城市绿化植物对不同粒径大气颗粒物的吸附特征研究*

查 燕 马华升 俞祥群 张银龙

(1.杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024；2.南京林业大学江苏省南方现代林业协同创新中心，江苏 南京210037)

随着城市经济的飞速发展，城市空气污染日益严重，颗粒物成为影响城市大气环境的首要污染物[1]。这些颗粒物悬浮于大气中，能富集重金属、多环芳烃、细菌、病原微生物等有害物质[2-3]，对人类健康构成潜在威胁。植物通过其庞大的叶表面能够有效吸附颗粒物[4-5]，可作为改善城市环境的重要手段[6-8]。

植物叶片具备特殊的表面结构(绒毛、气孔和粗糙表皮等)，能够有效阻滞和截留空气中的污染物[9-10]，不同植物叶片微结构是导致其滞留颗粒物差异的重要因素[11],[12]16。有研究表明，不同粒径颗粒物质量和数量的分布特征能够反映出不同污染水平下大气光化学反应过程和区域排放源特征[13]，然而，目前有关植物叶片对不同粒径颗粒物质量和数量的吸附特征研究却鲜有报道。有关绿化植物叶片吸附不同粒径颗粒物的区域差异和种间差异、不同粒径颗粒物质量及数量在叶表面的分布特征、叶片微结构对不同粒径颗粒物吸附的影响研究还需深入探讨及总结。为此，本研究在南京市城区、城郊区和远郊区选取4种常见绿化植物，分析植物叶片吸附颗粒物的区域差异及种间差异，探究单位叶面积吸附不同粒径颗粒物的质量和数量百分比，剖析植物叶片微结构对单位叶面积吸附不同粒径颗粒物质量和数量的影响，以期为筛选吸附颗粒物能力强的树种提供理论参考，同时为城市绿地建设和城市生态环境改善提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试树种

南京市立体交叉绿地中灌木以红叶石楠(Photiniaserrulata)、海桐(Pittosporumtobira)、桂花(Osmanthusfragrans)为主[14]，而二球悬铃木(Platanusorientalis)是南京近代绿化历史的典型代表，因此本研究选取此4种绿化植物作为供试对象。

1.2 采样点选择和样品采集

根据4种常见绿化植物分布状况，分别布设二球悬铃木(35个)、海桐(56个)、桂花(38个)和红叶石楠(48个)采样点。选取叶面积指数相近、生长状况良好、树形相近的成熟健康的植株作为样本，以减少个体差异而导致颗粒物吸附量的差异。每个采样点每个树种选择5～8株样树，采集叶片的高度：乔木约为2.0～6.0 m，灌木约为0.5～2.0 m。根据树种自身的高度特点，从东南西北4个方向上、中、下不同高度位置均匀采集叶片。根据各种植物叶片面积大小，分别采集足够叶片数量。每种植物在每个采样点各采集4份样品作为重复，采样前2周内无降雨和大风事件。

1.3 样品处理

1.3.1 叶片微结构观察

每种植物分别选取6片未清洗的新鲜叶片，用刀片避开叶脉取5 mm×5 mm的正方形若干，分上下表面分别制样。用真空冷冻干燥机(-83 ℃)干燥36 h。样品干燥后经过喷金处理，采用扫描电镜(SEM，FEI Quanta-200，美国FEI公司)观察叶片表面微结构。

1.3.2 颗粒物质量测定

颗粒物质量测定的具体操作步骤参照文献[15]。分别将孔径为2.5、10.0、0.2 μm的滤纸放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，取出后用万分之一天平称重，分别得到各孔径滤纸初重。结合超声波清洗及软毛刷轻刷方法将叶片上的颗粒物充分溶解于去离子水中，用已烘干的不同孔径滤膜放置在直径47 mm的真空抽滤装置(R300E，美国Sciencetool)中依次进行3次分级抽滤，得到的载尘滤膜放置60 ℃烘箱中烘干至恒重，取出后置于万分之一天平称重，分别得到各滤纸重量。用差量法分别计算各样本中总颗粒物(TSP)、大颗粒物(粒径>10.0 μm)、粗颗粒物(2.5 μm<粒径≤10.0 μm)、细颗粒物(0.2 μm<粒径≤2.5 μm)的吸附质量，用3000c型叶面积仪计算叶面积，计算单位叶片面积的颗粒物吸附量。

1.3.3 颗粒物数量测定

用Photoshop软件对SEM图选区，扫描两次计算像素的平均值。根据实际坐标换算出选区真实面积，经扫描仪(Scanjet 4850)扫描对颗粒物数量进行统计。由于观测影像上颗粒物多为不规则形状，所以要利用Erdas、Photoshop软件对图像进行增强处理，以便提取出颗粒物的栅格图像，再利用ArcGIS 10.2等软件对处理后的图像进行二值化、重分类等处理，提取出叶面颗粒物的矢量图像，得出不同粒径颗粒物数量、体积、面积等分布情况。

1.4 数据分析

运用SPSS 19.0软件进行数据处理分析，运用Origin 9.0软件对分析结果作图。

2 结果与讨论

2.1 植物叶片对颗粒物吸附的区域差异

植物叶片对颗粒物的吸附特征见图1。城区4种植物叶片对TSP的吸附量显著大于远郊区，城郊区、远郊区海桐和桂花叶片对TSP的吸附量具有显著差异(见图1(a))。城区二球悬铃木、红叶石楠对大颗粒物的吸附量均显著大于城郊区和远郊区。城区海桐和桂花叶片对大颗粒物的吸附量显著大于远郊区(见图1(b))。城区二球悬铃木叶片对粗颗粒物的吸附量显著大于城郊区和远郊区，城区海桐和红叶石楠叶片对粗颗粒物的吸附量显著大于远郊区。城区和城郊区桂花叶片对粗颗粒物的吸附量显著大于远郊区(见图1(c))。城区二球悬铃木叶片对细颗粒物的吸附量显著大于城郊区和远郊区，城区和城郊区海桐、红叶石楠和桂花叶片对细颗粒物的吸附量显著大于远郊区(图1(d))。

总体而言，4种植物叶片对不同粒径颗粒物的吸附量均表现为城区>城郊区>远郊区，说明不同研究区域下大气颗粒物的污染浓度水平存在差异。城区和城郊区有2～3种植物叶片对不同粒径颗粒物的吸附量无显著差异，但均与远郊区差异显著，说明城区和城郊区近地表颗粒物粒径组成差异不大，远郊区植物叶片颗粒物质量较小，可能是受该区域大气颗粒物污染浓度影响。

注：图中小写字母不同表示不同区域间数值差异显著(p<0.05)，小写字母相同表示不同区域间数值差异不显著；大写字母不同表示不同植物之间数值差异显著(p<0.05)，大写字母相同表示不同植物之间数值差异不显著。

2.2 植物叶片对颗粒物吸附的种间差异

由图1可见，总体看来，不同区域下二球悬铃木叶片对TSP、大颗粒物、粗颗粒物和细颗粒物的吸附量均显著高于其他3种植物，海桐和红叶石楠叶片之间无显著差异，但均高于桂花。研究表明，植物对特定粒径颗粒物具有明显的吸附作用，而不同粒径颗粒物在大气环境中的形成方式不同。粒径在10.0 μm以上的颗粒物主要通过湍流撞击形成，粒径在0.1～10.0 μm的颗粒物受扩散过程和湍流运动的双重影响，而粒径小于0.1 μm的颗粒物则主要通过布朗运动无规则运动碰撞而成[16]。其中，大气中粒径较大的颗粒物能够在重力作用下沉降于地表，地面扬尘粒径大部分在30 μm以上[17]。本研究中红叶石楠、海桐和桂花均属于低矮灌木，受地面扬尘中大颗粒物、粗颗粒物的影响较大。根据大气颗粒物的理化性质可知，粒径小于1.0 μm的超细颗粒物能够长期悬浮于大气中，其在空中的比例高于近地表，在气流作用下被高大树冠拦截吸附在叶片表面[18]，因此，二球悬铃木具有吸附细颗粒物的优势。

2.3 植物叶片上颗粒物的质量分布特征

不同区域4种植物叶片对不同粒径颗粒物均表现出相同吸附规律(见图2)，大颗粒物所占质量分数最大，平均为67.54%，粗颗粒物、细颗粒物平均质量分数分别为21.62%、10.84%。植物对不同粒径颗粒物的吸附能力具有种间差异，桂花对大颗粒物的吸附效果最佳，其叶片上大颗粒物平均质量分数高达74.73%；二球悬铃木上大颗粒物平均质量分数为63.11%，略低于其他3种植物，但二球悬铃木对细颗粒物的吸附更有优势，细颗粒物平均质量分数为14.63%，高于其他3种植物。红叶石楠和海桐上粗颗粒物的平均质量分数分别为23.25%、23.12%，两者吸附能力相近，其次为二球悬铃木(22.26%)，桂花最弱(17.89%)。

图2 植物叶片吸附不同粒径颗粒物的质量分布Fig.2 The mass distribution of different size particulate matters on leaf surface

2.4 植物叶片上颗粒物的数量分布特征

4种植物叶片上不同粒径颗粒物的数量分布如图3所示。由图3可见， 4种植物叶片对不同粒径颗粒物数量吸附特征均表现出相同规律，即细颗粒物吸附数量最大，平均百分比为68.24%，说明细颗粒物是颗粒物总数量的主要组成；粗颗粒物和大颗粒物数量的数量百分比分别为26.01%、5.75%。在不同粒径颗粒物吸附数量上，不同植物具有种间差异，二球悬铃木叶片具有吸附细颗粒物的优势，桂花叶片具有吸附粗颗粒物的优势。不同区域下红叶石楠和桂花对细颗粒物的吸附能力相当。

图3 植物叶片吸附不同粒径颗粒物的数量分布Fig.3 The number distribution of different size particulate matters accumulation on leaf surface

本研究中4种植物叶片吸附粗颗粒物和细颗粒物的数量百分比分别为26.01%、68.24%，低于赵松婷等[11]对5种乔木和4种灌木叶片吸附颗粒物的研究结论(PM10数量百分比在98%以上，PM2.5数量百分比在90%以上)。SONG等[19]研究发现北京市5种常绿树种叶片细颗粒物数量占总颗粒物数量的96%左右，高于本研究结果；粗颗粒物和大颗粒物的吸附数量百分比分别为3.70%、0.14%，低于本研究结果。相关研究结果的差异可能与采样区域大气颗粒物浓度、气象条件及叶片表面微结构有关。综上所述，4种植物对不同粒径颗粒物的吸附数量和质量均具有一致性，即大颗粒物质量分数最大，而质量分数最小的细颗粒物在数量上占一定优势。

2.5 叶片微结构与颗粒物吸附特征分析

4种植物叶片上下表面的SEM图见图4。图中白色不规则块状、球体和聚合体物质即为颗粒物，以粒度小于10.0 μm居多。4种植物叶片上下表面均无分泌物，主要通过叶表绒毛、沟槽、凹槽、气孔等吸附颗粒物。红叶石楠叶片上表面粗糙度较低，吸附颗粒物数量较少，主要吸附大颗粒物(见图4(a))；叶片下表面有大量气孔，周围密布条状组织，相对密集且深浅不一的沟槽有利于固定颗粒物，其固定的颗粒物粒径与沟槽处尺寸颇为吻合，以10.0 μm颗粒物居多，而细颗粒物较少(见图4(b))。二球悬铃木叶片上表面波状弯曲的褶皱和细胞周壁构成较密集的不规则网格，在其褶皱凹陷处发现数量较多的细颗粒物，且颗粒物易被叶片上表面覆盖的绒毛卡住而难以脱落(见图4(c))；叶片下表面分布3～5 μm左右的沟槽，能够吸附更多粗颗粒物，在气孔口处可见少量细颗粒物(见图4(d))。海桐叶片上表面光滑，有略微凸起的纹路，吸附形状不规则的大颗粒物、粗颗粒物较多(图4(e))，叶片下表面气孔开口较大，其沟槽中富集了球状细颗粒物(见图4(f))，但海桐叶片具有向外反卷的特征，容易造成颗粒物滑落。桂花叶片上表面具有浅状沟槽和条纹突起，在浅状条纹处观察到极少数的颗粒物(见图4(g))，叶片下表面气孔开口较大、数量多且气孔周围沟槽很浅，并未有明显的颗粒物吸附(见图4(h))。

图4 叶片上下表面SEM图Fig.4 SEM image of upper and lower epidermis of leaf

通过比较4种植物叶片上下表面的SEM图可以看出，植物叶片下表面吸附细颗粒物数量明显少于上表面，与MO等[12]18研究结果一致。将叶片放大2 000倍后，经统计得出二球悬铃木气孔密度为295个/mm2，桂花为255个/mm2，红叶石楠为283个/mm2，海桐为236个/mm2。一般情况下，植物对颗粒物吸附量随叶片气孔数量增多而增加，但桂花气孔排列无规则，加上气孔较平且无明显起伏，减少了颗粒物与叶片的接触面积，因此其吸附颗粒物的能力较弱，与俞学如[20]研究结论一致。尽管阔叶树种气孔数量较少，但其气孔附近的沟槽处能够附着较多细颗粒物。此外，叶片绒毛是影响叶片吸附颗粒物的重要因素，胡适等[21]发现叶片表面密布短绒毛的二球悬铃木在不同研究区域的滞尘量均最高。SPEAK等[22]研究发现二球悬铃木叶片表面绒毛周围附着细颗粒物，其沟槽状结构能够捕获较多的可吸入颗粒物，并能够有效阻止颗粒物再悬浮。综上所述，相对密集且深浅不一的沟槽及绒毛结构有利于吸附细颗粒物。

3 结 论

(1) 4种植物叶片对不同粒径颗粒物吸附量具有显著的区域差异，表现为城区>城郊区>远郊区，说明城区、城郊区和远郊区环境中大气颗粒物污染浓度水平存在差异，叶片对不同粒径颗粒物的吸附量受区域环境中颗粒物浓度水平和颗粒物粒径组成影响。

(2) 植物对颗粒物的吸附能力具有种间差异，总体表现为二球悬铃木吸附能力最强，红叶石楠和海桐吸附能力相近，桂花吸附能力最弱。二球悬铃木对细颗粒物的吸附具有优势，

(3) 4种植物对不同粒径颗粒物质量和数量的吸附特征具有一致性，即大颗粒物质量分数最大，细颗粒物在数量上占一定优势。

(4) 通过SEM观察不同植物叶片上下表面微形态结构发现，叶片上表面吸附不同粒径颗粒物的能力明显强于下表面。褶皱交错而形成的网格状结构有利于吸附细颗粒物，且主要吸附在沟槽处。叶片绒毛也有利于吸附细颗粒物，但对大颗粒物及粗颗粒物的吸附能力较弱。