長春市南湖公園5種常綠針葉樹種滯留大氣顆粒物能力研究

王彤 張丹 楊軼晗 常宇飛 吳俊杰 王紫含

摘要 以長春市南湖公園5種針葉喬木樹種為研究對象，探討了植物葉片結構特征和葉表面微觀形態特征與葉片滯留大氣顆粒物能力的關系。結果表明：5種常綠針葉喬木樹種葉表面滯留大氣顆粒物的能力存在顯著差異，各樹種單位葉面積滯留大氣顆粒物量由高到低依次為沙冷杉（Abies holophylla）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica）、紅松（Pinus koraiensis）、黑皮油松（Pinus tabuliformis var.mukdensis）。植物葉表面的滯留大氣顆粒物能力與植物種類及其微觀形態結構之間具有一定的相關關系，凸起、溝槽、氣孔及各種紋理等微細結構增加了葉表面的粗糙程度，提高了植物的滯留顆粒物能力。葉片表面的氣孔數量、氣孔直徑、溝壑寬度、溝壑數量皆與其滯留大氣顆粒物量有顯著相關性。

關鍵詞 常綠針葉樹種；滯留大氣顆粒物；葉表面微形態特征

中圖分類號 X173 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2023）09-0077-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.019

Abstract In this study， five evergreen coniferous species of Nanhu Park in Changchun were selected as the research objects to explore the relationship between leaf structure characteristics， leaf surface morphology characteristics and the ability of leaves to retain atmospheric particulate matter.The results showed that there were significant differences in the capacity of atmospheric particulate matter retention on leaf surface of five coniferous tree species， and the order of atmospheric particulate matter retention per leaf surface of each species was as follows： Abies Holophylla， Picea koraiensis， Pinus syvestris var. mongholica， Pinus koraiensis， Pinus tabuliformis var.mukdensis.The ability of atmospheric particulate matter retention on plant leaf surface was correlated with plant species and their microstructure.The microstructures such as bulges， grooves， stomata and various textures increase the roughness of leaf surface and improve the dust retention ability of plants. The number of stomata， stomata diameter， gully width， gully number on leaf surface were significantly correlated with dust retention.

Key words Evergreen coniferous trees;Atmospheric particulate matter retention;Leaf surface micromorphological characteristics

基金項目 “長大學者攀登計劃”項目（ZKP202015）。

作者簡介 王彤（1997—），女，吉林雙遼人，碩士，從事城市森林園林生態功能研究。*通信作者，講師，從事城市森林群落結構、多樣性、生態服務功能研究。

隨著經濟的迅猛發展和工業化、城市化程度不斷提高，環境污染日益嚴重，尤以大氣污染最為凸顯［1］。大氣顆粒物主要來自化石燃料燃燒、礦石冶煉、機動車等污染源的直接排放和SO2、NOX、NH3、VOCS等污染物的間接轉化［2］。大氣顆粒物因與人類呼吸道、心血管、支氣管和哮喘等疾病關系密切而受到人們越來越廣泛的關注［3-5］。PM10（空氣動力學直徑Dp＜10.0 μm的顆粒物）已被證實是危害人類健康的最主要物質之一，PM2.5（Dp<2.5 μm）能夠進入人體肺部導致肺泡發炎而具有更大的危害性［6］。最新研究證實，城市空氣中的細顆粒物可以增大肺癌的發病危險［7］，由此可見，大氣顆粒物的存在會危害市民身心健康，降低市民生活質量［8-9］。

樹木具有過濾大氣污染物的功能，可以緩解城市大氣顆粒物污染狀況［10-11］，是改善大氣顆粒物濃度實際有效的方法［12-13］。20世紀70年代，國外已開展樹木減緩大氣顆粒物能力的相關研究，提出了森林植被是顆粒態污染物蓄積庫的說法，研究重點主要集中在樹木滯留放射性顆粒物及金屬污染物等方面［11］。國內有關樹木減緩大氣顆粒物能力的研究起步相對較晚，但發展較快。有研究結果表明，各樹種間滯留大氣顆粒物量大小差異明顯［14］，并且不同植物滯留大氣顆粒物的能力相差2～10倍以上［15］。

樹木滯留大氣顆粒物能力受葉片結構特征、外界環境條件等諸多因素影響［16］，已有研究表明葉片表面溝狀組織、褶皺及纖毛的存在對滯留大氣顆粒物能力具有一定影響［14，17］。然而，隨著物候的變化，絕大部分植物秋冬落葉休眠已成為其基本規律，這極大地減弱了城市綠化植物發揮其生態效益的能力。尤其是在北方秋冬季節，氣候干燥風沙肆意，針葉常綠樹種是冬季發揮滯留大氣顆粒物效應的主要綠化樹種。陳瑋等［18］對東北地區城市針葉樹種冬季滯留大氣顆粒物效應進行了研究，結果表明：不同針葉樹種滯留大氣顆粒物能力具有一定差異。然而，已有研究大多集中在葉片表面滯留大氣顆粒物能力的對比，有關葉片蠟質層滯留大氣顆粒物能力的研究尚鮮見報道。

筆者選取長春市5種常見的常綠針葉樹種，探明不同針葉樹種葉片表面及葉片蠟質層滯留大氣顆粒物能力差異，探討不同樹種葉表面形態特征對其滯留大氣顆粒物能力的影響，旨在篩選出減緩大氣顆粒物能力較強的針葉樹種，為降低城市大氣顆粒物污染及提高空氣質量提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樹種選擇

長春市位于124°18′～127°05′E，43°05′～45°15′N，居北半球中緯度北溫帶地區。年均氣溫5.5 ℃，年降雨量582 mm。長春南湖公園總面積222余萬m2，是東北最大的市內公園。選取南湖公園常見的5種針葉喬木樹種作為研究對象，分別為紅皮云杉（Picea koraiensis）、沙冷杉（Abies holophylla）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica）、黑皮油松（Pinus tabuliformis var.mukdensis）和紅松（Pinus koraiensis）。

1.2 研究方法

1.2.1 葉片采集。

每個樹種選取3株典型、健康的植株，分別從樹冠東、西、南、北方向的上、中、下不同部位進行葉片采集。每株植物采集葉片的數量不低于30片，采集好的葉片立即封存于自封袋中帶回實驗室即將采集好的葉片一部分用于滯留大氣顆粒物含量及葉片結構特征測定，另一部分葉片采用掃描電子顯微鏡（JSM-6510LA）進行葉表面微觀形態特征測定。

1.2.2 葉片滯留大氣顆粒物量測定。

葉片表面滯留大氣顆粒物含量測定采用蒸餾水浸洗法。將采集后的葉片用蒸餾水浸泡 2～3 h，用玻璃棒充分攪拌，最后用鑷子將葉片小心夾出。將孔徑為0.22 μm的聚四氟乙烯微孔濾膜于 80 ℃下烘干至恒重，用萬分之一天平稱重，記為W1（g），浸洗液通過真空抽濾裝置進行抽濾，抽濾后將帶有大氣顆粒物的微孔濾膜重量計為W2（g），2次重量之差（W2-W1）即為采集樣品上所附著的大氣顆粒物重量。浸洗后的葉片晾干后用葉面積儀求算葉面積 S（mm2）［19-20］。

葉片蠟質層滯留大氣顆粒物含量測定采用氯仿浸洗法。將蒸餾水浸洗后的葉片用氯仿浸泡2 h，然后將濾液通過真空抽濾裝置進行抽濾，抽濾后帶有大氣顆粒物的微孔濾膜重量計為W3（g）。

單位葉面積滯留大氣顆粒物量、蠟質層滯留大氣顆粒物量和葉片滯留大氣顆粒物總量計算公式如下：

W葉表面=（W2-W1）/S

W蠟質層=（W3-W1）/S

W總=W葉表面+W蠟質層

1.2.3 葉表面微觀結構測定。

選取所測試樹種葉片樣品，每個樹種3個重復，每份樣品取出3～5片葉片，從樣本主葉脈兩側中部切成面積約1 cm×1 cm的小方塊，采用掃描電子顯微鏡觀測葉片表面微結構特征，包括氣孔大小、氣孔數量、葉表面有無絨毛及葉表面溝壑情況等。

2 結果與分析

2.1 不同樹種滯留大氣顆粒物量對比分析

如圖1A所示，不同樹種葉片表面滯留大氣顆粒物能力有差異，沙冷杉葉片表面單位面積滯留大氣顆粒物量最高，其次為紅皮云杉、樟子松和黑皮油松，紅松最低。其中，沙冷杉葉片表面單位面積滯留大氣顆粒物量顯著高于樟子松、黑皮油松和紅松（P<0.05），分別為樟子松、黑皮油松和紅松的2.13、6.17、6.33倍。

如圖1B所示，不同樹種葉片蠟質層滯留顆粒物能力也有差異，但滯留顆粒物能力大小與葉片表面表現不一致，其中紅皮云杉葉片蠟質層單位面積滯留大氣顆粒物量最高，其次依次為沙冷杉、樟子松和紅松，黑皮油松最低。紅皮云杉葉片蠟質層滯留大氣顆粒物量分別是沙冷杉、樟子松、紅松和黑皮油松的2.45、4.12、4.90、51.5倍，且紅皮云杉顯著高于其他樹種（P<0.05），且沙冷杉顯著高于黑皮油松（P<0.05）。

不同樹種葉片滯留大氣顆粒物總量與葉片表面單位面積滯留大氣顆粒物量具有相同的趨勢，也表現為沙冷杉最高，其次依次為紅皮云杉、樟子松、紅松，黑皮油松最低，滯留大氣顆粒物總量分別為7.76、6.49、3.68、1.37和1.20 g/m2，其中，沙冷杉葉片單位面積滯留大氣顆粒物總量顯著高于樟子松、紅松和黑皮油松（P<0.05），分別為樟子松、紅松和黑皮油松的2.11、5.66、6.47倍（圖1C）。

這主要是由于樟子松、紅松以及黑皮油松葉片表面氣孔排列整齊，溝壑起伏不明顯，滯留少量顆粒物；而紅皮云杉葉片上表面（圖2b1）氣孔分布較多且深，下表面（圖2b2）氣孔明顯、相鄰縫隙滯留顆粒物較多；沙冷杉上表面（圖2d1）有較寬的條狀凸起，有利于大氣顆粒物的附著，部分區域大氣顆粒物堆疊明顯，下表面（圖2d2）氣孔中滯留大量顆粒物。

綜合以上結果，不同樹種之間的滯留大氣顆粒物能力差異較大，無論是葉片表面還是葉片蠟質層，5種針葉喬木樹種中沙冷杉和紅皮云杉都具有較好的滯留大氣顆粒物能力。

2.2 不同樹種葉片結構特征

如圖3所示，不同樹種葉片結構特征具有顯著差異。其中，葉寬表現為沙冷杉>樟子松>紅皮云杉>黑皮油松>紅松，沙冷杉葉寬分別為樟子松、紅皮云杉、黑皮油松和紅松的1.32、1.37、1.77、2.02倍。而葉面積、葉長、葉周長及葉長寬比例均表現為黑皮油松>紅松>樟子松>沙冷杉>紅皮云杉，黑皮油松的葉面積、葉長均顯著高于紅松、樟子松、沙冷杉和紅皮云杉（P<0.05），黑皮油松葉長寬比例顯著高于樟子松、紅皮云杉和沙冷杉。

2.3 不同樹種葉片表面微形態特征

如圖4所示，不同樹種葉片上表面單位面積氣孔數有顯著差異，除沙冷杉葉片上表面沒有氣孔外，紅松葉片上表面單位面積氣孔數顯著多于紅皮云杉、樟子松和黑皮油松（P<0.05），分別為紅皮云杉、樟子松和黑皮油松的3.40、4.11、4.83倍（圖4A）。而葉片下表面單位面積氣孔數不同樹種之間差異較小，其中紅皮云杉最多，其次為沙冷杉、紅松和樟子松，黑皮油松最少，分別為130.68、123.89、104.97、99.91、88.86 個/mm2（圖4B）。不同樹種上表面單位面積溝壑數有明顯差異，紅皮云杉數最多，其次為紅松、黑皮油松和沙冷杉，樟子松最少，分別為444.72、364.53、182.06、173.64、150.13條/mm2，其中紅皮云杉分別為紅松、黑皮油松、沙冷杉和樟子松的1.22、2.44、2.56、2.96倍（圖4C）。不同樹種下表面單位面積溝壑數表現為黑皮油松最多，其次為紅皮云杉、樟子松、紅松，沙冷杉最少，分別為491.59、268.36、176.44、121.76、113.83條/mm2，其中，黑皮油松下表面單位面積溝壑數分別為紅皮云杉、樟子松、紅松和沙冷杉的1.83、2.79、4.04、4.32倍（圖4D）。

2.4 不同樹種葉片滯留大氣顆粒物影響因素

由表1可知，黑皮油松葉片滯留大氣顆粒物總量與其葉片上表面溝壑寬度（r=0.717）以及葉片下表面氣孔直徑（r=0.726）呈顯著正相關（P<0.05），紅皮云杉與其葉片上表面單位面積溝壑寬度（r=0.717）呈顯著正相關（P<0.05），而沙冷杉與葉片下表面氣孔直徑（r=-0.732）呈顯著負相關（P<0.05），紅松與葉片上表面氣孔直徑（r=0.817）呈顯著正相關，但與葉片下表面溝壑寬度（r=-0.717）呈顯著負相關（P<0.05）。

3 討論

3.1 不同樹種滯留大氣顆粒物能力差異分析

植物滯留大氣顆粒物的能力因植物種類、氣候環境、生長狀態、生活型等差異而不同［21］。柴一新等［14］對哈爾濱市主要綠化樹種進行滯留大氣顆粒物能力研究表明，不同樹種間滯留大氣顆粒物量具有顯著差異，紅皮云杉、杜松是滯留大氣顆粒物能力較強的樹種。這與該研究結果有一定相似性，5種針葉樹種中紅皮云杉滯留顆粒物能力較強。蘇俊霞等［15］對山西師范大學校園綠化植物滯留大氣顆粒物能力的研究表明，不同植物滯留大氣顆粒物的能力可差 2～10 倍以上。該研究中沙冷杉葉片表面單位葉面積滯留大氣顆粒物量分別為樟子松、黑皮油松和紅松的2.13、6.17、6.33倍。Xu等［22］通過對哈爾濱3種常綠喬木葉片顆粒物數、組成和形態結構的差異研究得出，紅皮云杉葉片滯留大氣顆粒物中23.11%來自蠟質層，黑皮油松葉片所滯留的大氣顆粒物中38.22%來自蠟質層，在不同樹種間葉片蠟質層滯留大氣顆粒物量有顯著差異。該研究中紅皮云杉與黑皮油松葉片蠟質層滯留顆粒物量有顯著差異，紅皮云杉蠟質層滯留大氣顆粒物量為黑皮油松的51.5倍，并且紅皮云杉蠟質層滯留大氣顆粒物量占其葉表面滯留顆粒物量的19.4%，而黑皮油松蠟質層滯留大氣顆粒物量僅占其葉表面滯留大氣顆粒物總量的1.7%。

3.2 不同樹種滯留大氣顆粒物能力與葉片表面微形態特征的關系

不同樹種葉片表面滯留大氣顆粒物能力與其葉片表面氣孔數量、溝壑寬度和溝壑深度具有一定相關性。劉璐等［23］對廣州市 18 種常用行道樹的葉片表面形態與滯留大氣顆粒物的能力的研究表明，葉表面具有網狀結構，氣孔密度較大，且氣孔開口大等特征更利于粉塵的滯留；而氣孔排列整齊，無起伏結構則不利于葉片顆粒物的滯留。該研究中滯留大氣顆粒物總量表現為沙冷杉最高，其次為紅皮云杉、樟子松和紅松，黑皮油松最低。

王琴等［24］研究表明，葉表面的氣孔和顆粒物滯留量之間未發現顯著相關，但與溝槽寬度有關。而孫應都等［25］則認為，氣孔密度和大小與顆粒物滯留能力有關。該研究也表明，葉片表面溝壑寬度影響植物滯留大氣顆粒物量，黑皮油松和紅皮云杉葉片滯留大氣顆粒物總量與其葉片上表面溝壑寬度呈顯著正相關，紅松葉片蠟質層滯留大氣顆粒物總量與葉片下表面溝壑寬度呈顯著負相關。以上結果表明，樹木葉片表面的微觀結構與其滯留大氣顆粒物總量有顯著相關性，但不同樹種間影響因素具有一定差異。

4 結論

該研究結果表明，不同樹種葉片表面單位葉面積滯留大氣顆粒物量表現為沙冷杉>紅皮云杉>樟子松>黑皮油松>紅松，其中沙冷杉是紅松的6.33倍，葉片蠟質層單位葉面積滯留大氣顆粒物量以紅皮云杉最高，黑皮油松最低，紅皮云杉滯留大氣顆粒物量是黑皮油松的51.5倍。

植物葉表面的滯留大氣顆粒物能力與植物種類及葉表面的微形態特征之間具有顯著相關關系，植物葉表面的凸起、溝壑寬度、氣孔直徑是影響不同植物滯留大氣顆粒物能力的主要因素。

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