基于潤濕性的植物葉面截留降水和降塵的機(jī)制研究.pdf

1、植物葉面是植物—大氣相互作用的關(guān)鍵生態(tài)界面,在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量交換過程中發(fā)揮著重要的作用。植物葉面的潤濕性是各種生境中常見的一種現(xiàn)象,表現(xiàn)了葉片對水的親和能力。植物葉面的潤濕性對滯留、吸附、過濾大氣污染物、降水截留、光合作用、病蟲害感染等具有重要的影響。基于潤濕性的植物葉面降水和降塵截留機(jī)制的研究,在認(rèn)識植被截留降水、降塵的微觀機(jī)理和植物對環(huán)境的響應(yīng)方面具有重要的意義。
　　本文對不同植物的葉面潤濕性特征及影響因素、季節(jié)變化、地

2、理梯度變化進(jìn)行了研究;分析了水滴特征對降水截留的影響、葉面特征對植物滯塵的效應(yīng);并探討了葉面潤濕性特征作為環(huán)境質(zhì)量變化的指示指標(biāo)的可能性;取得了以下主要結(jié)論:
　　(1)供試的95種植物葉正背面的接觸角大小在40°—145°之間,平均為103.4°,其中41種背面接觸角顯著高于正面,28種正面接觸角顯著高于背面,其余26種正背面差異不顯著。喬木葉面接觸角明顯低于草本和灌木,與不同生活型植物葉面蠟質(zhì)、葉水分狀況有關(guān)。
　　(2

3、)當(dāng)葉面蠟質(zhì)含量低于0.75 g/m2時,植物葉表面的接觸角隨蠟質(zhì)含量的升高顯著增大;葉面蠟質(zhì)含量高于0.75 g/m2時,葉面接觸角隨蠟質(zhì)含量變化不明顯。在低蠟質(zhì)含量情況下,隨著蠟質(zhì)的增加,葉表面蠟質(zhì)的覆蓋面積和厚度增加,導(dǎo)致了接觸角增大;隨著蠟質(zhì)含量的繼續(xù)增大,由蠟質(zhì)微形態(tài)引起的表面粗糙率的變化成為影響潤濕性的主要因素。葉面絨毛的多少、形態(tài)、分布方式及絨毛上蠟質(zhì)的有無對接觸角具有重要影響,不同的作用方式表現(xiàn)出潤濕和不潤濕的特征。葉面

4、氣孔的類型、大小和數(shù)量均能影響潤濕性,但其影響比較復(fù)雜。
　　(3)隨生長期延長,除三葉草外,紫荊、國槐、珊瑚樹、銀杏、紫葉小檗、小葉黃楊、大葉女貞和小葉女貞葉面接觸角均明顯降低。疏水型的國槐、紫葉小檗和銀杏葉接觸角變化達(dá)40°以上，親水型的珊瑚樹、大葉女貞和小葉女貞等老葉接觸角較新葉降低10°—20°。
　　(4)在植物葉片可利用水的下限(質(zhì)外體含水量,B)以上，葉相對含水量變化對銀杏、國槐、紫葉小檗正背面和三葉草正面7種

5、疏水型植物葉面接觸角無明顯影響,但對櫻花、大葉黃楊、加楊、小葉黃楊正背面和三葉草背面9種親水型葉面接觸角的影響可分為三類:小葉黃楊正面接觸角隨相對含水量的降低而降低;櫻花背面接觸角隨相對含水量呈現(xiàn)“V”型變化;其余7種葉面接觸角隨相對含水量無明顯變化。在16個葉表面接觸角的日變化中,僅有櫻花正面、大葉黃楊正面和小葉黃楊背面傍晚時(19—20時)接觸角顯著高于早晨(7—8時)和正午(13—14時)。葉面接觸角對葉片含水量變化的不敏感有助于

6、增加植物葉片抵抗短期環(huán)境變化的能力。
　　(5)隨生長期延長,大葉女貞和珊瑚樹葉表面粗糙度發(fā)生變化。大葉女貞葉片隨生長期延長,正背面的粗糙度逐漸接近,但珊瑚樹的變化趨勢不同。大葉女貞和珊瑚樹老葉接觸角明顯降低幼葉和新葉。葉面接觸角的變化與葉面粗糙度及葉面化學(xué)組成的親水性和疏水性密切相關(guān)。葉片表面存在大量的溝狀、孔狀峰谷區(qū)域和直徑約為10μm的凹陷,有利于PM10的滯留。
　　(6)在不同降水梯度下的神木、宜川和淳化植物葉面接

7、觸角有顯著差異,隨降水量的減小植物葉面趨向于有低的潤濕性。在3個地區(qū)或2個地區(qū)均有分布的物種中,胡枝子葉正背面、刺槐葉正背面等疏水型葉面接觸角無明顯變化;而親水型的山杏葉正背面、沙棘葉背面和剛毛忍冬葉正背面在降水量小的區(qū)域接觸角顯著增大,而莢蒾、胡頹子等葉面接觸角變化不明顯。干旱生境中(神木)植物葉面蠟質(zhì)含量和正面氣孔密度顯著高于淳化和宜川;背面氣孔密度、氣孔長度和保衛(wèi)細(xì)胞長度略有減小,但均未達(dá)到顯著水平。此外,隨著降水減少植物葉表面著

8、生絨毛增加。
　　(7)噴水法和浸水法測定的植物葉面最大持水量物種間有顯著差異,其最大持水量分別變化于29.4—180.0、94.1—278.3 g/m2,前者顯著大于后者,高出9.3％—87.2%。噴水法測定的葉面最大持水量與表面自由能、極性分量、色散分量、葉接觸角的相關(guān)關(guān)系均不顯著。對浸水法而言,葉面最大持水量與表面自由能、色散分量、極性分量呈極顯著正相關(guān),與葉接觸角呈極顯著負(fù)相關(guān)。葉表面自由能及其色散分量和極性分量對最大持水

9、量的影響與葉表面自由能的形成及分布特征(表面自由能主要來自于葉表面物質(zhì)分子間的范德華作用力,色散分量可占到90%以上)有關(guān)。葉面接觸角的影響則是由于葉面與液滴的接觸面積不同而導(dǎo)致的物理作用力不同。
　　(8)供試植物葉片的最大滯塵量介于0.8—38.6 g/m2,不同物種最大滯塵量差異顯著,物種間可相差40倍以上。葉片表面絨毛數(shù)量及其形態(tài)、分布特征對滯塵能力具有重要影響,與絨毛和顆粒物之間的作用方式有關(guān)。除葉片表面著生絨毛的懸鈴木

10、、國槐、榆葉梅和毛梾外,最大滯塵量與葉接觸角呈顯著負(fù)相關(guān)。最大滯塵量與葉片表面自由能及其色散分量呈顯著正相關(guān),與極性分量正相關(guān)關(guān)系不顯著。
　　(9)國槐、懸鈴木、銀杏、雪松、油松和大葉女貞葉片的滯塵能力表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化,新葉滯塵量較低,隨葉齡的增加滯塵量增大;不同的物種由較低轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高滯塵能力的轉(zhuǎn)折期不同。整個生長季6種植物葉面滯塵量的均值分別為:1.44、3.24、1.34、1.68、4.47、3.61 g/m2。隨葉齡

11、的增加葉面由疏水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水,是影響植物葉片滯塵能力季節(jié)性變化的主要因素。
　　(10)大葉女貞和小葉女貞在不同環(huán)境條件下葉面接觸角差異顯著,隨污染程度的加劇接觸角降低。大葉女貞葉片正背面的接觸角在居住文教區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通繁忙區(qū)和工業(yè)區(qū)分別較相對清潔區(qū)降低1.3%、14.3%、7.5%、21.4%;6.1%、13.7%、12.4%、35.1%。而小葉女貞葉片正背面的接觸角則分別降低1.0%、1.4%、6.7%、9.0%;0.0%、4

12、.8%、2.9%、5.7%。植物葉片與其生活環(huán)境息息相關(guān),工業(yè)及交通排放的各種污染物對葉面潤濕性具有明顯影響,能夠反映顯著的區(qū)域特征。因此,可考慮用植物葉面的潤濕性作為綜合的指標(biāo)來指示城市環(huán)境的變化。
　　論文的主要創(chuàng)新點表現(xiàn)在:(1)斥水型和親水型植物葉片的潤濕性隨葉相對含水量的變化而不同。斥水型葉面接觸角隨相對含水量的變化無明顯變化;而親水型葉面隨相對含水量的變化產(chǎn)生葉面微結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致接觸角變化復(fù)雜,出現(xiàn)降低、“V”型變化

13、及無顯著影響三種情況。
　　(2)蠟質(zhì)含量對葉表面潤濕性具有重要的影響。在蠟質(zhì)含量小于0.75 g/m2時,隨蠟質(zhì)的增加接觸角增大;而在蠟質(zhì)含量大于0.75 g/m2之后,接觸角變化與蠟質(zhì)含量之間的關(guān)系不明顯。蠟質(zhì)含量較低時,蠟質(zhì)的數(shù)量對接觸角起決定性影響;隨蠟質(zhì)含量的繼續(xù)增大,由蠟質(zhì)微形態(tài)引起的表面粗糙率的變化成為影響潤濕性的主要因素。
　　(3)發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)植物葉面潤濕性從南向北表現(xiàn)出潤濕性降低的地帶性變化規(guī)律。