7种绿化植物滞尘的微观测定

贾彦，吴超，董春芳，李常平，廖慧敏

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

大气污染一直都是许多国家和地区面临的重要环境问题[1-2]。大气污染物主要包括可吸入颗粒物(MP10)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)等，其中可吸入颗粒物已经逐渐成为我国许多大中城市的首要空气污染物[3]。在各种大气颗粒物中，粒径小于10 μm的颗粒物被称作可吸入颗粒物，已被证实是危害环境和人类健康的主要因素，而粒径小于2.5 μm的颗粒物(PM2.5)因为能够进入人体肺部导致肺泡发炎而被认为具有更大的危害性[2,4]。目前，防止大气颗粒物污染主要靠环境工程技术措施，而植物叶片以其特有的结构，通过停着、吸附或黏附3种方式进行滞尘，能有效地减少空气中颗粒物和空气中细菌含量[5-7]，所以植物滞尘的研究对大气污染的治理有重要意义。目前，大多数植物滞尘方面研究的采样地在北方城市，且从研究中不难发现：不同的植物由于树冠形状、叶片尺寸、叶片表面粗糙程度等不同而滞尘能力不同[7-9]。南北差异在植物形态结构上表现明显，为了有效利用植物防治颗粒物污染，对南方植物滞尘研究很有必要。近年来，长沙市工业生产、建筑施工较多，大气中颗粒物污染严重，而颗粒物中PM2.5所占比例大，酸性强，对人体危害大[10]。因此，选择长沙市7种典型绿化植物为研究对象，运用显微图像分析系统对其植物叶片滞尘能力和滞留粉尘粒径进行研究，利用电镜从叶片结构上对7种植物叶片进行观察研究，从微观角度探究影响植物滞尘的因素，以便为利用植物防治粉尘污染提供研究依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区概况

长沙市(111°53′E—114°15′E，27°51′N—28°41′N)位于湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘，是我国中部大气颗粒物污染严重的代表型城市。全市土地面积11 819.5 km2，其中城区面积556.33 km2。该地区属亚热带季风性湿润气候，气候温和，降雨充沛，雨热同期，夏冬季长，春秋季短。长沙市区年平均气温17.2 ℃，市区平均降雨量1 361.6 mm。长沙市建筑施工产生粉尘较多，采样地点选在周边有施工建设的长沙市潇湘中路和麓山南路路边及周边绿化带。

1.2 供试树种

从长沙市主要的常见绿化植物中选取7种典型绿化植物作为研究对象：小乔木紫叶李(Prunuscerasifera f.atropurpurea)、灌木或小乔木杜鹃花(Rhododendron moulmainense)、常绿乔木樟树(Cinnamomumphilippinense)、常绿灌木或小乔木桂花树(Osmanthusfordii)、灌木女贞树(Ligustrumquihoui)、常绿灌木或小乔木红桎木(Lorpetalumchindensevar.rubrum)和常绿乔木玉兰树(Magnolia denudata)。

1.3 研究方法

1.3.1 植物叶片微观滞尘测定

样品采集从4月初持续到6月初，在此期间，长沙市无异常天气变化，有少量的降雨和刮风天气。一般认为，降雨15 mm以上可以冲掉植物叶片上的降尘[8,11]，所以，样品采集从雨后持续晴天1周后(4月18日)开始，每周一和周四进行样品采集，总共采集样品9次。样品采集时，在同一采样地，每种植物选3株，每株采集20片树叶，采集过程中考虑树冠四周及上、中、下各个部位[12]。

用刀片分别从叶片不同部位随机切取边长约1 cm正方形样品，用镊子将其固定在载玻片上，对每个样品采用对角线法选取5个观测点。采用XSJ-HS型生物显微图像电脑分析系统(北京泰克仪器有限公司生产)观测叶片，对选区内图像进行采集，经过图像二值化，再作进一步处理后，计算每张图片中粉尘数量、选区内所有粉尘颗粒面积与选区内叶片面积比和粉尘颗粒粒径分布等各项参数。1.3.2 植物叶表结构观测

(1)摘取适量叶片，立即封存于塑料纸内以防挤压或叶毛被破坏；(2)在叶脉两侧的中部将新鲜叶片切成边长约5 mm的小立方块，立即用2.5%(体积分数)戊二醛溶液进行固定；(3)用磷酸缓冲溶液冲洗3次；(4)用梯度乙醇脱水，分为70%，80%，90%，95%和100% 5个梯度；(5)样品经过喷金处理后，采用FEI Quanta-200环境扫描电子显微镜(荷兰FEI公司生产)观察叶片的表面，选择适合的比例进行拍摄[13]。

2 结果与分析

2.1 植物叶片滞尘能力显微测定

滞尘能力是指单位叶面积在单位时间内滞留的粉尘量[14]。现根据显微分析系统工作原理，规定单位叶表面积滞尘量用显微图像选区内所有粉尘颗粒面积与选区内叶表面积比来表示，滞尘量用显微图像选区内粉尘颗粒面积表示。表1所示为7种植物叶片9次测得的滞尘能力及每种植物叶片9次测得滞尘能力的平均值。从表1可知：7种植物叶片滞尘能力从大到小的顺序为：桂花树，女贞树，杜鹃花，樟树，玉兰树，红桎木，紫叶李。桂花树滞尘能力最强，为1.367 615%；紫叶李滞尘能力最弱，为0.515 189%。

2.2 不同植物叶表结构分析

在电子显微镜下研究植物叶表结构(图1)，7种植物叶表结构特征见表2。从图1可以看到植物叶表纤毛、沟状组织、气孔、各种形状的突起等，其中白色颗粒状物质即为粉尘颗粒。植物叶片滞尘能力受较多因素影响，叶表结构是主要因素之一[15]。滞尘能力较强的桂花树、杜鹃花、女贞树叶表布满气孔或沟状组织。樟树、玉兰树叶片表面光滑，没有其他特殊结构，滞尘能力较弱。通过研究植物叶表结构可知：叶表的各种沟状组织、突起、气孔等结构增加了叶表粗糙度，增大了叶片表面与粉尘接触的面积，从而增强了叶片滞尘能力，但并非叶表结构粗糙有沟状组织等结构的叶片滞尘能力都强，红桎木与紫叶李叶表面密布着极细的浅沟状组织，滞尘能力却很弱。原因是浅沟太细，在滞留粉尘时，部分粉尘与叶片表面接触面积减小从而降低了滞尘能力。

2.3 不同植物叶片滞尘效果分析

每种植物叶片滞尘能力有不同程度的波动。从叶表结构分析，有分泌物或叶表粗糙有沟状组织、突起或气孔等结构特征的叶片滞尘能力较强且黏附在叶表分泌物上或滞着在沟壑中的粉尘受环境影响小；而叶表面光滑的叶片滞尘能力一般，滞着在叶表面的粉尘受环境影响较大，容易被风刮起或雨水冲掉。在7种植物叶表上都未发现分泌物，所以，叶片主要通过叶表纤毛或叶片阻挡粉尘并将其滞着在叶表或纤毛上或通过叶表沟状组织、气孔等结构滞着粉尘。大多数植物在滞着粉尘时由于叶表结构复杂，会以多种方式联合滞尘。通过显微观察可知：桂花树叶片表面粉尘大多分布在气孔及周围的脊状突起处，有少部分滞着在叶片表面上；杜鹃花叶表面粉尘部分滞着在沟壑中，部分滞着在纤毛和叶片表面上，所以，桂花树、杜鹃花滞尘能力虽然强但滞尘能力波动较大。女贞树叶片表面成鱼鳞状，滞尘的方式较单一，粉尘大都滞着在沟壑中，所以，滞尘能力波动较小。红桎木叶表结构和杜鹃花相似，有纤毛和浅沟组织，波动较大。紫叶李则与女贞树相类似波动较小。樟树与玉兰树叶片滞尘能力相近，但樟树叶片滞尘能力随时间波动明显较玉兰树大，两者叶表结构都比较简单，影响樟树滞尘能力波动的主要原因不是其叶表结构。观察植物及其叶片发现樟树叶片叶柄较其他植物叶片要长很多，且叶片之间间隔较其他植物宽，因此，遇到刮风下雨，叶片抖动幅度较其他植物叶片大很多，粉尘更容易从叶片上抖落。

表1 7种绿化植物滞尘能力Table1 Ability of dust adhesion of seven green plants %

表2 不同植物叶表结构特征Table2 Structure features on leaf surface for different plants

图1 7种植物叶表面电镜扫描照片Fig.1 Electron micro-configurations of leaf epidermis of seven green plants

由表1可知：滞尘能力有2次突然降低，第2周周一和第4周周一，在第1周周四到第2周周一这段时间内有较小的刮风下雨天气，在第3周周四到第4周周一这段时间内有较大的降雨过程，雨量超过15 mm。在降雨过程中，雨水将滞着在叶片上的粉尘冲洗掉，大雨过后，叶片重新开始滞尘，叶片上的粉尘随着时间越积越多，滞尘能力开始趋向一定范围内，再次回到相对稳定的波动状态。在第2周周一，除玉兰树外其他植物叶片滞尘能力都有不同程度降低，第4周周一7种植物叶片滞尘能力都降低，而第4周周四7种植物中只有玉兰树滞尘能力恢复到其平均值附近。分析可知：植物叶片滞尘能力不同程度地受外界环境的影响，在雨量超过15 mm的雨水冲刷下，7种植物叶片上粉尘基本都冲刷干净，不同植物叶片从雨后重新滞尘到叶片滞尘能力达到平均值附近所需的时间不同。

叶片滞尘是一个随时间积累周期变化的过程[16]，观察第4周周一及以后植物叶片滞尘能力的变化，发现雨后持续晴天，7种植物经过1周的滞尘，滞尘能力都恢复到各种植物的平均值附近。此后，叶片上由于已经布满粉尘，滞尘效果受到影响，只有将叶片上的粉尘冲洗掉后，才能恢复其原有较强的滞尘能力。

2.4 不同植物滞留粉尘颗粒粒径分布情况及分析

对于粉尘的研究可知粉尘粒径不同，对人体危害也不相同。PM10已被证实是危害人类健康的最主要物质，PM2.5因为能够进入人体肺部导致肺泡发炎而被认为具有更大的危害性。因此，只用单位面积滞尘量不足以衡量植物在降低粉尘对人体危害程度。由于PM2.5对人体危害更大，因此，对PM2.5滞留效果好的植物在人群聚集处对保护人体健康有更好的效果。

7种绿化植物滞留粉尘粒径分布情况见表3。由表3可以看出：7种植物滞留的粉尘主要是粒径在0～10 μm范围内的粉尘，其中粒径在0～2.5 μm范围内的粉尘颗粒数量约占50%，与TOMAŠEVIĆ等[17]利用扫描电镜-能谱分析仪(SEM-EDX)观测到的植物滞留的粉尘有50%是属于人类活动产生的细微颗粒(粒径D＜2 μm)的结论相接近。7种植物滞留粒径小于2.5 μm的颗粒数量最多的是红桎木，约占其叶表面粉尘颗粒数量的72%，最少的为女贞树，约占42%。植物滞留粉尘粒径分布与叶表面结构有着重要关系，由电镜观测发现，红桎木和紫叶李叶表面都有沟状组织，且相比其他植物沟壑的宽度要窄很多，在滞留粉尘过程中，这些沟状组织起到了筛选的作用，选出PM2.5并滞着在沟壑中。

表3 7种绿化植物滞留粉尘粒径分布情况Table3 Size distribution of dust particles adhering by seven green plants %

图2所示为7种植物对粒径在0～2.5，2.5～10，10～100 μm范围内的3种粉尘颗粒滞尘能力。对粒径在0～2.5 μm范围内的粉尘滞尘能力大于0.5%的植物有桂花树、杜鹃花、红桎木和女贞树；而对粒径在2.5～100 μm范围内的粉尘滞尘能力大于0.5%的植物有桂花树、杜鹃花和女贞树。红桎木滞尘能力只有桂花树的一半，但滞留PM2.5能力与其相似。同样，紫叶李叶片滞尘能力比玉兰树叶片的弱，但对于PM2.5的滞留能力较玉兰树的稍强一些。如果在以PM2.5粉尘为主的环境中，7种植物叶片滞尘能力强弱将有一定的改变，所以，环境中粉尘颗粒粒径分布情况对植物叶片滞尘能力也有一定的影响。

图2 7种绿化植物对不同粒径粉尘的滞尘能力Fig.2 Ability of seven green plants absorbing different size dust particles

3 讨论

植物滞尘能力受不同个体叶表结构，树冠形状，枝叶密集程度，叶面倾向等因素影响[18]。近年来，人们对植物叶表结构特征对植物叶片滞尘能力的影响进行了大量的研究。柴一新等[8]以哈尔滨市为例对城市绿化树种滞尘效应进行研究；陈玮等[7]对东北地区城市针叶树冬季滞尘效应进行研究，通过电镜观察研究得出叶表面具有沟状组织、密集纤毛的树种滞尘能力强；叶表面平滑，细胞与气孔排列整齐的树种滞尘能力差。虽然叶片结构粗糙，多沟壑、突起和气孔等结构的植物叶片滞尘能力强，但并非具有沟状结构的植物叶片一定有较强的滞尘能力，当沟壑宽度小于或等于粉尘颗粒粒径时，将不会增强植物叶片滞尘能力，甚至会降低其滞尘能力。

在刮风下雨等环境中，植物叶片以叶表分泌物黏附或以叶表沟壑等滞着2种方式滞尘，其滞尘能力波动较小，若以叶表面或纤毛滞着粉尘，其滞尘能力波动较大。同时，植物叶片叶柄长短，叶片间距也会影响叶片滞尘能力波动。对于叶片分泌物，其不同成分、黏性等将对植物叶片滞尘能力有不同的作用，受样品限制，未对其进行深入研究。粉尘颗粒尺寸对植物叶片滞尘效果也有一定的影响，由表3可知：植物叶片滞留的粉尘以PM10为主，叶片沟状组织对粉尘起到筛选作用，叶表沟壑较窄的叶片对粒径较小的粉尘颗粒表现出较强的滞尘能力。

对植物滞尘能力的研究有助于更好地利用植物治理粉尘污染，改善空气状况。根据城市空气中粉尘状况，选择滞尘能力较强的植物作为绿化植物栽植，并进行合理的结构设计，将对减轻城市粉尘污染起到重要作用。

4 结论

(1)长沙市7种典型绿化植物叶片滞尘能力从大到小的顺序为：桂花树，女贞树，杜鹃花，樟树，玉兰树，红桎木，紫叶李。桂花树、女贞树、杜鹃花叶表粗糙有沟状组织、突起或气孔等结构特征，滞尘能力较强；樟树、玉兰树叶表光滑无特殊结构，滞尘能力一般；但叶表有较细的浅沟状组织的红桎木、紫叶李因浅沟宽度较窄，减小了部分粉尘颗粒与叶表面接触得面积而滞尘能力较差。

(2)通过叶表沟状组织、气孔等滞着方式滞尘的叶片在外界环境影响下滞尘能力波动较小；以叶表纤毛、叶表面滞着方式滞尘的叶片在外界环境影响下滞尘能力波动较大。雨水可以有效地冲洗掉叶表粉尘，雨量大于15 mm可以将叶表粉尘基本冲洗干净。

(3)7种植物叶片中对PM10滞尘能力大于1.0%的植物有桂花树、女贞树、杜鹃花，对PM2.5滞尘能力大于0.5%的植物有桂花树、杜鹃花、红桎木、女贞树。根据叶表面沟壑的宽度选择并吸附相对应粒径的粉尘颗粒，沟壑较窄的叶片对粒径较小的粉尘表现出较强的吸附作用，因此，空气中粉尘颗粒粒径对植物叶片滞尘能力有一定的影响。

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