朱栗琼 龙孟元 杨凤兰 吕佳峻 招礼军
关键词：绿化灌木；
叶片表型；
表皮超微形态；
滞尘能力；
生物净化；
植株形态
中图分类号：Q944.56 文献标识码：A
随着工农业的发展及汽车的普及，我国大气污染日益严重[1-3]，据2020 年国民经济和社会发展统计公报显示，纳入监测的337 个城市中有40.1%的城市空气质量未达标。劣质空气对环境、交通、城市建筑[4]及人类的身体健康影响极大，特别易引起呼吸道[5-6]和心血管等疾病[7]。因此，大气污染的治理迫在眉睫，各项治理工程中除减少污染物的排放外，植物因其具有得天独厚的净化和美化环境功能，在大气污染的防治，尤其是粉尘治理中具有重要作用。国内外对此也有不少的研究和报道，一方面已探明我国大气污染中的尘粒物主要包括PM2.5、PM10和TSP（總悬浮颗粒）等[8]，粒径越细小治理越艰难，对人体健康的危害也越大[9]；
另一方面掌握了植物减少大气颗粒物的原理，主要是通过叶片停滞、吸附、黏附等3 种方式过滤和吸收大气颗粒物[10]；
再有就是植物治理大气的效应上与多方面的因素有关，首先直接受污染类型及生态因子[11]等外因影响；
其与覆盖率呈正比，汪洋等[12]报道城市中高密度的建设用地会导致污染程度增加，而随着林地面积的比重增加， 大气颗粒物浓度相应降低，TALLIS 等[13]通过模型预测了伦敦GLA 区域的植物滞尘能力，若将森林覆盖率提高到30%，树冠层每年滞留的PM10将达到1109～2379 t；
同时还与植物种类有极大关系[14]， 在类群比较时，HWANG 等[15]认为针叶树种的滞尘能力普遍大于阔叶树种，乔木比灌木受到的关注更多，但也有研究认为，灌木滞尘能力强于乔木[14]，灌木是捕获PM2.5效率最高的植物生活型类群之一[16]。在植物个体特征比较时，宏观上植物的生长状态[17]、形态、高度、枝条着生角度等特征[18-19]，及微观上叶片的气孔密度和大小、叶表面的覆盖物，如表皮毛、蜡质层、角质层的存在与否、形态和数量等[20-22]均与植物的滞尘量相关。因此，在城市大气环境治理中，如何选择具有较强滞尘能力的植物种类进行绿化是一项重要和有意义的工作。本研究以南宁市城市道路分隔带常用的7种绿化灌木为研究对象，分别在夏季和秋季对这些植物的叶片滞尘量和颗粒物粒径进行测定，分析和探讨植株的宏观和叶片表皮超微形态特征与滞尘能力的关系，期望筛选出具有较强滞尘能力的绿化灌木，为相似生态环境的城市园林绿化植物的选择提供指导，为植物滞尘原理的研究提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 研究区概况 广西南宁市地处北回归线南侧，位于107°45′～108°51′E、22°13′～23°32′N 之间，全市平均海拔76.5 m。该市属湿润的亚热带季风性气候，气候温和，夏长冬短，年平均气温为约为21.6 ℃，最高温为40.4 ℃，最低温为–2.4 ℃，年均降水量为1304.2 mm，夏季高温多雨，冬季温暖干燥。土壤为第四纪红土发育的赤红壤，有机质含量较低。植被丰富，四季常青，素有“绿城”的美誉[23]。
采样地点位于南宁市西侧的大学东路，广西大学与广西民族大学之间地段。研究对象为栽植于机动车道与非机动车道之间隔离带的7 种南宁市常用绿化灌木植物：
软枝黄蝉（ Allamandacathartica）、金叶假连翘（Duranta erecta ‘GoldenLeaves ）、黄金榕（ Ficus macrocarpa ‘GoldenLeaves）、朱槿（Hibiscus rosa-sinensis）、龙船花（Ixora chinensis）、台琼海桐（Pittosporum pentandrumvar. formosanum ） 和鹅掌藤（Heptapleurum arboricola），所有植物均无乔木和建筑物遮挡，处于全光照环境下，生长正常，高度基本一致，绿化效果良好。
1.1.2 样品采集 于2018 年7 月（夏季）和2019年1 月（冬季）雨后第7 天在研究地点采集7 种灌木叶片样品。每种灌木样株至少采集10 株，间距5 m 以上，于植株中上部外侧的各方向剪取健康完整的叶片（ 根据单叶面积大小采集数量30～50 片），剪取时尽量不要抖动，并置于自封袋中，带回实验室处理。另外各选取5 棵样株，在植株向阳面分别选择4 个枝条，剪取自顶芽向下数的第5 节成熟健康叶片，自封袋封装后，置于冰盒内带回实验室，用于叶表皮微形态观察。
1.2 方法
1.2.1 植株及叶片形态观察 野外观察记录研究植株的生长状况、枝条伸展方向等外形特征，包括质地、被毛状况、叶形、叶缘、一级侧脉对数、与表皮细胞的相对位置、末梢网结状况等。根据物体重量运动及黏附原理，参照前人的研究结果[14-21]，现将上述定性特征结果进行赋值，具体见表1。
1.2.2 叶片总滞尘量的测定 运用水洗-滤膜法[24]测定叶片滞尘中不同的粒径质量：将叶片浸泡于蒸馏水中，并清洗封口袋3 次，清洗液倒入浸泡液中，每种植物进行3 次重复。2 h 后，将叶片捞出并洗净，洗脱溶液与浸泡液一起为待测液。烘干后用万分之一天平称重的滤纸过滤，再将滤纸置于60 ℃的烘箱中烘干至恒重，滤膜烘干前后的质量差值即为叶片滞留粉尘的总质量。
1.2.3 叶片滞尘各粒径量及叶片滞尘量的测定同1.2.2 中方法获得的待测液置于过滤器中，与真空泵相连接，分别用孔径10、2.5、0.2 μm 的滤膜依次过滤，每次转换过滤器时需洗净前一过滤器上残留，并转入下一过滤器。留在滤膜上的分别为粒径>10 μm、2.5 μm<粒径≤10 μm、粒径≤2.5 μm 的颗粒物。将用后的滤膜置于60 ℃的烘箱中烘干至恒重，用万分之一天平称量，滤膜烘干前后的质量差值即为叶片滞留不同粒径粉尘的质量。
1.2.4 叶面积的测定 使用CI-203 手持式激光叶面积仪测量滞尘量的相应叶片面积，采用单位叶面积滞留颗粒物质量来衡量植物的叶片滞尘能力。
1.2.5 叶片表皮超微形态观察制片 7 种灌木各选取6 张洗净的样叶，于其中部近主脉附近剪取5 mm×5 mm 左右的样品，2.5%的戊二醛溶液固定1.5 h 后，经磷酸缓冲液冲洗3 次，依次用70%、80%、90%、95%、100%乙醇溶液梯度脱水，每级约10～15 min。样品干燥后喷金，置于phenom飞纳台式扫描电镜下观察和拍片，观察叶片表皮超微形态特征。
1.3 数据处理
采用Microsoft Excel 2019 软件进行数据整理，采用SPSS 23.0 软件进行统计分析，采用Origin 2018 软件制图。
2 结果与分析
2.1 叶片滞尘量比较
南宁市7 种灌木单位葉面积的滞尘量如图1所示。除黄金榕外，其余种类在冬季的滞尘量均大于夏季，但种间的滞尘量却存在差异。夏季的滞尘量高低顺序为金叶假连翘[（5.1±0.8）mg/cm2]>黄金榕[（3.3±0.9）mg/cm2]>朱槿[（3.2±0.9）mg/cm2]> 台琼海桐[（3.1±1.1）mg/cm2]> 龙船花[（3.0±1.2）mg/cm2]> 鹅掌藤[（2.1±0.5）mg/cm2]> 软枝黄蝉[（1.2±0.4）mg/cm2]。其中金叶假连翘分别与鹅掌藤、软枝黄蝉达到显著差异（P<0.05），其余种间均差异不显著；
冬季的滞尘量高低顺序为金叶假连翘[（7.1±1.5）mg/cm2]> 龙船花[（5.4±1.2）mg/cm2]> 朱槿[（5.2±2.6）mg/cm2]>鹅掌藤[（5.1±0.9）mg/cm2]>台琼海桐[（5.0±1.1）mg/cm2]>黄金榕[（3.1±1.0）mg/cm2]>软枝黄蝉[（2.3±1.0）mg/cm2]，除金叶假连翘与软枝黄蝉单位叶面积滞尘量存在显著差异（P<0.05）外，其余种间均差异不显著。由此可见，无论夏季，还是冬季，7 种灌木的单位叶面积滞尘量均是金叶假连翘最大，软枝黄蝉最小，且二者差异显著。
2.2 叶片滞留不同粒径颗粒物的比较
南宁市7 种绿化灌木叶片表面滞尘量不同，而且滞留不同大小颗粒物的能力也不同（图2）。黄金榕在夏季滞留的PM2.5＞PM10，其余种类在夏、冬的滞尘粒径量均是PM10＞PM2.5。夏季金叶假连翘、软枝黄婵、黄金榕单位面积内PM10滞留量低于冬季，其余4 种灌木单位面积内PM10滞留量呈夏季高于冬季的趋势。除朱槿外，其余灌木PM2.5滞留量呈夏季高于冬季的趋势。在夏季，滞留PM10 能力大小依次为金叶假连翘[（0.800±0.025）mg/cm2]>台琼海桐[（0.580±0.110）mg/cm2]>鹅掌藤[（0.303±0.055）mg/cm2]> 朱槿[（0.250±0.082）mg/cm2]>龙船花[（0.120±0.067）mg/cm2]>软枝黄蝉[（0.067±0.034）mg/cm2]> 黄金榕[（0.030±0.011）mg/cm2]，其中金叶假连翘和台琼海桐差异显著（P<0.05）， 且分别与其他种类差异显著（P<0.05），朱瑾与鹅掌藤二者间差异不显著，但分别与其他5 种灌木差异显著（P<0.05），龙船花、软枝黄蝉、黄金榕两两之间差异不显著；
滞留PM2.5 的能力大小依次为金叶假连翘[（0.310±0.136）mg/cm2]>黄金榕[（0.167±0.058）mg/cm2]>朱槿[（0.120±0.036）mg/cm2]> 台琼海桐[（0.110±0.046）mg/cm2]>鹅掌藤[（0.090±0.021）mg/cm2]>龙船花[（0.053±0.030）mg/cm2]> 软枝黄蝉[（0.037±0.015）mg/cm2]，除金叶假连翘和黄金榕二者间差异不显著外，分别与其他5 种灌木差异均显著（P<0.05），而这5 种灌木之间差异不显著。
在冬季，滞留PM10能力大小依次为金叶假连翘[（1.127±0.121）mg/cm2]> 黄金榕[（0.597±0.088）mg/cm2]>台琼海桐[（0.600±0.043）mg/cm2]>软枝黄蝉[（0.323±0.141）mg/cm2]>鹅掌藤[（0.220±0.044）mg/cm2]>龙船花[（0.110±0.011）mg/cm2]> 朱槿[（0.077±0.009）mg/cm2]，其中金叶假连翘与其他6 种差异均显著（P<0.05），黄金榕和台琼海桐二者间差异不显著，但分别与其他灌木差异均显著（P<0.05），其余二者间差异不显著；
滞留PM2.5能力大小依次为金叶假连翘[（0.287±0.155）mg/cm2]>黄金榕[（0.203±0.111）mg/cm2]>台琼海桐[（0.177±0.100）mg/cm2]>软枝黄蝉[（0.167±0.037）mg/cm2]>鹅掌藤[（0.110±0.092）mg/cm2]> 朱槿[（0.043±0.010）mg/cm2]>龙船花[（0.040±0.018）mg/cm2]，除金叶假连翘与黄金榕二者差异显著外，其余种间差异均不显著。
2.3 绿化灌木的主要形态特征
2.3.1 枝条及叶片的形态特征 南宁市7 种绿化灌木的枝条方向及叶片外形主要特征见表2。软枝黄蝉的枝条呈斜下状态，黄金榕和鹅掌藤略平举，其余3 种灌木斜举向上。叶片的质地分为纸质、草质和革质3 种。叶片有3 种灌木植物被毛，基本位于叶背的主脉处，均较稀少。叶形有对称的椭圆和非对称的披针形及倒卵形，叶缘类型分别是全缘、锯齿和波状，叶脉除朱槿有基生三出脉的趋势外，均为羽状网脉，朱槿和台琼海桐2种灌木的侧脉末梢游离于叶肉中，处于近开放式状态外，其余4 种灌木的侧脉末梢在叶缘处形成明显或不太明显的封闭式网结。
2.3.2 主要形态特征的量化及主成分分析 叶片主要形态特征经量化后应用主成分分析。叶片形态指标的特征根和特征向量如表3 所示。前3 个主成分的方差累积贡献率合计为82.679%[25]，可较好的解释几种灌木与滞尘关系的形态特征。其中叶片的叶面被毛和叶缘类型对第一主成分有较强的正向负荷，说明这2 个特征是第一主成分的主导因子；
一级侧脉数量和叶脉末梢结网对第二主成分有较强的正向负荷，说明这2 个特征是第二主成分的主导因子；
叶脉在叶面的分布状态对第三主成分有较强的正向负荷，说明它是第三主成分的主导因子。在对叶片形态进行观察时应着重对这5 个成分进行分析，特别是第一主成分中的2 个主导因子，从而快速从形态上推断这几种灌木的滞尘能力。
2.4 气孔及表皮细胞外纹饰超微特征
经观察发现，7 种绿化灌木叶片的气孔均只分布于下表皮，上表皮无气孔。叶片气孔及表皮细胞结构见图3，表皮超微特征的主要差异见表4。金叶假连翘和鹅掌藤的气孔陷于表皮细胞之下，其余的均与表皮细胞持平。除黄金榕和鹅掌藤外，其他5 种灌木的气孔外拱盖的外缘角质层均构成1～2 层环形结构。气孔外拱盖表面有平滑与粗糙2 种。表皮的蜡质纹饰以颗粒状为主，黄金榕则以絮状为主，有的二者兼而有之。表皮的角质层纹饰均以条形为主，但有粗、细之别，大部分条纹无规则分布，而朱槿的下表皮和台琼海桐的上表皮的角质层纹饰呈辐射状排列。
3 讨论
3.1 灌木叶片滞尘能力及南宁市大学路大气尘粒特点
从本研究结果看，在相似的环境中，金叶假连翘在不同季节、不同粒径等级的滞尘能力均是最大，而软枝黄蝉则表现较差；
龙船花和朱槿在单位面积上的滞尘量也位居前列，但在滞留PM10和PM2.5的能力上表现不佳，说明2 种灌木滞留的粉尘主要由粒径大于PM10的颗粒物组成；
而黄金榕和台琼海桐则相反，滞留PM10和PM2.5等细微颗粒的能力较突出。当环境一致的状况下，植物对大气的影响主要还是与自身的性状相关，如叶片结构[14]、叶面积指数[22]及其他物种特征[26]。
除黄金榕外，其他6 种灌木的单位叶面积滞尘量均是冬季大于夏季，说明南宁市该路段冬季大气颗粒含量可能大于夏季，但也有可能是由于南宁市夏季雨量多于冬季，夏季叶片被雨水冲刷更干净等原因的影响。具体的分级称量时，在PM10等级中，有3 种灌木是夏季低于冬季，4 种灌木是夏季高于冬季；
在PM2.5等级中，除朱槿外，其他6 种灌木均是夏季多于冬季。由此推算，在单位叶面积滞尘量中，大部分是由大于PM10的尘粒贡献的，即该路段的大气污染颗粒质量还是以大于PM10的为主。虽然PM10和PM2.5质量占比无优势，但根据GB3095—2012 标准，汪洋等[12]测出南宁市辖区 2014—2016 年中每一年约一半的时间PM2.5超出一级标准，PM10超出一级标准的时间到达近80%，空气质量堪忧。PM10和PM2.5颗粒小，数量多，传播的距离远，对环境和生物的危害也更大[9]，应给予足够的关注。
3.2 灌木叶片形态特征与滞尘能力的关系
本研究中，唯一枝条下垂的灌木——软枝黄蝉的滞尘量是所有供试植物中最低的，证实了植物枝条下垂不利于粉尘的滞留。而枝条平举的黄金榕和鹅掌藤的滞尘量与枝条斜上的其他4 种灌木相比差异不大，这可能还与树冠的通透性、叶柄伸展角度、叶片形态和大小等特征有关[17， 19]。MELESE-ENDALEW 等[27]利用流体动力学模型构建模拟实验，通过3D 树冠不同构型形成冠内不同气流速，达到颗粒物在树冠内停留时间增加，以此实现增强颗粒物滞留叶片的效果。TIWARI等[28]也认为植物冠幅、冠层郁闭度等因子对植物的滞尘量有明显影响。在通过定量转换和主成分分析后，本研究认为叶面是否被毛、叶缘类型、一级侧脉数量、侧脉末梢网结状态和叶脉在叶面的分布状态5 个指标在指示植物滞尘能力上有重要作用。VAN RENTERGHEM 等[29]認为叶片上的绒毛、自体分泌的粘液有利于吸附更多颗粒物；
李超群[30]等也发现被毛的叶片或边缘有锯齿的叶片为滞尘量较大的植物类型。
3.3 灌木叶片表皮超微形态结构与滞尘能力的关系
大部分植物叶片的正面处于迎风面，因此上表皮细胞切向面的一些特性与滞尘关系密切。叶片的上表皮细胞垂周壁突起加强了叶表面的粗糙程度，利于滞尘，如金叶假连翘和台琼海桐；
蜡质层和角质层饰纹形状与叶片的滞尘能力具有明显的相关性，蜡质层为絮状的，本身稳定性不够，因而对滞尘也不利，如软枝黄蝉和鹅掌藤；
但如果数量多，对黏附细微颗粒也应该有利，如黄金榕。表皮角质层纹饰呈密集的条纹、方向不一致、粗细中等的滞尘量的较高，如金叶假连翘和台琼海桐；
相反，软枝黄蝉和鹅掌藤的上表皮角质层纹饰排列方向较一致、条纹过粗或者过细。SIMON 等[21]认为气孔的大小和分布是影响叶片滞尘量的最重要因素，气孔越大越多，越有利于滞尘。本研究的7 种绿化灌木植物的气孔仅分布于下表皮，对滞尘量的影响分析尚缺乏数据说明，但发现气孔外拱盖外缘角质层呈现封闭的环形，特别是多层结构有利于颗粒的停留，滞尘量提高，如金叶假连翘和朱瑾。大气中的颗粒物可被吸附或被渗入进叶片表皮的蜡质或角质层中[20]。因此，研究叶片表皮及其附属物的形态结构有利于对植物滞尘能力的判断。
