热带地区湛江市常见行道树滞尘能力比较及机理分析

钟琳琳, 郑玲, 区余端



热带地区湛江市常见行道树滞尘能力比较及机理分析

钟琳琳, 郑玲, 区余端*

广东海洋大学, 湛江 524088

以热带地区湛江市常见的行道乔木作为研究对象, 研究行道树滞尘能力及作用机理, 为筛选生态效益高、适合热带环境种植的行道树种提供理论依据。选择热带街道常见的9种行道乔木在4个地点重复采样, 采用最新比例称重法计量尘埃质量, 纸重法测量叶面积, 并进行叶面微结构, 叶面特征, 叶柄长度和滞尘情况组合分析探索滞尘机理。这9种行道树的滞尘能力差异极显著, 麻楝滞尘能力最强, 达6.2907 g·m–2, 羊蹄甲滞尘能力最差, 为1.3136 g·m–2, 它们相差达5倍, 9个树种的滞尘能力从大到小依次是: 麻楝>小叶榄仁>非洲楝>人面子>大花紫薇>垂叶榕>雅榕>糖胶树>羊蹄甲; 植物的滞尘能力与其叶片气孔密度、开闭程度有关, 表明气孔密度小且开张程度大的植物叶片滞尘能力高于气孔密度大且开张程度小的植物; 植物的滞尘能力与叶片表面特征和伸展角度有一定关系, 其关键影响因素是叶面的纹路和粗糙程度, 而与叶片的质地关系不大; 关键研究结果是行道树叶柄长度与滞尘能力呈明显的负相关, 其叶柄越长, 滞尘能力相应越差, 羊蹄甲平均叶柄长度为3.43 cm, 滞尘能力最差。行道树间滞尘能力差异极显著, 行道树的气孔特征、叶面特征、叶柄长度和枝条伸展角度都会影响行道树的滞尘能力。

热带地区; 行道树; 滞尘; 机理

0 前言

植物能通过叶片吸附大气颗粒物, 在净化大气中扮演着重要的角色。植物能吸收、转化有毒物质, 如大气中的硫化物以及铅等重金属[1–2]。植物通过光合作用制造O2, 对保持清新空气有重要的作用。而行道树作为道路绿化的重要组成部分, 对城市环境具有很重要的改善作用, 包括阻滞大气颗粒物, 改善城市小气候, 减少空气中的含菌量以及降低噪音等作用[3–5]。

目前国内外对城市行道树的环保意义进行了诸多研究。Zhang等和Jin等对行道树降低PM2.5方面进行了有积极意义的研究[5–6]; 阿丽亚·拜都热拉等比较了干旱区绿洲城市热化树种滞尘量, 分析了阿克苏市绿化树种滞尘能力及其影响因素, 总结了阿克苏5种绿化树种的滞尘规律: 不同树种单位叶面积滞尘量差异显著; 同一树种在不同功能区滞尘能力不同: 不同高度的叶片滞尘量差异显著; 在同一个功能区树种滞尘量差异由树高、冠幅和叶面特性(黏度、绒毛、粗糙度) 等所引起; 影响树种滞尘能力的3个因素中, 人为因素权重最大, 自然因素其次, 而叶片自身因素的影响最低[7–9]。

在研究方法方面, 国内外研究人员主要用模型和气室模拟两种方法来研究植物对大气颗粒物等的滞留能力。模型方法主要是通过计算机模型量化估算出植物每年的滞尘量。例如Yang J 等人采用城市森林效应模型对北京城市森林进行研究, 量化分析了北京海淀等8个行政区的城市森林每年的滞尘量[10]。由于树木从大气中去除空气污染物涉及到许多复杂的过程, 因此模型结果存在不确定性, 它只是一个近似结果。而气室模拟则是利用空气颗粒物再发生器, 将颗粒物重新释放, 使其形成均为稳定的气溶胶, 然后再测定该环境中植物对颗粒物的阻滞能力。Hwang 等人用气室模拟实验, 研究比较日本赤松、美国梧桐、东北红豆杉、银杏和榉树这5种乔木对大气颗粒物阻滞吸附能力, 发现叶表面有细密绒毛以及明显主脉的树叶截留大气颗粒物能力较强, 这一研究完成了植物对大气悬浮物阻滞吸附过程的室内模拟, 但实验是通过燃烧氮气和乙炔来人为地制造悬浮物, 与环境中的大气颗粒物的成分存差异[11]。本研究直接研究自然界中的叶片上滞留的大气颗粒物, 用部分与整体关系的原理[12], 得到植物吸滞自然环境中的粉尘量, 更接近现实情况。

不同树种滞尘能力的差异除了跟树冠总叶面积、树冠形状、枝干分之角度等有关, 还与叶表面特性(纹路、粗糙、绒毛、油脂、湿润等)有密切关系, 如叶表面具有沟状组织或密集纤毛的树种滞尘能力较强, 其微形态结构越密集、深浅差别越大, 越有利于滞留大气颗粒物, 叶子表面平滑的树种滞尘能力较弱。目前, 在不同树种滞纳颗粒物能力定量研究中从叶面微结构出发探究树木滞尘的报道较少, 对于叶子表面结构的定量化研究还有待于进一步深化[13–17]。

本研究通过调查湛江这个热带地区的行道树对大气颗粒物的滞留能力, 研究其行道树的滞尘能力, 分析其滞尘机理, 选择出阻滞大气颗粒物能力相对强的植物, 为筛选生态效益高的行道树种类, 建立适合热带环境的行道植物提供理论依据。另外, 本研究将差重法与数学比例关系换算相结合, 回避了单独采用差重法时, 因大气颗粒物质量极小而造成的巨大误差的缺点。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湛江市位于中国大陆的最南端, 东经109°31'—110°55', 北纬20°—21°35'之间, 包括半岛以北一部分以及雷州半岛全部。东濒南海, 西临北部湾, 南隔琼州海峡与海南省相望, 西北毗邻广西壮族自治区, 东北与茂名市接壤。湛江的气候属热带季风型[18], 常年受热带海洋气候调节。年平均气温高达23 ℃, 年平均雨量为1417—1802 mm。夏季属于多雨季节, 其中8月雨量比较多; 10月至翌年3月雨量比较少。据成夏岚等的统计, 湛江市共计有41种行道树, 包括24科34属, 但主干道行道树只有25种, 基调树种为非洲楝((Desr.) A. Juss.) 、大王椰子((Kunth.) O. F. Cook)、椰子(Linn.)、羊蹄甲(Linn.)等[19]。

1.2 实验方法

1.2.1 采集试样叶片

本次研究选择最为常见的9种行道树乔木为研究对象, 分别为: 雅榕(Miq.)、非洲楝((Desr.)A. Juss.)、垂叶榕(Linn.)、糖胶树((Linn.) R. Br.)、大花紫薇((Linn.) Pers.)、羊蹄甲(Linn.)、小叶榄仁(Capuron)、麻楝(A. Juss.)、人面子(Pierre)。2016年夏季, 在一次性降雨量大于15 mm达到可以冲掉植物叶片上的所有降尘[20–23]后, 植物进入新的滞尘周期, 于持续晴天1周之后进行样品采集。共设置4个采样点, 各采样点自然条件基本一致, 目的是保证环境因子的影响而产生的误差降到最低。同一采样点每种植物选择3株, 每株在树高约2 m处采30片叶子, 采集的叶子分布于树冠四周各个部位。用聚乙烯塑料封口袋分装采集的叶片。

1.2.2 叶片所滞留尘埃的质量测定

用蒸馏水浸泡试验叶片4 h, 用软毛刷刷洗叶片的表面, 重复清洗2次, 每次用水200 mL, 共400 mL; 再用200 mL蒸馏水多次冲洗聚乙烯塑料封口袋内部, 保证装叶子时掉落到袋子中的灰尘进入悬浊液, 将冲洗叶片和袋子共600 mL悬浊液合并在一起, 用精度为0.01 g的天平称量悬浊液的质量m。

用恒温磁力搅拌器搅拌洗涤叶片后的总悬浮液5—10 min, 使总悬浊液中的颗粒物均匀分散。用移液管移取30 mL悬浊液到到塑料培养皿中, 称30 mL悬浊液的质量为m1; 再将塑料培养皿放到60 ℃的烘箱中烘干至恒重, 取出称量获得这部分悬浊液中颗粒物质量设为m; 可得出总悬浊液中总颗粒物的质量m, 见公式1[12]。

1.2.3 叶面积计算

采用纸重法计算叶面积, 沿叶子的边缘在纸上描绘出其轮廓, 并将所画轮廓剪下, 得到纸膜, 在万分之一天平上称量出其质量。选用面积为3 cm×3 cm的正方形纸膜作为标准纸膜, 称量出其质量。按公式2算出叶面积[24]。

1.2.4 观察叶片显微结构

将样本叶片均匀地切成5 mm×5 mm, 投入浓度为50 g·L–1的NaOH溶液中, 在60 ℃恒温箱中恒温处理24—72 h, 然后用蒸馏水清洗, 再用H2O2溶液浸泡5—10 min作漂白处理, 处理后制成临时装片。在NIKON显微镜下以40×10倍观察, 并测量5个10×40视野下气孔的数目和形态、大小。

1.2.5 测量叶柄长度

将样品叶子洗净后, 用准确度为0.01 cm的卡尺测量其叶柄长度, 得出平均叶柄长度。

1.2.6 数据分析

各行道树种滞尘量的比较和方差分析使用STATISTICA 8.0软件; 行道树种的滞尘量聚类分析使用PC ORD 6.0软件; 平均叶柄长度与平均单位叶面积滞尘量的相关性分析用SPSS Statistics 19软件、并用Microsoft Excel 2010软件作图。

2 结果与分析

2.1 滞尘能力分析

2.1.1 滞尘量的比较

湛江市9种行道树单位叶面积滞尘量比较如图1所示。麻楝滞尘能力较突出, 单位叶面积滞尘量可以达到6.2907 g·m–2; 羊蹄甲的滞尘能力最弱, 其单位叶面积滞尘量为1.3136 g·m–2, 滞尘能力约只有麻楝的1/5, 糖胶树的滞尘能力与羊蹄甲相差不大; 非洲楝、小叶榄仁滞尘能力处在第二档, 在4—5 g·m–2之间; 而大花紫薇、垂叶榕、雅榕、人面子的滞尘能力处在另一个档次, 其单位叶面积滞尘量均为2—3 g·m–2。

注: 1: 羊蹄甲, 2: 大花紫薇, 3: 糖胶树, 4: 垂叶榕, 5: 非洲楝, 6: 雅榕, 7: 小叶榄仁, 8: 麻楝, 9: 人面子。

Figure 1 Comparison of dust-retention capacity by average unit leaf area among roadside trees

本研究中9种行道树中, 滞尘量达在1—2 g·m–2, 2—3 g·m–2,4—5 g·m–2, 6—7 g·m–2的树种分别占例为: 22%, 45%, 22%, 11%。这9种行道树的滞尘能力高低的排序为: 麻楝>小叶榄仁>非洲楝>人面子>大花紫薇>垂叶榕>雅榕>糖胶树>羊蹄甲。

方差分析显示各行道树滞尘能力差异极显著(<0.01), 说明各树种由于各种原因滞尘量存在较大不同, 这为挑选优秀滞尘树种提供了有利基础。

2.1.2 滞尘量的聚类分析

通过对9种行道树的滞尘能力进行聚类分析, 大花紫薇、垂叶榕、人面子滞尘能力相似度较高, 高于95%, 同处一类, 滞尘能力处在中下。羊蹄甲、糖胶树的滞尘能力基本一致, 和雅榕也比较接近, 它们同处一类, 滞尘能力较差。非洲楝、小叶榄仁滞尘能力相近, 同处一类, 滞尘能力处在中上水平。麻楝自成一类, 滞尘能力最强。后两类的滞尘能力与前两类基本没有相似度。

2.2 树种滞尘能力差异原因分析

2.2.1 叶面微结构与滞尘能力的关系

叶面是阻滞大气颗粒物的主要载体, 对样品树叶进行显微结构观察, 见图3。

通过观察显微结构可以得知, 滞尘能力较小的糖胶树的气孔密度较大, 达到272个·mm–2, 但气孔较小且开张程度小; 滞尘能力较强的非洲楝、麻楝气孔密度相对较小, 分别是55个·mm–2、146个·mm–2, 气孔开张程度相对较大, 蒸腾作用明显, 能适当增加周边空气湿度, 利于叶面接受大气颗粒物。通过分析不同行道树的显微结构可知, 气孔密度较小且开张程度大利于滞尘。

2.2.2 叶面特征与其滞尘能力的关系

通过观察树冠和叶面特征, 结合中国植物志[25–30], 对各行道树树冠和叶面特征进行比较(见表1)。一般认为, 植物叶片表皮粗糙程度, 是否具有绒毛等因素导致各植物滞尘能力有所差异。本研究中各行道树的叶面基本都没有绒毛, 基于这个一致的条件, 本研究便于从叶片质地、叶片粗糙程度、叶片伸展角度进行滞尘能力比较。叶子质地方面, 羊蹄甲是薄纸质, 麻楝是纸质, 其他是蜡质或薄蜡质, 而羊蹄甲和麻楝的滞尘能力相差较大, 所以滞尘能力与叶子质地没有直接关系。从叶面的纹路和粗糙程度分析, 非洲楝叶脉纹路深, 叶脉处下凹, 叶边缘上凸, 麻楝的叶面较粗糙, 这两种行道树的滞尘能力都较高; 滞尘能力较强的小叶榄仁叶面也相对较粗糙, 可见叶面的纹路和粗糙程度与滞尘能力相关。从树冠进行分析, 滞尘能力较强的非洲楝和麻楝都是阔卵形树冠, 可见这种浓密的树冠形态利于滞尘。从枝条和叶片的伸展角度分析, 基本的规律是枝条和叶片伸展角度越小, 滞尘能力越好, 但这种关系不紧密。

注: BP: 羊蹄甲Bauhinia purpurea Linn., LS: 大花紫薇 Lagerstroemia speciosa (Linn.) Pers., AS: 糖胶树Alstonia scholaris (Linn.) R. Br., FB:垂叶榕Ficus benjamina Linn., KS:非洲楝Khaya senegalensis (Desr.) A. Juss., FC:雅榕Ficus concinna Miq., TN:小叶榄仁Terminalia neotaliala Capuron, CT:麻楝Chukrasia tabularis A. Juss., DD:人面子 Dracontomelon duperreanum Pierre。

Figure 2 Cluster analysis of dust-retention capacity among roadside trees

注: 1: 羊蹄甲, 2: 大花紫薇, 3: 糖胶树, 4: 垂叶榕, 5: 非洲楝, 6: 雅榕, 7: 小叶榄仁, 8: 麻楝, 9: 人面子。

Figure 3 Leaf surface microstructure figure of roadside trees

2.2.3 叶柄长度与滞尘能力的关系

将9种行道树平均单位叶面积吸尘量与平均叶柄长度进行组合分析, 见图4。各行道树的叶柄长度和滞尘能力都是差异明显, 而叶柄长度和滞尘能力明显呈现负相关, 其相关系数是–0.781(见表2)。在本研究中, 滞尘能力最弱的羊蹄甲, 其叶柄最长, 平均叶柄长度为3.43 cm, 分析其原因, 一方面空气的流动容易扰动叶柄较长、叶片较薄的叶子, 导致这种叶子的阻滞大气悬浮物的能力大大降低[31–32], 另一方面, 叶柄长的叶子容易下垂, 同样不利于滞尘。而滞尘能力较强的小叶榄仁、麻楝叶柄较短, 其平均叶柄长度分别为0.22 cm, 0.31 cm, 气流相对难以扰动叶片, 从而使叶片更容易阻滞空气中的尘埃。可以得出, 叶柄长度与行道树的滞尘能力有一定的关系, 在其他条件一致的情况下, 叶柄越短越有利于行道树阻滞大气悬浮颗粒物。

3 讨论与结论

本研究结果表明不同行道树滞尘能力差异极显著, 9种行道树中滞尘能力最强的麻楝, 其单位叶面积滞尘量可以达到6.2907 g·m–2, 是羊蹄甲滞尘能力的5倍, 这个结果适合不同环境对不同树种的要求。正是由于环境的不同, 我们才能使用不同的树种来营建行道树。美观又滞尘较强的树种是行道树的首选, 本研究的结果可为行道树的选择提供依据。本研究的常见热带行道树的平均滞尘量(3.185 g·m–2)远远高于亚热带城市主要绿化树种的滞尘量, 如南京市常见常绿乔木(0.6191 g·m–2)[33]、武汉市主要绿化树种(2.3770 g·m–2)[34]、惠州市常见绿化树种(0.695 g·m–2)[35]。这说明, 常见热带行道树种的滞尘能力较强。

表1 各行道树树冠和叶面特征比较

注: 1: 羊蹄甲, 2: 大花紫薇, 3: 糖胶树, 4: 垂叶榕, 5: 非洲楝, 6: 雅榕, 7: 小叶榄仁, 8: 麻楝, 9: 人面子。

Figure 4 Portfolio analysis diagram of average petiole length and dust-retention capacity per leaf area

表2 滞尘能力和叶柄长度的相关性

行道树滞尘能力差异与其叶片的气孔特征、叶面特征、叶柄长度、叶片和枝条伸展角度等都有关系, 这些滞尘机理共同影响着行道树的滞尘能力。

行道树叶片气孔特征与滞尘能力的关系。本研究表明行道树的滞尘能力与叶片气孔密度、大小有一定关系。而气孔的性状对植物的蒸腾有影响, 进而影响叶片周围的空气湿度。Brewer 等的研究表明[36], 叶表气孔密度较大的植物有较强的疏水性, 不利于阻滞大气悬浮物。在本实验中研究的9种乔木中, 糖胶树、羊蹄甲树叶的气孔密度较大, 增加了叶表面的疏水性, 使得叶片与颗粒物的亲和性较小, 所以这两种行道树的滞尘能力均较小。而气孔开张程度大, 叶子代谢旺盛, 叶子更硬挺, 并且蒸腾作用显著, 空气湿度增加, 有利于叶面接收大气颗粒物。

行道树叶面特征与滞尘能力的关系。通过文中研究可知叶面的纹路和粗糙程度与滞尘能力有一定的关联。一般叶脉纹路深, 叶脉处下凹, 叶边缘上凸的植物容易滞尘, 比如文中的非洲楝; 同时叶面较粗糙的叶片也有利于滞尘, 比如麻楝。一般认为叶片表面着生绒毛, 叶表面与颗粒物接触并使颗粒物进入绒毛之间, 以绒毛阻滞颗粒物, 使颗粒物难以脱落, 有利于颗粒物的滞留[37]。本研究中的行道树都是叶面无毛或者近无毛, 所以这点无从判断。Neinhuis等人认为蜡质具有疏水性, 蜡质叶面会因为其蜡质层的存在, 从而降低叶片对尘粒的吸附作用, 不利于植物阻滞悬浮颗粒物[38]; 而纸质叶表由于其凹槽多, 粗糙程度大, 更利于叶表吸附扬尘。而余曼等人认为可能是由于大气中存在半挥发性的有机污染物, 包括苯胺类、苯酚类、多环芳烃类以及硝基芳烃类等[34], 而这类有机物之间可能进行反应, 并且与大气颗粒物粘附产生具有疏水性颗粒物。根据相似相溶原理, 蜡质叶更有利于吸附有机颗粒物, 从而使蜡质叶面的滞尘能力提高。本实验研究的结果中, 纸质叶的麻楝具有最强的滞尘能力, 而同样是纸质叶的羊蹄甲滞尘能力最差, 具有蜡质叶的行道树也有滞尘能力较强的, 说明叶片的质地可能不是植物滞尘能力的决定性因素。

叶柄长度、叶片和枝条伸展角度与滞尘能力的关系。Prusty 等人认为叶子有无叶柄以及叶片的着生方向也影响着植物的滞尘能力[31], 因为空气的流动容易扰动叶柄较长的、叶片薄、叶片向下生长的叶子, 导致这种叶子的阻滞大气悬浮物的能力大大降低。而叶柄较短的叶片则不容易受到空气流动的影响, 使得叶柄短的植物能更好地吸附灰尘, 使其吸尘能力大大提高。本研究中行道树的叶柄长度与滞尘能力成反比也与此观点相吻合, 叶柄较长的叶子容易摇晃, 破坏了叶面积累尘埃的条件。另外, 枝条与水平面夹角对植物滞尘能力产生一定的影响, 文中研究的垂叶榕、雅榕的枝条向上伸展, 枝条与水平面呈25—50°夹角, 而且枝条硬度大; 叶片大都向上生长, 所以尘埃不容易脱落, 滞尘能力相对较强。

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The dust-retention capability of street trees and its Mechanism in Zhanjiang, a tropical city

ZHONG Linlin, ZHENG Ling, OU Yuduan*

College of Agriculture, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China

In order to evaluate the dust-retention capability of different street trees and the mechanism, common street trees were selected in the tropical city of Zhanjiang. This research will provide a theoretical basis for selecting street tree species with high ecological efficiency, which is suitable for the tropical environment. In this study, nine common street tree species were selected for sampling and replicated at four sites. We measured dust weight using the latest weighing method and leaf area using paper weight method to measure the selected trees. We also measured the dust-retention capability of leaves, observed the microscopic morphology of leaf surface and texture, and compared the petiole length of leaves. The results showed that significant differences existed among the dust-retention capability of the nine street tree species. The dust-retention capability ofLinn.(1.3136 g·m–2) was the lowest among the species, which was only 1/5 of the highest one,A. Juss.(6.2907 g·m–2). The dust-retention capability of the nine street tree species was in a descending order as follows:A. Juss. >Capuron >(Desr.)A. Juss. >Pierre >(Linn.) Pers.>Linn. >Miq. >(Linn.) R. Br. >Linn. The dust-retention capability of the street tree leaves was related to stomatal density and the degree of stomatal opening. The street tree leaves with lower stomatal density and larger stomatal opening had the stronger dust-retaining capability. The key influencing factors for the street tree dust-retention capability were the grain and roughness of the leaf surface and had little to do with leaf texture. The petiole length of leaves was negatively correlated with the dust-retention capability. The dust-retention capability was related to leaf surface feature and stretching angle. The longer the petiole length of the leaf, the lower dust-retention capability was. The average petiole length ofwas 3.43 cm, with the lowest dust-retention capability. This study suggests that street trees are significantly different in their ability for dust retention, and the stomatal characteristics, leaf surface, petiole length, and branch extension angles all influence the dust-retention capability of the street trees.

tropical city; street trees; dust-retention capability; mechanism

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.012

Q142.9

A

1008-8873(2019)02-086-08

2018-06-25;

2018-11-03

广东海洋大学创新强校工程项目“地被类维管植物对亚热带人工林土壤质地的指示作用”(GDOU2015050210) ; 广东省教育厅科研项目“粤西沿海土壤沙化与植物指示作用研究”(2013LYM_0039)

钟琳琳(1993年—), 女, 广东肇庆人, 硕士生, 主要从事土壤生态学与土壤生物工程研究

区余端(1983年—), 女, 广东肇庆人, 副教授, 博士, 从事森林生态学和土壤生态学研究, E-mail:ouyuduan@126.com

钟琳琳, 郑玲, 区余端. 热带地区湛江市常见行道树滞尘能力比较及机理分析[J]. 生态科学, 2019, 38(2): 86-93.

ZHONG Linlin, ZHENG Ling, OU Yuduan. The dust-retention capability of street trees and its mechanism in Zhanjiang, a tropical city[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 86-93.