查 燕，牛天新，湯 婕

（1.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310024；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230016）

【研究意義】隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，大氣顆粒物污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到城市環(huán)境和人類健康。研究發(fā)現(xiàn)，城市綠化植物葉片通過吸附或滯留大氣顆粒物的方式，以減少或控制大氣顆粒物含量，發(fā)揮改善空氣質(zhì)量的功能[1-2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大氣顆粒物是有毒有害物質(zhì)的載體，能夠通過葉面氣孔的主要途徑吸收大氣顆粒物中攜帶的污染物，例如重金屬[3-4]、多環(huán)芳烴[5]、黑碳[6]，其中一部分存在于葉片表面，一部分被固定于植物蠟質(zhì)層中。由此可見，利用植物吸收大氣污染物實(shí)現(xiàn)改善空氣質(zhì)量被認(rèn)為是一種生態(tài)友好型的控制手段[7-8]。近年來，利用植物監(jiān)測大氣環(huán)境的報(bào)道較多，大量研究集中在綠化植物對不同粒徑顆粒物的吸附效應(yīng)上?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】葉菜作為一種特殊的綠色植物，不僅是人類日常生活的重要組成部分，而且在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前研究已表明，大氣顆粒物負(fù)載的重金屬已成為我國蔬菜中重金屬積累的重要來源之一[9-11]，其中25%～40%的植物重金屬來源于受污染區(qū)域大氣沉降顆粒物[12-13]。在工業(yè)污染密集區(qū)域大氣沉降是農(nóng)作物中Cd、Pb、As 和Hg 等重金屬的重要來源[14]。綜上所述，葉菜葉片重金屬含量存在超標(biāo)現(xiàn)象，究其原因可能與其龐大的葉表面為大氣顆粒物及其攜帶的污染物進(jìn)入體內(nèi)提供了更大的可能[15-16]。葉菜作為一種大氣-土壤交界的重要環(huán)境界面，同樣具備顯著消減大氣顆粒物濃度的生態(tài)功能?！緮M解決的關(guān)鍵問題】目前，關(guān)于定量研究葉菜對吸附大氣顆粒物的特征和機(jī)理研究卻鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究對杭州市6 種常見葉菜葉片不同粒徑顆粒物吸附量及葉表微形態(tài)特征進(jìn)行分析，以期為利用葉菜表征區(qū)域大氣顆粒物污染提供參考依據(jù)，同時(shí)為今后探究顆粒物中重金屬對葉菜食用安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)擾動機(jī)制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試6 個(gè)葉菜品種分別為青菜Brassica chinensisL.、菠菜Spinacia oleraceaL.、生菜Lactuca sativavar.crispa、莧菜Amaranthus tricolorL.杭白菜Brassica chinensisvar.oleifera、葉用番薯Ipomoea batatas，均種植于杭州市農(nóng)科院基地。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 選擇晴朗天氣種植6 種葉菜，每種葉菜種植12 顆。栽培期間添加適當(dāng)自來水以保持土壤濕度，切勿對葉片進(jìn)行噴灑灌溉，以保證葉片表面顆粒物的完整性。待葉菜成熟后選擇晴朗無風(fēng)天氣統(tǒng)一進(jìn)行采集，且采樣前2 周內(nèi)無降雨和大風(fēng)等極端天氣。分別在各葉菜東、南、西、北4 個(gè)方向選擇葉面積相近、生長狀況良好的健康葉片作為樣本，每種葉菜分別采集約60片葉片，分3組用于重復(fù)試驗(yàn)。樣品采集后小心裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆么治觥?/p>

1.2.2 測定指標(biāo)及方法 分別將試驗(yàn)所需的10、2.5和0.2 μm 的纖維濾網(wǎng)進(jìn)行編號，隨后放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重（2 h），置于萬分之一天平上稱量得到各孔徑濾膜的初始質(zhì)量，記作W1。先用約300 mL的超純水浸泡采集的葉片。通過超聲波清洗器將附著于葉片的顆粒物震蕩溶于超純水中，用鑷子輕輕夾出葉片置于200 mL 超純水中，再用毛刷輕刷葉片上下表面2～3次，合并2次懸濁液。不同粒徑顆粒物測定方法參照Xu 等[17]。用已烘干的不同孔徑濾膜放置在直徑47 mm 的真空抽濾裝置（R300E，美國Sciencetool）中依次用10、2.5和0.2 μm 的親水性濾膜（EMD Milipore USA）進(jìn)行3 次分級抽濾，得到的載塵濾膜放置烘箱中烘干至恒重（60 ℃，6 h）。再用萬分之一天平稱量，分別得到各濾紙質(zhì)量W2。用差量法分別計(jì)算各樣本中不同粒徑顆粒物質(zhì)量。采用3000c 型葉面積儀計(jì)算葉面積（S），計(jì)算單位葉片面積吸附顆粒物質(zhì)量。葉菜葉片每單位面積吸附顆粒物量為W=（W2-W1）/S。

選取清洗干凈后的葉片，用刀片避開葉脈切割成5 mm×5 mm 的正方形若干，分為上下表面分別制樣。用真空冷凍干燥機(jī)（-83 ℃）干燥36 h。樣品干燥后經(jīng)過噴金處理，采用環(huán)境掃描電鏡（FEI Quanta-200，美國FEI公司）觀察葉片表面微結(jié)構(gòu)。用Image J軟件（國立衛(wèi)生研究院，美國）量化單位面積葉片上氣孔長度和氣孔寬度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理分析應(yīng)用SPSS 19.0 軟件，計(jì)量采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。為驗(yàn)證不同葉菜葉片吸附不同粒徑顆粒物的種間差異，對上述參數(shù)進(jìn)行了單因素方差分析（One-way，ANOVA），并采用了最小顯著性差異法（least significant difference，LSD，P＜0.05）進(jìn)行檢驗(yàn)。并進(jìn)行雙因素方差（Two-way Anova）分析不同粒徑顆粒物質(zhì)量與微形態(tài)各指標(biāo)間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同葉菜總顆粒物吸附量

研究表明，本研究測定的6種葉菜總顆粒物吸附量存在差異（圖1A）。6種葉菜葉片單位面積TSP吸附量由大到小依次為葉用番薯、青菜、菠菜、杭白菜、莧菜和生菜。其中葉用番薯單位面積PM吸附量最大，為（192.31±17.46）μg/cm2，生菜吸附量最小，為（51.35±7.67）μg/cm2。葉用番薯單位面積PM吸附量是生菜的3.75 倍。韓營[18]2019 年研究發(fā)現(xiàn)南方和北方秋季青菜葉表面吸附顆粒物平均含量分別為111 μg/cm2和303 μg/cm2，表明葉菜葉片對大氣顆粒物的吸附易受到葉菜生長環(huán)境的影響。林鑫濤等[19]研究發(fā)現(xiàn)青岡、冬青、紅花檵木對顆粒物平均吸附量在30.4～63.7 μg/cm2，低于本研究結(jié)果。劉延惠等[20]研究發(fā)現(xiàn)喬木和灌木2種生活型樹種葉面懸浮總顆粒物吸滯量為1.56～11.14 μg/cm2，低于本研究結(jié)果。

2.2 葉菜對不同粒徑顆粒物吸附量的比較

不同品種葉菜對不同粒徑顆粒物的吸附量存在顯著差異。6種葉菜單位面積吸附PM＞10的能力由大到小表現(xiàn)為葉用番薯、青菜、菠菜、杭白菜、莧菜和生菜（圖1B），其中葉用番薯和青菜對大顆粒物的吸附量顯著大于其他4種葉菜，比附吸附能力最小的生菜分別高出4.16倍和2.69倍。6種葉菜葉片單位面積吸附PM2.5～10的能力由大到小表現(xiàn)為葉用番薯、菠菜、莧菜、青菜、生菜和杭白菜（圖1C），其中吸附量最大的葉用番薯（22.62±4.15）μg/cm2，吸附量最小的杭白菜（6.46±1.22）μg/cm2，葉用番薯高出杭白菜3.50倍。6 種葉菜葉片單位面積吸附細(xì)PM0.2～2.5的能力由大到小表現(xiàn)為葉用番薯、菠菜、青菜、杭白菜、生菜和莧菜（圖1D），其中吸附量最大的葉用番薯（6.34±1.39）μg/cm2，吸附量最小的莧菜（1.13±0.37）μg/cm2，葉用番薯高出莧菜5.61倍?？傮w而言，葉用番薯對PM、PM＞10、PM2.5～10及PM0.2～2.5的吸附量最多，生菜對PM和PM＞10的吸附量最少，杭白菜對PM2.5～10的吸附量最少，莧菜對PM0.2～2.5的吸附量最少。大量研究表明，植物葉片微形態(tài)特征是導(dǎo)致其吸附顆粒物差異的重要因素[21]。

圖1 葉菜葉片單位面積顆粒物吸附量Fig.1 The adsorption particulate matter mass per unit area on leave surface

2.3 葉菜對不同粒徑顆粒物吸附量百分比的比較

由圖2 可知，葉菜葉片以吸附PM＞10為主，占總顆粒物質(zhì)量的75.19%～88.42%，PM2.5～10占總顆粒物質(zhì)量的7.75%～22.93%，PM0.2～2.5占總顆粒物質(zhì)量的1.87%～4.19%。李春義等[8]研究發(fā)現(xiàn)濕地植物葉面以滯留10～100 μm 的顆粒物為主，占PM 組分的64.2%～87.1%。Dzierzanowsi 等[22]研究發(fā)現(xiàn)植物葉面吸附顆粒物以10～100 μm粒徑為主，其次是2.5～10 μm，＜2.5 μm 的最少。木尼拉[23]研究發(fā)現(xiàn)PM＞10占總顆粒物的70.58%～97.37%，粗顆粒物PM1～10占總顆粒物的比例為2.60%～29.42%，劉延惠等[20]研究發(fā)現(xiàn)葉面吸滯的大顆粒物（PM10～100）和粗顆粒物（PM2.5～10）質(zhì)量百分比為97.36%，而對細(xì)顆粒物（PM1.0～2.5）和超細(xì)顆粒物（PM1）吸滯能力較弱。王琴等[24]研究發(fā)現(xiàn)各喬木單位葉面積滯留PM2.5和PM10質(zhì)量分別占總粉塵量的0.7%～8.9%和3.6%～33.9%，與本研究結(jié)論類似。綜上所述，葉菜葉表面對不同粒徑顆粒物的吸附特征與城市綠化植物一致，主要以吸附PM＞10為主，PM2.5～10其次，PM0.2～2.5最少。

圖2 葉菜對不同粒徑顆粒物吸附量比例Fig.2 The adsorption ratio of different sizes of particulate matter by leafy vegetable

2.4 葉菜葉表面微形態(tài)

植物吸附PM2.5等大氣顆粒物的影響因素有很多，與自身的生理學(xué)特征關(guān)系密切[19]。通過掃描電鏡對6種葉菜葉表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)（圖3），杭白菜上表面較為平滑，粗糙度低（圖3，A1），具有淺狀的條紋突起，未觀察到明顯的氣孔器。葉片下表面氣孔呈褶皺狀，紋路排列無規(guī)則，氣孔器呈張開狀態(tài)，但氣孔較?。▓D3，A2），其波狀起伏的溝壑結(jié)構(gòu)有利于吸附顆粒物。莧菜葉片上表面粗糙且有凸起的紋路（圖3，B1），下表面波狀彎曲的褶皺狀與細(xì)胞壁構(gòu)陷成規(guī)則的褶皺狀，且溝槽較深，但未能觀察到氣孔（圖3，B2）。菠菜葉片上下表面微形態(tài)相似，上表面粗糙，略微凸起紋路（圖3，C1），氣孔開口小，幾乎呈閉合狀態(tài)，條狀突起明顯，但溝壑深度較淺且溝槽不密集；下表面溝槽交錯(cuò)與周邊組織形成的溝槽較寬，氣孔附近有不規(guī)則條狀組織，氣孔開口小（圖3，C2）。生菜葉片上表面光滑，氣孔呈細(xì)長條狀，開口度較小（圖3，D1），此種結(jié)構(gòu)不利于吸附細(xì)顆粒物。下表面粗糙且有溝壑組織，氣孔器開口大于葉片上表面（圖3，D2），其光滑的葉表面導(dǎo)致其吸附顆粒物的能力較弱。青菜葉片上表面粗糙，凸起的紋路交錯(cuò)形成較大的溝槽。因此青菜易于吸附顆粒物（圖3，E1）。青菜下表面分布大量的氣孔器，但開口較小，且氣孔周圍溝槽較淺（圖3，E2），這樣的結(jié)構(gòu)不利于吸附細(xì)顆粒物。葉用番薯葉片上表面粗糙，布滿波狀彎曲的密集褶皺，皺褶與細(xì)胞周壁下限構(gòu)成不規(guī)則的溝槽圖3，F(xiàn)1）。葉片下表面氣孔開口較大，氣孔周圍密布褶皺，褶皺與細(xì)胞周壁形成密集的波折狀組織（圖3，F(xiàn)2），其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)有利于吸附不同粒徑顆粒物。

圖3 6種葉菜葉片上下表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrographs of six leaves surface

2.5 葉片微形態(tài)與吸附不同粒徑顆粒物的關(guān)系

進(jìn)一步通過線性擬合可見，氣孔長度、氣孔寬度與PM＞10質(zhì)量呈顯著相關(guān)（圖4），隨著氣孔長度和寬度的增大，PM＞10質(zhì)量也隨之增加。研究發(fā)現(xiàn)，更大的氣孔開口尺寸有利于植物葉面滯塵[25]，這與本研究結(jié)果一致。氣孔長度、寬度、氣孔長寬比與PM2.5～10質(zhì)量無顯著線性關(guān)系（圖5）。氣孔長度與PM0.2～2.5質(zhì)量呈相關(guān)關(guān)系，氣孔寬度與PM0.2～2.5質(zhì)量呈顯著相關(guān)（圖6），隨著氣孔寬度的增大，細(xì)顆粒物質(zhì)量也隨之增加。李春義等[8]研究發(fā)現(xiàn)，氣孔寬度與PM、PM10和PM2.5吸附量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），由于氣孔寬度越大，開合度也越大，因此有利于攔截顆粒物，且粒徑較小的顆粒物部分進(jìn)入氣孔。此外，劉玲等[26]研究認(rèn)為氣孔口大屬于氣孔吸附主導(dǎo)型，這類植物葉面主要以吸附細(xì)顆粒為主。Sch?nherr 等[27]通過研究得出氣孔密集且開口較大的植物葉片能夠滯留更多的PM2.5。本研究中以葉用番薯的氣孔寬度最大，達(dá)到14.55 μm，易使細(xì)顆粒物聚集于葉表面。而莧菜與生菜氣孔寬度和長度較小，導(dǎo)致其吸附顆粒物的能力小于其他4種葉菜。

圖4 葉片單位面積吸附PM＞10與氣孔關(guān)系Fig.4 The relationship between PM＞10 mass per unit area and stoma

圖5 葉片單位面積吸附PM2.5～10與氣孔關(guān)系Fig.5 The relationship between PM2.5-10 mass per unit area and stoma

圖6 葉片單位面積吸附PM0.2～2.5與氣孔關(guān)系Fig.6 The relationship between PM0.2-2.5 mass per unit area and stoma

表1 PM＞10與氣孔長度、寬度相關(guān)分析Tab.1 The correlation analysis between PM＞10 and stoma length，width

表2 PM2.5～10與氣孔長度、寬度相關(guān)分析Tab.2 The correlation analysis between PM2.5～10 and stoma length，width

表3 PM0.2～2.5與氣孔長度、寬度相關(guān)分析Tab.3 The correlation analysis between PM0.2-2.5 and stoma length，width

3 結(jié)論

本文在對6 種葉菜吸附顆粒物特征的研究基礎(chǔ)上，探討了葉表微形態(tài)與吸附顆粒物能力的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）不同葉菜葉表面對總顆粒物的吸附能力存在差異，6種葉菜葉片單位面積TSP吸附量由大到小依次為葉用番薯、青菜、菠菜、杭白菜、莧菜和生菜，以葉用番薯吸附總顆粒物的能力最強(qiáng)（22.62±4.15）μg/cm2，生菜吸附能力最弱（6.46±1.22）μg/cm2。

（2）通過比較葉菜對不同粒徑顆粒物的吸附量可知，以葉用番薯對PM＞10、PM2.5～10及PM0.2～2.5的能力最強(qiáng)，以生菜吸附PM＞10最弱，以杭白菜吸附PM2.5～10能力最弱，以莧菜吸附PM0.2～2.5能力最弱。

（3）葉菜葉片對不同粒徑顆粒物的吸附特征與城市綠化植物一致，主要以吸附PM＞10為主，占總顆粒物質(zhì)量的75.19%～88.42%，PM2.5～10占總顆粒物質(zhì)量的7.75%～22.93%，PM0.2～2.5占總顆粒物質(zhì)量的1.87%～4.19%。

（4）通過線性擬合可知，氣孔長度、氣孔寬度與PM＞10質(zhì)量呈顯著性關(guān)系，氣孔長度與PM0.2～2.5質(zhì)量呈相關(guān)關(guān)系，氣孔寬度與PM0.2～2.5質(zhì)量呈顯著性關(guān)系。本研究中氣孔寬度最大的葉用番薯（14.55 μm），其吸附顆粒物的能力最強(qiáng)。