近年来，随着经济的迅猛发展和工业化、城市化程度不断提高，环境污染日益严重，尤以大气污染最为凸显[1]。空气中的总悬浮微粒物(total suspended particle, TSP)是导致大气环境污染的主要因素。可吸入颗粒物(particulate matters，PM)如PM10和PM2.5，可在空气中聚集为更大的颗粒物，严重危害环境和人体健康。

植物叶表面可以截留和固定大气污染颗粒[2]，已有研究对北京[3]、郑州[4]等地园林植物的滞尘规律进行了探讨，发现不同植物叶表面的微细结构可以有效固着大气颗粒物，净化大气环境。杨周敏[5]对西安市区不同绿化植物滞尘效应变化规律的研究结果表明，植物叶片的滞尘能力与植物种类、季节等因素密切相关，不同蒙尘环境深度影响植物的生理状态。自然和社会因素对大气环境质量存在显著影响[6]，不同季节和时间点大气悬浮颗粒物中重金属元素(Pb、Zn、Co等)、阴离子等)、阳离子等)、SO2和NO2等的浓度水平会发生相应变化[7]。Rocha等[8]研究发现，铁离子沉积会对巴西木(Clusia hilariana)叶片造成伤害，导致叶片远轴面上表皮蜡质和角质层破裂，表皮细胞壁的弯曲度消失，气孔变形。Mori等[9]对北美云杉(Picea sitchensis)和樟子松(Pinus sylvestris)滞留颗粒物的能力进行了探讨，证明北美云杉叶面比樟子松更容易滞留颗粒物，且颗粒物的积累量随时间增加，二年生的针叶较一年生针叶积累的颗粒物更多，且积累颗粒物中元素的种类也较多。可见，植物在滞留空气颗粒物、净化大气环境的过程中受到多方面因素的影响，而植物种类和叶表面形态对于大气颗粒物的滞留具有重要的影响作用，探讨植物种类及其叶面微结构特征与其滞尘能力之间的关系，有助于揭示植物叶片滞留大气颗粒物的机理，同时对于城市科学合理选择绿化树种，进行高效的绿地设计提供了合理的参考和借鉴，也是改善城市环境质量的重要保障和前提。

目前，关于西安市绿化树种滞留大气颗粒物的相关研究相对较少，而揭示植物滞留大气颗粒物的本质有助于推进西安市创建国家森林城市、改善城市居住环境的进程。本文以10种常绿植物为研究对象，测定不同植物叶片滞留大气颗粒物的情况，并进一步对其叶表面微结构进行观察，以期揭示不同植物叶表面微细结构在大气颗粒物滞留过程中发挥的作用与对应关系。相关研究结果将为进一步探讨植物的滞尘机理、科学指导城市绿化树种的合理栽种、提高大气环境质量等提供可靠的实验依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

西安市(东经107.40°～109.49°，北纬33.42°～34.45°)北临渭北高原，南依秦岭山脉，地处关中平原的中心位置；属暖温带半湿润大陆性季风气候；冷暖空气交汇容易导致大雾天气产生，并进一步形成静风、静稳等不利气象条件，使得大气颗粒物不易扩散、空气质量转差[10]。西安市年鉴统计显示：2014年西安市年均气温15.2 ℃，降水量660.3 mm，日照时数1 941.8 h，平均风速2.3 m/s。2014 年平均PM10值为147 μg/m3，PM2.5为76 μg/m3，超过国家环境空气质量二级标准的2.2倍。全年环境空气质量达标天数为211 d，达标率为57.81%。本研究供试树种采集地为陕西师范大学(长安校区)校园，位于西安市南郊，周边无大型排污工厂。

1.2 实验材料

于2014年1月雨后10 d的晴朗天气，采集10种常绿植物叶片，包括5种松科植物(雪松Cedrus deodara、油松Pinus tabulaeformis、白皮松Pinus bungeana、华山松Pinus armandii、云杉Picea asperata)、4种柏科植物(侧柏Platycladus orientalis、塔柏Sabina chinensis cv. pyramidalis、龙柏Sabina chinensis cv. kaizuca、刺柏Juniperus formosana)和1种常绿阔叶灌木(冬青卫矛Euonymus japonicus)。每种植物就近选取3株胸径、树高、长势基本一致的个体，每株分别从东、西、南、北4个方向距地面约2.0 m(冬青卫矛除外)处采集叶片。采集过程均佩戴PE手套，尽量减少抖动，收集到的叶片一部分放入自封袋，一部分置于FAA固定液中，4 ℃保存,备用。

1.3 实验方法

1.3.1 植物叶片单位叶面滞尘量的测定 将采集到的各树种叶片分别称取60.0 g，用300 mL蒸馏水分3次进行清洗，合并每次清洗所得溶液置一称重的干燥洁净烧杯中(M1)，并于电炉上加热，蒸至含有少量水分后放入烘箱继续烘干至恒重，测定烧杯重量(M2)。将清洗过的各树种叶片用滤纸吸干后，用扫描仪(MICROTEK 4850Ⅱ)对叶面进行扫描，并利用Image J2X图像处理软件测量各树种叶面积(S)。各树种叶片单位叶面滞尘量(g/m2)依照下式进行计算：

单位叶面滞尘量

利用SPSS 17.0 软件，结合单因素方差分析法(ANOVA)，对各植物单位叶面滞尘量进行分析。研究表明，降水量15 mm、降水强度10 mm/h的条件即可清除植物叶表面的积尘[11-13]。本研究参考相应方法对供试叶片进行深度清洗处理。具体操作过程为：随机选取各树种叶片5片，先用去离子水清洗叶表面浮尘，再用洗瓶反复冲淋至少50次，具体操作过程均达到或超过文献所报道的限度，可以实现对叶片的深度清洗。不作处理的材料为未清洗组。

1.3.2 植物叶片微形态特征的观察 10种植物叶片微形态特征分别采用环境扫描电子显微镜(ESEM，Quanta-200)和扫描电子显微镜(SEM，S-3400N)进行观察。ESEM观察制样过程为：取新鲜的供试树种叶片，剪为0.5×0.5 cm2的切块后，常规方法制样、粘台，观察并记录。SEM观察制样过程为：分别取出FAA液中固定的未清洗和深度清洗的叶片，剪成0.5×0.5 cm2的切块，依次用70%、85%、95%、100%乙醇逐级脱水，然后用乙醇与乙酸异戊酯比例为2∶1、1∶1和1∶2的混合液各脱水一次，再用纯乙酸异戊酯置换2次，每次15 min；然后用临界点干燥仪(Emitech K 850)进行干燥、粘台，最后用磁控离子溅射仪(VD-MPS-1S)喷金，观察并记录。

2 结果与分析

2.1 10种植物叶片的单位叶面滞尘量

本研究主要参考李万春[14]、王蓉丽[15]等关于松柏科植物叶面积的测量方法，对供试植物的叶面积进行测定，并计算各植物单位叶面滞尘量，结果如表1所示。由表可知，10种常绿植物滞留大气颗粒物的能力存在差异。云杉的单位叶面滞尘量最高(5.6±0.1 g/m2)，次低为雪松(3.2±0.1 g/m2)和刺柏(3.1±0.1 g/m2)，最低为侧柏(0.7±0.0 g/m2)和冬青卫矛(0.6±0.1 g/m2)，其余树种介于刺柏和侧柏之间，依次为华山松、龙柏、油松、白皮松和塔柏。其中，雪松和刺柏的滞尘量相当，侧柏和冬青卫矛的单位叶面滞尘量无显著性差异，而云杉的单位叶面滞尘量显著高于冬青卫矛，二者相差9.2倍。可见，植物种类不同，叶表滞留大气颗粒物的状况存在差别，云杉和雪松叶表面具有较好的滞留大气颗粒物的能力。

注：不同小写字母表示单位叶面滞尘量在0.05水平上差异显著。

2.2 10种植物叶表面的ESEM观察

本研究采用ESEM方法，对10种常绿植物叶表面的原始滞尘情况和微形态结构特征进行了观察，所得结果如图1所示。由图可知，植物叶表面附着较多大气颗粒物，致使叶表面一些微细结构被遮盖而不易观察。塔柏(图1,1)、侧柏(图1,3)和龙柏(图1,4)的叶表面通常分布有较为密集的条状凸起，其间形成沟槽，可以滞留一些细小的颗粒物；刺柏(图1,2)叶表面的条纹状凸起明显且密集，形成较为明显的沟槽，其间附着较多颗粒物；云杉(图1,5)叶表面有较宽的条状凸起，有利于大气颗粒物的附着，部分区域大气颗粒物堆叠明显；雪松(图1,6)叶表面具明显的气孔线，气孔下陷，角质层较厚且不平整，大气颗粒物大量滞留于叶表，部分区域的颗粒物较多而堆叠成片。华山松(图1,7)的叶表面亦附着较多大气颗粒物，叶表微结构由于颗粒物的明显堆叠而不易观察。油松(图1,8)和白皮松(图1,9)叶表面的条纹结构明显，大气颗粒物明显附着于叶表和气孔周围，但沉积量相对较少。冬青卫矛(图1,10、11)的上、下叶表面的大气颗粒物附着明显，叶表的微形态结构被明显遮挡。植物叶表的条状凸起、沟槽、气孔等结构较易滞留大气颗粒物。ESEM法属直接取样观察，较为真实地反映植物叶表面的滞尘状况。由于材料未经表面清洗处理，华山松和冬青卫矛的叶表面密布较多大气颗粒物，而不利于对其微细结构进行观察；冬青卫矛栽种于道路两侧，常将主干截头，高度1.0 m左右，使得叶片优先富集道路扬尘，叶表的大气颗粒物附着更为明显。

图1 10种植物叶表面ESEM观察结果
Fig.1 The ESEM images of the leaf surface from 10 kinds of plants

1.塔柏S. chinensis cv. pyramidalis; 2.刺柏J. formosana; 3.侧柏P. orientalis; 4.龙柏S. chinensis cv.kaizuca; 5.云杉P. asperata; 6.雪松C. deodara; 7.华山松P. armandii; 8.油松P. tabulaeformis;9.白皮松P. bungeana; 10.冬青卫矛E.japonicus叶上表面; 11.冬青卫矛叶下表面。

2.3 10种植物叶表面的SEM观察

为进一步探讨供试植物叶表滞留大气颗粒物的结构基础，本研究采用SEM法对10种常绿植物未清洗和深度清洗条件下的叶表微形态结构进行了观察(见图2)。SEM法制样需要对材料进行FAA溶液固定，供试植物叶表面积尘被较大幅度地清除，而未清洗和深度清洗条件下各植物的叶表微结构形态也表现出较为明显的差别。未清洗植物叶表面仍可见明显的、不同程度颗粒物附着；深度清洗植物叶表面的较多颗粒物被清除，叶表面的一些凸起、沟槽、气孔、角质纹理等结构为颗粒物的附着提供了可供黏附的表面。塔柏(图2,1a、1b)叶表面的脊状凸起明显且排列规则，其间形成凹陷，便于颗粒物沉积，保卫细胞凸起明显，其上和周围黏附较多颗粒物,内部有部分颗粒物填充，未清洗材料叶表面黏附较多颗粒物；深度清洗后在叶表的凹陷处以及气孔内及其周围仍有少量颗粒物滞留。刺柏(图2,2a、2b)叶表面较为平滑，气孔凹陷且分布均匀，未清洗叶片表面有较多颗粒物沉积并形成片层；深度清洗后，大部分的颗粒物被清除，但细小颗粒物仍广泛滞留于凸起间隙，部分气孔中也有填充。侧柏(图2，3a、3b)叶表细胞凸起明显，气孔器由5～7个副卫细胞环绕，突出于叶表；未清洗条件下，整个叶表颗粒物滞留明显，尤以细胞间隙、气孔内部及其周围颗粒物富集；深度清洗后，颗粒物清除效果明显，但仍有颗粒物滞留于细胞间隙的凹陷处、气孔表面及其周围。龙柏(图2，4a、4b)叶表规则的凸起与椭圆形气孔镶嵌分布，为颗粒物的附着提供了良好的黏附界面，未清洗叶片表面富集较多颗粒物；清洗后较多颗粒物被清除，但在两叶片的相邻处及气孔表面与内部仍有明显的颗粒物滞留。云杉(图2，5a、5b)叶表面的角质层较厚，气孔下陷明显，气孔周围的较宽凹槽有利于颗粒物的滞留；深度清洗后可见叶表角质层有裂纹，气孔周围的凹槽处仍有颗粒物沉积。雪松(图2，6a、6b)叶表有鳞片状的蜡质结构，气孔呈椭圆形且明显下陷，未清洗叶表附着较多颗粒物，并填充气孔；深度清洗后叶表结构清晰可辨，有少量颗粒物滞留，叶表剥落、破裂的蜡质进一步增加了叶表的粗糙程度，而有利于颗粒物的滞留。华山松(图2，7a、7b)叶表面有条状纹理，气孔呈长椭圆形，叶表蜡质结构有一定程度的破裂，增大了颗粒物的黏附率。油松(图2，8a、8b)叶表面有条纹状凸起，圆形气孔下陷，易于颗粒物的附着，深度清洗后下陷的气孔中仍有颗粒物填充。白皮松(图2，9a、9b)叶表面可见较为明显的条状凸起，椭圆形气孔纵向排列，未清洗条件下可见颗粒物均匀分布于条状凸起间的凹槽部位、气孔周围及其内部；深度清洗后叶表的颗粒物明显减少，但仍有一些细颗粒物在叶表的凹槽处、气孔内部及周围滞留。冬青卫矛上表面(图2，10a、10b)颗粒物滞留较多并堆叠成片，经深度清洗后仍有一些细颗粒物滞留，叶表的凸起分布均匀，其间的凹陷结构为颗粒物的主要滞留场所；其下表面(图2，11a、11b)可见明显的、略有下陷的卵圆形气孔分布，气孔周围及叶表凹陷处有较多的颗粒物沉积。SEM观察结果表明：未清洗植物的叶片表面大气颗粒物较多地附着于叶表凸起间的凹槽处、气孔周围及其内部；深度清洗后，叶表面的颗粒物清除效果明显，但仍有一些颗粒物沉积于叶表的凹槽处和气孔周围及内部。因此，植物叶表面凸起间的凹槽、气孔周围及内部等结构进一步增加了叶表的粗糙程度，为大气颗粒物滞留提供了附着面；深度清洗后，相对平滑的叶表滞留的颗粒物被大幅度清除，说明植物叶表的微形态结构是滞留大气颗粒物的结构基础。自然条件下的降雨可以较大幅度地冲涮掉植物叶表面滞留的大气颗粒物，但一些细小的颗粒物因附着牢固无法被雨水清除。

图2 10种植物叶表面扫描电镜图
Fig.2 The SEM images for the leaf epidermis of 10 plants

a.表示未清洗叶片; b.表示深度清洗叶片; 1.塔柏S. chinensis cv. pyramidalis; 2.刺柏J. formosana; 3.侧柏P. orientalis; 4.龙柏S. chinensis cv. kaizuca; 5.云杉P. asperata; 6.雪松C. deodara; 7.华山松P. armandii; 8.油松P. tabulaeformis; 9.白皮松P. bungeana;10.冬青卫矛E．japonicus叶上表面; 11.冬青卫矛叶下表面。

3 讨论

近几年，随着人们对大气环境质量的关注度不断提高，有关植物滞留大气颗粒物的研究也日渐增多，相关研究旨在从植物的形态结构方面探讨植物滞留大气颗粒物的能力及其适应雾霾天气等逆境环境的响应机制，以期为环境绿化树种的合理选择和栽种，改善大气环境等提供依据。西安市所处地理位置较为特殊，由于冬季的取暖需求，导致燃煤量大幅增加，加之降水量少，使得雾霾天气极易形成，且不易散去。其中，2015年冬季西安市雾霾天数较往年明显增多，持续时间延长，致使大气环境质量极度下降。因此，开展西安地区绿化植物滞留大气颗粒物的相关研究尤为必要。

目前，关于西安市区植物滞尘能力研究的报道较少，杨周敏曾以山槐、丁香、马蔺等为试材，从多个角度比较了3种植物滞尘量的差异及蒙尘后的生理响应[5]；王会霞等借助SEM和原子粒显微镜对大叶女贞叶表的微观结构进行了观察，深入探讨了其叶面微结构对滞留颗粒物粒径的影响[16]。已有研究结果表明，植物滞留大气颗粒物的能力因植物种类、气候环境、生长状态等差异而有所不同。本研究中的供试植物均为西安市区常见绿化树种，对于塔柏和刺柏滞尘能力的研究为首次涉及。供试树种的单位叶面滞尘量介于0.61～5.6 g/m2之间，与多数文献的测定结果较为一致。而校园环境由于车流量相对小、污染排放少等特点，可以作为植物滞尘能力研究的理想取材地点。当然，不同环境条件对于植物的滞尘能力也会产生不同程度的影响，后续还将补充不同采样点植物对于大气颗粒物滞留情况的探讨。松柏科植物吸附颗粒物的能力明显高于阔叶植物[17]，可能与其叶型、叶表面形态结构等特征直接相关，而阔叶植物冬青卫矛由于叶表较为平滑，使得大气颗粒物难以在其上牢固黏附，具体的滞尘机理还需进一步探讨。

本研究分别采样ESEM和SEM法对10种常绿植物叶片微形态结构进行了观察，两种方法均可从不同角度展示植物叶表面的微细结构和滞尘状况。目前，采用ESEM法描述植物叶表原始滞尘状况的研究报道减少，该方法制样简单、快捷，能够真实有效地反映植物叶表面原始的滞尘情况[18]，且与滞尘量的测定结果较为一致；同时观察到冬青卫矛和华山松的叶表面被较多大气颗粒物遮盖，而难以辨析叶表结构。由于SEM法制样过程中涉及材料固定、脱水等操作，较易清除叶表一些黏附不牢的颗粒物，促使叶表微细结构很好地显露出来而便于观察，一些经过深度清洗仍牢固黏附于叶表的颗粒物则进一步说明了植物对大气颗粒物具有较好的滞留能力[19]。目前，已采用SEM法从微形态结构层面对香樟、桂花、红叶李[20]、悬铃木、珊瑚树、紫薇[21]、杨树、元宝树、柳树[22]等多种植物的滞尘机理进行了研究。本研究结果表明，10种常绿植物叶表面的凸起、沟槽、气孔以及各种纹理结构在一定程度上增加了叶表的粗糙程度，有助于附着较多大气颗粒物。联合ESEM和SEM法不仅可以较为全面地描述植物叶面滞尘状况，还能有效地揭示其滞留大气颗粒物的结构基础。供试植物叶片经深度清洗后，叶表的颗粒物可被大部分清除，但仍有部分颗粒物牢固黏附于叶表的凹槽、气孔内部及其周围，说明自然条件下牢固附着于叶表的颗粒物并不能被雨水彻底清除。

4 结论

本研究对10种常绿植物的单位叶面滞尘量和叶表面的微形态特征进行了观察与分析。结果显示，各树种单位叶面滞尘量由高到低依次为：云杉、雪松、刺柏、华山松、龙柏、油松、白皮松、塔柏、侧柏、冬青卫矛，云杉表现出较优的叶面滞尘能力。ESEM法较好地描述了植物叶表面原始的滞尘情况，华山松和冬青卫矛叶表面浮尘较多，叶表的微形态特征被遮盖。SEM观察结果表明，深度清洗和未清洗树种叶表面微结构形态表现出明显的差别，模拟自然状态下的降雨过程能够较大程度地清除植物叶表面滞留的大气颗粒物。植物叶表面的滞尘能力与植物种类及叶表的微形态特征之间具有一定的对应关系，植物叶表面的凸起、沟槽、气孔以及各种纹理结构增加了叶表的粗糙程度，增大了与大气颗粒物的接触面积，一定程度上提高了植物的滞尘能力。云杉、雪松作为城市绿化树种，能够有效滞留大气颗粒物，改善大气环境，对有效推进国家森林化城市的建设进程具有指导意义。

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