福州市19种灌木滞留颗粒物效应与叶片性状研究

段嵩岚，闫淑君，田高飞，金妍超，靳 莎，吴艳芳，刘 震

(1.福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002；2.山西农业大学 信息学院，山西 太谷 030080)

工业化水平和城市化过程的加深使大气污染问题日益严重，造成资源损失和人体身心健康的损害。可吸入颗粒物PM10(inhalable particulate matters)和细颗粒物PM2.5(fine particulate matters)对生物和生态环境产生严重风险，因其含量较高而成为大气颗粒物污染的首要污染物。以PM10和PM2.5为主的颗粒物污染防治成为当前大气污染治理急需解决的问题。研究表明，植物通过停着、附着和粘附3种方式来滞留颗粒物，减弱了颗粒物污染，明显改善了环境空气质量，通过植被经降雨冲刷清洗的循环作用来缓解城市颗粒物污染是目前无法完全通过治理污染源情况下解决污染问题的最佳选择[1-5]。自然状态下叶片对颗粒物的滞留是一个复杂的动态变化过程，受环境、人为及气象因素等其他因子影响[6-7]，树种滞留颗粒物的量均难达到饱和；此外，叶片是植物滞留颗粒物的主要载体，叶表面特性及叶型，叶序，叶色，叶形等性状特点对滞留颗粒物起至关重要的作用，决定其滞留能力。在植物滞留颗粒物的生态效应方面，前人已有较多研究，且多集中在植被吸附颗粒物的能力、过程、作用机理等方面[8-15]，结合叶片性状特点及饱和状态滞留能力的定量研究仍较少。通过对福州市19种道路常用绿化灌木在自然和饱和状态叶片滞留颗粒物的能力进行研究，同时研究叶片特征，并通过体视显微镜对叶片进行扫描，分析叶表面微结构，探究不同树种叶片滞留颗粒物能力差异的原因，为城市绿化建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试灌木种类 本研究选取福州市道路常用的19种绿化灌木：彩叶扶桑(Hibiscusrosa-sinensisvar.variegata,Hv)、鹅掌柴(Scheffleraoctophylla,So)、非洲茉莉(Fagraeaceilanica,Fc)、福建茶(Carmonamicrophylla,Cm)、红背桂(Excoecariacochinchinensis,Ec)、红花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum,Lr)、红花芦莉(Ruelliaelegans,Re)、红绒球(Calliandrahaematocephala,Ch)、红千层(Callistemonrigidus,Cr)、金叶假连翘(Durantarepens‘Dwarf Yellow’,Dd)、黄金榕(Ficusmicrocarpa‘Golden Leaves’,Fm)、花叶假连翘(Durantarepens‘Variegata’,Dr)、锦绣杜鹃(Rhododendronpulchrum,Rp)、琴叶珊瑚(Jatropapandurifolia,Jp)、雀舌栀子(Gardeniaaugustavar.radicans,Ga)、洒金桃叶珊瑚(Aucubajaponicavar.variegata,Aj)、三角梅(Bougainvilleaspectabilis,Bs)、小腊(Ligustrumsinense,Ls)、栀子(Gardeniajasminoides,Gj)、朱蕉(Cordylinefruticosa,Cf)。

1.1.2 采样时间与地点 所有滞尘过程均通过降水将尘埃颗粒洗出叶表来完成[4]，15 mm的雨量就可以冲掉植物叶片的降尘[4,16]，然后重新滞尘。自然状态滞留颗粒物能力的试验样品于冬季雨后1周(2016年1月3日)在白马北路采集，样点位于道路两侧的人行横道附近的绿化带，每种灌木采样点的植物配置方式均为单一灌木绿化，上方无乔木遮挡。洒金桃叶珊瑚位于高架桥下，福建茶位于白马北路和乌山路的十字路口；由于试验样品组数较多，在最大滞留颗粒物试验中，选取11个典型树种于2016年5月6日(春季) 在白马北路采集，并与春季(2016年3月30日于白马北路采样)自然状态下的11个树种进行对比[17]。人工尘源的搜集参考李少宁[18]的方法，利用吸尘器在白马北路搜集距离地面高度约为1.3 m处的大气颗粒物，主要组份为降尘(Dp>10 μm)、粗颗粒(2.5 μm

1.2 方法

1.2.1 叶片处理 每种绿化灌木设置3组重复实验，即将各灌木叶片分为等量的3组，各自放于3个已编号盛有蒸馏水的烧杯中，浸泡1～2 h，用小毛刷多次重复清洗叶片上下表面的附着物。

1.2.2 滞尘量及滞留细颗粒物量的测定 叶片总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量的测定方法参照洪秀玲[9]的水洗-滤膜法结合比例换算。

1.2.2.1 总滞尘量的测定 将各灌木编号的洗涤液直接用烧杯定容，待视线与刻度线齐平时读取读数，记为V1，用恒温磁力搅拌器搅拌洗涤液5～10 min至均匀分散，并移取15 mL于提前称重(M1)的培养皿中，记为V2，将盛有洗涤液的培养皿置于60℃电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070A型，上海一恒科学仪器有限公司)中烘干至恒重(2次测定值≤0.000 2 g)，用0.000 1 g天平(CP114，奥豪斯仪器(上海)有限公司))称量获得颗粒物质量M2；按照式(1)计算溶液颗粒物总量M总。

(1)

1.2.2.2 植物滞留不同粒径颗粒物量的测定 将孔径为10 μm和2.5 μm的微孔滤膜(含培养皿)(北京海成世洁过滤器材有限公司)烘干至恒重(M3)和(M4)，取相应级别滤膜依次进行过滤，然后将2次过滤后的微孔滤膜(含培养皿)分别放于60℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干至恒重并称量，记为(M5)、(M6)与干净滤膜(含培养皿)的质量差即为相应粒径范围内颗粒物量。依式(2)、式(3)计算洗涤液中Dp>10 μm、2.5 μm

(2)

(3)

M9=M总-M7-M8

(4)

M10=M9+M8

(5)

1.2.3 叶面积测定 叶面积测定采用辅助数码相机拍照法[19-20]：将待测叶片和一元硬币摆放于A3白纸上，利用数码相机拍照获取图像。在Photoshop6.0软件中打开图像，通过“魔棒工具”选定硬币周边轮廓，再通过“图像”菜单下的“直方图”选项，可得硬币像素A1；通过同样方式得叶片像素数A2；依式(6)得叶片总面积S2。

(6)

1.3 数据分析

用Excel 2003进行数据整理、图表制作，用SPSS22.0对树种自然和饱和状态下总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量指标的差异进行单因素方差分析(ANOVA)和LSD显著性检验，并用字母标记法表示差异显著性，处理间平均值差异显著水平(P<0.05)。并用SPSS 22.0对各树种自然状态下单位叶面积的总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的能力进行系统聚类分析。

1.4 叶片表面体视显微结构观察

于2016年7月6日(雨后1周)采集锦绣杜鹃、非洲茉莉、红花檵木、鹅掌柴等19种灌木的成熟健康叶片，将其制作成为10 mm×10 mm的样本，用体视显微镜(SZ760B2L)观察，总结记录每种植物叶片的显微结构，并应用Image-Pro Discovery软件拍摄获取叶片显微结构照片，以分析植物叶面结构特征对滞留颗粒物能力的影响。

2 结果与分析

2.1 绿化灌木滞留颗粒物能力比较

19种绿化灌木单位叶面积滞留颗粒物的能力受树种影响(表1)。其中，黄金榕总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的量均最大，分别可达3.945 9、2.132 3 g/m2和1.832 5 g/m2；洒金桃叶珊瑚总滞尘量最小，仅为0.620 1 g/m2；红背桂滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的量最小，为0.413 1、0.160 6 g/m2。方差分析表明，不同树种间总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的能力差异显著(P<0.05)。总滞尘方面，黄金榕能力最强，显著高于其他树种；滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒方面，黄金榕、雀舌栀子、琴叶珊瑚(滞留粒径<2.5 μm颗粒方面还有红花卢莉、红绒球和红花檵木)等树种的能力最强，显著高于其他树种；红背桂滞留粒径<10 μm的能力最弱，显著低于其他树种。总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量的极值，最大的黄金榕与最小的洒金桃叶珊瑚、红背桂之间分别相差6.4、5.2倍和11.4倍。

2.2 绿化灌木叶片性状与滞留颗粒物能力

2.2.1 绿化灌木叶片特征与滞留颗粒物能力 19种绿化灌木总滞尘、滞留各粒径颗粒物能力的聚类分析等级及树种的叶片性状见表2，叶类别依采样为标准，鹅掌柴、红绒球以小叶计。黄金榕、雀舌栀子等叶光泽有腺点，网脉且气孔密度高的树种能力较强；彩叶扶桑、非洲茉莉、红花檵木、红花卢莉、红绒球、金叶假连翘、花叶假连翘、锦绣杜鹃、琴叶珊瑚、栀子等叶边缘反卷叶表有光泽、被星状绒毛、深叶脉的树种能力强，毛杜鹃和雀舌栀子等叶表被短柔毛、有光泽，具轮生叶序的树种能力较强；彩叶扶桑、红花芦莉、红绒球、非洲茉莉、栀子、花叶假连翘、琴叶珊瑚等疏被柔毛、革质有光泽且具簇生和聚生叶序的树种能力中等，其他灌木能力弱。有缺刻叶缘较全缘能力更强；复叶和长椭圆形、狭倒卵形等线形叶影响树种的滞留能力；叶片的变色机制可能也影响其滞留能力。

表1 白马北路灌木单位叶面积滞留颗粒物能力比较(平均值±标准偏差)Table 1 Comparison of particles retained per unit leaf area on North Baima Rd (mean±SD)

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2.2 绿化灌木叶片微结构与滞留颗粒物能力 由图1可见，叶片上下表面均具有较强滞留颗粒物的能力。叶片被绒毛的红花檵木、红绒球、福建茶和锦绣杜鹃主要靠绒毛来滞留颗粒物。首先，植物叶片被毛，水分子出入气孔的速率降低从而在叶表形成较为湿润的微环境，增强了植物滞留亲水性颗粒物的能力[21]；其次，绒毛的形态和密度影响滞留颗粒物的能力，由图知，锦绣杜鹃上下表面均被绒毛，绒毛细长且密度大，整体被颗粒物覆盖，而福建茶只有上表面密被短绒毛，滞留于其上的颗粒物易在风和降水作用下扩散，滞留能力弱于锦绣杜鹃。红绒球上下表面仅叶脉处被稀疏绒毛，滞留能力差。红花檵木上下表面密被星状绒毛，绒毛的比表面积大，且星状绒毛上的叉状毛既可独立，又能交错创造出复杂的立体空间结构，滞留于其中的颗粒物更不易被风和降水等外界因素干扰，因此滞留能力强[21]；此外，叶片具深沟壑和网状脉的彩叶扶桑、鹅掌柴、雀舌栀子、栀子等种类的深沟壑和网状脉内滞留了大量颗粒物，颗粒物深陷于其中，不易受外界风和降雨等影响，滞留能力较稳定。黄金榕叶片虽光滑，但上下表面均具有一层较厚的疏水蜡质，和相对粗糙表面上微米结构的乳突共同造就了叶表的自清洁性。微表面越粗糙，自清洁性越强，锁住的空气就越多，滞留的疏水性颗粒物也越多[22-25]；叶片上下表面有气孔的非洲茉莉、琴叶珊瑚、洒金桃叶珊瑚具有高密度的气孔，能较大程度地滞留细颗粒物；朱蕉上下表面的深浅差别较大，形成的条状凸起和沟壑增大了与颗粒物的作用面，其内滞留有相当一部分颗粒物，不易受风和降水的影响，效果较稳定。

2.3 绿化灌木饱和滞留颗粒物能力

在人工条件下使各树种叶片的总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的量趋于饱和状态，除福建茶，其余10种绿化灌木春季单位叶面积总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量均增至最大，树种每个指标的排序总体而言也发生了较大的变动。自然状态滞留能力较弱的锦绣杜鹃、琴叶珊瑚、花叶假连翘和鹅掌柴在饱和状态的滞留能力却显著高于其他树种。饱和滞留颗粒物能力也受树种影响(表3)，其中，锦绣杜鹃饱和状态的总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的量最高，分别可达6.672 5、4.466 2 g/m2和4.302 1 g/m2，是自然状态下的7倍左右；福建茶饱和状态的总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量最低，仅为1.200 5、0.693 4 g/m2和0.471 0 g/m2，且低于自然状态。这是因为福建茶易滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm的颗粒，而自然状态此2种颗粒常悬浮于一定环境的空气中，人工收集的颗粒物以及施放的过程均会减小这2种粒子的比例。

表2 白马北路19种绿化灌木叶性状与滞留颗粒物级别分析Table 2 Analysis of leaf characteristic with its retaining capacity levels of 19 greening shrubs

表3 灌木春季饱和和自然状态滞留颗粒物能力分析Table 3 Comparison of particulate matters retained at natural and saturation in spring

图1 19种灌木叶表面微结构体视显微镜图像(×350)Fig.1 Stereomicroscope of microconfigurations of leaf epidermis of 19 greening shrubs(×350)

各树种总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的饱和滞留量较自然状态均呈倍增加，总滞尘方面，滞留量增长最多的为锦绣杜鹃，其单位叶面积滞留量增加了5.413 8 g/m2，是自然状态的5.3倍；鹅掌柴、小腊、琴叶珊瑚增长量也较明显，饱和状态的滞留量均达到自然状态下的4.2倍以上；滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒方面，鹅掌柴、小腊和锦绣杜鹃其单位叶面积滞留量均较明显，是自然状态的6～10倍，鹅掌柴滞留粒径<10 μm颗粒的量和锦绣杜鹃滞留粒径<2.5 μm颗粒的量增长最大，分别增加了3.796 6 g/m2和3.703 7 g/m2。方差分析表明，树种间的饱和总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量差异显著(P<0.05)。饱和总滞尘方面，锦绣杜鹃、琴叶珊瑚、花叶假连翘、鹅掌柴、黄金榕、红背桂的滞留量较大，显著高于其他6个树种，黄金榕自然或饱和状态下的总滞尘量均显著高于红背桂、非洲茉莉和小腊；饱和滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒方面，两者强弱排序一致，仅有洒金桃叶珊瑚、非洲茉莉、福建茶3个树种能力较弱，显著低于其他8个树种。红花檵木自然或饱和状态下的总滞尘量均显著高于洒金桃叶珊瑚、非洲茉莉、小腊和福建茶。

3 结论与讨论

3.1 叶片性状对滞留颗粒物能力的影响

植物主要通过叶片滞留各粒径颗粒物，而叶片性状是滞留能力强弱的决定性因素[26]。树种不同，个体性状不同，叶表面特性、树冠结构、枝叶密度和叶片着生角度等均不同，树种滞留颗粒物的能力也不同[27]。本研究中，19种绿化灌木单位叶面积总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒的能力由于自身叶片性状、叶表面微结构以及所处位置不同而不同。

叶片性状上，植物叶表的绒毛、沟壑、叶片的着生方式、叶型的复杂程度、叶形状、叶缘形式以及叶边缘是否微卷皱缩等形态均影响其滞留能力。研究表明，植物叶片主要通过滞留、附着和粘附3种方式滞留颗粒物，叶片的粗糙程度影响其滞留能力[4,10,22,28-30]。树种叶表越是粗糙，在大气颗粒物沉降、扩散过程中所受阻力越大，叶片捕捉颗粒物的能力越强。彩叶扶桑、金叶假连翘、花叶假连翘、红花檵木、锦绣杜鹃、小叶黄杨、夹竹桃等有沟壑、绒毛、洼点和腺点、叶表粗糙的树种滞留能力强；叶表绒毛密集的树种较其他绒毛稀疏的树种滞留能力更强[31]，本研究中3种被绒毛植物的滞留顺序为红花檵木(星状绒毛)>锦绣杜鹃(密被柔毛)>红绒球(疏被柔毛)，红花檵木叶表的星状绒毛比表面积大，锦绣杜鹃的绒毛密度较红绒球大，因此叶片表面的绒毛形态和密度也影响其滞留能力；轮生、丛生及簇生叶序增大了叶片密度和叶片与颗粒物充分接触的程度，颗粒物通过树种时不易随风扩散或受重力沉降，栀子、雀舌栀子、夹竹桃、琴叶珊瑚、法国冬青和海桐等树种的滞留能力强；狭长叶如海桐、法国冬青、夹竹桃等，多裂如八角金盘，边缘有缺刻如琴叶珊瑚、花叶假连翘、金叶假连翘等以及复叶植物如红绒球、鹅掌柴、双荚决明等易形成湍流，利于粒径<2.5 μm颗粒物的滞留[30]；有研究显示紫背竹芋、紫背万年青、羽衣甘蓝和红背桂的显色部位均具有显色的气孔器护卫细胞，而研究表明气孔密度越大越利于叶片滞留颗粒物[10,32-34]，因此一些色叶植物的滞留能力也较强。

叶表面微结构上，植物叶表面具有的特殊结构包括绒毛、深沟壑、气孔、小室、蜡质层以及条状突起等树种如锦绣杜鹃、黄金榕、小叶黄杨、红花檵木、雀舌栀子、琴叶珊瑚、金叶假连翘、朱蕉均具有较强滞留颗粒物的能力，尤其是细粒子。颗粒物卡在绒毛间、气孔和小室内及条状突起间的凹槽内，均不易受风和降雨影响而脱落，具有稳定的滞留效果。

此外，若树种位于一些高人车流密度的位置如白马北路高架桥下的洒金桃叶珊瑚和十字路口的福建茶，其滞留颗粒物能力较强，由于绿化灌木叶片对颗粒物的滞留是一个逐渐饱和的过程，其滞留能力也随颗粒物背景浓度的增大而增大。

3.2 人工模拟对灌木叶片滞留能力的影响

园林植物通过阻滞吸附等物理和化学方式显著消减大气颗粒物污染[1,35]，细颗粒物和超细颗粒物经气孔进入植物体内，直接被植物体吸收参与生理循环；一定污染程度下，叶片内部结构随污染程度不同将发生适应性改变，但仍能正常生长[33,36]，蒙尘叶片经雨雪冲洗后重新具有滞留能力，可重复利用[4]，植物可有效改善城市空气质量。但植物对颗粒物的滞留也存在一个饱和限度，作为道路绿化树种的大叶黄杨半月内单位叶面积的总滞尘量趋于饱和[11]，作为居住区绿化树种的国槐1月内单位叶面积的总滞尘量达到饱和[5]，说明由环境和人为因素导致的大气颗粒物背景浓度的不同对于叶片滞留颗粒物的量到饱和有重要影响；接触角大的叶片与颗粒物的接触面积反而小，降低了颗粒物与叶表的亲和力[24]，导致滞留的颗粒物在风和降水等作用下离开叶面[16]，说明气象因素对树种叶片滞留颗粒物的量到饱和也有影响。因此，自然状态下叶片滞留颗粒物受环境、人为及气象因素等其他因子的影响，树种的总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量均难达饱和。本研究中，除福建茶，各树种饱和状态下的总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量较自然状态均显著增加，同时使植物滞留各粒径颗粒物至饱和的潜力得到量化。

有研究表明，叶表密被绒毛的悬铃木、国槐、榆叶梅等树种和叶片接触角较小、易润湿的树种最大总滞尘量大[16]。本研究中，锦绣杜鹃的饱和总滞尘、滞留粒径<10 μm和粒径<2.5 μm颗粒量最大；而自然状态则是红花檵木，两者叶片均被绒毛；其次是琴叶珊瑚，而自然状态洒金桃叶珊瑚次之，两者叶片均上表面具深叶脉，下表面具气孔；黄金榕由于具厚蜡质层和高密度气孔，饱和或自然状态的滞留能力均较强。总体而言，无论饱和或者自然状态，叶表具特殊微结构的树种如被绒毛类(锦绣杜鹃)、深沟壑类(琴叶珊瑚、花叶假连翘、红背桂)、高密度气孔类(黄金榕、琴叶珊瑚、洒金桃叶珊瑚)滞留能力强，但也受树种、环境和人为因素的影响。

在实际应用中，主要搭配种植滞留相应粒径颗粒物潜力较强和叶片性状特殊的树种，并进行合理浇灌，帮助叶片进行清洁，提高叶片滞留颗粒物的效率，高效发挥植物滞留颗粒物的生态功能。