刘斌， 鲁绍伟， 李少宁， 陈波， 马成东， 李琛泽
（1．河北农业大学林学院，河北保定071000；
2．北京市农林科学院林业果树研究所，北京100093；
3．河北政法职业学院，河北石家庄050061;
4．河北省林业厅退耕还林办公室，河北石家庄050081）
摘要：该文以北京大兴南海子公园6种常见同林绿化树种为研究对象，应用气溶胶再发生器对植物叶片PM2.5吸附量进行了定量研究，分析了叶表面微形态特征。结果表明：单位叶面积PM2.5吸附量油松和白皮松最大，其次为柳树、五角枫，杨树和银杏最小，且针叶树种PM2.5吸附能力强于阔叶树种；不同树种单位叶面积PM2.5吸附量均值：4月在(0.008+0.002)~(0.053+0.008) ug/cm2之间、5月在( 0.010+0.001)~(0.067+0.017)ug/cm2之间、6月在( 0.014+0.001)~(0.328+0.07:3)ug/cm-之间，从不同月份看，表现为6月(0.093+0.124) ug/cmz>5月(0.031+0.023)ug/cm2>4月(0.027+0.019) ug/cmZ;油松、白皮松叶表面凹凸不平，粗糙度较大，且气孔密集，开度较大，从而致使其吸附PM2.5能力最强；而杨树、银杏、五角枫叶表面光滑，气孔较少，颗粒物不易附着，且因蜡质的疏水特性，对植物表面具有一定的清洁作用，其吸附PM2.5能力较弱；此外，叶表面存在绒毛有利于植物叶片吸附PM：j等颗粒物。因此，在绿化造林时可优先考虑种植叶表面粗糙、有绒毛存在的针叶树种，将更有利于PM：。等颗粒物的吸收，从而提高植物的环保效益。
关键词：北京； PM2.5; 叶表面微形态特征； 气溶胶再发生器
城市大气污染一直是我国主要环境问题之一，颗粒物是大气主要污染物。空气颗粒物( particularmatter，PM)是指悬浮在空气中微小固体和液滴的混合物，包括降尘和空气动力学当量小于100 lxm的总悬浮颗粒物( total suspended particle，TSP)，PM10、PM2.5即是TSP中空气动力学等效直径小于10Lm、2.5 pm的可吸入颗粒物。随着全球工业化和城市化的迅猛发展，颗粒物污染已成为严重的城市环境问题。大气颗粒物主要来自于化石燃烧、矿石冶炼、机动车尾气等污染源的直接排放和SO。、NOx、NH3、VOCs等污染物的间接转化。空气颗粒物不仅影响全球气候及城市可见度，而且其中含有重金属和有机毒物，有毒物质能够进入人体呼吸系统甚至穿透肺泡进入人体血液循环系统，对人体的伤害极其严重，且粒径越小对人体危害越大，尤其是可吸入颗粒物PM2.5对人体危害更为突出。北京作为我国的首都，随着城市化进程的不断加快，能源与交通规模逐渐扩大，城市人口迅速膨胀，大气污染已经日益成为地区性问题，对其城市环境保护工作意义重大，空气污染状况的治理已经刻不容缓。
城市园林绿化植物作为城市生态环境的重要组成部分，可通过降低风速、阻挡和吸滞颗粒物等方式将空气中颗粒物有效滞留在植被枝干或叶片表面，从而达到降低大气中颗粒物浓度、净化空气的目的。不同植被叶片滞尘能力、滞尘累积量和作用机理存在较大差异，因此，研究不同种类园林绿化植物的滞尘机理、选择和优化城市绿化植物种类，对降低城市大气颗粒污染物和提高空气质量具有重要的意义。为此，减少污染物排放及增加绿化面积，寻找吸滞PM2.5能力强且生长受影响较小的植物已经成为国内外科研工作者共同努力的目标。陈添等研究发现，2004年北京市大气PM10的首要污染源为土壤尘，贡献率为21.3%，其次为燃煤排放、机动车／燃油排放、二次粒子和建筑水泥尘。陈玮等对不同针叶树种同一降尘条件及相同针叶树种在不同降尘条件下的滞尘能力进行研究，结果表明，针叶树种在东北的冬季有很强的滞尘作用，不同针叶树种滞尘能力排序为：沙松冷杉>沙地云杉>红皮云杉>东北红豆杉>白皮松>华山松>油松。吴中能等对合肥15个常见绿化树种滞尘能力进行测定，发现阔叶乔木树种滞尘能力顺序为：广玉兰>女贞>棕榈>悬柃木>香樟，这些差异主要是由树种生物学特性和所处的环境引起的。Virginia等研究发现，粗糙的植物叶表面在滞留悬浮颗粒物时要比光滑的叶表面更有效率，如植物表面有细绒毛或者凸起的叶脉等。这些研究结果表明植物对PM2.5等颗粒物的吸收具有很大贡献，因此研究植物吸附PM2.5等颗粒物的作用机制及影响因素意义重大。
Nowak等应用BenMAP模拟程序对美国10个城市树木的PM2.5去除量进行估算，结果表明树木每年去除的可吸入颗粒物总量变化范围为4.7～64.5 t。然而，采用模型模拟研究并不能将具体的实际情况准确模拟出来，模拟过程当中存在诸多不确定因素。为了准确测定不同树种对PM2.5的吸滞能力以及树种叶表面特征对其影响，本研究选取6个不同园林树种，应用气溶胶再发生器对其叶片吸滞PM2.5量进行测定，同时进行叶面积的测算，求得叶片单位面积PM2.5吸滞量，对比不同园林树种吸滞PM2.5能力的差异；此外，通过电子显微镜对不同园林树种叶片进行扫描，分析不同树种叶表面微形态特征，阐述不同树种叶片PM2.5吸滞能力差异的原因，探讨植被对空气净化的贡献以及森林生态系统对削减PM2.5的影响，为森林生态建设及环境保护提供合理的科学依据。
1 研究方法
1.1 研究地概况
北京大兴南海子公园是北京四大郊野公园之一，也是北京市最大的湿地公园，全部建成后总面积将超过11 km2。南海子公园地处北京城南，位于大兴区东北部南五环南侧、大兴新城与亦庄新城之间、南苑机场东南，为工业区，城乡结合部，人流、物流、车流交汇。园内主要乔木树种有油松（Pinus tabulaeformis）、桧柏（Sabina chinensis）、白皮松（Pinus bungeana）、银杏（Ginkgo biloba）、白蜡（Fraxinus chinensis）、梧桐（Firmiana simplex）、国槐（Sophora japonica）、栾树（Koelreuteria paniculata），主要灌木有大叶黄杨（Buxus megistophylla）、海棠（Malus spectabilis），主要草本有景天（Sedum spectabilis）、鸢尾（Iris tectorum）等。
1.2 数据采集
PM2.5实时浓度值由北京市农林科学院在南海子国槐林内建立的森林大气监测站获得，在监测站内设有米特( Meter)全自动气象站，可以实时观测气温(Tal℃)、相对湿度（RH/%）、风速(W/m．s'1)、降水(P/mm)等气象因子。
1.3 树种选择
选择北京市大兴区南海子公园常见且林龄相近、海拔一致的乔木树种，针阔叶树种共计6种（针叶2种、阔叶4种），分别为油松、白皮松、银杏、杨树（Pop-ulus L．）、柳树（Salix babylonica）和五角枫(Acer ele-gantulum)。
1.4 叶片采集
在采集树叶之前先清洗叶片，并对清洗过的叶片进行标记，以月为单位，在清洗完一月之后每个树种分别选择3棵样树（林龄相近），在树冠的上、中、下部位及东、南、西、北4个方向对标记过的叶片分别进行采集，将采集的叶片封存于纸质采集袋（无静电）中带回实验室处理。
1.5 单位叶面积PM2.5吸附量测定
叶片的PM2.5吸滞量应用气溶胶再发生器(QR-JZFSQ-I)获得，气溶胶再发生器是本课题组研究人员研发用来测定植物叶片PM2.5含量的仪器，通过风蚀原理，将待测树种叶片放入气溶胶再发生器的料盒，通过搅动、吹风、去静电等处理，气溶胶再发生器将叶片上的颗粒物吹起，制成气溶胶，再结合Dust-mate手持PM2.5监测仪获取制成气溶胶中PM25的质量浓度，进而推算出叶片上PM2.5的吸附量（ml／ug），每个树种进行3次重复；再利用叶面积扫描仪和叶面积软件计算放人料盒中所有叶片的叶面积（S/cm2），由公式(1)计算单位叶面积PM2.5吸附量m。
式(1)中：m为单位叶面积PM25吸附量(ug/cm2)，ml为放入气溶胶再发生器叶片的PM2.5吸附量（ug），S为放人气溶胶再发生器料盒中所有叶片的叶面积(cm2)。
1.6 叶表面观测
摘取适量叶片，立即封存于塑料纸内以防挤压或叶毛被破坏；在叶脉两侧的中部将新鲜叶片切成边长约5 mm的小立方块，立即用2.5%（体积分数）戊二醛溶液进行固定；用磷酸缓冲溶液冲洗3次；用梯度乙醇脱水，分为70%、80%、90%、95%和100%5个梯度；样品经过喷金处理后，采用FEI Quanta-200环境扫描电子显微镜（荷兰，FEI公司）观察叶片的表面，选择适合的比例进行拍摄。
2结果分析
2.1 不同植物叶片吸滞PM2.5效果分析
图1显示了6个不同树种单位叶面积PM2.5吸滞量，由于1-3月份天气寒冷，阔叶树种还未发芽，故选择4-6月3个月的时间，对不同树种的PM2.5吸滞量进行研究。由图l可以看出，4-6月份不同树种单位叶面积PM2.5吸滞量不尽相同。总体来看，针叶树种单位叶面积PM2.5吸滞量明显大于阔叶树种，是阔叶树种的3.68倍。与阔叶树相比，针叶树有更小的叶子、更复杂的枝茎和全年有叶期，因此能更有效地去除大气颗粒物，且针叶树种叶表面存在腺体，具有分泌液，同样造成针叶树种吸附PM2.5等颗粒物能力的增强。
从不同月份看，PM2.5吸滞量表现为6月(0.093+0.124) ug/cm2>5月(0.031+0.023) ug/cm2>4月(0.027+0.019) ug/cm2，4、5月份差距较小，6月份单位叶面积PM2.5吸滞量分别为4、5月份的3.4和3倍。原因是6月份叶片吸收颗粒物时间更长，积累作用更大，虽然每月都对叶片进行清洗，但是在清洗过程中难免有残留颗粒物仍然吸附在叶表面，经过长时间累积，难以清洗的颗粒物逐渐增多，造成随着时间推移PM25吸滞量逐渐增大。
从单个树种看，6个树种单位叶面积PM2.5吸滞量也有明显差别。其中4月份各树种单位叶面积PM2.5吸滞量介于( 0.008+0.002)~( 0.053+0.008) ug/cm2之间，其大小排序为：油松(0.053+0.008) ug/cm2>白皮松(0.046+0.007) ug/cm2>柳树(0.028+0.002) ug/cm2>杨树(0.018+0.001) ug/cm2>五角枫(0.011+0.004)ug/cm2>银杏(0.008+0.002)ug/cm2;5月份PM2.5吸滞量介于( 0.010+0.001)~( 0.067+0.017) ug/cm2之间，排序为：油松(0.067+0.017)ug/cm2>白皮松(0.049+0.007) ug/cm2>柳树(0.030+0.004) ug/cm2>五角枫( 0.017+0.003) ug/cm2>杨树(0.012+0.004) ug/cm2>银杏(0.010+0.001) ug/cm2;6月份PM2.5吸滞量介于( 0.014+0.001)~( 0.328+0.073) ug/cm2之间，排序为：油松(0.328:t:0.073)ug/cmz>白皮松(0.131+0.016)ug/cm2>柳树(0.055+0.005)ug/cm2>五角枫(0.017+0.002) ug/cm2>杨树(0.014+0.002) ug/cm2>银杏(0.014+0.001) Vg/cm2。可以看出，不同月份单位叶面积PM2.5吸滞量最大的均为油松，其次为白皮松，最小的为银杏，油松吸滞量分别为银杏的6.63、6.70、23.43倍。由于油松相较于其他树种来说，叶表面覆盖有油脂，且叶表面粗糙度较大，更有利于颗粒物的吸收，造成其PM2.5吸滞量明显大于其余树种；而银杏叶表光滑，不利于颗粒物附着，其吸滞颗粒物能力最弱。
2.2 不同树种叶表面微结构特征
6个不同园林树种叶片电镜扫描微形态特征见图2。油松气孔呈现为圆形，气孔排列较为规则，且密度较大(Al)，油松叶表面凹凸不平，气孔周围呈现出瘤状突起，增大了叶表面的粗糙程度，有利于颗粒物的富集(A。)，叶表面纹理有凹陷，排列整齐，有较为纤细的绒毛(A。)；白皮松气孔呈现为椭圆形，气孔排列规则，清晰可见，开度较大，表面粗糙不平(B，)，气孔周围吸附有颗粒物，且周围呈现出褶皱状，凹凸不平(B2)，叶表面纹理清晰可见，呈凹槽状，看不到绒毛(B。)；银杏叶表面光滑，细胞排列紧密，但气孔密度小，整体图像中几乎看不到气孔的存在(Cl)，叶脉细胞突起形成一个个网格，网格内布有气孔(C2)，纹理呈现出不规则的凸起，颗粒物大多聚集在凸起的夹缝中(C。)；杨树叶表面相对光滑，气孔分布不规则，但密度较大(Dl)，气孔为扁长形，开度较小(D2)，纹理较为杂乱，呈网状分布，表层无蜡质(D。)；五角枫叶表面较为平滑，气+L呈平行状分布(El)，气孔开度较小，密度较大，周围无明显起伏(E2)，纹理清晰可见，呈条纹状，但不规则(E。)；柳树叶表面呈花纹状，气孔零星分布，开度不大(F1)，气孔周围呈条纹状，有一定起伏，但不十分明显(F2)，叶表面呈现出褶皱，凹凸不平，有少许纤细的绒毛存在(F3)。除以上特征外，各树种叶表面均未发现有特殊分泌物。
3讨论
3.1 不同树种吸滞PM2.5能力差异
世界上许多国家都用植树造林的方式减少空气污染，森林能够通过减尘、降尘、阻尘、滞尘等途径去除大气颗粒物，从而发挥着提高空气质量的作用。目前针对植物的滞尘效应研究主要集中于TSP和PM10，而针对PM2.5的研究相对较少。树木去除污染物净化空气分为直接和间接2种方式。直接方式是指树木通过叶片表面气孔的主要途径吸收去除气体污染物，而对于空气携带性颗粒物质则主要通过截留的方式清除。间接去除方式是指树木能够通过荫蔽和蒸发散降低大气温度，从而通过节省降温能源的方式减少相关污染物的排放。叶表面形态特征不同直接影响了植物吸附PM2.5的能力，植物滞尘能力受不同个体叶表结构，树冠形状，枝叶密集程度，叶面倾向等因素影响。
到目前为止，关于植被对PM2。的阻滞和吸收作用仍没有定量化的研究，只有少量的关于不同植被对PM25等颗粒物阻滞和吸附的定性研究。有研究指出不同植物截留粉尘的作用有明显差异，小叶或叶面粗糙的植物较之大叶或叶面光滑的植物具有更大的截留效益。张新献等对21种园林绿化树种滞尘研究表明，叶面粗糙有绒毛的植物有较强滞尘能力，而叶片光滑无绒毛的滞尘能力相对较弱，短小密集的针叶树更加有利于粉尘的滞留。柴一新等对哈尔滨绿化植物滞尘能力研究表明，植物叶片的粗糙度及附着绒毛的疏密程度会影响该种植物的滞尘能力；叶表面具有沟状组织、密集纤毛的区域滞尘能力强，瘤状或疣状突起处常较光滑、滞尘能力差。本研究针对北京南海子公园常见针阔叶绿化树种研究分析，发现在相同条件下针叶树种油松和白皮松PM2.5吸附能力明显高于阔叶树种，且油松和白皮松叶表面粗糙不平，有较多气孔，叶表面存在绒毛；而PM2.5吸附量相对较小的银杏和杨树叶表面光滑，气孔分布较少，且开度不大。本研究所得结论与以上研究结果相一致，故在城市环境污染严重的区域可以适当考虑种植PM2.5吸附能力强的针叶树种油松和白皮松。
3,2 叶表面特征与PM2.5吸滞量的关系
王蕾等对6种针叶园林绿化树种滞尘能力研究表明，叶表面微形态粗糙程度与颗粒物附着密度有较好的对应关系，即叶表面粗糙程度越大，颗粒物附着密度越高；刘玲等对7种树木微形态与叶片滞尘关系研究表明，不同树种叶片单位叶面积滞尘量与叶片上下表皮平滑程度、表皮毛的有无、气孔密度及气孔开度大小有关系，上下表皮凹凸不平可使叶表面呈现沟状，阻止颗粒物的再悬浮，从而增大叶片对颗粒物的吸附量。本研究发现油松、白皮松对PM2.5吸附能力最强，其叶表面均凹凸不平，呈现褶皱；而叶表面相对平滑的杨树、银杏等对PM2.5的吸附能力则最弱；这与以上研究得出的结论完全一致。
植物叶片气孔开度大且排列密集能增加颗粒物与叶片的接触面积从而增加叶片对颗粒物的吸附作用；贾彦等采用显微图像分析对7种绿化植物叶片滞尘能力分析测定，发现叶表有沟状组织和气孔且气孔排列无序的植物滞尘能力比较强；王建辉等对植物单位叶片面积的滞尘量研究发现，叶表有褶皱时滞尘能力较强，叶片光滑或有蜡质时滞尘能力相对较弱；陈雪华对5个榕树树种叶表面微形态与叶片滞尘能力关系分析，发现叶表面有绒毛和凹陷孔的叶片滞尘能力明显强于叶表面光滑无绒毛的叶片。本研究中，银杏、杨树、五角枫叶表面光滑，对PM2.5等颗粒物的吸附作用明显降低，且有的叶片表面存在蜡质，降低亲水颗粒物的吸附作用，对植物表面具有一定的清洁作用，造成叶片对PM2.5吸附能力的降低；PM25吸附能力最强的油松与白皮松，叶表面气孔数量较为密集，且开度较大，故其吸滞PM2.5能力较强；在PM2.5吸附能力相对较弱的4个树种中，柳树叶表面存在少许纤细的绒毛，故PM2.5吸附能力略强于其余3个树种；这与贾彦、王建辉、陈雪华等研究所得结论相似，从而佐证了本研究所得结论的准确性。
目前叶片表面微结构与叶片滞尘量关系的研究基本停留在定性描述阶段，往往不能准确表现二者之间的关系，需运用相关数学和物理知识，建立相应的实验模型对其进行量化分析。另外，在运用电镜扫描仪测定叶片表面结构过程中，由于叶片易失水和变形导致表面结构不真实而影响结果，对叶片的处理方法应区别于一般的电镜材料，需进一步实验以便研究出尽量减小叶片变形和失水的制样方法，对于叶表面结构的定量化研究还有待于进一步深化。
4 结论
应用气溶胶再发生器对北京大兴南海子公园不同树种叶片PM2.5吸附量进行分析，结果表明，不同树种单位叶面积PM2.5吸附量油松和白皮松最大，银杏最小；针叶树种PM2。吸附能力强于阔叶树种。叶表的各种沟状组织、气孔等结构造成叶表面凹凸不平，增加了叶表粗糙度，增大了叶片表面与粉尘颗粒的接触面积，从而增强了叶片吸附PM2.5等颗粒物能力，故油松和白皮松吸附PM2.5的能力强；叶表较光滑，灰尘颗粒较易脱落，银杏、杨树等吸附PM2.5能力较弱；叶表面存在绒毛有利于叶片对PM2.5的吸附。因此，在进行绿化造林时，可考虑优先种植对PM2.5吸附能力强的针叶树种，如油松、白皮松等。
