覆膜與植物聯(lián)合對土壤揚塵控制效果的試驗研究

孟慶虎 李乃穩(wěn) 孫海龍 李廣輝

（1. 四川大學水利水電學院，四川成都 610065；2. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都 610065；3. 四川沃爾宜環(huán)保科技有限公司，四川成都 610065）

1 引言

在大風等不利天氣條件作用下，土壤表面的顆粒物進入大氣環(huán)境中，對環(huán)境空氣和居民健康造成不利影響［1］。因此，控制土壤揚塵排放對提升城市大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。實踐中，主要采取設(shè)置外圍擋風墻［2］、防風抑塵網(wǎng)［3］等措施，以降低風速，減少湍流，從而達到抑塵的目的，這種方法雖然能夠長期抑塵，但材料成本較高。有研究表明，植被覆蓋對土壤遭受風力侵蝕具有顯著的抑制作用［4］，植物生長會使土壤揚塵排放潛能快速降低［5-6］，但是，由于植物生長具有周期性，在植物種子萌發(fā)期不能有效抑制土壤揚塵的排放。許玥、熊峰等人研究結(jié)果表明，覆膜最佳效果可提高抑塵效率達99%以上［7］。覆膜由于長時間暴露在環(huán)境中，容易老化分解，不能達到長效抑塵的目的［8］。本研究使用的覆蓋可降解薄膜可以在初期實現(xiàn)抑塵，后期通過植物的萌發(fā)覆蓋進行抑塵，從而達到長效抑塵的目的。本研究主要針對土壤揚塵，探討不同薄膜開孔率與植物作用對土壤揚塵排放的影響，確定最優(yōu)覆膜開孔參數(shù)和植被覆蓋度，以期為土壤揚塵排放控制提供科學依據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

彭州市地處四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)的盆地北部區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，無霜期長，日照偏少，高溫期與多雨期同季。災(zāi)害性天氣主要表現(xiàn)為干旱、暴雨、秋綿雨、低溫冷害、大風和冰雹。受緯度和地形地勢影響，彭州市境內(nèi)氣溫由東南向西北逐漸降低，日照逐漸遞減，無霜期逐漸縮短，降水量逐漸增多，平壩、丘陵、低山區(qū)、高山區(qū)的氣候差異明顯。年平均氣溫為15.9 ℃，最熱的7 月平均氣溫為25.1 ℃，最冷的1 月平均氣溫為5.3 ℃。全市多年平均降水量為867 mm，降水季節(jié)分配不均，多集中在7，8，9 月份，夏季降水的強度大，秋季綿雨多。歷年平均日照時數(shù)為1 131.0 h。

2.2 試驗材料與工藝

本研究采用的覆膜為通過市場購置的可降解淀粉接枝薄膜。該覆膜既具有傳統(tǒng)塑料的功能和特性，又可在達到使用壽命之后，通過土壤和水中的微生物作用或通過陽光中的紫外線的作用，在自然環(huán)境中分裂降解，最終以還原形式重新進入生態(tài)環(huán)境中。植物種子選用的是高羊茅，是四川省常見的禾本科植物，其適應(yīng)性強，抗逆性突出，耐踐踏和抗病力強，且夏季不休眠，是適宜廣泛推廣和使用的草種。

2.3 試驗方法

根據(jù)彭州市天氣特點，試驗時間選擇在2018 年9 月到12 月進行，采用附近農(nóng)田邊裸露土壤進行人工模擬試驗。將土壤過2 cm 篩后混合均勻，在平地上鋪設(shè)成20 cm 厚度的土壤層，控制容重在1.3 g/cm3左右，含水量在15%左右，每個試驗小區(qū)面積為20 m2。

設(shè)置了覆蓋膜不同開孔率的試驗（開孔率分別為15%，30%，45%，60%，75%，開孔為圓形，孔徑為1 cm）。每個試驗3 個重復，另設(shè)置無覆蓋播種、無覆蓋無播種對照組、完全覆蓋（未播種）對照組。種子用量為15 g/m2（表1）。各土壤場地與該季節(jié)常見風向垂直排列，間隔5 m，為了避免相互間的干擾，各試驗小區(qū)間用高4 m 的隔板分隔。

表1 試驗分組

采用Dusttrak 設(shè)備測試揚塵排放的PM10和PM2.5濃度，同時測試溫度、濕度、風速、風向等氣象參數(shù)以及進行視頻監(jiān)控。每個試驗小區(qū)布置4 個測試點，數(shù)據(jù)采用平均值。本研究的評估時間為3 個月，試驗期間平均風速為2～4 m/s。

植被覆蓋度測試利用數(shù)碼相機作為傳感器捕捉光通過植被層的情況，利用計算機圖像處理軟件進行處理，據(jù)此計算植被的覆蓋度。此方法經(jīng)濟適用，測量效率較高，測量精度較好。

3 結(jié)果與分析

3.1 覆膜4 h 后的結(jié)果

覆膜4 h 后，植物種子沒有萌發(fā)，此時僅由覆膜開孔率影響PM2.5和PM10的排放濃度，見圖1。由圖1可知，由于第1 組開孔率為0，與外界空氣沒有接觸，故PM2.5，PM10排放濃度最低，其值分別為6，31 μg/（m3·h）。第7 與第8 組完全開放，故此時PM2.5和PM10濃度均較高。PM2.5，PM10排放濃度最高出現(xiàn)在第8 組，其值分別為125，722 μg/（m3·h）。

圖1 覆膜4 h 后各組的PM10，PM2.5 濃度

由圖1 可知，PM2.5和PM10的濃度隨著覆蓋膜開孔率的增加而增加，這是由于此時植被覆蓋率為0，開孔率越大，與空氣接觸越充分，PM2.5和PM10的濃度也越高。PM2.5排放濃度的增長速率維持在一個平緩的狀態(tài)，說明此時開孔率對PM2.5排放的影響作用較小。相比之下，PM10排放濃度的增長速率在開孔率為0%到100%之間變化較大，開孔率對PM10的排放濃度影響效果較大。通過對比第7 組和第8 組的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當不覆蓋膜時，是否播種對PM2.5和PM10的排放濃度影響很小。通過對比可知，在植被覆蓋度為0 時，覆膜開孔率與PM2.5和PM10的濃度呈正相關(guān)。

3.2 覆膜1 個月后的結(jié)果

由于覆膜前期開孔率的不同，所以覆膜1 個月后的植被覆蓋度也有所不同，見表2。開孔率較大的組，其植被覆蓋率也較高。

表2 覆膜1 個月后各組的植被覆蓋度

覆膜1 個月后各組的PM10，PM2.5濃度見圖2。由圖2 可知，在覆膜和植被覆蓋共同作用條件下，PM2.5和PM10的排放濃度較覆蓋4 h 植被覆蓋度為0 時，有了明顯下降，較之前分別平均下降了69.2%，89.3%，這說明覆膜與植被覆蓋聯(lián)合作用比單純覆膜更有利于降低PM2.5和PM10的排放濃度。由圖2 可知，在覆膜和植被覆蓋共同作用下，PM2.5和PM10濃度最高值都出現(xiàn)在第7 組，分別為47μg/（m3·h）和227μg/（m3·h），說明此時仍然是開孔率對PM2.5和PM10的濃度影響較大。PM2.5和PM10的排放濃度在第1 組到第6 組的增長比較穩(wěn)定，此時PM2.5和PM10的排放濃度的增長速率較覆膜4 h 有了明顯的下降。從第6 組到第7 組時，有了一個明顯的增加，PM2.5的排放濃度增長值為11 μg/（m3·h），PM10的排放濃度增長值為101 μg/（m3·h），這說明覆膜對降低PM2.5和PM10濃度有很好的促進作用。

圖2 覆膜1 個月后各組的PM10，PM2.5 濃度

3.3 覆膜3 個月后的結(jié)果

覆膜3 個月后，可降解淀粉接枝薄膜降解，功能喪失，此時只有植被覆蓋度對抑制PM2.5和PM10的排放濃度起作用。前期開孔率較大的組，其植被覆蓋率也越高，見表3。

表3 覆膜3 個月后各組的植被覆蓋度

覆膜3 個月后各組的PM10，PM2.5濃度見圖3。由圖3 可知，覆膜3 個月后，由于第1 組開孔率為0，故其植被覆蓋率為0，所以PM2.5，PM10的排放濃度最高出現(xiàn)在第1 組，其值分別為108，648 μg/（m3·h）。由于第7 組前期開孔率最大，故其植被覆蓋率也最高，所以PM2.5，PM10的排放濃度最低出現(xiàn)在第7 組，其值分別為22，97 μg/（m3·h）。

圖3 覆膜3 個月后各組的PM10，PM2.5 濃度

由圖3 可知，隨著前期覆膜開孔率的增加，植被覆蓋率也隨之增加，PM2.5和PM10的濃度隨之減小。前期的開孔率在0~45%變化時，PM2.5和PM10的下降速率較快，前期的開孔率在45%~100%時，PM2.5和PM10的下降速率較緩慢。僅有植被覆蓋作用條件下，PM2.5和PM10濃度較之前在覆膜和植被覆蓋同時作用下時，有了明顯的上升，PM2.5濃度較之前平均上升了147.1%，PM10濃度較之前相比平均上升了142.3%，說明覆膜與植物聯(lián)合較單純植物作用效果更好。

3.4 不同時期PM2.5 和PM10 的濃度對比

不同時期PM2.5和PM10濃度對比見圖4。由圖4可知，當開孔率處于45%~75%時，此時PM2.5和PM10的濃度在覆膜1 個月和3 個月時都處于一個較低的濃度水平。對比CK 組（第8 組）可知，當開孔率處于45%~75%時，在覆膜1 個月時，PM2.5濃度較CK 組平均下降了75.9%，PM10濃度較CK 組平均下降了83.7 %。在覆膜3 個月時，PM2.5濃度較CK 組平均下降了70.4%，PM10濃度較CK 組平均下降了81.8%，說明45%~75%的開孔率對揚塵濃度下降效果顯著。在覆膜1 個月時，開孔率為45%時抑塵效果最好，此時與CK 組相比，PM2.5濃度平均下降81.9%，PM10濃度平均下降了85.8%。在覆膜3 個月時，開孔率75%時抑塵效果最好，與CK 組相比，PM2.5濃度平均下降了78.3 %，PM10濃度平均下降了85.1%。但在45%開孔率、覆膜3 個月時，與CK 組相比，PM2.5和PM10的平均濃度僅下降60.8%和76.8%。在75%開孔率、覆膜1 個月時，PM2.5和PM10的平均濃度僅下降了70.4%和81.7%。這說明了開孔率主要影響前期的土壤揚塵抑制效果，植被覆蓋度主要影響后期的抑塵效果。開孔率為60%時，此時抑塵平均效果最好，在覆膜1 個月時，PM2.5和PM10濃度平均下降了75.3%和83.9%，在覆膜3 個月時，PM2.5和PM10濃度平均下降了72.2%和83.5%。在覆膜1 個月和3 個月都達到了較好的效果，故60%為最為優(yōu)化的開孔率。

圖4 不同時期各組的PM2.5 和PM10 濃度對比

4 結(jié)論

本研究以城市土壤揚塵為研究對象，通過現(xiàn)場試驗、實地監(jiān)測等方法對揚塵特征進行了研究，初步提出了相應(yīng)的策略與方法，主要研究結(jié)論如下：

（1）覆膜與植被覆蓋聯(lián)合作用比單純覆膜更有利于降低PM2.5和PM10的濃度。在覆膜和植被覆蓋共同作用條件下，PM2.5和PM10濃度較僅由開孔率作用時有了明顯下降，PM2.5濃度較之前平均下降了69.2%，PM10濃度較之前平均下降了89.3%。

（2）開孔率主要影響前期的土壤揚塵抑制效果，植被覆蓋度主要影響后期的抑塵效果。在覆膜1 個月時，開孔率較小的組（植被覆蓋度較?。┮謮m效果較好。在覆膜3 個月時，淀粉膜降解，前期開孔率大的組（植被覆蓋度大）抑塵效果好。

（3）開孔率為60%時，整體抑塵平均效果最好。覆膜1 個月時，PM2.5和PM10濃度平均下降了75.3%和83.9%；覆膜3 個月時，PM2.5和PM10濃度平均下降了72.2%和83.5%。其在覆膜1 個月和3 個月都達到了較好的效果。