9个园林树种叶片表面吸附颗粒物特点及其滞留重金属能力

高海波

摘要：【目的】分析常見园林树种叶片表面的微形态结构、吸附颗粒物的粒径分布及滞留重金属能力，为选择和配置园林树种以改善我国空气环境质量提供科学依据。【方法】对垂柳（Salix babylonica）、油松（Pinus tabulaeformis）、紫叶李（Prunus cerasifea）、榆树（Ulmus pumila）、紫荆（Cercis racemosa）、国槐（Sophora japonica）、银杏（Ginkgo biloba）、大叶黄杨（Euonymus japonicus）和白蜡（Fraxinus americana） 9个园林树种的叶片进行低温冷冻干燥处理后，采用扫描电镜扫描其表面及滞留颗粒物的形态，以能谱仪测定叶片表面滞留的重金属成分，分析叶片表面微形态结构与滞留颗粒物的关系。【结果】在北京市六郎庄桥区域，大气中的颗粒物主要附着在绿化带园林树种叶片上表面，且以吸附可吸入颗粒物（PM10）为主;不同园林树种单位叶面积滞留大气颗粒物总数排序为大叶黄杨>白蜡>紫荆>国槐>油松>银杏>榆树>垂柳>紫叶李;银杏、紫荆和油松叶片表面具有较深且宽的沟槽，大叶黄杨和白蜡叶片表面具有蜡质结构，国槐叶片上表面具有较浅的波浪状突起和较短而稀疏分布的表皮毛，有利于大气颗粒物滞留;除紫荆和油松外，其他树种叶片上表面滞留细颗粒物（PM2.5）的能力明显高于下表面;9个树种叶片上表面的PM2.5/PM10平均值高于下表面。各树种叶片上表面吸附铝、铜、锌、砷和镉等重金属元素较多，吸附钛、铬、镍和铅等重金属元素较少。相关性分析结果表明，叶片表面滞留的锌含量与铜和砷含量呈显著正相关（P<0.05）。【结论】银杏、紫荆和油松叶片表面具有大量较深且宽的沟槽，大叶黄杨和白蜡叶片表面具有蜡质结构，国槐叶片上表面具有较浅的波浪状突起和较短而稀疏分布的表皮毛，均有利于吸附大气颗粒物，可作为滞尘能力较强的绿化树种选用。

关键词： 园林树种;叶表面;可吸入颗粒物;重金属;能谱仪

中图分类号： S719                  文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）05-1035-07

Abstract：【Objective】In order to provide a scientific basis for selecting and arranging garden trees to improve quality of air environment in China，some typical garden tree species were applied in the current study，where the analysis of relationships among the fine structures of leaf surface，the diameter range of absorptive particles and the remaining amount of mental particles were made. 【Method】Salix babylonica， Pinus tabulaeformis， Prunus cerasifea， Ulmus pumila， Cercis racemosa， Sophora japonica， Ginkgo biloba， Euonymus japonicus and Fraxinus americana were used as materials. The leaves of nine tree species were subjected to freeze-drying treatment. Scanning electron microscopy was used to scan the surface of the leaves and the morphology of the retained particles. The heavy metal components retained on the surface of the leaves were measured by energy spectrometer. The relationship between the micro-structure of the leaf surface and particles matter that remained on freeze dried leaves was analyzed. 【Result】The atmospheric particles mainly adhered to the upper surface of plant leaves，and were mainly inhalable particulate matter（PM10） in Liulangzhuangqiao， Beijing. The capability of different garden tree species to retain the total number of particles per leaf unit are sorted in order： E. japonicu>F. americana>C. racemosa>S. japonica>P. tabulaeform>G. biloba>U. pumila>S. babylonica>P. cerasifea. The surface of the leaf had deep and wide groove in G. biloba， C. racemosa and P. tabulaeform. E. japonicu and F. americana had waxy structure on the leaf surface. For S. japonica， the narrow groove on the surface of the leaf and the densely distributed short epidermal structure were conducive to the retention of atmospheric particles. Except for C. racemosa and P. tabulaeformis，the ability of other species to retain fine particulate matter（PM2.5） on the upper surface of the leaves was significantly higher than that of the lower surface. The average value of PM2.5/PM10 was characterized by the upper surface of the leaf being higher than the lower surface. The upper surface of the leaves of each tree species adsorbed more aluminium（Al），copper（Cu），zinc（Zn），arsenic （As） and cadmium（Cd） in the leaves，and less titanium（Ti），chromium（Cr），nickel（Ni） and lead（Pb） were adsorbed. Correlation analysis results showed that Zn retained was significantly positively correlated with Cu and As（P<0.05）. 【Conclusion】G. biloba， C. racemosa and P. tabulaeformis have a large number of deep and wide grooves on the surface of leaves， the leaves of E. japonicus and F. americana have a waxy structure， the upper surface of the leaves of S. japonica has shallow wavy fluctuations and a short and sparsely distributed epidermis. These features on the surface of the leaves are more conducive to the adsorption of atmospheric particles. These results show that these garden trees can be used as greening trees with strong dust retention ability.

Key words： garden tree species; leaf surface; inhalable particulate matter; heavy metal; energy spectrometer

0 引言

【研究意义】可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）分别为空气动力学直径小于或等于10.0和2.5 μm的大气颗粒物，PM2.5是影响我国空气质量的首要污染物（赵越等，2004）。大气颗粒物中的重金属元素具有不可降解性，能通过呼吸系统进入人体，其中附着在PM2.5的重金属元素可直接进入肺泡沉积，在人体内长期积累引发心肺疾病，对健康产生不利影响（Mazzei et al.，2008;侯聪等，2016;Zhang et al.，2016）。园林绿化植物叶片可通过吸附和滞留大气中的颗粒物以减少和控制大气中的颗粒物含量，发挥净化环境功能（陈波等，2018;林星宇等，2018）。但目前针对园林树种吸附大气颗粒物及滞留重金属能力等方面的研究鲜见报道。因此，分析常见园林树种叶片表面的微形态结构、吸附颗粒物的粒径分布及叶片滞留重金属的能力，对选择和配置绿化树种以改善我国空气环境质量具有重要意义。【前人研究进展】直接采用新鲜叶片进行扫描电镜观测是研究植物叶片滞留PM2.5等颗粒物粒径分布的常用方法（王蕾等，2006;Galindo et al.，2011;赵松婷等，2015）。田建平等（2008）研究认为，将植物叶片进行低温冷冻干燥处理有利于对叶片材料喷金后进行叶表面重金属元素含量测定。张银龙等（2010）研究发现，商业区和交通枢纽区重金属污染最严重，工业区铜和锌等重金属污染较严重。王丹丹等（2012）研究表明，沉积在叶片表面上含有重金属的颗粒物可通过气孔或受损伤的部位进入植物叶片内部。王会霞等（2012）研究显示，工业区植物叶面吸附的尘埃中重金属含量最高。刘璐等（2013）研究认为，对常见行道树种叶片进行扫描电镜观测时存在叶片滞留的颗粒物不能全部保留在叶面上、叶片由于失水导致叶面微形态改变及在分析叶面微形态的同时无法对叶面滞留重金属元素进行分析等问题。李新宇等（2016）研究认为，将植物叶片进行低温冷冻干燥处理能保持叶面微形态结构完整，扫描电镜得到的图像更接近真实情况。【本研究切入点】目前，关于植物滞留颗粒物的研究主要集中在不同植物滞尘量上，而结合植物叶片表面微形态结构、滞留的不同颗粒物粒径分布及对重金属元素滞留能力进行的研究未见报道。【拟解决的关键问题】以北京市西北四环六郎庄桥区域9个常见园林树种为材料，采用扫描电镜扫描其叶片表面及滞留颗粒物的形态，采用能谱仪测定叶片表面滞留的重金属成分，分析叶片表面微形态结构、吸附的颗粒物粒径分布及叶片滞留重金属能力，以期为全国各地选择和配置园林树种以改善空气环境质量提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试9个树种分别为垂柳（Salix babylonica）、油松（Pinus tabulaeformis）、紫叶李（Prunus cerasifea）、榆树（Ulmus pumila）、紫荆（Cercis racemosa）、国槐（Sophora japonica）、银杏（Ginkgo biloba）、大叶黄杨（Euonymus japonicus）和白蜡（Fraxinus americana），均种植于北京市西北四环六郎庄桥附近绿化带。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 样品采集 参照王蕾等（2006）的方法，选择大于15 mm降雨（一般认为15 mm的降雨可冲掉叶面附着的颗粒物）后的第7 d，分别在各树种的树冠四周及不同高度随机采集叶片样品，并用锋利刀片将叶片随机切割成2 mm×2 mm小块，充分混合后置于自制铜网中，放置识别标签后用液氮处理。样品带回实验室后，于-80 ℃真空冷冻干燥（VIRTIS-BT2KXL型，美国）6 d，经24 h缓慢升温至与室温平衡后，置于干燥器中备用。

1. 2. 2 测定指标及方法 扫描电镜及X射线微区分析：每个园林树种的叶片样品冷冻干燥后用锋利刀片沿叶片主脉切割成两部分，以便于在电镜测量时区分叶片的上、下表面。将带有主脉的叶片切段用双面胶粘贴在样品台上，置于日立E-1010型离子真空溅射仪中进行镀金处理后，在日立S-3400N型扫描电镜下进行观察并拍摄，记录叶片上、下表面表皮毛、树脂道、沟槽及不同粒径颗粒物的微形态结构，每个园林树种叶片的上、下表面均重复观测3次，每次重复观测时使用不同的2 mm×2 mm叶片。每次对叶片表面拍摄后，用日立EX-250X型射线能谱仪分别在叶片上、下表面随机选取5个颗粒物，测量其碳、氮、氧、铝、硅、硫、钙、钛、铬、锰、铁、镍、铜、锌、砷、镉、钡和铅等18种元素含量，计算铝、钛、铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅等9种重金属元素的重量相对百分比，每个园林树种重复观测3次，计算15个点的平均值。

1. 3 统计分析

采用Image J图像处理软件测量扫描电镜获取的叶片上、下表面不同颗粒物粒径，统计不同粒径颗粒物的数量，同一叶片测量3个区域，每个区域的面积为1000 μm2，计算平均值，然后分别计算PM2.5和PM10在1000 μm2叶面积范围内的数量占全部统计颗粒物数量的百分含量，用PM2.5/PM10表示粒径≤2.5 μm颗粒物与粒径≤10.0 μm颗粒物数量的百分比（Wang et al.，2006）。试验数据采用OriginPro 2018b进行统计分析和绘图。

2 结果与分析

2. 1 不同园林树种叶片表面的微形态特征

从图1可看出，垂柳叶片上表面分布的表皮毛较长且稀疏（图1-A1），下表面分布的表皮毛较粗短且密集（图1-B1）;油松叶片上、下表面均存在较规则、较深的条状沟槽及不规则的凹陷结构，叶片上表面有很强的黏性（图1-A2），下表面有规则分布的树脂道（图1-B2）;紫叶李叶片上表面存在大量较窄的纵横交错沟槽，沟槽边缘突起，同时分布有密集、呈放射状排列的突起状结构（图1-A3），下表面密布较宽的浅沟，气孔数量较多，气孔周围有辐射状排列的突起结构（图1-B3）;榆树叶片上表面存在大量不规则的突起状结构（图1-A4），下表面分布着密集的气孔，气孔间连接处存在连续的微小缝隙（图1-B4）;紫荆叶片上表面的粗糙程度（图1-A5）不及下表面，下表面存在大量突起，突起间形成较深的沟槽（图1-B5）;国槐叶片上表面较平整，仅有较浅的波浪状突起和稀疏分布且较短的表皮毛（图1-A6），下表面有较多气孔，气孔间形成較宽的沟槽（图1-B6）;银杏叶片上表面有大量较深且较宽的沟槽（图1-A7），下表面存在大量不规则的突起状结构，突起间存在细小、连续、条带状的缝隙（图1-B7）;大叶黄杨叶片上、下表面均较平整（图1-A8和图1-B8），但下表面有大量气孔（图1-B8）;白蜡叶片上表面较平整（图1-A9），下表面有大量气孔和宽窄不一的沟槽（图1-B9）;大叶黄杨和白蜡叶面均具有蜡质结构。

2. 2 不同园林树种叶片滞留颗粒物的粒径分布

由表1可知，9个园林树种叶片上、下表面滞留的颗粒物平均数量分别为132.4和53.1粒。其中，除紫荆叶片下表面滞留的颗粒物数量远多于上表面及油松叶片上、下表面滞留的颗粒物数量相当外，其他树种叶片上表面滞留的颗粒物数量均明显多于下表面;9个园林树种单位叶面积滞留的大气颗粒物总数排序为大叶黄杨（282.0粒）>白蜡（280.0粒）>紫荆（220.0粒）>国槐（205.0粒）>油松（189.0粒）>银杏（185.0粒）>榆树（149.0粒）>垂柳（97.0粒）>紫叶李（63.0粒）。结合图1中9个园林树种叶表面微形态特征分析，发现银杏、紫荆和油松叶面具有大量较深且宽的沟槽，大叶黄杨和白蜡叶面具有蜡质结构，国槐叶片上表面具有较浅的波浪状突起和较短而稀疏分布的表皮毛，均有利于吸附大气颗粒物。

从表1还可看出，9个园林树种叶片上表面滞留的大气颗粒物中，PM2.5和PM10的百分含量分别为74.3%和97.3%，粒径大于10.0 μm的颗粒物所占比例不到5.0%;叶片下表面PM2.5和PM10的百分含量分别为54.9%和86.4%，粒径大于10.0 μm的颗粒物所占比例不到15.0%，说明9个园林树种叶片上、下表面滞留的大气颗粒物多为粒径小于10.0 μm的可吸入颗粒物。

PM2.5/PM10反映叶片滞留的全部可吸附颗粒物（PM10）中细颗粒物（PM2.5）所占比例。由表1可知，9个园林树种PM2.5/PM10的平均值呈叶片上表面（76.4%）高于下表面（63.5%）的特点，表明各树种叶片上表面吸附PM2.5的能力强于下表面。9个园林树种中，仅紫荆叶片上表面的PM2.5/PM10（65.6%）低于叶片下表面（82.1%），同时发现垂柳叶片上、下表面的PM2.5/PM10均低于其他树种，且下表面吸附的颗粒物数量少、粒径较大。

2. 3 不同園林树种叶片表面滞留的重金属元素含量

由表2可看出，9个园林树种叶片上、下表面的铝、铜、锌、砷和镉等重金属元素相对重量百分比分别为0.77%、0.98%、0.34%、0.33%和0.21%，而钛、铬、镍和铅等重金属元素含量相对较低，表明铝、铜、锌、砷和镉等重金属元素是北京六郎桥区域空气中的主要重金属污染源。

2. 4 主要重金属元素含量间的相关性分析

由表3可知，北京六郎桥区域绿化树种叶面滞留的重金属中锌含量与铜和砷含量呈显著正相关（P<0.05，下同），铜含量与镍含量呈显著负相关，其他重金属元素含量间无显著相关性，表明该地区的重金属来源于多种因素，而其中锌含量与铜含量的相关性最高，相关系数为0.91，说明锌和铜具有相同的来源或相同的复合污染源。

3 讨论

王蕾等（2006）测定北京市园林植物（其中与本研究相同的植物有白蜡和国槐）叶面颗粒物附着密度，发现11种园林植物均主要通过叶片上表面滞留大气颗粒物。本研究结果与其相似，9个园林树种中除油松和紫荆外，其余7个树种主要通过叶片上表面滞留大气颗粒物，而紫荆叶片下表面滞留大气颗粒物的能力较上表面强，应与其下表面具有较深且宽的沟槽有关。

本研究结果表明，叶片上、下表面滞留大气颗粒物主要为粒径≤10.0 μm的颗粒物（即PM10），与王赞红和李纪标（2006）、谢滨泽等（2014）的研究结果基本一致，不同的是，本研究中垂柳叶片下表面滞留PM10的数量百分含量33.3%。PM2.5/PM10可反映植物叶片滞留粒径≤2.5 μm细颗粒物（即PM2.5）的能力，这部分颗粒物对人体健康危害极大。本研究中9个园林树种叶片上、下表面PM2.5/PM10平均为76.4%和63.5%，表明这些树种叶片具有较强的滞留PM2.5能力，但垂柳、榆树和国槐叶片下表面滞留PM2.5的能力不如其他树种。

本研究中，9个园林树种单位叶面积滞留大气颗粒物总数排序为大叶黄杨（282.0粒）>白蜡（280.0粒）>紫荆（220.0粒）>国槐（205.0粒）>油松（189.0粒）、银杏（185.0粒）>榆树（149.0粒）>垂柳（97.0粒）>紫叶李（63.0粒）。其中，银杏叶片上表面和紫荆叶片下表面存在大量较深且宽的沟槽，大叶黄杨和白蜡叶片上表面较平整但覆盖有蜡质结构，国槐叶片上表面有较浅的波浪状突起和稀疏分布的短表皮毛，因此滞留大气颗粒物能力较强;紫叶李叶片上表面分布大量较窄的沟槽结构，滞留颗粒物能力相对较弱;垂柳叶片上表面密集分布较长的表皮毛，滞尘能力较强，下表面的滞尘能力较差。柴一新等（2002）研究认为，树种间滞尘能力的差异由叶片形态结构决定，叶片的粗糙程度及叶片上、下表皮具有的形状是造成滞尘能力差异的原因。综合上述研究结果，叶表面具有较深且宽的沟槽有利于大气颗粒物积累，叶表面存在蜡质结构有利于大气颗粒物滞留;密集分布有较窄沟槽、较长表皮毛的叶片滞留大气颗粒物能力较弱。但也有研究认为，表面平滑且有蜡质结构的叶片滞尘能力较弱（刘璐等，2013）。

北京六郎桥区域是北京市的交通枢纽地区，汽车轮胎磨损和尾气排放的废气中含铜、锌和镉等重金属元素，导致该区域植物叶面滞留相对含量较高的重金属元素，与符小晴等（2018）的研究结果一致。本研究中，9个园林树种叶面上的铝、铜、锌、砷和镉含量均较高，与下表面滞留的重金属元素含量存在明显差异，其中，垂柳、紫叶李、榆树、国槐、银杏、大叶黄杨和白蜡叶片上表面滞留的重金属元素重量百分比均高于下表面，油松叶片上表面滞留的重金属元素重量百分比稍低于下表面，而紫荆叶片上表面滞留的重金属元素重量百分比明显低于下表面，可能与紫荆叶片下表面滞留的大气颗粒物中吸附了大量痕量元素有关。任乃林等（2004）研究表明，环境中的重金属被植物叶片滞留后，只有通过生物吸收才得以降解。王丹丹等（2012）研究认为，生产上的重金属污染大部分以颗粒状出现，或吸附在其他颗粒物上，沉积在叶片表面的颗粒物可通过气孔或受损伤的部位进入叶片内部。相关性分析结果表明，北京六郎桥区域绿化树种叶面滞留的重金属中锌含量与铜和砷含量呈显著正相关，表明这些重金属来源相同。张一修等（2012）研究认为，锌与铜主要来源于汽车轮胎磨损及燃油泄露，彭舜磊等（2017）研究发现，电厂、矿区绿化树种叶片吸附大气中的重金属铅、镉、铜和锌元素含量显著大于公园风景区，本研究结果与张一修等（2012）的研究结果一致，各园林树种叶面较高的锌和铜含量是交通排放的结果。代杰瑞等（2018）、王兴等（2018）研究认为，铝和砷主要来源于燃煤和工业污染，北京六郎桥区域园林树种叶片上的铝和砷含量较高，说明该区域树种叶面滞留的铝和砷主要来源于燃煤和工业等人为活动。

4 结论

9个园林树种叶片表面主要滞留颗粒物为粒径≤10.0 μm的PM10;上表面滞留粒径≤2.5 μm的PM2.5能力强于下表面，其中银杏、紫荆和油松叶面具有大量较深且宽的沟槽，大叶黄杨和白蜡叶面具有蜡质结构，国槐叶片上表面具有较浅的波浪状突起和较短而稀疏分布的表皮毛，均有利于吸附大气颗粒物，可作为滞尘能力强的绿化树种选用。

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（责任编辑 思利华）