城市園林樹木葉面微結構特征對大氣顆粒物滯留能力的影響

李耀華,玉米提·哈力克,*,木尼拉·阿不都木太力甫,陳 暉,阿麗亞·拜都熱拉

1 新疆大學資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046

2 新疆維吾爾自治區綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046

3 復旦大學環境科學與工程系, 上海 200433

4 新疆農業大學林學與園藝學院, 烏魯木齊 830052

空氣中的顆粒污染物對人體健康,尤其是對肺部和心臟造成危害,同時對城市居民的生活質量構成威脅[1—2]。隨著我國城市大氣顆粒物污染的加重,因中風、心臟病和肺癌導致的死亡率大幅增漲[3]。因此,減輕并控制空氣顆粒物污染是目前所面臨任務中的重中之重。

研究表明,植物葉片可以有效過濾空氣中的顆粒物。顆粒物通過重力沉降、擴散(布朗運動)或湍流轉移沉積在葉片表面[4]。樹冠的結構會引起空氣的湍流運動,從而增加顆粒物在葉片表面的沉積[5]。不同綠化樹種之間的特異性差異決定了其滯留顆粒物能力,主要取決于葉片的結構特征,如葉片絨毛、葉脈密度、葉面粗糙度或凸凹度等[6]。Beckett等[7]發現,相較于葉片光滑的闊葉樹種,葉片粗糙的闊葉樹種能夠更加有效地積累顆粒物。因此,在不同樹種之間進行樹木對顆粒物滯留能力的比較,有利于選取滯塵能力強的樹種在城市綠化設計中優先推廣應用[8]。目前的研究多集中于大氣顆粒物在葉片表面的積累[9—11]。王琴等[12]對比分析了武漢市15種闊葉喬木滯塵能力與葉表微形態特征之間的關系,但對于干旱、多風沙區域城市園林樹木葉面微形態對顆粒物滯留的能力、途徑和機制的研究較少[13]。

干旱區典型綠洲城市——烏魯木齊市近20年來的城市化速度極快,城市交通量增長迅速,因地形逆溫所引起的冬季空氣污染,導致其成為我國空氣污染最嚴重的城市之一,大氣中PM2.5含量一直處于全國省會城市前列,惡劣的空氣環境對市民健康和生產生活造成不利影響[14—15]。為科學選擇園林綠化樹種,提高城市空氣質量,降低PM2.5等顆粒物污染,本文在烏魯木齊市河灘快速路兩側選取10種常見綠化樹種,測定其葉面滯留大顆粒PM>10、粗顆粒PM3—10、細顆粒PM2.5的含量,對比分析各綠化樹種滯留不同粒級顆粒物的能力,并探討植物葉面微結構特征對不同粒級顆粒物攔截效果的影響機理。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

河灘快速公路是烏魯木齊市南北方向最大的主干道及交通匯聚處,承擔著烏魯木齊市城市道路交通量的47%,每天約有30萬輛各類車輛通行[16]。通過現場勘察,根據樹種豐富度和生長狀況觀測結果,選擇河灘快速路東側廣匯橋底下往南200 m處,長200 m、寬50 m的林帶為采樣帶。在樣帶內,選取距主干道10 m、25 m、40 m處設采樣點,選擇常見的10種園林喬灌木,對其葉片滯留大氣顆粒物的能力進行對比分析。

1.2 研究方法

1.2.1樹種選擇

本文采樣點有喬灌木近30種,基于對烏魯木齊市綠地現有綠化樹種的基礎調查,以及園林樹種在城市樹種的使用頻度、多度和健康狀況,對研究樣帶主要綠化樹種進行篩選,選取10個綠化樹種作為代表性樹種,測試它們葉片微結構、粗糙度對葉片滯塵能力的影響。供試的10個植物基本信息見表1。

表1 供試植物基本信息

1.2.2葉片采集方法

為確保取樣條件的一致性,防止氣象因子對取樣的干擾,如雨水等環境因素對葉表面沉積顆粒物沖洗所造成的差異,本研究主要在2018年7月30日至8月10日期間無雨、晴朗、無風的天氣下進行采樣。采樣前的整個7月份無降雨天氣,期間空氣顆粒物PM2.5、PM10含量平均值為19 μg/m3、56 μg/m3(www.aqistudy.cn/historydata)。供試樣樹均在距離道路10 m的范圍內,選擇樹木生長狀況良好,葉齡相近,無病蟲害的健康葉片,所選樹種個體長勢情況(胸徑、樹高)保持大致一致。在植株的上、中、下部位及東南西北四個方向均勻采集,單葉較大者采集20—30片,較小者采集40—50片,每個樹種分別選取3棵樣樹采樣,樣品采集后立即裝入保鮮袋內,并盡快帶回實驗室轉移至冰箱內保存。

1.2.3葉面顆粒物滯留量測定

葉面顆粒物滯留量及其粒徑組成采用水洗濾膜法測定。將選取植物葉片放入盛有140 mL蒸餾水的燒杯中,用毛刷仔細清洗葉片,隨后小心夾出葉片,將清洗液依次通過已處理好的微孔濾膜A1(孔徑分別為10 μm、3 μm、1 μm),采用SHZ—ⅢD型循環水式真空泵進行抽濾,過濾后的濾膜送至60 ℃烘箱中烘干至恒質量,再次取出后自然風干使濾膜在常溫下進行固定,再用0.0001 g的電子天平稱量,重量記作A2。所得的重量(A2—A1)記為葉片表面滯留的所有顆粒物質量,其中直徑大于10 μm的顆粒物(標記為PM>10),直徑在3—10 μm間的顆粒物(標記為PM3—10)、直徑在1—3 μm間的顆粒物(標記為PM1—3),以及總顆粒物(TSP)均可以得到。將清洗后的葉片用吸水紙吸干后置于掃描儀下進行掃描,然后用Image J圖像處理軟件(Version 1.46, National Institutes of Health, USA)測定單葉面積。各樣品PM>10、PM3—10、PM1—3滯留量和TSP滯留量與單葉葉面積的比值即為單位葉面積顆粒物滯留量(μg/cm2)。

1.2.4葉面微結構觀測

選取所測試樹種葉片樣品,其中有效樣品10種,從樣本主葉脈兩側中部切成2—4份面積約1 cm2的小方塊,使用S3400N 型掃描電子顯微鏡(E—1045 型離子濺射裝置,日本,日立)觀測葉片表面氣孔特征、絨毛特征、葉表面粗糙度、凹槽寬度等微觀指標,并進行拍攝。

1.2.5數據處理

運用Excel 2016進行數據預處理。利用SPSS 22.0對數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA),若差異顯著則用LSD法(Least-significant difference)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同綠化樹種葉片滯納顆粒物比較

由圖1可知,不同樹種間的葉片單位面積顆粒物附著量存在顯著差異(P<0.05)。在所測的10個樹種中總滯塵量(TSP)變化范圍介于((4.90±0.64)—(53.38±0.71))μg/cm2之間。其中,榆樹、山楂、黃金樹葉片單位面積吸附量較大,分別達到(53.38±0.71)、(35.45±4.54)、(31.11±0.64)μg/cm2,遠超總平均滯塵量16.87 μg/cm2；紅瑞木葉片單位面積附著量最小,僅為(4.90±0.64)μg/cm2；其余6個樹種,火炬、楊樹、山桃、白蠟、旱柳、忍冬單位葉片顆粒物滯留量分別為(12±0.47)、(12.60±1.43)、(13.87±1.55)、(15.56±0.9)、(19.36±1.9)、(23.8±1.73)μg/cm2與平均滯塵量接近；根據10個樹種單位面積葉片對不同粒徑空氣顆粒物的吸附百分比圖所示,所測樹木葉片吸附的主要是粒徑大于10 μm的大顆粒物。10個樹種中,火炬、白蠟、山楂單位面積葉片上PM>10顆粒物含量最高,分別占TSP的90.6%、92.9%、90.5%。旱柳、忍冬、榆樹單位面積葉片PM>10顆粒物則相對較少,分別為69.5%、69.7%、68.3%；粗顆粒PM3—10占TSP的1%—17%,其中火炬、白蠟含量最少,僅為1.18%和3%；細顆粒物PM1—3在TSP含量中占比最少,單位葉面積顆粒物平均含量占TSP的7.84%,但各樹種PM1—3占TSP的含量差距較明顯,其中黃金樹占比最少,僅為2.2%,旱柳占比最多,為17.3%；比較明顯的是,旱柳、忍冬、榆樹的粗顆粒物PM3—10和細顆粒物PM1—3含量在所測的10個樹種中占比較高,原因可能是這三種樹木的葉表面微結構對粗、細顆粒物具有更好的吸附性。

圖1 不同樹種葉片單位面積附著顆粒物含量

2.2 不同種類植物葉表面電鏡掃描圖

通過觀察葉表面結構電鏡圖可知(圖2),火炬、忍冬、榆樹氣孔結構特征明顯,多呈開啟狀態且氣孔密度排列較為緊密,同時氣孔周邊存在顆粒物。火炬、白蠟、旱柳、榆樹葉片正反面都有細長絨毛,且絨毛周邊存在顆粒物。黃金樹絨毛僅生長在葉片背面,山楂也只有在葉片正面存在絨毛。通過測算,所測樹種的絨毛長度排序為:黃金樹>山楂>火炬>旱柳>大葉白蠟>榆樹。其中黃金樹絨毛最長,為374.071 μm,其次是山楂,為202.549 μm。榆樹葉片絨毛最短,為71.279 μm。紅瑞木、黃金樹、山楂、榆樹葉片正反面均有溝槽,凹槽內部存在少量顆粒物。除山楂葉片正(3.245 μm)反(4.095 μm)面凹槽寬度較接近外,其余三個樹種葉片凹槽均有一定差距。楊樹葉片背面凹槽寬度在所測樹種中最大,為6.89 μm。通過以上統計發現,在單位面積葉表面結構中,氣孔結構、絨毛長度、溝槽寬度等均與其滯塵量存在相關關系。

圖2 10種植物葉面微結構不同倍數下的電鏡掃描圖像

2.3 植物葉片滯納空氣顆粒物與其微結構的關系

不同葉片微結構特征能夠直接影響葉片表面吸附顆粒物能力。如圖3和表2所示,氣孔的孔徑長短、密度與單位葉面積滯留總懸浮顆粒物(TSP)和PM1—3具有相關性,但相關性不顯著(P>0.05)；氣孔數量、密度與TSP、PM1—3含量呈顯著正相關(P<0.05)。此外,絨毛長度、凹槽寬度與葉表面顆粒物含量呈負相關關系,除PM1—3含量與絨毛長度呈顯著負相關外(R=-0.57；P<0.05),其余粒級含量與絨毛長度相關性并不顯著(P>0.05)。總結以上分析,10個綠化樹種葉片微結構中的絨毛長度、氣孔半徑、凹槽寬度與單位面積各粒級顆粒物滯留量的關系并不顯著,絨毛長度與顆粒物滯留量關系也不顯著(P>0.05),氣孔不管是長徑或短徑均不對顆粒物滯留量有直接影響,凹槽寬度越寬反而會造成顆粒物不易滯留,但氣孔數量、密度卻與顆粒物滯留量呈顯著相關性,表明氣孔數是葉片滯留顆粒物的主要因素之一,其原因可能與植物通過葉片進行呼吸有關。

圖3 測試樹種的葉面微結構與滯塵含量變化

表2 葉表面微結構特征與顆粒物滯留量之間相關性

3 討論

3.1 環境因素對不同粒徑顆粒物滯留量的影響

樹木在滯留空氣中顆粒物方面發揮著重要的作用,被稱為“城市粉塵過濾器”,研究植被滯留PM2.5等顆粒物能力的差異,對城市園林綠化樹種的選擇具有重要意義[17]。樹木對顆粒物的吸附作用主要是植物葉片、樹干等器官或某些特殊結構對PM2.5的滯留作用[18]。本研究主要針對植物通過葉片滯留顆粒物的方式進行探討。

查燕等[19]以石楠(Photiniaserrulata)、海桐(Pittosporumtobira)、桂花(Osmanthusfragrans)和二球懸鈴木(Platanusorientalis)為例對城市植被吸附不同粒徑大氣顆粒物進行了研究,發現葉面顆粒物以PM10為主,其顆粒物所占質量分數最大,平均為67.54%。王兵等[20]對北京市6種典型落葉喬木樹種單位面積葉片對空氣總懸浮顆粒物、粗顆粒物、細顆粒物的滯納量進行測定,發現欒樹等單位葉面積粗顆粒物平均占TSP含量的50%。張維康等[21]對北京市主要的20種樹種進行了測定,測得不同粒級顆粒物所占比例在樹種間存在顯著差異,在葉表面滯納顆粒物中,PM10占TSP的58.74%—92.82%,而PM1—3占PM10的比例為16.90%—63.75%。S?b?等[22]對挪威23種綠化植物單位葉面積滯塵量的測定結果顯示,細顆粒物(0.2—2.5 μm)占總滯塵量比例變化為4.78%—36.09%,平均比例為12.37%。以上結果與本實驗結果相近,但本實驗大顆粒物占TSP平均含量高于以上研究結果。本研究中,所測得10種植物葉片表面滯留的顆粒物以PM>10為主,其中PM>10顆粒物平均含量占TSP平均含量的79.9%,火炬、白蠟、山楂的PM10顆粒物平均含量甚至達到TSP含量的90%。PM1—3顆粒物的含量則相對較少,平均含量占TSP不到10%。榆樹不同粒級顆粒物滯留量是紅瑞木滯留量的9—11倍之多,這表明葉片表面所滯留大顆粒物占總顆粒物的比例、細顆粒物占總顆粒物、細顆粒占大顆粒物的比例因樹種差異而不同[23],造成不同樹種單位葉面積滯留顆粒物含量差異可能是植物特性、氣候和其他環境因素之間復雜相互作用的結果[24]。研究區位置的選取也是造成不同粒徑顆粒物滯留差異的原因之一,本研究采樣點選在快速公路主干道旁,較大的車流量攜帶著大量顆粒污染物,同時汽車尾氣和輪胎磨損顆粒物會導致大顆粒污染物的含量在空氣中明顯增多[25]。

3.2 葉面微結構特征對顆粒物滯留量的影響

通過觀察試驗植物葉片掃描電鏡圖發現,葉片表面微結構形態與顆粒物附著密度有著對應關系[26—27]。葉片的氣孔半徑、密度、面積、數量、分布狀況以及葉表面的絨毛與凹槽等對葉表面滯塵能力有不同程度的影響[28]。魯邵偉等[29]通過觀察葉表面微形態特征,并分析葉表面粗糙度等參數,發現葉片粗糙度與單位葉面積PM1—3吸附量呈顯著正相關(P<0.01)。賈彥等[30]認為粗糙程度大、微形態結構密集和深淺差別大的葉面,會增加其與顆粒物的接觸面積,使得葉片對顆粒物的滯留量較高。本研究發現,葉表面氣孔形態特征明顯、氣孔數量較多且密度較大等葉面微結構特征有利于滯留更多的顆粒物,故吸附PM1—3及其他粒徑顆粒物的能力較強,如黃金樹、山楂、榆樹等氣孔數量較多的樹種,其單位葉面積滯塵量在一同測試樹種中位居前列,這與張鵬騫等[31]研究發現,葉面氣孔數量及其形態、分布特征對滯塵能力有重要影響結果相一致。植物葉表面微結構特征與滯留TSP含量之間存在相關性,其中PM>10平均顆粒物占TSP含量約80%,兩者與葉面微結構特征相關性幾乎達到一致,說明大顆粒物滯留量與葉表面微結構特征有著密切關系[32]。植物葉片氣孔開度大且排列密集能增加顆粒物與葉片的接觸面積,從而增加葉片對顆粒物的吸附作用[33]。榆樹、黃金樹等樹種葉表面氣孔特征明顯,氣孔數量、密度均與滯塵量存在相關關系,其原因可能是上述植物葉表面氣孔蒸騰作用強烈,部分親水性顆粒物更易被吸附在葉表面[34]。山桃、白杜等樹種葉表面具有寬度較寬的溝槽,但其滯塵量遠不及山楂、海棠樹,同時通過數據對比發現這幾種擁有較寬溝槽的樹種與其滯塵量呈負相關關系,表明溝槽寬度過大會導致TSP及其中PM1—3等顆粒物不易停留在溝槽處,即使存在顆粒物也不會停留很久,易松動脫落[35]。

4 結論

本文通過使用高精度電子顯微鏡,對烏魯木齊河灘快速路10種園林樹木單位葉面積不同粒徑滯留物含量進行測定,分析了樹木葉表面微結構與滯留物含量之間的關系。主要研究結論如下:

(1)所測試樹種間不同粒級顆粒物含量差異明顯,最高顆粒物滯留含量是最低顆粒物滯留含量的10倍。造成不同樹種單位葉面積滯留顆粒物含量差異可能是植物特性、氣候和其他環境因素之間復雜相互作用的結果。

(2)植物葉表面氣孔特征、絨毛長度、凹槽寬度會影響葉片對不同粒徑顆粒物滯留效果,氣孔特征越明顯,氣孔數量越多的葉片表面顆粒物含量較多,其原因可能是植物葉表面氣孔蒸騰作用強烈,部分親水性顆粒物更易被吸附在葉表面。葉片表面凹槽寬度越寬顆粒物含量反而降低,凹槽過大會導致PM1—3等顆粒物不易停留。

(3)對比所選10種城市園林樹木葉面微結構對大氣顆粒物的滯留能力,榆樹滯留不同粒徑顆粒物含量遠超其他樹種,在未來的城市綠化工作中可作為優先考慮的道路綠化樹種。