鄭州市常見公園綠化植物的滯塵能力及葉片性狀分析

李朝梅，王軍夢，王騰飛，王祖星，雷雅凱，賀 丹

(河南農業大學 林學院，河南 鄭州 450002)

隨著工業的不斷發展，我國的空氣污染愈加嚴重。空氣污染特別是大氣中的顆粒物污染問題成為人們關注的核心。目前主要的空氣污染物是空氣動力學直徑≤10 μm(PM10)和空氣動力學直徑≤2.5 μm(PM2.5)的顆粒物。根據河南省生態環境廳公布的數據統計，2019年鄭州市大氣污染天數達到180多d[1]。目前通過解決污染源來治理環境污染尚不能實現，借助植被的清除機制可以緩解城市的空氣污染[2-3]。因此，研究城市園林植物的滯塵作用，篩選滯塵能力強的樹種，對改善城市空氣質量具有重要意義[4-5]。

園林植物能夠吸附顆粒物，減少空氣中的顆粒物污染，混凝效應和干沉降是其重要機制[6-8]。不同園林樹種之間的滯塵量存在顯著差異，其滯塵能力的大小和其生長區域的氣候條件、環境因子等密切相關[9]。針葉樹種單位葉面積滯塵量大于闊葉樹種，雪松和油松對顆粒物吸附能力較強[10-13]。植物對顆粒物的滯留能力與葉面屬性密切相關。植物葉片滯塵量的大小與葉表面的形態結構特征，如葉表面有無絨毛、氣孔密度、褶皺或凹陷等相關[14-17]。葉片分泌物則通過粘附這一方式來吸附顆粒物，且效果穩定[18]。葉片表面的蠟質層越厚，葉片的滯塵能力越強，而葉片的蠟質含量與PM2.5的干沉降速率呈負相關關系[19-20]。植物葉片的滯塵過程具有復雜性和動態性，是一個動態平衡過程，滯塵量會隨著時間、季節的變化而產生變化[21-24]。目前對于影響葉片滯塵能力的原因以及葉片滯塵量的變化規律已經有了一定的研究，但是由于影響植物滯塵的因素十分龐雜，不同地區氣候和環境條件差異明顯。因此，要根據不同地區氣候、環境中顆粒物含量和植物的生長特點等分析葉片的滯塵量和滯塵能力[12]。

鄭州市近年來空氣污染問題日益突出，尤其是冬季，對居民的生活造成了嚴重的負面影響。為了城市的生態園林建設，鄭州市的園林綠化工作實施方案中提出了建設大量的市內公園及小游園。本研究選取了鄭州市常見的10種公園綠化植物，采用濾膜分級過濾稱質量法測定其葉片對TSP、PM>10、PM10以及PM2.5的滯留量，分析不同樹種對不同粒徑顆粒物的滯留能力，并結合植物葉片特征及蠟質含量，分析不同樹種之間滯塵能力存在差異的原因，以期為鄭州市公園建設篩選滯塵能力優良的園林樹種，緩解城市的顆粒物污染。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 采樣點概括

鄭州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)屬溫帶大陸性季風氣候區，年均溫14.7℃，年均降水量640.8 mm，年平均風速2.3 m/s。夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。采樣區設置在碧沙崗公園，碧沙崗公園位于鄭州市中心城區，是鄭州市內建園最早的公園之一，植被穩定，能夠代表鄭州市內主要的公園綠地情況和市內環境狀況。

1.2 植物種類

選取10種鄭州市公園常見園林植物且在采樣地分布充足，每種數量在10株以上。包括5種常綠灌木、3種常綠喬木及2種落葉灌木。其中，3種常綠喬木在鄭州市主要公園的平均出現頻率為100%，7種灌木平均出現頻率為77.6%。

1.3 樣品采集與處理

于2019年10月下旬至2019年11月下旬采集植物葉片，選擇在降雨或大風后7 d以上、無雨、無風(或者微風)的天氣進行。在試驗場地中隨機選擇3株樣樹，在每株樣樹的4個方向隨機采集數量不等的葉片，放入自封袋中。

1.4 葉片滯塵量測定

葉片滯塵量的測定參照洪秀玲[25]的濾膜分級過濾稱質量法，將清洗葉片產生的懸濁液利用燒杯定容，讀數記為V1；用恒溫磁力攪拌器攪拌5～10 min至懸濁液中的顆粒物分布均勻，從中移取50 mL液體放入已經稱重(W1)的培養皿中，記為V2，置于恒溫鼓風干燥箱中烘干至恒重后再次稱量培養皿的重量(W2)；按照式(1)計算懸濁液中顆粒物總量W0。再將剩余的液體依次用烘干至恒重的10 μm和2.5 μm濾膜(重量記為W3和W4)進行過濾后，用恒溫鼓風干燥箱烘干至恒重，記為W5和W6，濾膜2次重量之差即為對應粒徑顆粒物的質量。按照式(2)、式(3)計算懸濁液中>10 μm、2.5～10 μm顆粒物重量W7和W8；根據式(4)、式(5)計算總懸濁液中PM10和PM2.5的重量W9和W10。使用葉面積儀(CI-203，CID，USA)對清洗后的葉片進行葉面積測定，重復3次；根據總葉面積計算單位葉面積TSP、PM>10、PM10以及PM2.5的質量。

(1)

(2)

(3)

W9=W0-W7-W8

(4)

W10=W8+W9

(5)

1.5 葉表特征及葉片蠟質含量測定

使用超景深三維視頻顯微鏡(Leica，DVM6)觀察葉片表面特征。將清洗后的葉片放入已知重量的燒杯中，加入適量的三氯甲烷浸泡60 s后取出葉片，將燒杯置于通風櫥中，待三氯甲烷完全揮發后取出稱重，2次重量之差即為葉片中蠟質的重量，重復3次。已知蠟質重量除以葉片總面積即為單位葉面積蠟質含量。

1.6 數據分析

數據采用Excel、SPSS22.0軟件進行分析，采用單因素方差分析法(ANOVA)分析樹種間不同粒徑顆粒物滯留量的差異，若差異顯著，采用LSD法(least-significant difference)進行多重比較。利用系統聚類法對不同植物單位面積滯塵量進行系統聚類分析。采用Pearson相關性分析法分析植物葉片蠟質含量與滯塵能力之間的關系。

表1 試驗選擇樹種Table 1 Test plant species selected

2 結果與分析

2.1 不同樹種葉片滯塵能力

10種植物葉片的滯塵量差異顯著，不同植物單位葉面積對不同粒徑顆粒物TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯留能力也存在差異，其滯塵量分別在0.58～3.18、0.39～1.64、0.11～1.56 g·m-2和0.08～1.53 g·m-2。在葉片滯塵量中，PM>10在總滯塵量中所占比例較大，PM2.5占PM10的主體(表2)。

表2 10種植物單位葉面積TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯留量(平均值±標準誤差)Table 2 TSP,PM>10,PM10 and PM2.5 retention per unit leaf area of 10 plant species(mean±SE)

植物單位葉面積對TSP的滯留量差異顯著，滯留量最大的是雪松，其次為龍柏、石楠、夾竹桃和大葉黃楊，滯塵量最小的是南天竹，雪松的滯塵量是南天竹的5.5倍。對PM>10滯留量最大的是雪松和龍柏，滯塵量最小的是南天竹，各樹種之間滯塵量差異顯著。PM10和PM2.5滯留能力最強的是石楠，最弱的是灑金東瀛珊瑚，不同樹種滯塵量差異顯著(表2)。

10種植物單葉滯留TSP的質量在0.52～13.71 mg·leaf-1，單葉PM>10的滯留量為0.35～7.21 mg·leaf-1，單葉滯留PM10和PM2.5的質量分別在0.17～9.03 mg·leaf-1和0.14～8.84 mg·leaf-1。單葉滯留TSP、PM10和PM2.5最大的植物均為石楠，單葉滯塵量分別達到13.71、9.03 mg·leaf-1和8.84 mg·leaf-1，南天竹對各粒徑顆粒物的單葉滯留量均最小。不同粒徑顆粒物含量與葉面積大小有一定的關系。在TSP水平上，除石楠、夾竹桃和大葉黃楊外；在PM>10的水平上，除夾竹桃和大葉黃楊外；在PM10和PM2.5水平上，除灑金東瀛珊瑚、夾竹桃和大葉黃楊夾竹桃外；單葉TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯塵量大致隨葉面積的增大而增加(表3)。

表3 10種植物單葉TSP、PM>10、PM10和PM2.5滯塵量(平均值±標準誤差)Table 3 Dust retention of 10 plant species with single leaf TSP,PM>10,PM10 and PM2.5(mean±SE)

通過聚類分析，將10種園林樹木葉片的單位面積滯塵能力劃分為4個等級(圖1)。單位面積滯留TSP能力最強的樹種是雪松和龍柏，滯塵能力較強的是石楠、夾竹桃和大葉黃楊，中等能力的是灑金東瀛珊瑚、錦帶花、棣棠花和海桐，滯塵能力最弱的是南天竹。10種樹種單位面積滯留PM>10能力最強的是雪松、龍柏和大葉黃楊，其次為海桐和灑金東瀛珊瑚，石楠、夾竹桃、錦帶花和棣棠花滯留PM>10的能力屬于中等，南天竹滯留能力最弱。滯留PM10和PM2.5能力最強的是雪松、石楠和夾竹桃，能力較強的是龍柏，其次為大葉黃楊、錦帶花和棣棠花，能力最弱的是南天竹、海桐和灑金東瀛珊瑚。

圖1 10種植物滯塵能力的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of dust retention ability of 10 plant species

2.2 葉片性狀與滯塵能力

10種植物總顆粒物滯留等級與葉片特征、單位面積蠟質含量如表4所示。葉邊緣具細鋸齒或鈍齒的葉片滯塵能力較好。植物葉片中蠟質含量與其滯塵量具有一定的相關性，蠟質含量與單位面積PM10及PM2.5的滯留量具有顯著的正相關關系(P<0.05)，但與單位面積TSP、PM>10的滯留量相關性不顯著(P>0.05)。表明葉片蠟質含量增加時，其單位面積PM10及PM2.5滯留量隨之增加；同時，葉片形狀、葉表面絨毛、凹凸不平的結構以及葉脈走向等葉片特征均會對葉片滯塵能力產生影響。

表4 10種園林植物葉片性狀與滯塵等級分析Table 4 Leaf characters and dust retention grade analysis of 10 garden plant species

3 結論與討論

植物通過葉片滯留顆粒物，10種園林植物由于葉片性狀的不同，導致不同植物單位葉面積滯塵量之間差異顯著，葉表面粗糙度較大、能分泌粘性油脂或葉脈突出的植物滯塵能力較強；并且同一植物葉片對不同粒徑顆粒物的滯留量也存在差異。同時蠟質含量對植物的滯塵能力有一定影響，蠟質含量與PM10和PM2.5的滯留量之間呈顯著正相關關系，即葉片單位面積蠟質含量越高，PM10和PM2.5的滯留量越大。單葉葉面積會對單葉滯塵量產生影響。

本研究中的2種針葉樹種，雪松和龍柏單位面積滯留TSP和PM>10的能力最強，其中雪松對TSP和PM>10的滯留量分別為3.18 g·m-2和1.62 g·m-2，龍柏對TSP和PM>10的滯留量分別為2.84 g·m-2和1.64 g·m-2。雪松和龍柏的葉片無上表面和下表面之分，四周均能較好的發揮滯留顆粒物的作用，加之雪松的針葉能分泌粘性油脂，吸附更多的顆粒物且不易脫落，因此能夠比其他樹種滯留更多顆粒物[13,26-27]。滯留PM10和PM2.5能力最強的樹種為雪松、石楠和夾竹桃，滯塵量在1.47～1.56 g·m-2，雪松分泌的油脂、石楠葉表面葉脈形成的略微凹凸的結構以及夾竹桃葉表面橫向突起的葉脈，使得其滯塵能力較強。南天竹對TSP、PM>10、PM10及PM2.5的滯留能力均最弱，這是因為南天竹葉片呈薄革質，氣孔表面積較小且葉表面平滑[28]。灌木中大葉黃楊對TSP的滯留量最大，滯塵量達到2.11 g·m-2，因為大葉黃楊葉表面具有較厚的蠟質層，氣孔密集且開口較大，更易滯留大氣顆粒物[30]。總的來說，單位葉面積滯塵量喬木優于灌木，這與謝英贊等[30]、柴一新等[9]的研究結論相同。

植物滯塵能力還受到葉片蠟質含量的影響。通過相關性分析發現，葉片滯塵量與蠟質含量之間存在一定的正相關關系，葉片蠟質含量與TSP和PM>10的滯留量相關性不顯著(P>0.05)，與PM10和PM2.5的滯留量相關性顯著(P<0.05)；蠟質含量最高的石楠，單位葉面積PM10和PM2.5的滯留量也最大。葉片滯塵量與蠟質含量具有正相關關系[27]；但有研究表明，葉片蠟質含量僅與粒徑在2.5～10 μm的顆粒物滯留量呈顯著正相關關系，而與總滯塵量及其他粒徑顆粒物滯留量之間的相關性不顯著[31]；也有研究表明，蠟質通過影響葉表面的濕潤性來對葉片的滯塵能力產生影響，濕潤性越大葉片滯塵能力越強[32-33]。造成研究結論差異較大的原因可能是不同地區的環境因素相差較大，葉片表皮蠟質會因為外界環境的影響而產生不同程度的磨損或破壞，形成不同的蠟質微結構，使得濕潤性增加，滯塵能力發生變化，因此研究結論具有差異。此外，不同植物葉片蠟質結構的差異也是影響因素之一[32-34]。

植物葉面積的大小與葉表面顆粒物滯留量有一定關系，一般來說，單葉面積越大，滯留的大氣顆粒物越多。在10種植物中除部分植物外，如大葉黃楊、夾竹桃和灑金東瀛珊瑚，單葉TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滯留量大致隨著葉面積的增大而增加；單葉面積較大的石楠，單葉滯塵量達到13.87 mg·leaf-1。但植物單葉滯塵量除了與葉片表面積具有相關性外，也會受到葉片其他因素的影響[35-36]。因此，在篩選滯塵能力較強的樹種時，葉片蠟質含量、葉表面結構、葉面積等均可作為參考指標之一；并將單位葉面積滯塵量、單葉滯塵量以及樹種的單株滯塵能力進行綜合考慮。