乔木对不同粒径颗粒物吸滞作用研究

林星宇 李彦华 李海梅 李士美

摘 要：【目的】研究青島市城阳区道路绿地8种乔木对不同粒径颗粒物的滞尘能力，为城市园林绿化提供科学依据。【方法】用洗脱法并通过微孔滤膜过滤测定8种乔木对不同粒径颗粒物的滞尘能力。计算8种植株的单株叶面积和单株滞尘量，对比8种乔木单株滞尘量的大小，用JEOL7500F电子显微镜观测叶表面，分析叶表面结构与不同粒径颗粒物滞尘量之间的关系。【结果】不同树种滞尘能力存在差异，国槐和紫叶李对PM10吸附能力较强，毛白杨和悬铃木较弱，总体表现为：国槐>紫叶李>女贞>洋白蜡>栾树>绦柳>毛白杨>悬铃木;紫叶李对PM5滞尘能力最强，栾树最弱，紫叶李对PM5单位叶面积滞尘量是栾树的约2.4倍;对PM2.5吸附能力表现为国槐最强，栾树次之，绦柳最弱。对单株滞尘量的研究表明，悬铃木对不同粒径颗粒物单株滞尘量最大，栾树和紫叶李较低。进一步研究表明，具有叶表面粗糙、绒毛密集，气孔开口较大、沟壑明显等特征的植物滞尘能力较强。【结论】国槐和紫叶李对PM10吸附能力较强，毛白杨和悬铃木较弱;紫叶李对PM5滞尘能力最强，栾树最弱;对PM2.5吸附能力表现为国槐最强，栾树次之，绦柳最弱。悬铃木对不同粒径颗粒物单株滞尘量最大，栾树和紫叶李较低;具有叶表面粗糙、绒毛密集，气孔开口较大、沟壑明显等特征的植物滞尘能力较强。

关键词：乔木;滞尘效益;不同粒径;单株滞尘量;叶表面结构

中图分类号：S 688文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）08-912-08

Abstract：【Objective】 Effects of atmospheric dust particle size and landscape tree type on urban air quality improvement through dust retention of the plants were investigated. 【Methods】Dust retention of 8 varieties of landscape trees in Chengyang District of Qingdao City was studied according to the particle sizes determined by eluting the retained dust on leaves with water followed by microporous filtration membrane filtration. The leaf surface morphology was examined under a JEOL7500F electron microscope. The average total leaf area and dust retention rates on varied particle sizes per plant of each variety were obtained for analysis. 【Results】Among the tested species， Sophora japonica and Prunus cerasifera collected the highest， while Populus tomentosa and Platanus orientalis the lowest， amounts of PM10 particles. The overall dust retention rates of the 8 varieties ranked as： S. japonica>P. cerasifera>Ligustrum lucidum>Fraxinus pennsylvanica>Koelreuteria paniculata>Salix matsudana>P. tomentosa>P. orientalis. PM5 adhered more to the leaves of P. cerasifera but less to those of K. paniculata. The dust retention per unit leaf area of P. cerasifera was approximately 2.4 times higher than that of K. paniculata. The greatest retention on PM2.5 was found with S. japonica followed by K. paniculata， and lowest with S. matsudana. On dust retention of all particle sizes， P. orientalis was the highest， whereas， K. paniculata and P. cerasifera the lowest. It appeared that the rougher the surface， the denser the villi， the larger the stomatal openings， and the more apparent the gully of the leaves were， the greater ability of the plants to retain dust fallen from the atmosphere. 【Conclusion】 S. japonica and P. cerasifera demonstrated a superior capacity to adsorb PM10 on their leaves， but not P. tomentosa or P. orientalis; P. cerasifera to PM5， but not K. paniculata; and， S. japonica to PM2.5 followed by K. paniculata， but not S. matsudana. Including all varied particle sizes， the overall dust retention amount per plant of P. orientalis was the highest， while K. paniculata and P. cerasifera the lowest of the 8 tree varieties tested. And， trees of leaves with rough surface， dense villi， large stomatal openings， and obvious gully tended to collect more atmospheric dust that benefits air quality improvement for the vicinity. The information would aid the tree selection in urban landscape planning.

Key words：landscape trees; dust retention effect; dust particle size; dust retention per plant; leaf surface structure

0 引言

【研究意义】大气颗粒物主要是由汽车尾气、化石燃料燃烧等人为因素造成。它不仅会降低能见度，还会加剧温室效应，削弱近地层紫外线，使得空气中病菌的活性增强，从而引发呼吸道、支气管等疾病。根据粒径大小不同，空气颗粒物（PM）分为总悬浮颗粒物（TSP）、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM5、PM2.5）和超细颗粒物（PM1）。空气中粒径在10 μm以下的颗粒物，可以深入肺泡、渗入人体血液循环系统，增加人类疾病死亡率[1]。青岛市作为我国重要的沿海开放城市，近年来经济迅猛发展，随着机动车辆的快速增长，大气污染已经成为城市污染的主要问题，可吸入颗粒物中细颗粒含量不断增加，严重威胁着城市居民的身体健康和城市生态环境，曾被誉为东方瑞士的城市环境问题亟待解决[2]。众所周知，园林植物可以滞留大气颗粒物，提高空气质量，利用园林植物滞留大气颗粒物是提高空气质量的有效方法之一。乔木作为最基础的园林绿化树种，是一个城市环境绿化的主体，在植物滞尘方面具有绝对的优势[3]。因此，在城市环境日益恶化，雾霾天气日益严重的情况下，研究乔木树种对不同粒径颗粒物的吸滞能力，可为选择和优化城市绿化树种，降低城市大气颗粒污染物和提高空气质量提供科学依据[4]。【前人研究进展】研究表明，不同植物对不同粒径颗粒物的吸附能力不同[5]。王亚军等[6]对厦门市常见园林树种滞尘效应研究表明，腊肠树对TSP的滞尘能力最强，对PM2.5的滞尘能力表现为腊肠树的滞尘能力最强，其次为樟树，菩提树对PM2.5的滞尘能力最差，但樟树和菩提树对PM2.5滞尘量无显著差异（P>0.05）;对PM10滞尘能力依次表现腊肠树>菩提树>樟树，三者之间差异均显著 （P<0.05）。陈上杰[7]比较了21种植物对细颗粒物（PM10、PM2.5和PM1）的吸附阻滞能力发现，丁香对PM10的吸滞能力最强，雪松对PM2.5和PM1的吸滞能力最强，对PM10、PM2.5和PM1的吸滞能力最差的为大叶黄杨。罗佳等[8]研究表明，各树种单位叶面积吸附PM2.5的能力表现为：杉木>马尾松>青冈栋>苦槠>枫香>刺槐>;木荷>泡桐>湿地松=柏木>恺木，常绿树种单位叶面积吸附的TSP、PM1、 PM10、PM2.5量远大于落叶树种。是怡芸[9]研究表明，不同树种单位叶面积的总颗粒物、PM10和PM2.5均存在显著差异，总体表现为：针叶树种>阔叶树种。LI Shao-Ning[10]研究表明，针叶树吸收PM10、PM2.5和PM1的能力比阔叶树种强，杨树和垂柳对PM10的滞尘能力最强，白蜡对PM2.5和PM1的滞尘能力最强。植物的滞尘能力主要与植物叶表面特性有关，以往的研究表明，细胞排列不规则形成的起伏、小室或沟槽等结构及曲折的细胞轮廓线利于固定颗粒物;较深的纹饰、较厚的蜡质层、油脂等分泌物、气孔较多且开口密度大、粗糙度大的叶表皮滞尘能力高[11-13]。【本研究切入点】目前对于园林植物滞尘的研究多集中北京、上海、武汉等地，青岛地区鲜有报道，且大多是对总颗粒物以及不同粒径颗粒物体积和数量百分比的研究，很难直观和量化地评价植物的吸滞效果。【拟解决的关键问题】本研究针对上述问题，对青岛市城阳区8种乔木对不同粒径颗粒物的滞留量开展研究工作，以期为植物滞尘效益的量化评价和园林植物的选择与配置提供参考依据[14]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采样点分布于青島市城阳区具有典型性和代表性的道路（春阳路、长城路、正阳路）。由于该路为城阳区繁华地带，车流量较多，汽车尾气污染较为严重，污染状况相似，乔木生境一致。选择生长良好的8种乔木为研究对象，分别为：毛白杨Populus tomentosa、悬铃木Platanus orientalis、栾树Koelreuteria paniculata、绦柳Salix matsudana、紫叶李Prunus cerasifera、洋白蜡Fraxinus pennsylvanica、国槐Sophora japonica、女贞Ligustrum lucidum等。

1.2 试验方法

1.2.1 样品的采集

一般认为，雨量达到15 mm以上、雨强在10 mm·h-1的降水，就可以冲刷掉叶片上的粉尘，然后植物重新滞尘[15]。为了保证实验数据的准确性，供试乔木与道路的距离保持一致，采集高度控制在3 m左右，为减少采样时间不同导致的误差，每次采集均在1 d内完成，每一树种选择3株样株，在植株中进行均匀采样，依据叶片大小差异，采10～30片，本试验在2018年3～6月雨后每隔3 d（即3、6、9、12 d）采集1次叶子[16]。

1.2.2 不同粒径颗粒物单位叶面积滞尘量的测定

将采集的叶片置于盛有去离子水的烧杯中浸泡2 h;用毛刷刷下叶片表面的颗粒物，并用蒸馏水清洗3次，将叶片夹出，放纸上晾干，并用小毛刷轻轻刷洗装叶片的保鲜袋[14]。将10、5、2.5、0.2 μm 孔径滤膜放在65℃烘箱至恒重，将其拿出用万分之一分析天平称重得到初始重量，然后利用真空抽滤装置对植物叶片冲洗液依次通过10、5、2.5、0.2 μm 孔径滤膜进行分级抽滤，得到载尘滤膜后烘干至恒重，滤膜两次烘干后称重得到的质量差（Δm）即为不同粒径范围的颗粒物质量，其中0.2～2.5 μm范围可近似认为是PM2.5的质量。将晾干的叶片用便携式叶面积仪Yaxin-1241分别测量以上清洗并晾干后的叶片，测量出不同树种单片叶面积（S）。每张叶片重复测量3次，取其平均值作为该叶片的表面积，则△m/S 即为该滤膜对应粒径范围内单位叶面积颗粒物的质量（g·m-2）[17-18]，PM10、PM5和PM2.5单位叶面积滞尘量为不同范围的粒径单位叶面积滞尘量之和。

1.2.3 单株滞尘量测定

全株叶量计算：对乔木类树种采用标准枝分层法先对植株分层、分级，直至小枝，将小枝作为标准枝，统计叶数/标准枝（Y）和标准枝数量株（B），全株叶片总量N=B×Y，树种单株滞尘量=M×A×N[19]。

1.2.4 叶表面结构的观测

于雨后剪取植株上正常生长的叶片，并立即将叶片封存于干净塑封袋中以防挤压或叶毛被破坏;用新刀片在叶脉两侧的中部取 5 mm × 5 mm 大小的组织块，放入小玻璃瓶中，立即加入FAA固定液固定4 h以上，抽真空;配置 60%、70%、80%、90%、100% 的乙醇溶液，对样品进行逐级脱水处理，每次 10 min，最后用叔丁醇置换，冷冻;将冷冻好的植物样品放入冷冻干燥机内进行真空干燥，完全干燥后取出样品进行贴台，镀金，用扫描电子显微镜（JEOL7500F） 进行观察，拍摄不同放大倍数下植物叶表面结构照片[20]。

1.3 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2003和SPSS 21.0软件对滞尘量进行数据统计、单因素方差分析和绘图，用扫描电子显微镜（JEOL7500F） 观察叶表面结构，用AFM（原子力显微镜）测定叶表面粗糙度，用Image J统计分析各叶表面叶毛数量、气孔大小、气孔密度，用SPSS 21.0软件对滞尘与粗糙度、叶毛数量、气孔大小、气孔密度间的关系进行拟合分析[21-22]。

2 结果与分析

2.1 不同粒径颗粒物单位叶面积滞尘量研究

2.1.1 乔木对PM10滞尘能力研究

由表1可以看出，8种乔木叶片单位叶面积对PM10吸附量不同，不同乔木对PM10吸附量在0.038 0～0.158 7 g·m-2，其中国槐和紫叶李对PM10有较强的吸附作用，悬铃木对PM10的吸附能力较差，国槐能达到悬铃木的4.2倍左右。总体表现为：国槐（0.158 7 g·m-2）>紫叶李（0.112 7 g·m-2）>女贞（0.097 7 g·m-2）>洋白蜡（0.097 5g·m-2）>栾树（0.070 6 g·m-2）>绦柳（0.049 1 g·m-2）>毛白杨（0.046 3 g·m-2）>悬铃木（0.046 3g·m-2），差异显著（P<0.05）。

2.1.2 乔木对PM5滞尘能力研究

由表2可以看出，在8种乔木中，对PM5吸附能力表现为：紫叶李（0.066 3 g·m-2）>栾树（0.051 5 g·m-2）>国槐（0.046 2 g·m-2）>女贞（0.043 3 g·m-2）>洋白蜡（0.037 8 g·m-2）>毛白杨（0.035 6 g·m-2）>绦柳（0.034 8 g·m-2）>悬铃木（0.027 5 g·m-2），差异不显著（P>0.05）。不同乔木对PM5吸附量在0.027 5～0.066 3 g·m-2，紫叶李和栾树对PM5具有较强的吸附能力，悬铃木对PM5的吸附能力较差，其中紫叶李对PM5滞尘量能达到悬铃木的2.4倍左右。 2.1.3 乔木对PM2.5滞尘能力研究

由表3可以看出，在8种乔木中，对PM2.5吸附能力表现为：国槐和栾树对PM2.5的滞尘能力较强，分别为0.031 3 g·m-2和0.028 3 g·m-2，绦柳最弱，为0.016 4 g·m-2，国槐是绦柳的1.9倍。说明栾树主要吸附PM2.5。

2.2 乔木不同粒径颗粒物单株滞尘能力研究

通过对8种乔木单株叶面积和不同粒径单株滞尘量的计算，结果如图1、2所示。

由图1可知，悬铃木单株叶面积最大，为198.68m2;毛白杨次之，为115.12 m2;紫叶李的单株叶面积最低，僅为20.62 m2。8种乔木的单株叶面积大小表现为：悬铃木（198.68 m2）>毛白杨（115.12 m2）>洋白蜡（95.16 m2）>绦柳（55.12 m2）>国槐（31.41 m2）>女贞（28.14 m2）>栾树（25.73 m2）>紫叶李（20.62 m2）。

由图2可以看出，悬铃木PM10单株滞尘能力最强，其滞尘量为31.530 5 g·株-1;洋白蜡次之，PM10单株滞尘量为9.278 1 g·株-1;紫叶李PM10单株滞尘能力最差，单株滞尘量仅为1.012 4 g·株-1，悬铃木达到紫叶李的31倍。悬铃木对PM10的单位叶面积滞尘量较低（0.046 3 g·m-2），排第8位，但因为叶量多，单株总叶面积大，单株PM10滞尘量上升到第2位;女贞和紫叶李对PM10的单位叶面积滞尘量分列3、4位，但因叶量少，总叶面积少，所以单株滞尘量降至6、7位。8种乔木PM10单株滞尘能力具体表现为：绦柳（12.974 0 g·株-1）>悬铃木（7.549 8 g·株-1）>洋白蜡（6.686 0 g·株-1）>国槐（4.405 9 g·株-1）>毛白杨（2.217 5 g·株-1）>女贞（2.014 6 g·株-1）>紫叶李（1.768 7 g·株-1）>栾树（0.772 3 g·株-1）。绦柳PM5单株滞尘能力最强，其滞尘量为7.632 5 g·株-1，栾树最低，为0.432 6 g·株-1，二者相差约18倍，其中女贞和紫叶李对PM5的单位叶面积滞尘量分列2、4位，但因叶量少，总叶面积小，单株PM5滞尘量降至6、7位;国槐PM5单位叶面积滞尘量较低，位列第7位，但叶量多，总叶面积大，单株PM5滞尘量升至第3位。8种乔木PM5单株滞尘能力表现为：绦柳（7.632 5 g·株-1）>悬铃木（7.073 0 g·株-1）>国槐（3.311 6 g·株-1）>洋白蜡（1.946 4 g·株-1）>毛白杨（1.187 3 g·株-1）>女贞（1.061 9 g·株-1）>紫叶李（0.785 5 g·株-1）>栾树（0.432 6 g·株-1）。悬铃木、国槐、绦柳对PM2.5单株滞尘能力较强，其中最强的悬铃木滞尘量达到3.993 4 g·株-1;女贞最低，为0.338 2g ·株-1，二者相差约12倍。悬铃木对PM2.5的单位叶面积滞尘量较低，位列第6位，因叶量多，单株总叶面积大，单株PM2.5滞尘量升至第1位。

2.3 叶表面结构与滞尘能力的关系

通过对8种乔木叶表面结构的观察，可以得到叶表面结构与其滞尘能力的相关性，如图3和表4所示。

通过对叶表面结构特征观测与其滞尘量对比分析得出，紫叶李叶表面具明显褶皱，叶毛较多，气孔较密集;国槐叶表皮具密集颗粒物突起和明显狭窄的沟壑，叶毛较密集;紫叶李和国槐对PM10 、PM5 、PM2.5滞尘量均较高;栾树叶表皮上表面较平整，具蜡质层和轻微疣状突起，细胞轮廓不明显，叶表皮下表面具密集颗粒状突起，细胞轮廓明显，具浅沟槽，气孔较少，开口较小、狭长、对PM5 、PM2.5滞尘量较高;绦柳叶表面具有少量开口小的气孔，附着较多不规则的颗粒物以及线状突起，对PM10 、PM5 、PM2.5吸附量均较低，说明绦柳叶表面特征不利于颗粒物的附着[23]。经过对比分析可得出，具有叶表面粗糙，叶表面绒毛密集，气孔密集且开口较大，有一定宽度和深度的沟壑等特征的叶表面特征的植物滞尘量大。

3 讨论与结论

滞留大气颗粒物能力较强的植物叶表面微形态特征主要为：叶表面粗糙，叶表面绒毛密集，气孔密集且开口较大，具有一定宽度和深度的沟壑等。这与王萌[24]和杨佳[25]的研究结果一致。而张桐等[26]研究表明，植物的滞尘能力与气孔的数量及气孔是否开放无显著关系，而与植物叶表气孔大小有关。可能原因是试验时间、地域、植物的不同导致研究结果的差异。通过对8种乔木单株滞尘量的研究发现，单株植物的滞尘量不仅仅与单位叶面积滞尘量有关，单株总叶面积才是决定单株滞尘量的关键因素，这与阿衣古丽·艾力亚斯观点[27]相吻合，比如悬铃木和毛白杨对PM10、PM5、PM2.5的单位叶面积滞尘量均较低，但悬铃木和毛白杨叶量大，单叶面积也很大，单株总叶面积较大，因此增大了单株滞尘量;紫叶李和国槐单位叶面积滞尘能力较强，但单株总叶面积显著小于悬铃木，因此单株滞尘量较低。8种乔木树种中，悬铃木、毛白杨和洋白蜡对PM10、PM5、PM2.5的单株滞尘量较大，因悬铃木和洋白蜡形体比较高大、树叶浓密，可作为行道树首选，而毛白杨虽然单株滞尘量也很大，但是春季杨絮很多会对人们生活造成影响，因此可选择在远离市区的地方种植。紫叶李、国槐、栾树对PM10、PM5、PM2.5单位叶面积滞尘量较大，但其单株滞尘量小，因此在城市绿地群落结构的设计搭配中可适当增加一些比例，但在目前的青岛城市绿化中，栾树的应用相对较少，栾树作为一种抗性较强又可观叶、观花、观果的树种，对PM2.5吸滞能力较强，对于吸附空气中的PM2.5，降低城市飘尘具有重要意义，因此可在园林绿化中进行推广应用。

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（责任编辑：黄爱萍）