南京市6种常见园林植物滞尘效益的综合分析

王书恒

朱晓宇

田如男

文书生*

工业化、城镇化带来了诸多环境污染问题，工业废气、尾气排放以及建筑扬尘的增加，使得大气颗粒物成为影响城市环境质量的首要污染物。大气颗粒污染不仅对城市环境存在危害，导致道路能见度降低、光化学污染等问题，还可诱发人体多类疾病，增加早衰和癌变概率，严重威胁人体健康[1-2]。据估计，全球每年约有330万人过早死亡与空气污染(大气颗粒物为主的)有关[3]。因此，如何降低大气颗粒污染物含量已经成为城市环境建设的重要课题。

早期，大气颗粒物污染防治主要依靠环境工程技术措施来实现，近年来大量研究证实植物叶片可有效滞留大气颗粒物，这为城市大气颗粒物污染防治带来了新思路，唐茜[4]研究发现，重庆市阔叶混交林的年平均滞尘量约为40kg/hm2；努尔麦麦提等[5]发现，圆冠榆的日均单位土地面积树木滞尘量超过20kg/(hm2·d)；Nowak等[6]估算美国城市绿地年滞尘量可达65.1万t。目前，相关研究已获得诸多常见园林植物的滞尘基础信息，发现不同植物在滞尘量及滞尘粒径上均存在差异[7]。为探究该差异的成因，对植物滞尘机理的研究也逐渐展开，研究发现植物的叶片表面具有特殊的微形态学结构(如气孔、纤毛、褶皱及沟壑等)，部分还可以分泌油脂与蜡质物[8-10]，通过停滞、吸附和黏附这3种主要方式过滤和吸收大气颗粒物，从而导致了滞尘效果的不同[11-12]。综上，植物滞尘有望作为工程技术滞尘的重要辅助措施，深入探究植物滞尘特性和机制对于园林绿化的植物选择具有重要参考价值。

前人研究发现，不同城市的气候特征与污染物输送特点均存在较大差异，使得同一植物的滞尘效果不同，如大叶黄杨在北京市的单位叶面积滞尘量为1.959g/m2[13]，在青岛市则为3.164g/m2[14]。南京是长三角地区重要的经济文化中心之一，其空气质量问题备受关注，也面临巨大挑战，2008—2013年南京市大气细颗粒物年均值逐年上升，2014—2017年以来空气质量指数下降，PM2.5累计超标准达321d[15-16]。目前，我国学者在城市园林植物滞留大气颗粒物的作用与机制等方面的研究，主要集中在北京[17]、哈尔滨[18]和青岛[14]等北方城市，而南京市绿化树种的滞尘研究仍不完善，仅获得了银杏、杨树、大叶黄杨等25个树种的滞尘基础信息[19-21]，且缺少对植物滞尘效益的综合评价。鉴此，本研究以6种南京常见绿化树种(广玉兰、洒金桃叶珊瑚、夹竹桃、山茶、锦绣杜鹃、红花檵木)为研究对象，测定和比较其滞尘特性，探究叶面微结构与植物滞尘能力的关系，并根据滞尘粒径组成特征，计算不同树种的年滞尘量，结合抗尘能力综合评价各树种的综合滞尘效益和生态利用价值，以期进一步丰富和完善南京市常用绿化树种的滞尘基础信息，为城市绿化树种的选择和配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样

选择6种南京市常见的阔叶树种作为供试植物(表1)，为使植物滞尘量尽可能饱和，参考前人的研究方法进行采样，于3月份距离最近一次降雨(降雨量达15mm及以上)15d后在南京林业大学校园内采集供试植物叶片[22]。当日南京市空气质量报告显示PM10含量为121μg/m3，PM2.5含量为76μg/m3。为减少环境因素影响，每一树种选3株样树，样树均位于校内主干道旁，生长势良好；同一树种样树的树高、胸径、树势基本一致，从树冠外围4个方位(东、南、西、北)采集成熟叶片，其中广玉兰的采样高度约为2.5m，夹竹桃、山茶、洒金桃叶珊瑚约为1.5m，锦绣杜鹃、红花檵木约为1m，所有样品的采集于1d内完成。叶片较大的广玉兰、洒金桃叶珊瑚及山茶每株采集叶片20～30枚，叶片较小的夹竹桃、锦绣杜鹃及红花檵木40～60枚。采集时将聚乙烯袋撑开，叶片预先置入袋中再剪下，以减少滞留尘粒的损失。

表1 采样树种的特征

1.2 叶面滞尘量测定

将叶片样品放入盛有蒸馏水的玻璃容器中，经超声处理充分脱离叶表粉尘，再用镊子将叶片一一取出，用蒸馏水冲洗3次后将冲洗液与浸洗液一同转移至抽滤瓶中，使用直径0.45μm烘干后的微孔滤膜(质量W1)进行抽滤；然后将滤膜置于培养皿内烘箱烘干(60℃，24h)，冷却后称量其质量(W2)，2次称得的质量之差即为样品滞留粉尘质量(W2-W1)；最后使用叶面积仪(AM350，英国ADC)测得晾干后样品的叶面积(A)。单位叶面积滞尘量=(W2-W1)/A，平均单叶滞尘量=单位叶面积滞尘量×平均单叶面积。

1.3 叶表颗粒物粒径分析

采集的植物叶片经超声波处理后(具体操作同1.2)，将获得的洗涤液用激光粒径分析仪(Mastersizer 2000，英国马尔文)测定其粉尘粒径，数据采集和分析使用系统自带的颗粒粒度测量分析系统。

1.4 叶表微形态结构观察

取新鲜植物叶片(每种1～2片)，利用显微镜(S6D，德国LEICA)观察其叶面基本特征并拍照，并对新鲜样品作切块处理。每种植物叶片取其叶脉两侧、叶尖及叶基共4个5mm×5mm的组织块，经固定、清洗、脱水、电镀等处理后，使用环境扫描电子显微镜(Quanta 200，荷兰FEI)观察其特征，记录并拍照。根据电镜扫描图片及其视野缩放倍数，测量并计算出各树种的平均气孔长度、气孔宽度、气孔面积、气孔密度及叶片上、下表面的毛被密度。

1.5 数据统计与分析

使用SPSS 19.0软件对不同树种的滞尘量、毛被及气孔等微结构特征进行单因素方差分析，若差异显著则使用LSD法作多重对比(P≤0.05)；对滞尘量与叶表微结构特征作皮尔逊相关性分析(P≤0.05)；参考李寒娥等[23]的综合分析方法，基于主成分分析法利用滞尘粒径分布范围(X1)、PM2.5单株年滞尘量(X2)、PM2.5～10单株年滞尘量(X3)、PM>10单株年滞尘量(X4)、抗尘能力(X5)5项指标进行各树种的综合效益指数计算[24]。使用环境扫描电子显微镜自带系统、Origin 2019处理图像。

2 结果与分析

2.1 不同树种的滞尘能力比较

6个树种的单位叶面积滞尘量存在显著差异(P=0.035＜0.05)，具体表现为洒金桃叶珊瑚>锦绣杜鹃>红花檵木>山茶>夹竹桃>广玉兰(表2)，其中，洒金桃叶珊瑚的单位叶面积滞尘量约为广玉兰的2.8倍。由单位叶面积滞尘量和平均单叶滞尘量来看，洒金桃叶珊瑚表现最优，分别为2.83g/m2和18.17mg。锦绣杜鹃(2.41g/m2)、红花檵木(2.06g/m2)与洒金桃叶珊瑚无显著差(P>0.05)，但其平均单叶面积小，使得锦绣杜鹃、红花檵木的平均单叶滞尘量显著小于洒金桃叶珊瑚(P＜0.01)。

表2 6个供试树种的滞尘能力分析

2.2 叶片滞尘粒径组成分析

为进一步探究6种植物的叶片滞尘特性，本研究利用激光粒径分析仪进行各树种滞尘粒径组成分析(图1，表3)。结果显示，6个树种的叶表滞尘粒径范围均在500μm内，除了山茶及洒金桃叶珊瑚的峰值出现在50μm以下，夹竹桃峰值出现在100μm以上，其他植物峰值均在50～100μm范围内。锦绣杜鹃、红花檵木、山茶的滞尘粒径分布呈单峰曲线，其中锦绣杜鹃、红花檵木的滞尘粒径分布范围较广，0～500μm均有分布；山茶的滞尘粒径分布范围较窄，主要分布在0～200μm。洒金桃叶珊瑚、广玉兰、夹竹桃滞尘粒径分布呈双峰曲线，其中夹竹桃、洒金桃叶珊瑚的滞尘粒径分布范围较广，主要分布在0～400μm；广玉兰的滞尘粒径分布范围较窄，主要在0～200μm。

图1 不同树种叶片滞尘粒径分布图

从滞尘粒径的累积分布来看(表3)，6种植物的滞尘颗粒主要集中在10～100μm(56.69%)，而PM2.5滞留最少(2.73%)。对于PM2.5～10，山茶和广玉兰的滞留能力较强，山茶在PM2.5及PM2.5～10的滞尘占比可达3.77%和9.97%，广玉兰则为3.49%和9.37%。对于PM10～100，山茶及洒金桃叶珊瑚的滞留能力较强，滞尘占比达69.83%和58.61%。对于PM>100，夹竹桃及锦绣杜鹃滞尘能力较强，滞留比例分别为43.56%和41.37%。

表3 不同树种的滞尘粒径累积分布比例(单位：%)

2.3 叶面微结构分析

利用电子扫描显微镜对不同树种的叶表粗糙程度、沟壑数量、毛被分布及气孔大小、密度等叶表微结构特征进行观察，并对叶表沟壑数量及粗糙程度按等级评分(表4，图2、3)。结果显示，各树种的气孔结构均分布于叶下表面，锦绣杜鹃、红花檵木叶片上下表面较为粗糙，各级叶脉明显，其中锦绣杜鹃叶表散生微柔毛、糙伏毛，红花檵木则沿脉分布星状毛及少量粗毛；广玉兰、山茶叶片上表面均具有明显蜡质层，粗糙程度低，无明显沟壑，而广玉兰叶下表面密布锈色绒毛，山茶全叶无毛；洒金桃叶珊瑚叶片光滑无毛，叶表密布细小点状突起，颗粒感强；夹竹桃叶上表面光滑无毛，但有明显条状沟广泛分布，下表面沿沟簇生柔毛。

表4 不同树种的叶面微结构特征

图2 不同树种的叶表电镜扫描图

图3 不同树种的叶表显微镜观察图

6个树种的平均气孔密度、气孔长度、宽度及面积，以及叶下表面毛被密度均存在极显著差异(P＜0.01)，对于气孔结构，红花檵木的平均气孔密度最大，而夹竹桃的平均气孔密度最小；广玉兰的平均气孔面积最大，锦绣杜鹃和洒金桃叶珊瑚则较小。对于毛被密度，红花檵木、锦绣杜鹃的叶片上下表面均被毛，其余树种仅广玉兰、夹竹桃叶下表面被毛，且广玉兰毛被密度显著高于其他树种，夹竹桃次之。结合表2中滞尘量的测定结果，对植物的滞尘能力与叶表微结构特征做相关性分析(表5)，发现6种植物的单位叶面积滞尘量与叶表沟壑数量呈极显著正相关(P＜0.01)，而与叶表粗糙程度、气孔的平均长度、宽度、面积，及叶表面毛被密度无显著相关性。

表5 植物的滞尘能力与叶表微结构特征间的相关性分析

2.4 植物滞尘能力综合评价

选择滞尘粒径分布范围(X1)、PM2.5单株年滞尘量(X2)、PM2.5～10单株年滞尘量(X3)、PM>10单株年滞尘量(X4)、抗尘能力(X5)这5项指标对供试树种进行评分。X1可反映树种对不同粒径颗粒物的滞留容广度；X2、X3、X4可分别反映树种对不同粒径颗粒物的滞留量大小；X5表示树种在高浓度的大气悬浮颗粒物环境中仍能正常生长发育的能力。通过试验测算、查询文献等方法，根据一定的数量化标准(表6)，计算出各树种的滞尘效益指标得分(表7)。

表6 园林植物滞尘效益评价指标的数量化方法及标准

为方便综合指数的计算及不同树种间滞尘综合效益的评估比较，对原始数据做标准化处理。标准化公式为：Zij=Xij/Xj(max)(其中Xij为树种i的第j项指标；Xj(max)为指标j中的最大值)。Zij经因子分析，最终确定各指标评价权重Aj=(0.22，0.19，0.19，0.19，0.21)。根据γj=Aj×Zij计算出各树种的综合指数γ(表7)[24]。

表7 不同树种的滞尘效益各指标评分及综合指数

结果显示，6个供试树种的滞尘的潜力表现为：洒金桃叶珊瑚>广玉兰>红花檵木>锦绣杜鹃>山茶>夹竹桃。洒金桃叶珊瑚、广玉兰的单株叶面积大，单株年滞尘总量分别可达3.09和2.159kg，对不同粒径颗粒物均有较好的滞尘效果，且具有一定抗尘能力；锦绣杜鹃、红花檵木的单位叶面积滞尘量高，可滞留尘粒的粒径范围广，但受到狭小叶面积的约束，在总滞尘量指标上表现劣势，且对尘粒污染的耐受力不强；夹竹桃及山茶则主要受到单位叶面积滞尘量，即滞尘效率的影响，其中夹竹桃的抗尘能力突出，适合在悬浮污染物严重的区域栽植。

3 结论与讨论

3.1 讨论

在植物滞尘效益的研究中，常用单位叶面积滞尘量作为主要评价指标，可较为直观地反映其滞尘能力的强弱。本研究发现6个供试树种的单位叶面积滞尘量存在显著差异，其中洒金桃叶珊瑚约为广玉兰的2.8倍，进一步证实了不同植物的滞尘能力存在较大差异。供试植物中，广玉兰、红花檵木是常见的园林绿化及滞尘研究树种，具有较多可参考的滞尘基础数据。本研究测得广玉兰、红花檵木的单位叶面积滞尘量分别为1.01和2.06g/m2，与俞学如[19]测得的结果一致；孙应都等[26]于昆明市测得广玉兰的单位叶面积滞尘量(2.633 6g/m2)却高于红花檵木(2.001 7g/m2)。这表明同一植物在不同环境下滞尘量表现存在差异，且环境对研究结果的影响大，相同或相近环境下的植物滞尘基础数据才具有较好的应用参考价值。锦绣杜鹃、夹竹桃及洒金桃叶珊瑚在南京市的滞尘分析仍不够完善，对此还需进一步研究。

城市中的大气颗粒物来源广泛、粒径大小不一，粒径越小的颗粒物对人体的危害越大，其中细颗粒(PM2.5)、粗颗粒(PM2.5～10)可直接进入呼吸道及肺部进而威胁人体健康[27]。本研究发现不同植物对不同粒径颗粒物的滞留能力存在较大差异，6个供试树种中山茶偏好滞留粒径较小的大气颗粒物，其PM2.5、PM2.5～10的滞留占比最高，达3.77%及9.97%，而夹竹桃最低，分别为2.41%和6.10%。因此，园林绿化过程中需依据环境内大气颗粒物污染特点和树种的滞尘粒径分布情况进行树种的选择和搭配，以提高小区域范围内的滞尘效果。本研究结果显示，夹竹桃对大颗粒的滞尘能力最强，且对SO2、Cl2等有害气体有很强的抗性，因此其适宜应用在工厂、矿区等较严重污染地区[28]；山茶对PM10滞尘作用较好，宜在细小颗粒物富集的区域内种植，如住宅区、学校等，可同时满足观赏与环保的需要。本研究中滞尘粒径的分布也表现出一定的规律性，6个树种的滞尘粒径皆主要分布在10～100μm(47.93%～69.83%)，且PM>10占比最高(89.84%)，与俞学如[19]、谢滨泽等[28]观察到的分布规律一致；赵松婷等[29]、贾彦等[7]的研究结果则显示植物滞留颗粒中PM>10的平均占比小于10%。粒径测量方式的不同可能是造成该差异的主要原因，湿法测量(分析浸洗液)时颗粒物在水中发生絮凝，可能造成PM>10含量偏高；而图像扫描法测得的PM>10较低[31]。

本研究中红花檵木及锦绣杜鹃叶两面被毛，且叶表面较粗糙，各级叶脉明显；洒金桃叶珊瑚叶表光滑，但叶表密布细小突起；夹竹桃叶下表面横状沟明显，并有表皮毛分布。研究表明，植物叶表面的毛被状况、粗糙程度及沟壑结构综合作用，可使得固体颗粒物与叶表面间的接触面积增加，颗粒物不易脱落，从而反映出较高的单位叶面积滞尘量[32]。本研究中单位叶面积滞尘量却仅与叶表沟壑数量呈正相关，与毛被密度、气孔密度及面积、粗糙程度无显著相关性。对此，应对沟壑特征做量化测量，以进一步探讨沟壑数量对滞尘量的影响。广玉兰、夹竹桃的叶下表面毛被丰富，单位叶面积滞尘量却较小，且6个树种的毛被密度及气孔结构与滞尘效果间无显著相关性，这可能与叶片上、下表面对滞尘作用的贡献程度不同有关。本研究所选树种仅红花檵木、锦绣杜鹃叶片上表面有毛，有树种的气孔均位于叶下表面，受重力、湿润度、接触面等因素制约，下表面的表皮毛及气孔不在滞尘作用中起主要作用，这与王蕾等[33]的研究结果一致。本研究中植物叶表毛被状况对滞尘粒径的选择性可能存在较大影响，无毛被的洒金桃叶珊瑚和山茶的滞尘粒径分布在50μm以下出现峰值，毛被密度大的树种(广玉兰、锦绣杜鹃、红花檵木、夹竹桃)则出现在92～186μm。对于该6种植物，还有待结合更多的叶表微结构特征，如叶表分泌物(蜡质层、油脂等)、气孔突出程度，由定性到定量，深入研究其叶表微结构对滞尘作用的影响。

主成分分析法及综合指数的应用可以有效衡量不同植物的滞尘综合效益，避免单指标评价的片面性和偶然性。本研究以单位叶面积滞尘量、单株叶面积总量为基础，对植物的滞尘粒径幅度、PM2.5单株年滞尘量、PM2.5～10单株年滞尘量、PM>10单株年滞尘量、抗尘能力5项指标基于主成分分析法做因子分析，以综合评价各树种的滞尘效益。6个供试树种中，洒金桃叶珊瑚的综合得分最高，其叶面积广阔且滞尘效率高，单株年滞尘量约3.094kg，还具有抗尘力强、观赏价值高等特点，适于工业区、建筑地等悬浮物富集环境的应用，是优良的环保树种；广玉兰树型高大、叶冠紧密，在滞尘总量上表现较好，适合作行道树、庭荫树等；锦绣杜鹃和红花檵木叶面积狭小，但单位叶面积滞尘量大、滞尘粒径分布幅度广，且具有独特的造景效果，适合在绿化空间有限时栽植，或作为滞尘辅助树种参与配置；夹竹桃在滞尘量上表现一般，但滞留大颗粒的比例最高，抗尘、抗污染能力强，适合作为较严重污染区域的主要环保树种；山茶的滞尘效益各指标得分整体偏低、总滞尘量小，不适合选作主要滞尘树种，但滞留PM2.5、PM10的比例最高，可在小颗粒悬浮污染物为主的区域配置。

3.2 结论

1)6种园林植物在单位叶面积滞尘量上存在显著差异，具体表现为洒金桃叶珊瑚>锦绣杜鹃>红花檵木>山茶>夹竹桃>广玉兰。在滞尘粒径上，各树种的滞尘范围主要分布在10～100μm，其中锦绣杜鹃和红花檵木的滞尘范围较广，而山茶的滞尘范围窄；山茶易于滞留小粒径颗粒物，夹竹桃则易于滞留大颗粒。这对南京地区的树种选择具有较好的参考价值。

2)本研究发现单位叶面积滞尘量与叶表沟壑状况呈正相关，且叶片上表面发挥主要滞尘作用，其微结构特征主要影响植物的滞尘能力。叶片毛被状况对植物滞尘粒径的选择可能存在一定影响，毛被密度大的树种易于滞留大颗粒悬浮物。

3)在滞尘树种的选择上，应综合考虑应用地环境与植物的滞尘特性。从滞尘效益指数来看，洒金桃叶珊瑚和广玉兰的叶面积广阔，滞尘总量大，且抗尘能力较强，在配置时可选作改善空气质量的骨干树种；锦绣杜鹃和红花檵木的滞尘粒径范围广，山茶对PM2.5、PM10的滞尘效果最好，适合辅助其他树种参与配置；极强的抗尘、抗污染能力，以及易于滞留大颗粒悬浮物的特点，则使得夹竹桃成为污染较严重区域宜选择的重要树种。

注：文中图片均由王书恒拍摄或绘制。