城市綠化植物對不同粒徑大氣顆粒物的吸附特征研究*

查 燕 馬華升 俞祥群 張銀龍

(1.杭州市農業科學研究院，浙江 杭州 310024；2.南京林業大學江蘇省南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京210037)

隨著城市經濟的飛速發展，城市空氣污染日益嚴重，顆粒物成為影響城市大氣環境的首要污染物[1]。這些顆粒物懸浮于大氣中，能富集重金屬、多環芳烴、細菌、病原微生物等有害物質[2-3]，對人類健康構成潛在威脅。植物通過其龐大的葉表面能夠有效吸附顆粒物[4-5]，可作為改善城市環境的重要手段[6-8]。

植物葉片具備特殊的表面結構(絨毛、氣孔和粗糙表皮等)，能夠有效阻滯和截留空氣中的污染物[9-10]，不同植物葉片微結構是導致其滯留顆粒物差異的重要因素[11],[12]16。有研究表明，不同粒徑顆粒物質量和數量的分布特征能夠反映出不同污染水平下大氣光化學反應過程和區域排放源特征[13]，然而，目前有關植物葉片對不同粒徑顆粒物質量和數量的吸附特征研究卻鮮有報道。有關綠化植物葉片吸附不同粒徑顆粒物的區域差異和種間差異、不同粒徑顆粒物質量及數量在葉表面的分布特征、葉片微結構對不同粒徑顆粒物吸附的影響研究還需深入探討及總結。為此，本研究在南京市城區、城郊區和遠郊區選取4種常見綠化植物，分析植物葉片吸附顆粒物的區域差異及種間差異，探究單位葉面積吸附不同粒徑顆粒物的質量和數量百分比，剖析植物葉片微結構對單位葉面積吸附不同粒徑顆粒物質量和數量的影響，以期為篩選吸附顆粒物能力強的樹種提供理論參考，同時為城市綠地建設和城市生態環境改善提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 供試樹種

南京市立體交叉綠地中灌木以紅葉石楠(Photiniaserrulata)、海桐(Pittosporumtobira)、桂花(Osmanthusfragrans)為主[14]，而二球懸鈴木(Platanusorientalis)是南京近代綠化歷史的典型代表，因此本研究選取此4種綠化植物作為供試對象。

1.2 采樣點選擇和樣品采集

根據4種常見綠化植物分布狀況，分別布設二球懸鈴木(35個)、海桐(56個)、桂花(38個)和紅葉石楠(48個)采樣點。選取葉面積指數相近、生長狀況良好、樹形相近的成熟健康的植株作為樣本，以減少個體差異而導致顆粒物吸附量的差異。每個采樣點每個樹種選擇5～8株樣樹，采集葉片的高度：喬木約為2.0～6.0 m，灌木約為0.5～2.0 m。根據樹種自身的高度特點，從東南西北4個方向上、中、下不同高度位置均勻采集葉片。根據各種植物葉片面積大小，分別采集足夠葉片數量。每種植物在每個采樣點各采集4份樣品作為重復，采樣前2周內無降雨和大風事件。

1.3 樣品處理

1.3.1 葉片微結構觀察

每種植物分別選取6片未清洗的新鮮葉片，用刀片避開葉脈取5 mm×5 mm的正方形若干，分上下表面分別制樣。用真空冷凍干燥機(-83 ℃)干燥36 h。樣品干燥后經過噴金處理，采用掃描電鏡(SEM，FEI Quanta-200，美國FEI公司)觀察葉片表面微結構。

1.3.2 顆粒物質量測定

顆粒物質量測定的具體操作步驟參照文獻[15]。分別將孔徑為2.5、10.0、0.2 μm的濾紙放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，取出后用萬分之一天平稱重，分別得到各孔徑濾紙初重。結合超聲波清洗及軟毛刷輕刷方法將葉片上的顆粒物充分溶解于去離子水中，用已烘干的不同孔徑濾膜放置在直徑47 mm的真空抽濾裝置(R300E，美國Sciencetool)中依次進行3次分級抽濾，得到的載塵濾膜放置60 ℃烘箱中烘干至恒重，取出后置于萬分之一天平稱重，分別得到各濾紙重量。用差量法分別計算各樣本中總顆粒物(TSP)、大顆粒物(粒徑>10.0 μm)、粗顆粒物(2.5 μm<粒徑≤10.0 μm)、細顆粒物(0.2 μm<粒徑≤2.5 μm)的吸附質量，用3000c型葉面積儀計算葉面積，計算單位葉片面積的顆粒物吸附量。

1.3.3 顆粒物數量測定

用Photoshop軟件對SEM圖選區，掃描兩次計算像素的平均值。根據實際坐標換算出選區真實面積，經掃描儀(Scanjet 4850)掃描對顆粒物數量進行統計。由于觀測影像上顆粒物多為不規則形狀，所以要利用Erdas、Photoshop軟件對圖像進行增強處理，以便提取出顆粒物的柵格圖像，再利用ArcGIS 10.2等軟件對處理后的圖像進行二值化、重分類等處理，提取出葉面顆粒物的矢量圖像，得出不同粒徑顆粒物數量、體積、面積等分布情況。

1.4 數據分析

運用SPSS 19.0軟件進行數據處理分析，運用Origin 9.0軟件對分析結果作圖。

2 結果與討論

2.1 植物葉片對顆粒物吸附的區域差異

植物葉片對顆粒物的吸附特征見圖1。城區4種植物葉片對TSP的吸附量顯著大于遠郊區，城郊區、遠郊區海桐和桂花葉片對TSP的吸附量具有顯著差異(見圖1(a))。城區二球懸鈴木、紅葉石楠對大顆粒物的吸附量均顯著大于城郊區和遠郊區。城區海桐和桂花葉片對大顆粒物的吸附量顯著大于遠郊區(見圖1(b))。城區二球懸鈴木葉片對粗顆粒物的吸附量顯著大于城郊區和遠郊區，城區海桐和紅葉石楠葉片對粗顆粒物的吸附量顯著大于遠郊區。城區和城郊區桂花葉片對粗顆粒物的吸附量顯著大于遠郊區(見圖1(c))。城區二球懸鈴木葉片對細顆粒物的吸附量顯著大于城郊區和遠郊區，城區和城郊區海桐、紅葉石楠和桂花葉片對細顆粒物的吸附量顯著大于遠郊區(圖1(d))。

總體而言，4種植物葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量均表現為城區>城郊區>遠郊區，說明不同研究區域下大氣顆粒物的污染濃度水平存在差異。城區和城郊區有2～3種植物葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量無顯著差異，但均與遠郊區差異顯著，說明城區和城郊區近地表顆粒物粒徑組成差異不大，遠郊區植物葉片顆粒物質量較小，可能是受該區域大氣顆粒物污染濃度影響。

注：圖中小寫字母不同表示不同區域間數值差異顯著(p<0.05)，小寫字母相同表示不同區域間數值差異不顯著；大寫字母不同表示不同植物之間數值差異顯著(p<0.05)，大寫字母相同表示不同植物之間數值差異不顯著。

2.2 植物葉片對顆粒物吸附的種間差異

由圖1可見，總體看來，不同區域下二球懸鈴木葉片對TSP、大顆粒物、粗顆粒物和細顆粒物的吸附量均顯著高于其他3種植物，海桐和紅葉石楠葉片之間無顯著差異，但均高于桂花。研究表明，植物對特定粒徑顆粒物具有明顯的吸附作用，而不同粒徑顆粒物在大氣環境中的形成方式不同。粒徑在10.0 μm以上的顆粒物主要通過湍流撞擊形成，粒徑在0.1～10.0 μm的顆粒物受擴散過程和湍流運動的雙重影響，而粒徑小于0.1 μm的顆粒物則主要通過布朗運動無規則運動碰撞而成[16]。其中，大氣中粒徑較大的顆粒物能夠在重力作用下沉降于地表，地面揚塵粒徑大部分在30 μm以上[17]。本研究中紅葉石楠、海桐和桂花均屬于低矮灌木，受地面揚塵中大顆粒物、粗顆粒物的影響較大。根據大氣顆粒物的理化性質可知，粒徑小于1.0 μm的超細顆粒物能夠長期懸浮于大氣中，其在空中的比例高于近地表，在氣流作用下被高大樹冠攔截吸附在葉片表面[18]，因此，二球懸鈴木具有吸附細顆粒物的優勢。

2.3 植物葉片上顆粒物的質量分布特征

不同區域4種植物葉片對不同粒徑顆粒物均表現出相同吸附規律(見圖2)，大顆粒物所占質量分數最大，平均為67.54%，粗顆粒物、細顆粒物平均質量分數分別為21.62%、10.84%。植物對不同粒徑顆粒物的吸附能力具有種間差異，桂花對大顆粒物的吸附效果最佳，其葉片上大顆粒物平均質量分數高達74.73%；二球懸鈴木上大顆粒物平均質量分數為63.11%，略低于其他3種植物，但二球懸鈴木對細顆粒物的吸附更有優勢，細顆粒物平均質量分數為14.63%，高于其他3種植物。紅葉石楠和海桐上粗顆粒物的平均質量分數分別為23.25%、23.12%，兩者吸附能力相近，其次為二球懸鈴木(22.26%)，桂花最弱(17.89%)。

圖2 植物葉片吸附不同粒徑顆粒物的質量分布Fig.2 The mass distribution of different size particulate matters on leaf surface

2.4 植物葉片上顆粒物的數量分布特征

4種植物葉片上不同粒徑顆粒物的數量分布如圖3所示。由圖3可見， 4種植物葉片對不同粒徑顆粒物數量吸附特征均表現出相同規律，即細顆粒物吸附數量最大，平均百分比為68.24%，說明細顆粒物是顆粒物總數量的主要組成；粗顆粒物和大顆粒物數量的數量百分比分別為26.01%、5.75%。在不同粒徑顆粒物吸附數量上，不同植物具有種間差異，二球懸鈴木葉片具有吸附細顆粒物的優勢，桂花葉片具有吸附粗顆粒物的優勢。不同區域下紅葉石楠和桂花對細顆粒物的吸附能力相當。

圖3 植物葉片吸附不同粒徑顆粒物的數量分布Fig.3 The number distribution of different size particulate matters accumulation on leaf surface

本研究中4種植物葉片吸附粗顆粒物和細顆粒物的數量百分比分別為26.01%、68.24%，低于趙松婷等[11]對5種喬木和4種灌木葉片吸附顆粒物的研究結論(PM10數量百分比在98%以上，PM2.5數量百分比在90%以上)。SONG等[19]研究發現北京市5種常綠樹種葉片細顆粒物數量占總顆粒物數量的96%左右，高于本研究結果；粗顆粒物和大顆粒物的吸附數量百分比分別為3.70%、0.14%，低于本研究結果。相關研究結果的差異可能與采樣區域大氣顆粒物濃度、氣象條件及葉片表面微結構有關。綜上所述，4種植物對不同粒徑顆粒物的吸附數量和質量均具有一致性，即大顆粒物質量分數最大，而質量分數最小的細顆粒物在數量上占一定優勢。

2.5 葉片微結構與顆粒物吸附特征分析

4種植物葉片上下表面的SEM圖見圖4。圖中白色不規則塊狀、球體和聚合體物質即為顆粒物，以粒度小于10.0 μm居多。4種植物葉片上下表面均無分泌物，主要通過葉表絨毛、溝槽、凹槽、氣孔等吸附顆粒物。紅葉石楠葉片上表面粗糙度較低，吸附顆粒物數量較少，主要吸附大顆粒物(見圖4(a))；葉片下表面有大量氣孔，周圍密布條狀組織，相對密集且深淺不一的溝槽有利于固定顆粒物，其固定的顆粒物粒徑與溝槽處尺寸頗為吻合，以10.0 μm顆粒物居多，而細顆粒物較少(見圖4(b))。二球懸鈴木葉片上表面波狀彎曲的褶皺和細胞周壁構成較密集的不規則網格，在其褶皺凹陷處發現數量較多的細顆粒物，且顆粒物易被葉片上表面覆蓋的絨毛卡住而難以脫落(見圖4(c))；葉片下表面分布3～5 μm左右的溝槽，能夠吸附更多粗顆粒物，在氣孔口處可見少量細顆粒物(見圖4(d))。海桐葉片上表面光滑，有略微凸起的紋路，吸附形狀不規則的大顆粒物、粗顆粒物較多(圖4(e))，葉片下表面氣孔開口較大，其溝槽中富集了球狀細顆粒物(見圖4(f))，但海桐葉片具有向外反卷的特征，容易造成顆粒物滑落。桂花葉片上表面具有淺狀溝槽和條紋突起，在淺狀條紋處觀察到極少數的顆粒物(見圖4(g))，葉片下表面氣孔開口較大、數量多且氣孔周圍溝槽很淺，并未有明顯的顆粒物吸附(見圖4(h))。

圖4 葉片上下表面SEM圖Fig.4 SEM image of upper and lower epidermis of leaf

通過比較4種植物葉片上下表面的SEM圖可以看出，植物葉片下表面吸附細顆粒物數量明顯少于上表面，與MO等[12]18研究結果一致。將葉片放大2 000倍后，經統計得出二球懸鈴木氣孔密度為295個/mm2，桂花為255個/mm2，紅葉石楠為283個/mm2，海桐為236個/mm2。一般情況下，植物對顆粒物吸附量隨葉片氣孔數量增多而增加，但桂花氣孔排列無規則，加上氣孔較平且無明顯起伏，減少了顆粒物與葉片的接觸面積，因此其吸附顆粒物的能力較弱，與俞學如[20]研究結論一致。盡管闊葉樹種氣孔數量較少，但其氣孔附近的溝槽處能夠附著較多細顆粒物。此外，葉片絨毛是影響葉片吸附顆粒物的重要因素，胡適等[21]發現葉片表面密布短絨毛的二球懸鈴木在不同研究區域的滯塵量均最高。SPEAK等[22]研究發現二球懸鈴木葉片表面絨毛周圍附著細顆粒物，其溝槽狀結構能夠捕獲較多的可吸入顆粒物，并能夠有效阻止顆粒物再懸浮。綜上所述，相對密集且深淺不一的溝槽及絨毛結構有利于吸附細顆粒物。

3 結 論

(1) 4種植物葉片對不同粒徑顆粒物吸附量具有顯著的區域差異，表現為城區>城郊區>遠郊區，說明城區、城郊區和遠郊區環境中大氣顆粒物污染濃度水平存在差異，葉片對不同粒徑顆粒物的吸附量受區域環境中顆粒物濃度水平和顆粒物粒徑組成影響。

(2) 植物對顆粒物的吸附能力具有種間差異，總體表現為二球懸鈴木吸附能力最強，紅葉石楠和海桐吸附能力相近，桂花吸附能力最弱。二球懸鈴木對細顆粒物的吸附具有優勢，

(3) 4種植物對不同粒徑顆粒物質量和數量的吸附特征具有一致性，即大顆粒物質量分數最大，細顆粒物在數量上占一定優勢。

(4) 通過SEM觀察不同植物葉片上下表面微形態結構發現，葉片上表面吸附不同粒徑顆粒物的能力明顯強于下表面。褶皺交錯而形成的網格狀結構有利于吸附細顆粒物，且主要吸附在溝槽處。葉片絨毛也有利于吸附細顆粒物，但對大顆粒物及粗顆粒物的吸附能力較弱。