喬木滯留大氣顆粒物能力及其與葉表面微結構關系*

李曉璐 葉錦東 章 劍 周毅烈 袁楚陽 于 慧張天然 黃 芳 張貴豪 邵 鋒

1 浙江農林大學風景園林與建筑學院 杭州 311300

2 北京林業大學園林學院 北京 100083

3 縉云縣林業局 浙江麗水 321400

近年來,大氣顆粒物污染已成為不容忽視的環境問題。長期暴露于顆粒物中,會對人體健康造成嚴重危害,誘發多種疾病[1-2]。總懸浮顆粒物(TSP,空氣動力學當量直徑≤100μm)已成為大多數城市大氣環境污染的首要污染物,而空氣動力學直徑≤10μm(PM10)和≤2.5μm(PM2.5)的顆粒物,對人體的危害更大,會對心血管系統、呼吸系統等產生不良影響,增加死亡風險[3-7]。

植物葉片表面可有效滯留大氣顆粒物,改善空氣環境質量[8]。不同植物滯留顆粒物的能力有較大差異,這與植物葉表面微觀結構有關。葉表面的氣孔、溝槽、蠟質、絨毛、分泌物和皺褶等結構對顆粒物的滯留有重要影響[9-10]。趙云閣等[11]研究表明,粗糙的植物葉表面滯留PM2.5的質量較高。Perini等[12]對比了4種垂直綠化植物滯留顆粒物的能力,發現葉表面有較厚蠟質的植物滯留能力較好。王琴等[10]研究證實,葉表面的氣孔和顆粒物滯留量之間無顯著相關性,而與溝槽寬度有關。孫應都等[13]認為,氣孔密度和大小與顆粒物滯留能力有關。已有多位學者對長三角地區植物滯留顆粒物的能力和機理進行研究[14-16],但主要集中在植物滯留TSP能力差異方面,而對植物滯留不同粒徑顆粒物的質量和數量密度的研究較少；對葉表面微觀結構的研究多為定性分析,缺乏量化分析。本研究選取杭州地區常見的10種喬木,采用重量分析法測定植物葉片滯留顆粒物質量,利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察葉表面微觀結構,ImageJ軟件量化葉表面滯留的大氣顆粒物數量密度和葉片氣孔、溝槽等相關數據,并結合X射線能譜儀(EDS)分析葉片上顆粒物元素和可能來源,以對比杭州常見喬木的滯塵能力差異,探究造成差異的影響因素,從而為優良園林植物材料應用和城市植物景觀營建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究采樣地位于浙江省杭州市臨安區杭瑞高速公路臨安收費站附近的道路綠地(30°23′00″N,119°75′69″E)。采樣地北側為錢王街,南側為吳越街,錢錦大道貫穿其中。采樣區域邊界距臨安收費站最近距離為200 m。該樣地周邊車流量較大,交通污染較嚴重。選取10種常用的成年期喬木作為研究對象,分別是木荷(Schima superba)、桂花(Osmanthus fragrans)、銀杏(Ginkgo biloba)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、玉蘭(Magnolia denudata)、二球懸鈴木(Platanus acerifolia)、杜仲(Eucommia ulmoides)、榔榆(Ulmus parvifolia)、桃(Amygdalus persica)和無患子(Sapindus mukorossi)。每種喬木選擇3株生長勢良好、枝葉繁茂、無病蟲害,且樹齡為25～30年的樣株。采樣前1周內要求無降雨、大風等極端天氣發生。樣本采集于2019年8月18號。采樣當天天氣晴朗、風速低于2 m·s-1。在每個樣株2.0～2.5 m高度處,水平方向(東、南、西、北)隨機選擇葉子進行收集。葉片剪下后及時裝入事先準備好的采樣袋中密封、貼好標簽,并運送至實驗室完成后續操作。在實驗過程中,實驗人員應全程戴橡膠手套。為減少樹木葉片上顆粒物的脫落,運送時不要抖動采樣袋。

1.2 研究方法

1.2.1 葉片滯留顆粒物質量測定

利用重量分析法測定葉片表面和蠟質層滯留顆粒物的質量,兩者之和即為葉片滯留總顆粒物質量。將每種喬木葉片取約200 cm2放入已編碼的錐形瓶中,注入200～300 ml去離子水浸沒葉片,用封口膜封口,放入恒溫震蕩儀(HZQ-X300C)中震蕩10 min。將過濾水通過網篩(孔徑為100μm)過濾掉＞100μm的顆粒物和其他物質。依次通過裝有不同孔徑親水性濾膜的3套過濾裝置。過濾裝置將顆粒物分為細顆粒物(粒徑0.2～2.5μm)、粗顆粒物(2.5～10μm)和大顆粒物(10～100μm)。水洗后的葉片用于測定蠟質層中顆粒物的質量,操作方法和步驟同上,但需要將去離子水和親水性濾膜換成三氯甲烷和疏水性濾膜,且震蕩時間不超過1 min。將試驗后不同孔徑濾膜靜置于干燥箱(60℃)中干燥30 min。在試驗前后均要將不同孔徑的濾膜放入恒溫恒濕(25℃,40%)的人工氣候箱(Premium ICH)中處理24 h,取出后立即用電子天平(SI-234)稱重,并記錄濾膜初重和末重。末重與初重之差即為不同粒徑顆粒物的質量。

1.2.2 葉面積測量

通過便攜式葉面積儀(LI-3000C)測量葉片面積,每個葉片測量3次取平均值。由于水杉、榔榆葉片較小,無法使用葉面積儀測量,因此,采用ImageJ軟件測量葉面積。各粒徑滯留顆粒物質量與葉片總面積的比值即為單位葉面積滯留顆粒物質量,單位為μg·cm-2。

1.2.3 葉表面微觀形貌及顆粒物數量密度觀測

將樣品放入干燥箱(60℃)中至葉片完全干燥。選取干燥葉片較平坦處,沿葉脈兩側剪下2小塊(5 mm×5 mm)葉片,分別用于觀察上表面和下表面微觀形貌。用導電膠將葉片粘到樣品臺上,樣品表面用離子濺射鍍膜機(E-1045)噴金處理后,在真空條件下,利用掃描電子顯微鏡(SU8000)觀察葉表面的微觀結構和顆粒物狀態,調整至合適倍數并拍照保存。每個葉片表面選擇15張放大倍數為500倍的掃描電鏡圖,用ImageJ軟件測量顆粒物的數量密度、溝槽寬度、氣孔密度、氣孔寬度和氣孔長度。數量密度指單位葉面積上滯留顆粒物數量。在2 000倍放大掃描電鏡成像下,隨機選擇葉表面上的顆粒物,通過EDS點掃描分析法進行元素組成及含量測定。

1.2.4 數據處理

采用SPSS 17.0軟件,運用單因素方差分析(ANOVA)對不同喬木單位葉面積滯留顆粒物質量、數量密度進行顯著性分析,并用線性相關分析葉片滯留顆粒物質量、數量密度和溝槽、氣孔之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 葉片滯留顆粒物質量比較

如圖1A所示,10種喬木葉片單位葉面積滯留不同粒徑顆粒物總質量存在顯著差異(P＜0.05)。10種喬木滯留TSP、PM10和PM2.5質量分別為12.85～76.52μg·cm-2、6.43～34.53μg·cm-2和4.50～21.75μg·cm-2。葉片滯留TSP質量較高的是水杉和杜仲,兩者之間不存在顯著差異；其次是二球懸鈴木、榔榆、無患子和桂花；桃、銀杏、玉蘭和木荷較低。葉片滯留PM10質量最高的是水杉,但其滯留PM2.5較低。桂花、二球懸鈴木和榔榆滯留PM10和PM2.5質量均較高,而玉蘭和木荷均較低。

圖1 10種喬木單位葉面積滯留顆粒物質量

各喬木葉表面和蠟質層滯留顆粒物的質量不同(圖1B)。葉表面滯留顆粒物質量占葉片滯留顆粒物總質量的百分比為31.44%～82.29%,蠟質層為17.71%～68.56%。除桂花、銀杏、水杉和無患子外,其余喬木滯留顆粒物質量均是葉表面高于蠟質層。玉蘭葉表面滯留顆粒物質量占總質量的82.29%,銀杏和榔榆僅占31.44%和33.33%。

2.2 葉片滯留顆粒物數量密度比較

由表1可知,葉片表面滯留顆粒物數量密度均大于下表面(除銀杏外)。對比分析不同粒徑范圍顆粒物數量密度發現,所有葉片上、下表面粒徑的數量密度之和在0.2～2.5μm時最高,占總數量密度百分比為93.58%～97.77%。粒徑2.5～10μm和10～100μm的百分比分別為2.08%～6.29%和0.04%～0.29%。桂花的上、下表面滯留細顆粒物和粗顆粒物的總數量密度均最高,但其滯留大顆粒物的總數量密度較低；水杉滯留粗顆粒物和大顆粒的能力均較強,銀杏均較弱。10種喬木葉片上、下表面滯留顆粒物總數量密度排序為:桂花＞二球懸鈴木＞桃＞水杉＞榔榆＞銀杏＞無患子＞玉蘭＞木荷＞杜仲。與滯留顆粒物質量排序對比發現,二球懸鈴木、水杉和榔榆滯留顆粒物質量和總數量密度均較高,而滯留顆粒物質量較高的杜仲,其總數量密度則較低。

表1 葉片上、下表面滯留不同粒徑顆粒物數量密度及百分比

2.3 葉表面微觀結構與滯留顆粒物能力的關系

如圖2所示,不同喬木及同一喬木的葉片上、下表面微觀結構差異明顯。10種喬木葉片上表面均未觀察到氣孔,下表面均有氣孔。由表2可知,不同喬木氣孔密度差異較大,變化范圍為109.51～608.77 N·mm-2。無患子和桂花的氣孔密度較大,杜仲和銀杏較小；桂花的氣孔長度最小,水杉最大。水杉葉片上、下表面均有密集的深溝槽,葉表面有蠟質,其表面滯留了大量顆粒物；銀杏葉表面也有深溝槽,有少量顆粒物散落在表面上。桂花和木荷葉表面較平整,下表面均有大量的氣孔和鱗片狀蠟質,但桂花葉表面的長枝條狀結構上有顆粒物沉積。杜仲葉表面可見到明顯的皺褶和凹槽,部分顆粒物散落在氣孔和周圍溝槽處。玉蘭葉片上表面較光滑,有淺溝槽,下表面有起伏的氣孔。二球懸鈴木葉上表面存在密集且較窄的溝槽,下表面氣孔周圍有皺褶,氣孔較大。桃葉表面長條狀結構與氣孔周圍的皺褶為粗顆粒物的滯留提供了空間。無患子和榔榆葉片下表面分布了許多氣孔,氣孔和長枝條狀結構、瘤狀突起等形成復雜的網絡。榔榆葉片上表面的刺狀突起和長枝條狀結構周圍沉積了大量顆粒物,無患子上表面有凹槽,凹槽中分布了密集的細小突起,其上滯留了許多細顆粒物。研究表明,葉片上表面的溝槽寬度與葉片滯留PM2.5質量之間呈顯著負相關關系(R2＝0.579；P＜0.05),與葉片滯留TSP和PM10質量間無顯著相關性。氣孔長度、氣孔寬度和氣孔密度與葉片滯留各粒徑顆粒物質量和數量密度間均未發現顯著相關。綜上,葉表面有皺褶、密集深溝槽、蠟質和突起等結構的喬木,滯留顆粒物能力較強。

表2 10種喬木葉表面氣孔和溝槽數據

圖2 10種喬木葉表面微觀結構電鏡圖

2.4 顆粒物的元素組成

不同喬木及同一喬木葉片上、下表面顆粒物元素組成及含量均存在差異(圖3)。葉片上、下表面顆粒物中共含有19種元素,其中有18種元素重疊。葉片上表面顆粒物元素均值由高到低為C、O、Si、N、Al、K、Nb、Na、Rb、Br、Cl、Mg、Sr、S、Ne、Sb、Pb和P；葉片下表面顆粒物元素均值由高到低為C、O、Si、N、Al、Ca、S、K、Nb、Mg、Na、Rb、Br、P、Sb、Cl、Ne、Rb和Sr。葉片上、下表面C和O元素含量均遠高于其他元素,均值都超過32%；除C和O外,大多數喬木葉片上有N、Mg、Al、Si和K,Ca只存在于玉蘭的下表面；此外,還發現了P、S和Pb,但含量很少。

圖3 葉片滯留顆粒物的元素組成及含量

3 討論

3.1 葉片滯留顆粒物能力與葉表面微觀結構的關系

10種喬木滯留大氣顆粒物能力存在顯著差異。二球懸鈴木、水杉和榔榆滯留顆粒物質量和數量密度均較強,玉蘭和木荷較弱。王琴等[10]研究發現,二球懸鈴木滯留顆粒物能力較強,這與本研究結果相同。植物滯留顆粒物能力差異與其葉表面的微觀結構有關。本研究發現,葉表面有密集深溝槽和蠟質的水杉,具有較強滯留顆粒物能力；而葉表面相對光滑的木荷,其滯留顆粒物的能力則較弱。楊佳等[17]研究表明,植物葉片有毛狀體和溝槽等微觀結構,滯留顆粒物的潛力更大。孫曉丹等[18]認為,植物溝槽越窄、氣孔越大,其滯留量越多,而與毛狀體的數量和氣孔密度無顯著關系。葉片上表面的溝槽寬度與葉片滯留PM2.5質量呈顯著負相關關系,而未發現與氣孔有相關性。劉斌等[19]研究認為,葉表面蠟質具有疏水性,不利于顆粒物的滯留,而Kwak等[20]認為,蠟質將顆粒物固定在葉表面,且不易脫落。本研究表明,具有較厚蠟質的桂花雖然上表面較為平坦,但在蠟質層中仍滯留了大量顆粒物。葉表面顆粒物容易受風和雨等影響,而蠟質層中的顆粒物則能固定在蠟中[21-22]。葉表面存在皺褶、密集深溝槽、蠟質、長枝條狀結構、瘤狀突起等結構的喬木,更易滯留顆粒物。

3.2 葉片滯留顆粒物元素組成及來源

當前,交通污染已成為城市中大氣顆粒物最主要的來源[23]。本研究發現,顆粒物中C和O元素含量較高,而汽車尾氣中這2種元素也較高[24],因此,C和O可能來自汽車尾氣。部分顆粒物中含有少量Pb,這可能來自于輪胎或車身油漆[25-26]。Sb存在于大多數喬木葉片上的顆粒物中,其可能來自汽車剎車片[27]。土壤揚塵也是重要的顆粒物來源之一。杭州臨安地區的土壤類型屬于紅壤土,其主要含有Si、Na、Fe、Al、Ti、Mg和Ca等元素[28]。Shao等[29]研究發現,臨安的土壤中主要元素為Al、K、Fe、Mg、Ca、Na和Ti,這與葉表面顆粒物中的元素類似。顆粒物中的N、Si、Al、Ca、Mg、Fe和Na元素可能來自于土壤粉塵[30]。因此,汽車尾氣和土壤揚塵是葉表面顆粒物的主要來源。

4 結論

在本研究的10種常見喬木中,二球懸鈴木、榔榆和桂花滯留顆粒物的能力均較強；不同喬木滯留顆粒物能力差異與其葉表面微結構有關,植物葉表面有皺褶、密集深溝槽、蠟質和突起等結構,其滯留顆粒物能力較強。因此,在城市綠化建設中選擇優良滯塵植物材料時,應結合對滯留顆粒物有利的葉表面微觀結構特征選擇并推廣相應樹種,以改善城市環境質量。

本文僅對喬木的滯留能力進行了研究,并未涉及灌木和草本,今后可深入研究不同生活型植物滯留顆粒物能力差異。由于不同的自然環境條件會影響植物滯留顆粒物效果,將來可優化植物葉片滯留顆粒物的測量方法和評價體系,比較不同環境條件下植物滯留顆粒物的能力差異。