覆膜与植物联合对土壤扬尘控制效果的试验研究

孟庆虎 李乃稳 孙海龙 李广辉

（1. 四川大学水利水电学院，四川成都 610065；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065；3. 四川沃尔宜环保科技有限公司，四川成都 610065）

1 引言

在大风等不利天气条件作用下，土壤表面的颗粒物进入大气环境中，对环境空气和居民健康造成不利影响［1］。因此，控制土壤扬尘排放对提升城市大气环境质量具有重要意义。实践中，主要采取设置外围挡风墙［2］、防风抑尘网［3］等措施，以降低风速，减少湍流，从而达到抑尘的目的，这种方法虽然能够长期抑尘，但材料成本较高。有研究表明，植被覆盖对土壤遭受风力侵蚀具有显著的抑制作用［4］，植物生长会使土壤扬尘排放潜能快速降低［5-6］，但是，由于植物生长具有周期性，在植物种子萌发期不能有效抑制土壤扬尘的排放。许玥、熊峰等人研究结果表明，覆膜最佳效果可提高抑尘效率达99%以上［7］。覆膜由于长时间暴露在环境中，容易老化分解，不能达到长效抑尘的目的［8］。本研究使用的覆盖可降解薄膜可以在初期实现抑尘，后期通过植物的萌发覆盖进行抑尘，从而达到长效抑尘的目的。本研究主要针对土壤扬尘，探讨不同薄膜开孔率与植物作用对土壤扬尘排放的影响，确定最优覆膜开孔参数和植被覆盖度，以期为土壤扬尘排放控制提供科学依据。

2 研究方法

2.1 研究区概况

彭州市地处四川盆地亚热带湿润气候区的盆地北部区，气候温和，雨量充沛，四季分明，无霜期长，日照偏少，高温期与多雨期同季。灾害性天气主要表现为干旱、暴雨、秋绵雨、低温冷害、大风和冰雹。受纬度和地形地势影响，彭州市境内气温由东南向西北逐渐降低，日照逐渐递减，无霜期逐渐缩短，降水量逐渐增多，平坝、丘陵、低山区、高山区的气候差异明显。年平均气温为15.9 ℃，最热的7 月平均气温为25.1 ℃，最冷的1 月平均气温为5.3 ℃。全市多年平均降水量为867 mm，降水季节分配不均，多集中在7，8，9 月份，夏季降水的强度大，秋季绵雨多。历年平均日照时数为1 131.0 h。

2.2 试验材料与工艺

本研究采用的覆膜为通过市场购置的可降解淀粉接枝薄膜。该覆膜既具有传统塑料的功能和特性，又可在达到使用寿命之后，通过土壤和水中的微生物作用或通过阳光中的紫外线的作用，在自然环境中分裂降解，最终以还原形式重新进入生态环境中。植物种子选用的是高羊茅，是四川省常见的禾本科植物，其适应性强，抗逆性突出，耐践踏和抗病力强，且夏季不休眠，是适宜广泛推广和使用的草种。

2.3 试验方法

根据彭州市天气特点，试验时间选择在2018 年9 月到12 月进行，采用附近农田边裸露土壤进行人工模拟试验。将土壤过2 cm 筛后混合均匀，在平地上铺设成20 cm 厚度的土壤层，控制容重在1.3 g/cm3左右，含水量在15%左右，每个试验小区面积为20 m2。

设置了覆盖膜不同开孔率的试验（开孔率分别为15%，30%，45%，60%，75%，开孔为圆形，孔径为1 cm）。每个试验3 个重复，另设置无覆盖播种、无覆盖无播种对照组、完全覆盖（未播种）对照组。种子用量为15 g/m2（表1）。各土壤场地与该季节常见风向垂直排列，间隔5 m，为了避免相互间的干扰，各试验小区间用高4 m 的隔板分隔。

表1 试验分组

采用Dusttrak 设备测试扬尘排放的PM10和PM2.5浓度，同时测试温度、湿度、风速、风向等气象参数以及进行视频监控。每个试验小区布置4 个测试点，数据采用平均值。本研究的评估时间为3 个月，试验期间平均风速为2～4 m/s。

植被覆盖度测试利用数码相机作为传感器捕捉光通过植被层的情况，利用计算机图像处理软件进行处理，据此计算植被的覆盖度。此方法经济适用，测量效率较高，测量精度较好。

3 结果与分析

3.1 覆膜4 h 后的结果

覆膜4 h 后，植物种子没有萌发，此时仅由覆膜开孔率影响PM2.5和PM10的排放浓度，见图1。由图1可知，由于第1 组开孔率为0，与外界空气没有接触，故PM2.5，PM10排放浓度最低，其值分别为6，31 μg/（m3·h）。第7 与第8 组完全开放，故此时PM2.5和PM10浓度均较高。PM2.5，PM10排放浓度最高出现在第8 组，其值分别为125，722 μg/（m3·h）。

图1 覆膜4 h 后各组的PM10，PM2.5 浓度

由图1 可知，PM2.5和PM10的浓度随着覆盖膜开孔率的增加而增加，这是由于此时植被覆盖率为0，开孔率越大，与空气接触越充分，PM2.5和PM10的浓度也越高。PM2.5排放浓度的增长速率维持在一个平缓的状态，说明此时开孔率对PM2.5排放的影响作用较小。相比之下，PM10排放浓度的增长速率在开孔率为0%到100%之间变化较大，开孔率对PM10的排放浓度影响效果较大。通过对比第7 组和第8 组的实验结果发现，当不覆盖膜时，是否播种对PM2.5和PM10的排放浓度影响很小。通过对比可知，在植被覆盖度为0 时，覆膜开孔率与PM2.5和PM10的浓度呈正相关。

3.2 覆膜1 个月后的结果

由于覆膜前期开孔率的不同，所以覆膜1 个月后的植被覆盖度也有所不同，见表2。开孔率较大的组，其植被覆盖率也较高。

表2 覆膜1 个月后各组的植被覆盖度

覆膜1 个月后各组的PM10，PM2.5浓度见图2。由图2 可知，在覆膜和植被覆盖共同作用条件下，PM2.5和PM10的排放浓度较覆盖4 h 植被覆盖度为0 时，有了明显下降，较之前分别平均下降了69.2%，89.3%，这说明覆膜与植被覆盖联合作用比单纯覆膜更有利于降低PM2.5和PM10的排放浓度。由图2 可知，在覆膜和植被覆盖共同作用下，PM2.5和PM10浓度最高值都出现在第7 组，分别为47μg/（m3·h）和227μg/（m3·h），说明此时仍然是开孔率对PM2.5和PM10的浓度影响较大。PM2.5和PM10的排放浓度在第1 组到第6 组的增长比较稳定，此时PM2.5和PM10的排放浓度的增长速率较覆膜4 h 有了明显的下降。从第6 组到第7 组时，有了一个明显的增加，PM2.5的排放浓度增长值为11 μg/（m3·h），PM10的排放浓度增长值为101 μg/（m3·h），这说明覆膜对降低PM2.5和PM10浓度有很好的促进作用。

图2 覆膜1 个月后各组的PM10，PM2.5 浓度

3.3 覆膜3 个月后的结果

覆膜3 个月后，可降解淀粉接枝薄膜降解，功能丧失，此时只有植被覆盖度对抑制PM2.5和PM10的排放浓度起作用。前期开孔率较大的组，其植被覆盖率也越高，见表3。

表3 覆膜3 个月后各组的植被覆盖度

覆膜3 个月后各组的PM10，PM2.5浓度见图3。由图3 可知，覆膜3 个月后，由于第1 组开孔率为0，故其植被覆盖率为0，所以PM2.5，PM10的排放浓度最高出现在第1 组，其值分别为108，648 μg/（m3·h）。由于第7 组前期开孔率最大，故其植被覆盖率也最高，所以PM2.5，PM10的排放浓度最低出现在第7 组，其值分别为22，97 μg/（m3·h）。

图3 覆膜3 个月后各组的PM10，PM2.5 浓度

由图3 可知，随着前期覆膜开孔率的增加，植被覆盖率也随之增加，PM2.5和PM10的浓度随之减小。前期的开孔率在0~45%变化时，PM2.5和PM10的下降速率较快，前期的开孔率在45%~100%时，PM2.5和PM10的下降速率较缓慢。仅有植被覆盖作用条件下，PM2.5和PM10浓度较之前在覆膜和植被覆盖同时作用下时，有了明显的上升，PM2.5浓度较之前平均上升了147.1%，PM10浓度较之前相比平均上升了142.3%，说明覆膜与植物联合较单纯植物作用效果更好。

3.4 不同时期PM2.5 和PM10 的浓度对比

不同时期PM2.5和PM10浓度对比见图4。由图4可知，当开孔率处于45%~75%时，此时PM2.5和PM10的浓度在覆膜1 个月和3 个月时都处于一个较低的浓度水平。对比CK 组（第8 组）可知，当开孔率处于45%~75%时，在覆膜1 个月时，PM2.5浓度较CK 组平均下降了75.9%，PM10浓度较CK 组平均下降了83.7 %。在覆膜3 个月时，PM2.5浓度较CK 组平均下降了70.4%，PM10浓度较CK 组平均下降了81.8%，说明45%~75%的开孔率对扬尘浓度下降效果显著。在覆膜1 个月时，开孔率为45%时抑尘效果最好，此时与CK 组相比，PM2.5浓度平均下降81.9%，PM10浓度平均下降了85.8%。在覆膜3 个月时，开孔率75%时抑尘效果最好，与CK 组相比，PM2.5浓度平均下降了78.3 %，PM10浓度平均下降了85.1%。但在45%开孔率、覆膜3 个月时，与CK 组相比，PM2.5和PM10的平均浓度仅下降60.8%和76.8%。在75%开孔率、覆膜1 个月时，PM2.5和PM10的平均浓度仅下降了70.4%和81.7%。这说明了开孔率主要影响前期的土壤扬尘抑制效果，植被覆盖度主要影响后期的抑尘效果。开孔率为60%时，此时抑尘平均效果最好，在覆膜1 个月时，PM2.5和PM10浓度平均下降了75.3%和83.9%，在覆膜3 个月时，PM2.5和PM10浓度平均下降了72.2%和83.5%。在覆膜1 个月和3 个月都达到了较好的效果，故60%为最为优化的开孔率。

图4 不同时期各组的PM2.5 和PM10 浓度对比

4 结论

本研究以城市土壤扬尘为研究对象，通过现场试验、实地监测等方法对扬尘特征进行了研究，初步提出了相应的策略与方法，主要研究结论如下：

（1）覆膜与植被覆盖联合作用比单纯覆膜更有利于降低PM2.5和PM10的浓度。在覆膜和植被覆盖共同作用条件下，PM2.5和PM10浓度较仅由开孔率作用时有了明显下降，PM2.5浓度较之前平均下降了69.2%，PM10浓度较之前平均下降了89.3%。

（2）开孔率主要影响前期的土壤扬尘抑制效果，植被覆盖度主要影响后期的抑尘效果。在覆膜1 个月时，开孔率较小的组（植被覆盖度较小）抑尘效果较好。在覆膜3 个月时，淀粉膜降解，前期开孔率大的组（植被覆盖度大）抑尘效果好。

（3）开孔率为60%时，整体抑尘平均效果最好。覆膜1 个月时，PM2.5和PM10浓度平均下降了75.3%和83.9%；覆膜3 个月时，PM2.5和PM10浓度平均下降了72.2%和83.5%。其在覆膜1 个月和3 个月都达到了较好的效果。