植物叶表毛状体对空气PM净沉降的影响

徐晓丹 马志影 张杰 郑伟

摘要：葉片是植物沉降空气颗粒物（PM）的主要器官，而叶表PM的雨水洗脱被认为是叶片对空气PM的净沉降。多毛的叶面具有较强的捕获空气PM的能力，但可能并不利于叶表PM的雨水洗脱。研究通过采集美国华盛顿特区宪法大道西北段步道两侧的6种园林植物叶片，利用扫描电镜技术（SEM）观测叶表微观形态，并通过ImageJ和Adobe Photoshop软件统计降雨前后的PM数量，比较雨水对不同表面结构的叶表PM洗脱率。结果表明：1）叶面毛状体长而繁杂的皱叶荚蒾叶面PM洗脱率（19.26%）显著低于叶面无毛的紫薇、美国冬青和荷花玉兰3种光叶植物（>60%）;2）毛状体短、疏、贴伏于叶面的美国榆树叶面PM洗脱率（25.57%）也显著低于这3种光叶植物;3）毛状体短、疏、直立的迎春叶面PM洗脱率（78.00%）与这3种光叶植物无显著差异;4）除皱叶荚蒾外，其他5种植物叶表粒径10～100 μm的大颗粒比小颗粒更容易从叶表洗脱。基于研究结果，建议在城市绿化中增加光叶、常绿的园林植物比例;在条件允许的前提下，于旱季定期对树体适量喷水，以提升园林植物对空气PM的年净沉降量。

关键词：植物叶表毛状体，PM2.5，PM10～100，降尘，洗脱率，光滑叶片

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.10.31.0001

Abstract： Leaves are the main organs of plants to settle airborne particulate matter （PM）， and the rain water elution of PM on leaf surface is considered as the net deposition of PM by leaves. The hairy leaves are always considered to play a positive effect in capturing PM， but it may not be conducive to the wash-off of leaf retained PM by rainfall. Therefore， this study collects the leaves of 6 landscape plants on the footpath of the Northwest Constitution Avenue in Washington， D.C.， and observes the microscopic morphology of the leaves using scanning electron microscopy （SEM）. The amount of PM before and after rainfall is counted using ImageJ and Adobe Photoshop software to compare the elution rates of PM on leaves with different surface structures. The results show that： 1） The elution rate of leaf retained PM of Viburnum rhytidophyllum （19.26%） with long and complicated trichomes on the adaxial leaf surface is significantly lower than those of smooth-leaved species of Lagerstroemia indica， Ilex opaca and Magnolia grandiflora （>60%）; 2） The elution rate of leaf retained PM of Ulmus americana （25.57%） with short， sparse but appressed trichomes on the adaxial leaf surface is significantly lower than those of the above three smooth-leaved species; 3） The elution rate of leaf retained PM of Jasminum nudiflorum （78.00%） with short， sparse but erected trichomes on the adaxial leaf surface is not significantly different from those of the above three smooth-leaved species; and 4） Apart from V. rhytidophyllum， the large particles with diameter of 10-100 μm on the adaxial leaf surface of the other five species are easier washed off than the small particles. Based on the above conclusions， we suggest that the proportion of smooth leaf and evergreen landscape plants could be increased for urban greening， and if the condition permits， water should be regularly sprayed on trees in dry season， which will be conducive to enhancing the annual net-deposition amount of airborne PM with landscape plants.

Keywords： leaf-surface trichome， PM2.5， PM10～100， dust fall， elution rate， smooth leaf

空气颗粒物（PM，0.1～100.0 μm）造成的城市污染是世界上最紧迫的环境问题之一[1]，尤其是在发展中国家[2]。研究表明，空气动力学直径小于10 μm的PM10，其50%可进入上呼吸道[3]，进而引起心血管和呼吸系统方面的疾病[4]。据报道，空气污染每年导致100多万人过早死亡和100万胎儿产前死亡[5]。

园林植物可以捕获、消减空气中的PM，尤其是通过叶片滞留空气PM，从而有效改善空气质量[6-10]。然而，植物捕捉到的空气PM大都只是暂时滞留在叶片表面上，此后大部分（76%）会被风吹到空气中，再次成为空气污染物;少部分会被雨水洗脱至土壤（24%），或在叶片脱落时沉积到地面[11-14]。据报道，空气中的PM通常源自地面活动产生的粉尘、地下化石燃料的排放[2]。叶表PM沉降到地面才是其最好的归宿，才能更加有效地实现PM良性循环，是植物叶片对空气PM的净沉降[15]。叶表PM沉降到地面主要通过雨水洗脱和落叶来实现。然而，落叶往往一年一次，而且落叶表面的大部分PM会被风重悬，再次成为空气PM。可见，叶面PM通过落叶事件产生的PM净沉降可能非常有限。相反，叶表PM的雨水洗脱在一年之中则是一个非常频繁的事件，尽管单次降雨（>12.5 mm）最多只能洗脱51%～70%的叶面PM[14]，但年降雨事件将会产生巨大的净沉降总量。综上，植物叶片对空气PM的净沉降基本可以通过叶面PM的雨水洗脱来实现[15]。因此，研究植物叶面PM的雨水洗脱更有意义。

研究表明，叶面PM的雨水洗脱与植物类型密切相关[14]。例如，叶表具有蜡质的洋常春藤（Hedera helix）比光叶的心叶岩白菜（Bergenia cordifolia）的叶面PM洗脱率低[16]。叶表具有毛状体的叶片也可能比光叶具有更低的叶面PM洗脱率，但目前叶表毛状体对叶面PM的洗脱影响尚不明确，而这对于降尘绿地植物种类的优选至关重要。为此，本研究探索植物叶表毛状体在自然降雨过程中对叶面PM洗脱的影响，以期为降尘植物的优选提供新的参考数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料的采集地点位于美国华盛顿特区宪法大道西北段，采集北侧步行道两旁位于地面（1.5±0.1）m处树冠外围枝条上的叶片，采集的物种包括栽植于地面的荷花玉兰（Magnolia grandiflora）、紫薇（Lagerstroemia indica）、美国榆树（Ulmus americana）、美国冬青（Ilex opaca）、皱叶荚蒾（Viburnum rhytidophyllum）和栽植于花台中的迎春（Jasminum nudiflorum）共6种。采集时间选择在2017年9月14日和15日（分别采集雨前、雨后的样本，12 h内降雨量35.6 mm，雨前7天内没有降雨和人工灌溉）。样本采集时，分别从东、西、南、北4个方向外围树冠能接触降雨枝条处轻采叶片3片，设置4个重复，样本封存于标本箱中，带回实验室。

1.2SEM样品制备、观测及PM统计

一般来说，叶背面的PM洗脱可以忽略不计[17]，因此仅观测叶片正面的PM洗脱情况。首先，轻轻剪取约0.5～1.0 cm2的小块叶片。其次，按照Wen和Nowicke（1999）[18]的方法，在美国Smithsonian研究所国家自然历史博物馆（NMNH）的SEM实验室干燥样品并镀金，厚度为16.6 μm。最后，在Philips XL-30扫描电子显微镜下进行观察、拍照，每个样本拍摄至少10个不同的视野。

选择ImageJ图像处理软件（National Institutes of Health， 1.8.0）对扫描电镜图像进行二值化[19]，以获得叶片表面PM的投影图像，再将投影图像导入到Adobe Photoshop 7.0软件中，选择PM的投影面积，填充黑色。随后，将处理过的图像导入ImageJ进行比例标定，并调整灰度阈值，使PM的投影边缘更加突出。最后，从结果窗口获得PM的数目和直径。

所获数据采用SPSS 19.0进行方差分析（ANOVA），平均值之間的差异用Duncan极差法进行多重比较，置信区间为95%，显著性水平为0.05。百分比表示的数据经过反正弦变换后再进行分析。

2 结果与分析

2.1 毛状体不利于叶面PM的洗脱

毛状体对降雨过程中叶面PM（直径为0.2～98.6 μm）的洗脱有很大影响。在6种供试物种中（图1、图2），叶面多毛的树种美国榆树（图1C、图1D）和皱叶荚蒾（图1E、图1F），其叶面PM的洗脱率分别为25.57%和19.26%（表1）;光叶树种美国冬青（图2A、图2B）、荷花玉兰（图2C、图2D）和紫薇（图2E、图2F）的叶面PM洗脱率分别高达为62.21%、66.52%和90.43%（表1）。由此可见，毛状体不利于叶面PM的洗脱。这可能是因为毛状体增加了叶片表面的张力，如皱叶荚蒾的毛状体似乎形成了复杂的疏水结构，从而阻止雨水与PM的最有效接触。另外，在降雨后，繁杂的毛状体结构还可能会滞留更多的雨滴直至其蒸发完毕，从而增加叶面PM的滞留[20]。

2.2 毛状体长、繁杂不利于叶面PM的洗脱

皱叶荚蒾、美国榆树和迎春的叶表均具有毛状体，其中皱叶荚蒾的毛状体长达200 μm，3～6个毛状体从一个点呈放射状延伸，在叶表的密度达24.45个/mm2（图1E、图1F），相互交错分布。长而繁杂的毛状体容易形成多个疏水的保护空间，使滞留的PM难以被雨水洗脱掉，尤其是被困在毛状体基部的PM10～100（图1E、图1F），最终呈现出最低的叶面PM洗脱率。与其相反，迎春（图1A、图1B）和美国榆树（图1C、图1D）叶表的毛状体较短（长约90 μm），密度也较低（<3.00个/mm2），叶面PM的洗脱率相对较高。因此，毛状体长、繁杂的叶表不利于叶面PM的洗脱。此外，从表1可知，美国榆树和迎春的叶表虽有相似的短而稀疏的毛状体，但迎春（78.00%）的洗脱率却显著高于美国榆树（25.57%），其原因可能在于美国榆树的叶片具有众多的沟槽，使其对PM尤其是小颗粒的洗脱产生了负面影响。

2.3 毛状体与叶面的夹角大有利于PM的洗脱

迎春和美国榆树叶表的毛状体长度和密度虽然十分相似，但迎春的毛状体较为直立（图1A、图1B），几乎垂直于叶面，周围的PM被雨水洗脫得较为干净，其叶面PM的洗脱率显著高于美国榆树（表1）。而美国榆树的毛状体几乎贴伏在叶片表面，雨水洗脱后，毛状体周围仍保留了大量的PM（图1C、图1D），尤其是PM2.5～10。因此，毛状体与叶面的夹角越大，叶面滞留的PM更易被雨水洗脱。

2.4 大颗粒比小颗粒更易洗脱

对于不同粒径的叶面PM（图3），除皱叶荚蒾外，其他5种植物叶面的PM10～100（粒径10.0～100.0μm）的洗脱率均高于PM2.5～10，这表明大颗粒比小颗粒更容易从叶面上被雨水洗脱，这与前人的报道类似[21-24]。叶表的沟槽（如美国榆树）、蜡质（如荷花玉兰和美国冬青），以及疏而短的毛状体可能更不利于小颗粒的洗脱，而对大颗粒的洗脱影响较小。

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究通过对自然降雨前后6种街道园林植物叶面PM的计数比较，结论如下：毛状体长、密集、杂乱的叶表不利于叶面PM的洗脱;叶表毛状体与叶面的夹角越小，越不利于叶面PM的洗脱;多毛叶片比无毛叶片具有较低的叶面PM洗脱率;叶表小颗粒的洗脱率低于大颗粒。研究结果为园林植物净沉降空气PM提供了新的理论基础。

3.2 讨论

理论上，只有加速空气PM的沉降，才会减轻雾霾的发生，而植物对空气PM的滞留还只是PM回归土壤的第一步，后继的叶面PM洗脱——“净沉降”显得更为重要。大量的研究表明，多毛的叶表对PM具有较好的滞留效果，但本研究却发现，多毛的叶表不利于PM的洗脱。因此，在滞尘植物的选择上，到底应该侧重于叶面PM滞留量大的毛叶植物，还是叶面PM洗脱量高的光叶植物？基于本研究的结果，滞尘植物的选择应该更侧重“年净沉降量”较大的植物，即叶面的PM年滞留量大且洗脱率高的植物，这应该是后期研究的重点。由于PM的形状并不是理想的球形，本研究仅通过SEM计数方法难以计算单位叶面积的PM洗脱质量。在6种被试园林植物中，紫薇不仅表现出最高的叶面PM洗脱率（90.43%），还呈现出最高的叶面PM滞留量（6 172.01 cm2），因此其单位叶面积的PM净沉降量最大（5 581.34 cm2）。但是，紫薇是落叶树种，落叶期间无法通过叶片实现降尘，因此紫薇叶片的PM年净沉降量是不是最高，还需要开展周年实验进一步探索。今后，如果能采用更为精准的称量方法[25-26]，则可以测量出植物叶片对空气PM的年净沉降量，甚至有可能为植物叶片滞尘能力的统一评价提供标准。

实践中，我国冬季由空气PM引起的雾霾较为突出，其原因除了供暖排放增加外，可能还有：1）冬季降雨量少，导致PM洗脱事件减少;2）落叶植物在冬季落叶后，只有常绿植物可以滞留PM。因此，从“年净沉降”的角度，建议根据单位绿地面积园林植物的叶片对空气PM的年净沉降总量优选不同类型的降尘园林植物种类;在城市绿化中，应优先种植常绿树种[27]，并增加光叶、常绿的园林植物比例，以提升叶片对空气PM的年净沉降总量。此外，在条件允许的少雨季节（旱季），建议定期向滞留PM的树体适量喷水，这也会增加植物对空气中PM的年净沉降量。与PM洗脱一样，无毛的叶片可能更有利于其滞留的PM被风重悬至空气中。那么，在风多雨少[28]的沙漠附近，是选择叶片多毛的植物滞留更多的PM，还是选择叶片无毛的植物提升PM的年净沉降总量？这一问题还有待进一步研究。

致谢：

本研究得到了国家留学基金和美国史密森学会国家自然历史博物馆（NMNH）的支持。感谢Jun Wen、A J Harris和Scott Whittaker（美国史密森学会）在SEM实验和数据分析方面给予的帮助。

参考文献

[1]POPE C A，DOCKERY D W.Health effects of fine particulate air pollution：lines that connect [J].Journal of the Air and Waste Management Association，2006，56（10）：1368-1380.

[2]HUANG R J，ZHANG Y L，BOZZETTI C，et al.High secondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events in China[J].Nature，2014，514（7521）：218-222.

[3]SCHWARZE P E，OVREVIK J，LG M，et al.Particulate matter properties and health effects：consistency of epidemiological and toxicological studies[J].Human & Experimental Toxicology，2006，25（10）：559-579.

[4]MAHER B A，AHMED I A M，DAVISON B，et al.Impact of roadside tree lines on indoor concentrations of traffic-derived particulate matter[J].Environmental Scicence & Technology，2013，47（23）：13737-13744.

[5]CURTIS L，REA W，SMITH-WILLIS P，et al.Adverse health effects of outdoor air pollutants[J].Environment International，2006，32（6）：815-830.

[6]KIM S，LEE S，HWANG K，et al.Exploring sustainable street tree planting patterns to be resistant against fine particles （PM2.5）[J].Sustainability，2017，9（10）：1709.

[7]于璐，王譽洁，孙丰宾，等.植物群落不同垂直高度对PM2.5浓度的影响[J].中国城市林业，2019，17（1）：1-5.

[8]SHI J N，ZHANG G，AN H L，et al.Quantifying the particulate matter accumulation on leaf surfaces of urban plants in Beijing，China[J].Atmospheric Pollution Research，2017，8（5）：836-842.

[9]LIU Y J，YANG Z，ZHU M H，et al.Role of plant leaves in removing airborne dust and associated metals on Beijing roadsides[J].Aerosol and Air Quality Research，2017，17（10）：2566-2584.

[10]LIU L，GUAN D S，PEART M R，et al.The dust retention capacities of urban vegetation：a case study of Guangzhou，South China[J].Environmental Science and Pollution Research，2013，20（9）：6601-6610.

[11]BECKETT K P，FREER-SMITH P H，TAYLOR G.Particulate pollution capture by urban trees：effect of species and windspeed[J].Global Change Biology，2000，6（8）：995-1003.

[12]OULD-DADA Z，BAGHINI N M.Resuspension of small particles from tree surfaces[J].Atmospheric Environment，2001，35（22）：3799-3809.

[13]SCHAUBROECK T，DECKMYN G，NEIRYNCK J，et al.Multilayered modeling of particulate matter removal by a growing forest over time，from plant surface deposition to wash-off via rainfall[J].Environmental Science & Technology，2014，48（18）：10785-10794.

[14]XU X W，ZHANG Z M，BAO L，et al.Influence of rainfall duration and intensity on particulate matter removal from plant leaves[J].Science of the Total Environment，2017，609（12）：11-16.

[15]XU X D，XIA J J，GAO Y，et al.Additional focus on particulate matter wash-off events from leaves is required：A review of studies of urban plants used to reduce airborne particulate matter pollution[J].Urban Forestry & Urban Greening，2020，48（2）：126559.

[16]WEERAKKODY U，DOVER J W，MITCHELL P，et al.The impact of rainfall in remobilising particulate matter accumulated on leaves of four evergreen species grown on a green screen and a living wall[J].Urban Forestry & Urban Greening，2018，35（10）：21-31.

[17]POTTER C S，RAGSDALE H L.Dry deposition washoff from forest tree leaves by experimental acid rainfall[J].Atmospheric Environment，1991，25（2）：341-349.

[18]WEN J，NOWICKE J W.Pollen ultrastructure of Panax（the ginseng genus，Araliaceae），an eastern Asian and eastern North American disjunct genus[J].American Journal of Botany，1999，86（11）：1624-1636.

[19]YAN J L，LIN L，ZHOU W Q，et al.A novel approach for quantifying particulate matter distribution on leaf surface by combining SEM and object-based image analysis[J].Remote Sensing of Environment，2016，173（2）：156-161.

[20]ZHANG X Y，LYU J Y，ZENG Y X，et al.Individual effects of trichomes and leaf morphology on PM2.5 dry deposition velocity：a variable-control approach using species from the same family or genus[J].Environmental Pollution，2021，272：116385.

[21]TERZAGHI E，WILD E，ZACCHELLO G，et al.Forest filter effect：role of leaves in capturing/releasing air particulate matter and its associated PAHs[J].Atmospheric Environment，2013，74（8）：378-384.

[22]PRZYBYSZ A，SB A，HANSLIN H M，et al.Accumulation of particulate matter and trace elements on vegetation as affected by pollution level，rainfall and the passage of time[J].Science of the Total Environment，2014，481（5）：360-369.

[23]WANG H X，SHI H，WANG Y H.Effects of weather，time，and pollution level on the amount of particulate matter deposited on leaves of Ligustrum lucidum[J].The Scientific World Journal，2015，2015（1）：935-942.

[24]WEERAKKODY U，DOVER J W，MITCHELL P，et al.Quantification of the traffic-generated particulate matter capture by plant species in a living wall and evaluation of the important leaf characteristics[J].Science of the Total Environment，2018，635（4）：1012-1024.

[25]劉金强，曹治国，刘欢欢，等.基于超声清洗的树木叶面颗粒物粒径分布与吸滞效率研究：以银杏和油松为例[J].植物生态学报，2016，40（8）：798-809.

[26]刘同彦，纪媛，蒋春晓，等.基于洗脱称量粒度分析的北京常见树种树叶滞纳大气颗粒物特性[J].林业科学，2016，52（12）：74-83.

[27]BLANUSA T，FANTOZZI F，MONACI F，et al.Leaf trapping and retention of particles by holm oak and other common tree species in Mediterranean urban environments[J].Urban Forestry & Urban Greening，2015，14（4）：1095-1101.

[28]阿丽亚·拜都热拉，玉米提·哈力克，塔依尔江·艾山，等.新疆阿克苏市绿化树种滞尘能力及影响因素[J].中国沙漠，2015，35（2）：322-329.