八种常见行道树叶表面滞尘效果的比较分析

Comparative Analysis of Dust Retention Effects on the Surface of Leaves of Eight Common Street Trees

摘要: 为了筛选优良的绿化树种，以宜州城区常见的行道树为研究对象，利用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜及相关处理软件，对八种行道树叶表面滞留的大气颗粒物粒径、叶表面微观结构及其与单位叶面积滞尘量的相关性进行比较分析。结果表明：1) 本研究的行道树种叶表面滞留的大气颗粒物粒径大部分介于0.2 μm~6.0 μm之间，其中，秋枫叶表面滞留的大气颗粒物粒径主要为1 μm左右，其余7种行道树叶表面滞留的大气颗粒物粒径主要为0.2 μm~1 μm和3 μm~5 μm；2) 不同行道树种叶表面的单位面积滞尘量有较大差异，其中，小叶榕最大(平均值为0.6895 g/m²)，天竺桂最小(平均值为0.1245 g/m²)，不同行道树种叶表面的单位面积颗粒物滞留量排序为：小叶榕 > 红花羊蹄甲 > 高山榕 > 杧果 > 秋枫 > 桂花 > 白兰 > 天竺桂；3) 叶表面微观结构与其滞尘量相关性较大，其中，保卫细胞面积、气孔宽度与单位叶面积滞尘量呈极显著的正相关，气孔密度和气孔长度与单位叶面积滞尘量呈显著负相关或正相关。从宜州八种行道树叶片滞尘效果的综合比较分析中可知，小叶榕的滞尘能力最强，可作为当地交通繁忙区行道树的优选树种。

Abstract: In order to select excellent green tree species, street trees commonly found in the Yizhou urban ar-ea were selected as the research objects. The particle size, leaf surface microstructure and their correlation with dust retention per unit leaf area were compared and analyzed by laser particle size analyzer, scanning electron microscope and related processing software. The results showed that: 1) the particle size of retained atmospheric particles on the leaf surface of the street tree species in this study was mostly between 0.2 μm and 6.0 μm. The particle size of retained atmospheric parti-cles on the leaf surface of the B. javanica leaf was mainly about 1 μm, and the particle sizes of the other 7 street tree leaves were mainly 0.2 μm~1 μm and 3 μm~5 μm. 2) The dust retention per unit area of the leaf surface of different street tree species was significantly different, among which, F. concinna was the largest (average value was 0.6895 g/m²), while C. japonicum was the smallest (av-erage value was 0.1245 g/m²). The order of particle retention per unit area of the leaf surface of different street tree species was as follows: F. concinna > B. blakeana > F. altissima > M. indica > B. javanica > O. fragrans > M. alba > C. japonicum; 3) the microscopic structure of the leaf surface was significantly correlated with the dust retention amount, among which, the area of stomata guard cells and stomatal width were positively correlated with the dust retention amount per unit leaf area, and the density and length of stomata were negatively or positively correlated with the dust retention amount per unit leaf area. From the comprehensive comparative analysis of the dust re-tention effect of eight species of street trees in Yizhou, it can be seen that Ficus concinna has the strongest dust retention ability, and can be used as the preferred tree for street trees in local busy traffic areas.

1. 引言

大气颗粒物(Particulate matter, PM)是一种空气污染物的混合物，通常由悬浮在空中的固体和液体微粒组成 ‎[1] 。根据颗粒物的粒径不同，可将其分为：总悬浮颗粒物(TSP, < 100 μm)、可吸入颗粒物(PM 10, ≤ 10 μm)、细颗粒物(PM 2.5, ≤ 2.5 μm)、可入肺颗粒物(PM 1, ≤ 0.1 μm) ‎[2] 。大气颗粒物通常是由矿物沙尘、烟尘、花粉等自然因素，以及石油、煤炭等能源燃烧形成的碳质颗粒物、建筑水泥尘、金属冶炼形成的冶金尘等人为因素引起 ‎[3] 。这些空气中的悬浮颗粒物以游离的形式分布在大气环境中的各个角落，且极易被人吸入到体内，引起诸多不良反应。据不完全统计，每年会有200多万人因空气污染引发疾病甚至死亡 ‎[4] 。空气中的悬浮物可以通过口鼻、皮肤毛孔等多种途径进入人体内，并对人的健康产生一定的影响。其中，空气中的悬浮颗粒物进入人体的最主要途径是呼吸道。从口鼻开始，依次通过咽喉、气管、肺泡管、再到肺泡，一些细小的颗粒会进入到血液当中，通过血液的循环往复，最终到达全身的组织和器官 ‎[5] 。这个过程会造成身体各个部位的功能受损，使呼吸系统、血液系统、免疫系统、内分泌系统等出现异常，进而引发各种免疫缺陷、心血管疾病，甚至早逝 ‎[6] 。

此外，大气颗粒物可以对阳光可见度、气候变化、降水量、植物生理及地球生物化学循环等多个方面产生一定影响 ‎[7] 。因为大气中的黑色碳元素对光线的吸收能力很强 ‎[8] ，所以，大气颗粒物浓度较高时，其吸收的光线也比较多，从而使空气的能见度降低 ‎[9] 。当空气中的微粒含量达到一定程度后，微粒就会向周围扩散或者吸收阳光，不仅影响植物的光合作用，同时也会使大气层的能量不能正常传递和循环，从而直接或间接地引发气候变化，如温室效应、热岛效应等 ‎[10] 。此外，空气中的微粒对大气降雨量也有一定的影响。相关研究结果表明，在高浓度颗粒物排放的城市，降雨比郊区多5%~10%，而悬浮微粒中的SO₂会使降雨的pH发生变化，甚至出现酸雨 ‎[11] ‎[12] ‎[13] 。

随着我国工业化水平和城市化程度不断提高，大气颗粒物污染程度日益加重，并对人体的生理和心理造成了极大的损伤 ‎[4] ‎[14] 。因此，大气颗粒物的污染问题，应引起人们的高度重视。相关研究结果表明，植物既能美化人类的居住环境，又能通过叶片表面结构对大气颗粒物的阻挡、过滤和吸附作用，有效的降低大气中颗粒物的浓度，改善空气环境质量 ‎[15] ‎[16] ‎[17] ‎[18] ‎[19] 。我国地域辽阔，不同地区的气候和植被存在较大的差异，以往的相关研究，主要针对我国雾霾较为严重的华北地区和西部地区 ‎[20] ‎[21] ‎[22] ‎[23] ‎[24] ，而广西属于典型的亚热带季风气候区，自然地理和气候条件与以上地区有较大的差异，常绿和落叶阔叶林是当地常见的植被类型 ‎[25] 。河池市地处桂西北，是典型的喀斯特岩溶地区，也是经济欠发达的少数民族地区，近年来城市结构不断调整优化，建设规模越来越大，大气环境问题日益凸显。因此，以宜州常见的行道树为研究对象，对不同树种叶片表面的滞尘效果进行比较分析，可为当地优良行道树种的筛选及大气环境保护提供理论支持和基础数据。

2. 材料及方法

2.1. 样品采集及处理

综合考虑种植年限、生长状况、叶片基本特征、景观效果、生态效益等因素，选取宜州城区八种树龄相近的行道树作为研究对象(见表1)，每种树种选择3个样株，在离地面2 m~2.5 m高度，分别从东西南北方向，随机采集20张成熟叶片作为研究材料。

Table 1. List of some common street trees in Yizhou urban area

表1. 宜州城区部分常见行道树一览表

大风、降雨和沙尘暴等极端天气对叶表面的大气颗粒物滞留量有较大的影响 ‎[26] 。强度为10 mm/h且降雨量达15 mm以上的降水，可以冲刷掉叶片上的粉尘，然后重新滞尘 ‎[27] ；阴雨后连续4 d，叶片的大气颗粒物滞留量总体呈上升趋势，随后位于某一特定值上下波动 ‎[28] 。因此，在采集叶片样品时，应保证前一周的天气情况持续晴朗无雨、无大风。在摘取叶片的过程中，应利用一次性无粉乳胶手套进行采摘，尽可能避免大幅度抖动和触碰叶表面。采样时，把采集的叶片样品放入无静电的密封袋中，贴好标签，将其带回实验室，放入4℃的低温下保存，存放时间不宜过长，需在一周内完成相关实验。

2.2. 实验方法

2.2.1. 叶表面颗粒物质量的测定

采用重量差值法对叶表面滞留的颗粒物质量进行检测。在试验开始之前，先将孔径为0.2 μm的亲水滤膜放入60℃电热恒温鼓风干燥箱内烘30 min，取出后，立刻用精度为万分之一的电子天平进行称量，记录滤膜的初始重量(W₁)。实验时，剪取200 cm²左右的待测植物叶片组织，将其放入已编号的锥形瓶中，加入200 mL~300 mL的去离子水浸泡叶片组织，然后用保鲜膜将锥形瓶口封住，置于水浴恒温震荡器中震荡10 min，再用孔径为0.2 μm的亲水性滤膜进行抽滤，将滤膜在60℃下干燥2 h，取出后立刻用精度为万分之一的电子天平进行称量，记录抽滤后的滤膜重量(W₂)。抽滤前后滤膜重量的差值( $\Delta W=W_2-W_1$ )，即为待测植物叶片不同粒径颗粒物的质量。

2.2.2. 叶面积的测定

用清水将需要测量的叶片清洗干净，沥干其表面水分，用便携式叶面积仪测量叶片面积(S)，每张叶片重复测量3次，结果取平均值。植物滞留颗粒物质量与叶片总面积的比值，即为单位叶面积滞留颗粒物质量(μg/cm²)，计算公式为： $Q=\left(W_2-W_1\right)/S$ 。式中，Q为单位叶面积滞留颗粒物质量，W₁为滤膜初始重量，W₂为滤膜最终重量，S为试验叶片的总叶面积。

2.2.3. 叶表面微观形貌的观测

将待测植物叶片置于60℃的电热恒温鼓风干燥箱中直至完全烘干。选择比较平整的干叶，在叶脉的两侧各切2片(面积约为25 mm²)的小叶片，随机选取一片观察上表面，另一片则观察下表面；用导电胶将小叶片粘贴在试样台上，然后用离子溅射仪对试样进行喷金，最后用扫描电子显微镜对叶片表面结构及其附着的颗粒物形态进行观测，拍照保存，利用Image J图像处理软件对放大倍率为500×的电镜图像进行气孔密度、保卫细胞面积、气孔宽度和长度等叶片表面结构参数的测量。

2.2.4. 叶表面滞留颗粒物粒径大小的测量

取100 cm²待测植物叶片放入已编号的锥形瓶中，加入适量的去离子水经超声波洗脱处理后，立即将其取出，将洗涤液充分摇匀，用激光粒径分析仪对洗涤液中颗粒物的粒径进行测量，并利用其系统配置的分析软件进行数据的收集与处理。

2.3. 数据处理分析

实验均设3个重复，结果取平均值，实验数据统计用Excel 2010进行，数值用“平均值 ± 标准差”表示。使用SPSS 21.0对不同行道树单位叶面积的颗粒物滞留量进行单因素方差分析，通过对不同被测植物单位叶面积颗粒物滞留量与保卫细胞面积、气孔密度以及气孔大小之间的关系进行线性回归分析而得到拟合方程，绘图用Origin 2018进行。

3. 结果与分析

3.1. 不同行道树单位叶面积颗粒物滞留量的差异

不同行道树单位叶面积滞尘量的测定结果见图1，在本研究的八种行道树中，小叶榕的单位叶面积滞尘量最大，平均值为0.6895 g/m²；高山榕、红花羊蹄甲、杧果的单位叶面积滞尘量次之，分别为0.29733 g/m²、0.34183 g/m²和0.2373 g/m²；桂花、秋枫、天竺桂和白兰的单位叶面积滞尘量相差不大，分别为0.1580 g/m²、0.1669 g/m²、0.1245 g/m²和0.1452 g/m²。八种被测行道树单位叶面积滞尘量的大小排序为：小叶榕 > 羊蹄甲 > 高山榕 > 杧果 > 秋枫 > 桂花 > 白兰 > 天竺桂。

Figure 1. Comparison of dust retention per unit leaf area of eight street trees in Yizhou urban area

图1. 宜州城区八种行道树单位叶面积滞尘量的比较

3.2. 不同行道树叶表面滞留的颗粒物粒径差异

不同植物叶表面滞留的大气颗粒物粒径有一定的差异。在秋枫叶表面滞留的大气颗粒物中，粒径1 μm左右的颗粒物滞留量最大；其余被测树种叶表面滞留量最大的大气颗粒物，其粒径分别为0.2 μm~1 μm和3 μm~5 μm。具体情况见图2。

Figure 2. Particle size distribution of particulate matter retained by the leaves of eight common street trees in the urban area of Yizhou

图2. 宜州城区八种常见行道树叶片滞留的颗粒物粒径分布

3.3. 不同行道树种叶表面微观结构特征

利用扫描电镜对宜州城区八种常见行道树叶片上下表面的气孔长度、气孔密度、气孔宽度以及气孔面积、表皮毛等微观结构进行观察，叶表面SEM图像见图3，叶表面微观结构特征见表2，叶表面微观结构测量参数见表3。由图3可见，大气颗粒物主要滞留在叶表面的表皮毛等附属结构、腺体、气孔周围及褶皱凹陷处；气孔大多位于叶片的下表皮，上表皮的气孔数量较少或无；桂花、杧果、天竺桂叶片的上下表面有不同程度交织成网的丝状物，疑似菌类植物的菌丝，天竺桂叶片的下表面具针状毛；白兰上表面具明显的蜡质层，褶皱程度低，无明显沟壑，下表面具绒毛；高山榕的叶片表面光滑无毛，但有明显的蜡质层，细胞轮廓清晰，褶皱程度较深，具明显沟壑；秋枫叶表面光滑无毛，细胞轮廓清晰，上表面褶皱程度较浅，下表面褶皱程度较深，具明显沟壑；小叶榕表面光滑无毛，褶皱程度较浅，无明显沟壑；红花羊蹄甲的叶表面具纤毛且覆盖蜡质层，纤毛属单列毛，由单列细胞组成，毛体较柔软，呈短圆柱形。

注：A1、A2：白兰；B1、B2：高山榕；C1、C2：桂花；D1、D2：杧果；E1、E2：秋枫；F1、F2：天竺桂；G1、G2：小叶榕；H1、H2：羊蹄甲。

Figure 3. SEM images of the leave surface microstructure of eight species street trees in Yizhou urban area

图3. 宜州城区八种行道树叶表面微观结构的SEM图像

由表3可知，被测树种叶片的平均气孔密度、气孔长宽以及气孔面积均存在显著差异。其中，高山榕的平均气孔密度最大，秋枫、小叶榕的平均气孔密度最小；杧果的气孔面积最小，仅有15.88 μm²，而小叶榕的气孔面积最大，为741.25 μm²。

Table 2. Comparison of leaf surface microstructure and dust retention of eight street trees in Yizhou urban area

表2. 宜州城区八种行道树叶表面微观结构及滞尘量比较

Table 3. Measurement parameters of leaf surface microstructure of eight street trees in Yizhou urban area

表3. 宜州城区八种行道树叶表面微观结构的测量参数

注：数据为平均值 ± 标准差，同一列数据中的不同小写字母表示差异显著(p < 0.05)；“–”表示不存在。

相关性分析

为了说明植物叶表面结构与大气颗粒物滞留量的关系，可对被测树种叶片表面微观结构与其单位叶面积滞尘量的相关性进行分析，结果见表4。其中，保卫细胞面积、气孔宽度与单位叶面积滞尘量呈极显著的正相关(p < 0.01)，气孔密度和气孔长度与单位叶面积滞尘量呈显著负相关或正相关(p < 0.05)，线性回归分析的拟合方程和相关系数见图4，说明保卫细胞体积增大，可使气孔开口(即气孔宽度)增大，从而增强了叶表面对粗颗粒物的滞留能力。气孔密度与保卫细胞的面积呈极显著的负相关(p < 0.01)，而与单位叶面积滞尘量呈显著负相关(p < 0.05)；叶表面的保卫细胞面积越大，其单位面积的气孔数量就越小，由拟合方程y = −0.0003x + 0.4562可知，气孔密度越大，单位叶面积的滞尘量越小。因为保卫细胞的面积对气孔的宽度有影响，所以，其对单位叶面积滞尘量能够产生一定的影响。

Table 4. Correlation between leaf surface microstructure parameters and dust retention per unit leaf area

表4. 叶表面微观结构参数与单位叶面积滞尘量之间的相关性

注：^*表示在0.05水平相关显著；^**表示在0.01水平相关显著。

Figure 4. Linear fitting results of leaf surface structure parameters and dust retention per unit leaf area

图4. 叶表面结构参数与单位叶面积滞尘量的线性拟合结果

4. 讨论

4.1. 不同树种单位叶面积滞尘量的差异

宜州城区八种行道树的单位叶面积滞尘量差异较大。其中，小叶榕的单位叶面积滞尘量最大，天竺桂的单位叶面积滞尘量最小，两者相差4倍左右，该结果与一些学者的研究结果相似 ‎[29] ‎[30] 。宜州城区八种行道树叶表面滞留的可吸入颗粒物粒径为0.2 μm~2.5 μm的细颗粒物占比最高，与赵松婷 ‎[31] 的研究结果一致。但也有学者发现，植物叶表面对粒径为2.5 μm~10 μm的颗粒物滞留量，大于粒径为0.2 μm~2.5 μm的颗粒物滞留量 ‎[32] ，本研究结果与之不一致。引起不同学者研究结果产生差异的原因，可能是由于各自研究的地域(环境因子差异)、采样季节及树种不一致等多种原因造成的，具体问题有待深入分析。不同行道树种，其叶表面理化特性，如叶片大小、软硬度、湿润度、粘液的有无及伸展角度等，均对不同粒径的大气颗粒物的滞留量有一定的影响。

4.2. 叶表面微观结构对滞尘量的影响

受生物遗传因素的影响，不同植物的叶表面微观结构(如气孔的密度及大小、沟壑的宽度及深度等)差异较大。气孔导度(即气孔的宽度)以及保卫细胞面积与单位叶面积滞尘量呈极显著正相关，可能是因为保卫细胞面积的增大，增加了气孔的导度，改变了叶片表面的微环境，从而加强了叶片对粗颗粒物的阻滞作用，增强了叶片对大气颗粒物的滞留能力 ‎[33] ‎[34] 。在本研究中，气孔密度与保卫细胞面积、单位叶面积滞尘量呈极显著负相关或显著负相关，与张桐 ‎[35] 等人的研究结果相似，但与林星宇 ‎[36] 等人的研究结果不一致。事实上，影响植物叶片表面滞尘量的因素比较多，气孔密度仅是其中之一，其他表面结构因子(蜡质、绒毛、角质层、气孔密度、沟槽、气孔大小、表皮细胞的形状、湿润性、接触角)也对叶表面滞尘量产生一定的影响。因此，在研究植物叶片表面形貌及微观结构与滞尘量的关系时，应根据实际情况综合考虑各种因素，从而得到更加真实完整的数据和更加客观的实验结果。

5. 结论

1) 本研究的行道树种叶表面滞留的大气颗粒物粒径大部分介于0.2 μm~6.0 μm之间，其中，秋枫叶表面滞留的大气颗粒物粒径主要为1 μm左右，其余7种行道树叶表面滞留的大气颗粒物粒径主要为0 μm~1 μm和3 μm~5 μm；

2) 不同行道树种叶表面的单位面积滞尘量有较大差异，其中，小叶榕最大(平均值为0.6895 g/m²)，天竺桂最小(平均值为0.1245 g/m²)，不同树种叶表面的单位面积颗粒物滞留量大小排序为：小叶榕 > 红花羊蹄甲 > 高山榕 > 杧果 > 秋枫 > 桂花 > 白兰 > 天竺桂；

3) 叶表面微观结构与其滞尘量相关性较大。其中，保卫细胞面积、气孔宽度与单位叶面积滞尘量呈极显著的正相关，气孔密度和气孔长度与单位叶面积滞尘量呈显著负相关或正相关。从宜州八种行道树叶片滞尘效果的综合比较分析中可知，小叶榕的滞尘能力最强，可作为当地交通繁忙区行道树的优选树种。

基金项目

桂西北地方资源保护与利用工程中心(桂教科研[2012] 9号)，河池学院高层次人才科研启动费项目(XJ2018GKQ016)，桂西北特色资源研究与开发实验室(桂教科研[2010] 6号)。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。