乔木滞留大气颗粒物能力及其与叶表面微结构关系*

李晓璐 叶锦东 章 剑 周毅烈 袁楚阳 于 慧张天然 黄 芳 张贵豪 邵 锋

1 浙江农林大学风景园林与建筑学院 杭州 311300

2 北京林业大学园林学院 北京 100083

3 缙云县林业局 浙江丽水 321400

近年来,大气颗粒物污染已成为不容忽视的环境问题。长期暴露于颗粒物中,会对人体健康造成严重危害,诱发多种疾病[1-2]。总悬浮颗粒物(TSP,空气动力学当量直径≤100μm)已成为大多数城市大气环境污染的首要污染物,而空气动力学直径≤10μm(PM10)和≤2.5μm(PM2.5)的颗粒物,对人体的危害更大,会对心血管系统、呼吸系统等产生不良影响,增加死亡风险[3-7]。

植物叶片表面可有效滞留大气颗粒物,改善空气环境质量[8]。不同植物滞留颗粒物的能力有较大差异,这与植物叶表面微观结构有关。叶表面的气孔、沟槽、蜡质、绒毛、分泌物和皱褶等结构对颗粒物的滞留有重要影响[9-10]。赵云阁等[11]研究表明,粗糙的植物叶表面滞留PM2.5的质量较高。Perini等[12]对比了4种垂直绿化植物滞留颗粒物的能力,发现叶表面有较厚蜡质的植物滞留能力较好。王琴等[10]研究证实,叶表面的气孔和颗粒物滞留量之间无显著相关性,而与沟槽宽度有关。孙应都等[13]认为,气孔密度和大小与颗粒物滞留能力有关。已有多位学者对长三角地区植物滞留颗粒物的能力和机理进行研究[14-16],但主要集中在植物滞留TSP能力差异方面,而对植物滞留不同粒径颗粒物的质量和数量密度的研究较少；对叶表面微观结构的研究多为定性分析,缺乏量化分析。本研究选取杭州地区常见的10种乔木,采用重量分析法测定植物叶片滞留颗粒物质量,利用扫描电子显微镜(SEM)观察叶表面微观结构,ImageJ软件量化叶表面滞留的大气颗粒物数量密度和叶片气孔、沟槽等相关数据,并结合X射线能谱仪(EDS)分析叶片上颗粒物元素和可能来源,以对比杭州常见乔木的滞尘能力差异,探究造成差异的影响因素,从而为优良园林植物材料应用和城市植物景观营建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究采样地位于浙江省杭州市临安区杭瑞高速公路临安收费站附近的道路绿地(30°23′00″N,119°75′69″E)。采样地北侧为钱王街,南侧为吴越街,钱锦大道贯穿其中。采样区域边界距临安收费站最近距离为200 m。该样地周边车流量较大,交通污染较严重。选取10种常用的成年期乔木作为研究对象,分别是木荷(Schima superba)、桂花(Osmanthus fragrans)、银杏(Ginkgo biloba)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、玉兰(Magnolia denudata)、二球悬铃木(Platanus acerifolia)、杜仲(Eucommia ulmoides)、榔榆(Ulmus parvifolia)、桃(Amygdalus persica)和无患子(Sapindus mukorossi)。每种乔木选择3株生长势良好、枝叶繁茂、无病虫害,且树龄为25～30年的样株。采样前1周内要求无降雨、大风等极端天气发生。样本采集于2019年8月18号。采样当天天气晴朗、风速低于2 m·s-1。在每个样株2.0～2.5 m高度处,水平方向(东、南、西、北)随机选择叶子进行收集。叶片剪下后及时装入事先准备好的采样袋中密封、贴好标签,并运送至实验室完成后续操作。在实验过程中,实验人员应全程戴橡胶手套。为减少树木叶片上颗粒物的脱落,运送时不要抖动采样袋。

1.2 研究方法

1.2.1 叶片滞留颗粒物质量测定

利用重量分析法测定叶片表面和蜡质层滞留颗粒物的质量,两者之和即为叶片滞留总颗粒物质量。将每种乔木叶片取约200 cm2放入已编码的锥形瓶中,注入200～300 ml去离子水浸没叶片,用封口膜封口,放入恒温震荡仪(HZQ-X300C)中震荡10 min。将过滤水通过网筛(孔径为100μm)过滤掉＞100μm的颗粒物和其他物质。依次通过装有不同孔径亲水性滤膜的3套过滤装置。过滤装置将颗粒物分为细颗粒物(粒径0.2～2.5μm)、粗颗粒物(2.5～10μm)和大颗粒物(10～100μm)。水洗后的叶片用于测定蜡质层中颗粒物的质量,操作方法和步骤同上,但需要将去离子水和亲水性滤膜换成三氯甲烷和疏水性滤膜,且震荡时间不超过1 min。将试验后不同孔径滤膜静置于干燥箱(60℃)中干燥30 min。在试验前后均要将不同孔径的滤膜放入恒温恒湿(25℃,40%)的人工气候箱(Premium ICH)中处理24 h,取出后立即用电子天平(SI-234)称重,并记录滤膜初重和末重。末重与初重之差即为不同粒径颗粒物的质量。

1.2.2 叶面积测量

通过便携式叶面积仪(LI-3000C)测量叶片面积,每个叶片测量3次取平均值。由于水杉、榔榆叶片较小,无法使用叶面积仪测量,因此,采用ImageJ软件测量叶面积。各粒径滞留颗粒物质量与叶片总面积的比值即为单位叶面积滞留颗粒物质量,单位为μg·cm-2。

1.2.3 叶表面微观形貌及颗粒物数量密度观测

将样品放入干燥箱(60℃)中至叶片完全干燥。选取干燥叶片较平坦处,沿叶脉两侧剪下2小块(5 mm×5 mm)叶片,分别用于观察上表面和下表面微观形貌。用导电胶将叶片粘到样品台上,样品表面用离子溅射镀膜机(E-1045)喷金处理后,在真空条件下,利用扫描电子显微镜(SU8000)观察叶表面的微观结构和颗粒物状态,调整至合适倍数并拍照保存。每个叶片表面选择15张放大倍数为500倍的扫描电镜图,用ImageJ软件测量颗粒物的数量密度、沟槽宽度、气孔密度、气孔宽度和气孔长度。数量密度指单位叶面积上滞留颗粒物数量。在2 000倍放大扫描电镜成像下,随机选择叶表面上的颗粒物,通过EDS点扫描分析法进行元素组成及含量测定。

1.2.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件,运用单因素方差分析(ANOVA)对不同乔木单位叶面积滞留颗粒物质量、数量密度进行显著性分析,并用线性相关分析叶片滞留颗粒物质量、数量密度和沟槽、气孔之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 叶片滞留颗粒物质量比较

如图1A所示,10种乔木叶片单位叶面积滞留不同粒径颗粒物总质量存在显著差异(P＜0.05)。10种乔木滞留TSP、PM10和PM2.5质量分别为12.85～76.52μg·cm-2、6.43～34.53μg·cm-2和4.50～21.75μg·cm-2。叶片滞留TSP质量较高的是水杉和杜仲,两者之间不存在显著差异；其次是二球悬铃木、榔榆、无患子和桂花；桃、银杏、玉兰和木荷较低。叶片滞留PM10质量最高的是水杉,但其滞留PM2.5较低。桂花、二球悬铃木和榔榆滞留PM10和PM2.5质量均较高,而玉兰和木荷均较低。

图1 10种乔木单位叶面积滞留颗粒物质量

各乔木叶表面和蜡质层滞留颗粒物的质量不同(图1B)。叶表面滞留颗粒物质量占叶片滞留颗粒物总质量的百分比为31.44%～82.29%,蜡质层为17.71%～68.56%。除桂花、银杏、水杉和无患子外,其余乔木滞留颗粒物质量均是叶表面高于蜡质层。玉兰叶表面滞留颗粒物质量占总质量的82.29%,银杏和榔榆仅占31.44%和33.33%。

2.2 叶片滞留颗粒物数量密度比较

由表1可知,叶片表面滞留颗粒物数量密度均大于下表面(除银杏外)。对比分析不同粒径范围颗粒物数量密度发现,所有叶片上、下表面粒径的数量密度之和在0.2～2.5μm时最高,占总数量密度百分比为93.58%～97.77%。粒径2.5～10μm和10～100μm的百分比分别为2.08%～6.29%和0.04%～0.29%。桂花的上、下表面滞留细颗粒物和粗颗粒物的总数量密度均最高,但其滞留大颗粒物的总数量密度较低；水杉滞留粗颗粒物和大颗粒的能力均较强,银杏均较弱。10种乔木叶片上、下表面滞留颗粒物总数量密度排序为:桂花＞二球悬铃木＞桃＞水杉＞榔榆＞银杏＞无患子＞玉兰＞木荷＞杜仲。与滞留颗粒物质量排序对比发现,二球悬铃木、水杉和榔榆滞留颗粒物质量和总数量密度均较高,而滞留颗粒物质量较高的杜仲,其总数量密度则较低。

表1 叶片上、下表面滞留不同粒径颗粒物数量密度及百分比

2.3 叶表面微观结构与滞留颗粒物能力的关系

如图2所示,不同乔木及同一乔木的叶片上、下表面微观结构差异明显。10种乔木叶片上表面均未观察到气孔,下表面均有气孔。由表2可知,不同乔木气孔密度差异较大,变化范围为109.51～608.77 N·mm-2。无患子和桂花的气孔密度较大,杜仲和银杏较小；桂花的气孔长度最小,水杉最大。水杉叶片上、下表面均有密集的深沟槽,叶表面有蜡质,其表面滞留了大量颗粒物；银杏叶表面也有深沟槽,有少量颗粒物散落在表面上。桂花和木荷叶表面较平整,下表面均有大量的气孔和鳞片状蜡质,但桂花叶表面的长枝条状结构上有颗粒物沉积。杜仲叶表面可见到明显的皱褶和凹槽,部分颗粒物散落在气孔和周围沟槽处。玉兰叶片上表面较光滑,有浅沟槽,下表面有起伏的气孔。二球悬铃木叶上表面存在密集且较窄的沟槽,下表面气孔周围有皱褶,气孔较大。桃叶表面长条状结构与气孔周围的皱褶为粗颗粒物的滞留提供了空间。无患子和榔榆叶片下表面分布了许多气孔,气孔和长枝条状结构、瘤状突起等形成复杂的网络。榔榆叶片上表面的刺状突起和长枝条状结构周围沉积了大量颗粒物,无患子上表面有凹槽,凹槽中分布了密集的细小突起,其上滞留了许多细颗粒物。研究表明,叶片上表面的沟槽宽度与叶片滞留PM2.5质量之间呈显著负相关关系(R2＝0.579；P＜0.05),与叶片滞留TSP和PM10质量间无显著相关性。气孔长度、气孔宽度和气孔密度与叶片滞留各粒径颗粒物质量和数量密度间均未发现显著相关。综上,叶表面有皱褶、密集深沟槽、蜡质和突起等结构的乔木,滞留颗粒物能力较强。

表2 10种乔木叶表面气孔和沟槽数据

图2 10种乔木叶表面微观结构电镜图

2.4 颗粒物的元素组成

不同乔木及同一乔木叶片上、下表面颗粒物元素组成及含量均存在差异(图3)。叶片上、下表面颗粒物中共含有19种元素,其中有18种元素重叠。叶片上表面颗粒物元素均值由高到低为C、O、Si、N、Al、K、Nb、Na、Rb、Br、Cl、Mg、Sr、S、Ne、Sb、Pb和P；叶片下表面颗粒物元素均值由高到低为C、O、Si、N、Al、Ca、S、K、Nb、Mg、Na、Rb、Br、P、Sb、Cl、Ne、Rb和Sr。叶片上、下表面C和O元素含量均远高于其他元素,均值都超过32%；除C和O外,大多数乔木叶片上有N、Mg、Al、Si和K,Ca只存在于玉兰的下表面；此外,还发现了P、S和Pb,但含量很少。

图3 叶片滞留颗粒物的元素组成及含量

3 讨论

3.1 叶片滞留颗粒物能力与叶表面微观结构的关系

10种乔木滞留大气颗粒物能力存在显著差异。二球悬铃木、水杉和榔榆滞留颗粒物质量和数量密度均较强,玉兰和木荷较弱。王琴等[10]研究发现,二球悬铃木滞留颗粒物能力较强,这与本研究结果相同。植物滞留颗粒物能力差异与其叶表面的微观结构有关。本研究发现,叶表面有密集深沟槽和蜡质的水杉,具有较强滞留颗粒物能力；而叶表面相对光滑的木荷,其滞留颗粒物的能力则较弱。杨佳等[17]研究表明,植物叶片有毛状体和沟槽等微观结构,滞留颗粒物的潜力更大。孙晓丹等[18]认为,植物沟槽越窄、气孔越大,其滞留量越多,而与毛状体的数量和气孔密度无显著关系。叶片上表面的沟槽宽度与叶片滞留PM2.5质量呈显著负相关关系,而未发现与气孔有相关性。刘斌等[19]研究认为,叶表面蜡质具有疏水性,不利于颗粒物的滞留,而Kwak等[20]认为,蜡质将颗粒物固定在叶表面,且不易脱落。本研究表明,具有较厚蜡质的桂花虽然上表面较为平坦,但在蜡质层中仍滞留了大量颗粒物。叶表面颗粒物容易受风和雨等影响,而蜡质层中的颗粒物则能固定在蜡中[21-22]。叶表面存在皱褶、密集深沟槽、蜡质、长枝条状结构、瘤状突起等结构的乔木,更易滞留颗粒物。

3.2 叶片滞留颗粒物元素组成及来源

当前,交通污染已成为城市中大气颗粒物最主要的来源[23]。本研究发现,颗粒物中C和O元素含量较高,而汽车尾气中这2种元素也较高[24],因此,C和O可能来自汽车尾气。部分颗粒物中含有少量Pb,这可能来自于轮胎或车身油漆[25-26]。Sb存在于大多数乔木叶片上的颗粒物中,其可能来自汽车刹车片[27]。土壤扬尘也是重要的颗粒物来源之一。杭州临安地区的土壤类型属于红壤土,其主要含有Si、Na、Fe、Al、Ti、Mg和Ca等元素[28]。Shao等[29]研究发现,临安的土壤中主要元素为Al、K、Fe、Mg、Ca、Na和Ti,这与叶表面颗粒物中的元素类似。颗粒物中的N、Si、Al、Ca、Mg、Fe和Na元素可能来自于土壤粉尘[30]。因此,汽车尾气和土壤扬尘是叶表面颗粒物的主要来源。

4 结论

在本研究的10种常见乔木中,二球悬铃木、榔榆和桂花滞留颗粒物的能力均较强；不同乔木滞留颗粒物能力差异与其叶表面微结构有关,植物叶表面有皱褶、密集深沟槽、蜡质和突起等结构,其滞留颗粒物能力较强。因此,在城市绿化建设中选择优良滞尘植物材料时,应结合对滞留颗粒物有利的叶表面微观结构特征选择并推广相应树种,以改善城市环境质量。

本文仅对乔木的滞留能力进行了研究,并未涉及灌木和草本,今后可深入研究不同生活型植物滞留颗粒物能力差异。由于不同的自然环境条件会影响植物滞留颗粒物效果,将来可优化植物叶片滞留颗粒物的测量方法和评价体系,比较不同环境条件下植物滞留颗粒物的能力差异。