常见地被植物叶片特征及滞尘效应研究

李超群，钟梦莹，武瑞鑫，刘月华，潘多，邵新庆∗

1. 中国农业大学动物科技学院草地研究所，北京 100193；2. 河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000

常见地被植物叶片特征及滞尘效应研究

李超群1，钟梦莹1，武瑞鑫2，刘月华1，潘多1，邵新庆1∗

1. 中国农业大学动物科技学院草地研究所，北京 100193；2. 河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000

近年来以大气粉尘颗粒物为首要污染物的雾霾天气在我国城市频繁发生，地被植物在控制缓解大气颗粒物方面的生态作用已成为研究热点。本研究拟在观察北京几种常见地被植物叶片形态特性的基础上，测定并计算单位叶面积的滞尘量和单位叶面积的最大滞尘量，试图揭示地被植物叶片阻滞、吸收大气颗粒污染物的机制，明确地被植物在缓解大气污染物种的贡献，并推荐应用于北京地区的优良滞尘地被植物，以期为控制和减轻北京大气污染，改善空气质量提供一定的科学理论依据。研究以北京绿化 5种常见的地被植物——高羊茅（Festuca arundinacea.）、白三叶（Trifolium repens.）、草地早熟禾（Poa pratensis.）、狗牙根（Cynodon dactylon.）和匍匐剪股颖（Agrostis stolonifera.）为研究对象，观察其叶片特征并测定其滞尘能力。通过比较分析，发现不同地被植物滞尘能力存在显著差异（P＜0.05）。其中：（1）狗牙根和白三叶的单位面积滞尘量最大，草地早熟禾次之，高羊茅和匍匐剪股颖滞尘量较小；（2）狗牙根最大滞尘量最大，白三叶次之，最后为高羊茅、草地早熟禾和匍匐剪股颖；（3）在一定时间内，5种地被植物的滞尘量均随时间延长呈现有限增长的趋势；（4）叶片滞尘量和最大滞尘量与叶面积呈现负相关关系，叶面积越小，单位面积的滞尘量和最大滞尘量越大；（5）除此之外，滞尘量与叶片结构形态也存在一定的关系。被毛或边缘有齿的叶片，其滞尘量越大。

地被植物；叶片特征；滞尘量；最大滞尘量

LI Chaoqun, ZHONG Mengying, WU Ruixin, LIU Yuehua, PAN Duo, SHAO Xinqing. Study on Leaf Characteristics and Dust-Capturing Capability of Common Ground Cover Plants [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 2050-2055.

大气污染是许多国家和地区面临的重要环境问题。近年来北京大气污染问题尤其突出，雾霾天气频发。如何减少北京雾霾天气的发生频率，如何改善空气质量、降低雾霾对人体健康的影响，受到公众的高度关注。大气颗粒物PM10和PM2.5是空气污染物的重要组成部分（陈小平等，2014），其中空气动力学当量直径为 2.5 µm细颗粒物是化学组成最复杂、危害最大的污染物之一（靳芳亮等，2013）。PM2.5比表面积大，携带大量有毒有害物质，且能直接进入人体呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支气管炎等疾病，也容易诱发心血管疾病，严重危害人们的健康；雾霾天气导致日照减少，儿童紫外线照射不足，严重时会造成佝偻病；此外，雾霾天气还可导致城市大气能见度的降低，容易造成交通阻塞，甚至发生交通事故。雾霾天气严重影响了人们的生产生活，美国、澳大利亚、加拿大等国家及世界卫生组织都出台了PM2.5的相关标准，并通过车辆技术改进、提高交通和能源效率及使用清洁燃料和过滤器等措施来控制和削减颗粒物排放（Schleicher et al.，2011），同时也在各个领域展开了研究。

在植物生态学研究方面，城市地被植物缓解污染和提高空气质量的作用得到重视，地被植物不仅在美化环境方面具有极高的应用价值，在改善城市大气颗粒物污染方面也发挥着重要的作用。地被植物能够吸附空气中的颗粒物，从而减少空气中颗粒物的含量，起到保护环境的作用。植物叶片表面特性及其自身湿润性决定了植物具有较强的滞尘能力。植物净化大气中颗粒物主要通过3个方面：停着（滞留）、附着、黏附，3种方式作用机制不同。王蕾等（2006）测定了北京市 11种园林植物叶面颗粒物附着密度，研究表明，植物主要通过叶片上表面滞留大气颗粒物，上表面滞留的大气颗粒物数量约为下表面的5倍。杨佳等（2015）通过对北京9个树种叶片滞尘量及叶面微形态的研究表明，不同树种叶片对颗粒物的滞留能力存在较大差别，并与其表面特性密切相关。在重力或者风的作用下，颗粒物沉降在植物表面。植物叶表面粗糙度等结构的变化会影响粉尘颗粒物的沉降模式（Lohr et al.，1996；Madhavi et al.，2006），由于叶片表面特殊的结构和润湿性可以截取和黏附大气颗粒物而被认为是净化城市大气颗粒物污染的重要载体（Freer-Smith et al.，1997；王会霞，2012）。目前有关叶片滞尘的研究主要集中在木本和灌丛植物，而对地被植物缺乏研究，有关地被植物在滞尘方面与木本和灌丛植物有哪些差别，以及为什么会有这些差别的研究还鲜有报道；并且在地被植被对PM2.5的阻滞和吸收作用方面仍没有定量化的研究，只有少量的关于不同植被对 PM2.5等颗粒物的阻滞和吸附的定性研究，比如叶片表面微形态的滞尘效应等等。地被植物对PM2.5的削减作用到底有多大，如何才能更高效地发挥地被植物滞尘的生态功能，这些问题还缺少必要的研究和总结。

本研究拟在观察北京几种常见地被植物叶片形态特性的基础上，通过室外测定并计算单位叶面积的滞尘量和单位叶面积的最大滞尘量，试图揭示地被植物叶片阻滞、吸收大气颗粒污染物的机制，明确地被植物在缓解大气污染物种的贡献，并推荐应用于北京地区的优良滞尘地被植物，以期为控制和减轻北京大气污染，改善空气质量提供一定的科学理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与试验条件概况

研究所用高羊茅（Festuca arundinacea.）、白三叶（Trifolium repens.）、草地早熟禾（Poa pratensis.）、狗牙根（Cynodon dactylon.）和匍匐剪股颖（Agrostis stolonifera.）种子由中国农业大学“农业部牧草与草坪草种子质量监督检验测试中心”提供。试验于2013年7─11月在中国农业大学资源与环境学院智能温室进行。

1.2试验设计

将高羊茅、白三叶、草地早熟禾、狗牙根和匍匐剪股颖的种子均匀撒播于上口直径为16 cm的花盆中，播量为12 g·m-2（邓菊芬等，1999）。培养基质为草炭土、蛭石和大田土的营养土，其体积比例为1∶1∶1。每种植物种植6盆，其中3盆用于叶片滞尘量测定，3盆用于测定最大滞尘量。适当浇水，待其长成草坪状后进行试验研究，测定不同地被植物的叶面积、叶长、叶宽、单位面积滞尘量和最大滞尘量等。为保证植物的高度，定期修剪。

1.3测定项目与方法

叶面积的测定：每盆植物中随机取 30片叶片（其中白三叶取30片小叶）置于MiraScan 6.3扫描仪下扫描，用Image-ProPlus 6.0进行叶面积的测定。

叶片滞尘量的测定：有研究表明，15 mm的降雨能够冲掉叶片的降尘（蔡永立等，2001；王艳芬等，2000）。测定前将待测的植物充分淋洗，并充分浇水，浇水后将花盆放在路边，分别在浇水后第3、5、7和9天，对5种地被植物同时取样进行测定。取样时，在花盆各部位均匀采集植物叶片，避免震动，每种植物每盆采集 30片叶。滞尘量的测定参考柴一新等（2002）的方法，将样品用蒸馏水浸泡 2 h，浸洗下叶片上附着物。用镊子将叶片小心夹出,，浸洗液用已烘干称重（W1）的滤纸过滤，将滤纸置于60 ℃下烘24 h，再以万分之一天平称重（W2）。两次重量之差，即采集样品上所附着的降尘颗粒物重量。然后用滞尘量除以叶片的面积，便可计算出单位叶面积的滞尘量。同时观测充分浇水后不同天数的叶片滞尘量。

叶片最大滞尘量的测定：用小毛刷收集路面尘作为人工尘源，用 10 μm滤膜过滤，参考黄慧娟（2008）的方法进行人工降尘。人工尘源距测试叶片10 cm，将灰尘均匀的撒到叶片上，直至尘土自叶片滑落为止，然后小心剪下叶片测定滞尘量。

叶片表面结构观察：每盆植物取几个叶片，观察不同植被叶表面特性的差异，如叶片形状、表面被毛情况和边缘粗糙程度等。

1.4数据分析

试验数据采用EXCEL和SPSS 17.0进行方差分析。

表1　不同地被植物叶片结构Table 1 Different structure of plant leaves

2　试验结果

2.15种地被植物叶片特征

2.1.1叶片表面特征

通过对5种地被植物叶片表面结构的观察，可以发现，不同地被植物的表面结构存在较大差异，如表1所示。其中除白三叶的叶片为心形外，其余的4种植物都为线状披针形；除草地早熟禾和狗牙根叶片两面无毛外，其余3种或者上表面披毛，或者下表面披毛；5种植物只有草地早熟禾边缘无齿，其余都有齿或者粗糙。

2.1.2叶片结构特征

5种地被植物单位叶面积、叶长、叶宽如图1、图2、图3所示，不同植物的叶片形态结构差异很大。不同地被植物单位叶面积差异显著，高羊茅的单位叶面积最大，达到1.65 g·m-2。草地早熟禾和匍匐翦股颖单位叶面积差异不显著。白三叶和狗牙根单位叶面积最小，分别是0.73、0.43 g·m-2（图1）。由图2可知，4种禾本科植物中差异显著，叶长分别是高羊茅>匍匐剪股颖>草地早熟禾>狗牙根，即高羊茅叶长最高，达到 14.2 cm，匍匐翦股颖、草地早熟禾、狗牙根叶长分别是11.77、9.21、7.99 cm。豆科植物白三叶叶长最小，只有1 cm。对5种地被植物叶宽进行分析发现，与叶长不同，豆科植物叶宽显著高于4种禾本科植物（P＜0.05），而禾本科植被之间叶宽差异不显著，其中狗牙根叶宽最小，只有0.09 cm（图3）。

图1　不同地被植物叶面积Fig. 1 Different areas of plant leaves

图2　不同地被植物叶长Fig. 2 Different lengths of plant leaves

图3　不同地被植物叶宽Fig. 3 Different widths of plant leaves

2.25种地被植物滞尘量比较

不同天数下，5种地被植物滞尘量差异显著。从表2可以看出，充分浇水后第3天，白三叶和狗牙根的滞尘量最高，草地早熟禾次之，匍匐剪股颖最低；第5、7和9天，都是白三叶和狗牙根的滞尘量最高，匍匐剪股颖的滞尘量最低。随着时间的延长，白三叶滞尘量分别增加了26%，76%，134%；草地早熟禾滞尘量分别增加了23%，75%，168%；高羊茅滞尘量分别增加了 48%，112%，174%；狗牙根滞尘量分别增加了 29%，111%，192%；匍匐翦股颖滞尘量分别增加了61%，126%，200%。

表2　5种地被植物滞尘量随时间的变化Table 2 Leaf dust-capturing capability of five plants over time

2.3地被植物滞尘量随时间的变化

5种地被植物的单位面积滞尘量均随时间的延长呈现出平稳增长的趋势（图4），充分淋洗后第3到5天增长较慢，第5天后增长较快。其中，狗牙根和白三叶随时间变化滞尘更多，草地早熟禾和高羊茅随时间变化滞尘次之，匍匐翦股颖随时间变化增幅最少。

图4　不同天数滞尘量Fig. 4 Dust-capturing capability of different days

2.4滞尘量与叶面积的关系

图5为充分淋洗后第3、5、7和9天的单位叶片滞尘量与叶面积的回归分析及回归方程，从图中可以看出，滞尘量与单位叶面积有显著相关性，且叶面积越小，单位面积的滞尘量越大。

图5　滞尘量与叶面积的关系Fig. 5 Relationship between dust-capturing capability and leaf area

2.55种地被植物的最大滞尘量

从图6可以看出，狗牙根的最大滞尘量最大，达到3.83 g·m-2，白三叶次之，为3.51 g·m-2。高羊茅、草地早熟禾和匍匐剪股颖的最大滞尘量分别为1.80、1.68、1.64 g·m-2，只接近狗牙根、白三叶的最大滞尘量的一半。

图6　不同地被植物最大滞尘量Fig. 6 Maximum dust-capturing capability of different plants

2.6最大滞尘量与叶面积的关系

由图7可知，叶片的单位面积最大滞尘量也与叶面积显著相关。在一定范围内，最大滞尘量随单位叶面积的增加而下降，直到叶面积大于150 mm2后，最大滞尘量随叶面积的增加而升高。

图7　最大滞尘量与叶面积的关系Fig. 7 Relationship between maximum dust-capturing capability and leaf area

3　讨论

北京的空气大多数时候处在污染之中，冬季更加明显。赵松婷等（2015）研究表明，北京29种园林植物叶片表面大部分尘埃为PM10，均在94%以上，PM2.5占比在85%以上，粗颗粒物的数量对总体数量的贡献非常小，均在6%以下。北京的园林树木滞尘能力差别较大，且对地被植物滞尘能力鲜有研究，因此筛选滞尘能力强的地被植物显得尤为重要。

植物大体上通过停着、附着和黏附3种方式进行滞尘（Prusty et al.，2005；Wang et al.，2007）。灰尘经过地被植物时，与叶片发生碰撞，一部分落到地上，一部分被叶片滞留。叶片滞留灰尘的数量随时间的延长而积累，在每次降雨或浇水后，叶片又被冲洗干净，重新开始滞留灰尘。一般认为，沾有灰尘的叶片在经过雨水冲刷之后又能够恢复滞尘能力（Wang et al.，2007；郭伟等，2010；余曼等，2009）。本试验研究了5种地被植物的叶片特征、滞尘量、最大滞尘量及其随时间的变化。

不同研究者（陈芳等，2006；姜红卫，2005；李海梅等，2008；吴中能等，2001）对不同植物类型以及不同种类之间滞尘能力的研究结论有很大差异。苏俊霞等（2006）等研究认为，植物滞尘能力大小为：草本>灌木>乔木>藤本。地面植被一般采用混播方式，研究不同植被的滞尘能力，对地面植被建植具有重要的指导意义。由表2和图6可以看出，不同地被植物滞尘量与最大滞尘量存在显著差异，其中狗牙根和白三叶的单位面积滞尘量和最大滞尘量最大，草地早熟禾次之，高羊茅和匍匐剪股颖滞尘量较小。由表1可以看出，白三叶的叶片为复叶，每个复叶有3片小叶，呈心形，叶片基本与地面平行展开。石辉等（2011）的研究结果表明，滞尘量与叶片倾角有一定的关系，叶片与地面的夹角越小，滞尘量越大。狗牙根与其他3种禾本科植物相比，叶面积、叶长和叶宽均比较小，但其滞尘量为何显著（P＜0.05）高于其他3种禾草，有待进一步研究。有研究表明，狗牙根与草地早熟禾和高羊茅相比，单个气孔面积较小，气孔密度较大，单位面积内气孔总面积较大，可能正是这种结构特征使得狗牙根叶片表面更加凹凸不平，从而使其单位面积的叶片滞尘量相对较大（郑群英等，2003）。本试验结果中，并没有得出明显的叶片表面粗糙情况与滞尘量的关系，但根据刘倩卉等（2011）、王会霞等（2010）和赵子忠等（2012）的研究，可知叶表面结构越粗糙，滞尘效果越好。

从图4可知，5种地被植物的滞尘量均随时间呈现平稳增长的趋势，此结果与齐飞艳等（2008）的研究基本吻合。充分淋洗后第3到5天增长较慢，第5天后增长较快，其中，狗牙根和白三叶随时间变化滞尘更多。然而，植物的滞尘量不是无限增加的，都有其极限值（王会霞，2012）。至于叶片持续滞留颗粒物多少天后达到饱和状态仍需进一步研究。因为充分淋洗后，叶片表面被洗干净，可以滞留灰尘，在叶片灰尘没有饱和的情况下，可以一直滞留灰尘，直到到达其极限值为止。从图5和图7可以看出，滞尘量和最大滞尘量与叶面积有显著的负相关性，叶面积越小，单位面积的滞尘量和最大滞尘量越大，可能是由于叶面积越小，在面积一定的情况下，叶片周长越大，单位面积的叶边界越大。也可能与叶片厚度，叶片载重量有关。有研究表明（赵松婷等，2014），微形态结构越密集、深浅差别越大，越有利于滞留大气颗粒物。本研究 5种地被植物除草地早熟禾外，其余几种植物叶片边缘都有锯齿，吸附灰尘的能力较好。

4　结论

综上所述，与地面平行的叶片对灰尘的滞留效果较好；不同地被植物滞尘量和最大滞尘量差异显著；叶片滞尘量和最大滞尘量与叶面积也有一定的相关关系，叶面积越小，单位面积的滞尘量和最大滞尘量越大；5种地被植物滞尘量均随着时间的延长呈现增加的趋势；5种地被植物中，白三叶和狗牙根的滞尘效果较好，在北京建植地被植被时可优先考虑增加这两种草的比例。

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Study on Leaf Characteristics and Dust-Capturing Capability of Common Ground Cover Plants

LI Chaoqun1, ZHONG Mengying1, WU Ruixin1,2, LIU Yuehua1, PAN Duo1, SHAO Xinqing1*
1. Department of Grassland Science, College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. College of Pratacultural Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Atmospheric dust particles as the primary pollutants of haze weather have occurred frequently in our city in recent years, groundcover plants in controlling ease the ecological role of atmospheric particulate matter has become a hot research topic. For the study of common ground cover plants purification effect of atmospheric particulates in beijing, in this test, Trifoliumrepens., Poapratensis., Festucaarundinacea., Cynodondactylon and Agrostisstolonifera. were our main study object, and we observed their leaf characteristics and measured their dust-capturing capability. Through the comparative analysis we found that different ground cover plants had significant differences. (1) Dust-capturing capability of Cynodondactylon. and Trifoliumrepens. is the largest, next in Poapratensis., and Festucaarundinacea and Agrostisstolonifera is the last; (2) The maximum dust-capturing capability of Cynodondactylon is the largest, next in Trifoliumrepens., and the rest is the last; (3) In a certain period of time, all of dust-capturing capability show a limited growth trend as the time increases; (4) Dust-capturing capability and the maximum dust-capturing capability both have certain negative correlation with leaf area: the smaller the leaf area, the greater dust-capturing capability and the maximum dust-capturing capability; (5) Besides, dust-capturing capability and leaf characteristics also have a certain relationship: blade with hairy or toothed edge, the greater the dust-capturing capability.

ground cover plants; leaf characteristics; dust-capturing capability; the maximum dust-capturing capability

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.020

X173

A

1674-5906（2015）12-2050-06

国家牧草产业技术体系（CARS-35）；公益性行业（农业）科研专项（201203006）

李超群（1990年生），男，硕士，主要从事草地管理和草地恢复研究。E-mail: 307613688@qq.com *通信作者：邵新庆（1969年生），男，副教授，博士，主要研究方向为草地生态恢复和草地管理。E-mail: shaoxinqing@163.com

2015-09-25

引用格式：李超群, 钟梦莹, 武瑞鑫, 刘月华, 潘多, 邵新庆. 常见地被植物叶片特征及滞尘效应研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(12): 2050-2055.