青岛市城阳区3种灌木滞尘研究

孙丽，李胤韬，张颖，徐萌，孙迎坤

(1.青岛农业大学园林与林学院，山东青岛 266109； 2.福建兴发投资发展有限公司，福建三明 365000)

近年来，工业生产不合理排放、生活采暖煤炭燃烧以及交通运输尾气排放等活动造成大量粉尘颗粒进入大气环境中，大气污染成为城市的一个主要环境问题[1-3]。青岛作为沿海旅游城市，雾霾天气时有发生，对人体健康造成一定影响。城市绿地植物作为城市生态系统的重要组成部分，对改善大气质量、阻滞空气中的粉尘颗粒、提高环境生态效应具有重要作用[4-6]。因此，选择滞尘、抗尘能力强的植物作为城市绿化主要树种已成为城市绿化的发展趋势，同时也是提高空气质量、降低大气污染的有效手段[7]。

研究表明不同植物对大气颗粒物的阻滞效果不同。沈鑫等[8]研究发现枫香(Liquidambarformosana)、黄兰(Micheliachampaca)等22种常见植物的单位叶面积滞尘量为3.7～34.7 g/m2，其中红花羊蹄甲(Bauhiniablakeana)最高，枫香和黄兰排名中等，龙吐珠(Clerodendrumthomsonae)滞尘量最低；以单叶滞尘量来看，每张叶片滞尘量范围在0.002 9 g～0.117 3 g之间，其中蒲桃(Syzygiumjambos)最高，海桐(Pittosporumtobira)最低。不同植物对大气颗粒物的阻滞效益与植物本身的叶片微观形态存在显著关联[8-12]。以8种乔木为试验材料，发现单位叶面积滞尘量较大的是紫叶李(Prunuscerasifera)、三球悬铃木(Platanusorientalis)和毛白杨(Populustomentosa)，其中紫叶李单位叶面积滞尘量最大为2.04 g/m2，较小的是洋白蜡(Fraxinuspennsylvanica)、绦柳(Salixmatsudana)，最小的绦柳为0.57 g/m2。

分析发现叶表面微观结构与滞尘量存在显著相关性，叶表面具有网状结构、表面粗糙、具褶皱、有沟槽或绒毛、气孔大且多等特征的植物滞尘能力较强[13]。王琴等[14]发现武汉市15种常见的阔叶乔木中综合滞尘能力最强的植物为二球悬铃木(Platanusacerifolia)、桂花(Osmanthusfragrans)和石楠(Photiniaserratifolia)；女贞(Ligustrumlucidum)和荷花玉兰(Magnoliagrandiflora)分别具有较强的滞留PM10和PM2.5的能力；加拿大杨(Populus×canadensis)滞留粉尘总颗粒物(total suspended particulates，TSP)和PM10的能力最弱，玉兰(Yulaniadenudata)滞留PM10和PM2.5的能力最弱；植物微形态对滞尘能力影响较大，粗糙、褶皱多、有蜡质层的植物利于粉尘颗粒物附着。

目前，在园林植物滞尘效益等方面的研究主要集中在北京[15]、上海[16]、广州[17]、昆明[18]等大城市，而关于青岛地区园林植物滞尘方面的研究还不够深入。尤其是青岛地铁建设和道路改造项目的大力开展，建筑施工较为频繁，导致许多大气颗粒物污染问题严重。因此，本试验以青岛市城阳区3种典型绿化灌木为研究对象，测定各灌木单位叶面积TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滞尘量，对比和分析不同树种滞留各粒径颗粒物的能力；并从叶表面和茎面出发探究各项微结构对植物滞尘能力的影响，为今后青岛市利用园林植物治理大气污染提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点选择在青岛市城阳区长城路、春城路、正阳路的绿化带，附近车流量大。城阳区(东经120°12′，北纬36°20′)地处中纬度温带季风大陆气候区，年平均气温在12.6 ℃左右。因距离沿海港口较近，受海洋影响，夏季气温较内陆低，平均在24 ℃，冬季气温较高，平均-0.2 ℃左右。地势较低，以丘陵和平原为主要地形，一面环山一面临海。

1.2 试验材料

试验材料为城阳区应用频度较高、生长状况良好、高度基本一致的3种典型绿化灌木，分别为瓜子黄杨(Buxussinica)、火棘(Ligustrumquihoui)、小叶女贞(Pyracanthafortuneana)。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 样品采集与处理

在选定的区域，每一树种设置3个重复，每株在上、中、下等各部位多点采集叶片共30片，将样叶小心封存于塑料袋中带回实验室。采集过程中应避免刮蹭到叶片表面，以确保试验的准确性。采集时间从2020年4月20日开始，每周采集1次，在周一早晨9：00进行，一共采集4次，取平均值。

1.3.2 叶面滞尘量的测定

采取水洗过滤法，用离心机离心出所测植物表面的尘埃颗粒，然后通过10 μm、2.5 μm、0.2 μm孔径的滤膜过滤，计算不同直径大小的颗粒的质量。通过孔径10 μm、2.5 μm、0.2 μm滤膜上的颗粒物分别视为PM>10、PM2.5～10和PM2.5，颗粒物TSP为PM>10、PM2.5～10以及PM2.5的总和；PM10为PM2.5～10和PM2.5的和[19]。叶面积测定采用叶面仪法，将采集来的叶片样品铺平在叶面积仪(Yaxin-1242，北京雅欣理仪科技有限公司)上，进行扫描测定，取3次重复的平均值。

植物单株滞尘量采用分层采样法测定[20]。首先运用目测法进行分层、分级，直至小枝，然后再计算全株叶量。其中先按枝划分，也可先将植株分为几个大枝，接着对各大枝进行分级，直至分到容易计数叶片的标准小枝为止，标准小枝长度近似相等，当调查计数出标准小枝的叶片数量后，再计算全株叶量。公式为：m0=B×Y×m。

其中：m0为单株滞尘量，g/株；B为标准小枝数，个/株；Y为标准枝上的叶片数，片/个；m为平均每张叶片滞尘量，g/片。

1.3.3 叶表面结构观测

选取试验地中待测的叶片后，立即封存在特定干净的塑料封口袋内，避免挤压引起表面结构和纤毛被破坏。将取样的叶片洗净后，从叶脉两侧的中部切取边长约5 mm的正方形样品若干，立即用2.5%的戊二醛溶液进行固定，然后用磷酸缓冲液冲洗3～5次；对叶片干燥处理后，取大小适合的叶样粘于样品台上，经过喷金处理(60 mA/120 s)，在JEM-7500F型扫描电镜下(JEOL公司，日本)观察叶片正反面的表皮绒毛、气孔大小及分布、褶皱结构等形态特征，并同步进行拍照及有关分析[20]。

1.4 数据处理与分析

以放大 200 倍的扫描电镜图片为主，并结合其他放大倍数的图片，使用 Image J 量化统计单位面积(1 mm2)上的叶毛数量(正反两面叶毛数量之和)、气孔数量、气孔大小(气孔直径，呈椭圆形时以长轴直径计量)、沟槽比例(沟槽的投影面积占总面积的百分比)，利用DPS 7.01进行线性拟合分析和最小显著差数(LSD)法进行多重比较(α=0.05)，采用Origin Pro 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 3种灌木单位叶面积滞尘能力比较

由图1可以看出，3种灌木的单位叶面积滞尘量TSP火棘的最大，为1.84 g/m2；小叶女贞的最小，为1.44 g/m2。3种灌木的PM>10、PM10和PM2.5滞尘量的变化范围分别为1.18～1.47 g/m2、0.16～0.33 g/m2和0.02～0.07 g/m2。3种灌木PM>10和PM10滞尘量均为火棘>瓜子黄杨>小叶女贞；而PM2.5滞尘量为小叶女贞>火棘>瓜子黄杨。3种灌木之间TSP、PM>10滞尘量差异显著，PM10和PM2.5滞尘量差异不显著(P<0.05)。

图1 3种灌木单位叶面积TSP、PM>10、PM10和PM2.5滞尘量

2.2 3种灌木单株滞尘能力分析

植物单株的滞尘能力不仅与其叶片的滞尘量有关，还应综合考虑单株树木的总叶面积。3种灌木单株滞尘量在3.99～21.19 g/株之间(表1)。火棘的单株植物总叶面积最大为11.52 m2，而瓜子黄杨最小为2.77 m2；单株滞尘量由大到小依次为：火棘>小叶女贞>瓜子黄杨。

表1 3种灌木单株滞尘量

2.3 3种灌木叶表微结构分析

利用扫描电镜对3种灌木叶片的表皮绒毛、气孔大小及分布、褶皱结构等进行观察，结果如图2所示。火棘上表皮没有明显的突起和沟壑状组织，叶表面粗糙，无绒毛(图2A)；下表皮气孔较多且分布密集，起伏大，存在不规则的条纹组织，叶脉存在密集的沟状组织(图2B)。小叶女贞叶片上表皮布满乳状突起，各乳状突起之间形成沟状组织，且存在绒毛(图2C)；下表皮存在起伏的突起和气孔，起伏程度小，沟状组织宽度窄(图2D)。瓜子黄杨的叶上表面存在块状突起，各突起间形成沟壑状组织，存在绒毛(图2E)；叶下表皮存在气孔，起伏程度小，沟壑宽度窄、深度浅(图2F)。

注：A：火棘上表面；B：火棘下表面；C：小叶女贞上表面；D：小叶女贞下表面；E：瓜子黄杨上表面；F：瓜子黄杨下表面。

通过对3种灌木的上下叶表面结构观察和比较，发现3种植物叶表面的结构特征在一定程度上影响了叶表面的粗糙程度，从而影响植物对粉尘颗粒的吸持、固定的能力。小叶女贞和瓜子黄杨的叶上表面都存在乳状突起和沟状组织，并且附有绒毛缠绕，但瓜子黄杨的绒毛量和块状的突起程度不如小叶女贞，同时瓜子黄杨叶表面沟壑状起伏宽度较窄，造成粉尘颗粒无法在其沟壑内停留吸附，在一定程度上减少了粉尘颗粒与叶面的接触面积，造成滞尘量下降；瓜子黄杨绒毛量比小叶女贞的绒毛量少，可以说明瓜子黄杨的滞尘量小于小叶女贞，而火棘上表面粗糙程度不如瓜子黄杨和小叶女贞，但下表皮气孔较多且分布密集，起伏大，相对滞尘量大。

2.4 3种灌木叶表面结构与滞尘量的线性关系

通过统计各叶表面表皮绒毛数量、下表皮气孔密度、气孔长度、表皮沟槽比例(上下表皮宽度)，探索其与植物单位叶面积总滞尘量TSP之间的关系。不同植物TSP与下表皮气孔密度呈正相关关系，相关系数为0.597 7(图3A)；与沟槽比例呈负相关关系，相关系数为-0.827 8(图3B)，与叶表面表皮绒毛数量、气孔长度无显著关系。TSP与下表皮气孔密度、表皮沟槽比例的线性拟合曲线方程如图3。

图3 3种灌木单位叶面积总滞尘量与气孔密度及沟槽比例的关系拟合曲线

3 讨论

植物滞尘量会受到各种因素的综合影响。研究中3种灌木的叶面滞尘量TSP从大到小顺序为：火棘>小叶女贞>瓜子黄杨，造成叶面滞尘量差异的原因可能是由于它们叶面结构的粗糙程度、气孔密度、绒毛覆盖量等存在差异。火棘叶表面并没有能增加与粉尘颗粒接触的粗糙结构，但存在密布的气孔，而小叶女贞和瓜子黄杨的表面则是布满了起伏的沟状组织和绒毛，极大地增加了粉尘颗粒在其上附着的机率。滞尘试验结果表明，火棘叶表面滞尘量比其他两种植物都大，这可能与叶表面的特征分布有关[21]，具体还需进一步研究。植株叶片倾斜角对滞尘能力可能产生影响，俞雪如[22]将法国冬青的5个角度范围的滞尘量做了比较，发现60°～90°滞尘量最大，30°～60°滞尘量最小，滞尘量相差悬殊。造成滞尘量差异的原因还可能与植物叶片本身分泌的黏性物质有关[23]。一些植物在某些特定情况下会分泌出一些保护物质，比如烟草分泌出一些物质在叶表面形成膜质化表面，抵御粉虱侵扰，这些分泌物质基本上都具有黏性，会将一部分尘土颗粒沉降下来。在火棘和小叶女贞的叶表面上触摸也能感受到这种物质的存在。

植物滞尘作用会受到天气状况的影响，具有一定的可塑性[24]。当风力到达14 m/s或者雨水量在15 mm以上，植物滞尘量开始明显下降。在这个阶段，其茎、叶表面上的一部分粉尘颗粒会在风力或者其他外力作用下，重新回到空气中，这也导致一些植物滞尘量积累上发生变化。此试验中，第1次与第2次取样之间有一次降雨，火棘的茎叶滞尘量本来应该随着时间积累，由于下雨的原因，雨水和风力等综合因素将吸附在其上的粉尘重新冲刷到了空气中或者地面，包括黄杨和小叶女贞的滞尘量积累也受到了削弱。这与Mcperson等[25]的观点相符合，叶片上的粉尘颗粒会受到雨水清洗而离开叶表面，但并不能彻底清除叶面上的颗粒物，较小的颗粒仍会固定在叶表面上。本试验在第3次和第4次采样期间，受到一次5级大风(风速为8～11 m/s)影响，这个结果也进一步得到了验证，尤其是对叶片和单株上的滞尘量的影响较大。因为火棘整体植株叶面积相对较大，在单位叶面积滞尘量较大的基础上，自然因素对单株滞尘量影响也相对较大。自然因素(风速、雨量)对滞尘量的影响还需进一步研究。

植物的滞尘量不仅会受到叶表面结构的影响，还会受到表面能量分布特征、叶面分泌物、叶面倾斜角度、植物形态结构及自然等因素的影响，因此，植物滞尘量必须要综合所有因素进行考虑，进行详细、反复的试验论证，才能成为今后城市绿化的选择依据。