乌鲁木齐市快速路绿化树种滞尘量与叶片结构特性分析

凯丽比努尔·努尔麦麦提，玉米提·哈力克*，娜斯曼·那斯尔丁，阿丽亚·拜都热拉，张凯迪

(1.新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆维吾尔自治区绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

交通运输和施工过程中产生的扬尘是城市大气污染的主要来源[1-3]。然而，道路扬尘的产生与车辆及路面的清洁度有紧密的关系[4]。多数研究结果表明，大气颗粒物污染首要来源于车辆尾气和工业污染物[5-8]。随着乌鲁木齐市机动车数量的增加，使道路大气颗粒物污染浓度加重[9]。虽然乌鲁木齐市已经由过程鼎力推动“煤改气”“蓝天工程”、能源结构转换和大规模生态园林绿化建设等手段治理大气污染，但由于乌鲁木齐特殊的气候条件与地理环境，加之燃煤污染物与机动车尾气排放，使雾霾治理仍然很艰难，因此大气污染仍十分严重[10]。绿化树种因其特别的叶面特性和冠层布局而具备滞纳和过滤PM2.5等颗粒污染物的能力。行道树拦截了近地面大气颗粒物的迁移，被叶面滞留的尘土难以重新扬起，从而降低对人类的危害[11]。

在城市快速路绿化带内合理配置绿化树种是一种大气污染治理的重要措施，力求利用绿地的巨大表面积发挥其特有滞留大气颗粒物的功能[12-13]。不同树种叶表面结构、形态大小及树体大小等方面区别很大，因而其吸滞颗粒物的能力也有着明显的差异，所以合理选培城市造林树种在取得预期滞留颗粒物效果方面非常重要[14-15]。然而，这些研究多集中于叶面滞留颗粒物的总量和粒径组成等方面，而对绿化带树种树冠垂直和水平方向不同位置的叶片对滞留颗粒物能力方面的报道尚不多见。本研究以乌鲁木齐市河滩快速路林带绿化树种为研究对象，观测林带不同生活型(阔叶林、针叶林、灌木)绿化树种叶片滞尘规律及微结构特征，揭示城市快速路林带对颗粒污染物的阻滞规律，对针阔叶树种进行合理配置，为干旱区绿洲城市绿化方案与管理的优化，为城市绿化树种的科学选择提供参考。

1 研究区概况

乌鲁木齐(87°28′E，43°54′N，平均海拔800 m)是新疆维吾尔自治区政治与经济中心，夏季炎热少雨,冬季严寒漫长，极端最低温度-41.5 ℃，极端最高温度40.6 ℃，年平均气温7.5 ℃，年降水量245 mm，年蒸发量2 500 mm，全年无霜期165 d，属于典型的半干旱大陆气候型[16]。乌鲁木齐市河滩快速公路全长28 km，绿化面积约270.5 hm2，乌鲁木齐市绿化园林规划部门自2011年以来，已完成以河滩路为主的多项景观提升和绿化建设工程。2018年，在乌鲁木齐市河滩绿化管理处在河滩公路沿线建造“一桥一景”景观花海带，进行了乔灌木植被的补植，升级改造了道路的景观水平。

2 研究方法

2.1 供试树种

选取乌鲁木齐市车流量多、绿化覆盖度相对较高的河滩快速路为研究对象，从广汇立交桥以下往南200 m处选择(长100 m×宽30 m)的混交林带为样方，根据绿化带内实际植被分布情况，选择建群种落叶乔木为山桃(Prunusdavidiana)、白蜡(Fraxinuschinensis)、红瑞木(Swidaalba)、丁香树(Syringaoblata)、山楂(Crataeguspinnatifida)、火炬(Rhustyphina)、黄金树(Catalpaspeciosa)；常绿乔木为云杉(Piceaasperata)、樟子松(Pinussylvestris)；灌木为刺槐(Robiniapseudoacacia)、水蜡(Ligustrumobtusifolium)、榆树(Ulmuspumila)；所选树种生境条件均一致，其基本信息见表1。

表1 供试树种基本信息

2.2 叶片样品的采集

2018年7月24-25日连续2 d降雨，伴有西北风3～4级，之后连续2个星期未出现大雨或大风天气，一般认为大于15 mm的降水或17 m/s的风速可冲刷掉或吹干净植物叶片上积累的灰尘[17]，于是选择晴朗无风天气的2018年8月11日进行叶片样品的采集。乔木分别选择河滩快速路单侧林带绿化树种单株树背车道方向(背)和向车道方向(向)上树冠高度1、2 m和4 m处采集叶片；灌木也分别在背车道和向车道方向上层(60～80 cm)、下层(20～40 cm)处采集叶片；采集叶片时，使用小剪刀从树冠指定位置均匀选取健康成熟的叶片，剪取50～80片叶片，装入密封袋带回实验室等待处理，采样均在1 d内上午进行。每棵树种不同位置3次重复采集叶片样品，取其滞尘量的平均值。

2.3 单位叶面积滞尘量

把采回来的叶片浸泡在盛有蒸馏水的1 000 mL烧杯里，2 h后用软毛刷清洗，再采用S3000小型超声波清洗器对叶片样品进行超声波清洗，并叶片用蒸馏水冲洗干净后把洗液离心分离，用镊子将叶片夹出。夹出的叶片风干后，用激光扫描仪和ImageJ软件计算总叶面积(S)。首先把微孔滤纸在60 ℃以下烘干至恒重，并称重(M1)准备。叶片清洗液用事先烘干准备好孔径为0.22 μm的滤膜进行过滤，充分过滤完的滤纸置于烘干箱烘干至恒重，使用1/10 000电子天平称质量(M2)。对于针叶，随机选取40～50个针叶，用扫描仪扫描后用image J图像处理软件测定针叶的长度(L)，依排水法测定针叶样品的体积(V)，计算针叶表面积[18](S)为：

(1)

式中：L为针叶的长度cm；n为每束针叶数；V为所测样品总体积cm3。

则叶片单位叶面积滞尘量(以下简称单位滞纳量)X(μg/cm2)为：

X=(M2-M1)/S

(2)

式中，M1为滤膜干质量，μg；M2为过滤完成后的滤膜干质量，μg；S为叶面积，m2。

2.4 叶片微结构电子扫描电镜观察

各树种另采集健康无损、发育良好的叶片，立即封存于塑料袋内带回实验室。在实验室内，将叶片用蒸馏水清洁干净并用棉柔巾擦干，在叶片双侧中部将叶片切成边长约4 mm×4 mm的方块，立即用2.5%戊二醇溶液进行固定。样品经过喷金处理后，采用Hitachi台式TM3000电镜观测叶片表面，选择TM3000电镜电压15 kV，观测模式为分析模式，选择适当的比例进行拍摄，照片存储格式为TIFF[19]。

2.5 数据分析

对12种树种叶片对大气不同粒径颗粒物的滞纳量在树冠不同位置叶片上的差异进行单因素方差分析，分别分析滞纳量在树冠高度和方向的差异显著性，差异显著性水平设为0.05和0.01。数据处理过程用SPSS19.0(SPSS，IBM，USA)软件和Excel 2016完成。

3 结果与分析

3.1 不同树种的单位叶面积滞尘量

12个树种叶片滞尘量具有显著的差异(P<0.01)，不同树种滞尘能力从大到小排序为：樟子松、云杉、榆树、刺槐、黄金树、山桃、水蜡、山楂、丁香、白蜡、红瑞木、火炬树。其中，樟子松滞尘能力(258.01 μg/cm2)为火炬树(34.32 μg/cm2)的将近8倍(图1)。

所选12个树种叶面滞尘量在不同生活型树种之间差异极其显著(表2，P<0.01)，其中常绿乔木、落叶乔木及灌木叶面平均单位叶面积滞尘量由大到小排序为：常绿乔木(201.71 μg/cm2)、灌木(83.68 μg/cm2)、落叶乔木(58.97 μg/cm2)。变异系数反映了供试树种滞尘能力的稳定性，由表2的变异系数可以看出，所选树种变异系数为7.35%～39.29%，各树种滞尘能力稳定性差异明显。相对来说除了刺槐的变异系数39.29%，其余树种变异系数均30%以内，说明树种滞尘能力较稳定，樟子松的变异系数最低，滞尘能力最稳定。

表2 树种单位叶面积滞尘量及不同生活型树种平均滞尘量(均值±标准误差)

3.2 单位叶面积滞尘量在冠层内的空间差异

3.2.1 落叶乔木滞尘量在冠层内的差异 图2表示7种河滩快速路东侧林带绿化落叶乔木叶片滞尘量随着树冠背车道方向和向车道方向以及随着树冠高度上的差异显著(P<0.01)。由图2可知，不同树种向车道方向的叶片滞尘量均高于背车道方向叶片滞尘量，且高出6～20 μg/cm2。高出差异最多的集中在树冠底层1 m和2 m高处，4 m处的差异相对较小。对于树冠不同高度叶片的滞尘量发现，无论是背车道还是向车道方向上的叶片遵循同一个规律，即滞尘量由大到小顺序为：1、2、4 m，而且随着冠层高度的滞尘量差异显著(P<0.01)，背车道方向和向车道方向随着树冠高度滞尘量差异分别为16～34 μg/cm2和24～36 μg/cm2。

3.2.2 常绿乔木滞尘量在冠层内的差异 乌鲁木齐市常见的2种常绿乔木樟子松和云杉单位叶面积滞尘量在树冠背车道和向车道方向不同高度处的差异显著(图3，P<0.01)。常绿乔木向车道方向上的叶片滞尘量高于背车道方向叶片滞尘量，且随着树冠高度的变化趋势由大到小为：1、2、4 m，这与落叶乔木树种滞尘规律基本一致。樟子松向车道方向叶片滞尘量和背车道方向叶片滞尘量变化为10～27 μg/cm2，而云杉的变化为20～25 μg/cm2。虽然樟子松向车道方向和背车道方向滞尘量差异最明显处是冠层最低1 m处，但云杉滞尘量差异最明显处为树冠高4 m处。

3.2.3 灌木滞尘量在冠层内的差异 图4表示，快速路林带绿化常用3种灌木向车道方向和背车道方向分别上层(60～80 cm)处和下层(20～40 cm)处叶片滞尘量的差异。由图4可以看出，与落叶乔木和常绿乔木的滞尘量差异相反，灌木背车道方向叶片滞尘量明显高于向车道方向，高出范围为7～32 μg/cm2，而且除了刺槐上层处叶片滞尘量无显著差异(P>0.05)之外，其他都差异显著(P<0.01)。对于灌木上层与下层处叶片滞尘量差异，3种灌木背车道方向和向车道方向叶片滞尘量均呈现下层处的滞尘量大于上层处叶片滞尘量，而且差异显著(P<0.01)。刺槐、水蜡和榆树3种灌木树冠上层处滞尘量和下层处滞尘量差异分别为66.57、23.99 μg/cm2和10.26 μg/cm2，刺槐的冠层差异最大而冠层不同位置滞尘量不稳定，而榆树叶片滞尘量在冠层内差异最低且较稳定。

3.3 叶面微结构

不同绿化树种叶表面微结构特性具有明显的差异性，所以其对大气颗粒物的滞留能力也有所差异。图5为12种树种叶片表面形态结构电镜扫描图，各树种叶表面形态特征详细描述如表3所示。可见，虽然少数树种正背面均有气孔存在且背面的气孔数量远大于正面，但大多数植物叶片气孔只集中在背面。如针叶林樟子松和云杉、落叶乔木丁香和灌木刺槐正反面均有气孔存在且背面的气孔数量大于正面，其中除了落叶乔木丁香以外其他树种的滞尘量均最高。其他大多数阔叶树种均是背面有气孔，正面不存在，而且气孔排列不规则，而尺寸也较大。

樟子松叶表面粗糙，密布着多数沿叶片纵向排列且开启状态的气孔，叶表面的纹理不清楚，具有大量的油脂和黏液存在，有助于附着大量颗粒物，滞尘量最高；云杉叶表面气孔密度低且被蜡质层覆盖，但是叶表面的绒毛、粗糙不平及浓密的蜡质结构有助于截留大量颗粒物，滞尘量仅次于樟子松；火炬树叶表面气孔排列均匀，粗糙并有叶毛，但是气孔大多数呈关闭状态，不利于颗粒物附着，滞尘量最低；其余树种叶片微结构的差异均表现在叶表面气孔密度、数量、尺寸大小以及开度大小，蜡质结构，周围细胞的褶皱度等方面，而且这些差异对滞尘量的排序影响较大。其他气孔分布不规则，粗糙或平滑，有无细长叶毛等差异跟滞尘量的高低未见明显影响。

4 结论与讨论

4.1 不同树种叶片滞尘量差异分析

本研究结果表明，针叶林的滞尘量大于阔叶林，同时阔叶林中灌木的滞尘量大于乔木滞尘量。供试树种叶面滞尘量在不同生活型树种之间差异极其显著(P<0.01)，其中常绿乔木、落叶乔木及灌木叶面平均单位叶面积滞尘量由大到小排序为：常绿乔木(201.71 μg/cm2)、灌木(83.68 μg/cm2)、落叶乔木(58.97 μg/cm2)。本研究所选12种树种叶片滞尘量具有显著的物种差异(P<0.01)，不同树种滞尘能力由大到小排序为：樟子松、云杉、榆树、刺槐、黄金树、山桃、水蜡、山楂、丁香、白蜡、红瑞木、火炬树。对针叶林树种而言，樟子松的滞尘量最大，云杉的滞尘量次之。鲁绍伟等[20]的研究也得出针叶林滞尘量大于阔叶林，且松科树种滞尘量大于杉科树种。另外，陈波等[21]在北京西山选择8种针叶树种以单位叶面积滞尘量对比分析中，发现4种松科树种滞尘量均大于杉科树种滞尘量，这于本研究结果基本一致。王会霞等[22]研究不同生活型树种叶片滞尘能力时发现，滞尘量大小排序为：藤本植物、灌木、乔木。谢滨泽等[23]研究阔叶树种滞尘能力，也得出了同样的结论是藤本和灌木滞尘量大于乔木滞尘量，这与此研究结果灌木滞尘量大于乔木滞尘量具有一致性。此结果有可能与以下几个原因有关：1)由于灌木距地面的高度较低，叶片更容易接触到因行人和车辆行驶过程中产生的二次扬尘；2)汽车在加速、减速、停止时所排放的尾气也含有带量的大气颗粒物污染[24]; 3)轮胎和路面磨损也能增多灌木叶面的颗粒物含量[25]; 4)空中飘浮的颗粒物飘过高大乔木树种树冠时，将会遭到阻挡而减速，致使部分颗粒物沉降在矮小的灌木树种叶片上；5)快速路林带绿化中灌木一般配置在近路边位置，离污染源的距离比乔木近，这也有助于大气颗粒物有限附着于灌木叶表面。

本研究结果发现，对于快速路林带不同生活型绿化树种及同一种树种树冠向车道方向和背车道方向不同垂直高度上的叶片滞尘量均呈显著差异(P<0.01)。同时，针叶林和阔叶乔木树种的向车道方向叶片滞尘量均高于背车道方向叶片滞尘量，而灌木树种正相反；在垂直高度上，针叶林、灌木与乔木树种滞尘量由大到小均表现出：1、2、4 m，即随着高度的增加滞尘能力下降。虽然有关树种叶片滞尘量随树冠垂直高度的差异有不少研究先例，但相关树冠背车道方向和向车道方向叶片滞尘量差异的研究较少。此研究结果说明，快速路林带灌木离道路较近而且树冠低矮，道路飘来的颗粒物和行人所产生的二次扬尘飘浮在空中，经过一段距离才着落到灌木背车道方向的叶面，而乔木树种离车道稍远而树冠高大，向车道方向叶片阻滞了从路面飘来的尘土。

4.2 不同树种叶片微结构差异对滞尘量的影响

不同树种单位叶面积滞尘能力的差异是由叶片表面的微观结构所决定的，气孔数量、尺寸、密度及开口大小，叶面细胞周围的褶皱度，蜡质的形态结构和化学组成、表皮毛的形状、数量、分泌物以及表面粗糖程度是造成树种间滞尘能力差异的主要原因[26-27]。本研究结果显示，树种叶片微结构的差异均表现在叶表面气孔密度、数量、尺寸大小以及开度，蜡质结构，周围细胞的褶皱度等方面，而且这些差异对滞尘量的大小影响较大。其他气孔分布不规则，粗糙或平滑，有无细长叶毛等差异跟滞尘量的高低未见明显影响。

针叶树叶片多油脂、黏性较强，且狭窄的针叶叶片相比于大而扁平的叶子有较厚的边界层，更容易被空气中的颗粒击中[28]，与本研究结果相符。针叶树种叶片滞尘能力最强，灌木次之，而落叶乔木的滞尘能力最弱。对于阔叶林，蜡质呈无定形态、气孔密度和开度较大、叶面细胞周围褶皱以及有细长绒毛的榆树、刺槐、黄金树和山桃等的叶片滞尘量较大，而气孔间距大、大多呈关闭状态且放射状分布的白蜡、红瑞木及火炬树等树种，虽然叶表面粗糙、有细长绒毛且凹槽不平，但是滞尘量较小。虽然表皮毛的存在使叶片表面更加粗糙，导致其滞尘能力增加，但是气孔分布状态、间距大小和开度是否开启状态对滞尘量大小的影响最为明显[29]。与阔叶树种对比，针叶树种的气孔大小更大，可见气孔的尺寸越大滞尘能力越强。

树种叶表面的微形态结构能够影响叶片对大气颗粒物的滞纳能力。图5表明，有规律的蜡质层、表皮细胞凸起以及叶表皮有绒毛，有利于叶片滞纳颗粒物，气孔密集且尺寸大、凹槽的面积比例大的叶片颗粒物滞纳量较高。由叶片表面的三维图像表明，叶表面有大量的凹槽和谷峰区会导致叶表面的粗糙度大、叶片与颗粒物的接触面积增加，从而有利于叶片对颗粒物的滞纳作用。从此可见，叶表面颗粒物的洗脱难易度也是与叶表面微观结构有关。