4種柳樹葉片表面易去除與難去除顆粒物滯納特征*

張少偉 岳 晨 詹振楓 段 劼 曹治國 劉俊祥 古 琳

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室 北京 100091； 2. 河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院園藝園林學(xué)院 鄭州 451450； 3.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室 北京 100083； 4.河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 黃淮水環(huán)境污染防治省部共建教育部重點實驗室 河南省環(huán)境污染控制重點實驗室 新鄉(xiāng)453007)

空氣顆粒物(PM)作為城市環(huán)境空氣的主要污染物，不僅降低大氣能見度，還嚴重危害國民健康(Hofmanetal., 2013)。而城市森林綠地一方面通過覆蓋地表而控制顆粒物來源(Yangetal., 2005)，另一方面可阻滯、黏附和固定空氣顆粒物(R?s?nenetal., 2013)，篩選適宜于調(diào)控大氣顆粒物污染的城市綠化樹種成為研究熱點。

樹木葉片結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征等可影響其滯留空氣顆粒物的種類和滯塵量(Wangetal., 2013; Weerakkodyetal., 2018)，許多研究將葉片對不同徑級顆粒物的滯納量作為評價不同樹種滯塵特征和清除空氣污染物(重金屬、有毒有機物、微生物、磁性顆粒物等)的重要指標(劉玲等， 2013； Chenetal., 2017; Xuetal., 2018; Shaoetal., 2019; 王博等， 2019)，然而相關(guān)研究多注重于針、闊葉樹種之間的對比，對同屬不同種在滯納PM方面表現(xiàn)的差異則鮮見報道。目前用于定量評估葉面顆粒物滯納量的方法，如質(zhì)量差減法(阿麗亞·拜都熱拉等， 2015； 范舒欣等， 2015； 王會霞等， 2015)、濾膜法(Songetal., 2015)、電鏡掃描法(王蕾等， 2006)、氣室模擬法(梁丹等， 2014)、氣溶膠再發(fā)生器法(張維康等， 2015)等，存在顆粒物收集不完整、試驗效率低且誤差較大、粒徑分布測定的局限性等問題。張志丹等(2014)提出的洗脫稱量粒度分析法(EWPA)能夠較細致地測定顆粒物的粒徑分布，且具有精度高、可重復(fù)性好的特點。植物葉片主要通過停著、附著和黏附3種方式滯納空氣顆粒物，不同方式所滯納的顆粒物粒徑有差異(呂鈴鑰等， 2016)，因此有研究將葉片滯塵量分為不受葉片結(jié)構(gòu)影響(主要是停著的顆粒物)和受葉片結(jié)構(gòu)影響(主要是附著和黏附的顆粒物)2類，以證明葉片結(jié)構(gòu)是影響滯塵量的主導(dǎo)因素(劉同彥等， 2016)。也有學(xué)者將樹木葉面顆粒物分為水溶性與非水溶性顆粒物進行分離和定量評估(劉金強等， 2019)。因此，為了準確評估樹種的滯塵能力，應(yīng)根據(jù)研究目的而選取適宜的顆粒物分類、徑級和評價尺度等指標(劉金強等， 2016)。但目前大多數(shù)關(guān)于樹木葉片滯塵能力的研究，都單純地將某些粒徑顆粒物的滯納量作為評價指標，尚缺少更精確的葉面顆粒物分類研究。

柳樹泛指楊柳科(Saliceae)柳屬(Salix)植物，具有形態(tài)優(yōu)美、生態(tài)適應(yīng)性強、生長速度快等優(yōu)點，是常用的城市綠化樹種(涂忠虞， 1982)。研究表明，柳樹具有良好的PM滯納能力(張維康等， 2016； 陳波， 2018)，并且在緩解水污染、重金屬污染、大氣污染等方面也表現(xiàn)出優(yōu)勢(Kuzovkinaetal., 2004; Vassilevetal., 2007; 張曉麗等, 2017； 張少偉等， 2017)。目前，缺少對不同種柳樹間PM滯納特點及差異的研究，限制了其在城市綠化應(yīng)用中生態(tài)功能的發(fā)揮。本研究以觀賞價值高、適應(yīng)能力強且年生長量大的4種柳樹為研究對象，解析葉面不同類型PM的粒徑分布特征，定量評估不同柳樹葉面對易去除與難去除2類不同粒徑顆粒物的滯塵量及滯塵效率差異，以期綜合評價4種柳樹葉片對空氣顆粒物的滯納能力和潛力，為合理選擇緩解空氣顆粒物污染的城市綠化樹種提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗采樣地點為河南省鄭州市中牟縣河南省農(nóng)業(yè)高新科技園苗圃，為相對封閉式環(huán)境，無車輛，2次揚塵機會少，粉塵主要來源為大氣顆粒物和土壤揚塵顆粒。苗圃內(nèi)苗木栽植密度為2 m×3 m。于2016年10月8 日(雨后第7天，降水量36 mm)對旱柳(Salixmatsudana)、龍爪柳(S.matsudanaf．tortuosa)、垂柳(S.babylonica)和蒿柳(S.viminalis)4種柳樹(表1)進行葉片樣本采集。采集時，每個樹種各選擇3株(3個重復(fù))生長良好、健康無病害、相同苗齡(均為3年生苗木)的植株作為樣樹，用枝剪從樹冠上、中、下部的東、西、南、北端各剪取10小枝(采集時防止枝條落地被土壤顆粒附著，并把小枝放入干凈的自封袋中)，然后從小枝上摘取生長狀態(tài)良好且具有代表性的足量葉片(包括葉柄部分)混合封存于干凈的自封袋中，帶回實驗室冷藏保存。

表1 供試柳樹概況Tab.1 Overview of the investigated willows

1.2 葉面顆粒物收集與稱量

本試驗使用基于超聲清洗的洗脫稱量粒度分析法(張志丹等， 2014； 劉歡歡等， 2016)，首先對每種柳樹的葉片依次進行泡洗(WC)和刷洗(BC) + 超聲波清洗(UC)，并得到2種清洗方式下獲得的2批顆粒物洗脫液； 然后對上述2批洗脫液進行烘干，將得到的顆粒物進行稱干質(zhì)量和粒徑分布測定； 最后，測定試驗樣品的葉面積，通過計算得到不同柳樹葉片的單位面積滯塵量。其中，僅經(jīng)過WC得到的顆粒物稱為易去除顆粒物(easily removable particulate matter，簡寫為ERP)，該類型顆粒物被降雨等自然因素洗脫后可再附著于葉片； 經(jīng)過BC + UC得到的顆粒物稱為難去除顆粒物(difficultly removable particulate matter，簡寫為DRP)，該類型顆粒物可牢固地被葉片吸附而不易受雨水沖刷等自然因素影響； 2種類型顆粒物之和稱為可去除總顆粒物(total removable particulate matter，簡寫為TRP)(Liuetal., 2018)。

從葉樣中隨機選取一定數(shù)量葉片，使每種柳樹各重復(fù)的葉面積大致相等，再經(jīng)過WC和BC + UC 2種脫洗方式得到2批脫洗液，其中UC采用的超聲參數(shù)組合為功率500 W、清洗3 min(劉金強等， 2016)。用濾紙覆蓋2批脫洗液的離心管管口，將離心管放入電熱鼓風(fēng)干燥箱(設(shè)置溫度為60 ℃)中烘干至恒質(zhì)量，之后放置在天平室中恒溫恒濕30 min，再使用臨界點天平(日立HCP-2，型號MSA225S-1CE-DA，精度0.01 mg； 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司，北京)對離心管進行稱重，2批離心管與空離心管(去離子水清洗，烘干，天平室中恒溫恒濕30 min后稱重)的質(zhì)量差為2種清洗方式下的葉表面顆粒物的洗脫質(zhì)量。

1.3 葉面顆粒物粒徑分布測定

分別在2批離心管中加入50 mL去離子水，用MultifugeX1R高速冷凍離心機(轉(zhuǎn)速5 000 r·min-1; Thermo Fisher Scientific, New York, USA)進行超聲震蕩30 min，待顆粒物完全分散后用IS13320激光粒度儀(液體樣品/粉末樣品； 粒度測定范圍0.017～2 000 μm； Beckman Coulter, Brea, USA)對離心管中顆粒物的粒徑分布進行測定，由此獲得顆粒物洗脫液中不同徑級顆粒物的體積百分數(shù)，將其默認為質(zhì)量百分數(shù)(Q)(Caoetal., 2013)。據(jù)此，利用公式(1)計算各清洗步驟對葉面滯納不同徑級顆粒物的質(zhì)量洗脫百分比(P)。

(1)

式中:Pi,j為清洗步驟i對葉表面j徑級顆粒物的洗脫比例(%)；Wi為清洗步驟i的葉面總顆粒物洗脫量(mg)；Qi,j為清洗步驟i洗脫液中j徑級顆粒物的質(zhì)量百分數(shù)(%)；i為清洗步驟(WC,BC+UC)，j為不同徑級，本研究設(shè)d≤ 1 μm、1 μm

1.4 葉面積測定

將清洗后的葉片鋪展放入EPSON Expression 1680掃描儀(Seiko Epson, Nagano, Japan)中，對葉片進行掃描，然后利用WinRHIZO圖像分析軟件(Regent Instruments Inc., Canada)分析獲得葉樣的投影面積數(shù)據(jù)。葉片面積為投影面積的2倍。

1.5 數(shù)據(jù)處理

將上述單位面積葉片滯塵量除以滯塵時長(從采樣日期之前最近一次降雨到采樣當(dāng)日的時長)7天，得到每種柳樹單位面積葉片的滯塵效率。采用SPSS 20.0、Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作，用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和多重極差檢驗法(Duncan test)對不同柳樹葉面的TRP、ERP和DRP滯納量進行差異性檢驗(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種柳樹葉面不同類型顆粒物滯納量

采用單位葉面積顆粒物洗脫量(mg·m-2)表示葉片滯納大氣顆粒物的能力(圖1)，不同柳樹葉片的TRP滯納量間存在顯著差異(P<0.05)。蒿柳(4 933.14 mg·m-2)和龍爪柳(4 767.33 mg·m-2)的葉面TRP滯納量顯著高于葉面TRP滯納量最小的垂柳(3 595.90 mg·m-2),旱柳和垂柳的TRP滯納量無顯著差異。

圖1 4種柳樹葉片表面滯納易去除與難去除顆粒物的質(zhì)量(平均值±標準誤，n=3)Fig.1 Mass of the easily-removing and difficultly-removing PM retained on leaf surfaces of four willows (mean ± SE, n=3)

4種柳樹葉片的ERP滯納量間也存在顯著差異(P<0.05)，而DRP滯納量間無顯著差異。其中，龍爪柳的ERP滯納量最高(2 397.17 mg·m-2)，并顯著高于旱柳(1 477.68 mg·m-2)和垂柳(1 202.36 mg·m-2)。不同類型顆粒物質(zhì)量百分比在4種柳樹間差異較大，ERP的質(zhì)量百分比表現(xiàn)為龍爪柳(50.28%)>旱柳(39.4%)>蒿柳(37.4%)>垂柳(33.44%)，DRP的趨勢與之相反。

2.2 4種柳樹葉面不同類型顆粒物的粒徑分布特征

如圖2所示，對于4種柳樹的ERP和DRP，均呈現(xiàn)出粒徑越大質(zhì)量比例越高的趨勢。對于同一徑級的ERP和DRP，不同柳樹之間的質(zhì)量比例不同。在ERP不同徑級間，3種喬木柳中d≥10 μm的顆粒物比例相近且低于灌木柳蒿柳，而d≤10 μm的顆粒物比例均高于蒿柳。在DRP不同徑級間，蒿柳和龍爪柳中大顆粒物(d≥10 μm)的比例高于垂柳和旱柳； 對于d≤10 μm的顆粒物比例，旱柳最大，蒿柳最小。

圖2 4種柳樹葉面易去除(左側(cè)柱)和難去除(右側(cè)柱)顆粒物的粒徑分布Fig.2 Diameter distribution of the easily-removing (left bars) and difficultly-removing (right bars) PM retained on the leaf surfaces of four willows

對各徑級顆粒物的分布百分比進行加權(quán)平均，得到4種柳樹葉面PM的平均粒徑(表2)，2種類型顆粒物的平均粒徑均在27～41 μm范圍內(nèi)。對于ERP，各柳樹葉面PM的平均粒徑表現(xiàn)為蒿柳>龍爪柳>垂柳>旱柳； 對于DRP，則表現(xiàn)為龍爪柳>蒿柳>垂柳>旱柳。

表2 4種柳樹葉面不同類型顆粒物的平均粒徑Tab.2 Average diameter of different types of PM retained on leaf surfaces of four willows

2.3 4種柳樹葉片對不同粒徑顆粒物的滯納能力

圖3表明：對于ERP的PM1、PM1-2.5和PM2.5-10，不同柳樹葉面各徑級滯納量間無顯著差異，而蒿柳和龍爪柳的PM10-100顯著高于旱柳和垂柳；對于DRP的PM1、PM1-2.5，旱柳的滯納量顯著高于龍爪柳和蒿柳，而PM2.5-10和PM10-100在4種柳樹之間無顯著差異。

圖3 4種柳樹葉面滯納不同徑級易去除和難去除顆粒物的質(zhì)量(n=3)Fig.3 Mass of the various diameter of easily-removing and difficultly-removing PM retained on leaf surfaces of four willows (n=3).

2.4 4種柳樹對顆粒物的滯塵效率

從表3可知，對于TSP滯塵效率，4種柳樹的TRP排序為蒿柳>龍爪柳>旱柳>垂柳，ERP為龍爪柳>蒿柳>旱柳>垂柳，DRP為蒿柳>垂柳>龍爪柳>旱柳。對于不同徑級顆粒物滯塵效率，4種柳樹之間差異明顯。旱柳對粒徑d≤10 μm的TRP和DRP滯塵效率均最高，比其他柳樹分別高出34%～202%和25%～261%； 蒿柳對TRP和DRP的PM10-100、TSP滯塵效率最高，對PM1、PM1-2.5均最低。龍爪柳對ERP各粒徑顆粒物和TSP的滯塵效率最高，垂柳最低。

表3 4種柳樹葉片對不同類型各徑級顆粒物的滯塵效率Tab.3 Efficiency of leaves of four willow species in retaining three types (ERP, DRP, TRP) of PM within the various diameter classes

3 討論

3.1 4種柳樹葉片對ERP和DRP的滯納能力

樹木葉片滯塵能力可分為兩大類： 一類是“易再生滯塵能力”，指葉片滯納顆粒物受降雨、風(fēng)等自然因素沖刷后，經(jīng)一定時間可再次滯納顆粒物的能力，可評估葉片的動態(tài)滯塵效應(yīng)； 另一類是“難再生滯塵能力”，指葉片牢固滯納顆粒物而不易受雨水沖刷等自然因素影響的能力，可反映葉片的穩(wěn)定滯塵效應(yīng)(劉金強等， 2016)。本研究葉片所滯納的顆粒物分為易去除顆粒物(ERP)和難去除顆粒物(DRP)2類。劉歡歡等(2016)在雨后4天測得銀杏(Ginkgobiloba)葉片ERP占33%； Liu等(2018)取雨后4天和14天的ERP比例均值，結(jié)果表明圓柏(Juniperuschinensis)占比45%、油松(Pinustabulaeformis)38%、垂柳31%、銀杏30%、龍爪槐(Sophorajaponica‘Pendula’)23%。本研究采用與上述2個報道相同的顆粒物洗脫方法，得到柳樹葉片對ERP和DRP的滯納量，結(jié)果顯示4種柳樹葉片在雨后7天對ERP的滯納量差異顯著，占滯塵總量比例為30%～50%，均值為38%，高于以往報道的闊葉樹種對ERP的滯納比例(劉歡歡等， 2016； Liuetal., 2018)。此外，4種柳樹的DRP滯納量無顯著差異，表明不同種柳樹對顆粒物的消減效應(yīng)主要決定于其對ERP的滯納能力。

3.2 4種柳樹葉面滯納顆粒物的粒徑分布特征

4種柳樹葉片滯納的ERP和DRP均以大粒徑顆粒物(PM10-100)為主，占總滯塵量的80%以上，表明闊葉樹種對大粒徑顆粒物滯納能力較強(劉同彥等， 2016； 劉金強等， 2016)。葉片結(jié)構(gòu)是影響葉面顆粒物粒徑分布特征的主導(dǎo)因素(劉同彥等， 2016； Liuetal., 2018)，本研究4種柳樹葉表面的結(jié)構(gòu)特征具有明顯差異(表1)，導(dǎo)致其滯納顆粒物的粒徑分布特征不同。劉玲等(2013)根據(jù)研究的7種樹木葉片表面微形態(tài)與吸附不同粒徑顆粒物的差異，將樹木葉片分為2個功能組： Ⅰ類是表皮吸附主導(dǎo)型，表皮毛多，主要吸附粗顆粒物； Ⅱ類是氣孔吸附主導(dǎo)型，無表皮毛，主要吸附細顆粒物。本試驗中蒿柳單位葉面積顆粒物洗脫量最多，ERP平均粒徑最大，且滯納的ERP和DRP大粒徑顆粒物(PM10-100)所占比例最高，分別為93.5%和94.2%，這與蒿柳葉片背面密集表皮毛有關(guān)。還有研究表明樹木葉片表皮毛有許多是腺毛，分泌的脂類物質(zhì)可黏附粗顆粒物(Kardeletal., 2011)。另外，植物葉片吸滯顆粒物的粒徑也與其生活型有關(guān)，喬木主要吸附細顆粒物，灌木更利于滯留地面揚塵從而吸附較多粗顆粒物(賈文茹等， 2014； 張維康等， 2015)。因此，蒿柳作為灌木型樹種，相對于其他3種喬木型柳樹而言能夠更多地吸滯粗顆粒物。本研究中旱柳葉片的顆粒物平均粒徑最小，滯納d≤10 μm的小粒徑顆粒物所占比例最高，占ERP和DRP的比例分別為13.4%和18.4%，并且對d≤10 μm的DRP滯納量是ERP的2倍以上，可能與其葉片無表皮毛而屬于氣孔吸附主導(dǎo)型有關(guān)，因此能牢固吸附細顆粒物而不易脫落。龍爪柳對ERP每個徑級顆粒物的單位葉面積滯納量均最大，可能由于其枝葉卷曲從而便于物理性滯留更多顆粒物。與其他3個供試樹種相比，葉片光滑、平展且無明顯結(jié)構(gòu)特征的垂柳對大粒徑顆粒物的滯納量并不突出，但滯納DRP中d≤10 μm小粒徑顆粒物所占比例僅次于旱柳，可能與旱柳同屬于氣孔吸附主導(dǎo)型，而旱柳葉背面具白粉，增加了葉面粗糙度，從而能更多地黏附顆粒物(張維康等， 2016)。以上僅從定性角度討論不同柳樹葉片結(jié)構(gòu)特征對顆粒物滯納的影響，今后還應(yīng)建立葉片顯微結(jié)構(gòu)與顆粒物滯納特征的量化關(guān)系，解析不同樹種葉片對顆粒物的滯納機制。

3.3 4種柳樹滯塵效率評價及其應(yīng)用建議

葉片滯塵是一個動態(tài)變化過程(Przybyszetal., 2014)，為了減小滯塵時間對單位葉面積滯塵量的影響，并增加不同研究之間的可比性，一些學(xué)者使用滯塵效率(單位葉面積每天滯納的顆粒物量)來評估植物的滯塵能力(Chenetal.， 2016； 劉金強等， 2016； Liuetal., 2018)。本研究中4種柳樹葉片對不同類型顆粒物(ERP、DRP、TRP)在粒徑尺度上的日均滯塵量差異較大，其中DRP的PM2.5和ERP的PM10-100在不同柳樹間差異顯著(圖3)，二者分別代表葉片通過附著、黏附作用而牢固滯納細顆粒物和通過物理方式滯留大粒徑顆粒物，因此本研究將DRP的PM2.5和ERP的PM10-100作為柳樹葉片滯塵能力的重要評價指標。若僅從葉片對顆粒物的滯納能力方面選擇適宜的滯塵樹種，建議在供試的4種柳樹中，針對降雨較少的地區(qū)，適合在交通綠地應(yīng)用旱柳、在居住和商業(yè)區(qū)應(yīng)用垂柳滯納DRP的細顆粒物，在工業(yè)區(qū)綠地應(yīng)用蒿柳滯納DRP粗顆粒物； 在降雨充沛地區(qū)建議栽植龍爪柳，實現(xiàn)其對ERP各粒徑顆粒物的高效滯納。

4 結(jié)論

4種柳樹葉片對ERP的滯納量差異顯著，排序為龍爪柳>蒿柳>旱柳>垂柳，而對DRP的滯納量無顯著差異。4種柳樹葉片滯納的ERP和DRP，均呈現(xiàn)出粒徑越大質(zhì)量比例越高的趨勢。龍爪柳葉面對各徑級ERP的滯塵效率最高，說明其葉片滯納的顆粒物循環(huán)更新快； 旱柳對DRP的PM10滯塵效率最高，反映其葉片能夠持久吸滯小粒徑PM； 垂柳僅次于旱柳，亦對DRP小粒徑顆粒物表現(xiàn)出較強的滯塵能力； 蒿柳則由于灌木生活型和表皮毛豐富，對DRP的PM10-100滯納效率最高?；谝陨?種柳樹對顆粒物的滯納特征，本研究對其在緩解空氣顆粒物污染中的選擇應(yīng)用提出了建議。