郑州市常见公园绿化植物的滞尘能力及叶片性状分析

李朝梅，王军梦，王腾飞，王祖星，雷雅凯，贺 丹

(河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002)

随着工业的不断发展，我国的空气污染愈加严重。空气污染特别是大气中的颗粒物污染问题成为人们关注的核心。目前主要的空气污染物是空气动力学直径≤10 μm(PM10)和空气动力学直径≤2.5 μm(PM2.5)的颗粒物。根据河南省生态环境厅公布的数据统计，2019年郑州市大气污染天数达到180多d[1]。目前通过解决污染源来治理环境污染尚不能实现，借助植被的清除机制可以缓解城市的空气污染[2-3]。因此，研究城市园林植物的滞尘作用，筛选滞尘能力强的树种，对改善城市空气质量具有重要意义[4-5]。

园林植物能够吸附颗粒物，减少空气中的颗粒物污染，混凝效应和干沉降是其重要机制[6-8]。不同园林树种之间的滞尘量存在显著差异，其滞尘能力的大小和其生长区域的气候条件、环境因子等密切相关[9]。针叶树种单位叶面积滞尘量大于阔叶树种，雪松和油松对颗粒物吸附能力较强[10-13]。植物对颗粒物的滞留能力与叶面属性密切相关。植物叶片滞尘量的大小与叶表面的形态结构特征，如叶表面有无绒毛、气孔密度、褶皱或凹陷等相关[14-17]。叶片分泌物则通过粘附这一方式来吸附颗粒物，且效果稳定[18]。叶片表面的蜡质层越厚，叶片的滞尘能力越强，而叶片的蜡质含量与PM2.5的干沉降速率呈负相关关系[19-20]。植物叶片的滞尘过程具有复杂性和动态性，是一个动态平衡过程，滞尘量会随着时间、季节的变化而产生变化[21-24]。目前对于影响叶片滞尘能力的原因以及叶片滞尘量的变化规律已经有了一定的研究，但是由于影响植物滞尘的因素十分庞杂，不同地区气候和环境条件差异明显。因此，要根据不同地区气候、环境中颗粒物含量和植物的生长特点等分析叶片的滞尘量和滞尘能力[12]。

郑州市近年来空气污染问题日益突出，尤其是冬季，对居民的生活造成了严重的负面影响。为了城市的生态园林建设，郑州市的园林绿化工作实施方案中提出了建设大量的市内公园及小游园。本研究选取了郑州市常见的10种公园绿化植物，采用滤膜分级过滤称质量法测定其叶片对TSP、PM>10、PM10以及PM2.5的滞留量，分析不同树种对不同粒径颗粒物的滞留能力，并结合植物叶片特征及蜡质含量，分析不同树种之间滞尘能力存在差异的原因，以期为郑州市公园建设筛选滞尘能力优良的园林树种，缓解城市的颗粒物污染。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 采样点概括

郑州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)属温带大陆性季风气候区，年均温14.7℃，年均降水量640.8 mm，年平均风速2.3 m/s。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。采样区设置在碧沙岗公园，碧沙岗公园位于郑州市中心城区，是郑州市内建园最早的公园之一，植被稳定，能够代表郑州市内主要的公园绿地情况和市内环境状况。

1.2 植物种类

选取10种郑州市公园常见园林植物且在采样地分布充足，每种数量在10株以上。包括5种常绿灌木、3种常绿乔木及2种落叶灌木。其中，3种常绿乔木在郑州市主要公园的平均出现频率为100%，7种灌木平均出现频率为77.6%。

1.3 样品采集与处理

于2019年10月下旬至2019年11月下旬采集植物叶片，选择在降雨或大风后7 d以上、无雨、无风(或者微风)的天气进行。在试验场地中随机选择3株样树，在每株样树的4个方向随机采集数量不等的叶片，放入自封袋中。

1.4 叶片滞尘量测定

叶片滞尘量的测定参照洪秀玲[25]的滤膜分级过滤称质量法，将清洗叶片产生的悬浊液利用烧杯定容，读数记为V1；用恒温磁力搅拌器搅拌5～10 min至悬浊液中的颗粒物分布均匀，从中移取50 mL液体放入已经称重(W1)的培养皿中，记为V2，置于恒温鼓风干燥箱中烘干至恒重后再次称量培养皿的重量(W2)；按照式(1)计算悬浊液中颗粒物总量W0。再将剩余的液体依次用烘干至恒重的10 μm和2.5 μm滤膜(重量记为W3和W4)进行过滤后，用恒温鼓风干燥箱烘干至恒重，记为W5和W6，滤膜2次重量之差即为对应粒径颗粒物的质量。按照式(2)、式(3)计算悬浊液中>10 μm、2.5～10 μm颗粒物重量W7和W8；根据式(4)、式(5)计算总悬浊液中PM10和PM2.5的重量W9和W10。使用叶面积仪(CI-203，CID，USA)对清洗后的叶片进行叶面积测定，重复3次；根据总叶面积计算单位叶面积TSP、PM>10、PM10以及PM2.5的质量。

(1)

(2)

(3)

W9=W0-W7-W8

(4)

W10=W8+W9

(5)

1.5 叶表特征及叶片蜡质含量测定

使用超景深三维视频显微镜(Leica，DVM6)观察叶片表面特征。将清洗后的叶片放入已知重量的烧杯中，加入适量的三氯甲烷浸泡60 s后取出叶片，将烧杯置于通风橱中，待三氯甲烷完全挥发后取出称重，2次重量之差即为叶片中蜡质的重量，重复3次。已知蜡质重量除以叶片总面积即为单位叶面积蜡质含量。

1.6 数据分析

数据采用Excel、SPSS22.0软件进行分析，采用单因素方差分析法(ANOVA)分析树种间不同粒径颗粒物滞留量的差异，若差异显著，采用LSD法(least-significant difference)进行多重比较。利用系统聚类法对不同植物单位面积滞尘量进行系统聚类分析。采用Pearson相关性分析法分析植物叶片蜡质含量与滞尘能力之间的关系。

表1 试验选择树种Table 1 Test plant species selected

2 结果与分析

2.1 不同树种叶片滞尘能力

10种植物叶片的滞尘量差异显著，不同植物单位叶面积对不同粒径颗粒物TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滞留能力也存在差异，其滞尘量分别在0.58～3.18、0.39～1.64、0.11～1.56 g·m-2和0.08～1.53 g·m-2。在叶片滞尘量中，PM>10在总滞尘量中所占比例较大，PM2.5占PM10的主体(表2)。

表2 10种植物单位叶面积TSP、PM>10、PM10和PM2.5滞留量(平均值±标准误差)Table 2 TSP,PM>10,PM10 and PM2.5 retention per unit leaf area of 10 plant species(mean±SE)

植物单位叶面积对TSP的滞留量差异显著，滞留量最大的是雪松，其次为龙柏、石楠、夹竹桃和大叶黄杨，滞尘量最小的是南天竹，雪松的滞尘量是南天竹的5.5倍。对PM>10滞留量最大的是雪松和龙柏，滞尘量最小的是南天竹，各树种之间滞尘量差异显著。PM10和PM2.5滞留能力最强的是石楠，最弱的是洒金东瀛珊瑚，不同树种滞尘量差异显著(表2)。

10种植物单叶滞留TSP的质量在0.52～13.71 mg·leaf-1，单叶PM>10的滞留量为0.35～7.21 mg·leaf-1，单叶滞留PM10和PM2.5的质量分别在0.17～9.03 mg·leaf-1和0.14～8.84 mg·leaf-1。单叶滞留TSP、PM10和PM2.5最大的植物均为石楠，单叶滞尘量分别达到13.71、9.03 mg·leaf-1和8.84 mg·leaf-1，南天竹对各粒径颗粒物的单叶滞留量均最小。不同粒径颗粒物含量与叶面积大小有一定的关系。在TSP水平上，除石楠、夹竹桃和大叶黄杨外；在PM>10的水平上，除夹竹桃和大叶黄杨外；在PM10和PM2.5水平上，除洒金东瀛珊瑚、夹竹桃和大叶黄杨夹竹桃外；单叶TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滞尘量大致随叶面积的增大而增加(表3)。

表3 10种植物单叶TSP、PM>10、PM10和PM2.5滞尘量(平均值±标准误差)Table 3 Dust retention of 10 plant species with single leaf TSP,PM>10,PM10 and PM2.5(mean±SE)

通过聚类分析，将10种园林树木叶片的单位面积滞尘能力划分为4个等级(图1)。单位面积滞留TSP能力最强的树种是雪松和龙柏，滞尘能力较强的是石楠、夹竹桃和大叶黄杨，中等能力的是洒金东瀛珊瑚、锦带花、棣棠花和海桐，滞尘能力最弱的是南天竹。10种树种单位面积滞留PM>10能力最强的是雪松、龙柏和大叶黄杨，其次为海桐和洒金东瀛珊瑚，石楠、夹竹桃、锦带花和棣棠花滞留PM>10的能力属于中等，南天竹滞留能力最弱。滞留PM10和PM2.5能力最强的是雪松、石楠和夹竹桃，能力较强的是龙柏，其次为大叶黄杨、锦带花和棣棠花，能力最弱的是南天竹、海桐和洒金东瀛珊瑚。

图1 10种植物滞尘能力的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of dust retention ability of 10 plant species

2.2 叶片性状与滞尘能力

10种植物总颗粒物滞留等级与叶片特征、单位面积蜡质含量如表4所示。叶边缘具细锯齿或钝齿的叶片滞尘能力较好。植物叶片中蜡质含量与其滞尘量具有一定的相关性，蜡质含量与单位面积PM10及PM2.5的滞留量具有显著的正相关关系(P<0.05)，但与单位面积TSP、PM>10的滞留量相关性不显著(P>0.05)。表明叶片蜡质含量增加时，其单位面积PM10及PM2.5滞留量随之增加；同时，叶片形状、叶表面绒毛、凹凸不平的结构以及叶脉走向等叶片特征均会对叶片滞尘能力产生影响。

表4 10种园林植物叶片性状与滞尘等级分析Table 4 Leaf characters and dust retention grade analysis of 10 garden plant species

3 结论与讨论

植物通过叶片滞留颗粒物，10种园林植物由于叶片性状的不同，导致不同植物单位叶面积滞尘量之间差异显著，叶表面粗糙度较大、能分泌粘性油脂或叶脉突出的植物滞尘能力较强；并且同一植物叶片对不同粒径颗粒物的滞留量也存在差异。同时蜡质含量对植物的滞尘能力有一定影响，蜡质含量与PM10和PM2.5的滞留量之间呈显著正相关关系，即叶片单位面积蜡质含量越高，PM10和PM2.5的滞留量越大。单叶叶面积会对单叶滞尘量产生影响。

本研究中的2种针叶树种，雪松和龙柏单位面积滞留TSP和PM>10的能力最强，其中雪松对TSP和PM>10的滞留量分别为3.18 g·m-2和1.62 g·m-2，龙柏对TSP和PM>10的滞留量分别为2.84 g·m-2和1.64 g·m-2。雪松和龙柏的叶片无上表面和下表面之分，四周均能较好的发挥滞留颗粒物的作用，加之雪松的针叶能分泌粘性油脂，吸附更多的颗粒物且不易脱落，因此能够比其他树种滞留更多颗粒物[13,26-27]。滞留PM10和PM2.5能力最强的树种为雪松、石楠和夹竹桃，滞尘量在1.47～1.56 g·m-2，雪松分泌的油脂、石楠叶表面叶脉形成的略微凹凸的结构以及夹竹桃叶表面横向突起的叶脉，使得其滞尘能力较强。南天竹对TSP、PM>10、PM10及PM2.5的滞留能力均最弱，这是因为南天竹叶片呈薄革质，气孔表面积较小且叶表面平滑[28]。灌木中大叶黄杨对TSP的滞留量最大，滞尘量达到2.11 g·m-2，因为大叶黄杨叶表面具有较厚的蜡质层，气孔密集且开口较大，更易滞留大气颗粒物[30]。总的来说，单位叶面积滞尘量乔木优于灌木，这与谢英赞等[30]、柴一新等[9]的研究结论相同。

植物滞尘能力还受到叶片蜡质含量的影响。通过相关性分析发现，叶片滞尘量与蜡质含量之间存在一定的正相关关系，叶片蜡质含量与TSP和PM>10的滞留量相关性不显著(P>0.05)，与PM10和PM2.5的滞留量相关性显著(P<0.05)；蜡质含量最高的石楠，单位叶面积PM10和PM2.5的滞留量也最大。叶片滞尘量与蜡质含量具有正相关关系[27]；但有研究表明，叶片蜡质含量仅与粒径在2.5～10 μm的颗粒物滞留量呈显著正相关关系，而与总滞尘量及其他粒径颗粒物滞留量之间的相关性不显著[31]；也有研究表明，蜡质通过影响叶表面的湿润性来对叶片的滞尘能力产生影响，湿润性越大叶片滞尘能力越强[32-33]。造成研究结论差异较大的原因可能是不同地区的环境因素相差较大，叶片表皮蜡质会因为外界环境的影响而产生不同程度的磨损或破坏，形成不同的蜡质微结构，使得湿润性增加，滞尘能力发生变化，因此研究结论具有差异。此外，不同植物叶片蜡质结构的差异也是影响因素之一[32-34]。

植物叶面积的大小与叶表面颗粒物滞留量有一定关系，一般来说，单叶面积越大，滞留的大气颗粒物越多。在10种植物中除部分植物外，如大叶黄杨、夹竹桃和洒金东瀛珊瑚，单叶TSP、PM>10、PM10和PM2.5的滞留量大致随着叶面积的增大而增加；单叶面积较大的石楠，单叶滞尘量达到13.87 mg·leaf-1。但植物单叶滞尘量除了与叶片表面积具有相关性外，也会受到叶片其他因素的影响[35-36]。因此，在筛选滞尘能力较强的树种时，叶片蜡质含量、叶表面结构、叶面积等均可作为参考指标之一；并将单位叶面积滞尘量、单叶滞尘量以及树种的单株滞尘能力进行综合考虑。