凱麗比努爾·努爾麥麥提，玉米提·哈力克*，娜斯曼·那斯?fàn)柖。Ⅺ悂啞ぐ荻紵崂?，張凱迪

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

交通運(yùn)輸和施工過(guò)程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵是城市大氣污染的主要來(lái)源[1-3]。然而，道路揚(yáng)塵的產(chǎn)生與車(chē)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(lái)源于車(chē)輛尾氣和工業(yè)污染物[5-8]。隨著烏魯木齊市機(jī)動(dòng)車(chē)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(guò)程鼎力推動(dòng)“煤改氣”“藍(lán)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(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放，使霧霾治理仍然很艱難，因此大氣污染仍十分嚴(yán)重[10]。綠化樹(shù)種因其特別的葉面特性和冠層布局而具備滯納和過(guò)濾PM2.5等顆粒污染物的能力。行道樹(shù)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(duì)人類(lèi)的危害[11]。

在城市快速路綠化帶內(nèi)合理配置綠化樹(shù)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(shù)種葉表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)大小及樹(shù)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(shù)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(duì)綠化帶樹(shù)種樹(shù)冠垂直和水平方向不同位置的葉片對(duì)滯留顆粒物能力方面的報(bào)道尚不多見(jiàn)。本研究以烏魯木齊市河灘快速路林帶綠化樹(shù)種為研究對(duì)象，觀測(cè)林帶不同生活型(闊葉林、針葉林、灌木)綠化樹(shù)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(duì)顆粒污染物的阻滯規(guī)律，對(duì)針闊葉樹(shù)種進(jìn)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(shù)種的科學(xué)選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊(87°28′E，43°54′N(xiāo)，平均海拔800 m)是新疆維吾爾自治區(qū)政治與經(jīng)濟(jì)中心，夏季炎熱少雨,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，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(wú)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(zhǎng)28 km，綠化面積約270.5 hm2，烏魯木齊市綠化園林規(guī)劃部門(mén)自2011年以來(lái)，已完成以河灘路為主的多項(xiàng)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(xiàn)建造“一橋一景”景觀花海帶，進(jìn)行了喬灌木植被的補(bǔ)植，升級(jí)改造了道路的景觀水平。

2 研究方法

2.1 供試樹(shù)種

選取烏魯木齊市車(chē)流量多、綠化覆蓋度相對(duì)較高的河灘快速路為研究對(duì)象，從廣匯立交橋以下往南200 m處選擇(長(zhǎng)100 m×寬30 m)的混交林帶為樣方，根據(jù)綠化帶內(nèi)實(shí)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(shù)(Syringaoblata)、山楂(Crataeguspinnatifida)、火炬(Rhustyphina)、黃金樹(shù)(Catalpaspeciosa)；常綠喬木為云杉(Piceaasperata)、樟子松(Pinussylvestris)；灌木為刺槐(Robiniapseudoacacia)、水蠟(Ligustrumobtusifolium)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)；所選樹(shù)種生境條件均一致，其基本信息見(jiàn)表1。

表1 供試樹(shù)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(fēng)3～4級(jí)，之后連續(xù)2個(gè)星期未出現(xiàn)大雨或大風(fēng)天氣，一般認(rèn)為大于15 mm的降水或17 m/s的風(fēng)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(wú)風(fēng)天氣的2018年8月11日進(jìn)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(shù)種單株樹(shù)背車(chē)道方向(背)和向車(chē)道方向(向)上樹(shù)冠高度1、2 m和4 m處采集葉片；灌木也分別在背車(chē)道和向車(chē)道方向上層(60～80 cm)、下層(20～40 cm)處采集葉片；采集葉片時(shí)，使用小剪刀從樹(shù)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(shí)驗(yàn)室等待處理，采樣均在1 d內(nèi)上午進(jìn)行。每棵樹(shù)種不同位置3次重復(fù)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(lái)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(duì)葉片樣品進(jìn)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(fēng)干后，用激光掃描儀和ImageJ軟件計(jì)算總?cè)~面積(S)。首先把微孔濾紙?jiān)?0 ℃以下烘干至恒重，并稱(chēng)重(M1)準(zhǔn)備。葉片清洗液用事先烘干準(zhǔn)備好孔徑為0.22 μm的濾膜進(jìn)行過(guò)濾，充分過(guò)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(chēng)質(zhì)量(M2)。對(duì)于針葉，隨機(jī)選取40～50個(gè)針葉，用掃描儀掃描后用image J圖像處理軟件測(cè)定針葉的長(zhǎng)度(L)，依排水法測(cè)定針葉樣品的體積(V)，計(jì)算針葉表面積[18](S)為：

(1)

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

則葉片單位葉面積滯塵量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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(shù)種另采集健康無(wú)損、發(fā)育良好的葉片，立即封存于塑料袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)約4 mm×4 mm的方塊，立即用2.5%戊二醇溶液進(jìn)行固定。樣品經(jīng)過(guò)噴金處理后，采用Hitachi臺(tái)式TM3000電鏡觀測(cè)葉片表面，選擇TM3000電鏡電壓15 kV，觀測(cè)模式為分析模式，選擇適當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行拍攝，照片存儲(chǔ)格式為T(mén)IFF[19]。

2.5 數(shù)據(jù)分析

對(duì)12種樹(shù)種葉片對(duì)大氣不同粒徑顆粒物的滯納量在樹(shù)冠不同位置葉片上的差異進(jìn)行單因素方差分析，分別分析滯納量在樹(shù)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(guò)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(shù)種的單位葉面積滯塵量

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

所選12個(gè)樹(shù)種葉面滯塵量在不同生活型樹(shù)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?yàn)椋撼＞G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(shù)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(shù)種變異系數(shù)為7.35%～39.29%，各樹(shù)種滯塵能力穩(wěn)定性差異明顯。相對(duì)來(lái)說(shuō)除了刺槐的變異系數(shù)39.29%，其余樹(shù)種變異系數(shù)均30%以?xún)?nèi)，說(shuō)明樹(shù)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(shù)種單位葉面積滯塵量及不同生活型樹(shù)種平均滯塵量(均值±標(biāo)準(zhǔn)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(shù)冠背車(chē)道方向和向車(chē)道方向以及隨著樹(shù)冠高度上的差異顯著(P<0.01)。由圖2可知，不同樹(shù)種向車(chē)道方向的葉片滯塵量均高于背車(chē)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(shù)冠底層1 m和2 m高處，4 m處的差異相對(duì)較小。對(duì)于樹(shù)冠不同高度葉片的滯塵量發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是背車(chē)道還是向車(chē)道方向上的葉片遵循同一個(gè)規(guī)律，即滯塵量由大到小順序?yàn)椋?、2、4 m，而且隨著冠層高度的滯塵量差異顯著(P<0.01)，背車(chē)道方向和向車(chē)道方向隨著樹(shù)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(jiàn)的2種常綠喬木樟子松和云杉單位葉面積滯塵量在樹(shù)冠背車(chē)道和向車(chē)道方向不同高度處的差異顯著(圖3，P<0.01)。常綠喬木向車(chē)道方向上的葉片滯塵量高于背車(chē)道方向葉片滯塵量，且隨著樹(shù)冠高度的變化趨勢(shì)由大到小為：1、2、4 m，這與落葉喬木樹(shù)種滯塵規(guī)律基本一致。樟子松向車(chē)道方向葉片滯塵量和背車(chē)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(chē)道方向和背車(chē)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(shù)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(chē)道方向和背車(chē)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(chē)道方向葉片滯塵量明顯高于向車(chē)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(wú)顯著差異(P>0.05)之外，其他都差異顯著(P<0.01)。對(duì)于灌木上層與下層處葉片滯塵量差異，3種灌木背車(chē)道方向和向車(chē)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(shù)3種灌木樹(shù)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(shù)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(shù)種葉表面微結(jié)構(gòu)特性具有明顯的差異性，所以其對(duì)大氣顆粒物的滯留能力也有所差異。圖5為12種樹(shù)種葉片表面形態(tài)結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖，各樹(shù)種葉表面形態(tài)特征詳細(xì)描述如表3所示?？梢?jiàn)，雖然少數(shù)樹(shù)種正背面均有氣孔存在且背面的氣孔數(shù)量遠(yuǎn)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(shù)種的滯塵量均最高。其他大多數(shù)闊葉樹(shù)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(kāi)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?jī)H次于樟子松；火炬樹(shù)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(shù)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(kāi)度大小，蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，周?chē)?xì)胞的褶皺度等方面，而且這些差異對(duì)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(wú)細(xì)長(zhǎng)葉毛等差異跟滯塵量的高低未見(jiàn)明顯影響。

4 結(jié)論與討論

4.1 不同樹(shù)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(shí)闊葉林中灌木的滯塵量大于喬木滯塵量。供試樹(shù)種葉面滯塵量在不同生活型樹(shù)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?yàn)椋撼＞G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(shù)種葉片滯塵量具有顯著的物種差異(P<0.01)，不同樹(shù)種滯塵能力由大到小排序?yàn)椋赫磷铀?、云杉、榆?shù)、刺槐、黃金樹(shù)、山桃、水蠟、山楂、丁香、白蠟、紅瑞木、火炬樹(shù)。對(duì)針葉林樹(shù)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(shù)種滯塵量大于杉科樹(shù)種。另外，陳波等[21]在北京西山選擇8種針葉樹(shù)種以單位葉面積滯塵量對(duì)比分析中，發(fā)現(xiàn)4種松科樹(shù)種滯塵量均大于杉科樹(shù)種滯塵量，這于本研究結(jié)果基本一致。王會(huì)霞等[22]研究不同生活型樹(shù)種葉片滯塵能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，滯塵量大小排序?yàn)椋禾俦局参?、灌木、喬木。謝濱澤等[23]研究闊葉樹(shù)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(gè)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(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵；2)汽車(chē)在加速、減速、停止時(shí)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(guò)高大喬木樹(shù)種樹(shù)冠時(shí)，將會(huì)遭到阻擋而減速，致使部分顆粒物沉降在矮小的灌木樹(shù)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(duì)于快速路林帶不同生活型綠化樹(shù)種及同一種樹(shù)種樹(shù)冠向車(chē)道方向和背車(chē)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(shí)，針葉林和闊葉喬木樹(shù)種的向車(chē)道方向葉片滯塵量均高于背車(chē)道方向葉片滯塵量，而灌木樹(shù)種正相反；在垂直高度上，針葉林、灌木與喬木樹(shù)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(shù)種葉片滯塵量隨樹(shù)冠垂直高度的差異有不少研究先例，但相關(guān)樹(shù)冠背車(chē)道方向和向車(chē)道方向葉片滯塵量差異的研究較少。此研究結(jié)果說(shuō)明，快速路林帶灌木離道路較近而且樹(shù)冠低矮，道路飄來(lái)的顆粒物和行人所產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵飄浮在空中，經(jīng)過(guò)一段距離才著落到灌木背車(chē)道方向的葉面，而喬木樹(shù)種離車(chē)道稍遠(yuǎn)而樹(shù)冠高大，向車(chē)道方向葉片阻滯了從路面飄來(lái)的塵土。

4.2 不同樹(shù)種葉片微結(jié)構(gòu)差異對(duì)滯塵量的影響

不同樹(shù)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(kāi)口大小，葉面細(xì)胞周?chē)鸟薨櫠?，蠟質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)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(shù)種間滯塵能力差異的主要原因[26-27]。本研究結(jié)果顯示，樹(shù)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(kāi)度，蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，周?chē)?xì)胞的褶皺度等方面，而且這些差異對(duì)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(wú)細(xì)長(zhǎng)葉毛等差異跟滯塵量的高低未見(jiàn)明顯影響。

針葉樹(shù)葉片多油脂、黏性較強(qiáng)，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(shù)種葉片滯塵能力最強(qiáng)，灌木次之，而落葉喬木的滯塵能力最弱。對(duì)于闊葉林，蠟質(zhì)呈無(wú)定形態(tài)、氣孔密度和開(kāi)度較大、葉面細(xì)胞周?chē)薨櫼约坝屑?xì)長(zhǎng)絨毛的榆樹(shù)、刺槐、黃金樹(shù)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(shù)等樹(shù)種，雖然葉表面粗糙、有細(xì)長(zhǎng)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(dǎo)致其滯塵能力增加，但是氣孔分布狀態(tài)、間距大小和開(kāi)度是否開(kāi)啟狀態(tài)對(duì)滯塵量大小的影響最為明顯[29]。與闊葉樹(shù)種對(duì)比，針葉樹(shù)種的氣孔大小更大，可見(jiàn)氣孔的尺寸越大滯塵能力越強(qiáng)。

樹(shù)種葉表面的微形態(tài)結(jié)構(gòu)能夠影響葉片對(duì)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(xì)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(huì)導(dǎo)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(duì)顆粒物的滯納作用。從此可見(jiàn)，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)。