7種綠化植物滯塵的微觀測定

賈彥，吳超，董春芳，李常平，廖慧敏

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

大氣污染一直都是許多國家和地區面臨的重要環境問題[1-2]。大氣污染物主要包括可吸入顆粒物(MP10)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)等，其中可吸入顆粒物已經逐漸成為我國許多大中城市的首要空氣污染物[3]。在各種大氣顆粒物中，粒徑小于10 μm的顆粒物被稱作可吸入顆粒物，已被證實是危害環境和人類健康的主要因素，而粒徑小于2.5 μm的顆粒物(PM2.5)因為能夠進入人體肺部導致肺泡發炎而被認為具有更大的危害性[2,4]。目前，防止大氣顆粒物污染主要靠環境工程技術措施，而植物葉片以其特有的結構，通過停著、吸附或黏附3種方式進行滯塵，能有效地減少空氣中顆粒物和空氣中細菌含量[5-7]，所以植物滯塵的研究對大氣污染的治理有重要意義。目前，大多數植物滯塵方面研究的采樣地在北方城市，且從研究中不難發現：不同的植物由于樹冠形狀、葉片尺寸、葉片表面粗糙程度等不同而滯塵能力不同[7-9]。南北差異在植物形態結構上表現明顯，為了有效利用植物防治顆粒物污染，對南方植物滯塵研究很有必要。近年來，長沙市工業生產、建筑施工較多，大氣中顆粒物污染嚴重，而顆粒物中PM2.5所占比例大，酸性強，對人體危害大[10]。因此，選擇長沙市7種典型綠化植物為研究對象，運用顯微圖像分析系統對其植物葉片滯塵能力和滯留粉塵粒徑進行研究，利用電鏡從葉片結構上對7種植物葉片進行觀察研究，從微觀角度探究影響植物滯塵的因素，以便為利用植物防治粉塵污染提供研究依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區概況

長沙市(111°53′E—114°15′E，27°51′N—28°41′N)位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣，是我國中部大氣顆粒物污染嚴重的代表型城市。全市土地面積11 819.5 km2，其中城區面積556.33 km2。該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候溫和，降雨充沛，雨熱同期，夏冬季長，春秋季短。長沙市區年平均氣溫17.2 ℃，市區平均降雨量1 361.6 mm。長沙市建筑施工產生粉塵較多，采樣地點選在周邊有施工建設的長沙市瀟湘中路和麓山南路路邊及周邊綠化帶。

1.2 供試樹種

從長沙市主要的常見綠化植物中選取7種典型綠化植物作為研究對象：小喬木紫葉李(Prunuscerasifera f.atropurpurea)、灌木或小喬木杜鵑花(Rhododendron moulmainense)、常綠喬木樟樹(Cinnamomumphilippinense)、常綠灌木或小喬木桂花樹(Osmanthusfordii)、灌木女貞樹(Ligustrumquihoui)、常綠灌木或小喬木紅桎木(Lorpetalumchindensevar.rubrum)和常綠喬木玉蘭樹(Magnolia denudata)。

1.3 研究方法

1.3.1 植物葉片微觀滯塵測定

樣品采集從4月初持續到6月初，在此期間，長沙市無異常天氣變化，有少量的降雨和刮風天氣。一般認為，降雨15 mm以上可以沖掉植物葉片上的降塵[8,11]，所以，樣品采集從雨后持續晴天1周后(4月18日)開始，每周一和周四進行樣品采集，總共采集樣品9次。樣品采集時，在同一采樣地，每種植物選3株，每株采集20片樹葉，采集過程中考慮樹冠四周及上、中、下各個部位[12]。

用刀片分別從葉片不同部位隨機切取邊長約1 cm正方形樣品，用鑷子將其固定在載玻片上，對每個樣品采用對角線法選取5個觀測點。采用XSJ-HS型生物顯微圖像電腦分析系統(北京泰克儀器有限公司生產)觀測葉片，對選區內圖像進行采集，經過圖像二值化，再作進一步處理后，計算每張圖片中粉塵數量、選區內所有粉塵顆粒面積與選區內葉片面積比和粉塵顆粒粒徑分布等各項參數。1.3.2 植物葉表結構觀測

(1)摘取適量葉片，立即封存于塑料紙內以防擠壓或葉毛被破壞；(2)在葉脈兩側的中部將新鮮葉片切成邊長約5 mm的小立方塊，立即用2.5%(體積分數)戊二醛溶液進行固定；(3)用磷酸緩沖溶液沖洗3次；(4)用梯度乙醇脫水，分為70%，80%，90%，95%和100% 5個梯度；(5)樣品經過噴金處理后，采用FEI Quanta-200環境掃描電子顯微鏡(荷蘭FEI公司生產)觀察葉片的表面，選擇適合的比例進行拍攝[13]。

2 結果與分析

2.1 植物葉片滯塵能力顯微測定

滯塵能力是指單位葉面積在單位時間內滯留的粉塵量[14]。現根據顯微分析系統工作原理，規定單位葉表面積滯塵量用顯微圖像選區內所有粉塵顆粒面積與選區內葉表面積比來表示，滯塵量用顯微圖像選區內粉塵顆粒面積表示。表1所示為7種植物葉片9次測得的滯塵能力及每種植物葉片9次測得滯塵能力的平均值。從表1可知：7種植物葉片滯塵能力從大到小的順序為：桂花樹，女貞樹，杜鵑花，樟樹，玉蘭樹，紅桎木，紫葉李。桂花樹滯塵能力最強，為1.367 615%；紫葉李滯塵能力最弱，為0.515 189%。

2.2 不同植物葉表結構分析

在電子顯微鏡下研究植物葉表結構(圖1)，7種植物葉表結構特征見表2。從圖1可以看到植物葉表纖毛、溝狀組織、氣孔、各種形狀的突起等，其中白色顆粒狀物質即為粉塵顆粒。植物葉片滯塵能力受較多因素影響，葉表結構是主要因素之一[15]。滯塵能力較強的桂花樹、杜鵑花、女貞樹葉表布滿氣孔或溝狀組織。樟樹、玉蘭樹葉片表面光滑，沒有其他特殊結構，滯塵能力較弱。通過研究植物葉表結構可知：葉表的各種溝狀組織、突起、氣孔等結構增加了葉表粗糙度，增大了葉片表面與粉塵接觸的面積，從而增強了葉片滯塵能力，但并非葉表結構粗糙有溝狀組織等結構的葉片滯塵能力都強，紅桎木與紫葉李葉表面密布著極細的淺溝狀組織，滯塵能力卻很弱。原因是淺溝太細，在滯留粉塵時，部分粉塵與葉片表面接觸面積減小從而降低了滯塵能力。

2.3 不同植物葉片滯塵效果分析

每種植物葉片滯塵能力有不同程度的波動。從葉表結構分析，有分泌物或葉表粗糙有溝狀組織、突起或氣孔等結構特征的葉片滯塵能力較強且黏附在葉表分泌物上或滯著在溝壑中的粉塵受環境影響小；而葉表面光滑的葉片滯塵能力一般，滯著在葉表面的粉塵受環境影響較大，容易被風刮起或雨水沖掉。在7種植物葉表上都未發現分泌物，所以，葉片主要通過葉表纖毛或葉片阻擋粉塵并將其滯著在葉表或纖毛上或通過葉表溝狀組織、氣孔等結構滯著粉塵。大多數植物在滯著粉塵時由于葉表結構復雜，會以多種方式聯合滯塵。通過顯微觀察可知：桂花樹葉片表面粉塵大多分布在氣孔及周圍的脊狀突起處，有少部分滯著在葉片表面上；杜鵑花葉表面粉塵部分滯著在溝壑中，部分滯著在纖毛和葉片表面上，所以，桂花樹、杜鵑花滯塵能力雖然強但滯塵能力波動較大。女貞樹葉片表面成魚鱗狀，滯塵的方式較單一，粉塵大都滯著在溝壑中，所以，滯塵能力波動較小。紅桎木葉表結構和杜鵑花相似，有纖毛和淺溝組織，波動較大。紫葉李則與女貞樹相類似波動較小。樟樹與玉蘭樹葉片滯塵能力相近，但樟樹葉片滯塵能力隨時間波動明顯較玉蘭樹大，兩者葉表結構都比較簡單，影響樟樹滯塵能力波動的主要原因不是其葉表結構。觀察植物及其葉片發現樟樹葉片葉柄較其他植物葉片要長很多，且葉片之間間隔較其他植物寬，因此，遇到刮風下雨，葉片抖動幅度較其他植物葉片大很多，粉塵更容易從葉片上抖落。

表1 7種綠化植物滯塵能力Table1 Ability of dust adhesion of seven green plants %

表2 不同植物葉表結構特征Table2 Structure features on leaf surface for different plants

圖1 7種植物葉表面電鏡掃描照片Fig.1 Electron micro-configurations of leaf epidermis of seven green plants

由表1可知：滯塵能力有2次突然降低，第2周周一和第4周周一，在第1周周四到第2周周一這段時間內有較小的刮風下雨天氣，在第3周周四到第4周周一這段時間內有較大的降雨過程，雨量超過15 mm。在降雨過程中，雨水將滯著在葉片上的粉塵沖洗掉，大雨過后，葉片重新開始滯塵，葉片上的粉塵隨著時間越積越多，滯塵能力開始趨向一定范圍內，再次回到相對穩定的波動狀態。在第2周周一，除玉蘭樹外其他植物葉片滯塵能力都有不同程度降低，第4周周一7種植物葉片滯塵能力都降低，而第4周周四7種植物中只有玉蘭樹滯塵能力恢復到其平均值附近。分析可知：植物葉片滯塵能力不同程度地受外界環境的影響，在雨量超過15 mm的雨水沖刷下，7種植物葉片上粉塵基本都沖刷干凈，不同植物葉片從雨后重新滯塵到葉片滯塵能力達到平均值附近所需的時間不同。

葉片滯塵是一個隨時間積累周期變化的過程[16]，觀察第4周周一及以后植物葉片滯塵能力的變化，發現雨后持續晴天，7種植物經過1周的滯塵，滯塵能力都恢復到各種植物的平均值附近。此后，葉片上由于已經布滿粉塵，滯塵效果受到影響，只有將葉片上的粉塵沖洗掉后，才能恢復其原有較強的滯塵能力。

2.4 不同植物滯留粉塵顆粒粒徑分布情況及分析

對于粉塵的研究可知粉塵粒徑不同，對人體危害也不相同。PM10已被證實是危害人類健康的最主要物質，PM2.5因為能夠進入人體肺部導致肺泡發炎而被認為具有更大的危害性。因此，只用單位面積滯塵量不足以衡量植物在降低粉塵對人體危害程度。由于PM2.5對人體危害更大，因此，對PM2.5滯留效果好的植物在人群聚集處對保護人體健康有更好的效果。

7種綠化植物滯留粉塵粒徑分布情況見表3。由表3可以看出：7種植物滯留的粉塵主要是粒徑在0～10 μm范圍內的粉塵，其中粒徑在0～2.5 μm范圍內的粉塵顆粒數量約占50%，與TOMA?EVI?等[17]利用掃描電鏡-能譜分析儀(SEM-EDX)觀測到的植物滯留的粉塵有50%是屬于人類活動產生的細微顆粒(粒徑D＜2 μm)的結論相接近。7種植物滯留粒徑小于2.5 μm的顆粒數量最多的是紅桎木，約占其葉表面粉塵顆粒數量的72%，最少的為女貞樹，約占42%。植物滯留粉塵粒徑分布與葉表面結構有著重要關系，由電鏡觀測發現，紅桎木和紫葉李葉表面都有溝狀組織，且相比其他植物溝壑的寬度要窄很多，在滯留粉塵過程中，這些溝狀組織起到了篩選的作用，選出PM2.5并滯著在溝壑中。

表3 7種綠化植物滯留粉塵粒徑分布情況Table3 Size distribution of dust particles adhering by seven green plants %

圖2所示為7種植物對粒徑在0～2.5，2.5～10，10～100 μm范圍內的3種粉塵顆粒滯塵能力。對粒徑在0～2.5 μm范圍內的粉塵滯塵能力大于0.5%的植物有桂花樹、杜鵑花、紅桎木和女貞樹；而對粒徑在2.5～100 μm范圍內的粉塵滯塵能力大于0.5%的植物有桂花樹、杜鵑花和女貞樹。紅桎木滯塵能力只有桂花樹的一半，但滯留PM2.5能力與其相似。同樣，紫葉李葉片滯塵能力比玉蘭樹葉片的弱，但對于PM2.5的滯留能力較玉蘭樹的稍強一些。如果在以PM2.5粉塵為主的環境中，7種植物葉片滯塵能力強弱將有一定的改變，所以，環境中粉塵顆粒粒徑分布情況對植物葉片滯塵能力也有一定的影響。

圖2 7種綠化植物對不同粒徑粉塵的滯塵能力Fig.2 Ability of seven green plants absorbing different size dust particles

3 討論

植物滯塵能力受不同個體葉表結構，樹冠形狀，枝葉密集程度，葉面傾向等因素影響[18]。近年來，人們對植物葉表結構特征對植物葉片滯塵能力的影響進行了大量的研究。柴一新等[8]以哈爾濱市為例對城市綠化樹種滯塵效應進行研究；陳瑋等[7]對東北地區城市針葉樹冬季滯塵效應進行研究，通過電鏡觀察研究得出葉表面具有溝狀組織、密集纖毛的樹種滯塵能力強；葉表面平滑，細胞與氣孔排列整齊的樹種滯塵能力差。雖然葉片結構粗糙，多溝壑、突起和氣孔等結構的植物葉片滯塵能力強，但并非具有溝狀結構的植物葉片一定有較強的滯塵能力，當溝壑寬度小于或等于粉塵顆粒粒徑時，將不會增強植物葉片滯塵能力，甚至會降低其滯塵能力。

在刮風下雨等環境中，植物葉片以葉表分泌物黏附或以葉表溝壑等滯著2種方式滯塵，其滯塵能力波動較小，若以葉表面或纖毛滯著粉塵，其滯塵能力波動較大。同時，植物葉片葉柄長短，葉片間距也會影響葉片滯塵能力波動。對于葉片分泌物，其不同成分、黏性等將對植物葉片滯塵能力有不同的作用，受樣品限制，未對其進行深入研究。粉塵顆粒尺寸對植物葉片滯塵效果也有一定的影響，由表3可知：植物葉片滯留的粉塵以PM10為主，葉片溝狀組織對粉塵起到篩選作用，葉表溝壑較窄的葉片對粒徑較小的粉塵顆粒表現出較強的滯塵能力。

對植物滯塵能力的研究有助于更好地利用植物治理粉塵污染，改善空氣狀況。根據城市空氣中粉塵狀況，選擇滯塵能力較強的植物作為綠化植物栽植，并進行合理的結構設計，將對減輕城市粉塵污染起到重要作用。

4 結論

(1)長沙市7種典型綠化植物葉片滯塵能力從大到小的順序為：桂花樹，女貞樹，杜鵑花，樟樹，玉蘭樹，紅桎木，紫葉李。桂花樹、女貞樹、杜鵑花葉表粗糙有溝狀組織、突起或氣孔等結構特征，滯塵能力較強；樟樹、玉蘭樹葉表光滑無特殊結構，滯塵能力一般；但葉表有較細的淺溝狀組織的紅桎木、紫葉李因淺溝寬度較窄，減小了部分粉塵顆粒與葉表面接觸得面積而滯塵能力較差。

(2)通過葉表溝狀組織、氣孔等滯著方式滯塵的葉片在外界環境影響下滯塵能力波動較小；以葉表纖毛、葉表面滯著方式滯塵的葉片在外界環境影響下滯塵能力波動較大。雨水可以有效地沖洗掉葉表粉塵，雨量大于15 mm可以將葉表粉塵基本沖洗干凈。

(3)7種植物葉片中對PM10滯塵能力大于1.0%的植物有桂花樹、女貞樹、杜鵑花，對PM2.5滯塵能力大于0.5%的植物有桂花樹、杜鵑花、紅桎木、女貞樹。根據葉表面溝壑的寬度選擇并吸附相對應粒徑的粉塵顆粒，溝壑較窄的葉片對粒徑較小的粉塵表現出較強的吸附作用，因此，空氣中粉塵顆粒粒徑對植物葉片滯塵能力有一定的影響。

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