林业科学  2015, Vol. 51 Issue (3): 57-64   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150308
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文章信息

阿丽亚·拜都热拉, 玉米提·哈力克, 塔依尔江·艾山, 凯丽比努尔·努尔麦麦提
Aliya Baidurela, Umut Halik, Tayierjiang Aishan, Kailibinuer Nuermaimaiti
干旱区绿洲城市主要绿化树种最大滞尘量对比
Maximum Dust Retention of Main Greening Trees in Arid Land Oasis Cities, Northwest China
林业科学, 2015, 51(3): 57-64
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(3): 57-64.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150308

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收稿日期：2014-04-04
修回日期：2014-05-22

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阿丽亚·拜都热拉
玉米提·哈力克
塔依尔江·艾山
凯丽比努尔·努尔麦麦提

引用本文
阿丽亚·拜都热拉, 玉米提·哈力克, 塔依尔江·艾山, 凯丽比努尔·努尔麦麦提. 2015. 干旱区绿洲城市主要绿化树种最大滞尘量对比[J]. 林业科学, 51(3): 57-64.
Aliya Baidurela, Umut Halik, Tayierjiang Aishan, Kailibinuer Nuermaimaiti. 2015. Maximum Dust Retention of Main Greening Trees in Arid Land Oasis Cities, Northwest China. Scientia Silvae Sinicae, 51(3): 57-64.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150308
干旱区绿洲城市主要绿化树种最大滞尘量对比
阿丽亚·拜都热拉1, 玉米提·哈力克1, 2 , 塔依尔江·艾山1, 2, 凯丽比努尔·努尔麦麦提1    
1. 新疆大学资源与环境科学学院/新疆维吾尔自治区绿洲生态重点实验室 乌鲁木齐 830046；
2. 德国埃希施塔特-因戈尔施塔特大学地理系 德国埃希施塔特 85071
收稿日期：2014-04-04；修回日期：2014-05-22
基金项目：国家自然科学基金项目(31270742,31360200);德国科技部SuMaRiO项目子课题4.3(01LL0918C)。
通讯作者：玉米提·哈力克
摘要：【目的】 绿化树种对一定范围内大气颗粒物有良好的净化作用，尤其在沙尘危害较严重的干旱区城市，滞尘能力强、适合当地自然条件的绿化树种可降低大气颗粒污染物浓度，改善城市生态环境。为此，选取我国西北干旱区典型绿洲城市——新疆阿克苏市为例，研究不同绿化树种叶片滞尘能力随时间及空间的变化规律，为干旱区城市绿化树种的选择提供理论依据。【方法】选取阿克苏市常见的绿化树种新疆杨、二球悬铃木、圆冠榆、小叶梣和垂柳为研究对象，叶片人工清洗后每隔4天对其进行采样，累计28天； 在室内清洗、过滤后用万分之一天平称留尘质量，用激光叶面积仪测出叶片面积、计算出单位叶面积滞尘量，用多重比较法对比分析城市4个不同功能区、5种绿化树种单位叶面积滞尘量随时间和空间的变化，用经验公式法估算各树种单株滞尘量。【结果】同一个功能区5种园林树种单位叶面积最大滞尘量有显著差异(P<0.05)，人工降尘1 h后二球悬铃木单位叶面积最大滞尘量 [(13.5±0.90)g·m-2] > 新疆杨 [(12.1±0.87)g·m-2] > 圆冠榆 [(9.21±0.77)g·m-2] >小叶梣 [(7.11±0.43)g·m-2] > 垂柳 [(6.69±0.24)g·m-2]。在不同功能区同一树种单位叶面积滞尘量排序为工业区(IA)> 交通枢纽区(TA)> 居民区(RA)> 清洁区(CA)。叶片在树冠中所处的位置也会影响其滞尘量，二球悬铃木3个高度处的叶片滞尘量顺序为1 m > 2 m > 4 m。从单株树种滞尘量对比得出，28天内二球悬铃木最高，为2.6 kg，垂柳最低，为0.2 kg。【结论】工业区、交通枢纽区树种单位叶面积滞尘量比居民区、清洁区高，其可能的原因是前两个区空气中的颗粒物浓度比后两区高，说明树种叶面滞尘量受当地空气质量的影响，同一树种在不同立地条件下滞尘量也相应的不同。在同一个功能区树种滞尘量差异由树高、冠幅和叶面特性(黏度、绒毛、粗糙度)等所引起，如树体大、冠幅宽、叶面粗糙并有绒毛的二球悬铃木叶片滞尘量要比树体小、叶面光滑并无毛的垂柳叶片滞尘量大。在树冠1 m处的叶片同时受到自然降尘及地面扬尘的影响，因此比4 m处叶片滞尘量高。二球悬铃木和新疆杨单位叶面积滞尘量与单株滞尘量都较高，起到明显的降尘作用，是沙尘频发的南疆地区城市绿化树种的优先之选。
关键词： 绿化树种    滞尘    多重比较    干旱区    不同功能区划分    
Maximum Dust Retention of Main Greening Trees in Arid Land Oasis Cities, Northwest China
Aliya Baidurela1, Umut Halik1, 2, Tayierjiang Aishan1, 2, Kailibinuer Nuermaimaiti1    
1. Key Laboratory of Oasis Ecology Xinjiang Uygur Autonomous Region/College of Resources & Environmental Science, Xinjiang University Urumqi 830046;
2. Faculty of Mathematics and Geography, Catholic University of Eichstaett-Ingolstadt Eichstaett 85071
Abstract: [Objective] Urban greening trees are an important part of city greening. They purify the atmosphere by capturing the particulate matter, especially in the arid region cities which frequently suffer from dust storms. To reduce the impact of air pollution on people and the ecological environment of the cities, greening tree species which have strong dust retention ability and are suitable to arid conditions should be chosen to the urban greening. In this study, the dust retention ability of several common greening tree species in Aksu, Northwest China, was examined to find out the appropriate species. [Methods] Dust retention capacity of Platanus acerifolia, Populus alba var. pyramidalis, Ulmus densa, Fraxinus bungeana, and Salix babylonica were examined in this study; The dust was washed from the leaf surfaces and then weighed by Electronic Scales with an accuracy of 1μg (PTX-FA-210, Shanghai); The individual leaf area was measured by using a Laser Leaf Area Meter (CI-203, USA). Data were subjected to ANOVA with multiple comparisons by using SPSS (version 15.0, Software Co., USA), with the level of significance set at P<0.05. [Results] The maximum dust amount per unit leaf area differed among the five tree species and four functional areas, Pl. acerifolia (13.5±0.90 g·m-2) > P. alba var. pyramidalis (12.1±0.87 g·m-2) > U. densa (9.21±0.77 g·m-2) > F. bungeana (7.11±0.43 g·m-2) > S. babylonica (6.96±0.24 g/m2). In the different areas, the dust retention amount showed the descending order as follows, Industrial area (IA) > Transportation area (TA) > Residential area (RA) > Clean area (CA). Our results also showed that in any case ( IA,TA, RA, CA) the leaves at 1 m height retained the most dust and the leaves at 4 m height retained the least dust. Dust retention amount per plant of the five species also differed from each other, Pl. acerifolia (2.6 kg) > P. alba var. pyramidalis (1.7 kg) > F. bungeana (1.4 kg) > U. densa (0.4 kg) > S. babylonica (0.2 kg). [Conclusions] The industrial area (IA) was obviously the most severely dust-polluted area and the clean area was the least dust-polluted area. The greatest amount of dust in IA suggested that a greater amount of atmospheric pollutants emitted in the industrial area was locally generated. The smallest amount of dust in CA meant that the dust generated from the urban settings did not significantly affect the suburban area and also lent a support that the dust was not from large-scale atmospheric processes. The dust retention amount per leaf area and per plant of Pl. acerifolia and P. alba var. pyramidalis was higher than other examined species, thus they could be the priority in urban greening.
Key words: urban greening trees    dust retention    multiple comparisons    Arid land    different functional area    

近几十年来，中国北方沙尘暴频繁发生，引起了国内外学者的高度关注(霍文等，2011；郝璐，2012)。新疆南部塔克拉玛干沙漠边缘的绿洲城市是属于我国沙尘危害最严重的地区之一，大部分城市年浮尘天气日数超过150天，对城市空气能见度、绿化树种的生理代谢以及城市人居环境质量产生负面的影响，给人畜健康给及人民生产生活造成严重的危害(Halik，2003)。绿化树种作为城市的肺腑，在截留沙尘、降低大气颗粒污染物浓度、净化空气、改善城市生态环境等方面发挥着不可替代的作用。

不同树木截留空气中沙尘污染物并抑制其再次扬起的能力有所差异(盂紫强等，2008；吴耀兴等，2009)。Litter(1977)和Verma等(2011)的研究表明：树木叶片构造对捕捉沙尘颗粒的效率十分重要；树木滞尘能力与树冠高度、总叶面积、叶片大小、叶片着生角度、叶片表面的粗糙度等参数有关(Simkhovich et al.，2008)。在树种叶片滞尘能力达到极限之前，叶片的滞尘量随着环境中粉尘含量的增多而增大(Pope et al.，2006)；另外，树木叶片滞尘是一个复杂的动态过程，受到季节、滞尘累积时间、植物所处环境、海拔高度、风向、植物本身的生理生态特征等诸多因素影响，呈现出一定的变化趋势(Schleicher et al.，2011)。目前国内对绿化树种滞尘的过程、机理及响应等方面的研究主要集中在沿海湿润地区树种，干旱区绿化树种的滞尘能力的研究相对较少。本研究以新疆南部国家森林城市阿克苏市的绿化树种为例，对比分析了不同功能区新疆杨(Populus alba var.pyramidalis)、二球悬铃木(Platanus acerifolia)、圆冠榆(Ulmus densa)、小叶梣(Fraxinus bungeana)和垂柳(Salix babylonica)5个树种的叶片平均滞尘量及其随时间的变化规律，以及不同树种单株滞尘量等，对阿克苏市绿化树种的滞尘效益进行初步探索。

1 材料与方法 1.1 样品采集 1.1.1 采样点

按土地利用性质，对阿克苏市功能分区进行分层次随机抽样调查，共设7个采样试验区。分别为工业区(IA)(主要为工业生产区，包括西湖工业园区、水泥厂)；商业交通区(TA)(主要为繁华区，如大十字、东大街、西大街、红桥夜市区)；居住区(RA)(主要为城市居民小区，如电视台居民区、阿克苏职业技术学院居民区)；清洁对照区(CA)(主要为人为干扰较少区域，如刀郎公园、胡杨公园)。

1.1.2 样方选择

按不同功能区分别设定21个样方，样方面积15 m×15 m，包含所选采用树种，调查记录树木基本情况，包括树高、胸径、株数、树冠疏失度等。

1.1.3 采样树种

对阿克苏市内32条主要街道、3个公园、3处公共绿地、5个居住区的绿化树种进行调查统计，结果表明新疆杨、二球悬铃木、圆冠榆、小叶梣和垂柳为城市绿化的主要树种，故将其作为试验树种。采样树种胸径为25~50 cm，树高6~14 m。

1.1.4 采样方法

每年春季是南疆地区沙尘天气频发期。根据阿克苏市天气条件，于2013年5—6月，每隔4天采样1次，连续采样28天，共计7次，时间间隔及次数基本满足试验需求。每次采样前人工冲洗植物叶片，使其进入新的滞尘周期，一般认为15 mm的降水或17 m ·s-1的大风可完全冲刷植物叶片上积累的灰尘(邱媛等，2008)。有天然降水或刮风时利用天然降水冲掉叶片留尘，若无天然降水或刮风时人工用喷壶(喷壶内为蒸馏水)冲洗待采集叶片。采集最大滞尘量叶片前对叶片进行人工降尘，人工尘源距测试叶2 m，直至有尘土自叶片滑落为止。1 h后轻轻剪下叶片。每树种采集1，2，4 m(从地面算起)高树冠处不同方向健康成熟叶片30~50片。

1.2 样品测定

滞尘量的测定：样品用蒸馏水清洗，用微孔滤膜装置(Φ0.45 μm)过滤清洗液，过滤前后烘干滤膜，用万分之一电子秤称重分别为W1，W2，收集附在滤膜上的降尘。用CI-203激光叶面积仪测定清洗过后的叶片，获取叶面积为S。单位叶面积滞尘量的表达式为(W2-W1)/S，单位：g ·m-2。测量同一树种不同时间段滞尘量时合并不同高度滞尘量；测量同株树种不同高度滞尘量合并不同时间同一高度段的滞尘量。

1.3 数据处理

单株总叶面积的估算：采用经验公式估算阔叶树种单株树木的叶片总叶面积(任引，2005)其公式如下：

$ Y = Exp\left({{\rm{0}}{\rm{.631 + 0}}{\rm{.238}}H + 0.691D - 0.0123S} \right)+ 0.182 $

式中：Y为叶面积总量(m2)；H为树冠高度(m)；D为树冠直径(m)；S=D(H+D)／2，可根据表 1中选树种的生态指标来求得，单位叶面积滞尘量用树种第28天的不同功能区平均滞尘量。

表 1 树种调查统计 Tab.1 The result of sample plot survey

应用SPSS15.0统计软件对阿克苏市5种绿化树种在4个不同功能区单位叶面积滞尘量进行了多重比较，图表由Excel软件制作完成。

2 结果与分析 2.1 树种叶片滞尘量的时间变化

研究区7次采样期内，不同树种单位叶面积滞尘量随时间逐渐增加(表 2)。人工喷洗后4天的滞尘量最低，到达28天时工业区不同功能区树种滞尘量达到最大，趋于饱和。用SPSS软件Post Hoc多重比较LSD方差检验法分析不同树种滞尘量的差异，总体而言，同一功能区不同树种的滞尘量差异显著，从大到小依次为二球悬铃木>新疆杨>圆冠榆>小叶梣>垂柳。二球悬铃木在第28天不同功能区滞尘总量为(36.17±1.94)g ·m-2，新疆杨为(27.39±1.40)g ·m-2，圆冠榆为(24.23±1.03)g ·m-2，小叶梣为(19.06±0.56)g ·m-2，垂柳为(16.63±1.03)g ·m-2，滞尘能力差异为1.32~2.17倍，即单位叶面积滞尘总量二球悬铃木是新疆杨的1.32倍，垂柳的2.17倍。最大滞尘量分别为二球悬铃木(13.5±0.90)g ·m-2，新疆杨(12.1±0.87)g ·m-2，圆冠榆(9.21±0.77)g ·m-2，小叶梣(7.11±0.43)g ·m-2，垂柳(6.96±0.24)g ·m-2。经方差分析：工业区几种树种单位叶面积滞尘量在第24和28天内无显著差异(P>0.05)，即工业区5种树种单位叶面积滞尘量开始趋于饱和的时间均为28天。其他试验区树种滞尘量第24与28天差异不明显，亦有饱和的趋势。

表 2 不同时间段树种叶片滞尘量① Tab.2 Dust retention amount at different time

不同树种滞尘量在相同环境下达到饱和所用的时间存在差异；同时，同一树种在不同环境下达到饱和所用的时间也存在显著差异。石家庄街道大叶黄杨(Buxus sinica)单位叶面积滞尘量在15天内达到饱和(王赞红等，2006)，北京居民区国槐(Sophora japonica)滞尘量在30天左右才能达到饱和(张新献等，1997)，说明大气颗粒物的多少是影响叶片滞尘量及达到饱和时间的重要因素。

2.2 树种叶片滞尘量随树高的变化

同一树种不同高度处的叶片滞尘量随高度的增加而降低，即1 m> 2 m> 4 m。在商业交通区，除小叶梣在1 m和2 m处叶片单位面积滞尘量差异不显著外，其余树种不同高度差异均显著(图 1)；在居民区新疆杨和圆冠榆的不同高度滞尘量存在明显的差异，其余树种差异不明显(图 2)；在工业区5种树种在3个不同高度的单位叶面积滞尘量差异均为显著(P<0.05)(图 3)。而在清洁区，不同高度滞尘量差别不显著，二球悬铃木、圆冠榆、垂柳等树种其3个高度叶片滞尘量都没有明显差异(图 4)。

图 1 商业交通区单位面积滞尘量随树高的变化 Fig. 1 Height differences at transportation area
图 2 居民区单位面积滞尘量随树高的变化 Fig. 2 Height differences at residential area
图 3 工业区单位面积滞尘量随随树高的变化 Fig. 3 Height differences at industrial area
图 4 清洁区单位面积滞尘量随树高的变化 Fig. 4 Height differences at clean area

在5种树种中，二球悬铃木不同高度叶片的滞尘量在交通枢纽区和工业区有显著差异，而在清洁区和居民区无显著差异。新疆杨不同高度叶片滞尘量在交通枢纽区和居民区有显著差异；而工业区和清洁区差异不显著；圆冠榆不同高度叶片滞尘量在居民区和工业区显著，其余功能区差异不显著。说明树木叶片滞尘量的高度差异受到环境的影响，即使是同一个树种、同一个高度的叶片在不同的环境下其滞尘量有所不同。相同环境条件下的不同树种同一个高度叶片滞尘量亦不相同，可见树种叶片的自身特性也会影响其滞尘量。

2.3 不同树种单株总滞尘量

根据经验公式得出的不同树种单株总滞尘量从大到小为二球悬铃木(2.6 kg)>新疆杨(1.7 kg)>叶白腊(1.4 kg)>圆冠榆(0.4 kg)>垂柳(0.2 kg)，其中二球悬铃木单株滞尘量远大于其他树种，分别是新疆杨的4.7倍，小叶梣的5.7倍，圆冠榆的20倍，垂柳的40倍。

比较表 3与表 2可知：不同树种单株滞尘量的大小与单位叶面积滞尘量的大小存在差异，其中圆冠榆和小叶梣的大小顺序发生改变。二球悬铃木单株总叶片面积最大，小叶梣其次，圆冠榆最低。小叶梣单株叶面积高于新疆杨，但是单株总滞尘量不如新疆杨。因为单株滞尘量取决于单位叶面积滞尘量与总叶面积，在总叶面积相差不大的情况下，单位叶面积滞尘量高则单株滞尘亦高。圆冠榆单位叶面积滞尘量在5种所选树种当中排在第3，但是其单株总叶面积较小，因此单株滞尘量排在第4。

表 3 不同树种单株叶片总滞尘量 Tab.3 Dust retention amount of individual tree
3 结论与讨论 3.1 树种叶片滞尘能力及其影响因素

叶片滞尘量受到气象因素、积累时间、人类活动及植物本身形态特征的影响(Prusty et al.，2005；赵勇等，2002)。在外界环境相同的条件下，植物叶片滞尘量由植物的树冠高度、树冠直径、叶片结构、叶片倾斜角度等形态特征来决定(柴一新等，2002)。一般认为表面粗糙，叶毛浓密，叶脉凸出，具有黏性表面的短柄叶片具有较强的吸附大气颗粒物的能力(胡舒等，2012)，而Fernández等(2005)提出叶片滞尘量与叶表粗糙度无关。李海梅等(2008)验证了凹凸的叶表面比起光滑叶面使得粉尘等污染物与叶片表面的接触面积更大，难易脱落。王会霞等(2010)认为植物叶片最大滞尘量与叶片表面自由能及其色散分量呈显著正相关。

在本研究涉及的干旱区不同绿化树种叶片单位面积滞尘量的平均值，远高出其他沿海地区及东北地区绿化树种单位面积滞尘量。例如，梁淑英等(2005)研究显示南京市不同绿化树种，乔木林叶片春季平均滞尘量0.504 g ·m-2，邱媛等(2008)研究显示广州惠州市乔木树种高山榕(Ficus altissima)叶片平均最大滞尘量为0.98 g ·m-2，而本研究的新疆南疆绿洲城市阿克苏市典型绿化树种春季叶片平均滞尘量最高可11.3 g ·m-2。说明干旱区绿洲城市绿化树种经受着比内地城市更严重的沙尘污染，且滞尘截留沙尘能力更强，沙尘阈值更大。阿克苏市坐落在塔克拉玛干沙漠北缘，降水稀少，气候干燥、全年盛行西北风且伴有沙尘天气，尤其是春夏季。风可以扬起地面沙尘，提高叶片截留沙尘的几率，同时振动叶片以至原来滞留在叶片上的沙尘再次飘落地面。而对冠幅较大、叶片密集的较高树种而言，高处叶片抖下来沙尘降到低处的叶片，增大低处叶片滞尘量。降水有利于叶片沙尘被清洗，流入土壤。一般认15 mm的雨水可以冲洗掉植物叶片滞尘(贾彦等，2012)，而阿克苏市年平均降水为43.9~65.3 mm，一次性15 mm的降水出现的频率很低，在进行研究采样时间内没有出现雨水冲洗掉植物叶片滞尘的现象，故暂未考虑降水对植物叶片滞尘的影响。

3.2 树种叶片滞尘量地点与高度差异性

阿克苏市不同功能区滞尘量有明显差异。工业区滞尘量最大，原因为在城市南部的工业区浮尘浓度较大。此区的浮尘可能包括输入性沙尘天气从城市外围区域吹到的沙尘颗粒物，和本地区内部第2次扬起的地表面灰尘和工业区排放的粉尘。阿克苏市商业交通区滞尘量较高的原因可能是密集的交通流通、建筑施工和活跃的人类活动。施工路段植物叶片滞尘量大于重度污染路段和风景区路段(程政红等，2004)交通排放是路域PM浓度显著高于庭院内部的主要原因(戴斯迪等，2012)。作为国家森林城市，阿克苏市有着良好的交通绿化带，2011年全城道路绿化面积约633 hm2，绿地率约21%，而交通绿化带一般都小于5 m。根据相关研究，欲实现交通绿化带明显的净化作用，其宽度应不小于5 m，10 m为最佳(殷彬等，2007)。

阿克苏市绿化树种低处叶片滞尘量高于高处叶片，在工业区、商品交通区差异显著，在清洁区差异不显著。车辆行驶等人为活动的扰动，即自身排放的污染物颗粒及地面灰尘的扬起使空中颗粒污染物浓度加大，重力作用促使灰尘被低处叶片滞留，而高处叶片更容易受到强风的影响，使已滞留的灰尘降落于地面，降低其滞尘量(潘瑞等，2012)。同种树种敞开式环境下比敞开式环境下滞尘量更高(张景等，2012)。阿克苏市清洁区交通量低，人为干扰较低，城郊防护林和公共绿地有效地降低强风的干扰，大致可视为封闭式环境。因此清洁区树种不同高度叶片滞尘量无明显差异，且清洁区滞尘量相比其他区域最低。

3.3 单株滞尘量差异

树种的生态指标，包括树高、树冠高度、树冠宽度及枝下高等都会影响单株总叶面积(任引，2005)，进而导致不同树种单株滞尘量的差异。本研究中，二球悬铃木单株滞尘量远高于其他4种树种。胡舒等(2012)研究得出二球悬铃木的叶片表面均密生星状短绒毛，绒毛可帮助尘埃附着于叶片表面不易被风吹落，这与本研究的结果一致。另外二球悬铃木高大魁梧、树叶浓密，树冠饱满使其单株滞尘量也高出其他树种。垂柳叶片一般向下倾斜、表面光滑、无绒毛不利于长时间留住大气中的颗粒物，因此其单位叶面积滞尘量明显低于其他树种，其树高一般在5.5~6.5 m，是二球悬铃木一般高度的三分之一，冠幅2.1~2.5 m，约是二球悬铃木的一半，因此其单株滞尘量最低。本研究采用任引(2005)经验公式估算单株树总叶面积，由于研究区和树种的不同，导致结果中可能存在一定误差，在今后的研究当中会进一步完善此方法。

总之，阿克苏市不同绿化树滞尘能力存在显著差异(P<0.05)，研究于春季选取5个树种单位叶面积滞尘量及最大滞尘量排序均为二球悬铃木>新疆杨>圆冠榆>小叶梣>垂柳。同一树种在4个不同功能区滞尘总量亦有显著差异(P<0.05)：工业区>商业交通区>居民区>清洁区。在工业区、商业交通区、居民区滞尘量1 m> 2 m> 4 m差异显著(P<0.05)，在清洁区不同高度叶片滞尘量差异不显著。二球悬铃木和新疆杨单位叶面积滞尘量与单株滞尘量都较高，起到明显的降尘作用，是沙尘频发的南疆地区城市绿化树种的优先之选。

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