王書恒

朱曉宇

田如男

文書生*

工業(yè)化、城鎮(zhèn)化帶來了諸多環(huán)境污染問題，工業(yè)廢氣、尾氣排放以及建筑揚塵的增加，使得大氣顆粒物成為影響城市環(huán)境質量的首要污染物。大氣顆粒污染不僅對城市環(huán)境存在危害，導致道路能見度降低、光化學污染等問題，還可誘發(fā)人體多類疾病，增加早衰和癌變概率，嚴重威脅人體健康[1-2]。據(jù)估計，全球每年約有330萬人過早死亡與空氣污染(大氣顆粒物為主的)有關[3]。因此，如何降低大氣顆粒污染物含量已經(jīng)成為城市環(huán)境建設的重要課題。

早期，大氣顆粒物污染防治主要依靠環(huán)境工程技術措施來實現(xiàn)，近年來大量研究證實植物葉片可有效滯留大氣顆粒物，這為城市大氣顆粒物污染防治帶來了新思路，唐茜[4]研究發(fā)現(xiàn)，重慶市闊葉混交林的年平均滯塵量約為40kg/hm2；努爾麥麥提等[5]發(fā)現(xiàn)，圓冠榆的日均單位土地面積樹木滯塵量超過20kg/(hm2·d)；Nowak等[6]估算美國城市綠地年滯塵量可達65.1萬t。目前，相關研究已獲得諸多常見園林植物的滯塵基礎信息，發(fā)現(xiàn)不同植物在滯塵量及滯塵粒徑上均存在差異[7]。為探究該差異的成因，對植物滯塵機理的研究也逐漸展開，研究發(fā)現(xiàn)植物的葉片表面具有特殊的微形態(tài)學結構(如氣孔、纖毛、褶皺及溝壑等)，部分還可以分泌油脂與蠟質物[8-10]，通過停滯、吸附和黏附這3種主要方式過濾和吸收大氣顆粒物，從而導致了滯塵效果的不同[11-12]。綜上，植物滯塵有望作為工程技術滯塵的重要輔助措施，深入探究植物滯塵特性和機制對于園林綠化的植物選擇具有重要參考價值。

前人研究發(fā)現(xiàn)，不同城市的氣候特征與污染物輸送特點均存在較大差異，使得同一植物的滯塵效果不同，如大葉黃楊在北京市的單位葉面積滯塵量為1.959g/m2[13]，在青島市則為3.164g/m2[14]。南京是長三角地區(qū)重要的經(jīng)濟文化中心之一，其空氣質量問題備受關注，也面臨巨大挑戰(zhàn)，2008—2013年南京市大氣細顆粒物年均值逐年上升，2014—2017年以來空氣質量指數(shù)下降，PM2.5累計超標準達321d[15-16]。目前，我國學者在城市園林植物滯留大氣顆粒物的作用與機制等方面的研究，主要集中在北京[17]、哈爾濱[18]和青島[14]等北方城市，而南京市綠化樹種的滯塵研究仍不完善，僅獲得了銀杏、楊樹、大葉黃楊等25個樹種的滯塵基礎信息[19-21]，且缺少對植物滯塵效益的綜合評價。鑒此，本研究以6種南京常見綠化樹種(廣玉蘭、灑金桃葉珊瑚、夾竹桃、山茶、錦繡杜鵑、紅花檵木)為研究對象，測定和比較其滯塵特性，探究葉面微結構與植物滯塵能力的關系，并根據(jù)滯塵粒徑組成特征，計算不同樹種的年滯塵量，結合抗塵能力綜合評價各樹種的綜合滯塵效益和生態(tài)利用價值，以期進一步豐富和完善南京市常用綠化樹種的滯塵基礎信息，為城市綠化樹種的選擇和配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣

選擇6種南京市常見的闊葉樹種作為供試植物(表1)，為使植物滯塵量盡可能飽和，參考前人的研究方法進行采樣，于3月份距離最近一次降雨(降雨量達15mm及以上)15d后在南京林業(yè)大學校園內采集供試植物葉片[22]。當日南京市空氣質量報告顯示PM10含量為121μg/m3，PM2.5含量為76μg/m3。為減少環(huán)境因素影響，每一樹種選3株樣樹，樣樹均位于校內主干道旁，生長勢良好；同一樹種樣樹的樹高、胸徑、樹勢基本一致，從樹冠外圍4個方位(東、南、西、北)采集成熟葉片，其中廣玉蘭的采樣高度約為2.5m，夾竹桃、山茶、灑金桃葉珊瑚約為1.5m，錦繡杜鵑、紅花檵木約為1m，所有樣品的采集于1d內完成。葉片較大的廣玉蘭、灑金桃葉珊瑚及山茶每株采集葉片20～30枚，葉片較小的夾竹桃、錦繡杜鵑及紅花檵木40～60枚。采集時將聚乙烯袋撐開，葉片預先置入袋中再剪下，以減少滯留塵粒的損失。

表1 采樣樹種的特征

1.2 葉面滯塵量測定

將葉片樣品放入盛有蒸餾水的玻璃容器中，經(jīng)超聲處理充分脫離葉表粉塵，再用鑷子將葉片一一取出，用蒸餾水沖洗3次后將沖洗液與浸洗液一同轉移至抽濾瓶中，使用直徑0.45μm烘干后的微孔濾膜(質量W1)進行抽濾；然后將濾膜置于培養(yǎng)皿內烘箱烘干(60℃，24h)，冷卻后稱量其質量(W2)，2次稱得的質量之差即為樣品滯留粉塵質量(W2-W1)；最后使用葉面積儀(AM350，英國ADC)測得晾干后樣品的葉面積(A)。單位葉面積滯塵量=(W2-W1)/A，平均單葉滯塵量=單位葉面積滯塵量×平均單葉面積。

1.3 葉表顆粒物粒徑分析

采集的植物葉片經(jīng)超聲波處理后(具體操作同1.2)，將獲得的洗滌液用激光粒徑分析儀(Mastersizer 2000，英國馬爾文)測定其粉塵粒徑，數(shù)據(jù)采集和分析使用系統(tǒng)自帶的顆粒粒度測量分析系統(tǒng)。

1.4 葉表微形態(tài)結構觀察

取新鮮植物葉片(每種1～2片)，利用顯微鏡(S6D，德國LEICA)觀察其葉面基本特征并拍照，并對新鮮樣品作切塊處理。每種植物葉片取其葉脈兩側、葉尖及葉基共4個5mm×5mm的組織塊，經(jīng)固定、清洗、脫水、電鍍等處理后，使用環(huán)境掃描電子顯微鏡(Quanta 200，荷蘭FEI)觀察其特征，記錄并拍照。根據(jù)電鏡掃描圖片及其視野縮放倍數(shù)，測量并計算出各樹種的平均氣孔長度、氣孔寬度、氣孔面積、氣孔密度及葉片上、下表面的毛被密度。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用SPSS 19.0軟件對不同樹種的滯塵量、毛被及氣孔等微結構特征進行單因素方差分析，若差異顯著則使用LSD法作多重對比(P≤0.05)；對滯塵量與葉表微結構特征作皮爾遜相關性分析(P≤0.05)；參考李寒娥等[23]的綜合分析方法，基于主成分分析法利用滯塵粒徑分布范圍(X1)、PM2.5單株年滯塵量(X2)、PM2.5～10單株年滯塵量(X3)、PM>10單株年滯塵量(X4)、抗塵能力(X5)5項指標進行各樹種的綜合效益指數(shù)計算[24]。使用環(huán)境掃描電子顯微鏡自帶系統(tǒng)、Origin 2019處理圖像。

2 結果與分析

2.1 不同樹種的滯塵能力比較

6個樹種的單位葉面積滯塵量存在顯著差異(P=0.035＜0.05)，具體表現(xiàn)為灑金桃葉珊瑚>錦繡杜鵑>紅花檵木>山茶>夾竹桃>廣玉蘭(表2)，其中，灑金桃葉珊瑚的單位葉面積滯塵量約為廣玉蘭的2.8倍。由單位葉面積滯塵量和平均單葉滯塵量來看，灑金桃葉珊瑚表現(xiàn)最優(yōu)，分別為2.83g/m2和18.17mg。錦繡杜鵑(2.41g/m2)、紅花檵木(2.06g/m2)與灑金桃葉珊瑚無顯著差(P>0.05)，但其平均單葉面積小，使得錦繡杜鵑、紅花檵木的平均單葉滯塵量顯著小于灑金桃葉珊瑚(P＜0.01)。

表2 6個供試樹種的滯塵能力分析

2.2 葉片滯塵粒徑組成分析

為進一步探究6種植物的葉片滯塵特性，本研究利用激光粒徑分析儀進行各樹種滯塵粒徑組成分析(圖1，表3)。結果顯示，6個樹種的葉表滯塵粒徑范圍均在500μm內，除了山茶及灑金桃葉珊瑚的峰值出現(xiàn)在50μm以下，夾竹桃峰值出現(xiàn)在100μm以上，其他植物峰值均在50～100μm范圍內。錦繡杜鵑、紅花檵木、山茶的滯塵粒徑分布呈單峰曲線，其中錦繡杜鵑、紅花檵木的滯塵粒徑分布范圍較廣，0～500μm均有分布；山茶的滯塵粒徑分布范圍較窄，主要分布在0～200μm。灑金桃葉珊瑚、廣玉蘭、夾竹桃滯塵粒徑分布呈雙峰曲線，其中夾竹桃、灑金桃葉珊瑚的滯塵粒徑分布范圍較廣，主要分布在0～400μm；廣玉蘭的滯塵粒徑分布范圍較窄，主要在0～200μm。

圖1 不同樹種葉片滯塵粒徑分布圖

從滯塵粒徑的累積分布來看(表3)，6種植物的滯塵顆粒主要集中在10～100μm(56.69%)，而PM2.5滯留最少(2.73%)。對于PM2.5～10，山茶和廣玉蘭的滯留能力較強，山茶在PM2.5及PM2.5～10的滯塵占比可達3.77%和9.97%，廣玉蘭則為3.49%和9.37%。對于PM10～100，山茶及灑金桃葉珊瑚的滯留能力較強，滯塵占比達69.83%和58.61%。對于PM>100，夾竹桃及錦繡杜鵑滯塵能力較強，滯留比例分別為43.56%和41.37%。

表3 不同樹種的滯塵粒徑累積分布比例(單位：%)

2.3 葉面微結構分析

利用電子掃描顯微鏡對不同樹種的葉表粗糙程度、溝壑數(shù)量、毛被分布及氣孔大小、密度等葉表微結構特征進行觀察，并對葉表溝壑數(shù)量及粗糙程度按等級評分(表4，圖2、3)。結果顯示，各樹種的氣孔結構均分布于葉下表面，錦繡杜鵑、紅花檵木葉片上下表面較為粗糙，各級葉脈明顯，其中錦繡杜鵑葉表散生微柔毛、糙伏毛，紅花檵木則沿脈分布星狀毛及少量粗毛；廣玉蘭、山茶葉片上表面均具有明顯蠟質層，粗糙程度低，無明顯溝壑，而廣玉蘭葉下表面密布銹色絨毛，山茶全葉無毛；灑金桃葉珊瑚葉片光滑無毛，葉表密布細小點狀突起，顆粒感強；夾竹桃葉上表面光滑無毛，但有明顯條狀溝廣泛分布，下表面沿溝簇生柔毛。

表4 不同樹種的葉面微結構特征

圖2 不同樹種的葉表電鏡掃描圖

圖3 不同樹種的葉表顯微鏡觀察圖

6個樹種的平均氣孔密度、氣孔長度、寬度及面積，以及葉下表面毛被密度均存在極顯著差異(P＜0.01)，對于氣孔結構，紅花檵木的平均氣孔密度最大，而夾竹桃的平均氣孔密度最??；廣玉蘭的平均氣孔面積最大，錦繡杜鵑和灑金桃葉珊瑚則較小。對于毛被密度，紅花檵木、錦繡杜鵑的葉片上下表面均被毛，其余樹種僅廣玉蘭、夾竹桃葉下表面被毛，且廣玉蘭毛被密度顯著高于其他樹種，夾竹桃次之。結合表2中滯塵量的測定結果，對植物的滯塵能力與葉表微結構特征做相關性分析(表5)，發(fā)現(xiàn)6種植物的單位葉面積滯塵量與葉表溝壑數(shù)量呈極顯著正相關(P＜0.01)，而與葉表粗糙程度、氣孔的平均長度、寬度、面積，及葉表面毛被密度無顯著相關性。

表5 植物的滯塵能力與葉表微結構特征間的相關性分析

2.4 植物滯塵能力綜合評價

選擇滯塵粒徑分布范圍(X1)、PM2.5單株年滯塵量(X2)、PM2.5～10單株年滯塵量(X3)、PM>10單株年滯塵量(X4)、抗塵能力(X5)這5項指標對供試樹種進行評分。X1可反映樹種對不同粒徑顆粒物的滯留容廣度；X2、X3、X4可分別反映樹種對不同粒徑顆粒物的滯留量大?。籜5表示樹種在高濃度的大氣懸浮顆粒物環(huán)境中仍能正常生長發(fā)育的能力。通過試驗測算、查詢文獻等方法，根據(jù)一定的數(shù)量化標準(表6)，計算出各樹種的滯塵效益指標得分(表7)。

表6 園林植物滯塵效益評價指標的數(shù)量化方法及標準

為方便綜合指數(shù)的計算及不同樹種間滯塵綜合效益的評估比較，對原始數(shù)據(jù)做標準化處理。標準化公式為：Zij=Xij/Xj(max)(其中Xij為樹種i的第j項指標；Xj(max)為指標j中的最大值)。Zij經(jīng)因子分析，最終確定各指標評價權重Aj=(0.22，0.19，0.19，0.19，0.21)。根據(jù)γj=Aj×Zij計算出各樹種的綜合指數(shù)γ(表7)[24]。

表7 不同樹種的滯塵效益各指標評分及綜合指數(shù)

結果顯示，6個供試樹種的滯塵的潛力表現(xiàn)為：灑金桃葉珊瑚>廣玉蘭>紅花檵木>錦繡杜鵑>山茶>夾竹桃。灑金桃葉珊瑚、廣玉蘭的單株葉面積大，單株年滯塵總量分別可達3.09和2.159kg，對不同粒徑顆粒物均有較好的滯塵效果，且具有一定抗塵能力；錦繡杜鵑、紅花檵木的單位葉面積滯塵量高，可滯留塵粒的粒徑范圍廣，但受到狹小葉面積的約束，在總滯塵量指標上表現(xiàn)劣勢，且對塵粒污染的耐受力不強；夾竹桃及山茶則主要受到單位葉面積滯塵量，即滯塵效率的影響，其中夾竹桃的抗塵能力突出，適合在懸浮污染物嚴重的區(qū)域栽植。

3 結論與討論

3.1 討論

在植物滯塵效益的研究中，常用單位葉面積滯塵量作為主要評價指標，可較為直觀地反映其滯塵能力的強弱。本研究發(fā)現(xiàn)6個供試樹種的單位葉面積滯塵量存在顯著差異，其中灑金桃葉珊瑚約為廣玉蘭的2.8倍，進一步證實了不同植物的滯塵能力存在較大差異。供試植物中，廣玉蘭、紅花檵木是常見的園林綠化及滯塵研究樹種，具有較多可參考的滯塵基礎數(shù)據(jù)。本研究測得廣玉蘭、紅花檵木的單位葉面積滯塵量分別為1.01和2.06g/m2，與俞學如[19]測得的結果一致；孫應都等[26]于昆明市測得廣玉蘭的單位葉面積滯塵量(2.633 6g/m2)卻高于紅花檵木(2.001 7g/m2)。這表明同一植物在不同環(huán)境下滯塵量表現(xiàn)存在差異，且環(huán)境對研究結果的影響大，相同或相近環(huán)境下的植物滯塵基礎數(shù)據(jù)才具有較好的應用參考價值。錦繡杜鵑、夾竹桃及灑金桃葉珊瑚在南京市的滯塵分析仍不夠完善，對此還需進一步研究。

城市中的大氣顆粒物來源廣泛、粒徑大小不一，粒徑越小的顆粒物對人體的危害越大，其中細顆粒(PM2.5)、粗顆粒(PM2.5～10)可直接進入呼吸道及肺部進而威脅人體健康[27]。本研究發(fā)現(xiàn)不同植物對不同粒徑顆粒物的滯留能力存在較大差異，6個供試樹種中山茶偏好滯留粒徑較小的大氣顆粒物，其PM2.5、PM2.5～10的滯留占比最高，達3.77%及9.97%，而夾竹桃最低，分別為2.41%和6.10%。因此，園林綠化過程中需依據(jù)環(huán)境內大氣顆粒物污染特點和樹種的滯塵粒徑分布情況進行樹種的選擇和搭配，以提高小區(qū)域范圍內的滯塵效果。本研究結果顯示，夾竹桃對大顆粒的滯塵能力最強，且對SO2、Cl2等有害氣體有很強的抗性，因此其適宜應用在工廠、礦區(qū)等較嚴重污染地區(qū)[28]；山茶對PM10滯塵作用較好，宜在細小顆粒物富集的區(qū)域內種植，如住宅區(qū)、學校等，可同時滿足觀賞與環(huán)保的需要。本研究中滯塵粒徑的分布也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，6個樹種的滯塵粒徑皆主要分布在10～100μm(47.93%～69.83%)，且PM>10占比最高(89.84%)，與俞學如[19]、謝濱澤等[28]觀察到的分布規(guī)律一致；趙松婷等[29]、賈彥等[7]的研究結果則顯示植物滯留顆粒中PM>10的平均占比小于10%。粒徑測量方式的不同可能是造成該差異的主要原因，濕法測量(分析浸洗液)時顆粒物在水中發(fā)生絮凝，可能造成PM>10含量偏高；而圖像掃描法測得的PM>10較低[31]。

本研究中紅花檵木及錦繡杜鵑葉兩面被毛，且葉表面較粗糙，各級葉脈明顯；灑金桃葉珊瑚葉表光滑，但葉表密布細小突起；夾竹桃葉下表面橫狀溝明顯，并有表皮毛分布。研究表明，植物葉表面的毛被狀況、粗糙程度及溝壑結構綜合作用，可使得固體顆粒物與葉表面間的接觸面積增加，顆粒物不易脫落，從而反映出較高的單位葉面積滯塵量[32]。本研究中單位葉面積滯塵量卻僅與葉表溝壑數(shù)量呈正相關，與毛被密度、氣孔密度及面積、粗糙程度無顯著相關性。對此，應對溝壑特征做量化測量，以進一步探討溝壑數(shù)量對滯塵量的影響。廣玉蘭、夾竹桃的葉下表面毛被豐富，單位葉面積滯塵量卻較小，且6個樹種的毛被密度及氣孔結構與滯塵效果間無顯著相關性，這可能與葉片上、下表面對滯塵作用的貢獻程度不同有關。本研究所選樹種僅紅花檵木、錦繡杜鵑葉片上表面有毛，有樹種的氣孔均位于葉下表面，受重力、濕潤度、接觸面等因素制約，下表面的表皮毛及氣孔不在滯塵作用中起主要作用，這與王蕾等[33]的研究結果一致。本研究中植物葉表毛被狀況對滯塵粒徑的選擇性可能存在較大影響，無毛被的灑金桃葉珊瑚和山茶的滯塵粒徑分布在50μm以下出現(xiàn)峰值，毛被密度大的樹種(廣玉蘭、錦繡杜鵑、紅花檵木、夾竹桃)則出現(xiàn)在92～186μm。對于該6種植物，還有待結合更多的葉表微結構特征，如葉表分泌物(蠟質層、油脂等)、氣孔突出程度，由定性到定量，深入研究其葉表微結構對滯塵作用的影響。

主成分分析法及綜合指數(shù)的應用可以有效衡量不同植物的滯塵綜合效益，避免單指標評價的片面性和偶然性。本研究以單位葉面積滯塵量、單株葉面積總量為基礎，對植物的滯塵粒徑幅度、PM2.5單株年滯塵量、PM2.5～10單株年滯塵量、PM>10單株年滯塵量、抗塵能力5項指標基于主成分分析法做因子分析，以綜合評價各樹種的滯塵效益。6個供試樹種中，灑金桃葉珊瑚的綜合得分最高，其葉面積廣闊且滯塵效率高，單株年滯塵量約3.094kg，還具有抗塵力強、觀賞價值高等特點，適于工業(yè)區(qū)、建筑地等懸浮物富集環(huán)境的應用，是優(yōu)良的環(huán)保樹種；廣玉蘭樹型高大、葉冠緊密，在滯塵總量上表現(xiàn)較好，適合作行道樹、庭蔭樹等；錦繡杜鵑和紅花檵木葉面積狹小，但單位葉面積滯塵量大、滯塵粒徑分布幅度廣，且具有獨特的造景效果，適合在綠化空間有限時栽植，或作為滯塵輔助樹種參與配置；夾竹桃在滯塵量上表現(xiàn)一般，但滯留大顆粒的比例最高，抗塵、抗污染能力強，適合作為較嚴重污染區(qū)域的主要環(huán)保樹種；山茶的滯塵效益各指標得分整體偏低、總滯塵量小，不適合選作主要滯塵樹種，但滯留PM2.5、PM10的比例最高，可在小顆粒懸浮污染物為主的區(qū)域配置。

3.2 結論

1)6種園林植物在單位葉面積滯塵量上存在顯著差異，具體表現(xiàn)為灑金桃葉珊瑚>錦繡杜鵑>紅花檵木>山茶>夾竹桃>廣玉蘭。在滯塵粒徑上，各樹種的滯塵范圍主要分布在10～100μm，其中錦繡杜鵑和紅花檵木的滯塵范圍較廣，而山茶的滯塵范圍窄；山茶易于滯留小粒徑顆粒物，夾竹桃則易于滯留大顆粒。這對南京地區(qū)的樹種選擇具有較好的參考價值。

2)本研究發(fā)現(xiàn)單位葉面積滯塵量與葉表溝壑狀況呈正相關，且葉片上表面發(fā)揮主要滯塵作用，其微結構特征主要影響植物的滯塵能力。葉片毛被狀況對植物滯塵粒徑的選擇可能存在一定影響，毛被密度大的樹種易于滯留大顆粒懸浮物。

3)在滯塵樹種的選擇上，應綜合考慮應用地環(huán)境與植物的滯塵特性。從滯塵效益指數(shù)來看，灑金桃葉珊瑚和廣玉蘭的葉面積廣闊，滯塵總量大，且抗塵能力較強，在配置時可選作改善空氣質量的骨干樹種；錦繡杜鵑和紅花檵木的滯塵粒徑范圍廣，山茶對PM2.5、PM10的滯塵效果最好，適合輔助其他樹種參與配置；極強的抗塵、抗污染能力，以及易于滯留大顆粒懸浮物的特點，則使得夾竹桃成為污染較嚴重區(qū)域宜選擇的重要樹種。

注：文中圖片均由王書恒拍攝或繪制。