北京地區(qū)秋季多風(fēng)，大風(fēng)天氣和揚塵致使空氣中PM2.5等細(xì)顆粒物顯著增加，從而導(dǎo)致葉片PM2.5吸附量顯著提高。闊葉喬木樹種和灌木樹種表現(xiàn)為春、秋兩季PM2.5吸滯量明顯高于夏季，因為研究區(qū)域為大陸性季風(fēng)氣候，夏季多雨，降水明顯增加，雨水的沖刷作用導(dǎo)致葉片滯留的一部分顆粒物被帶走，從而導(dǎo)致夏季PM2.5吸附量偏低，而這種變化在針葉樹種當(dāng)中表現(xiàn)并不顯著，可能是因為針葉樹種葉表面存在油脂，致使其滯留的顆粒物不易被沖刷，從而受降水影響較小。因此，在降水多的地區(qū)適合種植葉表面吸附力強、粘性大的針葉樹種，揚塵、風(fēng)蝕嚴(yán)重的地區(qū)適合種植低矮灌木等，從而防止地面細(xì)顆粒物散落在空氣中。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下葉片PM2.5吸滯量明顯低于其飽和吸滯量，說明在自然狀態(tài)下葉片對于PM2.5等空氣顆粒物的吸滯作用受環(huán)境因素（降水、風(fēng)等）和人為因素影響較為顯著，張家洋等[28]通過研究發(fā)現(xiàn)廣玉蘭葉片平展硬挺受風(fēng)吹不易抖動，而這些特征有利于空氣中顆粒物在葉表面附著。因此，在多風(fēng)地區(qū)適合種植葉表面存在油脂、粘性大或葉片硬挺不易受風(fēng)動的樹種。

3.2 葉表面微形態(tài)與PM2.5吸滯能力的關(guān)系

通過AFM 對葉片表面直接進(jìn)行觀察，較好地保持了葉表面原有的形態(tài)，而且可以在接近生理狀態(tài)的條件下觀察樣品，為認(rèn)識葉片結(jié)構(gòu)和功能提供了有力的技術(shù)支持。葉表面特性的差異是植物吸滯空氣顆粒物能力不同的重要影響因素，葉表面絨毛有無、分布密度、形態(tài)特征、粗糙程度等都直接影響葉片吸滯PM2.5等顆粒物的能力[29]。從不同樹種滯塵能力和葉表微結(jié)構(gòu)特征的對照可以看出，葉片是通過其細(xì)微結(jié)構(gòu)來阻滯降塵。葉表面具有溝狀組織或密集纖毛的樹種滯塵能力較強，其微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集、深淺差別越大，越有利于滯留空氣顆粒物，葉表面平滑的樹種滯塵能力較弱[30]。

齊飛艷等[31]研究鄭州園林植物滯塵能力表明，具有溝槽和小室微形態(tài)結(jié)構(gòu)的葉片對有利于顆粒物的附著，而具條狀突起和表面平整微形態(tài)結(jié)構(gòu)的葉片對顆粒物的滯留能力較差；Sabin等[32]認(rèn)為表面粗糙的葉片，且具有絨毛、溝狀凸起、粘液油脂或較短的葉柄，其吸附PM2.5等顆粒物的能力則較強。本研究中針葉樹種油松和白皮松葉表面存在油脂，且葉表面存在凹陷和凸起，粗糙度較大，從而造成其PM2.5吸滯能力顯著高于其余樹種；而闊葉樹種中的柳樹、白蠟、五角楓等葉表面AFM圖像呈現(xiàn)出較多褶皺，凹凸不平，粗糙度高于表面光滑，褶皺較少的楊樹和銀杏，而其對于PM2.5等空氣顆粒物的吸附作用也高于葉表面粗糙度較小的楊樹和銀杏，這與以往學(xué)者的研究結(jié)果完全一致。而賈彥等[33]認(rèn)為葉表面吸附空氣顆粒物的能力葉表面溝狀結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān)，溝壑寬度小于或等于粉塵顆粒粒徑時，將不會增強植物葉片的滯塵能力。本研究中PM2.5吸附能力相對較差的銀杏和楊樹，盡管葉表面也存在少量凸起和凹陷，但其PM2.5吸滯能力卻不及其余幾個樹種，正是由于其溝壑較寬，從而導(dǎo)致不適合滯留PM2.5等細(xì)小顆粒物。

盡管針葉樹種葉片大小較之闊葉樹種有明顯差距，但其單位面積PM2.5吸滯量確遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過闊葉樹種。本研究對于葉片PM2.5吸滯能力和葉表面粗糙度進(jìn)行定量分析研究，結(jié)果充分表明，葉片對于PM2.5等空氣細(xì)顆粒物的吸滯作用與葉表粗糙度顯著相關(guān)。葉表面存在大量凸起和溝壑組織的葉片，粗糙度大，從而其PM2.5吸滯能力亦強；反之，PM2.5吸滯能力則逐漸下降。因此，在采用植被治理空氣顆粒物污染的過程當(dāng)中，除考慮氣象因素和人為因素外，應(yīng)適當(dāng)考慮葉表面形態(tài)特征對植被吸滯空氣顆粒物的影響。此外，植物葉片對空氣顆粒物的吸是一個相對復(fù)雜的動態(tài)過程，受到許多因素的共同影響，且樹木滯塵后對其生長有一定影響，而降塵也會通過改變土壤組成影響植物生長，從而改變?nèi)~片微結(jié)構(gòu)，造成其滯塵能力相應(yīng)的改變[34]。所以，關(guān)于葉表面微形態(tài)特征與葉片吸滯空氣顆粒物關(guān)系的相關(guān)研究仍需進(jìn)一步加強。

4 結(jié) 論

21個不同樹種自然狀態(tài)下單位面積PM2.5吸滯量不盡相同，其中檜柏、雪松、白皮松較大，黃櫨、紫薇吸滯量較小，整體上表現(xiàn)為針葉樹種顯著闊葉喬木和灌木樹種；飽和狀態(tài)下，PM2.5吸滯量顯著增加，但其吸滯能力排序與自然狀態(tài)下基本保持一致。從不同季節(jié)看，針葉樹種秋季吸滯量相對較高，闊葉喬木和灌木樹種在春、秋兩季PM2.5吸滯量顯著高于夏季。葉表面微形態(tài)特征對葉片吸滯PM2.5能力有明顯影響，葉表凹凸不平、具有溝狀組織等粗糙度大的樹種滯塵能力較強，葉表面平滑的樹種滯塵能力較弱。葉表面粗糙度與葉片PM2.5吸滯量有較好的對應(yīng)關(guān)系，即隨著粗糙度的增大，葉片PM2.5吸滯量逐漸增加。所以，在城市園林綠化建設(shè)樹種選擇上，應(yīng)適當(dāng)考慮葉表面形態(tài)特征對于植被吸滯空氣顆粒物的影響，選擇滯塵能力相對較強的油松和白皮松等針葉樹種，可以更好的吸附PM2.5等空氣污染物，從而產(chǎn)生更大的生態(tài)環(huán)境效益。

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Study on leaf surface morphology and PM2.5 adsorption capacity of main greening tree species in Beijing

LI Shaoning1, LU Shaowei1, LIU Bin2, LU Xiaoying3, CHEN Junli3, LI Hui3
(1.Forestry and Pomology Institute, Yanshan Forest Ecosystem Research Observation Station of Beijing, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Horticulture ecological environment function promote collaborative innovation center, Beijing 100093, China;2.Water technology Promotion Center, Shijiazhuang 050016, Hebei, China; 3.Nanhaizi Campestrian Park Administrative Of fice of Daxing District, Beijing 102600, China)

21 kinds of greening tree species in Daxing District of Beijing were studied in this paper, applying aerosol generator to quantitatively study leaves PM2.5 adsorption in natural and saturation, selecting 8 most common tree species and applied atomic force microscopy (AFM) to observe leaf surface morphology, analyzing the leaf surface roughness parameters, interpreting the PM2.5 adsorbing mechanism of green plant. Results showed that: PM2.5 adsorption were various among 21 tree species, as a whole presenting PM2.5 adsorption of coniferous species was higher than that of broad-leaf species and shrub species; PM2.5 adsorption ofSabina chinensisandPinus bungeanawas bigger, and that ofCotinus coggygriaandLagerstroemia indicawas lower; saturated PM2.5 adsorption was obviously higher that of in the nature, but having same variation tendency with it in the nature. Fluted or grooved leaves had greater roughness than those with smooth leaf surface, and PM2.5 adsorption capacity enhanced with the roughness of leaf surface increasing. Tendency of PM2.5 adsorption capacity consistently changed with leaves roughness, and the leaves roughness was signi ficantly related to PM2.5 adsorption capacity (R2=0.707). In favor of choosing tree species with stronger detaining dust capacity,consequently enhancing the ef ficiency of urban forests purifying the air environment.

greening tree species; PM2.5; leaf surface morphology; atomic force microscopy (AFM); particulate matter

S731.2；X17

A

1673-923X(2017)08-0098-10

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.08.017

2016-01-05

北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)資助項目（KJCX20160301）；科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)-協(xié)同創(chuàng)新中心-林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心（2011協(xié)同創(chuàng)新中心）（市級）（PXM2017_014207_000043）；北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新團隊（JWKST201609）成果

李少寧，副研究員，博士

魯紹偉，研究員，博士； E-mail：hblsw8@163.com

李少寧，魯紹偉，劉 斌，等. 北京主要綠化樹種葉表面微形態(tài)與PM2.5吸滯能力[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017, 37(8):98-107.

[本文編校：文鳳鳴]