经济和城市化的迅速发展使城市空气中颗粒物、有毒有害气体等日趋增多，其中颗粒物污染已成为主要的城市环境问题之一。颗粒物因其影响大气能见度、产生光化学烟雾、加剧温室效应^{[1, 2]}，而且含有重金属、细菌、病毒、PAHs等致癌物质严重影响人民健康^[3]，已经成为国内外公众、政府和学者共同关注的重要问题。为了有效降低城市空气中的颗粒污染物和提高人居环境质量，各级政府大力营造城市森林，通过森林表面积巨大的叶片和枝干来滞尘、吸尘等发挥其滞尘效应。

城市植被对颗粒污染物的滞留已成为研究的热点^{[4, 5, 6, 7, 8, 9]}。京西门头沟自然植被的年滞尘量可达39.47×10⁴ t^[4]。英国大伦敦地区的城市植被能降低0.7%—2.6%的可吸入颗粒物(PM₁₀)^[5]。美国城市植被年滞留PM₁₀的量高达21.49×10⁴ t^[6]。在国内，也有学者关注不同植物单位叶面积/叶重的滞尘量以及年滞尘量^{[7, 8, 9]}。广州市18种行道树的滞尘量在0.066—1.831 g/m^2[7]，其中大叶榕(Ficus virens var. sublanceolata)、小叶榕(Ficus microcarpa)、红花羊蹄甲(Bauhinia blakeana)和芒果(Mangifera indica)4种乔木年滞尘量可达8013 t^[8]。惠州建成区大叶榕、小叶榕、高山榕(Ficus altissima)和红花羊蹄甲单位叶面积的滞尘量分别为0.98、0.75、0.64和0.41 g/m²，年滞尘量为4431 t^[9]。这些研究对植被的滞尘作用与效果提供了大量的量化数据，但大多为模拟或在特定时间(生长季中或生长季末)测定或计算所得。在实际环境中，受降雨、大风、沙尘等天气状况的影响，植物叶面滞尘量将发生变化^{[10, 11]}，因此这些数据在应用到具体规划设计及量化区域和时间尺度上的植被滞尘效应上时，其可操作性就显得较差了。因此，如何在综合考虑天气状况的影响下量化植被滞留大气颗粒物的作用就成为一个值得进一步研究的课题^[12]。

西安市(北纬34°10′—34°25′，东经108°47′—109°10′)是典型的北方城市，颗粒物一直是其主要污染物^[13]。油松(Pinus tabuliformis)、女贞(Ligustrum lucidum)、珊瑚树(Viburnum odoratissimum)和三叶草(Trifolium repens)是常见的常绿植物，对大气颗粒物消减尤为重要。本文在天气变化频繁的春季，选择典型天气条件，对4种植物动态观测了叶面滞尘量，探讨了天气状况对叶面滞尘的影响。这些研究有助于揭示叶面滞留大气颗粒物的机理和过程，并能为叶面滞尘量化评价提供科学依据。

供试的4种植物(油松、女贞、珊瑚树和三叶草)分属4个科，其基本性状及第1次采样时的叶面接触角见表 1。

考虑到不同天气状况对叶面滞尘的影响，选择的采样日分别为2010年3月21日(连续6d晴天)、3月27日(连续12d晴天)、4月3日(2.3 mm雨后1d)、4月10日(15.2 m/s大风后3d，当天12.1 m/s大风)、4月19日(8.8 mm雨后4d)、4月22日(连续2d雨后(17.1、14.8 mm))、4月26日(1.2 mm雨后1d、沙尘天气、14.0 m/s大风)和5月3日(连续6d晴天)。采样地点为紧邻雁塔北路的西安建筑科技大学校园内，在与道路距离相同的位置(约50 m)，每物种选择样树3—6株，在树冠不同方位的上、中、下不同部位分别采集叶样；根据叶片大小每株样树采集数量为50—150片/簇不等。三叶草则随机选取40—50株。用修枝剪剪下带叶枝条，插入装满水的烧杯中，带回实验室内测定叶面的滞尘量、接触角和微结构。

滞尘量测定采用重量法^[14]。根据叶片面积大小选择试验叶片数量，较大叶片及针叶选择8—10片/簇，较小的选择20—30片，每个树种各设3个重复。将选取的叶片放入盛有蒸馏水的烧杯中浸泡，用小毛刷清洗叶片上的附着物，然后用镊子将叶片小心夹出。浸洗液用已烘干称量(M₀)的微孔滤膜(0.22 μm)过滤，将滤膜于60℃下烘干至恒重，再用0.0001 g分析天平称量(M₁)，2次质量之差(M₁-M₀)即为叶片上所附着颗粒物的质量。对于阔叶树，夹出的叶片晾干后，置于扫描仪(HP Scanjet G2410，日本)中扫描，然后用Image J(Version 1.40r，National Institutes of Health，USA)图像分析软件计算叶单面面积(S)。对于针叶树，采用排水法并依据式S=2L(1+ π n ) nV πL 计算叶面积^[15]。(M₁-M₀)/S 即为单位叶面积的滞尘量。两次采样滞尘量的变化量为滞尘量的差值/两次采样时间间隔。

在室温条件下，用静滴接触角/界面张力测量仪(JC2000C1，上海中晨科技发展有限公司)分别在15片叶片上测定叶片表面与蒸馏水的接触角。已有研究表明，液滴体积在1—10 μL时接触角不受液滴体积的影响^[16]。根据阔叶树和针叶树的叶面积大小，本研究中液滴体积分别采用6 μL和2 μL。对于阔叶物种，同一叶片沿中脉分开，分别用作正面和背面接触角的测定。选取叶片较平坦的表面并尽量避开叶脉，制成约5 mm×5 mm的样本。对于针叶物种，制成约10 mm长的样本。将待测样本铺平后用双面胶粘于玻璃板上，置于静滴接触角/界面张力测量仪的载物台上，然后调节毛细管出水，在叶面上分别形成约6 μL或2 μL大小的液滴。利用CCD成像后采用量角法测定接触角大小。接触角可以定量描述液体在固体表面上的润湿程度，θ＜110°时可润湿，θ＞110°时不润湿^[17]。

将采集的叶样制成约5 mm×5 mm(针叶长度约10 mm)的样本，铺平后用导电胶黏贴在扫描电镜载物台上，用JSM-6510LV型扫描电子显微镜(JEOL，Japan)观察并拍照。

从中国气象科学数据共享服务网收集采样期间逐日降水、极大风速和平均相对湿度^[18](图 1)。在西安市环境监测站网站获得采样期间空气中PM₁₀数据^[13](图 1)。

图 1 降水量、极大风速、可吸入颗粒物和平均相对湿度日变化 Fig. 1 Diurnal variations of precipitation,maximum wind speed,PM10 and mean relative humidity

图选项

对不同物种叶面滞尘量、各物种不同采样时间叶面滞尘量、各物种单叶面积及叶面润湿性的差异，进行单因素方差分析，并用Student-Newman-Keuls法进行多重比较。各物种叶正背面润湿性的差异用t检验。所有统计分析均采用SPSS19.0(SPSS，IBM，USA)软件。差异显著性水平设定为0.05。

4种植物单叶面积、接触角均具有显著差异(ANOVA，P<0.001)，单叶面积(cm²)由大到小依次为女贞(35.60±10.55)>珊瑚树(28.30±6.61)>油松(8.38±0.34)>三叶草(7.72± 1.66)。植物叶片正背面接触角分别变化于：58.9°—128.5°、60.7°—76.3°(表 1)，其中油松、女贞和珊瑚树叶面易润湿，仅三叶草叶正面表现出疏水特征^[17]。

油松叶正背面有平行排列的棱，其间有大量小粒径的颗粒物。粒径较大的颗粒物多沉积在棱上，有丝状物质将多个颗粒连接在一起而呈积聚态(图 2a)。女贞叶正面较光滑，表面被大量颗粒物覆盖；背面有脊状突起，在突起间和突起上有少量小颗粒物(图 2b)。珊瑚树叶正面有大量颗粒物，少量颗粒物呈积聚态；背面气孔周围为脊状突起，有少量颗粒物分布在气孔周围(图 2c)。三叶草叶正面密被蜡质晶体，极少有颗粒物；背面表皮细胞突起，有少量颗粒物(图 2d)。女贞、珊瑚树和三叶草叶面上的颗粒物粒径多小于10 μm，且大部分小于2.5 μm(图 2b—d)。

图 2 供试植物叶面微结构 (×1000；a：油松，b：女贞，c：珊瑚树，d：三叶草；1：正面，2：背面) Fig. 2 The surface structure of the selected plant species with a magnification of 1000 (a: Pinus tabuliformis,b: Ligustrum lucidum, c: Viburnum odoratissimum,d: Trifolium repens)

图选项

4种植物叶面滞尘量具有显著差异(ANOVA，P< 0.001，图 3)，变化于0.12—5.85 g/m²。油松叶面滞尘能力最强，珊瑚树次之，女贞居三，而三叶草最小；叶面滞尘量分别变化于4.57—5.45g/m²、2.23—5.85g/m²、2.14—4.27g/m²和0.12—0.38g/m²(图 3)。

图 3 不同采样时间叶滞尘量 Fig. 3 Leaf captured dust quantity on different dates 均值±标准差，不同小写字母表示各物种不同采样时间的多重比较结果在0.05水平上差异显著

图选项

受降雨、大风和沙尘等的影响，女贞和珊瑚树叶面滞尘量变化明显，而三叶草和油松叶面滞尘量变化不显著(图 3)。4种植物在连续6d和12d晴天情况下，叶面滞尘量均无明显变化(图 3)，因此可代表其滞尘饱和量。2.3 mm的降水和15.2 m/s的大风使女贞叶面滞尘量降低了约30%(图 3)；连续2d(17.1、14.8 mm)的降雨后，女贞叶面滞尘量降低了约50%；8.8 mm降水后4d，女贞叶面滞尘量已恢复了80%以上(图 3)。对珊瑚树而言，仅连续2d的降水导致叶面滞尘量降低了62%(图 3)。在1.2 mm降雨后1d的沙尘天气下，珊瑚树和女贞的叶面滞尘量均达最大(图 3)。

空气中PM₁₀浓度高达474 μg/m³的沙尘天气时，女贞和珊瑚树叶面滞尘量显著升高，其变化量分别为0.71、1.21 g m^-2 d^-1；油松叶面滞尘量微弱增加，其增加量为0.41 g m^-2 d^-1；而三叶草叶面滞尘量变化不明显(图 4)。降水对油松和三叶草叶面滞尘量影响不明显；降水量小于12 mm时，女贞和珊瑚树叶面滞尘量缓慢降低；随着降水量的增加女贞和珊瑚树叶面滞尘量迅速降低，其变化量分别为0.71、1.32 g m^-2 d^-1(图 4)。相对湿度大于80%时，女贞和珊瑚树叶面滞尘量明显降低(图 4)。随着极大风速增加，油松叶面滞尘量呈现为微弱变化，而女贞和珊瑚树叶面滞尘量均呈现先升高后降低，在极大风速为14 m/s时达到峰值(图 4)。

图 4 供试植物叶面滞尘量变化量与采样期间降水量、极大风速、相对湿度和空气中PM10的关系 Fig. 4 The relationships between the variation of dust retention amount and daily precipitation,maximum wind speed,relative humidity and PM10 concentrations during the sampling period

图选项

不同树种的叶面滞尘量受叶面粗糙度、分泌物、枝叶密集程度、叶面倾角、叶质地、颗粒物粒径以及气象条件(如降水、风速、沙尘等)等因素的影响^{[7, 8, 11, 14, 19]}。在相同气象条件下，树种间滞尘能力的差异是由植物叶片的形态结构特征、叶面积等决定的^{[7, 8, 9, 11]}。如果叶子的表面粗糙，具绒毛和沟状脊状突起、粘液油脂和叶柄短等特征，则可吸附大量飘尘颗粒^[20]。而贾彦等^[21]认为叶表粗糙程度对颗粒物的滞留能力与叶表沟状结构的尺寸有关。叶面微结构尺寸对细颗粒物具有筛选作用；沟壑宽度小于或等于粉尘颗粒粒径时，将不会增强植物叶片的滞尘能力。Rsnen等^[22]模拟测定了欧洲赤松(Pinus sylvestris)、垂枝桦(Betula pendula)、欧洲桦(Betula pubescens)和欧洲椴(Tilia vulgaris)叶片的滞尘能力及叶面特征对其的影响，发现叶小的欧洲赤松具有高的滞尘能力；阔叶植物叶面若具有绒毛、易润湿和气孔密度低则有利于滞留颗粒物。本研究表明，4种植物中叶面积最小且易润湿的油松叶面滞尘量最高，而与其面积相当的三叶草叶面滞尘量最低，这与三叶草叶面的蜡质晶体导致了叶面的疏水特性有关。此外，颗粒污染物与叶表面的接触主要受气相阻力控制^[23]；越粗糙的表面，边界层越厚，产生的相邻切变较多，因而气相阻力越大^[24]。边界层厚度的微小差别将影响污染物扩散到植物叶表面的速率，污染物更易从边界层薄的区域进入叶表面^[25]。因此，叶面粗糙度较高的女贞^[26]叶面滞尘量较珊瑚树低。

不同植物叶面的滞尘能力差异也与颗粒物与叶面的作用方式有关。颗粒物在叶面的滞留依赖于其粒径分布，粒径< 0.1 μm的颗粒主要受扩散过程的影响，粒径0.1—10 μm的颗粒受扩散过程和湍流撞击的双重影响，而粒径>10 μm 的颗粒则以湍流撞击为主^[1]。珊瑚树、女贞和三叶草叶面上的颗粒物粒径多小于10 μm，由此认为叶片滞尘主要由颗粒重力下降和微环境下空气湍流引起的撞击作用导致。油松叶面颗粒物以丝状物为骨架形成的颗粒团为主，这主要是油松叶面分泌粘性油脂的作用结果。

受降水、大风、沙尘等天气的影响，叶面滞尘量变化频繁，其变化程度因物种而异。三叶草叶正面接触角较大，由于叶表皮细胞突起、蜡质晶体的微观形态结构及其疏水性质，使得叶片与颗粒物的接触面积较小，从而导致颗粒物与叶面的亲和力较小，不易在叶表面沉积^[27]，因而其叶面滞尘量低且受外界环境变化干扰很小。油松叶面的棱状结构有利于小颗粒的附着，分泌的粘性油脂使小颗粒物积聚形成网状结构的颗粒团，在大风、降水、沙尘等天气事件发生时，叶面滞尘量也不会发生明显变化。

连续2d降水(17.1、14.8 mm)后，易润湿的珊瑚树和女贞的叶面滞尘量分别降低了62%和50%；小雨(2.3 mm)和大风(15.2 m/s)也使女贞叶面滞尘量降低了约30%。一般认为，15 mm的降水可冲掉叶面附着的颗粒物^[8]，但叶面部分颗粒物附着牢固，较难被雨水冲掉。王蕾等^[11]认为14.5 mm的雨后侧柏(Platycladus orientalis)、圆柏(Sabina chinensis)和云杉(Picea asperata)叶面颗粒物附着密度为冬季颗粒物附着密度的一半以上。小雨(1.2 mm)后1d的沙尘天气，可能通过以下几种方式影响叶面滞尘：1)携带入侵沙尘的气流速度较高，遇到植物产生强烈湍流，有利于叶面捕获颗粒物^{[11, 28]}；2)空气污染程度对植物叶面滞尘量影响很大，高污染环境中叶面滞尘量较高^[14]，而沙尘天气发生时空气中的颗粒物浓度很高；3)外来沙尘粒径较大，其密度较高^[1]，对叶面滞尘量贡献较大；4)雨后叶面周围相对湿度较大，润湿的叶面更易于滞留颗粒物^{[29, 30]}；5)小颗粒物中可溶性的成分与水发生作用后粒径增大^[31]，有利于小颗粒物滞留在叶面。

在大气颗粒物污染严重的时段，女贞和珊瑚树叶面滞尘量变化量分别为0.71、1.21 g m^-2 d^-1，这说明在颗粒污染物浓度高的时段或区域女贞和珊瑚树叶面滞尘可在4—5 d达到饱和。空气中颗粒物的浓度会对植物叶面的滞尘量产生很大的影响。陈玮等^[32]的研究表明桧柏(Sabina chinensis)叶面的滞尘量以机动车道与自行车分车带最高，而公园内最低。邱媛等^[9]研究了广东省惠州市不同功能区的大叶榕、小叶榕、高山榕和红花羊蹄甲，发现叶面滞尘可在20 d达饱和，其滞尘量由大到小依次为：工业区 > 商业交通区 > 居住区 > 清洁区。王赞红等^[33]研究发现大叶黄杨(Euonymus japonymus)叶面可在15 d达到其滞尘饱和量。植物叶片受到外界环境的干扰，单位叶面积滞尘量的变异较大，说明即使在同一环境中叶面滞尘达到饱和的时间也会存在差异。

研究发现，12 mm以下的降水并不能有效去除叶面上滞留的颗粒物。31.9 mm(连续2 d降水，17.1、14.8 mm)的降水后，油松和三叶草叶面滞尘量变化不明显，而女贞和珊瑚树叶面上约50%和62%的颗粒物被洗除。Kaupp等^[34]发现20%的叶面污染物能够被水冲洗掉。欧洲赤松叶面30%—40%的颗粒物能够被20 mm的降水冲洗掉^[35]。Rodríguez-Germade等^[10]认为降水能够有效清洗掉悬铃木(Platanus hispanica)叶面上附着的颗粒物。王蕾等^[11]对北京市部分针叶树种叶面滞尘量进行了观测，发现侧柏和圆柏叶表面密集的脊状突起间的沟槽可深藏许多颗粒物，且颗粒物附着牢固，不易被中等强度(14.5 mm)的降水冲掉。然而，Beckett等^[36]认为，降水并不能冲洗掉叶面上滞留的颗粒物。王赞红等^[33]对大叶黄杨叶片上表皮的滞尘颗粒物进行了扫描电镜观察，叶面颗粒物被清洗的程度与模拟降水的强度和降水量有关，即使深度清洗也不能去除叶面上粒径小于1 μm的颗粒物。降水对不同植物叶表面颗粒物的清洗作用因物种而异，与叶表面结构、叶表滞留颗粒物粒径和降水特性密切相关。自然界的降水过程对叶面上滞留颗粒物的冲洗作用是植物恢复滞尘功能的关键因素，但降雨洗刷叶面滞尘的作用大小与降雨量、降雨强度、降雨历时等有关，详细关系有待进一步研究。

本研究中相对湿度大于80%时，女贞和珊瑚树叶面滞尘量明显降低。可从以下几方面考察空气相对湿度对滞尘的影响。一方面，相对湿度的增大一般发生在降雨后，降雨可冲洗附着在叶面上的颗粒物，并能有效降低空气中颗粒物的含量并固化地面及其他物体表面可能扬起的灰尘，这样植物叶面的滞尘量将降低。另一方面，空气中的颗粒物因湿度的增加而相互凝结或因自身的润湿性吸收水分而增大^[31]，从而有利于沉降或被植物叶片滞留。同时，空气湿度的增加以及植物的蒸腾作用也会使植物叶面更润湿，从而提高植物的滞尘能力。由于植物叶面的滞尘与粉尘脱落同时存在，相对湿度较高时，叶面颗粒物的脱落大于滞留，这样也可能导致叶面滞尘量的降低。

植物叶面滞尘量的大小除受其他因素外，还取决于空气中颗粒物的运动方式及运动速度。Freer-Smith等^[28]借助风洞实验研究了风速对叶面滞尘及颗粒物沉降速率的影响，发现颗粒物在大风条件下(9 m/s)滞留量及沉降速率均较小风(3 m/s)时高。Beckett等^[37]发现在风速小于8 m/s，叶面滞尘及颗粒物沉降速率随风速的增大而增大，但风速的继续增大则可能导致叶面滞尘及颗粒物沉降速率的减小。Ould-Dada和Baghini^[38]发现风速小于5 m/s时并不能影响叶面上颗粒物的滞留量。王蕾等^[11]研究发现，10.4 m/s的大风并不能吹掉侧柏、圆柏、油松和云杉叶面上滞留的颗粒物。只有在合适风速时，植物的滞尘功能才表现的最为突出，若在一段时间内风速过高，植物滞尘功能则降低。

综合来看，典型天气状况下植物叶面滞尘量变化是受多种因素综合影响的结果。在不同天气状况下是否多个因素共同起作用还是哪个因素起主要作用，还需要加强深入的研究。

(1)油松、女贞、珊瑚树和三叶草叶面滞尘量差异显著，其滞尘量分别变化于：4.57—5.45、2.14—4.27、2.23—5.85、0.12—0.38 g/m²。

(2)受降水、大风和沙尘等不同类型天气影响导致的叶面滞尘量变化存在很大的物种差异。珊瑚树和女贞叶面部分颗粒物易受外界环境条件的影响导致其滞尘量变化显著；而三叶草和油松滞尘量变化不明显，这与三叶草叶面的疏水特征和油松能够分泌粘性油脂有关。

(3)降雨和风吹能降低叶面滞尘量，如连续两天降水(17.1、14.8 mm)后的珊瑚树和女贞叶面滞尘量降低了62%和50%；小雨和大风也使女贞叶面滞尘量降低约30%。极大风速对女贞和珊瑚树叶面滞尘量的影响呈现先升高后降低，在极大风速为14 m/s时达到峰值；相对湿度大于80%时，女贞和珊瑚树叶面滞尘量明显降低；空气中高浓度的颗粒物可使女贞和珊瑚树叶面滞尘在4—5 d达到饱和。

(4)一般认为，当经过降雨量>15 mm或风速>17 m/s的天气后，植物叶面滞尘能力即可恢复，开始下一次滞尘过程，并以此为依据来推算植被滞尘量。但从本研究来看，降水和大风对叶面滞尘能力恢复程度的影响因物种而异。对易受降雨和大风影响的物种，推算植被滞尘效益时需考虑降雨和大风对叶面滞尘能力恢复程度的影响，此外如果有叶量变化时也需予以考虑。对于受降雨、大风影响小的物种，在推算叶面滞尘效应时，则需更多地考虑叶量的季节变化。在受沙尘影响大的地区评价植被滞尘时，还需考虑沙尘天气的出现频率和强度的影响。