貴陽市圖云關(guān)森林公園主要樹種葉面滯塵量與葉形態(tài)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究

劉延惠，丁訪軍，侯貽菊，舒德遠(yuǎn)，趙文君，崔迎春

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550011)

氣溶膠顆粒物(PM)是空氣中的主要污染物，嚴(yán)重危害人體健康[1]。尤其是在人口密集、交通繁忙的城市區(qū)域，汽車尾氣或工業(yè)排放的顆粒物會(huì)增加心肺疾病發(fā)病率和死亡率[2]。植被的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙表面擾動(dòng)空氣層流而形成湍流，促進(jìn)顆粒物沉降[3]，并攔截、吸附及轉(zhuǎn)移顆粒物，是空氣污染物的匯[4]，能有效減少環(huán)境空氣顆粒物濃度，發(fā)揮凈化大氣功能[5]。與其他土地類型相比，森林有更大的顆粒物沉降速率和截留面積，能更有效地凈化空氣[6-8]。SCHAUBROECK等[9]測(cè)量發(fā)現(xiàn)，2010年比利時(shí)的歐洲赤松林PM2.5干沉降量達(dá)31 kg。張維康等[10]估算北京市森林冠層每年可清除833.02 萬kg總空氣顆粒物。NOWAK等[11]模擬估算美國城市樹木每年可清除PM2.5為4.7(雪城)～64.5 t(亞特蘭大)。葉是植被吸滯PM的主要器官，葉表面形態(tài)特征是影響其對(duì)PM吸滯的主要因素[12]。葉表面特征不同導(dǎo)致樹種間PM吸滯能力存在巨大差異[13]。大量研究結(jié)果表明，植物葉片對(duì)顆粒物的吸滯能力與葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)、粗糙度、濕潤性、蠟質(zhì)、被毛、氣孔等特征有關(guān)[14-17]，但這些特征因子間的相互關(guān)系復(fù)雜[18]，對(duì)于葉面PM滯塵量關(guān)鍵影響因子的判斷，出現(xiàn)了眾多不同的研究結(jié)果。有必要在定量分析的基礎(chǔ)上，區(qū)分各個(gè)因子對(duì)葉面滯塵能力的影響程度，提出關(guān)鍵影響因子，以便于選擇高效滯塵樹種。

貴陽市森林覆蓋率達(dá)46.5%，長304 km、寬5～13 km的森林構(gòu)成環(huán)城林帶，在凈化城市空氣、維持城市生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。貴陽環(huán)城林帶的森林類型主要有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)人工林及人為干擾下逐漸演替形成的針闊混交林和次生闊葉林。已有研究中，針對(duì)北京、廣州、上海、南京等城市開展的空氣PM濃度及森林或綠地對(duì)空氣PM的吸滯效應(yīng)報(bào)道較多，主要針對(duì)園林樹種PM吸滯特征，但對(duì)造林、鄉(xiāng)土樹種滯塵能力的研究較少，針對(duì)貴陽等典型森林城市開展的PM吸滯特征研究也鮮見報(bào)道。開展貴陽主要造林和鄉(xiāng)土樹種葉面PM吸滯特征分析，比較滯塵能力的種間差異，定量研究葉形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與其PM吸滯能力的關(guān)系，可為城市森林經(jīng)營管理、城市造林綠化樹種選擇提供理論依據(jù)，為探索增強(qiáng)城市森林凈化大氣能力的途徑奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市圖云關(guān)森林公園內(nèi)，地理位置為26°29′45″～26°30′17″ N，106°44′14″～106°44′37″ E。貴陽市地處云貴高原中部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。森林公園內(nèi)的主要森林類型為馬尾松、杉木、柏木、華山松(Pinusarmandii)人工林以及針闊混交林、次生闊葉林等。主要樹種為馬尾松、杉木、柏木、華山松、香樟(Cinnamomumcamphora)等造林樹種和樸樹(Celtissinensis)、楓香(Liquidambarformosana)等鄉(xiāng)土樹種。為比較城市森林主要樹種葉片滯塵能力，在處于環(huán)城林帶的圖云關(guān)森林公園內(nèi)選擇主要樹種樣樹。研究樹種包括馬尾松、華山松、柳杉(Cryptomeriajaponica)、杉木、柏木、香樟、女貞(Ligustrumlucidum)、樸樹、楓香、喜樹(Camptothecaacuminata)、光皮樺(Betulaluminifera)和銀杏(Ginkgobiloba)。研究及采樣點(diǎn)位于森林公園內(nèi)的西南坡向中坡位置，海拔為1 140 ～1 180 m，土壤為黃壤，林齡為30～40 a。

1.2 樣樹選擇及葉樣采集

在研究區(qū)林內(nèi)各樹種中選擇3株生長良好，無病害、蟲害的樹木進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)記作為樣樹。由于貴陽市降雨事件頻繁，為保證各季所采樣品的累積滯塵日數(shù)一致，同時(shí)避免因滯塵日數(shù)太短而導(dǎo)致累積滯塵量過低，或遭遇降雨事件，選擇春、夏、秋、冬季雨后3 d采集葉樣，分析各樹種葉面PM吸滯特征。為分析樹木葉面滯塵能力的時(shí)間動(dòng)態(tài)過程，分別在夏季降雨后1、2、5、6和7 d采集葉樣。在3株樣樹樹冠外部的東、南、西、北方位分別采集等量葉樣，裝入樣品袋密封，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定葉面PM吸滯量。每次每個(gè)樹種采集3份葉樣作為重復(fù)。

表1 試驗(yàn)樣樹類型與名稱

Table 1 Species of trees in the experiment

類型樹種科屬拉丁名造林樹種馬尾松松科松屬Pinus massoniana華山松松科松屬Pinus armandii柳杉杉科柳杉屬Cryptomeria japonica杉木杉科杉木屬Pinus armandii柏木柏科柏木屬Cupressus funebris鄉(xiāng)土樹種香樟樟科樟屬Cinnamomum camphora女貞木犀科女貞屬Betula luminifera樸樹榆科樸屬Celtis sinensis楓香金縷梅科楓香樹屬Liquidambar formosana喜樹藍(lán)果樹科喜樹屬Camptotheca acuminata光皮樺樺木科樺木屬Betula luminifera銀杏銀杏科銀杏屬Camptotheca acuminata

1.3 葉面滯塵量測(cè)定

應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器測(cè)定并計(jì)算葉面顆粒物吸滯量。氣溶膠再發(fā)生系統(tǒng)利用風(fēng)蝕原理，將放入測(cè)定箱內(nèi)樣品盒中葉面上的顆粒物連續(xù)吹5 min，結(jié)束后立即將手持粉塵儀(DUSTMATE，Turnkey Instruments Ltd.，英國)與儀器箱內(nèi)以通氣管連接，并測(cè)定箱內(nèi)吹起葉面顆粒物的濃度，同時(shí)測(cè)定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境空氣顆粒物濃度，然后用系統(tǒng)自帶程序計(jì)算葉面顆粒物吸滯質(zhì)量。對(duì)于測(cè)完滯塵量的葉樣，用掃描儀掃描葉面積，計(jì)算單位葉面積滯塵量。該方法是基于風(fēng)蝕原理的物理方法，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間短，可認(rèn)為再懸浮的顆粒物與葉面顆粒物原始狀態(tài)一致。與質(zhì)量濃度法相比，該方法具有經(jīng)濟(jì)、快速、高效等特點(diǎn)。

1.4 葉形態(tài)及顯微結(jié)構(gòu)特征(MF)測(cè)量及量化

1.4.1葉形態(tài)特征

選擇測(cè)定和分析單片葉面積(Al)、葉緣周長(Cl)、葉緣周長與面積比(Cl/Al)3項(xiàng)葉形態(tài)指標(biāo)。用掃描儀掃描各樹種30片重復(fù)葉片圖像，用Digimizer圖像分析軟件(Digimizer Version 4.5,比利時(shí))測(cè)量葉片Al、Cl并計(jì)算Cl/Al。

1.4.2MF測(cè)量及量化

葉面氣孔、表皮毛、疣狀突起、溝槽、蠟質(zhì)覆蓋等特征指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算：用Digimizer圖像分析軟件的測(cè)量工具測(cè)量葉片電鏡掃描照片，計(jì)算照片中氣孔、表皮毛、疣狀突起的數(shù)量，計(jì)算相應(yīng)的氣孔密度(Dst)、表皮毛密度(Dh)、葉面突起物密度(Dp)，測(cè)量表皮毛長度(Lh)、氣孔口縱徑(Lso)和橫徑(Wso)、氣孔口面積(Sso)。

葉表面細(xì)溝槽、皺褶起伏等粗糙程度指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算：(1)因表皮細(xì)胞、角質(zhì)層突起、蠟質(zhì)紋飾等結(jié)構(gòu)形成較小的溝槽結(jié)構(gòu)，它們可能為較細(xì)的顆粒物提供小容納空間，測(cè)量這些細(xì)溝槽的寬度(Wg)。(2)葉面葉脈凸起，尤其是一些雙子葉植物葉面為網(wǎng)狀脈結(jié)構(gòu)，可將葉表面分為多個(gè)凹陷小室，形成大的容納空間，有利于顆粒物吸存和減少降水沖刷和風(fēng)吹，筆者用單位葉表面積的葉脈長度，即葉脈密度(Dv)反映該層次葉面粗糙程度的指標(biāo)；(3)因葉表面的褶皺和起伏不平形成了一些較寬的溝槽或凹陷結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在葉片電鏡掃描影像上呈現(xiàn)為灰度值不等的明暗相間斑塊。Digimizer軟件可將影像進(jìn)行二值化處理，以灰度值中值為界，將影像區(qū)分為灰度值小于中值的亮(凸)斑塊和大于中值的暗(凹)斑塊，并計(jì)算代表較大溝槽或凹陷的暗斑塊(面積大于300 μm2)投影面積及其占葉表面投影面積的比例(Ag/Al)，將所有種的Ag/Al標(biāo)準(zhǔn)化處理，作為表征葉面粗糙程度(中等水平)的指標(biāo)Rg(表2)。

表2 葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)

Table 2 Micro-morphological and structure characteristic indicators of leaf surface

指標(biāo) 符號(hào)單位定義氣孔密度Ds個(gè)·mm-2單位葉表面積的氣孔數(shù)量氣孔開口面積Asoμm2單個(gè)氣孔開口面積單位葉表面氣孔開口面積Ssomm2·mm-2單位葉面積的氣孔開口面積氣孔開度Osμm2·μm-2單個(gè)氣孔開口面積與氣孔面積比值氣孔口縱徑Lsoμm氣孔口縱徑長度氣孔口橫徑Wsoμm氣孔口橫徑長度細(xì)溝槽寬度Wgμm葉表面蠟質(zhì)或角質(zhì)突起間的下凹溝槽寬度氣孔口橫縱徑比Rsoμm·μm-1氣孔口橫徑長度與縱徑長度的比值相對(duì)溝槽投影面積比例Rg無量綱單位葉表面積的溝槽投影面積的相對(duì)值葉脈密度Dvμm·mm-2單位葉表面積的葉脈長度蠟質(zhì)覆蓋指數(shù)Iw無量綱葉表面蠟質(zhì)/角質(zhì)覆蓋程度疣狀突起密度 Dp個(gè)·mm-2單位葉表面積的乳狀、瘤狀突起數(shù)量表皮毛長度Lhμm葉表面表皮毛(表皮毛縱徑)的長度表皮毛密度Dh根·mm-2單位葉表面積的表皮毛數(shù)量

葉面蠟質(zhì)覆蓋指數(shù)測(cè)定與計(jì)算：通常蠟質(zhì)或角質(zhì)等附屬物在葉表面形成粒狀、條狀等突起的紋理，并因覆蓋厚度不同影響電鏡掃描影像的清晰度和表皮細(xì)胞的可見度。通過分析葉表面電鏡掃描照片，可觀測(cè)葉表面的明暗程度、表皮蠟質(zhì)紋理、表皮細(xì)胞是否清晰可見等特征，間接反映蠟質(zhì)/角質(zhì)覆蓋狀況；以葉表面蠟質(zhì)覆蓋指數(shù)(Iw)量化該特征：Iw=1，葉表面暗，整體覆蓋厚的蠟質(zhì)層，表皮細(xì)胞不可見；Iw=0.75，葉表面較暗，蠟質(zhì)覆蓋較厚，蠟質(zhì)紋飾隱約可見，表皮細(xì)胞不可見；Iw=0.5，葉表面較亮，蠟質(zhì)紋飾較清晰，但表皮細(xì)胞不可見；Iw=0.25，葉表面明亮，蠟質(zhì)紋飾清晰，葉表皮細(xì)胞不可見；Iw=0，葉表面明亮，無蠟質(zhì)顆粒，葉表皮細(xì)胞可見。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1葉面滯塵能力計(jì)算

以單位葉面積吸滯的顆粒物質(zhì)量表征葉片滯塵能力，簡稱為葉面累積滯塵量(M)；為增強(qiáng)樹種間滯塵能力的可比性，以單位時(shí)段(1 d)的葉面滯塵量(日滯塵量，Md)進(jìn)行種間比較。計(jì)算公式分別為

M=m/A，

(1)

Md=M/t。

(2)

式(1)～(2)中，m為葉面吸滯的顆粒物質(zhì)量，μg；A為各個(gè)葉樣品的葉面積，cm2；t為葉面滯塵日數(shù)，d，指采樣前最后一次降雨日至采樣日的天數(shù)。

1.5.2MF對(duì)滯塵能力影響的通徑分析

通徑分析可分析多個(gè)自變量與因變量之間的線性關(guān)系，適用于自變量數(shù)目較多，且自變量間相互關(guān)系較復(fù)雜，或某些自變量通過其他自變量間接影響因變量的情況。在相關(guān)分析、多元線性回歸分析基礎(chǔ)上，以各MF為自變量，Md為因變量，計(jì)算得到MF與Md間的相關(guān)系數(shù)(r)、MF對(duì)Md作用的直接通徑系數(shù)(Pd)和間接通徑系數(shù)(Pi)，計(jì)算各MF對(duì)Md綜合影響的決定系數(shù)(R2)，根據(jù)R2排序，確定各MF對(duì)Md的影響程度。r、Pd、Pi及R2的計(jì)算過程詳見文獻(xiàn)[19]。

應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹木葉面滯塵量的時(shí)間變化過程

圖1為以柏木和香樟為例的葉面日滯塵量(Md)隨滯塵日數(shù)延長的變化過程。針葉樹和闊葉樹的Md均隨著滯塵日數(shù)延長呈非線性下降，Md與滯塵日數(shù)間呈冪函數(shù)關(guān)系。前3 d的Md下降速度最快，降幅最大，之后下降速度減緩，6 d后滯塵能力趨于平緩。

分別對(duì)各樹種進(jìn)行日滯塵量(Md)與滯塵日數(shù)的非線性回歸，各樹種冪函數(shù)方程式的系數(shù)(a、b)擬合結(jié)果及決定系數(shù)(R2)見表3。由表3可知，各樹種Md與滯塵日數(shù)的關(guān)系可用冪函數(shù)表達(dá)。擬合方程的系數(shù)a可反映變化曲線的初始(首日)Md大?。幌禂?shù)b反映曲線Md的下降速度，b值越大，Md下降越快，滯塵能力下降越快，反之下降越慢。比較各樹種回歸方程系數(shù)，柏木的初始滯塵量(a)最大(4.085)，其余依次為華山松、馬尾松、香樟、柳杉、喜樹等。初始滯塵量較小的樹種為杉木、楓香、樸樹、女貞等，最小的樹種是銀杏。盡管柏木初始滯塵量較大，但其下降速度也較快(b=1.227)，僅次于香樟。其余依次為華山松、喜樹、銀杏、樸樹、柳杉等。馬尾松、杉木和女貞滯塵量下降較慢。

圖1 樹木葉面日滯塵量隨雨后時(shí)間的變化過程

表3 參試樹種日滯塵量(y)隨時(shí)間(x)變化的擬合方程

Table 3 Fitted equations describing the temporal variation of daily PM retention of tree leaves with time

樹種擬合方程 y=ax-b系數(shù)a系數(shù)bR2柏木4.0851.2270.572楓香0.7790.5990.215華山松2.6521.2000.943柳杉1.3580.7530.435馬尾松1.8410.2170.783女貞0.9790.5980.244樸樹0.9330.8030.596杉木0.6640.5230.101喜樹1.1301.1170.611香樟1.5771.2620.523銀杏0.6370.8160.234

光皮樺因試驗(yàn)取樣日不足，未進(jìn)行方程擬合。

2.2 樹木葉面滯塵量及粒徑分布

為比較不同樹種是否對(duì)不同粒徑顆粒物的吸滯有一定的趨向性，分析各樹種葉面吸滯顆粒物的特征(表4)。樹木葉面吸滯的PM主要以大顆粒(PM>10～100)為主，平均占PM總量的58.75%，不同樹種葉面吸滯大顆粒占PM總量的比例范圍為47.74%～61.62 %；粗顆粒(PM>2.5～10)平均占葉面吸滯PM總量的38.98%，范圍為36.38%～49.56%；細(xì)顆粒(PM>1～2.5)平均僅占PM總量的2.16%，范圍為1.78%～2.75%；超細(xì)顆粒(PM≤1)均在PM總量的0.2%以下。樹木葉面對(duì)較大粒徑顆粒物的吸滯效率較高，對(duì)粒徑越小的顆粒物吸滯效率越低。

表4 樹木葉面吸滯顆粒物的粒徑分布

Table 4 The size distribution of particulate matter absorbed on leaf surface

樹種吸滯量/(μg·cm-2·d-1)比例/%PM總量PM>10～100PM>2.5～10PM>1～2.5PM≤1PM>10～100PM>2.5～10PM>1～2.5PM≤1柏木1.4410.8200.5880.0321.89×10-356.8640.812.200.13杉木1.0720.5120.5310.0281.33×10-347.7449.562.580.12馬尾松1.2360.7210.4790.0342.04×10-358.3538.732.750.17柳杉0.8900.5090.3570.0231.16×10-357.1640.092.620.13華山松1.1780.7260.4280.0221.69×10-361.6236.381.860.14香樟0.6360.3740.2480.0130.76×10-358.8238.952.110.12銀杏0.3620.2180.1360.0080.41×10-360.2537.472.170.11女貞0.4180.2490.1590.0090.37×10-359.7338.132.060.09喜樹0.5610.3450.2050.0110.45×10-361.4636.511.950.08樸樹0.5000.3050.1860.0090.28×10-361.0237.151.780.06楓香0.6560.3980.2450.0130.67×10-360.6837.301.910.10光皮樺1.1310.6930.4150.0221.21×10-361.2536.711.930.11平均值0.8400.4890.3310.0191.02×10-358.7538.982.160.11

2.3 不同類型及樹種間的葉面滯塵能力比較

針葉樹種與闊葉樹種間的葉面顆粒物吸滯能力差異明顯。對(duì)參試的針葉樹種(柏木、華山松、馬尾松、柳杉和杉木)和闊葉樹種(楓香、光皮樺、女貞、樸樹、喜樹、香樟和銀杏)的葉面PM吸滯能力進(jìn)行比較，為排除冬季落葉或葉片活力低對(duì)滯塵能力的干擾，比較2類樹種春、夏、秋3季的平均Md(表5)。針葉樹種平均總懸浮顆粒物(TSP)、PM10、PM2.5和PM1的Md分別為(1.34±0.26)、(0.56±0.12)、(0.03±0.12)和(2.16±1.10)×10-3μg·cm-2·d-1，均高于闊葉樹種相應(yīng)顆粒物的Md〔(0.64±0.25)、(0.25±0.09)、(0.01±0.01)和(0.69±0.30)×10-3μg·cm-2·d-1〕。2個(gè)類型樹種間TSP、PM10、PM2.5和PM1的Md差異均達(dá)極顯著水平(P值分別為0.001、0.001、0.000 1和0.008)。

不同樹種春季至秋季葉面對(duì)TSP、PM10、PM2.5和PM1的平均Md見圖2。

表5 針葉樹與闊葉樹的葉面滯塵能力(Md)比較

Table 5 The comparison of daily PM retention between coniferous and broad-leaved tree species

類型 Md/(μg·cm-2·d-1)TSPPM10PM2.5PM1針葉樹1.27±0.210.56±0.120.03±0.01(1.80±0.49)×10-3闊葉樹0.64±0.250.25±0.090.01±0.01(0.69±0.30)×10-3加權(quán)平均值0.90±0.390.38±0.190.02±0.01(1.15±0.69)×10-3

圖2 不同樹種葉面滯塵能力(Md)比較

葉面對(duì)各類PM的吸滯能力表現(xiàn)出相似的強(qiáng)弱順序，各樹種對(duì)TSP、PM10和PM2.5的平均Md依次為柏木>馬尾松>杉木>華山松>光皮樺>柳杉>楓香>喜樹>香樟>樸樹>女貞>銀杏。各樹種對(duì)PM1的平均Md依次為馬尾松>柏木>華山松>杉木>光皮樺>柳杉>楓香>香樟>喜樹>銀杏>女貞>樸樹(0.36)。參試樹種平均Md為0.37～1.59 μg·cm-2·d-1，針葉樹種高于除光皮樺外的其他闊葉樹種，針葉樹種中柏木葉面的PM吸滯能力最強(qiáng)，柳杉最弱；闊葉樹種中光皮樺葉面的吸滯能力最強(qiáng)，銀杏最弱。柏木的PM吸滯量高達(dá)銀杏的4.3倍。

2.4 葉形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)葉面PM吸滯能力的影響

從各參試樹種葉表面電鏡掃描照片(圖3)看，不同樹種葉表面顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)差異明顯。香樟、女貞、杉木葉表面有較厚的蠟質(zhì)/角質(zhì)覆蓋。樸樹葉下表面有密集的表皮毛分布，馬尾松葉表面有刺狀毛分布。光皮樺、樸樹、楓香的網(wǎng)脈將葉表面分隔為小室。馬尾松、華山松氣孔呈帶狀分布。各樹種的葉形態(tài)特征及顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征量化分析結(jié)果見表6。樸樹和楓香的Dst(592.09和593.26 個(gè)·mm-2)遠(yuǎn)高于其他樹種，銀杏和馬尾松的Dst(62.23和51.98個(gè)·mm-2)最小。各種的Dv為434.49～4 724.50 μm·mm-2。針葉樹種氣孔口(Aso為177.16～576.94 μm2)普遍大于除銀杏外的闊葉樹種(25.61～158.13 μm2)，且氣孔口有相對(duì)更大的橫縱徑比(0.51～0.78)。柏木、杉木葉表面的蠟質(zhì)層較其他樹種厚，銀杏和楓香葉表面的蠟質(zhì)層薄。樸樹葉面表皮毛最多，達(dá)108.1根·mm-2，但香樟葉面的表皮毛長度最長(452.8 μm)，銀杏、女貞、柏木、杉木、柳杉及楓香葉面無表皮毛。銀杏、女貞、柏木、柳杉、樸樹和楓香葉表面細(xì)溝槽寬度大于3 μm，但均小于10 μm。針葉樹種葉面積(0.01～1.45 cm2) 遠(yuǎn)小于闊葉樹種(17.18～50.90 cm2)，但針葉樹種的Cl/Al(8.1～37.01)遠(yuǎn)大于闊葉樹種(0.63～1.13)。

2.5 葉形態(tài)結(jié)構(gòu)特征對(duì)葉面滯塵能力影響的通徑分析

從表7可知，PM>10～100吸滯能力的主要影響因子為Cl/Al和Wg，R2分別為0.671和0.134，其他因子的綜合影響較弱。影響PM>2.5～10吸滯能力的因子依次為Cl/Al、Wg和Os；影響PM>1.0～2.5吸滯能力的因子依次為Cl/Al、Os和Aso；影響PM1吸滯能力的因子依次為Cl/Al、Wg和Sso。各粒徑顆粒物的吸滯能力均很大程度受Cl/Al影響，對(duì)細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物的吸滯能力還受氣孔口相關(guān)因子(Os、Aso和Sso)的影響，參試樹種氣孔開口尺寸(Wso為1.53～19.65 μm，Lso為6.89～32.82 μm)也說明PM10、PM2.5和PM1可通過多數(shù)參試樹種的氣孔口。葉面的PM1吸滯量還受Wg(2.56～9.05 μm)影響，表明葉面小溝槽是超細(xì)顆粒的吸滯空間。

a為葉片上表面/近軸面；b為下表面/遠(yuǎn)軸面。

3 討論

關(guān)于植物葉面的PM吸滯時(shí)間過程，部分研究者已從葉面滯塵的日變化、月變化及季節(jié)變化過程分析了葉面滯塵的時(shí)間變化規(guī)律[12,20-22]。高金暉等[23]也發(fā)現(xiàn)1 d內(nèi)植物葉片累積滯塵過程與時(shí)間不成線性關(guān)系。筆者研究也發(fā)現(xiàn)葉面滯塵量并非隨時(shí)間增長呈線性增加，10個(gè)樹種的擬合結(jié)果表明，所有樹種葉面滯塵量隨滯塵日數(shù)延長呈冪函數(shù)下降趨勢(shì)，且下降的速度表現(xiàn)出種間差異。該種間差異可能源于不同樹種葉表面結(jié)構(gòu)特征的差異，葉表面的表皮毛、氣孔、皺褶、蠟質(zhì)等不同結(jié)構(gòu)可能在吸附顆粒物過程中有著貢獻(xiàn)時(shí)間和貢獻(xiàn)大小上的差異。

不同樹種葉面吸滯的PM組成比例相似，所有樹種均以PM>10～100和PM>2.5～10組分為主。盡管有研究發(fā)現(xiàn)不同樹種對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附有一定的趨向性。劉玲等[24]基于激光顆粒分布測(cè)量儀的測(cè)定結(jié)果反映桂花、香樟和紅葉李主要吸附超細(xì)顆粒(PM≤1), 廣玉蘭主要吸附1.0～10 μm粒徑的顆粒物，懸鈴木趨向于吸附粗顆粒；冷杉對(duì)PM10的吸附能力較弱，對(duì)PM1的吸附能力較強(qiáng)[25]。

也有研究認(rèn)為葉面對(duì)顆粒物的吸滯量由大到小依次為大顆粒、粗顆粒和細(xì)顆粒[26-29]。筆者研究結(jié)果與之相似，表現(xiàn)為大顆粒和粗顆粒分別占葉面顆粒物總量的58.75%和38.98%，細(xì)顆粒比例不到3%，超細(xì)顆粒物不到顆粒物總量的0.2%。

表6 不同樹種的葉形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

Table 6 Micro-morphological and structural characteristics of leaves of the tree species studied

樹種Dst/(個(gè)·mm-2)Aso/μm2Sso/(mm2·mm-2)Os/ (μm2·μm-2)Lso/μmWso/μmRsowl/(μm·μm-1)IwaDh/(根·mm-2)香樟199.7148.910.010.0917.165.790.340.756.53銀杏62.23406.500.030.2023.2619.650.840.250.00女貞230.61158.130.040.3317.689.450.530.500.00柏木266.73210.980.060.2519.0112.770.671.000.00杉木234.04472.380.110.3232.8216.590.511.000.00馬尾松51.98177.940.010.2017.5113.620.780.7516.47柳杉117.16576.940.070.2530.7918.220.590.750.00樸樹592.0927.190.020.116.891.530.220.25108.10楓香593.2635.950.020.068.455.720.680.250.00華山松108.10314.900.030.1525.4211.180.440.752.49喜樹139.2125.610.000.159.843.110.320.7558.48光皮樺256.6592.970.020.1717.367.600.440.5024.17樹種Lh/μmWg/μmRgDp/(個(gè)·mm-2)Dv/(μm·mm-2)Al/cm2Cl/cmCl/Al/(cm·cm-2)香樟452.800.000.360.001 817.1417.1816.051.05銀杏0.009.050.200.001 507.7619.0921.151.13女貞0.005.210.432.45434.4935.5026.110.78柏木0.004.651.000.001 919.040.010.4437.01杉木0.000.000.580.00521.431.088.418.10馬尾松96.802.560.330.002 116.750.9424.3427.59柳杉0.004.410.150.001 202.640.122.6022.32樸樹71.328.120.707.552 135.7128.4121.960.81楓香0.008.200.560.002 412.3750.9033.370.76華山松64.162.720.460.001 378.401.4535.8725.20喜樹74.740.000.610.00552.3846.1526.580.63光皮樺211.702.200.600.004 724.5038.0223.300.70

Dst為葉面氣孔密度；Aso為氣孔開口面積；Sso為單位葉面氣孔開口面積；Os為氣孔開度；Lso為氣孔口縱徑；Wso為氣孔口橫徑；Rsowl為氣孔口橫徑與縱徑的比值；Iwa為蠟質(zhì)覆蓋指數(shù)；Dh為葉表皮毛密度；Lh為葉表皮毛長度；Wg為細(xì)溝槽寬度；Rg為相對(duì)溝槽投影面積比例；Dp為單位葉表面積的乳狀、瘤狀突起數(shù)量；Dv為葉脈密度；Al為單片葉/小葉面積；Cl為單片葉/小葉的葉緣周長；Cl/Al為單片葉/小葉葉緣周長與葉面積的比值。

表7 葉形態(tài)結(jié)構(gòu)特征對(duì)葉面滯塵能力影響的通徑分析結(jié)果

Table 7 The path analysis parameters to analyze the impact of micro-morphological and structural characteristics of leaves on the daily PM retention

參數(shù)PM>10～100PM>2.5～10PM>1～2.5PM≤1rPdPiR2rPdPiR2rPdPiR2rPdPiR2Dst-0.217 -0.209 -0.008 0.047 -0.201-0.2690.068 0.036 -0.345 0.576 -0.921 -0.729 -0.326 0.008 -0.334 -0.005 Aso0.177 -0.413 0.591 -0.317 0.388-0.5040.892 -0.645 0.448 0.534 -0.087 0.193 0.278 -0.144 0.422 -0.101 Sso0.256 0.534 -0.277 -0.012 0.601?1.059-0.458 0.151 0.483 -0.565 1.048 -0.865 0.294 0.366 -0.071 0.081 Os0.176 -0.206 0.383 -0.115 0.408-0.2280.636 -0.238 0.466 0.565 -0.099 0.207 0.234 0.069 0.165 0.028 Dh-0.249 -0.021 -0.229 0.010 -0.3180.281-0.599 -0.258 -0.318 0.419 -0.738 -0.442 -0.375 0.382 -0.758 -0.432 Lh-0.076 -0.337 0.261 -0.062 -0.163-0.2540.091 0.018 -0.229 -0.111 -0.118 0.039 -0.093 -0.021 -0.073 0.003 Wg-0.370 -0.420 0.050 0.134 -0.451-0.359-0.092 0.195 -0.272 -0.417 0.146 0.053 -0.341 -0.213 -0.127 0.100 Rg0.081 0.034 0.048 0.004 -0.130-0.2810.151 -0.006 -0.111 -0.570 0.459 -0.198 -0.134 -0.559 0.425 -0.163 Dv0.303 0.529 -0.226 0.041 0.0800.357-0.277 -0.070 0.061 0.222 -0.161 -0.022 0.151 0.231 -0.080 0.016 Cl-0.286 0.094 -0.381 -0.063 -0.5120.168-0.680 -0.200 -0.569 0.005 -0.575 -0.006 -0.291 0.419 -0.710 -0.419 Cl/Al0.824??0.735 0.090 0.671 0.727??0.6960.030 0.528 0.861??1.033 -0.172 0.712 0.861??1.161 -0.300 0.651

Dst為葉面氣孔密度；Aso為氣孔開口面積；Sso為單位葉面氣孔開口面積；Os為氣孔開度；Dh為葉表皮毛密度；Lh為葉表皮毛長度；Wg為細(xì)溝槽寬度；Rg為相對(duì)溝槽投影面積比例；Dv為葉脈密度；Cl為單片葉/小葉的葉緣周長；Cl/Al為單片葉/小葉葉緣周長與葉面積的比值；Pd為直接通徑系數(shù)；Pi為間接通徑系數(shù)。*表示P<0.05;**表示P<0.01。

與高國軍等[30]所測(cè)的道路和校園樹木葉面吸滯大顆粒和粗顆粒占PM總量的比例(分別為75.4%和15.8%)及SONG等[31]所測(cè)北京5種常綠樹種相應(yīng)顆粒物比例(79.09%和18.88%)相比，筆者研究中葉面所吸滯的大顆粒比例相對(duì)較低，而粗顆粒比例相對(duì)較高，可能是由于不同背景污染條件下空氣顆粒物的構(gòu)成不同所致。10～100 μm粒徑大顆粒在空氣中不利于傳播，離道路近的樹木積累的粗顆粒量較距離遠(yuǎn)的樹木更多[32-33]。與污染源附近的區(qū)域(道路等)相比，林區(qū)空氣顆粒物中的大顆粒占比相對(duì)較少[26]。

針葉和闊葉樹2種類型間的PM吸滯能力表現(xiàn)出顯著差異。樹種間的TSP、PM10和PM2.5吸滯能力差異極顯著，但對(duì)PM1的吸滯能力無明顯差異。針葉樹的PM吸滯能力高于闊葉樹。這與多數(shù)研究得出的針葉樹PM吸滯能力高于闊葉樹的結(jié)果相一致[26-27, 34]。參試樹種中柏木的顆粒物吸滯能力最強(qiáng)，其春季至秋季平均Md是滯塵能力最弱的針葉樹種柳杉的1.57倍。參試的闊葉樹種以光皮樺的滯塵能力最強(qiáng)(Md為1.13 μg·cm-2·d-1)，銀杏滯塵能力(Md為0.37 μg·cm-2·d-1)最弱，光皮樺葉面PM吸滯能力達(dá)銀杏的3.05倍，闊葉樹葉面滯塵能力的種間差異大于針葉樹。

葉周長面積比是影響葉面吸滯PM能力最主要的因子。葉周長面積比與Md呈極顯著正相關(guān)性，更大的葉周長面積比意味著更小的單葉面積和更復(fù)雜的葉形狀。越小、形狀越復(fù)雜的葉片會(huì)有更長的葉緣周長。此類葉面PM吸滯能力更強(qiáng)，這是由于葉緣的邊緣效應(yīng)更易形成湍流所致[35]。有研究證實(shí)較小且較復(fù)雜的葉面有較高的PM吸滯能力[36- 37]。此外，Wg是影響葉面大顆粒和粗顆粒吸滯能力的主要因子。該研究中各樹種的Wg均小于10 μm，盡管有研究提出溝槽寬度小于或等于顆粒物粒徑時(shí)不會(huì)增加葉面顆粒物的吸滯量[38]，溝槽、小室等結(jié)構(gòu)仍可能通過增加葉面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度而增強(qiáng)湍流，提高PM吸滯能力。關(guān)于氣孔是否可吸收并滯留顆粒物，有不同的研究結(jié)果。劉一超等[39]的研究表明，氣孔較多且開度較大的植物具有較強(qiáng)的PM吸滯能力；SONG等[31]認(rèn)為粒徑小于2 μm的顆粒物可進(jìn)入氣孔腔；ERISMAN等[40]則認(rèn)為顆粒物幾乎不能通過氣孔。筆者研究結(jié)果顯示，Os、Aso和Sso等氣孔口相關(guān)因子對(duì)葉面吸滯細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒的能力有較大影響。

植物葉面對(duì)顆粒物的吸滯是動(dòng)態(tài)過程，此過程受環(huán)境因子(如顆粒物濃度、風(fēng)力、濕度、溫度)的影響，是葉面顆粒物沉降、吸附、再懸浮、降水洗脫共同作用的結(jié)果，另外還與葉面溝槽、褶皺、氣孔、表皮毛、蠟質(zhì)等微觀結(jié)構(gòu)及分泌物等對(duì)顆粒物的吸滯過程機(jī)理有直接關(guān)系，因此對(duì)于樹木葉面的顆粒物吸附過程還需進(jìn)一步的深入研究，如在控制實(shí)驗(yàn)條件下，比較不同樹種飽和滯塵量，研究葉面滯塵在風(fēng)、降水影響下的滯塵“可塑性”，探討葉面各種微觀結(jié)構(gòu)在顆粒物吸滯過程中的作用機(jī)理等，可為凈化城市空氣環(huán)境的樹種選擇提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)葉面PM吸滯呈非線性過程，隨時(shí)間的增加呈冪函數(shù)下降，且下降速度表現(xiàn)出種間差異。

(2)不同樹種葉面吸滯PM組成比例相似，均以PM>10～100和PM>2.5～10組分為主。大顆粒和粗顆粒分別占葉面顆粒物總量的58.75%和38.98%，細(xì)顆粒比例不到3%，超細(xì)顆粒物不到總量的0.2%。

(3)針葉樹和闊葉樹2種類型間的PM吸滯能力表現(xiàn)出顯著差異。樹種間的TSP、PM10和PM2.5吸滯能力差異極顯著，但對(duì)PM1的吸滯能力無明顯差異。針葉樹的PM吸滯能力高于闊葉樹。

(4)葉周長面積比是影響葉面吸滯PM能力最主要的因子。其次，氣孔開度(Os)、氣孔口面積(Aso)和單位葉面積氣孔口面積(Sso)等氣孔口相關(guān)因子對(duì)葉面吸滯細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒的能力有較大影響。