3种木樨科树种叶片滞尘效应动态变化及其与叶片特征的关系

姜霞 侯贻菊 刘延惠 舒德远 崔迎春 李成龙 杨冰 丁访军

摘要：研究贵州省贵阳市3种木樨科树种桂花、女贞和迎春花叶片滞尘能力，为筛选出贵阳市滞尘能力优良的园林绿化树种提供参考。利用颗粒物再悬浮法测定3种木樨科主要园林绿化树种吸滞颗粒物的能力，结合扫描电镜分析叶片的表面特征，探讨叶片颗粒物吸滞能力的时间变化规律及叶表面微观结构对其滞尘能力的影响。结果发现：（1）不同树种叶片总悬浮颗粒物（TSP，d<100 μm）滞留能力大小顺序为：桂花[（3.73±0.41） μg/cm2]>女贞[（2.49±0.41） μg/cm2]>迎春花[（1.91±0.23） μg/cm2];PM10滞留能力大小顺序为：桂花[（1.60±0.18） μg/cm2]>女贞[（1.10±0.19） μg/cm2]>迎春花[（0.85±0.10） μg/cm2];叶片PM2.5滞留能力大小顺序为：桂花[（0.11±0.01） μg/cm2]>女贞[（0.07±0.13） μg/cm2]>迎春花[（0.06±0.007） μg/cm2]。（2）在1年内，3种树种叶片TSP、细颗粒物（PM2.5）以及粗颗粒物（PM10）滞留能力随月份延长呈“高—低—高”趋势，在5月或10月最低，随后又逐渐上升。（3）在扫描电镜下观察叶表微观结构，发现气孔密度越高，其吸滞颗粒物能力越强。3种树种叶片滞尘能力表现为桂花>女贞>迎春花。

关键词：贵阳市;木樨科;树种;叶表面结构;滞尘能力;叶片特征

中图分类号： S687.101;S718.5  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0150-05

收稿日期：2018-04-19

基金項目：贵州省科技厅社发攻关项目（编号：黔科合SY字〔2015〕3021）;贵州省林业厅重大项目（编号：黔林科合〔2014〕重大01号）;贵州省林业厅青年人才基金（编号：黔林科合J字〔2017〕01号）;

作者简介：姜 霞（1981—），女，重庆人，硕士，副研究员，主要从事森林生态学研究。

通信作者：刘延惠，博士，副研究员，主要从事森林生态与森林水文研究。

随着城市化和工业化的迅猛发展，大气颗粒物污染逐渐成为影响我国城市居民健康的重要危险因素[1]。空气悬浮颗粒物通常被称为粉尘，指一定时间内悬浮在空气中的固体微粒。按照空气动力学直径的大小，可将其分为总悬浮颗粒物（TSP，d<100 μm）、可吸入颗粒物（PM10，d<10 μm）和细颗粒物（PM2.5，d<2.5 μm），而其中粒径在2.5 μm以内（PM2.5）的颗粒物是一类可入肺的颗粒，可以直接通过上呼吸道进入到人体肺泡及血液中[2]，以颗粒物为特征的大气污染问题已严重影响公众身体健康。因此，如何防治大气颗粒物特别是可吸入颗粒物对人类的危害已成为一个迫切需要解决的问题。根据贵阳市2016年环境状况公报，贵阳市主要污染物浓度除细颗粒物（PM2.5）年均浓度超过《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）二级标准浓度限值5.7%之外，其余5项污染物年均浓度均达到二级标准。其中，PM2.5平均浓度为37 μg/m3，SO2平均浓度为13 μg/m3，NO2平均浓度为 29 μg/m3，PM10平均浓度为63 μg/m3，CO第95百分位数浓度为1.1 mg/m3，O3第90百分位数浓度为130 μg/m3。

通过滞尘净化大气是城市森林重要的生态功能之一[3]。除了可以通过增湿降温，增加环境负离子来调节城市小气候外，植物还可以吸附大气颗粒物，对降低大气颗粒物污染发挥重要作用，从而净化城市空气。植物净化大气中颗粒物主要通过停着（滞留）、附着、黏附3种方式，这3种方式作用机制不同[4]。植物叶片滞尘过程是一个复杂的动态过程，但植物的滞尘能力具有绝对性[5]。研究表明，不同绿化树种因其叶面积大小、叶量、叶形态结构特征差异而具有不同程度的滞尘能力，同时其滞尘能力的发挥受到所处生长区域、气象条件、季节时间、环境因子以及树木自身特征、滞尘机理与生长状况等多方面影响[6-8]。这就使同一树种在不同地区及不同季节的净化空气悬浮颗粒物的能力也有差异。

目前我国已经开展了一些对绿化树种滞尘能力的研究[9-10]，但有关贵州城市绿化树种对颗粒物的滞尘能力研究较少，特别是对桂花[11]、女贞[7]和迎春花[12]叶片滞尘量研究大多采用“干洗法”称量，且研究主要集中在云南昆明、北京、河北石家庄等大城市，而采用颗粒物再悬浮法对树种滞尘能力研究较少。本研究利用颗粒物再悬浮法，结合扫描电镜分析叶片的表面特征，对贵阳市应用广泛的3种木樨科树种桂花、女贞和迎春花进行滞尘能力测定，以期筛选出滞尘能力优良的园林绿化树种来缓解城市空气颗粒物污染和改善城市人居环境质量。

1 研究区概况

贵阳位于贵州省中部，地处106°07′～107°17′E、26°11′～26°55′N之间。处黔中山原丘陵中部，长江与珠江分水岭地带，是一个以山地、丘陵为主的丘原盆地地区，占全市面积的87.5%，海拔506.5～1 762.7 m。属于亚热带湿润温和型气候，年平均气温为15.3 ℃，年极端最高温度为35.1 ℃，年极端最低温度为-7.3 ℃，年平均相对湿度为77%，年平均总降水量为1 129.5 mm，年雷电日平均为49.1 d，年平均阴天日为235.1 d，年平均日照时数为1 148.3 h，年降雪日数少，平均仅为11.3 d。城市森林覆盖率达47.22%，植物种类丰富，主要绿化树种有荷花玉兰（Magnolia grandiflora Linn.）、女贞（Ligustruum lucidum Ait.）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl.]、白玉兰（Michelia alba DC.）、紫薇（Lagerstroemia indica）等。

采样区域设置在贵阳市河滨公园、筑城广场、贵州省林业科学院，分别代表贵阳城市、城市公园、市郊3种不同环境。

2 材料与方法

2.1 供试树种和样品采集

本研究涉及3个木樨科常见绿化树种，桂花[Osmanthus fragrans （Thunb.） Lour.]、迎春花（Jasminum nudiflorum Lindl.）和女贞（Ligustrum lucidum Ait.），3种树种的形态特征见表1。

根据贵阳市的天气状况和降水量特点，安排在2017年2、3、5、8、10、11、12月进行试验。研究表明，大于15 mm的降水即可以对植物叶片滞留颗粒物的能力造成影响[13]，因此，采样前连续10 d无降水，风速小于5级。选择树种林龄相近、生长状况良好的3株样树进行功能叶片采集，采集样品原则为在乔木生长高度2～3 m处，分别在4个方位（东、南、西、北）采集成熟、完整且无病虫害的叶片，根据叶片大小在每株树采集100～200 g不等的叶片，将其立即封存带回实验室处理。

2.2 单位叶面滞尘量测定

本研究采用连接DUSTMATE手持式环境粉尘检测仪的空气气溶胶再发生器（QRJZFSQ-I）测定[14]，计算叶表面吸滞的TSP、PM10、PM2.5的质量，每个树种进行3次重复。空气气溶胶再发生器（QRJZFSQ-I）的工作原理为：将待测树种叶片放入气溶胶再发生器的料盒，通过风蚀原理，将叶片上滞纳的颗粒物吹起、混匀，再次形成气溶胶。其中，为了防止颗粒物在料盒内壁的吸附，在料盒的内壁进行防静电处理。然后利用连接在气溶胶再发生器上的DUSTMATE手持式环境粉尘检测仪测定气溶胶中TSP、粗颗粒物和细颗粒物的浓度，并根据监测的大气颗粒物浓度和气溶胶再发生器的空箱颗粒物浓度，最终结合料盒的内部容积换算得到供试叶片的颗粒物滞纳量。之后把测量完的叶片放入扫描仪进行扫描，使用Adobe Photoshop软件对扫描完的图像进行处理，利用叶面积分析软件计算叶片面积S（cm2）。不同树种单位叶面积吸滞颗粒物量的计算公式为：

Mi=∑n1mij/Si。（1）

式中：Mi表示不同树种单位叶面积吸滞不同粒径颗粒物的质量，μg/cm2;mij表示测试叶片表面吸滞颗粒物的质量，μg;i表示不同树种;j表示颗粒物种类;n=3，表示重复3次;S表示测试叶片叶面积，cm2。

2.3 叶表现微观结构观察

选取健康叶片，在主叶脉中部附近切下1～2 mm2小块，用蒸馏水洗净，常规临界点干燥，粘在样品台上后再用 HUS-5GB高真空镀膜机镀碳，用KYKY-1000B扫描电子显微镜及NORAN SYSTEM SIX X射线能谱仪观察、测量长度及拍照。

2.4 數据处理

利用SPSS 18.0软件和Excel对野外观测数据进行简单相关分析、方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同树种滞尘量

由图1可知，不同树种滞留颗粒物的能力有较大差异。不同树种叶片滞留TSP能力大小顺序为：桂花[（3.73±0.41） μg/cm2]>女贞[（2.49±0.41） μg/cm2]>迎春花[（1.91±0.23） μg/cm2];不同树种叶片滞留PM10能力大小顺序为：桂花[（1.60±0.18） μg/cm2]>女贞[（1.10±0.19） μg/cm2]>迎春花[（0.85±0.10） μg/cm2];不同树种叶片滞留PM2.5能力大小顺序为：桂花[（0.11±0.01） μg/cm2]>女贞[（0.07±0.13） μg/cm2]>迎春花[（0.06±0.007） μg/cm2]。滞留颗粒物总量的能力大小顺序依次为：桂花>女贞>迎春花。从滞留总量来看，木樨科3种树种中桂花叶片的颗粒物滞留能力最强，其次为女贞，迎春花的颗粒物滞留能力最弱。

3.2 不同树种滞尘量的时间变化特征

图2为3个树种在不同月份叶片滞留颗粒物（PM2.5、PM10、TSP）的年变化过程，3种树种的叶片滞尘量（PM2.5、PM10、TSP）年变化均呈U形即“高—低—高”趋势。

由图2-a可看出，3种树种叶片PM2.5滞留能力差异显著。桂花叶片滞留PM2.5能力在全年以12月[（0.31±0.003） μg/cm2]最大，其次是2月[（0.16±0.04） μg/cm2]，以5月[（0.032±0.004） μg/cm2]最小;迎春花叶片PM2.5滞留能力在全年以2月[（0.085±0.02） μg/cm2]最大， 以5月[（0.016±0.002） μg/cm2]最小;女贞叶片PM2.5滞留能力在全年以2月[（0.10±0.05） μg/cm2]最大，以5月[（0.018±0.007） μg/cm2]最小。

由图2-b可看出，3种树种叶片PM10滞留能力差异显著。桂花叶片滞留PM10能力在全年以12月[（4.22±0.62） μg/cm2]最大，以10月[（0.36±0.06） μg/cm2]最小;迎春花叶片滞留PM10能力在全年以2月[（1.43±0.31） μg/cm2]最大，以10月[（0.17±0.02） μg/cm2]最小;女贞叶片PM10滞留能力在全年以2月[（1.42±0.31） μg/cm2] 最大，以5月[（0.28±0.09） μg/cm2]最小。

由图2-c可看出，3种树种叶片滞留TSP能力差异显著。桂花叶片滞留TSP能力在全年以12月[（9.65±1.18） μg/cm2]最大，以10月[（0.94±0.16） μg/cm2]最小;迎春花叶片滞留TSP能力在全年以2月[（3.16±0.71） μg/cm2]最大，以10月[（0.0.41±0.04） μg/cm2]最小;女贞叶片滞留TSP能力在全年以2月[（3.63±1.50） μg/cm2]最大，以5月[（0.69±0.22） μg/cm2]最小。

研究发现，3个树种叶片PM2.5、PM10和TSP滞留量在5月或10月最低，可能是因为贵阳雨水多集中在此阶段，叶片吸滞的颗粒物受到雨水的冲洗，使颗粒物量减少。

3.3 不同生长背景下树种叶片对不同粒径颗粒物滞留能力比较

由图3可知，同一树种叶片对各粒径颗粒物的滞留能力因地点不同而具有差异性。本试验选取的3种树种叶片单位面积对PM2.5滞留量变化趋势一致，均表现为河滨公园>筑城广场>贵州省林业科学研究院（省林科院）;女贞对PM10和TSP的滞留量与桂花和迎春花变化趋势不相同，女贞表现为筑城广场>河滨公园>省林科院，桂花和迎春花表现为河滨公园>筑城广场>省林科院。在不同生长背景下桂花和迎春花叶片单位面积对PM2.5、PM10和TSP滞留量最大值均在河滨公园，在河滨公园桂花的滞留量（PM2.5、PM10和TSP）分别为（0.17±0.03）、（2.68±0.62）、（6.44±1.38） μg/cm2，在河滨公园迎春花的滞留量（PM2.5、PM10和TSP）分别为（0.07±0.013）、（1.02±0.19）、（2.32±0.44） μg/cm2。女贞叶片单位面积对PM10和TSP滞留量最大值均在筑城广场，分别为（1.58±0.32）、（3.43±0.68） μg/cm2;女贞叶片单位面积对PM2.5滞留量最大值在河滨公园，为（0.45±0.05） μg/cm2。从树种叶片不同粒径滞留量随地点变化来看，总体上表现为河滨公园>筑城广场>省林科院，变化趋势为城区>近郊。

3.4 滞尘量与叶面积的关系

将3种树种单位叶面积叶片对PM2.5、PM10、TSP滞留量与叶面积进行简单相关分析，其相关系数见表2。由表2可知，滞尘量与单位叶面积有显著相关性，相关系数在 -0.135～-0.165，呈显著负相关，说明叶面积越小，单位面积的滞尘量越大。

3.5 不同树种叶面微结构与滞尘能力的关系

对3个树种叶片样品进行电镜扫描，结果见图4。通过扫描图像分析各树种叶表面特征（表3）可知，从气孔特征来看，3种树种气孔密度大小顺序为桂花>女贞>迎春花;3种植物上、下表面均未发现有明显的毛被;从叶表面粗糙度来看，桂花叶上表面较光滑但下表皮具有沟状组织，女贞叶表面有褶皱和密布沟状组织，迎春花表面有褶皱。结果表明，滞尘量较大的桂花气孔密度较大，叶上表面粗糙度较低，但下表皮具有沟状组织，气孔开口较大，在一定程度上更容易阻滞灰尘及各种粒径的颗粒物，使深藏其间的颗粒物很难再次被风或少量雨水带走，故能稳定滞尘，说明较多的气孔密度增强桂花的滞尘能力。

4 讨论与结论

近几年，随著粉尘、雾霾等污染的暴发日益频繁，空气颗粒物严重危害城市居民的身心健康，受到世界范围的关注。贵阳市总体空气质量较好，首要污染物以PM2.5和PM10为主，其中以PM2.5居多[15]。贵阳市大气颗粒物PM2.5浓度介于4～193 μg/m3，平均值为（70±33） μg/m3，以12、1月2个月PM2.5浓度较高，7月最低;贵阳市日均PM2.5浓度低于南京、成都、南宁等发达城市，但远高于美国东南部城市[16]。因此，本研究选择贵阳市常见的3种木樨科植物，对其叶片的滞尘能力及叶片结构进行研究。植物因叶片的吸附能力在减少大气颗粒物方面发挥了比较大的作用。不同树种由于其叶面积、叶片的形态结构特征不同，使其对不同粒径颗粒物滞纳能力差异明显。在本研究中，不同树种叶片滞留TSP能力大小顺序为桂花>女贞>迎春花，不同树种叶片滞留PM10能力大小顺序为桂花>女贞>迎春花，不同树种叶片滞留PM2.5能力大小顺序为桂花>女贞>迎春花。研究表明，树种叶片结构特征、叶表面粗糙程度、被毛情况、气孔大小、气孔密度等是决定不同树种单位面积滞尘能力的主要驱动因素[17-18]。一般来说，叶片宽大、平展、叶面粗糙且多茸毛植物的滞尘量更大[19]。由于本研究中3个树种属于同一科植物，其叶片都是革质或近革质，叶片表面均无毛被，叶片粗糙程度相差不大，使得3个树种的滞尘量表现为与气孔密度关系密切。这与杨佳等对北京植物园常见树种叶片滞尘量进行研究，发现其中紫叶李、元宝枫滞尘量大与其叶片气孔密度较大相关的研究结果[17]一致。本研究中滞尘量较大的桂花具备气孔密度较大，叶上表面粗糙度较低、下表皮具有沟状组织、气孔开口较大的特征，在一定程度上更容易阻滞灰尘及各种粒径的颗粒物。这也进一步说明对不同树种叶片结构进行观察，有助于筛选城市绿化树种[20]。

由于叶片在不同的生长时间段内，其叶片结构不同，使得不同树种在不同季节对空气颗粒物的吸滞能力存在一定差异。而阔叶树种在不同季节对空气颗粒物的吸滞能力受叶片的表面结构影响较大[21]。在不同季节，3种树种吸滞TSP、细颗粒物（PM2.5）、粗颗粒物（PM10）能力随时间的延长呈“高—低—高”趋势，在5月或10月最低，随后又逐渐上升。这与张维康等对北京市常见阔叶树叶片吸滞颗粒物能力呈倒U型趋势的研究结果[22]一致。

由于污染程度和环境气候特征具有显著差异，同一树种在不同地点的滞尘能力也表现出一定的差异性。有研究表明，影响叶片滞尘量的因素除叶片表面形态特征外，还可能受研究地点、时间及采样部位等其他因素的影响[23-24]。在本研究中，桂花和迎春花叶片单位面积对PM2.5、PM10和TSP滞留量最大值均在河滨公园，女贞对PM10和TSP滞留量最大值均在筑城广场，对PM2.5滞留量最大值在河滨公园。3个树种叶片不同粒径滞留量随地点变化总体表现为河滨公园>筑城广场>省林科院，变化趋势为城区>近郊。这可能是由于城区污染程度较大，使植物叶片的滞尘能力也较高。

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