植物叶表毛状体对空气PM净沉降的影响

来源：核心期刊咨询网时间：2022-01-19 11:0412

摘要：摘要：葉片是植物沉降空气颗粒物(PM)的主要器官，而叶表PM的雨水洗脱被认为是叶片对空气PM的净沉降。多毛的叶面具有较强的捕获空气PM的能力，但可能并不利于叶表PM的雨水洗脱。研究通过采集美国华盛顿特区宪法大道西北段步道两侧的6种园林植物叶片，利用扫描电镜技术(S

　　摘要：葉片是植物沉降空气颗粒物(PM)的主要器官，而叶表PM的雨水洗脱被认为是叶片对空气PM的净沉降。多毛的叶面具有较强的捕获空气PM的能力，但可能并不利于叶表PM的雨水洗脱。研究通过采集美国华盛顿特区宪法大道西北段步道两侧的6种园林植物叶片，利用扫描电镜技术(SEM)观测叶表微观形态，并通过ImageJ和Adobe Photoshop软件统计降雨前后的PM数量，比较雨水对不同表面结构的叶表PM洗脱率。结果表明：1)叶面毛状体长而繁杂的皱叶荚蒾叶面PM洗脱率(19.26%)显著低于叶面无毛的紫薇、美国冬青和荷花玉兰3种光叶植物(>60%);2)毛状体短、疏、贴伏于叶面的美国榆树叶面PM洗脱率(25.57%)也显著低于这3种光叶植物;3)毛状体短、疏、直立的迎春叶面PM洗脱率(78.00%)与这3种光叶植物无显著差异;4)除皱叶荚蒾外，其他5种植物叶表粒径10～100 μm的大颗粒比小颗粒更容易从叶表洗脱。基于研究结果，建议在城市绿化中增加光叶、常绿的园林植物比例;在条件允许的前提下，于旱季定期对树体适量喷水，以提升园林植物对空气PM的年净沉降量。

　　关键词：植物叶表毛状体，PM2.5，PM10～100，降尘，洗脱率，光滑叶片

　　空气颗粒物(PM，0.1～100.0 μm)造成的城市污染是世界上最紧迫的环境问题之一[1]，尤其是在发展中国家[2]。研究表明，空气动力学直径小于10 μm的PM10，其50%可进入上呼吸道[3]，进而引起心血管和呼吸系统方面的疾病[4]。据报道，空气污染每年导致100多万人过早死亡和100万胎儿产前死亡[5]。

　　园林植物可以捕获、消减空气中的PM，尤其是通过叶片滞留空气PM，从而有效改善空气质量[6-10]。然而，植物捕捉到的空气PM大都只是暂时滞留在叶片表面上，此后大部分(76%)会被风吹到空气中，再次成为空气污染物;少部分会被雨水洗脱至土壤(24%)，或在叶片脱落时沉积到地面[11-14]。据报道，空气中的PM通常源自地面活动产生的粉尘、地下化石燃料的排放[2]。叶表PM沉降到地面才是其最好的归宿，才能更加有效地实现PM良性循环，是植物叶片对空气PM的净沉降[15]。叶表PM沉降到地面主要通过雨水洗脱和落叶来实现。然而，落叶往往一年一次，而且落叶表面的大部分PM会被风重悬，再次成为空气PM。可见，叶面PM通过落叶事件产生的PM净沉降可能非常有限。相反，叶表PM的雨水洗脱在一年之中则是一个非常频繁的事件，尽管单次降雨(>12.5 mm)最多只能洗脱51%～70%的叶面PM[14]，但年降雨事件将会产生巨大的净沉降总量。综上，植物叶片对空气PM的净沉降基本可以通过叶面PM的雨水洗脱来实现[15]。因此，研究植物叶面PM的雨水洗脱更有意义。

　　研究表明，叶面PM的雨水洗脱与植物类型密切相关[14]。例如，叶表具有蜡质的洋常春藤(Hedera helix)比光叶的心叶岩白菜(Bergenia cordifolia)的叶面PM洗脱率低[16]。叶表具有毛状体的叶片也可能比光叶具有更低的叶面PM洗脱率，但目前叶表毛状体对叶面PM的洗脱影响尚不明确，而这对于降尘绿地植物种类的优选至关重要。为此，本研究探索植物叶表毛状体在自然降雨过程中对叶面PM洗脱的影响，以期为降尘植物的优选提供新的参考数据。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验材料

　　实验材料的采集地点位于美国华盛顿特区宪法大道西北段，采集北侧步行道两旁位于地面(1.5±0.1)m处树冠外围枝条上的叶片，采集的物种包括栽植于地面的荷花玉兰(Magnolia grandiflora)、紫薇(Lagerstroemia indica)、美国榆树(Ulmus americana)、美国冬青(Ilex opaca)、皱叶荚蒾(Viburnum rhytidophyllum)和栽植于花台中的迎春(Jasminum nudiflorum)共6种。采集时间选择在2017年9月14日和15日(分别采集雨前、雨后的样本，12 h内降雨量35.6 mm，雨前7天内没有降雨和人工灌溉)。样本采集时，分别从东、西、南、北4个方向外围树冠能接触降雨枝条处轻采叶片3片，设置4个重复，样本封存于标本箱中，带回实验室。

　　1.2SEM样品制备、观测及PM统计

　　一般来说，叶背面的PM洗脱可以忽略不计[17]，因此仅观测叶片正面的PM洗脱情况。首先，轻轻剪取约0.5～1.0 cm2的小块叶片。其次，按照Wen和Nowicke(1999)[18]的方法，在美国Smithsonian研究所国家自然历史博物馆(NMNH)的SEM实验室干燥样品并镀金，厚度为16.6 μm。最后，在Philips XL-30扫描电子显微镜下进行观察、拍照，每个样本拍摄至少10个不同的视野。

　　选择ImageJ图像处理软件(National Institutes of Health， 1.8.0)对扫描电镜图像进行二值化[19]，以获得叶片表面PM的投影图像，再将投影图像导入到Adobe Photoshop 7.0软件中，选择PM的投影面积，填充黑色。随后，将处理过的图像导入ImageJ进行比例标定，并调整灰度阈值，使PM的投影边缘更加突出。最后，从结果窗口获得PM的数目和直径。

　　所获数据采用SPSS 19.0进行方差分析(ANOVA)，平均值之間的差异用Duncan极差法进行多重比较，置信区间为95%，显著性水平为0.05。百分比表示的数据经过反正弦变换后再进行分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 毛状体不利于叶面PM的洗脱

　　毛状体对降雨过程中叶面PM(直径为0.2～98.6 μm)的洗脱有很大影响。在6种供试物种中(图1、图2)，叶面多毛的树种美国榆树(图1C、图1D)和皱叶荚蒾(图1E、图1F)，其叶面PM的洗脱率分别为25.57%和19.26%(表1);光叶树种美国冬青(图2A、图2B)、荷花玉兰(图2C、图2D)和紫薇(图2E、图2F)的叶面PM洗脱率分别高达为62.21%、66.52%和90.43%(表1)。由此可见，毛状体不利于叶面PM的洗脱。这可能是因为毛状体增加了叶片表面的张力，如皱叶荚蒾的毛状体似乎形成了复杂的疏水结构，从而阻止雨水与PM的最有效接触。另外，在降雨后，繁杂的毛状体结构还可能会滞留更多的雨滴直至其蒸发完毕，从而增加叶面PM的滞留[20]。

　　2.2 毛状体长、繁杂不利于叶面PM的洗脱

　　皱叶荚蒾、美国榆树和迎春的叶表均具有毛状体，其中皱叶荚蒾的毛状体长达200 μm，3～6个毛状体从一个点呈放射状延伸，在叶表的密度达24.45个/mm2(图1E、图1F)，相互交错分布。长而繁杂的毛状体容易形成多个疏水的保护空间，使滞留的PM难以被雨水洗脱掉，尤其是被困在毛状体基部的PM10～100(图1E、图1F)，最终呈现出最低的叶面PM洗脱率。与其相反，迎春(图1A、图1B)和美国榆树(图1C、图1D)叶表的毛状体较短(长约90 μm)，密度也较低(<3.00个/mm2)，叶面PM的洗脱率相对较高。因此，毛状体长、繁杂的叶表不利于叶面PM的洗脱。此外，从表1可知，美国榆树和迎春的叶表虽有相似的短而稀疏的毛状体，但迎春(78.00%)的洗脱率却显著高于美国榆树(25.57%)，其原因可能在于美国榆树的叶片具有众多的沟槽，使其对PM尤其是小颗粒的洗脱产生了负面影响。

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