劉涵科 馬 瑞 張 翠

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 甘肅蘭州 730070）

隨著城市化進(jìn)程，機(jī)動車輛大幅增加，帶來的污染及人為活動使生態(tài)壞境惡化，空氣污染加劇，粉塵、煙霧、有害氣體增多，已經(jīng)對人類的生存和健康造成了嚴(yán)重影響，也對城市本身的生存與發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。蘭州市位于黃土高原西部，沙塵天氣頻發(fā)、化石燃料大量使用、市區(qū)交通擁堵等問題使得降塵成為蘭州市主要的污染問題之一［2］。降塵中粒徑較小的顆粒物還能通過皮膚、呼吸道等途徑，進(jìn)一步危害人體健康［3-5］。

營造行道樹是改善城區(qū)環(huán)境的主要措施，其以截取、吸附、固定的方式對大氣中的粉塵起到了凈化作用。葉片是植物體滯留大氣粉塵的主要器官［6-7］。有研究表明，植物對大氣的凈化作用和滯塵效益主要通過植物葉片對顆粒物的吸附效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)［8-13］，但由于研究樹種、地理位置和大氣污染程度的差異，研究結(jié)果各異。一般情況下，不同區(qū)域空氣污染不同，那么植物在不同環(huán)境下滯塵量不同。夏候禎［14］的研究表明同株植物處于不同高度的葉片滯塵量不同。而不同植物葉片的滯塵量又與植物葉表面特征密切相關(guān)［15-17］。為此，本研究擬以蘭州市安寧文化區(qū)和西固工業(yè)區(qū)主干道常見且種植量較大的4種行道樹為研究對象，測定分析其葉片滯塵量與冠層高度、區(qū)域環(huán)境、葉表面特征的關(guān)系，以期進(jìn)一步認(rèn)識城市綠化樹種滯塵能力及其影響因素，從而從緩解大氣顆粒物污染的視角為城市綠化樹種的選擇和配置提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

蘭州市位于我國西北內(nèi)陸地區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候明顯，年平均氣溫10.3 ℃，平均降水量為300 mm左右，并主要集中在6~9月。本研究采樣點(diǎn)分別位于蘭州市安寧區(qū)（文化區(qū)）濱河路和西固區(qū)（工業(yè)區(qū)）的西固東路。安寧區(qū)濱河路為4車道，車輛以小型機(jī)動車為主，少數(shù)摩托車和自行車，該干道旁有學(xué)校，公園，車流較少，空氣質(zhì)量較好；西固區(qū)西固東路同為4車道，但車流量較大，車輛以小型車、大型車、煤車、貨車、公交車、摩托車及少數(shù)自行車為主。兩處采樣點(diǎn)附近均無正在施工的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

1.2 供試樹種及葉片樣品采集

蘭州市用于市區(qū)道路綠化的喬木樹種有國槐、懸鈴木、紫葉李等，灌木樹種有小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛、連翹等，其中，各主干道共有且種植量較大的樹種為國槐、小葉黃楊、紫葉小檗和衛(wèi)矛。本研究以這4種植物為研究對象，對其葉片進(jìn)行采集。4種綠化植物的基本特征見表1。

表1 4種綠化植物基本特征

1.3 滯塵量測定

研究表明15 mm的降雨量可沖刷掉植物葉片上的降塵，使其重新接納降塵，此時(shí)其滯塵量可記為0［18］。2021年9月4日，蘭州市發(fā)生降雨事件，安寧區(qū)、西固區(qū)降雨量均大于15 mm，滿足雨后采塵的要求。分別于雨后第4、8、12 d采樣，兩個區(qū)的采樣時(shí)間均在同一天完成。每個樹種分別采集植株樹冠下部、樹冠中部、樹冠上部3個冠層高度的葉片樣品，其中，國槐以樹冠最低處作為零高度，自下而上測定了0～2、2～4、4～6 m 3個不同高度下的滯塵量；其余3種灌木樹種將冠層3等分，分別取上部、中部、下部的植物葉片用于分析滯塵量隨高度的變化。采樣沿樹冠外圍，從東、西、南、北均勻采集生長良好的成熟葉片，每個高度層采集30~40片葉子，3次重復(fù)。采集時(shí)要帶上聚乙烯手套，將采集好的葉片小心封存于自封袋中，減少振蕩以防葉片上的灰塵脫落。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。

將采集的葉片樣品分別放入燒杯用蒸餾水浸泡2 h后放入超聲波清洗機(jī)中清洗約5 min。用鑷子將葉片夾出，用細(xì)毛刷清洗葉片上、下表面，將浸洗液用已烘干的濾膜（W1）過濾，將過濾后的濾膜（W2）置于烘箱中60 ℃烘干至恒重后用萬分之一天平稱量，兩次質(zhì)量之差W2-W1即為顆粒物質(zhì)量。用便攜式葉面積儀分別測定4種植物的葉面積（A）。單位葉面積滯塵量W=（W2-W1）/A。

1.4 葉片表面觀測

每個樹種隨機(jī)選取3片新采摘的、健康且無破損的葉片，避開主葉脈隨機(jī)切取3個5 mm×5 mm的小方塊，立即用FAA固定液（70%酒精：甲醛：乙酸=90∶5∶5）封存。將封存24 h的葉片用不同梯度（50%、70%、90%、95%、100%）的乙醇逐級脫水，每個處理15 min。將脫水后的葉片放入正丁醇15 min，取出后用雙面碳膠將樣品固定于樣品臺，使用離子濺射鍍膜儀在真空下對樣品表面鍍膜80 s。在掃描電子顯微鏡下，分別選擇放大倍數(shù)為200倍、400倍、800倍時(shí)進(jìn)行顯微拍攝。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0軟件對采集的4種植物葉片滯塵量數(shù)據(jù)、葉表面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，用Excel軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種植物滯塵量隨高度變化特征

滯塵量隨高度發(fā)生變化。由圖1可知，滯塵量隨著高度的增加而單調(diào)降低，且除西固區(qū)紫葉小檗外，其余處不同高度葉片滯塵量均表現(xiàn)出極顯著差異（p＜0.01），4種綠化樹種中，喬木樹種國槐的滯塵量隨高度變化的幅度最大，在安寧區(qū)由0～2 m處的1.69 g/m2降至4～6 m處的0.41 g/m2；在西固區(qū)由0～2 m處的2.76 g/m2降至4～6 m處的1.20 g/m2。小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛3種灌木的垂直變化幅度相對較小，變化幅度由冠下部至冠上部均不超過32%。

圖1 4種植物在不同高度下的單位面積滯塵量

2.2 4種植物滯塵量差異

如圖2所示，4種植物單位葉面積滯塵量雨后變化趨勢相同，均隨天數(shù)而呈現(xiàn)滯塵量增加的趨勢。方差分析表明，在安寧區(qū)雨后第4、8 、12 d里，4種植物中滯塵量最大的小葉黃楊的單位葉面積滯塵量分別為3.63、4.61、5.85 g/m2，國槐的滯塵量在4種植物中最小，分別為0.47、1.44、3.01 g/m2。在西固區(qū)雨后第4、8、12 d，小葉黃楊在4種植物中的滯塵量最大，分別為5.89、7.14、8.18 g/m2，國槐的滯塵量最小，分別為1.06、2.64、4.40 g/m2。降雨事件發(fā)生后的第12天，國槐、小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛單位葉面積滯塵量在安寧區(qū)分別達(dá)到3.01、5.85、4.32和3.37 g/m2，平均每天滯塵量為0.25、0.49、0.36、0.28 g/m2，在西固區(qū)分別達(dá)到4.40、8.18、5.51、4.64 g/m2，平均每天滯塵量為0.37、0.68、0.46、0.39 g/m2，小葉黃楊的單位葉面積滯塵量顯著高于其它3種植物。國槐、小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛4種植物在安寧區(qū)主干道的滯塵量要低于西固區(qū)主干道的滯塵量，其單位葉面積的滯塵量分別是西固區(qū)67.57%、72.06%、78.26%和71.79%。

圖2 4種植物單位葉面積滯塵量

2.3 4種植物葉表顯微結(jié)構(gòu)與滯塵量分析

從植物葉片的電鏡掃描圖中可以清晰地看到不同植物葉片表面結(jié)構(gòu)存在差異。圖像放大倍數(shù)范圍為200～800倍，由表2可知，通過調(diào)節(jié)掃描電鏡的相關(guān)參數(shù)來觀察葉片表面的特征。利用電鏡掃描對4種植物葉片的溝槽、氣孔分布、褶皺結(jié)構(gòu)，以及粉塵附著情況等進(jìn)行顯微觀察，本研究中，葉片上表面微結(jié)構(gòu)觀察在200～400倍視野下進(jìn)行、葉片下表面微結(jié)構(gòu)觀察均在800倍視野下進(jìn)行。結(jié)果如圖3所示：小葉黃楊的葉片上表面較平整無褶皺結(jié)構(gòu)，但葉片下表面氣孔密度較大（285個/mm2），明顯可見顆粒物附著在溝槽間隙；紫葉小檗葉片上表面排列規(guī)則具細(xì)褶皺，下表面分布有起伏的氣孔（228個/mm2），有利于塵土的附著；衛(wèi)矛上表面葉表面較平整，但附著較多的顆粒物，下表面具明顯氣孔（199個/mm2），不利于塵土附著；國槐葉片上表面具不規(guī)則團(tuán)塊狀突起，有利于塵土附著，但葉片下表面的溝槽寬度較小，氣孔相對較少（171個/mm2），并不利于粉塵的穩(wěn)定固著。

圖3 4種植物葉片掃描電鏡圖像

表2 4種綠化植物的葉表面顯微結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步分析植物葉片表面顯微結(jié)構(gòu)與滯塵能力的關(guān)系，將氣孔參數(shù)與溝槽量化后與滯塵量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析（表3）。結(jié)果顯示，氣孔寬度、溝槽寬度與單位面積滯塵量之間均未達(dá)到顯著性相關(guān)，氣孔密度與下表皮氣孔長度呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（p＜0.01），單位面積滯塵量與下表皮氣孔長度呈顯著關(guān)系與氣孔密度呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（p＜0.01）。滯塵能力可能受葉面的表皮毛、溝槽、分泌物等其他結(jié)構(gòu)的影響較大。

表3 植物葉片表面結(jié)構(gòu)參數(shù)與滯塵量之間的相關(guān)性

3 討論

3.1 4種植物在不同高度下的滯塵量

植物的葉片在不同高度下滯塵量也不相同。研究發(fā)現(xiàn)4種植物中小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛葉片的滯塵量隨著高度的增加滯塵量降低變化不是很大，但也呈現(xiàn)出了植物樹冠下部葉片的滯塵量要高于植物樹冠中部、上部的滯塵量。研究表明，空氣中的塵土都有向下落的趨勢，下部葉片更接近地面，與塵土接觸的機(jī)會更大，所以植物下部葉片比上部葉片的滯塵量多［19］。國槐葉片隨高度的增加滯塵量降低變化較為明顯，分析其原因可能是有以下幾點(diǎn)：（1）國槐是喬木，樹體高大，垂直高度越高的植物受風(fēng)影響更嚴(yán)重，枝葉的擺動會使得塵土脫離掉高處的葉片而降落到植物下部葉片，也有可能會重新懸浮于空氣中；（2）人流、車流等因素會將地面的塵土帶起，以至?xí)纬?次揚(yáng)塵，被植物中下部的葉片重新吸收。

3.2 4種植物滯塵量差異

本研究中國槐、小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛4種植物在12 d內(nèi)的滯塵量隨著天數(shù)增加而增加。同一植物的滯塵量在2個區(qū)呈現(xiàn)出西固區(qū)＞安寧區(qū)的趨勢，說明了空氣質(zhì)量越差，空氣中懸浮的顆粒物就越多，植物對顆粒物的滯留量就越大，與前人研究結(jié)論基本一致［20-21］。3種灌木中，小葉黃楊與紫葉小檗的垂直高度相對于衛(wèi)矛較低，這可能是小葉黃楊與紫葉小檗的單位葉面積滯塵量要大于衛(wèi)矛單位面積滯塵量的原因之一。不同類型植物的滯塵能力不同，眾多學(xué)者認(rèn)為灌木樹種的單位葉面積滯塵量要大于喬木樹種的單位葉面積滯塵量［22-25］，這可能為喬木樹種與灌木樹種的垂直高度不同。大氣中的粉塵由于受到了喬木樹干、枝葉的阻擋和搖擺的影響，就會有較多的粉塵降落，降落的過程中首先會降到灌木樹種上，因此，附著于灌木樹種單位葉面積的粉塵量也就較多。起風(fēng)時(shí)，高大喬木樹種枝葉所滯留的粉塵較容易會發(fā)生二次揚(yáng)塵，而灌木樹種由于受到了喬木樹種屏障的作用，所以灌木樹種的滯塵能力通常較喬木樹種滯塵能力更強(qiáng)［26］。本研究所得結(jié)論與前人研究結(jié)果一致，即灌木樹種的單位葉面積滯塵量整體上大于喬木樹種的單位葉面積滯塵量。

3.3 4種植物葉表面結(jié)構(gòu)差異

植物通過葉片滯留塵土，由于4種植物葉表面結(jié)構(gòu)各不相同，導(dǎo)致不同植物的單位葉面積滯塵量之間存在顯著差異。研究表明植物葉片的氣孔密度、溝槽、褶皺結(jié)構(gòu)是影響不同植物滯留塵土的因素［27］。結(jié)合葉片掃面電鏡圖可以發(fā)現(xiàn)，小葉黃楊葉片革質(zhì)能夠接受更多的粉塵滯留，且溝槽寬度較大，氣孔密度較大也可更好的使塵土滯留，在2個區(qū)4種植物中滯塵量最大；國槐葉片上表面雖著生細(xì)密絨毛，有利于塵土滯留，但下表面的氣孔密度較少、溝槽寬度較小、還有可能與樹體高大有關(guān)，在2個區(qū)4種植物中滯塵量最??；紫葉小檗上表面具細(xì)褶皺，下表面溝槽寬度較大、具褶皺、氣孔密度較大，但滯塵量要低于小葉黃楊，分析可能是紫葉小檗的氣孔密度要少于小葉黃楊的氣孔密度，且小葉黃楊革質(zhì)；衛(wèi)矛的葉片上表面光滑、不易阻滯粉塵，無褶皺結(jié)構(gòu)、無氣孔以及溝槽，下表面具氣孔，但氣孔密度要低于小葉黃楊與紫葉小檗，這可能是衛(wèi)矛葉片滯塵量小于小葉黃楊、紫葉小檗的主要原因，在4種植物中滯塵量中等。

4 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)的綜合分析可得出以下結(jié)論：

（1）國槐、小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛的植物葉片在不同高度下單位葉面積滯塵量隨著高度的增加而降低，4種植物中國槐最為顯著。

（2）對國槐、小葉黃楊、紫葉小檗、衛(wèi)矛4種植物在不同地區(qū)的滯塵量進(jìn)行分析，4種植物的滯塵量表現(xiàn)為為西固區(qū)＞安寧區(qū)。

（3）4種植物的氣孔寬度、溝槽寬度與滯塵量無顯著（p＞0.05）相關(guān)關(guān)系，氣孔長度與滯塵量呈顯著相關(guān)（p＜0.05），氣孔密度與滯塵量呈現(xiàn)極顯著（p＞0.01）相關(guān)關(guān)系。葉片表面具褶皺、溝槽、突起等結(jié)構(gòu)較多、氣孔密度較大的植物滯塵能力更強(qiáng)。4種植物在安寧區(qū)、西固區(qū)的滯塵能力均表現(xiàn)為小葉黃楊＞紫葉小檗＞衛(wèi)矛＞國槐。