烏魯木齊市快速路綠化樹種滯塵量與葉片結(jié)構(gòu)特性分析

凱麗比努爾·努爾麥麥提，玉米提·哈力克*，娜斯曼·那斯爾丁，阿麗亞·拜都熱拉，張凱迪

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆維吾爾自治區(qū)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052)

交通運輸和施工過程中產(chǎn)生的揚塵是城市大氣污染的主要來源[1-3]。然而，道路揚塵的產(chǎn)生與車輛及路面的清潔度有緊密的關(guān)系[4]。多數(shù)研究結(jié)果表明，大氣顆粒物污染首要來源于車輛尾氣和工業(yè)污染物[5-8]。隨著烏魯木齊市機動車數(shù)量的增加，使道路大氣顆粒物污染濃度加重[9]。雖然烏魯木齊市已經(jīng)由過程鼎力推動“煤改氣”“藍天工程”、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和大規(guī)模生態(tài)園林綠化建設(shè)等手段治理大氣污染，但由于烏魯木齊特殊的氣候條件與地理環(huán)境，加之燃煤污染物與機動車尾氣排放，使霧霾治理仍然很艱難，因此大氣污染仍十分嚴重[10]。綠化樹種因其特別的葉面特性和冠層布局而具備滯納和過濾PM2.5等顆粒污染物的能力。行道樹攔截了近地面大氣顆粒物的遷移，被葉面滯留的塵土難以重新?lián)P起，從而降低對人類的危害[11]。

在城市快速路綠化帶內(nèi)合理配置綠化樹種是一種大氣污染治理的重要措施，力求利用綠地的巨大表面積發(fā)揮其特有滯留大氣顆粒物的功能[12-13]。不同樹種葉表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)大小及樹體大小等方面區(qū)別很大，因而其吸滯顆粒物的能力也有著明顯的差異，所以合理選培城市造林樹種在取得預(yù)期滯留顆粒物效果方面非常重要[14-15]。然而，這些研究多集中于葉面滯留顆粒物的總量和粒徑組成等方面，而對綠化帶樹種樹冠垂直和水平方向不同位置的葉片對滯留顆粒物能力方面的報道尚不多見。本研究以烏魯木齊市河灘快速路林帶綠化樹種為研究對象，觀測林帶不同生活型(闊葉林、針葉林、灌木)綠化樹種葉片滯塵規(guī)律及微結(jié)構(gòu)特征，揭示城市快速路林帶對顆粒污染物的阻滯規(guī)律，對針闊葉樹種進行合理配置，為干旱區(qū)綠洲城市綠化方案與管理的優(yōu)化，為城市綠化樹種的科學選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊(87°28′E，43°54′N，平均海拔800 m)是新疆維吾爾自治區(qū)政治與經(jīng)濟中心，夏季炎熱少雨,冬季嚴寒漫長，極端最低溫度-41.5 ℃，極端最高溫度40.6 ℃，年平均氣溫7.5 ℃，年降水量245 mm，年蒸發(fā)量2 500 mm，全年無霜期165 d，屬于典型的半干旱大陸氣候型[16]。烏魯木齊市河灘快速公路全長28 km，綠化面積約270.5 hm2，烏魯木齊市綠化園林規(guī)劃部門自2011年以來，已完成以河灘路為主的多項景觀提升和綠化建設(shè)工程。2018年，在烏魯木齊市河灘綠化管理處在河灘公路沿線建造“一橋一景”景觀花海帶，進行了喬灌木植被的補植，升級改造了道路的景觀水平。

2 研究方法

2.1 供試樹種

選取烏魯木齊市車流量多、綠化覆蓋度相對較高的河灘快速路為研究對象，從廣匯立交橋以下往南200 m處選擇(長100 m×寬30 m)的混交林帶為樣方，根據(jù)綠化帶內(nèi)實際植被分布情況，選擇建群種落葉喬木為山桃(Prunusdavidiana)、白蠟(Fraxinuschinensis)、紅瑞木(Swidaalba)、丁香樹(Syringaoblata)、山楂(Crataeguspinnatifida)、火炬(Rhustyphina)、黃金樹(Catalpaspeciosa)；常綠喬木為云杉(Piceaasperata)、樟子松(Pinussylvestris)；灌木為刺槐(Robiniapseudoacacia)、水蠟(Ligustrumobtusifolium)、榆樹(Ulmuspumila)；所選樹種生境條件均一致，其基本信息見表1。

表1 供試樹種基本信息

2.2 葉片樣品的采集

2018年7月24-25日連續(xù)2 d降雨，伴有西北風3～4級，之后連續(xù)2個星期未出現(xiàn)大雨或大風天氣，一般認為大于15 mm的降水或17 m/s的風速可沖刷掉或吹干凈植物葉片上積累的灰塵[17]，于是選擇晴朗無風天氣的2018年8月11日進行葉片樣品的采集。喬木分別選擇河灘快速路單側(cè)林帶綠化樹種單株樹背車道方向(背)和向車道方向(向)上樹冠高度1、2 m和4 m處采集葉片；灌木也分別在背車道和向車道方向上層(60～80 cm)、下層(20～40 cm)處采集葉片；采集葉片時，使用小剪刀從樹冠指定位置均勻選取健康成熟的葉片，剪取50～80片葉片，裝入密封袋帶回實驗室等待處理，采樣均在1 d內(nèi)上午進行。每棵樹種不同位置3次重復采集葉片樣品，取其滯塵量的平均值。

2.3 單位葉面積滯塵量

把采回來的葉片浸泡在盛有蒸餾水的1 000 mL燒杯里，2 h后用軟毛刷清洗，再采用S3000小型超聲波清洗器對葉片樣品進行超聲波清洗，并葉片用蒸餾水沖洗干凈后把洗液離心分離，用鑷子將葉片夾出。夾出的葉片風干后，用激光掃描儀和ImageJ軟件計算總?cè)~面積(S)。首先把微孔濾紙在60 ℃以下烘干至恒重，并稱重(M1)準備。葉片清洗液用事先烘干準備好孔徑為0.22 μm的濾膜進行過濾，充分過濾完的濾紙置于烘干箱烘干至恒重，使用1/10 000電子天平稱質(zhì)量(M2)。對于針葉，隨機選取40～50個針葉，用掃描儀掃描后用image J圖像處理軟件測定針葉的長度(L)，依排水法測定針葉樣品的體積(V)，計算針葉表面積[18](S)為：

(1)

式中：L為針葉的長度cm；n為每束針葉數(shù)；V為所測樣品總體積cm3。

則葉片單位葉面積滯塵量(以下簡稱單位滯納量)X(μg/cm2)為：

X=(M2-M1)/S

(2)

式中，M1為濾膜干質(zhì)量，μg；M2為過濾完成后的濾膜干質(zhì)量，μg；S為葉面積，m2。

2.4 葉片微結(jié)構(gòu)電子掃描電鏡觀察

各樹種另采集健康無損、發(fā)育良好的葉片，立即封存于塑料袋內(nèi)帶回實驗室。在實驗室內(nèi)，將葉片用蒸餾水清潔干凈并用棉柔巾擦干，在葉片雙側(cè)中部將葉片切成邊長約4 mm×4 mm的方塊，立即用2.5%戊二醇溶液進行固定。樣品經(jīng)過噴金處理后，采用Hitachi臺式TM3000電鏡觀測葉片表面，選擇TM3000電鏡電壓15 kV，觀測模式為分析模式，選擇適當?shù)谋壤M行拍攝，照片存儲格式為TIFF[19]。

2.5 數(shù)據(jù)分析

對12種樹種葉片對大氣不同粒徑顆粒物的滯納量在樹冠不同位置葉片上的差異進行單因素方差分析，分別分析滯納量在樹冠高度和方向的差異顯著性，差異顯著性水平設(shè)為0.05和0.01。數(shù)據(jù)處理過程用SPSS19.0(SPSS，IBM，USA)軟件和Excel 2016完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種的單位葉面積滯塵量

12個樹種葉片滯塵量具有顯著的差異(P<0.01)，不同樹種滯塵能力從大到小排序為：樟子松、云杉、榆樹、刺槐、黃金樹、山桃、水蠟、山楂、丁香、白蠟、紅瑞木、火炬樹。其中，樟子松滯塵能力(258.01 μg/cm2)為火炬樹(34.32 μg/cm2)的將近8倍(圖1)。

所選12個樹種葉面滯塵量在不同生活型樹種之間差異極其顯著(表2，P<0.01)，其中常綠喬木、落葉喬木及灌木葉面平均單位葉面積滯塵量由大到小排序為：常綠喬木(201.71 μg/cm2)、灌木(83.68 μg/cm2)、落葉喬木(58.97 μg/cm2)。變異系數(shù)反映了供試樹種滯塵能力的穩(wěn)定性，由表2的變異系數(shù)可以看出，所選樹種變異系數(shù)為7.35%～39.29%，各樹種滯塵能力穩(wěn)定性差異明顯。相對來說除了刺槐的變異系數(shù)39.29%，其余樹種變異系數(shù)均30%以內(nèi)，說明樹種滯塵能力較穩(wěn)定，樟子松的變異系數(shù)最低，滯塵能力最穩(wěn)定。

表2 樹種單位葉面積滯塵量及不同生活型樹種平均滯塵量(均值±標準誤差)

3.2 單位葉面積滯塵量在冠層內(nèi)的空間差異

3.2.1 落葉喬木滯塵量在冠層內(nèi)的差異 圖2表示7種河灘快速路東側(cè)林帶綠化落葉喬木葉片滯塵量隨著樹冠背車道方向和向車道方向以及隨著樹冠高度上的差異顯著(P<0.01)。由圖2可知，不同樹種向車道方向的葉片滯塵量均高于背車道方向葉片滯塵量，且高出6～20 μg/cm2。高出差異最多的集中在樹冠底層1 m和2 m高處，4 m處的差異相對較小。對于樹冠不同高度葉片的滯塵量發(fā)現(xiàn)，無論是背車道還是向車道方向上的葉片遵循同一個規(guī)律，即滯塵量由大到小順序為：1、2、4 m，而且隨著冠層高度的滯塵量差異顯著(P<0.01)，背車道方向和向車道方向隨著樹冠高度滯塵量差異分別為16～34 μg/cm2和24～36 μg/cm2。

3.2.2 常綠喬木滯塵量在冠層內(nèi)的差異 烏魯木齊市常見的2種常綠喬木樟子松和云杉單位葉面積滯塵量在樹冠背車道和向車道方向不同高度處的差異顯著(圖3，P<0.01)。常綠喬木向車道方向上的葉片滯塵量高于背車道方向葉片滯塵量，且隨著樹冠高度的變化趨勢由大到小為：1、2、4 m，這與落葉喬木樹種滯塵規(guī)律基本一致。樟子松向車道方向葉片滯塵量和背車道方向葉片滯塵量變化為10～27 μg/cm2，而云杉的變化為20～25 μg/cm2。雖然樟子松向車道方向和背車道方向滯塵量差異最明顯處是冠層最低1 m處，但云杉滯塵量差異最明顯處為樹冠高4 m處。

3.2.3 灌木滯塵量在冠層內(nèi)的差異 圖4表示，快速路林帶綠化常用3種灌木向車道方向和背車道方向分別上層(60～80 cm)處和下層(20～40 cm)處葉片滯塵量的差異。由圖4可以看出，與落葉喬木和常綠喬木的滯塵量差異相反，灌木背車道方向葉片滯塵量明顯高于向車道方向，高出范圍為7～32 μg/cm2，而且除了刺槐上層處葉片滯塵量無顯著差異(P>0.05)之外，其他都差異顯著(P<0.01)。對于灌木上層與下層處葉片滯塵量差異，3種灌木背車道方向和向車道方向葉片滯塵量均呈現(xiàn)下層處的滯塵量大于上層處葉片滯塵量，而且差異顯著(P<0.01)。刺槐、水蠟和榆樹3種灌木樹冠上層處滯塵量和下層處滯塵量差異分別為66.57、23.99 μg/cm2和10.26 μg/cm2，刺槐的冠層差異最大而冠層不同位置滯塵量不穩(wěn)定，而榆樹葉片滯塵量在冠層內(nèi)差異最低且較穩(wěn)定。

3.3 葉面微結(jié)構(gòu)

不同綠化樹種葉表面微結(jié)構(gòu)特性具有明顯的差異性，所以其對大氣顆粒物的滯留能力也有所差異。圖5為12種樹種葉片表面形態(tài)結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖，各樹種葉表面形態(tài)特征詳細描述如表3所示。可見，雖然少數(shù)樹種正背面均有氣孔存在且背面的氣孔數(shù)量遠大于正面，但大多數(shù)植物葉片氣孔只集中在背面。如針葉林樟子松和云杉、落葉喬木丁香和灌木刺槐正反面均有氣孔存在且背面的氣孔數(shù)量大于正面，其中除了落葉喬木丁香以外其他樹種的滯塵量均最高。其他大多數(shù)闊葉樹種均是背面有氣孔，正面不存在，而且氣孔排列不規(guī)則，而尺寸也較大。

樟子松葉表面粗糙，密布著多數(shù)沿葉片縱向排列且開啟狀態(tài)的氣孔，葉表面的紋理不清楚，具有大量的油脂和黏液存在，有助于附著大量顆粒物，滯塵量最高；云杉葉表面氣孔密度低且被蠟質(zhì)層覆蓋，但是葉表面的絨毛、粗糙不平及濃密的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于截留大量顆粒物，滯塵量僅次于樟子松；火炬樹葉表面氣孔排列均勻，粗糙并有葉毛，但是氣孔大多數(shù)呈關(guān)閉狀態(tài)，不利于顆粒物附著，滯塵量最低；其余樹種葉片微結(jié)構(gòu)的差異均表現(xiàn)在葉表面氣孔密度、數(shù)量、尺寸大小以及開度大小，蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，周圍細胞的褶皺度等方面，而且這些差異對滯塵量的排序影響較大。其他氣孔分布不規(guī)則，粗糙或平滑，有無細長葉毛等差異跟滯塵量的高低未見明顯影響。

4 結(jié)論與討論

4.1 不同樹種葉片滯塵量差異分析

本研究結(jié)果表明，針葉林的滯塵量大于闊葉林，同時闊葉林中灌木的滯塵量大于喬木滯塵量。供試樹種葉面滯塵量在不同生活型樹種之間差異極其顯著(P<0.01)，其中常綠喬木、落葉喬木及灌木葉面平均單位葉面積滯塵量由大到小排序為：常綠喬木(201.71 μg/cm2)、灌木(83.68 μg/cm2)、落葉喬木(58.97 μg/cm2)。本研究所選12種樹種葉片滯塵量具有顯著的物種差異(P<0.01)，不同樹種滯塵能力由大到小排序為：樟子松、云杉、榆樹、刺槐、黃金樹、山桃、水蠟、山楂、丁香、白蠟、紅瑞木、火炬樹。對針葉林樹種而言，樟子松的滯塵量最大，云杉的滯塵量次之。魯紹偉等[20]的研究也得出針葉林滯塵量大于闊葉林，且松科樹種滯塵量大于杉科樹種。另外，陳波等[21]在北京西山選擇8種針葉樹種以單位葉面積滯塵量對比分析中，發(fā)現(xiàn)4種松科樹種滯塵量均大于杉科樹種滯塵量，這于本研究結(jié)果基本一致。王會霞等[22]研究不同生活型樹種葉片滯塵能力時發(fā)現(xiàn)，滯塵量大小排序為：藤本植物、灌木、喬木。謝濱澤等[23]研究闊葉樹種滯塵能力，也得出了同樣的結(jié)論是藤本和灌木滯塵量大于喬木滯塵量，這與此研究結(jié)果灌木滯塵量大于喬木滯塵量具有一致性。此結(jié)果有可能與以下幾個原因有關(guān)：1)由于灌木距地面的高度較低，葉片更容易接觸到因行人和車輛行駛過程中產(chǎn)生的二次揚塵；2)汽車在加速、減速、停止時所排放的尾氣也含有帶量的大氣顆粒物污染[24]; 3)輪胎和路面磨損也能增多灌木葉面的顆粒物含量[25]; 4)空中飄浮的顆粒物飄過高大喬木樹種樹冠時，將會遭到阻擋而減速，致使部分顆粒物沉降在矮小的灌木樹種葉片上；5)快速路林帶綠化中灌木一般配置在近路邊位置，離污染源的距離比喬木近，這也有助于大氣顆粒物有限附著于灌木葉表面。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于快速路林帶不同生活型綠化樹種及同一種樹種樹冠向車道方向和背車道方向不同垂直高度上的葉片滯塵量均呈顯著差異(P<0.01)。同時，針葉林和闊葉喬木樹種的向車道方向葉片滯塵量均高于背車道方向葉片滯塵量，而灌木樹種正相反；在垂直高度上，針葉林、灌木與喬木樹種滯塵量由大到小均表現(xiàn)出：1、2、4 m，即隨著高度的增加滯塵能力下降。雖然有關(guān)樹種葉片滯塵量隨樹冠垂直高度的差異有不少研究先例，但相關(guān)樹冠背車道方向和向車道方向葉片滯塵量差異的研究較少。此研究結(jié)果說明，快速路林帶灌木離道路較近而且樹冠低矮，道路飄來的顆粒物和行人所產(chǎn)生的二次揚塵飄浮在空中，經(jīng)過一段距離才著落到灌木背車道方向的葉面，而喬木樹種離車道稍遠而樹冠高大，向車道方向葉片阻滯了從路面飄來的塵土。

4.2 不同樹種葉片微結(jié)構(gòu)差異對滯塵量的影響

不同樹種單位葉面積滯塵能力的差異是由葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)所決定的，氣孔數(shù)量、尺寸、密度及開口大小，葉面細胞周圍的褶皺度，蠟質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學組成、表皮毛的形狀、數(shù)量、分泌物以及表面粗糖程度是造成樹種間滯塵能力差異的主要原因[26-27]。本研究結(jié)果顯示，樹種葉片微結(jié)構(gòu)的差異均表現(xiàn)在葉表面氣孔密度、數(shù)量、尺寸大小以及開度，蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，周圍細胞的褶皺度等方面，而且這些差異對滯塵量的大小影響較大。其他氣孔分布不規(guī)則，粗糙或平滑，有無細長葉毛等差異跟滯塵量的高低未見明顯影響。

針葉樹葉片多油脂、黏性較強，且狹窄的針葉葉片相比于大而扁平的葉子有較厚的邊界層，更容易被空氣中的顆粒擊中[28]，與本研究結(jié)果相符。針葉樹種葉片滯塵能力最強，灌木次之，而落葉喬木的滯塵能力最弱。對于闊葉林，蠟質(zhì)呈無定形態(tài)、氣孔密度和開度較大、葉面細胞周圍褶皺以及有細長絨毛的榆樹、刺槐、黃金樹和山桃等的葉片滯塵量較大，而氣孔間距大、大多呈關(guān)閉狀態(tài)且放射狀分布的白蠟、紅瑞木及火炬樹等樹種，雖然葉表面粗糙、有細長絨毛且凹槽不平，但是滯塵量較小。雖然表皮毛的存在使葉片表面更加粗糙，導致其滯塵能力增加，但是氣孔分布狀態(tài)、間距大小和開度是否開啟狀態(tài)對滯塵量大小的影響最為明顯[29]。與闊葉樹種對比，針葉樹種的氣孔大小更大，可見氣孔的尺寸越大滯塵能力越強。

樹種葉表面的微形態(tài)結(jié)構(gòu)能夠影響葉片對大氣顆粒物的滯納能力。圖5表明，有規(guī)律的蠟質(zhì)層、表皮細胞凸起以及葉表皮有絨毛，有利于葉片滯納顆粒物，氣孔密集且尺寸大、凹槽的面積比例大的葉片顆粒物滯納量較高。由葉片表面的三維圖像表明，葉表面有大量的凹槽和谷峰區(qū)會導致葉表面的粗糙度大、葉片與顆粒物的接觸面積增加，從而有利于葉片對顆粒物的滯納作用。從此可見，葉表面顆粒物的洗脫難易度也是與葉表面微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。