郑州市11种常绿灌木滞尘与抑菌综合能力评价

贺 丹，王翼飞，汪安印，李朝梅，雷雅凯，李永华，张 曼

(河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

近年来，随着郑州市的城市化推进，二次气溶胶、土壤扬尘、燃煤机动车等污染源导致郑州市的大气颗粒物浓度(质量分数，下同)特别是PM10和PM2.5均超出国际限值，空气污染日趋严重[1]。高浓度大气颗粒物会对人体健康造成危害，不仅随呼吸作用进入人体，引发呼吸系统、心脑血管系统等疾病，还会显著降低能见度，从而引发雾霾天气[2-5]。雾霾天气会导致部分病原菌例如芽孢杆菌属(Bacillus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)等的相对丰度升高，致病力增强[6]。因此研究如何降低空气中颗粒物浓度对保护环境、减少疾病传播、维护人类健康具有重要的意义[7-8]。

园林植物是城市园林绿化的主体部分，可以阻挡、吸附、滞留、凝结大气颗粒物，借助植物的清除机制，能够有效改善城市大气污染状况[9-10]。植物主要通过叶片进行滞尘，其滞尘能力与叶片特征特别是叶表面微形态结构密切相关[11-13]。叶片表面微形态结构如绒毛、沟壑、褶皱和蜡质层等会影响叶片滞尘能力[9,14-15]。此外，植物叶片自然释放的挥发性物质具有高效的抑菌活性，能抑菌、杀菌和净化空气[16]。不同植物所产生的杀菌或抑菌类物质的种类和浓度不同，相同的树种对不同菌种的抑制作用也不同[17]。枇杷和南天竹对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及枯草芽孢杆菌的抑制效率达到100%[18]。香樟、枫香对大肠杆菌，白千层、香樟和蒲桃对金黄色葡萄球菌有较强的抑制作用[19]。

不同植物的滞尘能力差异显著，与落叶乔灌木相比，常绿灌木因株型低矮紧凑，易于附着降尘和地面的扬尘，其滞尘量相对更高[6,20-21]。特别是在冬春季节，郑州市多数阔叶树种处于落叶未展的状态，仅有少数常绿(含半常绿)阔叶灌木发挥主要的滞尘效应[22-24]。前人研究中，基于相同试验材料和叶面积测定方法的前提下，常用的滞尘能力评估方法有滤膜法、质量差减法、气溶胶再发生器法等；而对抑菌作用的测定常用方法为平板计数法、室外自然沉降法、滤纸片法等；因野外与自然环境下试验结果的可比性较差，且不同方法得到的树种排序存在重合部分[17,25]，本研究选取郑州市文化公园11种常绿灌木，采用优化后的3级滤膜过滤法测定单位叶面积TSP、PM>10、PM10、PM2.5的滞留量，回避了粒径、质量极其微小的颗粒物不能完全被收集和准确称量的缺点[26]；对比几种常用的抑菌研究方法，应用更准确可靠的平板计数法测定11种常绿灌木对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌能力，并对其滞尘与抑菌的综合能力进行评价，为郑州市大气污染治理过程中合理选择高效滞尘抑菌的绿化树种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

郑州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)位于河南省中部,典型暖温带大陆性季风气候，四季分明、雨热同期，全年平均气温16.7 ℃，年平均降水量591.48 mm，年平均风速2.0 m·s-1，年平均相对湿度61.1%。在植物区系划分上属于暖温带落叶阔叶林植被类型，植被资源较丰富[27-29]。采样点选择郑州市文化公园，位于中心城区，常绿灌木丰富，植被稳定，能够代表郑州市内主要的植物情况和市内环境状况。

1.2 供试材料

1.2.1 供试植物 选取郑州市文化公园的11种常绿灌木作为试验材料，每种植物在文化公园内均有分布，且数量在10株以上(表1)。

表1 11种常绿灌木及叶片长宽值(平均值±标准误差)

1.2.2 供试菌种 大肠杆菌(Escherichiacoli)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilus)和金黄色葡萄球菌(Staphylococusaureus)均来自河南农业大学风景园林与艺术学院观赏植物实验室。

1.3 研究方法

1.3.1 叶片滞尘量的测定 于2020年8月下旬晴朗的上午采集，每种植物随机选取3株以上样树，在每株样树的同一高度、4个方位( 东、南、西、北)随机采取成熟叶片30～50片，采集后分成2部分放入自封袋，每个树种设置3组重复。采用3级滤膜过滤法测定并计算各灌木不同粒径颗粒物的滞留量[12,26]。使用叶面积仪(CI-203,CID,USA)对清洗后的叶片进行叶面积测定，重复3次；单位叶面积滞尘量=叶片颗粒物质量/叶片总面积。

1.3.2 叶片挥发物抑菌能力测定 将采集带回的叶片去柄，用无菌水充分冲洗后，放在灭菌30 min后的超净工作台上。按照常规法制备好牛肉膏蛋白胨细菌培养基和LB液体培养基，活化3种供试菌种。将3种细菌悬液分别接种在牛肉膏蛋白胨琼脂培养基上，在皿盖中加入供试叶片1 g，每组重复3次。在37 ℃生化培养箱里培养12 h后，观察平板培养基上微生物生长情况及菌落的大小，计算菌落个数，以不放叶片的培养基做对照，从而得出抑菌率，抑菌率(%)=(对照组平均菌落数-处理组平均菌落数)/对照组平均菌落数×100。

1.4 数据处理

利用SPSS 26.0(IBM，USA)软件进行数据处理，用单因素方差分析法(one-way ANOVA)进行差异分析，用LSD法(least-significant difference)进行多重比较。采用主成分分析法(principle component analysis)分析指标的相关性，并计算综合得分。采用Origin 2019(origin lab，USA)和Photoshop 2020(adobe systems，USA)软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同植物单位叶面积滞尘量比较

11种常绿灌木单位叶面积TSP、PM>10、PM10、PM2.5的滞留量变化范围分别是0.43～2.24，0.33～1.44，0.10～1.03 g·m-2和0.05～0.92 g·m-2，不同灌木之间滞尘量差异显著(P<0.05)(表2)。单位叶面积TSP和PM>10滞留量最大的是八角金盘，最小的是金森女贞，2种滞尘量前者是后者的5.2倍和4.4倍。单位叶面积PM10和PM2.5滞留能力最强的是夹竹桃，最弱的是金森女贞，分别是其10.3倍和18.4倍。

表2 11种常绿灌木的TSP、PM>10、PM10、PM2.5单位叶面积滞留量(平均值±标准误差)

2.2 不同植物抑菌能力比较

11种常绿灌木叶片对同种菌种的抑菌率差异显著(P<0.05)，同一树种对不同菌种的抑菌率差异也是显著的(P<0.05)(图1、图2)。对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌抑菌率最高的分别是南天竹和洒金桃叶珊瑚、火棘、海桐和南天竹；抑菌率最低的分别是海桐、大叶黄杨、珊瑚树。

图1 11种常绿灌木对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率

注：E.大肠杆菌；B.枯草芽孢杆菌；S.金黄色葡萄球菌。1～12参见表1。

2.3 植物滞尘、抑菌能力与形态性状的相关性及主成分分析

通过对11种常绿灌木滞尘、抑菌和叶长宽等9个指标之间的相关性分析得出，各指标的相关系数达到显著水平的有22个，包含极显著水平15个(图3)。其中，PM10滞留量与PM2.5滞留量的相关系数最大，TSP、PM>10、PM10、PM2.5滞留量与叶长、叶宽均为显著正相关；TSP、PM>10、PM10、PM2.5滞留量与枯草芽孢杆菌抑菌率和金黄色葡萄球菌抑菌率均呈负相关；PM2.5滞留量与大肠杆菌呈正相关。由此可见，各指标均具有一定的相关性，所含信息交叉重复，所以可以对所有指标进行主成分分析。

注：*表示在0.05水平上显著相关; **表示在0.01水平上极显著相关; X1.TSP; X2.PM>10; X3.PM10; X4.PM2.5; X5.大肠杆菌抑菌率; X6.金黄色葡萄球菌抑菌率; X7.枯草芽孢杆菌抑菌率; X8.叶长; X9.叶宽。

将滞尘、抑菌与叶长宽指标转化为9个主成分进行分析(表3)。TSP、PM>10、PM10、PM2.5、叶长及叶宽在第1主成分上具有较高载荷，说明第1主成分主要反映了植物滞尘能力和叶长宽指标。枯草芽孢杆菌抑菌率、金黄色葡萄球菌抑菌率和大肠杆菌抑菌率在第2、3主成分具有最高载荷，说明第2、3主成分主要反映了抑菌能力。前3个主成分的累积方差贡献率为81.23%，反映出11种常绿灌木滞尘、抑菌能力和叶长宽指标80.00%以上的信息；因此，可以提取前3个主成分作为植物滞尘抑菌能力评价的综合指标。

表3 滞尘、抑菌与叶长宽指标的前3个主成分分析贡献率和因子载荷矩阵

2.4 园林植物滞尘与抑菌能力综合评价

根据前3个主成分得分(Y1、Y2、Y3)以及其贡献率权重，得到植物的综合评价公式:Y=0.50Y1+ 0.18Y2+0.13Y3，滞尘与抑菌综合能力最强的是八角金盘和夹竹桃(表4)。

表4 11种常绿灌木滞尘、抑菌能力的综合评价

3 结论与讨论

不同树种对不同粒径的颗粒物滞留量差异显著，本研究中八角金盘单位叶面积滞留TSP、PM>10的能力最强，夹竹桃滞留PM10和PM2.5的能力最强。八角金盘具有宽大开展的叶型及起伏不平的辐射状叶脉，夹竹桃叶表面密布褶皱，叶脉横向突起明显，因而滞尘能力强于其他植物[24,27]。滞留PM10和PM2.5较强的树种为火棘、枸骨、珊瑚树和洒金桃叶珊瑚，其中洒金桃叶珊瑚滞留TSP和PM>10的能力较弱，可能是因为洒金桃叶珊瑚叶表面较其他3种灌木更为平滑[21,27]。大叶黄杨滞留PM10和PM2.5的能力强于滞留TSP和PM>10的能力，可能是其叶片蜡质含量对粒径在2.5～10 μm的颗粒物滞留量更强，其蜡质结构的疏水性使叶表面与颗粒物的接触角变小而导致[27,30-31]。金森女贞滞留所有粒径的颗粒物的能力最弱，主要是因为其叶表面无毛，较为光滑平整[27]。由此可知，叶片微形态结构对所有粒径颗粒物的滞留能力均有影响，叶型宽大、叶表面粗糙、叶脉凹凸不平的灌木更容易滞留颗粒物[24,27,30]。此外，八角金盘、夹竹桃、洒金桃叶珊瑚位于背阴处，光照微弱，局部气候与其他常绿灌木有所不同，大气温度降低，空气相对湿度提高，环境中大气颗粒物浓度受到气候因素影响而提高，因此八角金盘、夹竹桃、洒金桃叶珊瑚的滞尘能力较强[32]。

不同树种间抑菌率差异显著，植物主要通过叶片释放挥发物来抑菌、杀菌。本研究中南天竹、火棘和枸骨对3种菌类有明显的抑制作用，抑菌率均达70%以上。这可能是由于所释放的物质中类黄酮、生物碱、柠檬烯等含量较多，这些化学成分能够影响细菌的细胞膜形成，破坏其对宿主配体的黏附作用；或通过抑制酶活性来扰乱细菌的生长繁殖，从而达到一定的抑菌效果[19,34-35]。同一树种对不同菌种的抑制率差异显著，十大功劳和海桐对大肠杆菌的抑菌作用最弱，但对另外2种菌种的抑制作用较强，可能是由于阔叶植物所释放的抑菌物质成分比较复杂，这与郑素兰等[35]的研究结论相同。

园林植物的滞尘和抑菌功能密切相关，二者相辅相成，是改善空气质量的重要保障。但是园林植物在自然环境中的滞尘和抑菌作用，影响因素十分庞杂，除植物自身因素外，还受到气候因素、环境状况的影响[15,25]。因此，单一的量化或简单的加和会受到人为主观的影响，综合客观地考虑园林植物的多方面功能，才能有效评估园林植物的应用价值[36]。本研究采用主成分分析方法，通过数据降维将滞尘、抑菌等一系列具有相关性的指标重新组合成相互独立的综合指标，根据3个最重要的主成分及其权重得到综合评价的计算公式[19]。得出综合滞尘抑菌能力较强的植物为八角金盘、夹竹桃、珊瑚树、枸骨。今后郑州市景观规划设计中，在观赏特性的前提下可以优先考虑八角金盘、夹竹桃、珊瑚树等植物进行景观的营造。