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6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系

张桐 洪秀玲 孙立炜 刘玉军

张桐, 洪秀玲, 孙立炜, 刘玉军. 6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
引用本文: 张桐, 洪秀玲, 孙立炜, 刘玉军. 6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
ZHANG Tong, HONG Xiu-ling, SUN Li-wei, LIU Yu-jun. Particle-retaining characteristics of six tree species and their relations with micro-configurations of leaf epidermis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
Citation: ZHANG Tong, HONG Xiu-ling, SUN Li-wei, LIU Yu-jun. Particle-retaining characteristics of six tree species and their relations with micro-configurations of leaf epidermis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012

6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
基金项目: 

林业公益性行业科研专项 201304301

详细信息
    作者简介:

    张桐。主要研究方向:社区绿化植物的滞尘特征及其机理。Email:zhangtongown@sina.cn  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生物科学与技术学院

    通讯作者:

    刘玉军, 教授, 博士生导师。主要研究方向:植物生理。Email:yjliubio@163.com  地址:同上

    刘玉军, 教授, 博士生导师。主要研究方向:植物生理。Email:yjliubio@163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S731.2;Q945

Particle-retaining characteristics of six tree species and their relations with micro-configurations of leaf epidermis

  • 摘要: 为研究不同绿化树种在单位叶面积上对于不同粒径颗粒物的滞留能力及叶表颗粒物粒度分布特性,分析叶表微观结构与滞尘能力的关系,以期为绿化植物选择及降低社区颗粒物污染提供依据。本实验以北京林业大学校园内社区绿化树种为研究对象,定量测量了6个常见树种的单位叶表面滞尘能力,并利用Mastersizer 2000对叶表滞留颗粒物的粒度分布特征进行分析,采用扫描电镜分析比较了各树种叶表面微观结构。结果表明:对于不同树种,在单位叶面积上所滞留颗粒物的能力方面有较大差异,滞留量由大到小依次为:油松>金银忍冬>大叶黄杨>暴马丁香>洋白蜡>元宝枫,油松的滞留颗粒物能力为元宝枫的44倍。在叶表颗粒物滞留粒径的分布方面,颗粒物主要粒径分布在10~50 μm,按照平均粒径(D50)从小到大的顺序为:元宝枫<暴马丁香<大叶黄杨<洋白蜡<金银忍冬<油松。在比表面积大小方面,植物叶面滞留颗粒物从大到小的顺序为:元宝枫>暴马丁香>大叶黄杨>洋白蜡>油松>金银忍冬。植物叶表的滞尘能力与叶表气孔的数目及气孔是否开放无显著关系,而与植物叶表的气孔大小有关:对于气孔大的树种,滞尘能力相对较强。叶表微观性状对颗粒物滞留能力的影响排序为:分泌物>沟状组织>凹槽>褶皱>条状突起。依据不同绿化树种滞尘能力,提出树种选择建议,为科学合理的选择抗颗粒物污染树种提供基础。
  • 图  1  不同树种叶面滞留颗粒物粒径累积分布图

    A 油松 Pinus tabuliformis;B 金银忍冬 Lonicera maackii;C 大叶黄杨 Buxus megistophylla;D 暴马丁香 Fraxinus pennsylvanica;E 洋白蜡 Fraxinus Americana;F 元宝枫 Acer truncatum

    Figure  1.  Cumulative distribution of particle size of different plants

    图  2  扫描电镜500倍视野下供试树种叶表微观结构

    a1.油松近轴面; a2.油松远轴面;b1.金银忍冬上表面; b2.金银忍冬下表面;c1.大叶黄杨上表面; c2.大叶黄杨下表面;d1.暴马丁香上表面; d2.暴马丁香下表面;e1.洋白蜡上表面; e2.洋白蜡下表面;f1.元宝枫上表面; f2.元宝枫下表面。

    Figure  2.  Scanning electron micrographs of micro-configurations of leaf epidermis for different tree species

    a1, adaxial side of Pinus tabuliformis; a2, abaxial side of Pinus tabuliformis; b1, upper surface of Lonicera maackii; b2, lower surface of Lonicera maackii; c1, upper surface of Buxus megistophylla; c2, lower surface of Buxus megistophylla; d1, upper surface of Syringa reticulate; d2, lower surface of Syringa reticulate; e1, upper surface of Fraxinus Americana; e2, lower surface of Fraxinus Americana; f1, upper surface of Acer truncatum; f2, lower surface of Acer truncatum.

    表  1  供试树种及其特征

    Table  1.   Selected tree species and their characteristics

    植物名称
    Tree species

    Family

    Genus
    生活型
    Life form
    类型
    Form
    金银忍冬
    Lonicera maackii
    忍冬科
    Caprifoliaceae
    忍冬属
    Lonicera
    落叶阔叶
    Deciduous and broadleaved
    灌木
    Shrub
    大叶黄杨
    Buxus megistophylla
    黄杨科
    Buxaceae
    黄杨属
    Buxus
    常绿阔叶Evergreen broadleaved
    暴马丁香
    Syringa reticulate var. amurensis
    木犀科
    Oleaceae
    丁香属
    Syringa
    落叶阔叶
    Deciduous and broadleaved
    乔木
    Tree
    洋白蜡
    Fraxinus pennsylvanica
    木犀科
    Oleaceae
    梣属
    Fraxinus
    元宝枫
    Acer truncatum
    槭树科
    Aceraceae
    槭属
    Acer
    油松
    Pinus tabuliformis
    松科
    Pinaceae
    松属
    Pinus
    常绿针叶
    Evergreen conifer
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    表  2  供试树种总颗粒物滞留能力

    Table  2.   Capture capacities of particulate matters retained by plant leaves

    植物名称
    Tree species
    单位叶面积滞留量Dust retention on per leaf area/(μg·cm -2) 变异系数
    Variation coefficient/%
    范围Range 平均值Average value
    金银忍冬Lonicera maackii 22.67~179.89 83.42 57.82
    大叶黄杨Buxus megistophylla 26.19~110.44 70.62 39.95
    暴马丁香Syringa reticulate var. amurensis 17.85~134.29 51.84 79.53
    洋白蜡Fraxinus pennsylvanica 15.19~78.43 40.96 60.29
    元宝枫Acer truncatum 20.13~46.00 31.42 34.19
    油松Pinus tabuliformis 495.06~2 082.68 1 379.96 50.17
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    表  3  供试树种叶表颗粒物粒度分布

    Table  3.   Size distribution of particulate matters retained on selected trees

    植物名称
    Tree species
    D50/
    μm
    SSA/
    (m2·g -1)
    < 2.5 μm/
    %
    2.5~10 μm/
    %
    10~50 μm/
    %
    50~100 μm/
    %
    > 100 μm/
    %
    油松Pinus tabuliformis 38.717 0.58 5.31 15.5 36.65 14.32 28.22
    金银忍冬Lonicera maackii 34.087 0.567 4.69 15.16 40.81 15.31 24.03
    大叶黄杨Buxus megistophylla 20.654 0.815 7.17 21.8 57.18 11.2 2.65
    暴马丁香Syringa reticulate var. amurensis 19.026 0.858 7.49 21.81 63.96 6.74 0
    洋白蜡Fraxinus pennsylvanica 23.800 0.669 5.38 17.39 57.13 11.27 8.83
    元宝枫Acer truncatum 18.447 0.874 7.66 23.79 63.23 5.32 0
    注:D50表示平均粒径/中位粒径。SSA为比表面积,单位质量颗粒的表面积之和。Notes: D50, median particle diameter or average particle diameter, means particulates which are greater than it occupies 50%. SSA, specific surface area, total superficial area of particles in unit mass.
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    表  4  北京树种表皮气孔及表皮毛特征(500倍视野下)

    Table  4.   Characteristics of stomata and trichome of Beijing species(500×)

    树种
    Tree species
    气孔器形态
    Stoma shape
    气孔数量
    Stoma number
    表皮毛形态
    Epiderma
    hair shape
    表皮毛密度
    Density of
    epiderma hair
    油松
    Pinus tabuliformis
    圆形,开放,下陷,大小不均一,排列整齐,直径约100~200 μm The shape of stoma is circle, with different size, the diameter is 100-200 μm, and is open. Stoma is cave and range with regulation 6
    Nothing

    Nothing
    金银忍冬
    Lonicera maackii
    圆形,几乎均关闭,大小均匀,直径约100 μm The shape of stoma is circle, and the size is uniform, the diameter is 100 μm, nearly all of them are close 17
    Nothing

    Nothing
    大叶黄杨
    Buxus megistophylla
    圆形,全部开放,下陷,大小均一,直径约300 μm,表皮细胞与下陷气孔形成沟The shape of stoma is circle, and the size is uniform, the diameter is 300 μm, all of them are open. Stoma is cave and form curve with epidermic cells 13
    Nothing

    Nothing
    暴马丁香
    Syringa reticulate var. amurensis
    圆形,全部开放,大小均一,直径约120 μm,保卫细胞凸起The shape of stoma is circle, and the size is uniform, the diameter is 120 μm, all of them are open. The guard cells are bulge 22
    Nothing

    Nothing
    洋白蜡
    Fraxinus pennsylvanica
    长椭圆形,小部分开放,大小不一,短边约50 μm,长边约100 μm The shape of stoma is oval, with different size, the short side is 50 μm while the long side is 100 μm, some of them are open 14
    Nothing

    Nothing
    元宝枫
    Acer truncatum
    细长型,部分开放,大小均一,短边约20 μm,长边约40 μm The shape of stoma is long and thin, the size is uniform, and the diameter of short side is 20 μm, the long side is 40 μm, some of them are open 15
    Nothing

    Nothing
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-10
  • 修回日期:  2017-02-22
  • 刊出日期:  2017-06-01

6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
    基金项目:

    林业公益性行业科研专项 201304301

    作者简介:

    张桐。主要研究方向:社区绿化植物的滞尘特征及其机理。Email:zhangtongown@sina.cn  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生物科学与技术学院

    通讯作者: 刘玉军, 教授, 博士生导师。主要研究方向:植物生理。Email:yjliubio@163.com  地址:同上; 刘玉军, 教授, 博士生导师。主要研究方向:植物生理。Email:yjliubio@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S731.2;Q945

摘要: 为研究不同绿化树种在单位叶面积上对于不同粒径颗粒物的滞留能力及叶表颗粒物粒度分布特性,分析叶表微观结构与滞尘能力的关系,以期为绿化植物选择及降低社区颗粒物污染提供依据。本实验以北京林业大学校园内社区绿化树种为研究对象,定量测量了6个常见树种的单位叶表面滞尘能力,并利用Mastersizer 2000对叶表滞留颗粒物的粒度分布特征进行分析,采用扫描电镜分析比较了各树种叶表面微观结构。结果表明:对于不同树种,在单位叶面积上所滞留颗粒物的能力方面有较大差异,滞留量由大到小依次为:油松>金银忍冬>大叶黄杨>暴马丁香>洋白蜡>元宝枫,油松的滞留颗粒物能力为元宝枫的44倍。在叶表颗粒物滞留粒径的分布方面,颗粒物主要粒径分布在10~50 μm,按照平均粒径(D50)从小到大的顺序为:元宝枫<暴马丁香<大叶黄杨<洋白蜡<金银忍冬<油松。在比表面积大小方面,植物叶面滞留颗粒物从大到小的顺序为:元宝枫>暴马丁香>大叶黄杨>洋白蜡>油松>金银忍冬。植物叶表的滞尘能力与叶表气孔的数目及气孔是否开放无显著关系,而与植物叶表的气孔大小有关:对于气孔大的树种,滞尘能力相对较强。叶表微观性状对颗粒物滞留能力的影响排序为:分泌物>沟状组织>凹槽>褶皱>条状突起。依据不同绿化树种滞尘能力,提出树种选择建议,为科学合理的选择抗颗粒物污染树种提供基础。

English Abstract

张桐, 洪秀玲, 孙立炜, 刘玉军. 6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
引用本文: 张桐, 洪秀玲, 孙立炜, 刘玉军. 6种植物叶片的滞尘能力与其叶面结构的关系[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
ZHANG Tong, HONG Xiu-ling, SUN Li-wei, LIU Yu-jun. Particle-retaining characteristics of six tree species and their relations with micro-configurations of leaf epidermis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
Citation: ZHANG Tong, HONG Xiu-ling, SUN Li-wei, LIU Yu-jun. Particle-retaining characteristics of six tree species and their relations with micro-configurations of leaf epidermis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(6): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170012
  • 忽视环境保护的快速经济发展已经给城市带来了严重的环境问题, 在工业化、城市化进程中,受到工业废气以及汽车尾气等人为因素的影响,城市地区的环境遭受到了不同程度的污染。大气颗粒物污染是当前最受关注,也最为严重的因素,颗粒物中包含有重金属元素及其他对人体有害的成分对人类的健康造成了严重的影响。2015年,京津冀地区共发布重污染天气预警154次,13个地级以上城市达标天数比例在32.9%~82.3%之间,平均为52.4%。其中,超标天数中以PM2.5为首要污染物的天数最多,占超标天数的68.4%,其次是O3和PM10[1]

    而近年来,受到公众关注的一类颗粒物为可吸入颗粒物,即空气动力学直径小于或者等于10 μm的颗粒物。由于可吸入颗粒物可以直接进入呼吸道,对人体健康危害最为严重。而其中粒径在2.5 μm以内(PM2.5)的颗粒物是一类可入肺的颗粒,可以直接通过上呼吸道进入到人体肺泡及血液中[2-5]

    绿化植物作为城市生态系统的重要组成部分,可以提供远高于其占地面积的叶表面积,从而较为有效的滞留颗粒物,具备较大优势[6-8]。绿化植物因其不同的冠层结构,绿量,叶片着生角度,叶表面湿润性及叶面微观特性等生物学特性,对颗粒物的滞留能力存在较大差异[6, 9-10]。在不同植物叶片吸附颗粒物的粒径分布方面,许多学者的研究都呈现出了显着差异[11-12]。叶表微观特性如起伏,绒毛,褶皱及本身的湿润性对叶表颗粒物的滞留有较大影响[6, 10, 13-14]

    但目前对于绿化植物滞留颗粒物能力的研究,多集中在滞留总颗粒物能力方面,对于粒径小于10 μm的颗粒物(可吸入颗粒物)的研究较少。不同树种对于不同粒径颗粒物的滞留能力存在差异,因此有必要对不同供试树种的颗粒物滞留能力及其叶表微观结构进行分析,筛选出适宜的能够降低颗粒物污染的散生树种。本文以北京6种社区常见绿化树种为研究对象,定量分析了其单位叶面积滞留颗粒物的数量,并利用Mastersizer 2000激光粒度仪分析了供试树种叶片滞留颗粒物的粒径分布,用扫描电子显微镜观察了供试树种叶表面微观结构并分析其与叶面滞留颗粒物特征的关系,为滞尘型社区散生绿化树种的选择提供科学依据及研究思路。

    • 实验地点北京林业大学校园内,供试树种相距在3 km范围之内,且每次采样在同一天之内完成,因此可视为具有相同的大气环境条件。供试树种见表 1

      表 1  供试树种及其特征

      Table 1.  Selected tree species and their characteristics

      植物名称
      Tree species

      Family

      Genus
      生活型
      Life form
      类型
      Form
      金银忍冬
      Lonicera maackii
      忍冬科
      Caprifoliaceae
      忍冬属
      Lonicera
      落叶阔叶
      Deciduous and broadleaved
      灌木
      Shrub
      大叶黄杨
      Buxus megistophylla
      黄杨科
      Buxaceae
      黄杨属
      Buxus
      常绿阔叶Evergreen broadleaved
      暴马丁香
      Syringa reticulate var. amurensis
      木犀科
      Oleaceae
      丁香属
      Syringa
      落叶阔叶
      Deciduous and broadleaved
      乔木
      Tree
      洋白蜡
      Fraxinus pennsylvanica
      木犀科
      Oleaceae
      梣属
      Fraxinus
      元宝枫
      Acer truncatum
      槭树科
      Aceraceae
      槭属
      Acer
      油松
      Pinus tabuliformis
      松科
      Pinaceae
      松属
      Pinus
      常绿针叶
      Evergreen conifer
    • 大于15 mm的降水即可以对植物叶片滞留颗粒物的能力造成影响,且考虑北方树种着叶期,研究定于2014年5、7、9、11月在北京对样品进行采集(采样前连续10 d无降水,风速小于5级)。在选定的每个研究区域内,选择生长状态良好的植株进行采样。考虑到采样高度不同而造成的叶片滞留颗粒物能力的影响,对于灌木的采样高度依据灌木实际生长情况设置为1.0~1.2 m之间。乔木则在每棵样树的东、南、西、北4个方向,分为上、中、下3个层次均匀采集40 g左右的叶片(叶片健康完整,无褪绿),封存于牛皮纸质信封内带回实验室进行测量。实验过程中,佩戴一次性塑料手套进行叶片的收集工作,并尽可能的避免样品受到污染。

    • 用于本研究的采样时间为2014年8月,采样方法同1.2.1,对于每个树种收集60~80片叶片样品。

    • 用于本研究的采样时间为2014年8月,在选定树种上摘取健康完整的叶片,封存于保鲜袋,并充气,防止叶片表皮毛受到挤压破坏,并带回实验室分析。

    • 测定方法参考洪秀玲等[15]的实验方法,具体为:将采集到的带尘叶片用去离子水清洗上下叶表面后收集带有颗粒物的悬浊液并称质量(MT)。用恒温磁力搅拌器搅拌5 min,使悬浊液均匀分布,取50 mL左右悬浊液置于培养皿中,称质量(Mp),置于鼓风烘干箱中60 ℃烘干后称质量,得到小部分悬浊液含有的颗粒物质量(mp),植物叶片滞留的颗粒物质量(M)通过公式计算:

      \[M = {m_{\rm{p}}}\frac{{{M_{\rm{T}}}}}{{{M_{\rm{P}}}}}\]

    • 对于阔叶树种叶片,使用hp Scanjet 200扫描仪将叶片扫描并保存至电脑,使用Photoshop软件对叶面积进行测定。首先将画布调整至A4大小,即长为29.72 cm,宽为21.59 cm,使用直方图工具获得叶片像素,叶片单侧面积=叶片图像区域像素/A4图形像素×A4图形面积,乘以2即得到叶片双侧面积。对于针叶树种:将油松的针叶叶片在80 ℃鼓风干燥箱中烘干24 h,测量油松叶片质量,并用所得干质量乘以系数6.38 cm2/g,得到油松针叶面积[16],单位取cm2

      植物叶片单位叶面积滞留颗粒物能力使用单位μg/cm2

    • 将采集到的植物叶片在实验室使用去离子水清洗,收集清洗后得到的带有叶表颗粒物的洗涤液,用激光粒度仪分析粒径分布。本研究应用仪器为英国马尔文仪器有限公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪。

    • 将采集得到的叶片使用去离子水冲洗表面,洗净叶表颗粒物,使用打孔器(0.5 mm)在叶脉两侧、叶片边缘进行打孔,收集得到打孔后的圆片。使用2.5%戊二醛溶液对圆片固定24 h,随后使用浓度为0.1 mol/L的磷酸缓冲液冲洗3次,冲洗时间为10 min,并用蒸馏水洗净缓冲液,再使用梯度为60%、70%、80%、90%、95%、100%的叔丁醇进行脱水,脱水时间为每个梯度15 min,最后在100%的叔丁醇中过夜。最终得到的样品,在真空冷冻干燥机中进行干燥,时间为4 h。检测前,将最终的干燥样品粘台,使用离子溅射仪镀金,用扫描电子显微镜(S3400-N)观察拍照。

    • 利用SPSS软件进行单因素方差分析,图表使用Excel 2016绘制完成,图片经Photoshop软件处理。

    • 表 2所示为供试树种对于总颗粒物的滞留能力年均值对比。可以看出,不同树种叶表对于总颗粒物的滞留能力差异较大,按照滞留能力从大到小进行排序:油松>金银忍冬>大叶黄杨>暴马丁香>洋白蜡>元宝枫。其中油松的滞留颗粒物能力为元宝枫的44倍。

      表 2  供试树种总颗粒物滞留能力

      Table 2.  Capture capacities of particulate matters retained by plant leaves

      植物名称
      Tree species
      单位叶面积滞留量Dust retention on per leaf area/(μg·cm -2) 变异系数
      Variation coefficient/%
      范围Range 平均值Average value
      金银忍冬Lonicera maackii 22.67~179.89 83.42 57.82
      大叶黄杨Buxus megistophylla 26.19~110.44 70.62 39.95
      暴马丁香Syringa reticulate var. amurensis 17.85~134.29 51.84 79.53
      洋白蜡Fraxinus pennsylvanica 15.19~78.43 40.96 60.29
      元宝枫Acer truncatum 20.13~46.00 31.42 34.19
      油松Pinus tabuliformis 495.06~2 082.68 1 379.96 50.17

      变异系数反映了供试树种叶片对于颗粒物滞留能力的稳定性,由表 2的变异系数可以得出,供试树种的年均总颗粒物滞留能力不稳定,且树种之间差异明显,变异系数最大的为暴马丁香及洋白蜡,这两个树种的变异系数达到了79.53%及60.29%,变异系数最小的为元宝枫,变异系数为34.19%。

    • 受到物理性质及化学成分的影响,不同粒度的颗粒物具有不同的特点。

      图 1为6个供试树种的叶表颗粒物粒径累积分布图。从整体上看,供试树种的粒径分布在10~50 μm均出现最高峰,这表明供试树种吸附的颗粒物以粒径为10~100 μm为主。此外,油松在100~1 000 μm还有一个小峰,表明油松对于粗颗粒物有滞留能力。可以看出,6个供试树种的粒径累计分布可以分为2个模式:第1种为单峰模式,包括金银忍冬、大叶黄杨、暴马丁香、洋白蜡,元宝枫5个树种;第2种为双峰模式,包括油松1个树种。

      图  1  不同树种叶面滞留颗粒物粒径累积分布图

      Figure 1.  Cumulative distribution of particle size of different plants

      表 3为供试树种叶表颗粒物粒度分布特征,可以看出,不同树种在不同粒径颗粒物的滞留方面存在差异,从D50值来看,不同树种间D50值存在差异,其中D50值最小的为元宝枫,最大的为油松,分别为18.447 μm及38.717 μm。按照供试树种D50值从小到大进行排序:元宝枫<暴马丁香<大叶黄杨<洋白蜡<金银忍冬<油松。从颗粒物累积分布来看,对于大于100 μm的颗粒物,油松及金银忍冬具有较强的滞留能力,滞留比例可达28.22%和24.03%。对于粒径小于2.5 μm的颗粒物,元宝枫的滞留能力最强,滞留比例可达7.66%。且供试树种元宝枫与暴马丁香对于颗粒物的滞留粒径均在100 μm以下。

      表 3  供试树种叶表颗粒物粒度分布

      Table 3.  Size distribution of particulate matters retained on selected trees

      植物名称
      Tree species
      D50/
      μm
      SSA/
      (m2·g -1)
      < 2.5 μm/
      %
      2.5~10 μm/
      %
      10~50 μm/
      %
      50~100 μm/
      %
      > 100 μm/
      %
      油松Pinus tabuliformis 38.717 0.58 5.31 15.5 36.65 14.32 28.22
      金银忍冬Lonicera maackii 34.087 0.567 4.69 15.16 40.81 15.31 24.03
      大叶黄杨Buxus megistophylla 20.654 0.815 7.17 21.8 57.18 11.2 2.65
      暴马丁香Syringa reticulate var. amurensis 19.026 0.858 7.49 21.81 63.96 6.74 0
      洋白蜡Fraxinus pennsylvanica 23.800 0.669 5.38 17.39 57.13 11.27 8.83
      元宝枫Acer truncatum 18.447 0.874 7.66 23.79 63.23 5.32 0
      注:D50表示平均粒径/中位粒径。SSA为比表面积,单位质量颗粒的表面积之和。Notes: D50, median particle diameter or average particle diameter, means particulates which are greater than it occupies 50%. SSA, specific surface area, total superficial area of particles in unit mass.

      供试树种吸附的颗粒物比表面积的大小表明了该树种的环境效益的大小,由于颗粒物的比表面积越大,吸附的有害物质越多,因此,叶表吸附的颗粒物比表面积越大,环境效益越高。如表 3所示,6个供试树种当中,吸附颗粒物比表面积最大的为元宝枫,最小的为金银忍冬,分别为0.874 m2/g及0.567 m2/g,按照所吸附的颗粒物的比表面积大小进行排序:元宝枫>暴马丁香>大叶黄杨>洋白蜡>油松>金银忍冬。

    • 表 4总结了各树种叶表面的气孔形态特征。根据观察结果,可以看出植物叶片的气孔大小与其滞留颗粒物能力存在显著关系,对于气孔大的树种,滞尘能力相对较强:滞留能力差的洋白蜡和元宝枫气孔直径小于其他4个树种,但气孔数目及其是否开放与叶片滞留颗粒物的能力无显著关系。

      表 4  北京树种表皮气孔及表皮毛特征(500倍视野下)

      Table 4.  Characteristics of stomata and trichome of Beijing species(500×)

      树种
      Tree species
      气孔器形态
      Stoma shape
      气孔数量
      Stoma number
      表皮毛形态
      Epiderma
      hair shape
      表皮毛密度
      Density of
      epiderma hair
      油松
      Pinus tabuliformis
      圆形,开放,下陷,大小不均一,排列整齐,直径约100~200 μm The shape of stoma is circle, with different size, the diameter is 100-200 μm, and is open. Stoma is cave and range with regulation 6
      Nothing

      Nothing
      金银忍冬
      Lonicera maackii
      圆形,几乎均关闭,大小均匀,直径约100 μm The shape of stoma is circle, and the size is uniform, the diameter is 100 μm, nearly all of them are close 17
      Nothing

      Nothing
      大叶黄杨
      Buxus megistophylla
      圆形,全部开放,下陷,大小均一,直径约300 μm,表皮细胞与下陷气孔形成沟The shape of stoma is circle, and the size is uniform, the diameter is 300 μm, all of them are open. Stoma is cave and form curve with epidermic cells 13
      Nothing

      Nothing
      暴马丁香
      Syringa reticulate var. amurensis
      圆形,全部开放,大小均一,直径约120 μm,保卫细胞凸起The shape of stoma is circle, and the size is uniform, the diameter is 120 μm, all of them are open. The guard cells are bulge 22
      Nothing

      Nothing
      洋白蜡
      Fraxinus pennsylvanica
      长椭圆形,小部分开放,大小不一,短边约50 μm,长边约100 μm The shape of stoma is oval, with different size, the short side is 50 μm while the long side is 100 μm, some of them are open 14
      Nothing

      Nothing
      元宝枫
      Acer truncatum
      细长型,部分开放,大小均一,短边约20 μm,长边约40 μm The shape of stoma is long and thin, the size is uniform, and the diameter of short side is 20 μm, the long side is 40 μm, some of them are open 15
      Nothing

      Nothing

      将供试树种的叶表特征根据扫描电镜观察结果进行总结,可将供试树种的微观结构分为5类:第1类的代表树种为油松,这类树种的表面有较多粘性分泌物及瘤状物,对于总颗粒物的滞留能力最强,可以达到1 379.96 μg/cm2;第2类的代表树种为金银忍冬,其叶表有沟状组织,对于颗粒物的滞留能力仅次于油松;第3类的代表树种为暴马丁香、洋白蜡,其叶表具有褶皱,具体来说,暴马丁香叶表褶皱较洋白蜡相比更为细小,且具有表皮细胞形成的凹槽,使得其滞留能力强于洋白蜡;第4类树种为大叶黄杨,其叶表上表皮光滑但下表皮具有沟状组织,对于颗粒物的滞留能力较强,且作为低矮灌木更易受到地表扬尘及高浓度颗粒物的影响;第5类树种为元宝枫,其叶表上表皮有条状突起,下表皮光滑平整,滞留能力最差。可以得出,植物叶表的微观结构对其颗粒物滞留能力有较大影响,按照从大到小的顺序为:分泌物>沟状组织>凹槽>褶皱>条状突起。

      图  2  扫描电镜500倍视野下供试树种叶表微观结构

      Figure 2.  Scanning electron micrographs of micro-configurations of leaf epidermis for different tree species

    • 植物叶片对大气颗粒物有明显的滞留效果,且树种间的滞留能力差异显著,可达40倍以上,这与王会霞等人的研究结果相似[13]。本文的研究结果表明,供试树种当中油松对于总颗粒物的滞留能力最强,可能的原因为:作为常绿针叶树种的油松,圆柱形叶片为两针一束,角度张开,接触颗粒物的叶表面更大。且油松能够分泌较多油脂于针叶表面,对于颗粒物的滞留作用更为稳固,较少受到外界环境如大风,降雨的影响。这就使得油松对于颗粒物的滞留能力强于其他供试树种。供试树种中,滞留能力最弱的为元宝枫,可能的原因为元宝枫叶片为爪状深裂型,容易造成颗粒物掉落。本研究中洋白蜡和元宝枫的滞尘能力较差,与张家洋的研究结果一致[17]。本文的研究结果表明,灌木的滞尘能力强于乔木,这与胡舒等的研究结果一致[18]。但吴中能等的研究结果表明树种的滞尘能力为乔木大于灌木[19],可能的原因为植物的滞尘能力受到多种因素的影响,采样地的大气环境条件会导致结果的不同。

      本文的研究结果表明,暴马丁香与洋白蜡在滞留总颗粒物的能力方面较差,且变异系数较大,因此不适宜作为防治大气颗粒物污染的树种。元宝枫虽然滞留总颗粒的能力最差,但其变异系数最小,且具有良好的景观效果,适宜作为消减颗粒物的树种。由此可见,在选择适宜的增强绿地抗颗粒物污染的树种时,应该综合考虑各个供试树种的滞尘能力,变异系数,及景观效果。

      本文的研究结果表明,供试树种叶片滞留颗粒物的粒度分布为单峰模式及双峰模式。研究结果与王亚超的研究结果相似[20],但与俞学如等人的研究不同,其研究结果表明,供试树种的粒度分布为双峰模式[8],可能的原因为分析方法的差异;本文的研究表明,供试树种吸附的颗粒物粒径分布主要在10~50 μm,这与Wang等[21]、Tomaevi Ac'1等[22]、贾彦等[23]的研究结果不同,其研究结果表明,供试树种叶表颗粒物主要粒径分布在PM10和PM2.5,这些差异来自于树种之间的差异。

      本文采用扫描电子显微镜观察和探讨了供试树种叶表微观结构对于其颗粒物滞留能力的影响,研究发现,叶表的微观结构对其颗粒物滞留能力有较大影响,按照从大到小的顺序为:分泌物>沟状组织>凹槽>褶皱>条状突起,这与李海梅等人的研究结果相似:对于叶表面相对光滑,排列整齐的树种,其滞留颗粒物的能力较弱,而对于叶表结构密集,起伏大的树种,如叶表具有明显的脊状褶皱或丰富的纤毛的树种有利于大气颗粒物的滞留[24]。贾彦等[23]对7种绿化植物滞尘能力及叶表微观特征进行了测定,研究结果表明,叶表沟状组织能增强树种的滞尘能力,并且受外界环境影响较小。王蕾等[10]对北京市11种园林植物滞留大气颗粒物的能力进行了研究,并分析了各供试树种叶表面微观结构与滞尘能力之间的关系,研究结果表明沟槽>叶脉+小室>小室>条状突起。这些研究结果与本文的研究结果相似,这是由于叶表的分泌物可以使得颗粒物粘附在叶表面,并且颗粒物不易随气象条件变化而脱落,树种叶表面的微观形态越密集,其叶表就会越粗糙,从而增强树种的滞留颗粒物能力,而平滑的叶表微观结构则不利于植物滞留颗粒物。此外,本文的研究结果表明气孔的大小与植物叶片滞留颗粒物的能力有关,可能的原因为叶表滞留颗粒物的能力与其粗糙程度有关,较大的气孔可以增加叶表的粗糙程度,从而带来更佳的滞尘效益,此外,凹凸不平的结构也可以进一步阻止颗粒物的再悬浮。但本文的研究结果表明,气孔密度及是否开放与供试树种颗粒物的滞留能力不相关,这与俞学如的研究结果不一致[8],其研究结果表明,供试树种叶片滞尘量与叶表气孔数量成正比,可能的原因是由于供试树种的差异,且植物叶片滞留颗粒物能力受多种因素共同作用,如外界环境因素影响。

      本文研究了供试树种单位滞尘量,并分析了植物叶片滞留颗粒物的粒径分布,及植物叶表面微观结构特点,发现不同树种间滞尘量差异可达44倍,不同树种对于不同粒径颗粒物的吸收能力也不同,且植物叶表特性对于植物的滞尘能力有较大影响。在进行绿化树种选择时,可依据各树种滞尘能力及其对不同粒径颗粒物的滞留能力,叶表结构进行综合考虑,选择栽植适宜的树种,以降低颗粒物污染。

参考文献 (24)

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