杭州8 種綠化樹種滯納TSP 和PM1、PM2.5、PM10 的效應(yīng)研究

吳翠蓉，江 波，張 露，孫華江，黃玉潔

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.武義縣自然資源和規(guī)劃局，浙江 武義 321200）

隨著我國城市化進程的快速推進和現(xiàn)代工業(yè)與經(jīng)濟水平的迅速發(fā)展，能源和資源的消耗量不斷增高，大氣顆粒物PM（Particulate matter）污染已經(jīng)成為當(dāng)前最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1]，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類的健康和生活[2]，尤其是空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑（D）D≤2.5 μm 和2.5 μm＜D≤10 μm 的可吸入顆粒物PM2.5和PM10[3]。PM10易進入呼吸道，對人體健康產(chǎn)生影響；而細顆粒物PM2.5可以穿過肺部存留在肺的深處，是對人體健康危害最大的污染物之一[4]。此外，城市中過量的總懸浮顆粒物（TSP）還會對大氣能見度造成較明顯的影響，其中，粒徑較小的細顆粒物可能會引起區(qū)域灰霾以及光化學(xué)煙霧現(xiàn)象，進而加劇溫室效應(yīng)[5]。有研究表明，植物可吸附捕捉大氣顆粒物，從而在一定程度上消納、減輕大氣污染，對改善空氣質(zhì)量具有顯著的效果[6]。植物葉片因其表面性能（絨毛、氣孔等結(jié)構(gòu)）可以有效地滯留和固定空氣中的懸浮顆粒物，使其脫離大氣環(huán)境[7]，因此，植物的滯塵能力已經(jīng)逐漸變成城市園林綠化樹種選擇的一個重要指標(biāo)[4]。目前，我國學(xué)者在不同植物在滯留大氣顆粒物能力及機理等方面已開展了一些研究，柴一新等[8]、方穎等[9]、粟志峰等[10]、賀勇等[11]、王兵等[12]、劉玲等[13]、江勝利[14-15]等、李恩寶[16]分別對哈爾濱、南京、北京、杭州等地不同樹種的顆粒物滯納能力做了對比分析，結(jié)果表明不同樹種、不同地點植物的滯塵作用均不相同。不同樹種滯塵能力差異基本表現(xiàn)為：喬木＞灌木＞草地，針葉樹種＞闊葉樹種，常綠闊葉林＞落葉闊葉林。

由于不同城市的大氣污染特征不同，植物分布也存在明顯差異，針對地域特性和植物分布特點，本文選取杭州市8 種綠化樹種，使用氣溶膠再發(fā)生器對其葉片上各徑級顆粒物的滯留量進行測定，結(jié)合葉面微觀結(jié)構(gòu)，探討不同樹種吸附顆粒物的能力，篩選出具有較強滯塵能力的植物種類，以期為城市綠化中的植物種類配置與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 采樣點選擇

供試樹種所在地點位于杭州植物園和武林小廣場萬向公園，其中，杭州植物園，植被覆蓋率達80%以上，并且采樣點距離周圍道路較遠，園內(nèi)植物受汽車尾氣、工廠以及人類活動影響相對較少；武林小廣場萬象公園附近行人密度大，車流量大，受機動車排放尾氣影響較大。

1.2 供試材料及采集方法

根據(jù)采樣點現(xiàn)有植物種類進行樹種選擇和樣品采集，在武林小廣場和杭州植物園選擇樹齡相近、生長未受其他樹木干擾的8 種杭州市常見園林綠化植物進行葉片采樣，其中包括5 種落葉喬木：銀杏Ginkgo biloba，海棠花Malus spectabilis，東京櫻花Cerasus×yedoensis，玉蘭Yulania denudate，楓香樹Liquidambar formosana；3種常綠喬木：樟Cinnamomum camphora，木犀Osmanthus fragrans，樂昌含笑Michelia chapensis，見表1。

選擇2019 年5 月中距最近一次降雨7 天后采樣，所有樣品采集均在一天內(nèi)完成。采樣時每個樹種選擇樹齡相近，植株生長良好、葉面無病蟲害，且胸徑、樹高、冠幅相近的樣本，在樹冠外圍東、南、西、北4 個不同方向均勻采集生長良好的足量葉片，采樣高度在2～ 6 m。每個樹種選擇5 株做樣本，采集的葉樣合并，得到混合樣品，葉片采集下來后盡量小心不抖動迅速裝入保鮮袋后封好，標(biāo)明采樣時間和地點，帶回實驗室進行處理。

1.3 單位葉面積顆粒物滯留量

葉片樣品的TSP，PM10，PM2.5，PM1吸附量使用氣溶膠再發(fā)生器（QRJZFSQ-I）通過風(fēng)蝕原理測得[18]。將待測葉片樣本放入氣溶膠再發(fā)生器的料盒內(nèi)，通過攪動、吹強風(fēng)再去靜電等處理將葉片上的顆粒物再次吹起，制成氣溶膠，再結(jié)合Dustmate 粉塵顆粒物檢測儀（英國Turkey 公司生產(chǎn)）獲取制成氣溶膠中的TSP，PM10，PM2.5，PM1質(zhì)量濃度，進而推算出其在葉片上的吸附量，每個樹種3 次重復(fù)；再利用葉面積掃描儀和葉面積軟件計算放入料盒中所有葉片葉面積，由式（1）[18]計算單位葉面積的TSP，PM10，PM2.5，PM1吸附量。

表1 供試植物基本性狀Table 1 Species,tree height,crown diameter and single leaf area of tested plants

式中，M為單位葉面積的TSP，PM10，PM2.5，PM1吸附量（μg·cm-2）；m為放入氣溶膠再發(fā)生器葉片的TSP，PM10，PM2.5，PM1吸附量（μg）；S為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積（cm2）。

1.4 葉面積指數(shù)

每個樹種選取3 株標(biāo)準(zhǔn)植物作為樣本，以30 cm×30 cm×30 cm 作為一個單位樣方，在每個樣本的樹冠上隨機選擇3 個樣方，計算每個樣方內(nèi)的葉片平均數(shù)C；隨機從樣本樹冠的不同部位剪下15 片葉片測量其葉面積，取平均值作為該樹種的單位葉面積A（cm2）；該樹種的葉面積指數(shù)LAI[21-22]為：

1.5 單位綠地面積滯塵量

單位綠地面積滯塵量（W）的計算公式為：

式中，Q是供試樹種單位葉面積的顆粒物滯納量。

1.6 葉表面微觀結(jié)構(gòu)觀察

另取各樹種生長狀況良好的健康葉片，立即封存于塑料袋內(nèi)帶回實驗室。選取樣本葉片上、下表面避開主葉脈，隨機從不同部位用刀片切割成5 mm×5 mm 的樣品，用雙面膠黏在樣品臺上，經(jīng)過噴金處理后，用Quanta 200FEG 場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（美國FEI 公司）在低真空模式下觀察葉片表面結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)谋壤M行拍攝。選擇10 張放大500 倍的掃描電鏡圖，計算葉片下表面（上表面未發(fā)現(xiàn)氣孔）的氣孔密度以及葉片上、下表面的絨毛密度。用ImageJ 圖像處理軟件，隨機選擇50 個氣孔，測量其長、寬、面積以及部分樹種葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)的尺寸[20]。

1.7 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0 軟件進行單因素方差分析法、多重比較和相關(guān)性分析，圖表使用Excel 2007 繪制完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種單位葉面積滯塵量比較

從圖1 可看出，不同樹種對不同粒徑顆粒物的滯納能力存在顯著差異（P＜0.05）。滯納TSP 的能力排序為木犀＞海棠花＞玉蘭＞東京櫻花＞樂昌含笑＞楓香樹＞銀杏＞樟，其中，木犀和海棠花單位葉面積滯納TSP 的能力最強，分別為（1.46±0.15）μg·cm-2和（1.45±0.14）μg·cm-2，玉蘭、東京櫻花和樂昌含笑次之，分別為（1.04±0.11）、（0.90±0.22）、（0.73±0.12）μg·cm-2，楓香樹、銀杏和樟最小，分別為（0.57±0.09）、（0.48±0.08）μg·cm-2和（0.46±0.07）μg·cm-2，單位葉面積滯納TSP 最大的木犀是樟的3.17 倍；各樹種葉片滯納PM10的能力排序與TSP 基本一致，葉片滯納PM10能力最強的樹種為海棠花和木犀，分別為（0.54±0.06）、（0.43±0.03）μg·cm-2，其次是東京櫻花、玉蘭和銀杏，分別為（0.27±0.07）、（0.23±0.02）、（0.21±0.04）μg·cm-2，能力較弱的為楓香樹和樟，僅為（0.16±0.04）、（0.11±0.01）μg·cm-2；滯納PM2.5能力排序為海棠花＞木犀＞銀杏＞東京櫻花＞樂昌含笑＞楓香樹＞玉蘭＞樟，其中，海棠花和木犀單位葉面積滯納PM2.5的能力最強，分別為（0.38±0.07）μg·cm-2和（0.25±0.04）μg·cm-2，銀杏、東京櫻花、樂昌含笑和楓香樹次之，分別為（0.16±0.03）、（0.15±0.02）、（0.11±0.01）、（0.09±0.03）μg·cm-2，玉蘭和樟最小，分別為（0.07±0.02）μg·cm-2和（0.05±0.01）μg·cm-2，海棠滯納PM2.5的能力顯著高于其他樹種（P＜0.05）；各樹種葉片滯納PM1的能力排序與PM2.5一致，其中，海棠花和木犀單位葉面積滯納PM1的能力最強，分別為（0.25±0.04）μg·cm-2和（0.11±0.01）μg·cm-2，銀杏、東京櫻花、樂昌含笑和楓香樹次之，分別為（0.09±0.02）、（0.06±0.01）、（0.04±0.01）、（0.03±0.02）μg·cm-2，玉蘭和樟最小，分別為（0.03±0.004）μg·cm-2和（0.01±0.002）μg·cm-2，樟葉片滯納PM1的能力最弱。

圖1 8 個樹種單位葉面積TSP，PM10，PM2.5 和PM1 的吸附量Figure 1 TSP,PM10,PM2.5 and PM1 concentrations of unit leaf area of 8 tree species

2.2 單位綠地面積滯塵量比較

由圖2 可知，木犀單位綠地面積滯納TSP 量顯著高于其他樹種（P＜0.05），其次是玉蘭、樂昌含笑、楓香樹和東京櫻花，海棠花、樟和銀杏的單位綠地面積的滯塵量相對較小。從8 個樹種的單位綠地面積滯塵量與其單位葉面積滯塵量排序來看，海棠花單位葉面積的滯塵量相對較大，但其單位綠地面積的滯塵量在8 個樹種中僅排在第6 位；木犀單位葉面積的滯塵量顯著高于其他樹種，且因為木犀的枝葉生長繁密，所以其單位綠地面積的滯塵量也顯著高于其他樹種（P＜0.05）。

圖2 單位綠地面積TSP、PM10、PM2.5 和PM1 的吸附量Figure 2 TSP,PM10,PM2.5 and PM1 concentrations of unit green land area

2.3 不同采樣點單位葉面積滯塵量比較

由表2 可知，杭州植物園8 個樹種的TSP 滯塵量在0.26～ 1.33 μg·cm-2之間，而武林小廣場TSP 含量在0.56～ 1.75 μg·cm-2之間。兩個采樣點單位葉面積滯塵量較大者均為海棠花和木犀。

同一植物的單位葉面積滯塵量在不同采樣點表現(xiàn)出明顯的差異，武林小廣場的樂昌含笑、楓香樹、木犀和銀杏葉片的TSP 量高于植物園的，海棠花與樟的變化不大，玉蘭和東京櫻花的稍低于植物園的滯塵量。

從不同粒徑在總滯塵量中的占比看，杭州植物園8 個樹種的PM10，PM2.5，PM1在TSP 滯留量中的占比平均為27.68%，14.41%，6.25%；武林小廣場8 個樹種PM10，PM2.5，PM1的滯留量分別占TSP 滯留量的比例平均為32.43%，20.60%，9.47%，均高于杭州植物園中的樹種。銀杏和海棠葉片滯留粒徑小于10 μm 小顆粒的占比高于其他樹種，玉蘭葉片對粒徑小于2.5 μm 的小顆粒滯留能力較低，這與植物葉片自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

表2 不同采樣點樹種單位葉面積滯塵量對比Table 2 Comparison of dust retention per unit leaf area of 8 species tested in different area

2.4 樹種葉片的微觀結(jié)構(gòu)比較

2.4.1 不同樹種葉片比較 由圖3 可知，銀杏葉片的上表面有條狀細胞凸起，排列較緊密整齊，表面粗糙度較高，下表面氣孔呈近圓形，孔徑較大，氣孔邊緣呈瘤狀凸起形成溝槽，增加了葉片下表面的粗糙度；樟葉片的上表面光滑，無明顯凹凸結(jié)構(gòu)、下表面氣孔呈橢圓形，氣孔邊緣突起；木犀葉片的上表面有條形凸起和溝槽，分布腺點，紋理不規(guī)則，有利于顆粒物的粘附，下表面氣孔呈近圓形，孔徑較小密集分布在下表面腺點周圍；海棠花葉片的上表面被小柔毛，絨毛上粘連阻滯了較多細顆粒物，葉面無明顯溝槽結(jié)構(gòu)，下表面有較淺的線型紋飾，氣孔呈梭形且較密集分布；東京櫻花葉片的上表面有稀疏脈絡(luò)分布，溝槽較淺，下表面氣孔周圍被毛呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包裹在氣孔周圍；玉蘭葉片的上表面呈網(wǎng)格狀皺褶，皺褶較淺，溝槽較窄，但葉表面被毛，毛體直立較硬，下表面氣孔周圍被毛，葉毛較硬較長，均勻分布；楓香樹葉片的上表面呈網(wǎng)格狀皺褶，凸起較明顯，且更均勻緊湊，下表面有較淺網(wǎng)格狀突起，氣孔孔徑大小不一，均勻分布；樂昌含笑葉片的上表面網(wǎng)格皺褶最淺，分布較玉蘭和樂昌含笑稀疏，下表面無明顯凹凸結(jié)構(gòu)。

表3 各樹種葉面特征Table 3 Leaf surface characteristics of different species

從表3 和表4 可以看出，在8 個樹種中以木犀的氣孔密度最大，其次為楓香樹、玉蘭、東京櫻花、樂昌含笑、海棠花和樟，銀杏的氣孔密度最小；銀杏的氣孔面積最大，木樨氣孔面積較小。不同樹種單位葉面積顆粒物滯留量與氣孔密度、氣孔面積和絨毛密度呈正相關(guān)關(guān)系。氣孔密度與TSP 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

2.4.2 不同采樣點葉片對比 對比杭州植物園和武林小廣場樹種葉片的上表面，可以發(fā)現(xiàn)武林小廣場各樹種葉片上表面黏附的顆粒物明顯變多，海棠花和玉蘭葉片的上表面絨毛變細變長，增加了葉片的粗糙度，柔毛結(jié)構(gòu)卡住了更多顆粒物，木犀葉片的上表面腺點變少；楓香樹葉片的上表面的網(wǎng)格狀皺褶變亂且不規(guī)則，皺褶加深，溝槽寬度變大，皺褶中滯留了更多顆粒物。對比觀察兩個采樣點樹種葉片下表面的變化，可以看出，相比杭州植物園的樹種葉片樣品，武林小廣場的木犀、東京櫻花、玉蘭、樂昌含笑葉片下表面的氣孔很多都塞滿顆粒物，氣孔形狀變得不規(guī)則，邊緣松弛；東京櫻花葉片下表面氣孔周圍的絨毛結(jié)構(gòu)變得黏連板結(jié)，縫隙間附滿顆粒物；楓香樹葉片下表面葉毛變得細長卷曲，更有利于卡住顆粒物；而玉蘭葉片下表面絨毛也變長，但絨毛密度降低。

表4 葉面特征與滯塵量相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis on leaf characteristics and dust retention

圖3 不同采樣點葉片上、下表面微觀結(jié)構(gòu)比較Figure 3 Microstructure of leaves of 8 different tree species in different area

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 樹種單位葉面積滯塵量與單位綠地面積滯塵量比較 樹種的葉面積指數(shù)和單位葉面積的滯塵量都會影響一個樹種的滯塵能力[22]。8 個樹種的單位綠地面積滯塵量排序較單位葉面積滯塵量發(fā)生了變化，木犀與海棠花的單位葉面積滯塵量顯著高于其他樹種，但木犀的枝葉生長繁密，單葉面積也相對較大，所以其單位綠地面積滯塵量同樣顯著高于其他樹種，海棠花因單葉面積小、葉量較少，與其單位葉面積滯塵量相比，單位綠地面積滯塵量在8 個樹種中的排序顯著下降。范舒欣[36]等對北京26 種落葉闊葉綠化樹種的滯塵能力研究發(fā)現(xiàn)槐Styphnolobium japonicum，三球懸鈴木Platanus orientalis等樹種，在葉片滯塵能力并不占優(yōu)勢的情況下，因其全株葉量較大，表現(xiàn)出較強的植株滯塵能力；而葉片滯塵能力較強的紅葉碧桃Amygdalus persica‘Atropurpurea’，紫薇Lagerstroemia indica等，由于葉量較小、枝冠結(jié)構(gòu)較通透，導(dǎo)致植株滯塵能力下降。考慮到樹體大小、葉面積、葉量及林木健康狀況，單位葉面積顆粒物滯留量與葉面積指數(shù)的乘積即單位綠地面積顆粒物滯留量是評價植物滯留顆粒物功能的合理指標(biāo)[21]。

3.1.2 各樹種不同粒徑粉塵顆粒物滯留能力比較 本研究中不同樹種單位葉面積的TSP，PM10，PM2.5和PM1含量分別為0.46～ 1.46，0.11～ 0.54，0.05～ 0.38，0.003～ 0.25 μg·cm-2，不同樹種間相差2～ 4 倍。王會霞[25]等研究表明西安城市綠化樹種的滯塵能力為0.8～ 38.6 g·m-2，物種間的差距最高達40 倍以上，該研究將葉片滯納的所有粒徑的顆粒物包含在內(nèi)，導(dǎo)致其結(jié)果高于本研究結(jié)果。另外，一些研究表明水洗稱量法的結(jié)果會略大于氣溶膠法。柴一新[8]等對哈爾濱市28 個樹種進行滯塵測定的結(jié)果表明，樹種之間的滯塵能力可相差2～ 3 倍，與本研究結(jié)果基本吻合。

本研究結(jié)果表明，東京櫻花、樂昌含笑和楓香樹的單位葉面積的TSP 滯留量均大于銀杏，其單位葉面積PM2.5的滯留量卻均小于銀杏；玉蘭單位葉面積的TSP 滯留量居第3 位，而其PM2.5滯留量卻居第7 位。賈彥[27]等研究也發(fā)現(xiàn)，木犀葉片上TSP 的滯納量是紅花檵木Loropetalum chinensevar.rubrum的2 倍，但是兩個樹種葉片單位葉面積的PM2.5滯納量卻相差不大，這說明樹種單位葉面積的滯塵能力不能決定其對不同粒徑顆粒物的滯納能力。

3.1.3 葉表面微觀結(jié)構(gòu)對樹種滯塵能力的影響 植物吸附滯納空氣顆粒物主要以葉片為載體，因此，葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)，包括紋理結(jié)構(gòu)、蠟質(zhì)層和氣孔的大小密度、絨毛的長短都會對植物葉片滯納顆粒物的能力產(chǎn)生影響。劉璐等[34]研究表明，葉片表面氣孔密度越大，滯塵能力越強。本研究中，木犀葉片的上表面覆有蠟質(zhì)層和均勻分布的腺點，利于粉塵粘附，且其氣孔密度顯著高于其他樹種，整體滯塵能力也高于其他樹種；柴一新[8]等研究發(fā)現(xiàn)，植物葉表面的絨毛越細長，越有利于卡住顆粒物，使其難以脫離從而加強滯塵效果。葉表面粗糙[28]、具有大量溝槽和凸起結(jié)構(gòu)[29]可以增大葉表面與空氣中粉塵顆粒物之間的接觸面積和物理作用力，有利于顆粒物在葉面上附著，使顆粒物不易脫落[30]；葉表面光滑或具有平滑片狀組織的植物對粉塵顆粒物吸附能力較差[31]；海棠花的葉片邊緣具有腺齒，且沿葉脈被有柔毛，當(dāng)粉塵與葉片接觸時，會被腺齒和柔毛卡住，從而有利于粉塵的滯留；而葉片表面較為平整光滑以及沒有溝槽、絨毛等其他結(jié)構(gòu)的樟、樂昌含笑的滯塵能力則相對較弱，而且樟的葉片邊緣呈微波狀，陳瑋[32]等以單位葉片干質(zhì)量對應(yīng)的滯塵量表征不同樹種的滯塵能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉型平闊的樹種顆粒物滯納功能較高，這與本研究結(jié)果吻合。對比不同區(qū)域的樹種葉片微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)相對污染較重區(qū)域的各樹種葉片絨毛及紋理有一定程度改變。Pal[23]等研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片絨毛在重污染情況下會變長，葉片紋理會變得更加粗糙，這是植物為了更好適應(yīng)污染環(huán)境變化的應(yīng)對策略。張維康[24]通過觀察植物葉片的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，污染區(qū)植物葉片外表皮細胞收縮，葉片表皮的紋理變得更加粗糙，氣孔頻度和絨毛長度增加。

3.2 結(jié)論

（1）杭州市8 種綠化樹種的滯塵能力差異顯著（P＜0.05）。從單位葉面積的滯塵量來看，木犀和海棠花單位葉面積滯納TSP 的能力最強，玉蘭和東京櫻花次之，銀杏和樟最小，單位葉面積滯納TSP 最大的木犀是樟的3.17 倍。從單位綠地面積的TSP 含量來看，木犀顯著高于其他樹種，其次為玉蘭、樂昌含笑、楓香樹和東京櫻花，海棠花、樟和銀杏相對較小。

（2）各徑級顆粒物的滯納能力，單位葉面積葉片滯納PM10能力最強的樹種為海棠花和木犀，能力較弱的為樟和楓香樹；滯納PM2.5的能力，海棠花顯著高于其他樹種（P＜0.05），其次為木犀，楓香樹和樟較低。各樹種葉片滯納PM1的能力排序與PM2.5基本一致，樟葉片滯納PM1的能力最低。

從單位綠地面積的滯塵量來看，PM10的滯納能力，木犀顯著高于其他樹種，其次為楓香樹、樂昌含笑、玉蘭、東京櫻花和海棠花，銀杏、樟較低；PM2.5和PM1的滯納能力趨勢一致，均為木犀最高，其次為海棠花、楓香樹、樂昌含笑、銀杏、東京櫻花，樟和玉蘭較低；銀杏和海棠花葉片粒徑2.5 μm 及以下小顆粒占總滯塵量的比例顯著高于其他樹種，樟、玉蘭對粒徑小于2.5 μm 及以下小顆粒滯留能力較低。

（3）不同樹種單位葉面積顆粒物滯留量與氣孔密度、氣孔面積和絨毛密度呈正相關(guān)關(guān)系。氣孔密度與TSP含量呈顯著正相關(guān)。