防風(fēng)帶植物吸附沙塵能力研究

古麗米熱·海力力

(新疆阿克蘇地區(qū)庫(kù)車(chē)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆 阿克蘇 842000)

1 引言

據(jù)我國(guó)第5次荒漠化與沙土化的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，截至2014年，我國(guó)荒漠化土地面積為261.16 萬(wàn)km2，約占我國(guó)國(guó)土面積的27.2%，其中沙化土地面積已經(jīng)達(dá)到172.12 萬(wàn)km2，約占我國(guó)國(guó)土面積的17.93%。近幾年我國(guó)通過(guò)大量設(shè)立防風(fēng)帶的方式來(lái)防護(hù)風(fēng)沙對(duì)內(nèi)陸的侵蝕，防風(fēng)植物能夠通過(guò)自身的枝葉阻礙和吸附風(fēng)沙，達(dá)到削弱風(fēng)沙風(fēng)速、加速顆粒物沉降以及改變風(fēng)沙風(fēng)向等目的。

為深入了解植物吸附風(fēng)沙的能力，本文將以我國(guó)西北部風(fēng)沙侵蝕嚴(yán)重地區(qū)中選擇3條風(fēng)沙路徑作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要針對(duì)植物葉片形態(tài)特征與孔徑吸附顆粒物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，得出處于不同地域防風(fēng)帶植物的實(shí)際防風(fēng)能力，確定植物葉片表面特征對(duì)風(fēng)沙吸附的影響，以掌握處于風(fēng)沙區(qū)防風(fēng)帶生態(tài)價(jià)值的一手?jǐn)?shù)據(jù)，為我國(guó)治沙防沙工作提供參考。

2 研究方法

2.1 研究地點(diǎn)

我國(guó)西北地區(qū)是風(fēng)沙災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)，同時(shí)也是最難以治理的區(qū)域，因此本文將以阿拉善盟、銀川、蘭州、西安為實(shí)驗(yàn)研究的第一條路徑；以塔里木盆地、海西內(nèi)蒙古藏族自治州、海南藏族自治州為實(shí)驗(yàn)研究的第二條路徑；以準(zhǔn)噶爾盆地、甘肅、鄂爾多斯、銀川為實(shí)驗(yàn)研究的第三條路徑，對(duì)該線上的防風(fēng)帶植物葉片風(fēng)沙量信息進(jìn)行采集。

2.2 樹(shù)種選擇

實(shí)驗(yàn)地區(qū)的樹(shù)種多為沙棘、紅柳、胡楊、駱駝刺、側(cè)柏、云杉、楊樹(shù)、油松、黃楊、五角楓、白蠟、沙棗以及沙地柏等[1,2]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集樹(shù)種均已成年且處于防風(fēng)帶邊緣。

2.3 葉片采集

實(shí)驗(yàn)將挑選防風(fēng)帶中合適的植株群為對(duì)象，采用噴霧器全面噴灑清洗的方式對(duì)整個(gè)植株枝葉表面沙塵進(jìn)行清洗，選取不同種類(lèi)植株(每種3棵)為采樣對(duì)象，采樣應(yīng)避免陰雨天氣過(guò)后或大風(fēng)揚(yáng)沙嚴(yán)重的天氣，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠代表多數(shù)天氣下防風(fēng)帶吸附沙塵現(xiàn)狀[3,4]。采集活動(dòng)應(yīng)當(dāng)以風(fēng)沙流經(jīng)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，對(duì)前后左右4個(gè)方向的枝葉表面信息進(jìn)行采集，并以月為單位對(duì)3～11月份下旬防風(fēng)帶植物葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，采集的葉片或枝條封存在紙質(zhì)采集袋中密封保存。

2.4 PM2.5吸附量

利用氣溶膠再發(fā)生器收集防風(fēng)帶植物葉片吸附PM2.5的滯留量。利用氣溶膠再發(fā)生器的風(fēng)蝕原理，對(duì)檢測(cè)葉片進(jìn)行震動(dòng)、鼓吹、去靜電以及收集等操作，此過(guò)程中氣溶膠再發(fā)生器會(huì)將檢測(cè)物表面的附著顆粒物吹起，并在空氣中形成氣溶膠，之后利用DUSTMATE型手持式環(huán)境粉塵檢測(cè)儀對(duì)氣溶膠中PM2.5含量進(jìn)行檢測(cè)[5]，從而預(yù)算出檢測(cè)葉片上吸附PM2.5的含量，每個(gè)樹(shù)種均需要進(jìn)行3次重復(fù)檢測(cè)。通過(guò)葉面積軟件與葉面積掃描儀的方式計(jì)算出檢測(cè)枝葉的葉面積“S”，并由公式計(jì)算出檢測(cè)葉片單位葉面積下吸附PM2.5的含量“M”：

M=m/S

(1)

2.5 葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)

用于檢測(cè)葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)的枝葉，應(yīng)當(dāng)與檢測(cè)枝葉吸附粉塵顆粒的葉片一同摘取，摘取的葉片應(yīng)當(dāng)保障葉片完整無(wú)蟲(chóng)洞或枯萎現(xiàn)象(沙棘和駱駝刺等荊條植物應(yīng)選擇整條荊條作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象)，并且摘取之后需要立即裝入保存盒中防止擠壓。將摘取的枝葉沿葉脈兩側(cè)進(jìn)行切割，并將切割成5 mm的葉片方塊用2.5%(體積分?jǐn)?shù))的戊二醛溶液進(jìn)行固定，并使用磷酸緩沖溶液連續(xù)沖洗3～5次，然后在使用梯度乙醇對(duì)葉片進(jìn)行脫水，分梯度乙醇共分為70%、80%、90%、95%以及100%等5個(gè)梯度[6]。當(dāng)所有操作完成之后對(duì)樣品進(jìn)行噴水處理，并放置在FEIQuanta-200環(huán)境掃描電子顯微鏡下對(duì)葉片表面特征進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 防風(fēng)帶枝葉吸附PM10特征

將A、B、C 3條風(fēng)沙線下的防風(fēng)帶植物吸附PM10的特征數(shù)據(jù)匯總成柱狀圖(其中6、8、10月份因降雨等因素的影響導(dǎo)致實(shí)際數(shù)據(jù)差異巨大將不計(jì)入表格當(dāng)中)如圖1所示。

圖1 3條風(fēng)沙線下植物吸附PM10的含量

由圖1的數(shù)據(jù)能夠得出，不同風(fēng)沙路徑下防風(fēng)帶植物吸附PM10的含量在時(shí)間上有所差異，例如A路線中防風(fēng)帶植物在3月份中吸附PM10能力最強(qiáng)；B路線中防風(fēng)帶植物在9月份與11月份中吸附PM10能力最強(qiáng)；C路線中防風(fēng)帶植物在11月份中吸附PM10能力最強(qiáng)。A路線3月份下植物PM10吸附含量的城市排序?yàn)椋恒y川(3.57 μg/cm2)>阿拉善盟(2.13 μg/cm2)>西安(1.93 μg/cm2)>蘭州(1.87 μg/cm2)；B路線11月份下植物PM10吸附含量城市排序?yàn)椋汉Ｎ鲀?nèi)蒙古藏族自治州(3.23 μg/cm2)>塔里木盆地(2.85 μg/cm2)>海南藏族自治州(2.14 μg/cm2)；C路線11月份下植物PM10吸附含量的城市排序?yàn)椋憾鯛柖嗨?3.65 μg/cm2)>銀川(2.91 μg/cm2)>甘肅(2.77 μg/cm2)>準(zhǔn)噶爾盆地(2.52 μg/cm2)。另外，由圖1中數(shù)據(jù)還能夠得出，防風(fēng)帶下的植物吸附PM10含量的峰值在路線的中端，而非風(fēng)沙的起始點(diǎn)和終點(diǎn)。例如A路線中銀川與蘭州的3月份數(shù)據(jù)便比阿拉善盟和西安的數(shù)據(jù)高。

3.2 3條風(fēng)沙進(jìn)京路徑吸附PM2.5能力

將A、B、C 3條風(fēng)沙線下的防風(fēng)帶植物吸附PM2.5的特征數(shù)據(jù)匯總成柱狀圖(其中6、8、10月份因降雨等因素的影響導(dǎo)致實(shí)際數(shù)據(jù)差異巨大將不計(jì)入表格當(dāng)中)如圖2所示。

圖2 3條風(fēng)沙線下植物吸附PM2.5的含量

由圖2中數(shù)據(jù)可知，不同風(fēng)沙路徑下防風(fēng)帶吸附PM2.5的能力同樣存在時(shí)間上的差異。其中以A路線下防風(fēng)帶植物吸附PM2.5含量最大月份為3月份，以銀川3月份吸附量最高，吸附量為(0.72 μg/cm2)；B和C路線下的防風(fēng)帶植物吸附PM2.5含量最大月份均在4月份。同時(shí)由該圖中數(shù)據(jù)能夠更加明顯看出不同路徑下植物吸附PM2.5的峰值在路線的中端，而不是起點(diǎn)和終點(diǎn)。A路線下防風(fēng)帶植物PM2.5吸附含量城市排序?yàn)椋恒y川(0.25±0.03) μg/cm2>阿拉善盟(0.12±0.06)μg/cm2>西安(0.10±0.02)μg/cm2>蘭州(0.04±0.02)μg/cm2；B路線為：海西內(nèi)蒙古藏族自治州(0.14±0.05)μg/cm2>塔里木盆地(0.10±0.01)μg/cm2>海南藏族自治州(0.08±0.03)μg/cm2；C路線為：鄂爾多斯(0.23±0.13)μg/cm2>銀川(0.21±0.13)μg/cm2>甘肅(0.11±0.08)μg/cm2>準(zhǔn)噶爾盆地(0.096±0.01)μg/cm2。

3.3 風(fēng)沙線下植物葉表面微形態(tài)特征

通過(guò)對(duì)防風(fēng)帶枝葉進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，植物在3、4和11月份期間葉面較粗糙，且氣孔的密度與開(kāi)合度均偏大，甚至一些葉片的氣孔會(huì)被顆粒物堵塞，同時(shí)這些植物葉片表面還具有排列不規(guī)則、凹凸不平以及紋理混亂等現(xiàn)象，由此可佐證為什么防風(fēng)帶會(huì)在3、4、11月份吸收PM10和PM2.5能力最強(qiáng)。在觀察其它月份采集的防風(fēng)帶枝葉時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，5、7、9月份下的植被葉表面較為光滑，附著在葉面上的顆粒物也較少，枝葉的氣孔密度分布均勻且氣孔開(kāi)合度較大，能夠明顯觀察出葉片的紋理特征，由此可說(shuō)明防風(fēng)帶植物葉面吸附風(fēng)沙能力與葉片的粗糙程度呈正相關(guān)關(guān)系。

4 討論

4.1 防風(fēng)帶植物吸附沙塵特征分析

由樹(shù)木組成的防風(fēng)帶被稱(chēng)之為城市的粉塵過(guò)濾器，在阻礙和吸附沙塵對(duì)空氣的影響中發(fā)揮在重要作用。在本文所提研究中顯示，3條風(fēng)沙線下防風(fēng)帶植物吸附PM10的含量約占1.54 μg/cm2，吸附PM2.5的含量約占0.12μg/cm2，其中植物吸附PM2.5的含量?jī)H占吸附PM10含量的0.08%，由此可證明風(fēng)沙在移動(dòng)的過(guò)程中卷起的煙塵主要以PM10為主。從時(shí)間變化的角度上來(lái)看，不同路線下植物吸附風(fēng)沙顆粒物在時(shí)間上的一致性較高，均在3、4和11月份展現(xiàn)出峰值，在5、7和9月份展現(xiàn)出低谷值。造成該現(xiàn)象的另一原因在于，3、4、11月份各地區(qū)的降水偏少，且地表植被并未完全長(zhǎng)成或逐漸消失，導(dǎo)致季風(fēng)性氣候會(huì)卷起地表沙土形成沙塵暴[7～9]。此現(xiàn)象主要發(fā)生在我國(guó)新疆、內(nèi)蒙古西北部和甘肅的部分地區(qū)，由于該地區(qū)盛產(chǎn)牛羊，因此需要大面積的草地進(jìn)行放牧，進(jìn)而導(dǎo)致這些地區(qū)荒漠化和沙漠化情況嚴(yán)重，再加上我國(guó)地勢(shì)呈現(xiàn)西部高東部低的態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致由俄羅斯流經(jīng)我國(guó)的暖濕氣流會(huì)卷起該地區(qū)的沙塵朝著我國(guó)腹地前進(jìn)，造成3、4和11月份該地區(qū)防風(fēng)帶植物會(huì)吸附較多沙塵[5]。而5～10月份是我國(guó)進(jìn)入夏季的主要時(shí)間段，氣候變暖導(dǎo)致降雨增多，沙塵會(huì)受到降雨的影響而變得更加緊密，同時(shí)該時(shí)間段地表的草本植物已經(jīng)生長(zhǎng)完畢，能夠覆蓋絕大多數(shù)的地表，此時(shí)各地空氣中PM10的含量逐漸下降，而PM2.5的含量逐漸增多，由此可證明圖2中為什么各地防風(fēng)帶植物吸附PM2.5含量會(huì)增多[10～12]。從風(fēng)沙線路徑的角度上來(lái)看，防風(fēng)帶植物吸附PM10含量的最大值在B路線中，其次是C路線，而A路線中防風(fēng)帶植物吸附PM10的含量最小。造成該現(xiàn)象的主要原因在于B路線的起點(diǎn)位于我國(guó)內(nèi)蒙古西部，這里因采礦與放牧的影響造成大量的沙漠和沙地，且風(fēng)沙線路徑較短，風(fēng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)在短距離下卷起大量沙土，導(dǎo)致防風(fēng)帶植物吸附PM10的含量最大。

4.2 防風(fēng)帶植物吸附沙塵與葉表面微形態(tài)特征間的關(guān)系

沙塵在防風(fēng)帶植物葉片表面上的沉積方式有5種，分別為沉降、隱性沉降、擴(kuò)散、撞擊以及降水等5種機(jī)制[7]。除降水和天氣引起的沙塵濕沉降外，防風(fēng)帶植物葉面的表面粗糙度、微形態(tài)結(jié)構(gòu)和沙塵顆粒大小等因素都會(huì)影響沙塵的沉積。防風(fēng)帶植物的葉表面特性是影響植物吸附空氣中沙塵顆粒的重要因素，而植物葉表面下的氣孔密度、開(kāi)合度、油脂層、絨毛狀況以及粗糙程度等因素都會(huì)直接影響葉片吸附PM2.5顆粒物的能力[13]。同時(shí)，通過(guò)對(duì)植物表面特性進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，若葉片的葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)密集，且深淺差別較大，具有溝狀組織或密集纖毛，則證明樹(shù)種的滯塵能力較強(qiáng)，有利于吸附漂浮在空氣中的顆粒物。本文探究出防風(fēng)帶植物在3、4、11月份期間葉片吸附沙塵能力最高的結(jié)論，還可以在葉片表面微形態(tài)特征角度上給予解釋。以3月份下A、B、C 3條線路中防風(fēng)帶植物吸附沙塵能力為例，無(wú)論是吸附量較低的阿拉善盟、西安、準(zhǔn)噶爾盆地、銀川、塔里木盆地和海南藏族自治州，還是吸附量較高的中部城市，在3、4月份植物葉面的粗糙度均高于5～10月份，在初步檢測(cè)中能夠看見(jiàn)被細(xì)小顆粒堵塞的葉片氣孔，某些城市的植物葉面甚至完全附著一層粉塵顆粒物，需要進(jìn)行清掃處理才能夠看見(jiàn)氣孔，在該環(huán)境下生長(zhǎng)的植物紋理較為模糊，而且主要經(jīng)絡(luò)排列也不規(guī)則。在6～8月份期間是植物葉面吸附沙塵含量最小的時(shí)間段，從植物葉面上能夠看出，這些植物的葉表面均較為光滑，氣孔密度分布較為均勻，且排列整齊能夠直觀看出葉片的紋路。這與國(guó)內(nèi)外一些相關(guān)研究結(jié)論一致[14～16]，證明防風(fēng)帶植物的葉面越粗糙、越凹凸不平，對(duì)沙塵的吸附能力就越大，防風(fēng)沙的能力就越強(qiáng)；葉片表面越光滑、粗糙度越低的葉片，其植株的吸附顆粒物的能力就越低。

5 結(jié)論

(1)植物的吸附能力與時(shí)間有很大關(guān)系，由圖1和圖2中數(shù)據(jù)能夠證明。在防風(fēng)帶植株中有一部分樹(shù)木為落葉樹(shù)，在3～4月份期間正處于新枝嫩葉的生長(zhǎng)階段，在此期間防風(fēng)帶植物會(huì)分泌出一種油脂，使流經(jīng)防風(fēng)帶的風(fēng)沙會(huì)直接粘附在葉片上，進(jìn)而形成3、4月份防風(fēng)帶植物吸附能力較強(qiáng)的現(xiàn)象。

(2)造成風(fēng)沙線兩端城市防風(fēng)帶植物吸附能力較低的主要原因在于，風(fēng)沙線的起始區(qū)域沒(méi)有較為龐大的遮擋物，導(dǎo)致風(fēng)可以繞過(guò)防風(fēng)帶向四周流動(dòng)，且沙地等地區(qū)主要以固沙為主，因此會(huì)過(guò)多種植耐干旱的荊棘類(lèi)植物。而流經(jīng)風(fēng)沙線終點(diǎn)的風(fēng)通常會(huì)經(jīng)過(guò)很多防風(fēng)帶或者大型建筑的阻擋，導(dǎo)致風(fēng)沙含量降低。

(3)植被葉表面的微觀特征會(huì)直接影響防風(fēng)帶的吸附能力，若種植葉表面較為光滑且絨毛較少的植株，則會(huì)嚴(yán)重拉低防風(fēng)帶的防風(fēng)沙能力，特別是風(fēng)沙頻繁出現(xiàn)的地區(qū)，若種植該類(lèi)型的植株不但不能起到防風(fēng)固沙的作用，而且還會(huì)對(duì)植株本身造成影響。