刘维欢，李维维，裴顺祥，李晓刚

(1河北农业大学 林学院, 河北 保定 071000; 2中国林业科学研究院 华北林业实验中心, 北京 102300;3北京九龙山暖温带森林国家长期科研基地, 北京102300)

随着工业的发展和化石燃料的大量消耗，大气颗粒物(Atmospheric Particulate Matter，APM)对我国城市的污染问题日益严重，大气颗粒物不仅会导致灰霾天气的发生而且严重危害人体健康[3-4]。研究表明，地面植被对降低大气颗粒物浓度具有重要作用已经成为学术界关注的重点[5-8]。研究结果普遍认为，叶片特征对植物滞尘量影响较大，一般针叶树种的单位叶面积滞尘能力强于阔叶树种，叶片粗糙、具蜡质层、气孔开口大、分泌粘液、具绒毛的植物能吸附更多的大气颗粒物[9-11]。但相关研究受采样地点、时间、植物种类、数据量等因素的影响，即使是同种植物，单位叶面积滞尘量的变化也会非常大[12-15]。多重原因的相互交错、单个研究数据量的不足为准确评价滞尘能力带来困难。

荟萃分析(Meta-Analysis)是以更高、更宏观的视野把所有相关研究综合起来进行探索性分析的一种强有力的科学研究方法，它不仅增大了样本量，而且对寻求事物内在规律提供了统计支撑[16]。目前，还没有对我国现有的植物叶片滞尘量观测资料进行系统的分析，因此，本研究通过对2000～2020年在我国范围内所测量到的植物单位叶面积滞尘量数据进行汇总分析，探讨影响植物叶片滞尘能力的因素与机制，为城市绿化植物的选择与配置提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 文献检索

在中国知网(CKNI)、万方(WF)、维普(VIP) 数据库通过自由词和主题词相结合的方式检索关于植物滞尘能力的文献。检索词有“滞尘量”“滞纳量”“植物颗粒物吸附能力”“叶片滞尘”“空气颗粒物滞留能力”“滞留大气颗粒物能力”，所有检索策略经多次检索后确定。检索时限为2000年1月1日-2020年3月1日。最终，从中国知网检索出相关文献128篇、万方检索出70篇、维普检索出143篇，共计341篇。

1.2 纳入排除标准

首先，用Note Express排除重复文献36篇。然后通读全文，排除非水洗称重法(由于目前国内外学者对植物叶片滞留大气颗粒物含量的测定方法尚无统一的标准，最为普遍的方法是水洗称重法，因此本研究所纳入文献的研究方法均为水洗称重法[17-18]、室内设计实验、非稳定条件采样(所提取的数据均为经历7～10 d稳定天气下采样所测得)、单位不能统一成g/m2、仅包含单位叶面积PM2.5或PM10滞纳量而未包含叶片滞纳总量、综述类文章或会议文献，最终纳入合格文献61篇见文后附表。

1.3 植物滞尘数据提取

文献筛选完成后，根据作者、采样时间、采样地点、植物种类等对植物叶片滞尘量数据进行提取。对于以图片显示的数据，用SDA-LeahyGo软件先校正图片坐标，然后进行数据提取。最终数据来自于81种阔叶乔木、13种针叶乔木、78种灌木、38种草本和2种藤本。

根据大气颗污染地域差异特点，综合考虑气候因素[19]，将我国以秦岭淮河、季风区与非季风区的分界线分为北方地区、南方地区和西北地区，从各地区获得的样本量见表1，不同植物叶片特征样本量见表2。

表1 不同地区获得各生活型植物数据的数量Table 1 The amount of data obtained for each life form plant in different regions

表2 植物叶片特征概况Table 2 Leaf characteristics of plants

1.4 大气颗粒物数据获取

近年来，全社会对可吸入颗粒物的关注度较高，各监测机构对大气颗粒物的监测主要以PM2.5、PM10为主，而对大气总悬浮颗粒物浓度的观测较少。因为空气中PM2.5、PM10的浓度与大气总悬浮颗粒物浓度有很强的正相关性，所以本研究以空气中PM10浓度的变化代表空气质量与植物单位叶面积滞尘量进行趋势分析[20-21]。全国范围内年平均PM10浓度数据来自中国环境总站公开发布的历年中国生态环境状况公报(http://www.cnemc.cn/jcbg/zghjzkgb/)，北京市年平均PM10浓度数据来自北京市生态环境局公开发布的历年北京市环境质量状况报告(http://sthjj.beijing.gov.cn/bjhrb/index/xxgk69/sthjlyzwg/1718880/1718889/index. html/)。

1.5 数据分析

2 结果分析

2.1 不同植物类型叶片滞尘比较

中国三大分区不同植物类型单位叶面积滞尘量见图1。

图1 中国三大分区不同植物类型单位叶面积滞尘量Figure 1 Dust-retention per unit leaf area of plants with different plant types in three major regions of China

对中国三大分区不同植物类型叶片滞尘量进行

差异性分析，发现北方地区、南方地区、西北地区不同植物类型叶片滞尘量存在显著差异(P<0.05)。具体表现为，北方地区针叶乔木叶片滞尘量为3.06 g/m，显著高于其他植物类型，阔叶乔木、灌木、草本及藤本叶片滞尘量差异均不显著；南方地区灌木叶片滞尘量为2.24 g/m，显著高于阔叶乔木、草本及藤本，针叶乔木叶片的滞尘量与其他植物类型都没有显著差异；不同地区之间，西北地区阔叶乔木与灌木叶片滞尘量显著高于北方地区与南方地区，但北方地区与南方地区的差异不显著；对于针叶乔木来说，西北地区叶片滞尘量显著高于南方地区，而北方地区与西北地区和南方地区之间的差异不显著。

不同植物类型单位叶面积滞尘量见图2。

图2 不同植物类型单位叶面积滞尘量Figure 2 Dust-retention per unit leaf area of different plant types

用区组分析的方法对不同植物类型叶片滞尘量进行差异性分析，发现不同植物类型叶片滞尘量差异较为显著。绿化植物叶片滞尘能力表现为：针叶乔木>灌木>阔叶乔木>草本及藤本。其中，针叶乔木叶片滞尘量较高为3.36 g/m，草本及藤本叶片滞尘量较低为1.34 g/m，针叶乔木叶片滞尘量是草本及藤本的2.5倍。

2.2 植物叶片滞尘量与大气颗粒物含量年际关系

近年来植物叶片滞尘量与可吸入颗粒物浓度变化趋势见图3。

图3 近年来植物叶片滞尘量与可吸入颗粒物浓度变化趋势Figure 3 The change trend of plant leaf dust-retention and inhalable particulate matter concentration in recent years

为明确大气颗粒物含量对植物叶片滞尘量的影响，本研究分析了植物叶片滞尘量与空气PM10年平均浓度的关系，发现植物单位叶面积滞尘量与空气PM10年平均浓度的年际变化规律不尽相同，具体表现为：2014—2018年全国空气年平均PM10含量逐年降低，但全国植物单位叶面积滞尘量的变化趋势为先升高后降低。为了进一步验证本研究结果的可靠性，本研究以北京市为例，以2014—2016年数据做了相同的分析，结果与之相同，即2014年空气中PM10含量高于2015年，但植物叶片单位叶面积滞尘量2014年显著低于2015年，大气颗粒物浓度与植物叶片滞尘量之间的相关关系存在明显的不确定性。

2.3 不同生活型植物叶片滞尘量与叶片特征的关系

植物单位叶面积滞尘量与叶片特征关系见表3。

表3 植物单位叶面积滞尘量与叶片特征关系Table 3 Relationship between plant dust-retention per unit leaf area and leaf characteristics

对不同植物类型叶片特征与单位叶面积滞尘量进行逐步回归分析，结果只有乔木和灌木得出显著回归方程。对于乔木树种，回归方程纳入了叶面是否光滑D1和是否分泌黏液D22个变量，回归系数分别为βD1=3.149和βD2=2.398，说明相对于叶片光滑和不分泌黏液，叶片粗糙和分泌黏液能显著增大其单位叶面积的滞尘量，其他叶面特征对乔木树种的滞尘量无显著影响。对于灌木来说，回归方程纳入了叶面是否光滑D1、是否分泌黏液D2和是否披绒毛D33个变量，回归系数分别为βD1=3.107、βD2=5.424和βD3=1.947，说明相对于叶片光滑、不分泌黏液和无绒毛，叶片粗糙、分泌黏液和披绒毛能显著增大其单位叶面积的滞尘量，其他叶片特征对灌木树种的滞尘量无显著影响。回归系数显示叶片分泌粘液对植物叶片滞尘量影响最大，粗糙度、绒毛次之。

3 讨论

3.1 不同地区、不同类型植物叶片滞尘量变化

研究表明，植物叶片是滞留颗粒物的主要载体，目前对植物滞尘能力的研究主要集中在叶片上，但结果却存在较大差异[22-23]。如杨周敏[24]发现3种植物叶片滞尘能力表现为：阔叶乔木>灌木>草本；而王黎华[14]发现8种植物叶片滞尘能力表现为：灌木>阔叶乔木>草本。出现上述情况可能是由于供试植物数量较少、采样地不同、以及植物本身的生物学特性所致。本研究通过汇总更多样本得出，乔木、灌木、草本及藤本植物叶片滞尘能力表现为：针叶乔木>灌木>阔叶乔木>草本及藤本。由于大气颗粒物主要通过干、湿沉降以及地面扬尘到达植物叶片表面，且不同植物类型高度不同，所以植物群落对大气颗粒物的截留是立体的[25-26]。乔木树冠高大、枝叶繁密，更易捕捉大气中的颗粒物，且大多数针叶乔木枝叶能分泌树脂或黏液对大气颗粒物黏附作用强，这很可能是针叶乔木叶片滞尘能力较强的原因[27-28]。灌木叶片滞尘能力强于阔叶乔木、草本及藤本，这可能是由于灌木较乔木株型更为低矮紧凑，较草本叶片更为宽大平展，叶片能更多接触到因行人和车辆行驶等的二次扬尘所致[14-29]。草本及藤本虽然相较灌木更为低矮，但大多茎叶细软，易受风速和人为等外界因素的干扰因此各地区叶片滞尘能力都相对较弱[14]。北方地区空气颗粒物主要以飘尘为主，而针叶乔木更易捕捉与黏附这些大气颗粒物，因此北方地区针叶乔木叶片滞尘能力较强。然而，北方地区阔叶植物叶片滞尘能力并不突出，可能是因为冬、春两季是北方地区大气颗粒物高峰期，但此时大多数的阔叶植物处于落叶期和展叶初期，无法发挥滞尘效应。大多南方城市主要以地面扬尘为主，低矮的灌木对此的截留更为容易，因此南方地区灌木叶片滞尘能力较为突出。另外，南方地区雨水多，乔木的颗粒物被雨水冲刷，也会增加灌木的截留量。西北地区各植物类型叶片滞尘量都较高，可能是因为西北地区降雨量相对较少，雨水的冲刷作用相对于北方与南方地区较弱，以及扬尘天气频发，更利于叶片对大气颗粒物的积累。总的来说，不同植物类型叶片滞尘能力存在较大差异，同一植物类型由于其所处地区不同也同样存在差异。

3.2 植物叶片滞尘量与大气颗粒物含量年际关系

近年来雾霾天气在中国高频率、大范围发生。研究表明，空气中颗粒物的浓度是影响植物叶片滞尘的重要因素，植物叶片滞尘量能够在一定程度上反映环境中空气颗粒物含量，且植物叶片滞尘量与大气颗粒物浓度的变化趋势基本相同[30-34]。但本研究发现，植物叶片滞尘量和大气颗粒物浓度变化趋势不尽相同，2者之间的相关性存在明显的不确定性。具体原因可能有以下3点，一是相关研究对植物叶片滞尘量的测定大多集中在夏季，雨水不但能降低空气中颗粒物浓度，而且对植物叶片的冲刷作用较强。在冬季大气颗粒物高峰期，尤其是北方地区大多数园林植物正处于落叶期，可能会出现在空气颗粒物浓度较高的月份，植物叶片滞尘能力却较低的情况。二是空气中污染物会对叶片生长产生不利影响，如导致针叶叶片萎黄、尖端烧灼，被子植物叶片出现坏疽，进而抑制植物生长发育[35]。三是大气污染物对植物光合作用产生影响的同时，植物叶片气孔开度以及气孔密度也会受到影响[36-37]，由于植物叶片是植物滞尘的重要载体[22-23]、气孔又是影响植物叶片滞尘的重要因素[38-39]。因此，认为空气颗粒物浓度增高植物叶片滞尘量也随着增高是不科学的。但当空气中颗粒物浓度达到什么程度，以及在此程度下多长时间，对植物叶片滞尘的影响过程还有待进一步研究。

3.3 叶片特征对植物滞尘量的影响

植物叶片具有不同的微观结构和形态特征，对其滞尘能力会有较大的影响[40-41]。就本研究而言，植物叶片滞尘量与叶片分泌黏液、叶片粗糙度、叶片披绒毛、均成正相关。其中，植物叶片所分泌的油脂、粘液对空气中各种粒径的颗粒物粘附作用较强，且积累的颗粒物不易受外界环境的变化轻易脱落，效果较为稳定，对提高叶片的滞尘能力贡献最大[42]。表面凹凸不平、具有沟壑组织等粗糙度较大的叶片更有利于藏纳不同粒径的颗粒物，对提高叶片的滞尘能力贡献也相对较大[14-41]。相较于以上2种微观结构，叶片披绒毛对提高叶片的滞尘能力贡献相对较低，可能是因为绒毛易产生静电，易附着粒径小于2 μm 的颗粒物，所附着的粒径较小的颗粒物受外界环境的变化而飘散，对较大粒径的颗粒物附着能力较弱[43]。另外，大多数植物叶片都是幼时披绒毛，而成熟期绒毛逐渐脱落，这可能是造成叶片披毛植物滞尘能力相对较弱的又一原因。

综上所述，植物叶片分泌黏液、粗糙、披绒毛能够有效地滞留大气中的颗粒物，叶片表面微观结构越复杂越有利于滞尘[6]。但植物滞尘是受树种特性与环境特性等诸多因素共同作用的结果[13,44]，因此在今后的研究中需形成一个系统的评价体系来对植物滞尘能力进行评价。

4 结论

(1)不同植物类型叶片滞尘能力表现为：针叶乔木>灌木>阔叶乔木>草本及藤本，北方地区针叶乔木滞尘能力较为突出，南方地区灌木滞尘能力较为突出。

(2)植物叶片滞尘量与空气可吸入颗粒物浓度的年际变化趋势不尽相同，二者之间的相关关系存在明显的不确定性。

(3)叶片特性对植物滞尘能力有重要影响，叶面粗糙、分泌黏液和披绒毛能显著增大植物叶片的滞尘量。

我国在进行园林绿化选择时，北方地区选择叶面粗糙且分泌粘液的针叶乔木植物，南方地区选择叶面粗糙、分泌粘液且有绒毛的灌木植物，西北地区选择叶面粗糙、分泌黏液且具绒毛的乔木或灌木植物。