廣州市常見行道樹種葉片表面形態與滯塵能力

劉 璐，管東生 ，陳永勤

(1.中山大學環境科學與工程學院，廣州 510275;2.廣東省環境污染控制與修復技術重點實驗室，廣州 510275 3.廣州市污水治理有限責任公司，廣州 510655;4.香港中文大學地理與資源管理學系，沙田，新界，香港)

近年來，隨著全球工業化和城市化的迅猛發展，顆粒物污染已成為嚴重的城市環境問題［1-3］。珠江三角洲是典型的城市群區域，區域性大氣復合性污染如顆粒物污染等日益嚴重。這些顆粒物不僅影響大氣的能見度，產生大氣光化學煙霧，加劇城市的溫室效應［4］，同時這些粉塵顆粒物攜帶大量有毒物質和致病菌，直接危害人們的身體健康，可引發呼吸道、支氣管、肺功能等疾病，增加死亡率等［5］。大量研究證明，植物能凈化空氣中的顆粒物，特別是在消納、吸收大氣污染物，提高空氣環境質量上具有顯著的效果［6］。植物葉片因其表面性能(如茸毛和臘質表皮等)可以截取和固定大氣顆粒污染物，使其脫離大氣環境而成為凈化城市的重要過濾體，由此，植物可作為大氣污染物的吸收器，降低大氣粉塵濃度，是一種從大氣環境去除顆粒物的有效途徑［7］。葉面滯留大氣顆粒物能力是城市行道樹綠化樹種選擇的重要指標［5］。不同植物對粉塵的滯留能力及滯塵機理存在較大差異［8］。因此，在城市環境日益惡化情況下，研究城市行道樹的滯塵機理，為選擇和優化城市行道樹的種類，對降低城市大氣顆粒污染物和提高空氣質量具有重要的參考意義。

近年來，國內外學者在城市植物滯留大氣顆粒物機理和改善城市環境等方面進行了一些 開拓性的工作［6，9-12］。在國內，這方面的工作主要集中在哈爾濱［13］、東北地區［14］、北京［12］、青島［1］等城市，初步得出了植物滯塵的一些規律。然而，植物對粉塵的滯塵機理方面的系統研究尚顯薄弱。本文選取廣州市常見行道樹為調查對象，測定行道樹植物葉片的滯塵能力，研究不同植物葉片表面形態結構和葉片潤濕性對植物滯塵能力的影響，探討行道樹植物葉片的滯塵機理，旨在為城市綠化樹種的選擇提供科學依據。

1 研究區概況

廣州市位于 22°26'—23°56'N，112°57'—114°3'E，屬南亞熱帶季風氣候，日照充足，熱量豐富，長夏無冬，雨量充沛，干濕季明顯。平均相對適度77%，市區年降雨量為1600 mm以上。城區主要是由泥質、砂土質凝結而成的堅固礫巖、致密角礫巖或礫巖狀砂巖組成的紅色巖系，為三角洲平原與丘陵臺地過渡區，地勢東北高，西南低。市中心海拔15—25 m，北部白云山海拔282 m，越秀山70.8 m［15］。在全國十大城市中，廣州市的大氣污染較為嚴重，雖然工業廢氣污染源近幾年得到一定的控制，但隨著第三產業的迅速發展和城區的不斷擴建，城市機動車數量的迅速猛增和建筑工地的揚塵污染日益嚴重，導致大氣固體懸浮物成為廣州城區環境空氣中的主要污染物。2010年廣州市環境空氣質量3項主要指標二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物年均濃度分別為0.033、0.053、0.069 mg/m3，均達到國家空氣質量的二級標準，但可吸入顆粒物濃度相對較高［16］。

2 研究方法

2.1 供試植物選擇及樣品采集

考慮廣州市綠化樹種的多樣性和采集可行性，根據現有物種及供試樹種采集數據的可比性，遵循普通、常見、量多的原則選擇供試植物種類。選取廣州市路況相似的交通干道:東曉路、昌崗東路、前進路、怡樂路，新港西路、濱江東路，沿江中路，選取的采樣點路旁為住宅區、學校或公園，所有采樣點均避開工廠和繁華商貿區，選擇最為常見的18種植物，其中常綠喬木15種:芒果(Mangifera Indica)、海南紅豆(Ormosia pinnata)、麻楝(Chukrasia tabularis)、垂葉榕(Ficus benjamina Linn.)、細葉榕(Ficus microcarpa)、高山榕(Ficus altissima Bl.)、小葉欖仁(Terminalia mantaly)、盆架樹(Alstonia scholaris)、重陽木(Bischofia polycarpa)、紅花羊蹄甲(Bauhinia blakeana)、桃 花 心 木 (Swietenia mahogani)、木 棉 (Bombax malabaricum DC.)、大 葉 紫 薇(Lagerstroemia indica Linn.)、大葉榕(Ficus virens var.sublanceolata)、二喬木蘭(Magnolia soulangeana Soul.-Bod);常綠灌木3種:鵝掌藤(Scheffera arboricola)、扶桑花(Hibiscusrosa-sinensis)、灰莉(Fagraea ceilanica)。據研究，植物的葉面滯塵能力約在24 d以上達到飽和(即最大滯塵量)［2］，本研究于2010年12月于雨后26 d采樣，為減少誤差，所有樣品采樣均在一天內完成。喬木約3—5 m高處采樣，灌木采樣高度約1—2 m，采樣過程中均戴上聚乙烯塑料手套，用聚乙烯塑料袋分裝采集的葉片。在采集過程中，剪枝葉時一定不能過于搖動以免灰塵抖落，每個樹種選擇5株樣樹，在每株樹的4個方向上下不同部位采集成熟健康葉片約100—150 g，然后把每株樹的100—150 g樣品合并，即得混合樣品。同時，用高枝剪剪下枝條插入裝有水的燒杯中，帶回實驗室，用于測定葉片表面與蒸餾水和二碘甲烷的接觸角和最大滯塵量。采樣點見圖1。

2.2 植物葉面積測定

采用打孔稱重法。取每樹種已晾干的葉片20片，在實驗室用打孔器打孔，打下葉片的小圓片即面積是定值，將20個小圓片稱重，再將20片全部葉稱重，用小圓片與全部葉的重量與面積的比例關系，計算出采集樣品的全部葉面積，記為A。同時稱量每個樹種采集回來葉片的總重，記為濕重。

2.3 植物葉片滯塵能力測定

將采集植物葉片分別放入KQ5200型數控超聲波清洗器用蒸餾水進行徹底沖洗，用鑷子將葉片夾出，并用蒸餾水沖洗3次洗凈，浸洗液用已烘干稱重(W1)的微孔濾膜(φ=0.45μm)抽濾，將濾膜置于培養皿中在85℃烘箱下烘4h，烘至恒重，冷卻至室溫，用分析天平(萬分之一)稱重(W2)，2次重量之差(W2－W1)即為采集植物葉面上所附著的滯塵重量。

干重滯塵量=(W2－W1)/洗凈葉片烘干重(g/g)

單位葉面積滯塵量=(W2－W1)/A(g/m2)

單葉滯塵量=單位面積滯塵量×單片葉片的平均葉面積(g)

2.4 不同樹種葉表面微結構觀察

(1)樣品固定 從樹體上選擇適量葉片，立即封存于塑料袋內以防擠壓或葉片纖毛被破壞，于實驗室內，在葉脈兩側的中部將新鮮葉片切成邊長約5mm的小方塊，立即用2.5%戊二醛溶液進行固定4h;

(2)清洗 用0.1 mol的磷酸緩沖液沖洗4次，每次20 min;

(3)脫水 梯度乙醇脫水，本實驗采用30%(2次，每次10 min)、50%(2次，每次10 min)、70%(1次，浸泡過夜)、90%(1 次，15 min)和100%(1 次，15 min);

(4)置換 脫水后在乙酸異戊酯中置換2次，每次10—15 min;

(5)干燥、粘臺 置換后再臨界點干燥3h，待小瓶內的冰晶揮發后取出粘臺;

(6)在IB5型離子鍍膜儀中濺射鍍金膜，在JSM-6330F型冷場發射掃描電鏡上觀察。

2.5 接觸角測定

液滴在固體表面處于平衡狀態時，在液體所接觸的固體與氣相的分界點處做液滴表面的切線，此切線在液體一方與固體表面的夾角稱為接觸角(θ)。根據界面化學基本原理，接觸角可以定量描述液體在固體表面上的潤濕程度，θ=90°可作為潤濕與不潤濕的界限，θ＜90°時可潤濕，θ＞90°時不潤濕;對于接觸角較大的情況下水滴在葉面團成球狀的情形稱作斥水性［17］。

在室溫條件下，用靜滴接觸角/界面張力測量儀(JC2000C1，上海中晨科技發展有限公司)分別在10個葉片上測定葉片正背面的接觸角。同一葉片沿中脈分開，分別用作正面和背面接觸角的測定。選取葉片較平坦的表面并盡量避開葉脈，制成約1cm×1cm的樣本，鋪平后用雙面膠粘于玻璃板上后置于靜滴接觸角/界面張力測量儀的載物臺上，然后調節毛細管出水，在葉面上形成約6μL大小的液滴，利用CCD成像(圖像放大率266Pixel·mm－1)后采用量角法測定接觸角大小。圖2為水滴在2種典型的潤濕和不潤濕(斥水性)葉面上的形態。

圖2 水滴在2種典型的潤濕(a)和不潤濕(斥水性)(b)葉面上的形態Fig.2 Contacting states of water droplet on two typical plant leave surfaces

2.6 數據處理

運用Excel 2007和SPSS17.0進行實驗數據的描述統計分析，用單因素方差分析(one-way ANOVA)物種之間最大滯塵量的差異分析。采用Origin 8.5軟件進行繪圖，圖像由Photoshop CS3處理。

3 結果與分析

3.1 主要行道樹葉面滯塵量比較

按單位面積滯塵量分析，雨后26天物種間最大滯塵量有顯著差異，在0.066—1.831 g/m2(表1)，其中滯塵量最大的芒果為1.831 g/m2，重陽木其次，為1.789 g/m2，高山榕居三，為1.707 g/m2，滯塵量最小的桃花心木為0.066 g/m2，最大值為最小值的27.74倍;其中灌木樹種中，滯塵能力依次為灰莉＞扶桑花＞鵝掌藤。

植物的葉片表面結構形態、質地、類型及葉面積都直接影響著顆粒物在葉片表面的滯塵能力［3］。在植物葉片滯塵量的研究中，除了用單位葉面積滯塵量表達外，也有用單葉面積滯塵量和干重滯塵量來表述植物的滯塵量［18-19］。本研究結果表明，單葉面積滯塵量最大的樹種為紅花羊蹄甲(0.0491 g)，干重滯塵量最大的樹種為海南紅豆(0.0267 g/g)。由于不同樹種的葉片有大小之分，當植物單個葉片面積較大時，其單葉面積滯塵量就占優勢;而干重滯塵量主要受葉片厚薄的影響。紅花羊蹄甲的單葉面積較大，所以其單葉面積滯塵量大，但其單位面積的滯塵量和干重滯塵量卻很小。在本研究中，海南紅豆的干重滯塵量最大是因為其葉片的厚度較薄，而高山榕和大葉紫薇的葉片較厚，其干重滯塵量較小。因為樹木的總葉面積大小同時受單個葉片面積和葉片數量的影響，植物的單葉面積較大，并不意味其總葉面積也大。此外，由于葉片有厚薄之分，同樣重量的葉片其葉面積往往不同。從本研究的結果看，單位面積滯塵量與單葉面積滯塵量及干重滯塵量并不一致。因為葉表面積是影響植物滯塵量的一個最重要的直接因素，所以單位面積滯塵量是反映不同樹種滯塵能力最合理的指標。

表1 廣州市主要綠化樹種的滯塵量比較Table1 Comparison on the dust-retention capability of major afforested plants in Guangzhou

3.2 植物葉面微結構與滯塵的關系

根據測定樹種的滯塵能力(表1)，分別選出滯塵能力較強的樹種(芒果、重陽木和高山榕)，滯塵能力一般的樹種(小葉欖仁、細葉榕、大葉榕、木棉和扶桑花)，及滯塵能力較弱的樹種(麻楝、紅花羊蹄甲、大葉紫薇、鵝掌藤和桃花心木)，對其葉片樣品進行電鏡掃描。結果表明，由表2可以看出，所測13個樹種的葉表面氣孔特征，可分為圓形(芒果和高山榕)、長圓形(重陽木、大葉榕、木棉、麻楝)、卵圓形(小葉欖仁、細葉榕和鵝掌藤)和無規則形態(大葉紫薇、紅花羊蹄甲和桃花心木)。氣孔密度在1—232(個/視野400倍)范圍內，其中紅花羊蹄甲的密度最大為232個，大葉榕(89)、桃花心木(76)、芒果(51)次之，扶桑花的氣孔密度最小，僅為1個。芒果細胞突起形成一個網格結構，在網格內布滿氣孔，無表皮纖毛(圖3-1);重陽木表皮保衛細胞突起，且拱蓋在氣孔口上(圖3-2);細葉榕表皮趨于平滑，角質膜呈淺波浪狀凸起，無表皮毛和腺體，氣孔凹陷于角質層之下，角質層拱蓋突起完全包圍氣孔，呈亮白色近圓形并略高于相鄰的角質膜，拱蓋內外緣平滑(圖3-3);大葉榕表皮呈現較淺的網狀紋飾，不具表皮附屬物(圖3-4);木棉氣孔呈放射狀平行分布，葉面上有較高的條形突起(圖3-5);麻楝既有纖毛又有一定的淺溝(圖3-6);大葉紫薇和鵝掌藤都具有類似網狀或蜂窩狀的溝狀組織(圖3-7，8);桃花心木氣孔密度較大且較為平滑，無明顯的起伏(圖3-9);扶桑花氣孔密度較小，氣孔周圍密集有較淺的線形紋飾(圖3-10);紅花羊蹄甲表面具有纖毛且覆蓋蠟質層(圖3-11);小葉欖仁氣孔密度較小，氣孔開口較小(圖3-12);高山榕葉表面較光滑，表面有明顯的蠟質層，氣孔密度較大，孔口近似圓形，無表皮纖毛(圖3-13)。麻楝和紅花羊蹄甲的纖毛屬單列毛，由單列細胞組成，毛體較柔軟，呈短圓柱形，排列較稀疏。以上各樹種均沒有發現特殊分泌物。

表2 13種綠化植物葉面氣孔特征Table2 Surface characteristics of stomata in the thirteen afforested plants

植物葉片的微結構與其滯塵能力密切相關，葉片的粗糙程度及葉片上下表皮具有毛的形狀、數量，氣孔密度大等特征是造成滯塵能力差異的原因［8］。本研究中，滯塵量較大的芒果、重陽木和高山榕其葉表面粗糙且凹凸不平具有網狀結構或溝狀組織，氣孔密度集中在20—60(個/視野400倍)，且氣孔開口較大，在一定程度上更容易阻滯灰塵及各種粒徑的顆粒物，使深藏其間的顆粒物很難再次被風或少量雨水帶走，故能穩定滯塵。其雨后26 d最大滯塵量分別達到1.831g/m2、1.789g/m2和1.707g/m2。細葉榕表皮突起與凹陷形成的立體空間較易吸附粉塵;大葉榕表面具有溝槽，凹淺不一，使得粉塵更易于沉積在槽內，它們的滯塵量也較大。當氣孔密度＜20(個/視野400倍)或＞60(個/視野400倍)的時候，植物的滯塵量發生轉折，所測供試樹種中細葉榕的氣孔密度為17個、大葉榕89個，其滯塵量相對低于前3種植物。木棉氣孔密度為15個(＜20)，葉面上有較高的條形突起不利于灰塵的沉積;扶桑花氣孔密度最小，由于氣孔周圍密集有較淺的線形紋飾，附在上面顆粒物很容易被風或雨沖刷掉，故滯塵能力一般。麻楝氣孔密度為35個且具有纖毛，但其毛體柔軟，排列稀疏，不易阻滯顆粒物;而紅花羊蹄甲的氣孔密度為232個(＞＞60)，且表面覆有蠟質，較難吸滯灰塵;大葉紫薇和鵝掌藤的葉表面革質且光滑、垂周壁突起相連成為網格狀，不易滯留粉塵;桃花心木氣孔密度較大但開口較小且平滑，不易使粉塵停滯其上，這些樹種的滯塵能力都較弱。

3.3 植物葉片表面的潤濕性與滯塵量的關系

所測18種植物葉片正面接觸角大小在72°—120°(表3)。最小為芒果，為71.8°。而最大的為紅花羊蹄甲，平均為119.3°。依據石輝和李俊義［21］的研究，將植物葉片正面的接觸角大于90°的定為是不濕潤，即水分不能在葉面上展開成膜;小于90°的為濕潤。除盆架樹、麻楝、紅花羊蹄甲、大葉紫薇和鵝掌藤以外，其它13種植物均為濕潤植物，占測定總數的72.2%;接觸角在90°—95°之間處于濕潤與非濕潤過渡區間的物種有盆架樹、麻楝、大葉紫薇和鵝掌藤4種，占22.2%;接觸角大于95°以上的不濕潤物種只有紅花羊蹄甲，占5.6%。測定的18個植物中背面的接觸角平均為100.6°，一般情況下背面的接觸角大于正面的接觸角(表3)，它們之間達到36.6%的顯著水平。圖4給出了18種植物滯塵量和葉片正面接觸角大小的關系。由圖5可以看出，滯塵量基本隨接觸角的增大而降低，接觸角同滯塵量呈顯著負相關(r=－0.614)。

圖3 13種植物葉片氣孔分布掃描電鏡圖像Fig.3 Scanning electron micrographs of micro-configurations of leaf stoma in thirteen plants

表3 十八種植物的葉面特征及接觸角大小Table3 Leaf characteristics and contact angle of eighteen species

4 討論

樹種間滯塵能力的差異是由葉片的形態結構特征決定的，葉片的粗糙程度及葉片上下表皮具有毛的形狀、數量，分泌物等是造成滯塵能力差異的原因［13］。Chamberlin的研究認為葉面的粗糙度影響細小顆粒物的滯留，顆粒物與葉面之間的物理作用力則是影響較大顆粒物滯留的主要因素［21］。葉片表面著生細密絨毛，顆粒物與葉片表面接觸并進入絨毛之間，被絨毛卡住，難以脫落，從而有利于顆粒物的滯留，而絨毛密度較小且呈較長的針狀時，不利于顆粒物的滯留［3］。從不同樹種滯塵能力和葉表微結構特征的對照可以看出，葉片是通過其細微結構來阻滯降塵，Freer-Smith等［9］、余曼等［22］和李海梅等［1］研究表明葉表粗糙或凹凸不平具有溝狀組織、表面有褶皺或呈現網狀、溝狀，氣孔器凹陷于褶皺形成的凹陷中，密集脊狀突起特點，保衛細胞與周圍角質突起的連接區形成具網格形紋飾的植物更容易使顆粒物深藏其中。石輝等［23］研究也表明葉片表面存在大量的溝狀、孔狀峰谷區域和凹陷，使得葉面的粗糙度較高，這樣的結構有利于顆粒物的滯留。滯塵能力較大的三個樹種(芒果、重陽木和高山榕)葉面粗糙呈凹凸狀，并具有網狀組織或葉緣具有鋸齒狀特征。陳芳等［24］研究表明絨毛密度對顆粒物的滯留能力有較大影響。有研究表明松科植物枝葉能分泌樹脂、黏液、膠狀液體等特殊分泌物，植物葉片靠分泌的油脂等特殊分泌物吸附顆粒物，使顆粒物粘附在葉片上，很難被雨水沖刷［5，14］。研究發現大部分闊葉樹種均無特殊分泌物［1，13］。Burkhardt等［25］風洞實驗表明，細小的顆粒(直徑約為0.5μm)多積聚在針葉樹的氣孔附近。葉表面平滑、氣孔多為長圓形且周圍明顯蠟質層加厚、氣孔周圍條形細胞略呈放射狀平行分布，垂周壁突起相連成為網格狀，細胞排列較為緊密，這些特征不利于植物滯塵，本研究中滯塵能力較弱的紅花羊蹄甲和鵝掌藤也具有這一特征。

據研究，葉片的潤濕性對植物滯塵能力具有較強的影響，葉表面的潤濕性表現了葉片對水的親和能力，葉片接觸角較大時，由于葉片表面表皮細胞突起、葉片表面蠟質、絨毛和氣孔對葉片的潤濕性有一定程度的影響，接觸角隨蠟質含量升高而增大，表現出疏水性，直接導致葉片與顆粒污染物的接觸面積較小，使得污染物與葉表面的親和力減小，從而影響粉塵的停滯［26-28］。一些研究者發現葉片表面蠟質、絨毛數量、質地、形態和氣孔對葉片的潤濕性有一定程度的影響。植物葉片的接觸角隨蠟質含量的升高而增大，二者之間的正相關關系不顯著［29-30］。Brewer 和 Nu?ez［31］的研究結果表明，植物葉表面氣孔密度較大的物種具有較強的疏水性。王會霞等［3］、石輝和李俊義［32］研究表明葉片接觸角和滯塵量之間呈顯著負相關。在測定的13種植物中，大葉紫薇、鵝掌藤的細胞覆有蠟質層，紅花羊蹄甲氣孔密度最大加之其特殊的蠟質表面不宜潤濕增加了它的斥水性，測得的接觸角較大，使得葉片與粉塵等污染物的接觸面積較小，導致顆粒物與葉片表面的親和力較小，所以不易潤濕的葉片滯塵能力較小。對于接觸角較小的潤濕葉片，與水的親和力較大，水分在潤濕性強的葉面上鋪展呈膜，加上葉片表面的形態結構凹凸不平、具有鉤狀或脊狀褶皺、突起等使得粉塵不易從葉面脫落，滯塵能力相對較強［3］，親水型的芒果正面氣孔密度較大，覆面交織呈網狀，重陽木、高山榕的氣孔凹凸不平，所測接觸角較小，滯塵能力較大。

圖4 供試植物葉片滯塵量和葉正面接觸角Fig.4 Dust-capturing capacity and leaf contact angle on adaxial surface

圖5 植物葉片滯塵量與葉接觸角的關系Fig.5 Correlations between leaf contact angle and dustcapturing capability

致謝:樣品采集得到余揚帆、拉姆次仁、王剛、王浩、肖敏志、高健、林超群、胡艷萍等的幫助，葉片接觸角的測定得到王會霞(西安建筑科技大學)等的協助，特此致謝。

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