昆明市6个绿化树种叶表微结构与滞尘能力的关系研究

孙应都 陈奇伯,2 李艳梅,2 杨思莹

( 1. 西南林业大学生态与水土保持学院，云南 昆明 650233 ；2. 云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站，云南 玉溪 653100)

随着我国工业化及城市现代化发展，人们日益增长的物质生活水平与良好的大气环境形成反差，城市大气污染成为我国目前面临的越来越严重且急需解决的难题[1]。其中，大气颗粒物污染是危害大气环境质量的主要因素之一[2]。大气颗粒物是气溶胶状态的大气污染物，即空气动力学直径为0.001～100 μm的颗粒[3]，其组成成分主要包括碳（元素碳和有机碳）、硝酸盐、铵盐、氯盐、硫酸盐、矿物尘、多种重金属元素和水等[4]，因其粒径太小能直接被人体吸入，所以对人体危害最大[5]，同时也严重影响空气质量，阻碍社会可持续发展[6-7]。大量研究表明，植物能通过叶片表面自身结构对大气颗粒物进行滞留、吸附和黏附而达到滞尘的目的[8]，也能通过叶表面气孔的呼吸作用吸收有害气体并通过叶片体内的一系列反应对有害气体进行净化[9]，被称为“城市粉尘过滤器”，也被称为“大气净化器”[10]。因此，对植物的滞尘能力及滞尘机理进行研究，可为城市绿化树种的选择和配置提供科学依据。

近年来，许多学者对植物滞尘进行了研究，不同树种滞尘能力差异较大，植物之所以能降低大气颗粒物含量达到净化大气的效果，正是植物叶表微结构起到关键性的作用[11]。叶表的纤毛[12]、气孔[13]、沟壑形状以及褶皱情况[14]等不同导致不同树种对大气颗粒物的滞尘能力、滞尘途径等也有所不同。然而目前所做的大多数研究都集中在雾霾、沙尘暴频发的北方城市，对南方尤其是昆明研究比较缺乏，我国南北气候、能源结构等差异较大[15]，植被差异显著，已有的研究成果[9,16]不能为昆明绿化树种的选择提供依据。此外，目前对叶表微结构的特征，主要为定性研究[11-12]，且集中在单个指标[8]，不能全面揭示绿化树种滞尘的机理。

随着工业、旅游业的发展，有“春城”之称的昆明人口和车辆都急速上涨，截止2016年7月，昆明市常住人口达到600多万人，机动车达到225万辆[17]，而交通污染物已是许多城市最主要的大气颗粒物来源[18-19]，昆明的大气颗粒物含量也明显增加。本研究以对昆明6种典型绿化树种为研究对象，探究其叶片滞尘机理，筛选出滞尘效果最好的树种，为昆明城市绿化建设在树种选择方面提供参考依据。

1 研究区概况

昆明市位于云贵高原中部，主城区位于北纬25°02′11″，东经 102°42′31″，海拔 1891 m。全市土地面积21473 km2，市区面积330 km2。昆明属于亚热带高原山地季风气候，全年气候温和，四季如春，城区年平均气温14.8 ℃，年降雨量1102 mm，有“春城”之称，人口多，旅游业发达。采样点位于昆明城区穿金路（北纬 25°07′05″，东经102°74′37″）、白龙路（北纬 25°05′64″，东经102°74′22″）、霖雨路（北纬 25°09′49″，东经102°73′48″）和东风路（北纬 25°03′81″，东经102°71′96″）车流量较大的道路两侧的路边行道树及绿化带。

2 材料与方法

2.1 研究对象

选择昆明城区穿金路、白龙路、霖雨路和东风路绿化带中的6种使用频率最高且栽植10 a以上的典型绿化树种：常绿小乔木桂花（Osmanthus fragran）、常绿乔木广玉兰（Magnolia grandiflora）、常绿灌木红花檵木（Loropetalum chinense）、落叶乔木法国梧桐（Platanus acerifolia）、半常绿灌木锦绣杜鹃（Rhododendron pulchrum）、常绿乔木香樟（Cinnamomum camphora）为研究对象。

2.2 研究方法

2.2.1 样品采集

采集样品的时间为2016年9月、2016年12月、2017年3月、2017年6月。研究表明，当降雨量大于15 mm时可将植物叶片上的积尘冲掉[20-21]，且在冲洗后的7 d后叶片再次滞尘达到饱和[22]。因此，本研究选择在对应季节雨后持续晴天1周后的尽量无风或微风的天气采样，在穿金路、白龙路、霖雨路和东风路选择长势良好、树龄相近、在本地栽植10 a以上的植株进行采样，且采样植株距离道路中心的距离相等。在乔木树种外围2～3 m高处沿着不同方向随机采集比较完整的叶片30枚左右，灌木树种则在树冠周围随机采集（针对叶片较小的树种采集叶片80枚左右），并放入聚乙烯塑料袋进行编号，带回实验室处理，采集过程中应尽量避免叶片样品抖动而使尘土掉落。

2.2.2 样品测定方法

1）叶面滞尘量采用水洗过滤法进行测定。将孔径为0.45 μm的滤纸烘干至恒质量，用电子天平（精确至0.001 g）称量，计为m1；用去离子水将叶片样本浸泡2 h后仔细清洗，随后把叶片用镊子夹出晾干，将清洗液用之前烘干至恒质量的滤纸过滤，将滤纸置于60 ℃烘箱中烘干至恒质量，称量，计为m2。用叶面积仪Li-3000A（LICOR，美国）测出晾干的叶面积，计为S，按公式（1）叶片的单位滞尘量（m）。式中：m1为过滤前滤纸质量（g），m2为过滤后烘干滤纸质量（g），S为叶面积（m2），M为单位叶面积滞尘量（g/m2）。

2）其他指标测定。采集长势良好的叶片，立即编号封存于塑料纸内以免挤压破坏叶面结构；将封存在塑料纸内的叶片用纯净水清洗干净，从叶脉两侧的中部将新鲜叶片切成边长约5 mm的小方块4个（包括2个上表皮和2个下表皮），立即用2.5%戊二醛溶液固定24 h；用磷酸缓冲溶液清洗3次；随后用不同浓度梯度的乙醇脱水（分别为35%、50%、65%、75%、85%、95%、100%），最后滴入正丁醇加以干燥脱水；待干燥后将叶片小方块用导电胶粘上粘台，做好标记，并拿到E-1010型离子镀膜仪（Cressington Scientific Instruments，英国）中溅射镀金膜，随后放入S-3000N型扫描电子显微镜（5～30万倍，株式会社日立制作所，日本）上观察，并在观察效果最好的300倍视野拍下图片，最后将图片导入Image J软件并测出其沟壑宽度、保卫细胞面积、绒毛密度以及气孔密度等指标。

2.3 数据处理

所有数据使用SPSS19.0进行统计分析，图表均使用Excel 2007进行绘制。对年平均单位面积滞尘量进行差异性显著分析和聚类，对各季节单位面积滞尘量进行单因素方差分析，对叶表微结构参数进行差异性显著分析，对叶表微结构参数与滞尘量之间进行相关分析；用Image J软件测量叶表微结构的沟壑宽度、气孔数量、保卫细胞面积、绒毛数量等参数，并用Microsoft Excel 2007进行数据统计。

3 结果与分析

3.1 树种单位叶面积滞尘量分析

3.1.1 不同树种单位面积滞尘量比较

由表1可知，6个绿化树种1 a内平均单位面积滞尘量为0.727 5～4.532 5 g/m2，其单位面积滞尘量从大到小依次为桂花 ＞ 广玉兰 ＞ 锦绣杜鹃 ＞红花檵木 ＞ 法国梧桐 ＞ 香樟。且桂花与广玉兰、锦绣杜鹃、法国梧桐、法国梧桐、香樟之间都存在显著差异（P＜ 0.05），其中滞尘量最大的桂花的单位叶面积滞尘量是滞尘量最小的香樟的6.23倍。对6个树种滞尘量进行聚类分析，将滞尘能力强的绿化树种归为第1类（滞尘量 ＞ 3.000 g/m2）；将滞尘能力中等的绿化树种归为第2类（1.500 g/m2＜ 滞尘量≤3.000 g/m2）；将滞尘能力弱的绿化树种归为第3类（滞尘量≤1.500 g/m2）。桂花的单位叶面积滞尘量为4.532 5 g/m2，属于第1类；广玉兰、法国梧桐、锦绣杜鹃、红花檵木单位叶面积滞尘量中等，属于第2类；香樟的单位叶面积滞尘量为0.727 5 g/m2，属于第3类。

表 1 6个绿化树种滞尘能力及其聚类分析Table 1 Clustering analysis on dust detention ability of 6 green tree species

3.1.2 同一树种不同季节滞尘量比较

不同季节降雨量、风速、覆盖度等大气颗粒物背景值跟植物叶片滞尘量差异有关[23]。由表2可知，每个树种在不同季节的平均单位面积滞尘量均不同，具体表现为红花檵木和锦绣杜鹃每个季节之间差异性显著（P＜ 0.05），其他树种均存在2个及以上的季节差异性显著（P＜ 0.05）。除法国梧桐为春季滞尘量最大外，其他5个树种均为秋季或冬季节滞尘量最大，其中桂花、红花檵木、香樟为秋季滞尘量最大，广玉兰和锦绣杜鹃为冬季滞尘量最大。由此可见，同一树种在不同季节的滞尘能力存在显著差异（P＜ 0.05），而且在秋季或冬季的滞尘能力最好，6个树种滞尘量最好的季节的滞尘量分别是滞尘量最差的季节的1.88、3.83、9.68、13.51、5.27、1.36 倍。

表 2 6个绿化树种在不同季节的单位面积滞尘量比较Table 2 Dust retention per unit area of 6 greening tree species in different seasons

3.2 不同树种叶面微结构分析

6个树种叶表面电镜扫描照片见图1，不同植物叶片表面结构参数及其评价结果见表3。

图 1 6个绿化树种叶表面电镜扫描照片Fig. 1 Electron micrographs of leaf epidermis of 6 greening tree species

表 3 不同绿化树种叶片表面结构参数及其评价Table 3 Leaf surface structure parameters of 6 greening tree species and their evaluations

由图1可知，6个树种叶表的粗糙程度各不相同，在此将叶表的粗糙度划分为粗糙（沟壑较深且多、褶皱明显且起伏程度大）、较粗糙（沟壑深度、数量以及褶皱和起伏程度中等）、平滑（沟壑和褶皱较少、叶表光滑、起伏程度小）3个等级。锦绣杜鹃和红花檵木上下表皮粗糙度极高；桂花和法国梧桐较粗糙；广玉兰和香樟叶表光滑。6个树种的气孔均分布在下表皮，并且气孔的密度和开口的数量及大小均存在差异。在300倍视野下，按其气孔密度的大小可依次分为高、中、低 3个等级。其中高等表示在300倍视野下气孔数量大于100个，桂花气孔密度最大，气孔数量为113个，属于高等；中等表示在300倍视野下气孔数量在30～60个，法国梧桐和锦绣杜鹃的气孔数量分别为每300倍视野33个和60个，属于中等；在300倍视野下气孔数量小于30的表示低等，所以广玉兰、红花檵木和香樟均属于低等。

由表3可知，叶片微结构的各个指标在不同树种之间都存在显著差异（P＜ 0.05）。在6个树种中，叶表有绒毛的树种其绒毛均分布在下表皮，而绒毛的数量和卷曲情况却不相同。将叶表绒毛数量划分为高（每100倍视野 ＞ 60条）、中等（每100倍视野30～70条）、低（每100倍视野 ＜ 30条）、无 4个等级，广玉兰的绒毛数量高为73条/视野100倍，红花檵木绒毛数量中等为30条/视野100倍，法国梧桐和锦绣杜鹃的绒毛数量低，桂花和香樟叶片表皮则没有绒毛。

3.3 不同树种叶面微结构对滞尘的影响

3.3.1 叶片沟壑宽度及分布特征与滞尘量的关系

植物叶片的滞尘能力受其微结构的影响，其中叶片的粗糙程度及沟壑分布情况就能使滞尘能力产生差异[24]。本研究显示，香樟的沟壑宽度大而浅，分布比较规则，对应单位叶面积滞尘量最少，只达到0.727 5 g/m2；其次锦绣杜鹃和红花檵木的沟壑均较宽且凹槽较浅，附着在叶片上的颗粒物极不稳定，很容易被风吹或雨水冲刷而脱落，故滞尘量偏弱，分别为2.067 7 g/m2和2.001 7 g/m2。桂花叶面比较粗糙，有明显的褶皱，沟壑较深、分布不规则且宽度适中，所以桂花滞尘能力最强达到4.532 5 g/m2。从表3可以看出，广玉兰和法国梧桐的沟壑宽度最小，但2个树种的滞尘量没有达到最大，而是位居第2和第5，说明并不是沟壑宽度越小滞尘能力就越强。对植物叶表微结构特征与单位面积滞尘量做相关分析得表4，可以看出沟壑宽度和滞尘能力未达到显著相关。

表 4 植物叶表微结构参数与滞尘能力之间的相关性Table 4 Correlation between microstructure characteristics of leave surface and the dust detention ability

3.3.2 叶片气孔密度及开口大小与滞尘量的关系

气孔的密度和开口大小也是造成植物叶片滞尘能力差异的重要因素[24]。从表3和图1可知，6个树种的气孔密度和保卫细胞面积均表现为差异性显著（P＜ 0.05），气孔的开口大小不一，且没有发现分泌物。滞尘量最大的桂花气孔密度为113个/视野300倍，保卫细胞面积达到425.527 8 μm2，而且从图1a2中发现桂花下表皮气孔不仅密度大，开口也比较大，这在一定程度上能更容易和更多的阻滞各种粒径的粉尘颗粒物，同时也能使藏在气孔里的粉尘颗粒不易被风或雨水冲走，故加大滞尘的稳定性。其他5个树种的滞尘量都比桂花小，均在4.0 g/m2以下，对应的气孔密度也都较桂花小，均在60个/视野300倍以下，且保卫细胞面积也没有桂花大。滞尘量较差的5个树种气孔开口均较小，甚至有些气孔呈闭合状态，这就减少了气孔与粉尘颗粒物的接触几率，使其滞尘能力大打折扣。由相关分析可以看出，单位面积滞尘量与叶表的气孔密度和保卫细胞面积均呈显著正相关（P＜ 0.05），因此，单位面积滞尘量随着叶表的气孔密度和保卫细胞面积的增大而增大。

3.3.3 叶片绒毛密度及形态结构与滞尘量的关系

由表3可知，只有广玉兰、法国梧桐、锦锈杜鹃、红花檵木叶表有绒毛，且不同树种之间绒毛数量存在显著差异（P＜ 0.05），然而4个树种虽然有绒毛，但滞尘量均为中等。广玉兰的绒毛密度为73根/视野100倍，而法国梧桐、锦绣杜鹃和红花檵木的绒毛密度分别为10根/视野100倍、3根/视野100倍和30根/视野100倍，绒毛数量均较少，故广玉兰的滞尘量较其他3个树种大。但绒毛密度为30根/视野100倍的红花檵木滞尘量没有绒毛密度为3根/视野100倍的锦绣杜鹃大，且表4 中的相关分析表明，单位面积滞尘量与绒毛密度未呈显著相关。从图1可知，广玉兰下表皮绒毛都是互相缠绕状态，其他树种绒毛都呈针状或蜷曲状，且绒毛间距大，从而影响了叶片的滞尘能力。

4 结论与讨论

柴一新等[25]、李海梅等[26]、杨佳等[27]、程雨萌等[28]分别对哈尔滨市28个树种、青岛市城阳区主要园林树种、北京9个树种以及北京市5种典型植物进行滞尘测定，结果表明不同树种滞尘量差异显著，树种之间的滞尘能力可相差2倍以上，且不同树种在不同季节的滞尘量也有所不同，一般在降雨量较少的季节滞尘量最大。本研究显示昆明6个树种年均滞尘量存在显著差异且秋冬季节滞尘量最好，其中滞尘量最大的桂花的单位叶面积滞尘量是滞尘量最小的香樟的6.23倍，这与大量研究结果一致，说明不同树种滞尘能力差异确实存在显著差异。秋、冬季植物滞尘能力相对较好可能是因为昆明市在这2个季节属于旱季，降雨量远远小于春季和夏季，所以叶片滞留的灰尘很少被雨水冲刷。法国梧桐之所以表现为春季滞尘能力好可能是因为法国梧桐属于落叶树种，春季的法国梧桐叶片属于幼叶，表面长有大量绒毛，对灰尘的吸附能力强，所以滞尘能力大，到夏季和秋季叶片长大后，表面绒毛随之脱落，从而导致滞尘能力下降。

近年来很多专家学者将研究方向集中在植物叶片微观结构上，并认为树种间叶片的微观结构不同导致滞尘能力的差异，其中叶片的沟壑分布情况、绒毛数量及形状、气孔的数量及开口大小、分泌物等均是造成植物滞尘能力差异的主要原因[25]。杜双洋等[29]对长春市20个常用绿化树种的滞尘效果研究认为叶片表面粗糙、沟壑较宽且分布不规则更容易滞留各个粒径的颗粒物。叶面粗糙且沟壑较宽能增大和粉尘的接触面积，从而加大滞尘，本研究中滞尘能力最好的桂花具有这一特征，但并不是沟壑越宽滞尘能力越好。沟壑宽在一定程度上有利于阻滞不同粒径的颗粒物，使一些灰尘和颗粒物沉积在不规则的凹槽内，很难被风或雨水冲刷而脱落[30]，但凹槽太窄会大大减小其与粉尘的接触面积和颗粒物的滞留量，从而降低叶片滞尘能力。

王会霞等[31]认为有绒毛的叶片能形成一个湿润的小环境，且绒毛之间互相缠绕能卡住附着在绒毛上的颗粒物，都在一定程度上增强叶片的滞尘稳定性，而绒毛呈针状的叶片就不利于颗粒物的滞留。本研究中的广玉兰叶片下表皮布满缠绕型绒毛，法国梧桐、锦锈杜鹃和红花檵木虽有绒毛，但绒毛都呈笔直状态，故滞尘能力不如广玉兰，这与王会霞等[31]的结论一致。本研究表明，滞尘能力最强的桂花气孔数量多且开口大，而Burkhardt等[32]通过风洞实验证明，大多细小的颗粒物集中在植物气孔附近，说明植物气孔口的滞尘机理可能跟颗粒物粒径有关，这有待于进一步研究。有研究指出一些植物枝叶能通过分泌树脂、黏液、油脂等分泌物来吸附颗粒物，使吸附在枝叶上的颗粒物很难被风或雨水冲刷脱落，达到很好的滞尘效果[33-34]，本研究因6个树种均不产生分泌物，所以未深入研究。

可见，不同树种的叶片滞尘能力不同，昆明市6种典型绿化树种滞尘能力最强的是桂花。滞尘能力从大到小的顺序为桂花、广玉兰、锦绣杜鹃、红花檵木、法国梧桐、香樟。每个树种在春、夏、秋、冬季的滞尘能力也存在差异。对比发现，大部分树种在秋季或冬季的滞尘量达到最高。对叶表面微观结构进行观察发现，叶面不同的微观结构特征确实影响植物滞尘能力。具体表现为叶面越粗糙、沟槽越深、褶皱分布不规则、沟壑宽度适中，气孔密集且开口大，叶表长有大量缠绕型绒毛的树种滞尘能力强。