聊城市常见园林树木滞尘能力与叶片微形态解析

宁婷婷 纪紫嫣 马雪媛 王首刚 赵红霞

摘要 以聊城市內常见的12种木本植物为研究对象，分析叶片单位面积与单株滞尘能力，通过显微镜观察叶表形态结构，研究植物滞尘能力与叶表微形态的关系。结果表明：单位叶面积滞尘量（TSP）从大到小为白皮松>紫叶李>雪松>紫叶桃>悬铃木>白蜡>榆树>国槐>油松>银杏>胡桃>七叶树。单株植物滞尘能力（TSP）大小顺序为国槐>紫叶李>胡桃>紫叶桃>悬铃木>七叶树>雪松>白蜡>白皮松>油松>榆树>银杏。植物滞尘能力与叶面结构、冠层结构及树体高度有关。雪松吸附PM10的能力最强，白皮松吸附PM2.5和PM0.1的能力最强。叶片越粗糙、绒毛和褶皱越多、气孔多且开口较大的植物滞尘能力越强;树冠覆盖面积大的植株滞尘能力较强，叶片小而疏的植株滞尘能力相对较弱，高度为2～6 m的植株滞尘效果最佳。

关键词 滞尘能力;叶表微结构;冠层分析;单位面积滞尘量

中图分类号 S718.4  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）04-0121-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.033

Analysis of Dust Retention Ability and Leaf Micromorphology of Common Garden Trees in Liaocheng

NING Ting-ting，JI Zi-yan，MA Xue-yuan et al （Agricultural College，Liaocheng University，Liaocheng，Shandong 252059）

Abstract Taking 12 kinds of common woody plants in Liaocheng City as the research objects，the dust retention capacity of leaves and single plant was analyzed. The relationship between dust retention capacity and leaf surface micromorphology was studied by observing the morphological structure of leaf surface under microscope. The results showed that the dust retention per unit leaf area （TSP） from large to small was Pinus bungeana Zucc. ex Endl. > Prunus cerasifera Ehrhar f. atropurpurea （Jacq.） > Cedrus deodara （Roxb.） G. Don> Prunus persica ‘Atropurpurea > Platanus acerifolia > Fraxinus chinensis Roxb. > Ulmus pumila L.> Sophora japonica Linn.> Pinus tabulaeformis Carr. > Ginkgo biloba L. > Juglans regia L.> Aesculus chinensis Bunge. The order of TSP of single plant was Sophora japonica Linn.>Prunus erasifera Ehrhar f. atropurpurea （Jacq.） > Juglans regia L. > Prunus persica ‘Atropurpurea > Platanus acerifolia > Aesculus chinensis Bunge > Cedrus deodara （Roxb.） G. Don > Fraxinus chinensis Roxb. > Pinus bungeana Zucc. ex Endl.> Pinus tabulaeformis Carr. > Ulmus pumila L. > Ginkgo biloba L. The results showed that the dust retention ability of plants was related to leaf structure，canopy structure and tree height. Cedrus deodara （Roxb.） G. Don had the strongest ability to absorb PM10，and Pinus bungeana Zucc. ex Endl. had the strongest ability to absorb PM2.5 and PM0.1. The rougher the plant leaves，the more fluff and folds，the more stomata and the larger the opening，the stronger the dust retention ability of the plant.The dust retention ability of plants with large crown coverage was stronger，while that of plants with small and sparse leaves was relatively weak. The dust retention effect was the best when the plant height was about 2-6 m.

Key words Dust retention capacity;Leaf surface microstructure;Canopy analysis;Dust retention capacity per unit area

基金项目 聊城大学博士科研启动基金项目（31805）;大学生科技创新项目（CXCY3017080/201710447080）。

作者简介 宁婷婷（1996—），女，山东济南人，从事园林方面的研究。通信作者，讲师，博士，从事城市生态修复等研究。

收稿日期 2020-07-02

城市大气中颗粒物主要来源于工业污染和汽车尾气等二次气溶胶[1]。PM2.5是雾霾天气形成最主要的因素[2-3]，其导致大气能见度降低;诱发心肺疾病、侵害人体呼吸系统等[4]。2016—2017年全国各地频繁发出雾霾警报，引起社会各界广泛关注[5]，虽然通过控制颗粒污染物排放和削减空气颗粒污染物等措施[6]，但削减大气颗粒物的效果不显著。

净化城市大气污染的重要途径之一是利用植物吸滞能力，植物的滞尘能力取决于冠层类型、叶片和分枝密度、叶片微形态（粗糙度、绒毛、褶皱）[3，7-9]。植物叶片滞尘能力的主要影响因素为叶面蜡质含量、气孔密度及其叶片接触角的大小[10-11]。目前研究多集中于植物滞留总颗粒物的能力[12-13]，对于植物叶片微形态与颗粒物滞留能力相关性研究较少。选择聊城市12种常用绿化树种，分析其单位叶面积与单株滞尘能力，研究株高、树冠特征以及叶表面微结构对滞尘能力的影响，以便科学合理选择城市绿化树种，提高城市绿地的滞尘效率。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

聊城市（35°47′～37°03′N、115°16′～116°30′E）地处山东省西部，全市为黄河冲积平原，地势平坦，海拔27.5～49.0 m，年均气温为13.5 ℃，年均降水量540.4 mm，属于温带季风气候区，具有显著的季节变化和季风气候特征，属半干旱大陆性气候。

1.2 供试树种

聊城市城区木本植物共214种，其中道路绿化树种46种[14]。遵循普通、常见、量多的原则，选取聊城市聊城大学内道路两侧落叶乔木9种：国槐（Sophora japonica Linn.）、胡桃（Juglans regia L.）、七叶树（Aesculus chinensis Bunge）、榆树（Ulmus pumila L.）、紫叶李[Prunus cerasifera Ehrhar f. atropurpurea （Jacq.）]、紫叶桃（Prunus persica ‘Atropurpurea）、白蜡（Fraxinus chinensis Roxb.）、悬铃木（Platanus acerifolia）、银杏（Ginkgo biloba L.）;常绿乔木3种：雪松[Cedrus deodara （Roxb.） G. Don]、油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、白皮松（Pinus bungeana Zucc. ex Endl.）。共12种，其生物学特征见表1。

1.3 采样

研究表明，植物叶片累积颗粒物在15 d 左右达到饱和（即最大滞尘量）[15]。选择采集时间2018年5月10日08：00—10：00（连续18 d未降雨）。每种选3株样树，分别在东、南、西、北 4个方向采集健康成熟叶片150～200 g，将样品合并放入牛皮纸样本袋中并编号，每种植物采集 3 组重复样。300～400 cm2 的叶片量是过滤叶片颗粒物的最佳选择。采样均在1 d内完成，采集后放入 0  ℃恒温箱中直至分析。

1.4 颗粒物测定

依据高国军等[16]的方法，测定叶表面不同粒径颗粒物和总悬浮颗粒物质量。用不掉毛的毛刷仔细清洗叶片，用去离子水洗上下叶表面后收集带有颗粒物的悬浊液。利用真空抽滤装置对洗后悬浊液进行分级（10、2.5、0.1 μm 孔径的亲水性滤膜）抽滤。60 ℃ 烘箱中烘干载尘滤膜24 h至恒重，滤膜2次烘干后的质量差为Δm。

1.5 植物叶面积测定 采用WinRHIZO根系分析仪测量叶面积，将清洗后的样品叶片（通常为2～6片，叶片之间不互相重叠）平整置于扫描盒上，打开图像处理软件测定植物叶面积A。

1.6 叶表面微观结构观察

清洗后的叶片避开主叶脉，随机割取0.5 cm×0.5 cm的樣品3份，用日立S-3400N 扫描电子显微镜拍照观察。一般在100～400 倍视野下观察叶面微形态[10]，该研究在 300 倍视野下观察叶片微结构。

1.7 冠层分析

用WinScanopy冠层分析仪（Nikon相机外加8 mm、F3.5de Stigma鱼眼镜头）对样地内植物冠层进行拍照，拍摄高度设置为1.5 m。选在天气晴朗的 08：00—10：00 每个拍摄点拍摄3张照片。用皮尺测量乔木胸径，样点法测定郁闭度。使用Winscanopy PRO2016软件对成像进行分析得到单体植物的冠层数据。

1.8 数据处理 所有的数据统计处理均采用Microsoft Excel 2017进行差异分析。

2 结果与分析

2.1 单位叶面积不同粒径颗粒物滞留能力

不同树种单位叶面积滞留颗粒物能力及种类存在明显差异（P<0.05）（图1），针叶树滞尘能力（TSP）的平均值（1.283 7 g/m2）是落叶阔叶树种（0.827 6 g/m2）的1.55倍。分析发现以下规律：①单位面积针叶树（0.824 7 g/m2）PM10滞纳量大于阔叶树种（0.489 0 g/m2）。②单位面积滞尘能力（TSP）较强的为白皮松（1.834 9 g/m2）和紫叶李（1.659 0 g/m2），最弱的是七叶树（0.466 g/m2）。植物滞尘能力（TSP）从大到小为白皮松>紫叶李>雪松>紫叶桃>悬铃木>白蜡>榆树>国槐>油松>国槐>银杏>胡桃>七叶树。③同一树种对不同粒径颗粒物的滞纳量差异较大。植物对PM10的滞纳量均大于50%。PM2.5与PM0.1滞纳量变化规律存在差异，白皮松对这2种粒径颗粒物滞纳量最大，分别为0.583 3、0.352 4 g/m2;PM2.5与PM0.1滞纳量最小的分别为七叶树0.007 8  g/m2、油松0.014 6 g/m2。

2.2 单株植物的滞尘能力 单株滞尘量是植物滞尘能力的另一评价指标，供试树种单株滞尘量为7.67～123.78 g/m2（表 2）。各树种单株滞尘量大小顺序为国槐>紫叶李>胡桃>紫叶桃>悬铃木>七叶树>雪松>白蜡>白皮松>油松>榆树>银杏。单株滞尘能力与单位面积滞尘量的结果并不一致，最大值为最小值的16.14倍。国槐（123.78 g）单株滞尘量最大，而不是單位面积滞尘量最大的白皮松;七叶树单位面积滞尘量排12位，但单株滞尘量居第6位，可能与七叶树单株面积较大、白皮松单株面积较小有关，因此总叶面积是影响植物滞尘量的关键因素之一。

2.3 叶面微结构与滞尘的关系

单位叶面积滞尘能力较强的为白皮松、雪松，叶面粗糙呈凹凸状，具有网状组织或叶缘具有锯齿。悬铃木、紫叶桃、紫叶李的叶表面密布细密绒毛，表面粗糙凹凸不平，颗粒物易被绒毛卡住。国槐、榆树叶面粗糙，具有凹凸不平的沟状或网状组织、有刺突，这类结构均有利于颗粒物的滞留（图2）。

2.4 冠层结构与滞尘量的关系

叶面积指数（ LAI ）被定义为单位地表面积上植物所有叶片总表面积的1/2[11]，是冠层结构的重要参数。由表3可知，在选取的12种代表植物中，国槐单株滞尘量最高，紫叶李、胡桃次之，银杏单株滞尘量最低。树冠覆盖面积大，高度为2～6 m的植株滞尘能力较强，叶片小而疏的植株滞尘能力相对较弱。同时，植株的冠层结构对其滞尘能力也有一定影响，叶倾角越小，叶面积指数与冠层孔隙度越大的植株滞尘能力相对较强。根据不同植物冠层数据分析，植物每日辐射总量与冠层孔隙度及冠层开度基本呈正相关。

3 讨论

植物叶片可吸附颗粒物，能有效净化空气，是城市空气的过滤器。不同树种滞尘能力差异显著。针叶树较阔叶树种在捕获PM10方面更有效，粗糙的叶面更能有效地捕获PM2.5。叶片特性（叶表面具沟槽、绒毛和分泌油脂等）与颗粒物的滞纳密切相关[17]。松科植物叶片靠分泌的油脂、黏液等特殊分泌物吸附颗粒物，难以被雨水冲刷，大部分阔叶树种无特殊分泌物，因此松科植物滞尘能力大多较强。

叶面结构影响植物滞尘能力，滞尘能力受叶片的粗糙程度，上下表皮毛的形状、数量，分泌物等影响。粗糙的叶面使颗粒物与叶面之间的作用力较大，影响较大颗粒物的滞留，绒毛密度对颗粒物的滞留能力有较大影响[18]。叶表面的沟状、凹陷，孔状峰谷区域使得叶面的粗糙度较高，有利于滞留颗粒物[19]。

4 结论

植物对不同粒径颗粒物的吸附能力与其叶片结构密切相关，针叶植物吸附能力主要来源于分泌物的吸附效果，如雪松、白皮松分泌的松香等树脂类物质使颗粒物黏附在叶片上，难以被雨水冲刷。阔叶树种叶面微观结构导致滞尘能力存在差异，如紫叶桃，叶片的针形小刺对颗粒物的留置有明显作用;榆树、银杏叶片较为光滑，滞尘能力就相对较弱。同时，植株的冠层孔隙度越小、叶面积指数越大、叶倾角越小的植株滞尘能力越好。

目前植物叶面微结构对滞尘能力的影响有一定的研究进展，但植物滞尘能力与其冠层结构之间的联系尚处于探索阶段，对比同类型颗粒物的吸附效果，雪松吸附PM10的能力最强，白皮松吸附PM2.5和PM0.1的能力最强。叶面越粗糙、绒毛越多、褶皱越明显、气孔多且开口较大的植物滞尘能力越强;树冠覆盖面积大、叶面积指数高的植株滞尘能力较强，叶片小而疏的植株滞尘能力较弱，植株高度在2～6 m时滞尘效果最佳（国槐、紫叶李、胡桃、紫叶桃）。因地制宜地筛选高滞尘能力的植物，在保证景观效益的前提下做到生态效益最大化，对改善城市空气质量具有重要意义。

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