兰州市4种行道树滞尘能力研究①

刘涵科 马 瑞 张 翠

（甘肃农业大学林学院 甘肃兰州 730070）

随着城市化进程，机动车辆大幅增加，带来的污染及人为活动使生态坏境恶化，空气污染加剧，粉尘、烟雾、有害气体增多，已经对人类的生存和健康造成了严重影响，也对城市本身的生存与发展提出了严峻挑战［1］。兰州市位于黄土高原西部，沙尘天气频发、化石燃料大量使用、市区交通拥堵等问题使得降尘成为兰州市主要的污染问题之一［2］。降尘中粒径较小的颗粒物还能通过皮肤、呼吸道等途径，进一步危害人体健康［3-5］。

营造行道树是改善城区环境的主要措施，其以截取、吸附、固定的方式对大气中的粉尘起到了净化作用。叶片是植物体滞留大气粉尘的主要器官［6-7］。有研究表明，植物对大气的净化作用和滞尘效益主要通过植物叶片对颗粒物的吸附效应来实现［8-13］，但由于研究树种、地理位置和大气污染程度的差异，研究结果各异。一般情况下，不同区域空气污染不同，那么植物在不同环境下滞尘量不同。夏候祯［14］的研究表明同株植物处于不同高度的叶片滞尘量不同。而不同植物叶片的滞尘量又与植物叶表面特征密切相关［15-17］。为此，本研究拟以兰州市安宁文化区和西固工业区主干道常见且种植量较大的4种行道树为研究对象，测定分析其叶片滞尘量与冠层高度、区域环境、叶表面特征的关系，以期进一步认识城市绿化树种滞尘能力及其影响因素，从而从缓解大气颗粒物污染的视角为城市绿化树种的选择和配置提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

兰州市位于我国西北内陆地区，大陆性季风气候明显，年平均气温10.3 ℃，平均降水量为300 mm左右，并主要集中在6~9月。本研究采样点分别位于兰州市安宁区（文化区）滨河路和西固区（工业区）的西固东路。安宁区滨河路为4车道，车辆以小型机动车为主，少数摩托车和自行车，该干道旁有学校，公园，车流较少，空气质量较好；西固区西固东路同为4车道，但车流量较大，车辆以小型车、大型车、煤车、货车、公交车、摩托车及少数自行车为主。两处采样点附近均无正在施工的生产建设项目。

1.2 供试树种及叶片样品采集

兰州市用于市区道路绿化的乔木树种有国槐、悬铃木、紫叶李等，灌木树种有小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛、连翘等，其中，各主干道共有且种植量较大的树种为国槐、小叶黄杨、紫叶小檗和卫矛。本研究以这4种植物为研究对象，对其叶片进行采集。4种绿化植物的基本特征见表1。

表1 4种绿化植物基本特征

1.3 滞尘量测定

研究表明15 mm的降雨量可冲刷掉植物叶片上的降尘，使其重新接纳降尘，此时其滞尘量可记为0［18］。2021年9月4日，兰州市发生降雨事件，安宁区、西固区降雨量均大于15 mm，满足雨后采尘的要求。分别于雨后第4、8、12 d采样，两个区的采样时间均在同一天完成。每个树种分别采集植株树冠下部、树冠中部、树冠上部3个冠层高度的叶片样品，其中，国槐以树冠最低处作为零高度，自下而上测定了0～2、2～4、4～6 m 3个不同高度下的滞尘量；其余3种灌木树种将冠层3等分，分别取上部、中部、下部的植物叶片用于分析滞尘量随高度的变化。采样沿树冠外围，从东、西、南、北均匀采集生长良好的成熟叶片，每个高度层采集30~40片叶子，3次重复。采集时要带上聚乙烯手套，将采集好的叶片小心封存于自封袋中，减少振荡以防叶片上的灰尘脱落。样品带回实验室进行处理。

将采集的叶片样品分别放入烧杯用蒸馏水浸泡2 h后放入超声波清洗机中清洗约5 min。用镊子将叶片夹出，用细毛刷清洗叶片上、下表面，将浸洗液用已烘干的滤膜（W1）过滤，将过滤后的滤膜（W2）置于烘箱中60 ℃烘干至恒重后用万分之一天平称量，两次质量之差W2-W1即为颗粒物质量。用便携式叶面积仪分别测定4种植物的叶面积（A）。单位叶面积滞尘量W=（W2-W1）/A。

1.4 叶片表面观测

每个树种随机选取3片新采摘的、健康且无破损的叶片，避开主叶脉随机切取3个5 mm×5 mm的小方块，立即用FAA固定液（70%酒精：甲醛：乙酸=90∶5∶5）封存。将封存24 h的叶片用不同梯度（50%、70%、90%、95%、100%）的乙醇逐级脱水，每个处理15 min。将脱水后的叶片放入正丁醇15 min，取出后用双面碳胶将样品固定于样品台，使用离子溅射镀膜仪在真空下对样品表面镀膜80 s。在扫描电子显微镜下，分别选择放大倍数为200倍、400倍、800倍时进行显微拍摄。

1.5 数据处理

利用SPSS 22.0软件对采集的4种植物叶片滞尘量数据、叶表面结构参数进行分析，用Excel软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 4种植物滞尘量随高度变化特征

滞尘量随高度发生变化。由图1可知，滞尘量随着高度的增加而单调降低，且除西固区紫叶小檗外，其余处不同高度叶片滞尘量均表现出极显著差异（p＜0.01），4种绿化树种中，乔木树种国槐的滞尘量随高度变化的幅度最大，在安宁区由0～2 m处的1.69 g/m2降至4～6 m处的0.41 g/m2；在西固区由0～2 m处的2.76 g/m2降至4～6 m处的1.20 g/m2。小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛3种灌木的垂直变化幅度相对较小，变化幅度由冠下部至冠上部均不超过32%。

图1 4种植物在不同高度下的单位面积滞尘量

2.2 4种植物滞尘量差异

如图2所示，4种植物单位叶面积滞尘量雨后变化趋势相同，均随天数而呈现滞尘量增加的趋势。方差分析表明，在安宁区雨后第4、8 、12 d里，4种植物中滞尘量最大的小叶黄杨的单位叶面积滞尘量分别为3.63、4.61、5.85 g/m2，国槐的滞尘量在4种植物中最小，分别为0.47、1.44、3.01 g/m2。在西固区雨后第4、8、12 d，小叶黄杨在4种植物中的滞尘量最大，分别为5.89、7.14、8.18 g/m2，国槐的滞尘量最小，分别为1.06、2.64、4.40 g/m2。降雨事件发生后的第12天，国槐、小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛单位叶面积滞尘量在安宁区分别达到3.01、5.85、4.32和3.37 g/m2，平均每天滞尘量为0.25、0.49、0.36、0.28 g/m2，在西固区分别达到4.40、8.18、5.51、4.64 g/m2，平均每天滞尘量为0.37、0.68、0.46、0.39 g/m2，小叶黄杨的单位叶面积滞尘量显著高于其它3种植物。国槐、小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛4种植物在安宁区主干道的滞尘量要低于西固区主干道的滞尘量，其单位叶面积的滞尘量分别是西固区67.57%、72.06%、78.26%和71.79%。

图2 4种植物单位叶面积滞尘量

2.3 4种植物叶表显微结构与滞尘量分析

从植物叶片的电镜扫描图中可以清晰地看到不同植物叶片表面结构存在差异。图像放大倍数范围为200～800倍，由表2可知，通过调节扫描电镜的相关参数来观察叶片表面的特征。利用电镜扫描对4种植物叶片的沟槽、气孔分布、褶皱结构，以及粉尘附着情况等进行显微观察，本研究中，叶片上表面微结构观察在200～400倍视野下进行、叶片下表面微结构观察均在800倍视野下进行。结果如图3所示：小叶黄杨的叶片上表面较平整无褶皱结构，但叶片下表面气孔密度较大（285个/mm2），明显可见颗粒物附着在沟槽间隙；紫叶小檗叶片上表面排列规则具细褶皱，下表面分布有起伏的气孔（228个/mm2），有利于尘土的附着；卫矛上表面叶表面较平整，但附着较多的颗粒物，下表面具明显气孔（199个/mm2），不利于尘土附着；国槐叶片上表面具不规则团块状突起，有利于尘土附着，但叶片下表面的沟槽宽度较小，气孔相对较少（171个/mm2），并不利于粉尘的稳定固着。

图3 4种植物叶片扫描电镜图像

表2 4种绿化植物的叶表面显微结构

为进一步分析植物叶片表面显微结构与滞尘能力的关系，将气孔参数与沟槽量化后与滞尘量进行Pearson相关分析（表3）。结果显示，气孔宽度、沟槽宽度与单位面积滞尘量之间均未达到显著性相关，气孔密度与下表皮气孔长度呈现极显著相关（p＜0.01），单位面积滞尘量与下表皮气孔长度呈显著关系与气孔密度呈现极显著相关（p＜0.01）。滞尘能力可能受叶面的表皮毛、沟槽、分泌物等其他结构的影响较大。

表3 植物叶片表面结构参数与滞尘量之间的相关性

3 讨论

3.1 4种植物在不同高度下的滞尘量

植物的叶片在不同高度下滞尘量也不相同。研究发现4种植物中小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛叶片的滞尘量随着高度的增加滞尘量降低变化不是很大，但也呈现出了植物树冠下部叶片的滞尘量要高于植物树冠中部、上部的滞尘量。研究表明，空气中的尘土都有向下落的趋势，下部叶片更接近地面，与尘土接触的机会更大，所以植物下部叶片比上部叶片的滞尘量多［19］。国槐叶片随高度的增加滞尘量降低变化较为明显，分析其原因可能是有以下几点：（1）国槐是乔木，树体高大，垂直高度越高的植物受风影响更严重，枝叶的摆动会使得尘土脱离掉高处的叶片而降落到植物下部叶片，也有可能会重新悬浮于空气中；（2）人流、车流等因素会将地面的尘土带起，以至会形成2次扬尘，被植物中下部的叶片重新吸收。

3.2 4种植物滞尘量差异

本研究中国槐、小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛4种植物在12 d内的滞尘量随着天数增加而增加。同一植物的滞尘量在2个区呈现出西固区＞安宁区的趋势，说明了空气质量越差，空气中悬浮的颗粒物就越多，植物对颗粒物的滞留量就越大，与前人研究结论基本一致［20-21］。3种灌木中，小叶黄杨与紫叶小檗的垂直高度相对于卫矛较低，这可能是小叶黄杨与紫叶小檗的单位叶面积滞尘量要大于卫矛单位面积滞尘量的原因之一。不同类型植物的滞尘能力不同，众多学者认为灌木树种的单位叶面积滞尘量要大于乔木树种的单位叶面积滞尘量［22-25］，这可能为乔木树种与灌木树种的垂直高度不同。大气中的粉尘由于受到了乔木树干、枝叶的阻挡和摇摆的影响，就会有较多的粉尘降落，降落的过程中首先会降到灌木树种上，因此，附着于灌木树种单位叶面积的粉尘量也就较多。起风时，高大乔木树种枝叶所滞留的粉尘较容易会发生二次扬尘，而灌木树种由于受到了乔木树种屏障的作用，所以灌木树种的滞尘能力通常较乔木树种滞尘能力更强［26］。本研究所得结论与前人研究结果一致，即灌木树种的单位叶面积滞尘量整体上大于乔木树种的单位叶面积滞尘量。

3.3 4种植物叶表面结构差异

植物通过叶片滞留尘土，由于4种植物叶表面结构各不相同，导致不同植物的单位叶面积滞尘量之间存在显著差异。研究表明植物叶片的气孔密度、沟槽、褶皱结构是影响不同植物滞留尘土的因素［27］。结合叶片扫面电镜图可以发现，小叶黄杨叶片革质能够接受更多的粉尘滞留，且沟槽宽度较大，气孔密度较大也可更好的使尘土滞留，在2个区4种植物中滞尘量最大；国槐叶片上表面虽着生细密绒毛，有利于尘土滞留，但下表面的气孔密度较少、沟槽宽度较小、还有可能与树体高大有关，在2个区4种植物中滞尘量最小；紫叶小檗上表面具细褶皱，下表面沟槽宽度较大、具褶皱、气孔密度较大，但滞尘量要低于小叶黄杨，分析可能是紫叶小檗的气孔密度要少于小叶黄杨的气孔密度，且小叶黄杨革质；卫矛的叶片上表面光滑、不易阻滞粉尘，无褶皱结构、无气孔以及沟槽，下表面具气孔，但气孔密度要低于小叶黄杨与紫叶小檗，这可能是卫矛叶片滞尘量小于小叶黄杨、紫叶小檗的主要原因，在4种植物中滞尘量中等。

4 结论

基于实验的综合分析可得出以下结论：

（1）国槐、小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛的植物叶片在不同高度下单位叶面积滞尘量随着高度的增加而降低，4种植物中国槐最为显著。

（2）对国槐、小叶黄杨、紫叶小檗、卫矛4种植物在不同地区的滞尘量进行分析，4种植物的滞尘量表现为为西固区＞安宁区。

（3）4种植物的气孔宽度、沟槽宽度与滞尘量无显著（p＞0.05）相关关系，气孔长度与滞尘量呈显著相关（p＜0.05），气孔密度与滞尘量呈现极显著（p＞0.01）相关关系。叶片表面具褶皱、沟槽、突起等结构较多、气孔密度较大的植物滞尘能力更强。4种植物在安宁区、西固区的滞尘能力均表现为小叶黄杨＞紫叶小檗＞卫矛＞国槐。