林星宇 李彥華 李海梅 李士美

摘?要：【目的】研究青島市城陽區(qū)道路綠地8種喬木對不同粒徑顆粒物的滯塵能力，為城市園林綠化提供科學(xué)依據(jù)。【方法】用洗脫法并通過微孔濾膜過濾測定8種喬木對不同粒徑顆粒物的滯塵能力。計算8種植株的單株葉面積和單株滯塵量，對比8種喬木單株滯塵量的大小，用JEOL7500F電子顯微鏡觀測葉表面，分析葉表面結(jié)構(gòu)與不同粒徑顆粒物滯塵量之間的關(guān)系?！窘Y(jié)果】不同樹種滯塵能力存在差異，國槐和紫葉李對PM10吸附能力較強，毛白楊和懸鈴木較弱，總體表現(xiàn)為：國槐>紫葉李>女貞>洋白蠟>欒樹>絳柳>毛白楊>懸鈴木;紫葉李對PM5滯塵能力最強，欒樹最弱，紫葉李對PM5單位葉面積滯塵量是欒樹的約2.4倍;對PM2.5吸附能力表現(xiàn)為國槐最強，欒樹次之，絳柳最弱。對單株滯塵量的研究表明，懸鈴木對不同粒徑顆粒物單株滯塵量最大，欒樹和紫葉李較低。進(jìn)一步研究表明，具有葉表面粗糙、絨毛密集，氣孔開口較大、溝壑明顯等特征的植物滯塵能力較強。【結(jié)論】國槐和紫葉李對PM10吸附能力較強，毛白楊和懸鈴木較弱;紫葉李對PM5滯塵能力最強，欒樹最弱;對PM2.5吸附能力表現(xiàn)為國槐最強，欒樹次之，絳柳最弱。懸鈴木對不同粒徑顆粒物單株滯塵量最大，欒樹和紫葉李較低;具有葉表面粗糙、絨毛密集，氣孔開口較大、溝壑明顯等特征的植物滯塵能力較強。

關(guān)鍵詞：喬木;滯塵效益;不同粒徑;單株滯塵量;葉表面結(jié)構(gòu)

中圖分類號：S 688文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0384（2019）08-912-08

Abstract：【Objective】 Effects of atmospheric dust particle size and landscape tree type on urban air quality improvement through dust retention of the plants were investigated. 【Methods】Dust retention of 8 varieties of landscape trees in Chengyang District of Qingdao City was studied according to the particle sizes determined by eluting the retained dust on leaves with water followed by microporous filtration membrane filtration. The leaf surface morphology was examined under a JEOL7500F electron microscope. The average total leaf area and dust retention rates on varied particle sizes per plant of each variety were obtained for analysis. 【Results】Among the tested species， Sophora japonica and Prunus cerasifera collected the highest， while Populus tomentosa and Platanus orientalis the lowest， amounts of PM10 particles. The overall dust retention rates of the 8 varieties ranked as： S. japonica>P. cerasifera>Ligustrum lucidum>Fraxinus pennsylvanica>Koelreuteria paniculata>Salix matsudana>P. tomentosa>P. orientalis. PM5 adhered more to the leaves of P. cerasifera but less to those of K. paniculata. The dust retention per unit leaf area of P. cerasifera was approximately 2.4 times higher than that of K. paniculata. The greatest retention on PM2.5 was found with S. japonica followed by K. paniculata， and lowest with S. matsudana. On dust retention of all particle sizes， P. orientalis was the highest， whereas， K. paniculata and P. cerasifera the lowest. It appeared that the rougher the surface， the denser the villi， the larger the stomatal openings， and the more apparent the gully of the leaves were， the greater ability of the plants to retain dust fallen from the atmosphere. 【Conclusion】 S. japonica and P. cerasifera demonstrated a superior capacity to adsorb PM10 on their leaves， but not P. tomentosa or P. orientalis; P. cerasifera to PM5， but not K. paniculata; and， S. japonica to PM2.5 followed by K. paniculata， but not S. matsudana. Including all varied particle sizes， the overall dust retention amount per plant of P. orientalis was the highest， while K. paniculata and P. cerasifera the lowest of the 8 tree varieties tested. And， trees of leaves with rough surface， dense villi， large stomatal openings， and obvious gully tended to collect more atmospheric dust that benefits air quality improvement for the vicinity. The information would aid the tree selection in urban landscape planning.

Key words：landscape trees; dust retention effect;?dust particle size;?dust retention per plant;?leaf surface structure

0?引言

【研究意義】大氣顆粒物主要是由汽車尾氣、化石燃料燃燒等人為因素造成。它不僅會降低能見度，還會加劇溫室效應(yīng)，削弱近地層紫外線，使得空氣中病菌的活性增強，從而引發(fā)呼吸道、支氣管等疾病。根據(jù)粒徑大小不同，空氣顆粒物（PM）分為總懸浮顆粒物（TSP）、可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM5、PM2.5）和超細(xì)顆粒物（PM1）。空氣中粒徑在10 μm以下的顆粒物，可以深入肺泡、滲入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，增加人類疾病死亡率[1]。青島市作為我國重要的沿海開放城市，近年來經(jīng)濟迅猛發(fā)展，隨著機動車輛的快速增長，大氣污染已經(jīng)成為城市污染的主要問題，可吸入顆粒物中細(xì)顆粒含量不斷增加，嚴(yán)重威脅著城市居民的身體健康和城市生態(tài)環(huán)境，曾被譽為東方瑞士的城市環(huán)境問題亟待解決[2]。眾所周知，園林植物可以滯留大氣顆粒物，提高空氣質(zhì)量，利用園林植物滯留大氣顆粒物是提高空氣質(zhì)量的有效方法之一。喬木作為最基礎(chǔ)的園林綠化樹種，是一個城市環(huán)境綠化的主體，在植物滯塵方面具有絕對的優(yōu)勢[3]。因此，在城市環(huán)境日益惡化，霧霾天氣日益嚴(yán)重的情況下，研究喬木樹種對不同粒徑顆粒物的吸滯能力，可為選擇和優(yōu)化城市綠化樹種，降低城市大氣顆粒污染物和提高空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)[4]。【前人研究進(jìn)展】研究表明，不同植物對不同粒徑顆粒物的吸附能力不同[5]。王亞軍等[6]對廈門市常見園林樹種滯塵效應(yīng)研究表明，臘腸樹對TSP的滯塵能力最強，對PM2.5的滯塵能力表現(xiàn)為臘腸樹的滯塵能力最強，其次為樟樹，菩提樹對PM2.5的滯塵能力最差，但樟樹和菩提樹對PM2.5滯塵量無顯著差異（P>0.05）;對PM10滯塵能力依次表現(xiàn)臘腸樹>菩提樹>樟樹，三者之間差異均顯著 （P<0.05）。陳上杰[7]比較了21種植物對細(xì)顆粒物（PM10、PM2.5和PM1）的吸附阻滯能力發(fā)現(xiàn)，丁香對PM10的吸滯能力最強，雪松對PM2.5和PM1的吸滯能力最強，對PM10、PM2.5和PM1的吸滯能力最差的為大葉黃楊。羅佳等[8]研究表明，各樹種單位葉面積吸附PM2.5的能力表現(xiàn)為：杉木>馬尾松>青岡棟>苦櫧>楓香>刺槐>;木荷>泡桐>濕地松=柏木>愷木，常綠樹種單位葉面積吸附的TSP、PM1、 PM10、PM2.5量遠(yuǎn)大于落葉樹種。是怡蕓[9]研究表明，不同樹種單位葉面積的總顆粒物、PM10和PM2.5均存在顯著差異，總體表現(xiàn)為：針葉樹種>闊葉樹種。LI Shao-Ning[10]研究表明，針葉樹吸收PM10、PM2.5和PM1的能力比闊葉樹種強，楊樹和垂柳對PM10的滯塵能力最強，白蠟對PM2.5和PM1的滯塵能力最強。植物的滯塵能力主要與植物葉表面特性有關(guān)，以往的研究表明，細(xì)胞排列不規(guī)則形成的起伏、小室或溝槽等結(jié)構(gòu)及曲折的細(xì)胞輪廓線利于固定顆粒物;較深的紋飾、較厚的蠟質(zhì)層、油脂等分泌物、氣孔較多且開口密度大、粗糙度大的葉表皮滯塵能力高[11-13]?！颈狙芯壳腥朦c】目前對于園林植物滯塵的研究多集中北京、上海、武漢等地，青島地區(qū)鮮有報道，且大多是對總顆粒物以及不同粒徑顆粒物體積和數(shù)量百分比的研究，很難直觀和量化地評價植物的吸滯效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對上述問題，對青島市城陽區(qū)8種喬木對不同粒徑顆粒物的滯留量開展研究工作，以期為植物滯塵效益的量化評價和園林植物的選擇與配置提供參考依據(jù)[14]。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

采樣點分布于青島市城陽區(qū)具有典型性和代表性的道路（春陽路、長城路、正陽路）。由于該路為城陽區(qū)繁華地帶，車流量較多，汽車尾氣污染較為嚴(yán)重，污染狀況相似，喬木生境一致。選擇生長良好的8種喬木為研究對象，分別為：毛白楊Populus tomentosa、懸鈴木Platanus orientalis、欒樹Koelreuteria paniculata、絳柳Salix matsudana、紫葉李Prunus cerasifera、洋白蠟Fraxinus pennsylvanica、國槐Sophora japonica、女貞Ligustrum lucidum等。

1.2?試驗方法

1.2.1?樣品的采集

一般認(rèn)為，雨量達(dá)到15 mm以上、雨強在10 mm·h-1的降水，就可以沖刷掉葉片上的粉塵，然后植物重新滯塵[15]。為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，供試喬木與道路的距離保持一致，采集高度控制在3 m左右，為減少采樣時間不同導(dǎo)致的誤差，每次采集均在1 d內(nèi)完成，每一樹種選擇3株樣株，在植株中進(jìn)行均勻采樣，依據(jù)葉片大小差異，采10～30片，本試驗在2018年3～6月雨后每隔3 d（即3、6、9、12 d）采集1次葉子[16]。

1.2.2?不同粒徑顆粒物單位葉面積滯塵量的測定

將采集的葉片置于盛有去離子水的燒杯中浸泡2 h;用毛刷刷下葉片表面的顆粒物，并用蒸餾水清洗3次，將葉片夾出，放紙上晾干，并用小毛刷輕輕刷洗裝葉片的保鮮袋[14]。將10、5、2.5、0.2 μm 孔徑濾膜放在65℃烘箱至恒重，將其拿出用萬分之一分析天平稱重得到初始重量，然后利用真空抽濾裝置對植物葉片沖洗液依次通過10、5、2.5、0.2 μm 孔徑濾膜進(jìn)行分級抽濾，得到載塵濾膜后烘干至恒重，濾膜兩次烘干后稱重得到的質(zhì)量差（Δm）即為不同粒徑范圍的顆粒物質(zhì)量，其中0.2～2.5 μm范圍可近似認(rèn)為是PM2.5的質(zhì)量。將晾干的葉片用便攜式葉面積儀Yaxin-1241分別測量以上清洗并晾干后的葉片，測量出不同樹種單片葉面積（S）。每張葉片重復(fù)測量3次，取其平均值作為該葉片的表面積，則△m/S 即為該濾膜對應(yīng)粒徑范圍內(nèi)單位葉面積顆粒物的質(zhì)量（g·m-2）[17-18]，PM10、PM5和PM2.5單位葉面積滯塵量為不同范圍的粒徑單位葉面積滯塵量之和。

1.2.3?單株滯塵量測定

全株葉量計算：對喬木類樹種采用標(biāo)準(zhǔn)枝分層法先對植株分層、分級，直至小枝，將小枝作為標(biāo)準(zhǔn)枝，統(tǒng)計葉數(shù)/標(biāo)準(zhǔn)枝（Y）和標(biāo)準(zhǔn)枝數(shù)量株（B），全株葉片總量N=B×Y，樹種單株滯塵量=M×A×N[19]。

1.2.4?葉表面結(jié)構(gòu)的觀測

于雨后剪取植株上正常生長的葉片，并立即將葉片封存于干凈塑封袋中以防擠壓或葉毛被破壞;用新刀片在葉脈兩側(cè)的中部取 5 mm × 5 mm 大小的組織塊，放入小玻璃瓶中，立即加入FAA固定液固定4 h以上，抽真空;配置 60%、70%、80%、90%、100% 的乙醇溶液，對樣品進(jìn)行逐級脫水處理，每次 10 min，最后用叔丁醇置換，冷凍;將冷凍好的植物樣品放入冷凍干燥機內(nèi)進(jìn)行真空干燥，完全干燥后取出樣品進(jìn)行貼臺，鍍金，用掃描電子顯微鏡（JEOL7500F） 進(jìn)行觀察，拍攝不同放大倍數(shù)下植物葉表面結(jié)構(gòu)照片[20]。

1.3?數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Microsoft Excel 2003和SPSS 21.0軟件對滯塵量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、單因素方差分析和繪圖，用掃描電子顯微鏡（JEOL7500F） 觀察葉表面結(jié)構(gòu)，用AFM（原子力顯微鏡）測定葉表面粗糙度，用Image J統(tǒng)計分析各葉表面葉毛數(shù)量、氣孔大小、氣孔密度，用SPSS 21.0軟件對滯塵與粗糙度、葉毛數(shù)量、氣孔大小、氣孔密度間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析[21-22]。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同粒徑顆粒物單位葉面積滯塵量研究

2.1.1?喬木對PM10滯塵能力研究

由表1可以看出，8種喬木葉片單位葉面積對PM10吸附量不同，不同喬木對PM10吸附量在0.038 0～0.158 7 g·m-2，其中國槐和紫葉李對PM10有較強的吸附作用，懸鈴木對PM10的吸附能力較差，國槐能達(dá)到懸鈴木的4.2倍左右?？傮w表現(xiàn)為：國槐（0.158 7 g·m-2）>紫葉李（0.112 7 g·m-2）>女貞（0.097 7 g·m-2）>洋白蠟（0.097 5g·m-2）>欒樹（0.070 6 g·m-2）>絳柳（0.049 1 g·m-2）>毛白楊（0.046 3 g·m-2）>懸鈴木（0.046 3g·m-2），差異顯著（P<0.05）。

2.1.2?喬木對PM5滯塵能力研究

由表2可以看出，在8種喬木中，對PM5吸附能力表現(xiàn)為：紫葉李（0.066 3 g·m-2）>欒樹（0.051 5 g·m-2）>國槐（0.046 2 g·m-2）>女貞（0.043 3 g·m-2）>洋白蠟（0.037 8 g·m-2）>毛白楊（0.035 6 g·m-2）>絳柳（0.034 8 g·m-2）>懸鈴木（0.027 5 g·m-2），差異不顯著（P>0.05）。不同喬木對PM5吸附量在0.027 5～0.066 3 g·m-2，紫葉李和欒樹對PM5具有較強的吸附能力，懸鈴木對PM5的吸附能力較差，其中紫葉李對PM5滯塵量能達(dá)到懸鈴木的2.4倍左右。 2.1.3?喬木對PM2.5滯塵能力研究

由表3可以看出，在8種喬木中，對PM2.5吸附能力表現(xiàn)為：國槐和欒樹對PM2.5的滯塵能力較強，分別為0.031 3 g·m-2和0.028 3 g·m-2，絳柳最弱，為0.016 4 g·m-2，國槐是絳柳的1.9倍。說明欒樹主要吸附PM2.5。

2.2?喬木不同粒徑顆粒物單株滯塵能力研究

通過對8種喬木單株葉面積和不同粒徑單株滯塵量的計算，結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1可知，懸鈴木單株葉面積最大，為198.68m2;毛白楊次之，為115.12 m2;紫葉李的單株葉面積最低，僅為20.62 m2。8種喬木的單株葉面積大小表現(xiàn)為：懸鈴木（198.68 m2）>毛白楊（115.12 m2）>洋白蠟（95.16 m2）>絳柳（55.12 m2）>國槐（31.41 m2）>女貞（28.14 m2）>欒樹（25.73 m2）>紫葉李（20.62 m2）。

由圖2可以看出，懸鈴木PM10單株滯塵能力最強，其滯塵量為31.530 5 g·株-1;洋白蠟次之，PM10單株滯塵量為9.278 1 g·株-1;紫葉李PM10單株滯塵能力最差，單株滯塵量僅為1.012 4 g·株-1，懸鈴木達(dá)到紫葉李的31倍。懸鈴木對PM10的單位葉面積滯塵量較低（0.046 3 g·m-2），排第8位，但因為葉量多，單株總?cè)~面積大，單株P(guān)M10滯塵量上升到第2位;女貞和紫葉李對PM10的單位葉面積滯塵量分列3、4位，但因葉量少，總?cè)~面積少，所以單株滯塵量降至6、7位。8種喬木PM10單株滯塵能力具體表現(xiàn)為：絳柳（12.974 0 g·株-1）>懸鈴木（7.549 8 g·株-1）>洋白蠟（6.686 0 g·株-1）>國槐（4.405 9 g·株-1）>毛白楊（2.217 5 g·株-1）>女貞（2.014 6 g·株-1）>紫葉李（1.768 7 g·株-1）>欒樹（0.772 3 g·株-1）。絳柳PM5單株滯塵能力最強，其滯塵量為7.632 5 g·株-1，欒樹最低，為0.432 6 g·株-1，二者相差約18倍，其中女貞和紫葉李對PM5的單位葉面積滯塵量分列2、4位，但因葉量少，總?cè)~面積小，單株P(guān)M5滯塵量降至6、7位;國槐PM5單位葉面積滯塵量較低，位列第7位，但葉量多，總?cè)~面積大，單株P(guān)M5滯塵量升至第3位。8種喬木PM5單株滯塵能力表現(xiàn)為：絳柳（7.632 5 g·株-1）>懸鈴木（7.073 0 g·株-1）>國槐（3.311 6 g·株-1）>洋白蠟（1.946 4 g·株-1）>毛白楊（1.187 3 g·株-1）>女貞（1.061 9 g·株-1）>紫葉李（0.785 5 g·株-1）>欒樹（0.432 6 g·株-1）。懸鈴木、國槐、絳柳對PM2.5單株滯塵能力較強，其中最強的懸鈴木滯塵量達(dá)到3.993 4 g·株-1;女貞最低，為0.338 2g ·株-1，二者相差約12倍。懸鈴木對PM2.5的單位葉面積滯塵量較低，位列第6位，因葉量多，單株總?cè)~面積大，單株P(guān)M2.5滯塵量升至第1位。

2.3?葉表面結(jié)構(gòu)與滯塵能力的關(guān)系

通過對8種喬木葉表面結(jié)構(gòu)的觀察，可以得到葉表面結(jié)構(gòu)與其滯塵能力的相關(guān)性，如圖3和表4所示。

通過對葉表面結(jié)構(gòu)特征觀測與其滯塵量對比分析得出，紫葉李葉表面具明顯褶皺，葉毛較多，氣孔較密集;國槐葉表皮具密集顆粒物突起和明顯狹窄的溝壑，葉毛較密集;紫葉李和國槐對PM10 、PM5 、PM2.5滯塵量均較高;欒樹葉表皮上表面較平整，具蠟質(zhì)層和輕微疣狀突起，細(xì)胞輪廓不明顯，葉表皮下表面具密集顆粒狀突起，細(xì)胞輪廓明顯，具淺溝槽，氣孔較少，開口較小、狹長、對PM5 、PM2.5滯塵量較高;絳柳葉表面具有少量開口小的氣孔，附著較多不規(guī)則的顆粒物以及線狀突起，對PM10 、PM5 、PM2.5吸附量均較低，說明絳柳葉表面特征不利于顆粒物的附著[23]。經(jīng)過對比分析可得出，具有葉表面粗糙，葉表面絨毛密集，氣孔密集且開口較大，有一定寬度和深度的溝壑等特征的葉表面特征的植物滯塵量大。

3?討論與結(jié)論

滯留大氣顆粒物能力較強的植物葉表面微形態(tài)特征主要為：葉表面粗糙，葉表面絨毛密集，氣孔密集且開口較大，具有一定寬度和深度的溝壑等。這與王萌[24]和楊佳[25]的研究結(jié)果一致。而張桐等[26]研究表明，植物的滯塵能力與氣孔的數(shù)量及氣孔是否開放無顯著關(guān)系，而與植物葉表氣孔大小有關(guān)?？赡茉蚴窃囼灂r間、地域、植物的不同導(dǎo)致研究結(jié)果的差異。通過對8種喬木單株滯塵量的研究發(fā)現(xiàn)，單株植物的滯塵量不僅僅與單位葉面積滯塵量有關(guān)，單株總?cè)~面積才是決定單株滯塵量的關(guān)鍵因素，這與阿衣古麗·艾力亞斯觀點[27]相吻合，比如懸鈴木和毛白楊對PM10、PM5、PM2.5的單位葉面積滯塵量均較低，但懸鈴木和毛白楊葉量大，單葉面積也很大，單株總?cè)~面積較大，因此增大了單株滯塵量;紫葉李和國槐單位葉面積滯塵能力較強，但單株總?cè)~面積顯著小于懸鈴木，因此單株滯塵量較低。8種喬木樹種中，懸鈴木、毛白楊和洋白蠟對PM10、PM5、PM2.5的單株滯塵量較大，因懸鈴木和洋白蠟形體比較高大、樹葉濃密，可作為行道樹首選，而毛白楊雖然單株滯塵量也很大，但是春季楊絮很多會對人們生活造成影響，因此可選擇在遠(yuǎn)離市區(qū)的地方種植。紫葉李、國槐、欒樹對PM10、PM5、PM2.5單位葉面積滯塵量較大，但其單株滯塵量小，因此在城市綠地群落結(jié)構(gòu)的設(shè)計搭配中可適當(dāng)增加一些比例，但在目前的青島城市綠化中，欒樹的應(yīng)用相對較少，欒樹作為一種抗性較強又可觀葉、觀花、觀果的樹種，對PM2.5吸滯能力較強，對于吸附空氣中的PM2.5，降低城市飄塵具有重要意義，因此可在園林綠化中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：黃愛萍）