烏魯木齊市不同功能區(qū)大氣SO₂及主要綠化樹種葉片硫含量特征

摘要：為了解常見綠化樹種葉片的含硫量，在烏魯木齊市選擇工業(yè)區(qū)、道路交通區(qū)、生活區(qū)和公園游憩區(qū)等4種功能區(qū)，觀測了大氣二氧化硫和10種主要樹種葉片的硫含量，比較了不同功能區(qū)大氣二氧化硫和葉片硫含量的差異。結(jié)果表明：烏魯木齊大氣二氧化硫含量平均為0.022g·m^-3，公園游憩區(qū)、生活區(qū)、道路交通區(qū)和工業(yè)區(qū)分別為0.009 g·m^-3、0.013 g·m^-3、0.030 g·m^-3和0.036 g·m^-3。灌木葉片硫含量（2.91mg·g^-1）高于喬木（2.47mg·g-¹）；10種樹種葉片硫含量依次表現(xiàn)為榆樹gt;刺槐gt;榆葉梅gt;皂莢gt;山桃gt;山楂gt;紫葉李gt;丁香gt;白蠟gt;火炬樹。生活區(qū)、道路交通區(qū)及工業(yè)區(qū)與公園游憩區(qū)的相差百分比為-17.8%～29.1%、27.2%～147.9%和37.5%～222.1%，相差百分比最小的分別是火炬樹、榆樹和皂莢，最大的是山楂和紫葉李；道路交通區(qū)、工業(yè)區(qū)與生活區(qū)相差百分比為10.1%～111.1%和32.0%～149.7%，相差百分比最小的分別是山桃和皂莢，最大的是山楂；工業(yè)區(qū)與道路交通區(qū)相差百分比為5.5%～100.0%。皂莢、紫葉李、白蠟、火炬樹、榆葉梅和丁香葉片硫含量與大氣二氧化硫含量為顯著線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：功能區(qū)；城市森林；干旱區(qū)；大氣二氧化硫含量；葉片硫含量

Characteristics of the Sulfur Dioxide Content in the Atmosphere and the Sulfur Content in the Leaves of Greening Tree Species in Different Functional Areas of Urumqi， China

LIANG Zhong¹，TANGNNUER·YEERKEN¹，LI Jimei^2*，SUN Xuejiao²

2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Natural Forest Protection Center of Xinjiang Uygur Autonomous Region， "Xinjiang， Urumq， 830000；1. Institute of Forest Ecology， Xinjiang Academy of Forestry "Xinjiang， Urumqi ，8300630

Abstract：In the spring， summer， and fall of 2020， the sulfur dioxide content in the atmosphere and the sulfur content in the leaves of 10 greening tree species were measured in four functional areas （industrial areas， traffic areas， residential areas， and park areas） of Urumqi， China， to identify differences among functional areas. The results show that the average sulfur dioxide content in the atmosphere of Urumqi was 0.021 g·m^-3"and that in park areas， residential areas， traffic areas， and industrial areas was 0.009 g·m^-3， 0.013 g·m^-3， 0.030 g·m-3， and 0.036 g·m^-3， respectively. The sulfur content in the leaves of Ulmus pumila L.was the highest， followed by that of Robinia pseudoacacia Linn.，Amygdalus triloba （Lindl.）Ricker ， Gleditsia sinensis，Amygdalus davidiana，Gleditsia sinensis，Amygdalus davidiana，F(xiàn)ructus Crataegi Pinnatifidae，Prunus cerasifera Ehrharr f. atropurea （JAacp） Rehd，Syringa reticulate（Blume） H.hara Var. Amurensis，F(xiàn)raxinus chinesis，Rhus typhina Nutt. The variation coefficient was among 4.46%～34.34%. The sulfur contents in the leaves from road/traffic areas and industrial areas were higher than those in park areas and residential areas. The difference percentage between recreational areas， traffic areas ， industrial areas and park areas were respectively-17.80%～29.1%，27.21%～147.9% and 37.5%～222.1%，in which the lowest were retrospectively Rhus typhina Nutt， Ulmus pumila L.，Gleditsia sinensis and the highest were Fructus Crataegi Pinnatifidae，Prunus cerasifera Ehrharr f. atropurea （JAacp） Rehd. The difference percentage between traffic areas， industrial areas and recreational areas were respectively 10.1%～111.1% and 32.0%～149.7%，in which the lowest were Amygdalus davidiana and Gleditsia sinensis，the highest were both Fructus Crataegi Pinnatifidae；The difference percentages between traffic areas and industrial areas were 5.5%～100.0%. Only the sulfur content in the leaves of Gleditsia sinensis，Prunus cerasifera Ehrharr f. atropurea （JAacp） Rehd， Fraxinus chinesis，Rhus typhina Nutt，Amygdalus triloba （Lindl.）Ricker，Syringa reticulate（Blume） H.hara Var. Amurensis were significantly linearly correlated with the atmospheric sulfur dioxide content in the corresponding areas.

Key words：Function zone ；City forest；arid region；atmospheric sulfur dioxide content ；sulfur content in the leaves

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化、工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，以資源消耗為主的粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式帶來的高強(qiáng)度污染排放，使區(qū)域性的大氣污染愈加明顯^[1-3]。SO₂是大氣污染物中主要污染物之一，主要來源于煤炭、石油等化石燃料的燃燒^[4]。高濃度的SO₂污染不但對土壤、建筑物、植物等造成危害，還對人體健康，尤其是呼吸系統(tǒng)，造成威脅。森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組成之一，具有凈化大氣的功能。但不同樹種凈化大氣的能力差異很大，這與植物本身的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性及大氣污染物濃度、接觸污染物的時(shí)間等密切相關(guān)^[5-9]。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者也開展了大量的相關(guān)研究^[10-11]。如魯敏等^[12]證實(shí)了植物對大氣污染物中硫具有一定的吸滯能力；張家洋等^[7]比較了河南新鄉(xiāng)10種綠化樹種葉片硫含量；王榮新等^[4]以北京9種常見綠化樹種為供試樹種，探討了其積累SO₂的水平差異；羅艷紅等^[5]研究了北京32種主要綠化樹種對大氣SO₂的吸收、累積特征及凈化作用，并篩選出了具有代表性的抗污染物能力較強(qiáng)的植物。何蓉等^[8]研究了西南地區(qū)主要綠化樹種葉綠素含量與吸硫量的關(guān)系；洪淵等^[9]研究了深圳116種園林植物的葉片含硫量與大氣SO₂的關(guān)系。李偉^[13]分析了3種觀賞果樹在SO₂氣體脅迫條件下的吸收特性。這些研究表明木本植物由于枝葉繁茂、根系發(fā)達(dá)、生物量高、覆蓋面積大，比草本植物更能有效吸收污染物二氧化硫。綜合上述研究結(jié)果基本認(rèn)為不同植物對不同污染物的吸收能力有較大的差異，同種植物在不同污染環(huán)境下和同一污染環(huán)境下的不同植物對污染物的吸收凈化能力千差萬別。而結(jié)合大氣二氧化硫變化，分析干旱區(qū)城市森林不同樹種不同季節(jié)在不同污染環(huán)境下，葉片吸收二氧化硫能力的較少。因此，本文從污染程度差異，將研究區(qū)分為4種功不同功能區(qū)，研究干旱區(qū)典型城市烏魯木齊市10種綠化樹種葉片硫含量的差異及其與大氣二氧化硫的關(guān)系，目的是為科學(xué)選擇綠化樹種提供理論依據(jù)。

1"研究區(qū)概況與研究方法

1.1"研究區(qū)概況

烏魯木齊地處歐亞大陸腹地，是我國向西開放的重要門戶和絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)。由于地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，烏魯木齊多年平均降水量僅為256 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2800 mm，平均氣溫7℃，是典型的中溫帶大陸氣候。隨著經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、交通的發(fā)展，大氣污染問題也日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2018年新疆僅工業(yè)排放二氧化硫?yàn)?0.19×10⁴t^[14]。近年來，為了提高城市生態(tài)質(zhì)量，烏魯木齊市加大了城市森林建設(shè)力度，并提倡在城市綠化中推廣凈化大氣功能強(qiáng)的樹種。

1.2"采樣點(diǎn)布設(shè)、大氣二氧化硫采樣和測定方法

2020年春季（5月5日-5月15日）、夏季（7月29-8月8日）和秋季（10月3日-13日）在烏魯木齊市工業(yè)區(qū)（分別為中泰化學(xué)園區(qū)周圍、八一鋼鐵廠區(qū)周圍、紅雁池發(fā)電廠周圍、眾和公司周圍）、道路交通區(qū)（分別為河灘快速、機(jī)場高速路、北京路、團(tuán)結(jié)路）、生活區(qū)（分別為新疆林科院家屬院、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)家屬院、科學(xué)院家屬院、南湖二期家屬院）和公園游憩區(qū)（分別為燕爾窩風(fēng)景管理區(qū)、植物園、紅山公園、石化公園）等4種功能區(qū)分布的林帶內(nèi)選擇大氣二氧化硫含量監(jiān)測點(diǎn)，布設(shè)嶗應(yīng)2051型智能24小時(shí)在線空氣采樣器，同步采集空氣樣品，并帶回試驗(yàn)室按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣二氧化硫的測定甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法 HJ 482-2009》^[15]測定環(huán)境中二氧化硫含量。

1.3 "植物樣品采集與測定方法

通過查閱資料，結(jié)合2020年4-5月在烏魯木齊市植物踏查的結(jié)果，最終確定上述4個(gè)功能區(qū)均最常見的白蠟（Fraxinus chinesis）、榆樹（Ulmus pumila）、火炬樹（Rhus typhina）、山楂（Fructus Crataegi Pinnatifidae）、紫葉李（Prunus cerasifera ""f. atropurea）、皂莢（Gleditsia sinensis）、山桃（Amygdalus davidiana）、榆葉梅（Amygdalus triloba ）、暴馬丁香（Syringa reticulate "var."amurensis）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等主要綠化樹種作為供試樹種，并與2020年春季（5月）、夏季（8月）和秋季（10月）在4種功能區(qū)采集供試樹種葉片。采樣前在各個(gè)功能區(qū)設(shè)置20m×20m的樣地各3個(gè)，調(diào)查樹高、胸徑（地徑）、冠幅和樹齡。依據(jù)樹高、胸徑（地徑）、冠幅和樹齡，每個(gè)樹種選擇4～5株標(biāo)準(zhǔn)木，分別在每株樹東西南北４個(gè)方向，樹高約2.5～3m左右的部位采集健康、無損的成熟葉片10～15片，小葉樹種采集20～30片。將采集的葉片封存于自封塑料袋中并帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來水沖洗葉片，然后用蒸餾水浸泡6h，洗凈葉片上的滯塵等雜物，放烘箱中105℃下殺青1h，72℃下烘干至恒重，用粉碎機(jī)粉碎烘干的樣品，過60目篩，放入干燥器內(nèi)備用，采用氯化鋇比濁法測定葉片硫含量^[13]。

1.4"數(shù)據(jù)處理

文中數(shù)據(jù)的處理采用 Microsoft Excel和 Origin 2021軟件處理分析。利用多重比較法（LSD法）分析相同樹種在不同功能區(qū)的葉片硫含量的差異性；用線性回歸分析法對因變量（葉片的硫含量）和自變量（大氣硫濃度）進(jìn)行相關(guān)性分析，分別建立上述供試樹種植物葉片硫含量和大氣硫濃度二者之間的線性回歸模型。

2"結(jié)果與分析

2.1 大氣二氧化硫含量特征

表2表明新疆烏魯木齊大氣環(huán)境中二氧化硫含量平均為0.021 g·m^-3，公園游憩區(qū)、生活區(qū)、道路交通區(qū)和工業(yè)區(qū)分別為0.009g·m^-3、0.013g·m^-3、0.030gg·m^-3和0.036g·m^-3，說明公園游憩區(qū)和生活區(qū)大氣二氧化硫含量較低，這可能與該功能區(qū)植被覆蓋度較高、樹種搭配和組成豐富，且車流量較低，遠(yuǎn)離有污染的工業(yè)有關(guān)。車流量較大，汽車排放的尾氣中二氧化硫含量較高等導(dǎo)致了到大氣中二氧化硫含量較高。從季節(jié)變化可以看出，公園游憩區(qū)夏季與春季和秋季大氣二氧化硫含量比值為0.90倍和0.67倍，生活區(qū)為0.43倍和0.62倍，道路交通區(qū)為0.29倍和0.24倍，工業(yè)區(qū)為0.23倍和0.28倍，說明公園游憩區(qū)大氣二氧化硫含量變化季節(jié)差異不大，而工業(yè)區(qū)和帶路交通區(qū)受到企業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度及交通車流量的變化，季節(jié)差異較大。夏季4種功能區(qū)間大氣二氧化硫含量差異均不顯著（Pgt;0.05），春季和秋季道路交通區(qū)和工業(yè)區(qū)與公園游憩區(qū)和生活區(qū)的差異均達(dá)顯著水平（Plt;0.05）。

生活型植物葉片硫含看，灌木葉片硫含量（2.91mg·g^-1）高于喬木樹種葉片硫含量（2.47mg·g^-1）。從圖1可以看出，10種不同綠化樹種葉片硫含量相差較大，由大到小依次表現(xiàn)為榆樹gt;刺槐gt;榆葉梅gt;皂莢gt;山桃gt;山楂gt;紫葉李gt;丁香gt;白蠟gt;火炬樹。最小極差法（LSD）比較顯示，刺槐、榆樹、榆葉梅除了與皂角葉片硫含量差異不顯著外（Pgt;0.05），與其他6種樹種差異均顯著（Plt;0.05）。其中榆樹葉片硫含量（3.88mg·g^-1）是火炬樹（1.38mg·g^-1）的2.81倍。由表3的變異系數(shù)可看出，10種樹種變異系數(shù)為4.46%％～34.34%，相對來說除了榆葉梅的變異系數(shù)34.34％，其余樹種變異系數(shù)均在30%以內(nèi)，說明烏魯木齊綠化樹種葉片吸收硫的能力較穩(wěn)定，山楂的變異系數(shù)最低，葉片吸硫能力最穩(wěn)定。

3個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)為落葉灌木葉片硫含量高于落葉喬木。與春季相比，夏季和秋季葉片硫含量相對較高，這可能與樹木不同生長階段的生理活動(dòng)有關(guān)，春季樹木才開始生長，葉片重量和體積都處于較低水平，硫化物在葉片組織內(nèi)迅速擴(kuò)散，到了夏季隨著樹木葉片的生長其體積也不斷地?cái)U(kuò)增，但增長速度趨于緩慢，葉片中漸漸積累了較多的硫化物，秋季葉片開始慢慢衰老，其硫化物含量快速增長^[14]。除了皂莢、山桃和刺槐等3種樹種季節(jié)變化依次表現(xiàn)為秋季gt;夏季gt;春季外，其余7種樹種均表現(xiàn)為夏季gt;秋季gt;春季，且季節(jié)差異顯著（Plt;0.05）。

2.3"不同功能區(qū)綠化樹種葉片硫含量比較

圖2可知，不同功能區(qū)間10種綠化樹種葉片硫含量總體表現(xiàn)出道路交通區(qū)和工業(yè)區(qū)高于公園游憩區(qū)和生活區(qū)，但不同樹種表現(xiàn)趨勢略不同。除了紫葉李、刺槐和與榆葉梅道路交通區(qū)高于工業(yè)區(qū)之外，榆樹、皂莢、山桃、山楂、白蠟、火炬樹和丁香等其余7種樹種葉片硫含量均表現(xiàn)為一致的工業(yè)區(qū)gt;道路交通區(qū)gt;生活區(qū)gt;公園游憩區(qū)的規(guī)律，且葉片硫含量分別在公園游憩區(qū)和生活區(qū)與工業(yè)區(qū)之間均呈顯著性差（Plt;0.05）。從表4可以看出，10種樹種生活區(qū)與公園游憩區(qū)的相差百分比為-17.80%～29.1%，相差百分比最小和最大的分別是火炬樹和山楂；道路交通區(qū)與公園游憩區(qū)的相差百分比為27.21%～147.9%，相差百分比最小和最大的分別是榆樹和紫葉李；道路交通區(qū)與生活區(qū)相差百分比為10.12%～111.13%，相差百分比最小和最大的分別是山桃和紫葉李；工業(yè)區(qū)與公園游憩區(qū)相差百分比為37.5%～222.14%，與生活區(qū)相差百分比為32.00%～149.70%，與道路交通區(qū)相差百分比為5.53%～100.00%，最小和最大的均分別是皂莢和山楂。

從表5可以看出，榆樹、皂莢、山楂、火炬樹、刺槐和榆葉梅在3個(gè)季節(jié)葉片硫含量最高的都是工業(yè)區(qū)，最低的都是道路交通區(qū)；紫葉李在春季最高的是工業(yè)區(qū)，夏季和秋季最高的是道路交通區(qū)；白蠟春季和秋季及山桃春季最高的是道路交通區(qū)，夏季最高的是工業(yè)區(qū)；丁香在秋季最高的是道路交通區(qū)，春季和夏季最高的是工業(yè)區(qū)。

2.4""葉片硫含量與大氣二氧化硫含量關(guān)系

由回歸分析結(jié)果 （見表6）可知，喬木樹種皂莢、紫葉李、白蠟、火炬樹和灌木樹種榆葉梅和丁香葉片硫含量與對應(yīng)區(qū)域大氣二氧化硫含量為顯著線性關(guān)系，一元回歸模型Ｆ檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。表明這5種樹種葉片中的硫部分來自于氣孔對大氣硫化物等的吸收。喬木榆樹、山楂、山桃和灌木刺槐雖然葉片硫含量與對應(yīng)區(qū)域大氣二氧化硫含量為線性關(guān)系，但一元回歸模型Ｆ檢驗(yàn)未達(dá)到顯著水平（Pgt; 0.05）。這可能與樹種葉片結(jié)構(gòu)，如氣孔密度、氣孔長度、海綿組織厚度、柵欄組織厚度等有關(guān)。

3"結(jié)論與討論

本文3個(gè)季度的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明烏魯木齊市大氣二氧化含量呈現(xiàn)工業(yè)區(qū)gt;道路交通gt;生活區(qū)gt;公園游憩區(qū)的趨勢，與李德忱^[18]、陳峰等人^[19]的研究結(jié)論基本一致。這與烏魯木齊工業(yè)區(qū)分布的企業(yè)多為煤礦、石油附屬品加工、鋼鐵加工、風(fēng)力發(fā)電等有關(guān)。企業(yè)在生產(chǎn)過程種排放了較高的二氧化硫，進(jìn)入大氣導(dǎo)致工業(yè)區(qū)大氣二氧化硫含量較高。道路交通區(qū)由于車流量大，尤其是烏魯木齊河灘快速路，大貨車頻繁駛?cè)耄罅康钠囄矚馀湃肟諝猓率乖摴δ軈^(qū)二氧化硫含量保持較高水平。生活區(qū)和公園游憩區(qū)植物數(shù)量多，尤其是公園游憩區(qū)，樹種組成豐富、空間配置多樣，植被覆蓋率較高，遠(yuǎn)離污染的企業(yè)，因此大氣中二氧化硫含量較低，空氣相對較為清潔。

植物在污染防治方面發(fā)揮著重要作用，既能通過地上部分吸附空氣中的污染物，又能通過地下根系吸收土壤中的污染物，從而對污染區(qū)域起到凈化作用^[6-8]。樹木吸收污染物能力與葉片的解剖結(jié)構(gòu)（柵欄組織及表皮角質(zhì)層厚度與氣孔密度及狀態(tài) ，絨毛分布）^[20]、生理特征（葉綠素含量及細(xì)胞膜透性）^{[8， 21]}、樹木生長因子（樹齡和葉齡）^[6]及在污染物中暴露（暴露時(shí)間和暴露強(qiáng)度）等有關(guān)^[22]。本文研究發(fā)現(xiàn)榆樹、刺槐、榆葉梅、皂莢、山桃和山楂葉片硫含量較高。表7為已有學(xué)者^{[10，20， 24]}通過電鏡掃描反映的上述幾種樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這幾種樹種葉片具有蠟質(zhì)呈無定形態(tài)、氣孔密度和開度較大、葉面細(xì)胞周圍褶皺以及有細(xì)長絨毛等特征。這些開啟的氣孔、凸起的絨毛及不規(guī)則的凹糟有助于葉片對硫的吸收。白蠟和火炬樹氣孔間距大、大多呈關(guān)閉狀態(tài)，不利于吸收污染物^[8]，因此其吸收污染物能力較弱。

本文發(fā)現(xiàn)10種綠化樹種葉片硫含量總體表現(xiàn)出道路交通區(qū)和工業(yè)區(qū)高于公園游憩區(qū)和生活區(qū)，但不同樹種表現(xiàn)趨勢略不同，這主要是由于不同植物葉片吸附硫化物物的能力及樹木所處環(huán)境中大氣二氧化硫污染程度及與污染物接觸時(shí)間有關(guān)。邱媛等對惠州綠化樹種吸硫能力研究表明，大葉榕、紫荊葉的污染指數(shù)以交通區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、清潔區(qū)的趨勢遞減。何榮等^[8]和高搏等^[11]研究表明，在一定的閾值范圍內(nèi)植物葉片中的含硫量和大氣中的二氧化硫含量存在著一定的正相關(guān)關(guān)系。張家洋^[7]認(rèn)為影響植物葉片含硫量主要因素是大氣硫污染物高低及植物在污染物中暴露的時(shí)間和強(qiáng)度。也有研究表明樹木葉片二氧化硫含量隨著距離污染源的距離增加而增加^[9]。本文研究表明，喬木樹種皂莢、紫葉李、白蠟、火炬樹和灌木樹種榆葉梅和丁香葉片硫含量與對應(yīng)區(qū)域大氣二氧化硫含量為顯著線性關(guān)系，說明這5種樹種葉片中的硫部分來自于氣孔對大氣硫化物等的吸收。喬木榆樹、山楂、山桃和灌木刺槐雖然葉片硫含量與對應(yīng)區(qū)域大氣二氧化硫含量為線性關(guān)系，但一元回歸模型Ｆ檢驗(yàn)未達(dá)到顯著水平（Pgt; 0.05）。這可能與樹種葉片結(jié)構(gòu)、樹齡及葉齡等及大氣中二氧化硫濃度有關(guān)。當(dāng)二氧化硫濃度過高時(shí)，植物不僅不能積累過多的硫，還可能會(huì)導(dǎo)致植物體的含硫蛋白質(zhì)遭到破壞。另外，植物對其他污染物的吸收，如重金屬和有機(jī)揮發(fā)物等可能會(huì)對植物的吸硫能力造成抑制作用。

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