王军梦，汪安印，王翼飞，贺 丹，李永华，董娜琳

(河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

随着我国城市化进程的加快，大气颗粒物污染问题越来越严重，已影响到人们的正常工作和生活[1]。大气中的总悬浮颗粒物(TSP)是指悬浮在空气中其直径≤100 μm的颗粒物的总称，是大气中最主要的污染物之一[2]。颗粒物表面会吸收病菌等有毒、有害物质，影响人体健康[3]。越细小颗粒物往往对人体的伤害越高[4]。PM10(d≤10 μm)能被吸入到人体的口鼻中，严重时会造成呼吸系统疾病，而PM2.5(d≤2.5 μm)能直接被吸入人体的肺泡和血液循环系统，造成心血管疾病[5]。此外，悬浮颗粒物还会导致雾霾天气及温室效应[6]。

研究表明，植物具有显著的削减空气颗粒物作用，能有效改善城市空气质量[7-8]。植物主要通过叶片滞留颗粒物，叶片的微结构会对植物滞尘量产生较大影响，叶表面越粗糙，对颗粒物的吸附能力越强[9-10]。粗糙多毛的叶片有利于增加粉尘颗粒物与叶表面之间的接触面积和物理作用力，使被滞留的粉尘不易从叶面脱落，能有效发挥植物叶片滞尘作用，而叶表面光滑或具有平滑片状组织的植物对粉尘颗粒物的吸附能力较差[11-12]。叶表面的沟槽和中脉为颗粒物的截留和嵌入提供了更大空间，且使颗粒物不易被风吹走[13]。同时，不同植物其叶表面微形态结构不同，植物的滞尘能力和机制也存在明显差异[14]。因此，研究植物叶表结构与植物滞尘的关系显得尤为重要。

植物滞留颗粒物能力除与叶表面形态结构有关，还与植物的生长环境有关[15]。植物生长环境不同，滞尘量也存在较大差异[16]。同种植物在重度污染区的滞尘量往往大于轻度污染区[17-18]。此外，环境中粉尘污染程度对植物滞尘能力影响很大，当污染程度较高时，植物气孔和光合作用均会受到一定程度影响，由于不同树种对颗粒物的耐受能力不同，阻滞、吸收PM的能力也存在差异[19]。

相较于落叶树种，常绿树种因四季均有绿色叶片存在，因此在缓解城市颗粒物污染问题中扮演着重要角色[20]。本文以郑州市5种常绿植物为研究对象，应用分级滤膜过滤法对3个不同污染程度的采样区(道路、校园和公园)单位叶面积滞尘量(TSP、PM10、PM2.5)进行测定；利用超景深光学显微镜观察叶表面微形态结构。通过研究树种叶表面微观结构与滞尘能力的关系，以及树种在不同程度污染下滞尘量的变化，比较不同树种的滞尘能力，筛选出滞尘能力较强的树种用于城市园林绿化。

1 研究区概况

郑州市位于34°16′～34°58′N，112°42′～114°14′E，年均降雨量640.9 mm。3个采样地分别为道路、校园和公园，道路的采样点为中州大道(局部)，校园选择河南农业大学文化路校区，公园选择位于市郊的郑州植物园。现场测得的空气颗粒物浓度分别为265.3、105.6和60.6 μg/m3，根据现场测得的空气污染情况，将3个采样区分别设为高、中和低3个不同污染等级。

2 研究方法

2.1 采样材料与采样方法

采样时间为2020年5月，在连续7 d以上无风无雨后进行采样，样本为5种郑州市常见的常绿园林绿化树种，在3个采样区均有分布。5种树种分别为：石楠(Photiniaserrulate)、大叶黄杨(Euonymusjaponicus)、海桐(Pittosporumtobira)、女贞(Ligustrumlucidum)和枇杷(Eriobotryajaponica)。在样地中随机选择3株样树，每株样树的同一高度、东南西北4个方向随机采集长势良好无破损的叶片(大叶20片左右，小叶30片左右)，采摘叶片时带上手套，采样时尽量避免抖动，不直接接触叶表面，从叶柄处切断，直接使样本落入密封样本袋中保存，减少对叶面粉尘的影响，全部采样完成后立即带回实验室。

2.2 叶片表面颗粒物及叶面积测定

应用分级滤膜过滤法分别测定3个采样区5种树种的TSP、PM10和PM2.5滞留量，使用YMJ-B便携式叶面积仪测定叶片的叶面积[21]。树种的滞尘量与叶面积的比值即为树种的单位叶面积滞尘量。

2.3 叶片表面观察

平放叶片并切成1 cm×1 cm的小正方形，用双面胶固定后分别在60倍、150倍、1 200倍的超景深光学显微镜(徕卡DVM6A，德国)下观察各树种叶表面微观结构并分别观察靠近中脉和远离区域的颗粒物聚集情况。

2.4 数据处理

采用Excel 2010软件对数据进行整理、计算和分析，利用Photoshop 6.0软件计算叶片的叶面积，采用SPSS 21.0进行方差分析和统计学检验，并进行LSD多重比较(显著水平设置α=0.05)，用单因素方差分析(One-Way ANOVA)比较其差异显著性。

3 结果与分析

3.1 不同树种滞留颗粒物能力比较

5种树种单位叶面积TSP、PM10和PM2.5滞留量见图1～图3。

5种树种单位叶面积对TSP、PM10和PM2.5的滞留量范围分别为0.996～5.279 g/m2、0.254～1.330 g/m2和0.217～1.195 g/m2。根据5种树种滞留各粒径颗粒物的量将5种树种分成3个颗粒物滞留等级来研究，TSP单位叶面积滞留能力较强的树种为枇杷和石楠，一般的树种为大叶黄杨和海桐，较弱的为女贞，TSP单位叶面积滞留量最大的石楠是单位叶面积滞留量最小的女贞的4.1倍。PM10单位叶面积滞留能力较强的树种为石楠和大叶黄杨，一般的树种为枇杷和女贞，最弱的为海桐。PM10单位叶面积滞留量最大的石楠与单位叶面积滞留量最小的海桐相差1.8倍。PM2.5单位叶面积滞留能力较强的树种为石楠和女贞，一般的树种为大叶黄杨和枇杷，最弱的为海桐。PM2.5单位叶面积滞留量最大的石楠与单位叶面积滞留量最小的海桐相差2.2倍。

图1 5种树种在3个采样区单位叶面积滞留TSP量Fig.1 Contents of TSP per unit leaf area of 5 tree species planted in 3 polluted areas

图2 5种树种在3个采样区单位叶面积滞留PM10量Fig.2 Contents of PM10 per unit leaf area of 5 tree species planted in 3 polluted areas

图3 5种树种在3个采样区单位叶面积滞留PM2.5 量Fig.3 Contents of PM2.5 per unit leaf area of 5 tree species planted in 3 polluted areas

3.2 不同程度污染下树种的颗粒物滞留量

不同污染程度下植物滞尘量不同，污染程度越大，树种滞尘量越高。石楠、大叶黄杨、海桐、女贞和枇杷5种植物在3个采样区的单位叶面积TSP滞留量均表现为道路>校园>植物园。在3个采样区，石楠、大叶黄杨、女贞和枇杷这4种植物对PM10滞留量均表现为道路>校园>植物园。石楠、大叶黄杨、女贞和枇杷4种植物在3个采样区的单位叶面积PM2.5滞留量均表现为道路>校园>植物园。单位叶面积滞尘量最高的石楠在道路高污染区(1.195 g/m2)的PM2.5滞留量为植物园清洁区(0.190 g/m2)的6.3倍。枇杷、女贞和大叶黄杨在道路的PM2.5滞留量分别为清洁区的2.0倍、2.0倍、1.6倍。

3.3 不同树种叶表面特征分析

石楠叶表面细胞较小，排列紧密(图4)。枇杷叶表面有大量毛状体，这些毛状体覆盖整个叶表面(图5)，此外，枇杷叶表面有大量沟壑和褶皱。大叶黄杨叶表面也存在少量的毛状体(图6)，且大叶黄杨的中脉凸出明显。海桐叶表面也有大量毛状体分布，但是毛状体的数量明显少于枇杷叶表面(图7)，且毛状体只在中脉附近分布，远离中脉的区域毛状体数量极少，且海桐叶表面十分平整、光滑。女贞叶表面光滑，无毛状体分布，叶表平整(图8)。叶表面细胞排列密集会导致叶表粗糙度增加，而叶表面的毛状体能够粘附颗粒物，增加了树种的颗粒物滞留能力。因此，从叶表面结构上分析，5种树种中，石楠和枇杷是滞尘最有效树种，大叶黄杨的滞尘能力仅次于石楠和枇杷，女贞和海桐的滞尘能力较差。

图4 石楠叶表面毛状体的光学显微镜观察Fig.4 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Photinia serrulate

通过对5种树种叶表面观察发现，叶片滞留的大部分颗粒物主要分布在叶片中脉或中脉周围。对颗粒物滞留能力较强的树种，如枇杷(图9(a)，图9(b))和石楠(图10(a)，图10(b))叶表面滞留的颗粒物主要在中脉周围聚集，而远离中脉区域则颗粒物滞留量较少或颗粒物分布比较分散。叶表滞留的颗粒物在沟槽和中脉上分布较多，如大叶黄杨(图11(a)，图11(b))。在海桐(图12(a)，图12(b))和女贞(图13(a)，图13(b))这种平整、光滑、革质的叶片上颗粒物几乎无法被滞留。

图5 枇杷叶表面毛状体的光学显微镜观察Fig.5 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Eriobotrya japonica

图6 大叶黄杨叶表面毛状体的光学显微镜观察Fig.6 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Euonymus japonicus

图7 海桐叶表面毛状体的光学显微镜观察Fig.7 Optical microscopic observation of leaf surface trichomes of Pittosporum tobira

图8 女贞叶表面毛状体的光学显微镜观察Fig.8 Optical microscopic observation of leaf surface roughness of Ligustrum lucidum

图9 枇杷叶表面颗粒物分布的光学显微镜观察Fig.9 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Eriobotrya japonica

图10 石楠叶表面颗粒物分布的光学显微镜观察Fig.10 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Photinia serrulate

图11 大叶黄杨叶表面颗粒物分布的光学显微镜观察Fig.11 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Euonymus japonicus

图12 海桐叶表面颗粒物分布的光学显微镜观察Fig.12 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Pittosporum tobira

图13 女贞叶表面颗粒物分布的光学显微镜观察Fig.13 Optical microscope observation of particle distribution on leaf surface of Ligustrum lucidum

4 结论与讨论

5种树种中，石楠、大叶黄杨、女贞和枇杷在3个采样区的单位叶面积颗粒物(TSP、PM10、PM2.5)滞留量依次为道路>校园>公园，而海桐滞留量依次为道路>公园>校园。说明在不同污染程度下树种的滞尘量不同，树种的颗粒物滞留量随污染程度增加而增加[22]。道路的滞尘量均为最大，这是因为道路的颗粒物来源主要是密集的车流、大量汽车尾气的排放和活跃的人类活动[15]。校园的颗粒物污染次之，校园颗粒物主要来自非机动车和密集频繁的人流动[23]。植物园由于植被覆盖度高，处在郊区且附近无其他污染源，因此植物园的颗粒物滞留量最低。海桐在公园的滞尘量大于校园，可能是由于树种的采集环境差异所致，在公园采集的海桐位于乔木下面，而在校园的海桐其上面无乔木覆盖，位于乔木下面的植物往往由于被覆盖而得不到雨水冲洗，使叶片上滞留更多颗粒物，从而导致颗粒物滞尘量增加[24]。此外，当污染程度较高时，不同树种滞尘量与滞尘能力存在明显差异。5种树种在污染程度较高的道路的滞尘量依次为枇杷>石楠>海桐>大叶黄杨>女贞，枇杷、石楠在较高污染程度下仍能保持较高的滞尘能力，这可能是因二者的叶片均较粗糙且气孔密度较大，当叶表粗糙、气孔数量高时更多的颗粒物会被沉积在叶表和气孔中，使树种滞尘量增加[19]。女贞在高污染程度下滞尘量仍较低，可能是因其叶片表面光滑，革质化明显，滞尘后表面颗粒物更容易被雨水洗脱，导致树种滞尘能力降低[25]。

植物主要通过叶片来滞留颗粒物，叶片的微形态特征对树种的颗粒物滞留能力起着至关重要的作用[26]。不同树种叶表微形态特征存在差异，滞留颗粒物的能力也不同。叶表面的光滑程度对树种滞尘量影响显著。叶表被毛或具明显中脉和沟槽的树种，其叶表面较粗糙，能使颗粒物长时间附着在叶片上，起到降尘效果[27]。在5种树种中，枇杷和石楠的滞尘能力较强，石楠的滞尘量较高可能与其叶片较小且叶表面细胞排列紧密有关，这样排列紧密的细胞能有效滞留较细小的颗粒物(PM10、PM2.5)，从而提升树种滞尘能力[28]。枇杷叶表面存在大量毛状体，这些毛状体能够增加叶片粗糙度，有效滞留住颗粒物，从而增加其滞尘能力[9-10]。滞尘能力一般的树种为大叶黄杨和海桐，大叶黄杨叶表面只有少量的毛状体分布，但其叶表有密集的脊状突起，突起之间沟槽宽度与深度较明显，这样的叶表结构对粒径较大的颗粒物(TSP)滞留能力更显著[29]。海桐叶表面中脉附近虽然也有一定的毛状体，但数量较少，因此滞尘能力一般。而女贞滞尘能力最弱，可能与其叶片十分平整，中脉和沟槽不明显且革质较厚有关[30]。根据不同污染程度下5种树种的单位叶面积滞尘量和叶表面形态结构，得出滞尘能力较强的树种为枇杷和石楠。在未来进行城市绿化时可优先选择枇杷、石楠等滞尘能力较强树种，提高对城市空气的净化能力。