防風帶植物吸附沙塵能力研究

古麗米熱·海力力

(新疆阿克蘇地區庫車中等職業技術學校，新疆 阿克蘇 842000)

1 引言

據我國第5次荒漠化與沙土化的調查統計結果，截至2014年，我國荒漠化土地面積為261.16 萬km2，約占我國國土面積的27.2%，其中沙化土地面積已經達到172.12 萬km2，約占我國國土面積的17.93%。近幾年我國通過大量設立防風帶的方式來防護風沙對內陸的侵蝕，防風植物能夠通過自身的枝葉阻礙和吸附風沙，達到削弱風沙風速、加速顆粒物沉降以及改變風沙風向等目的。

為深入了解植物吸附風沙的能力，本文將以我國西北部風沙侵蝕嚴重地區中選擇3條風沙路徑作為實驗基礎數據，主要針對植物葉片形態特征與孔徑吸附顆粒物數據信息進行采集，得出處于不同地域防風帶植物的實際防風能力，確定植物葉片表面特征對風沙吸附的影響，以掌握處于風沙區防風帶生態價值的一手數據，為我國治沙防沙工作提供參考。

2 研究方法

2.1 研究地點

我國西北地區是風沙災害最為嚴重的地區，同時也是最難以治理的區域，因此本文將以阿拉善盟、銀川、蘭州、西安為實驗研究的第一條路徑；以塔里木盆地、海西內蒙古藏族自治州、海南藏族自治州為實驗研究的第二條路徑；以準噶爾盆地、甘肅、鄂爾多斯、銀川為實驗研究的第三條路徑，對該線上的防風帶植物葉片風沙量信息進行采集。

2.2 樹種選擇

實驗地區的樹種多為沙棘、紅柳、胡楊、駱駝刺、側柏、云杉、楊樹、油松、黃楊、五角楓、白蠟、沙棗以及沙地柏等[1,2]，實驗數據采集樹種均已成年且處于防風帶邊緣。

2.3 葉片采集

實驗將挑選防風帶中合適的植株群為對象，采用噴霧器全面噴灑清洗的方式對整個植株枝葉表面沙塵進行清洗，選取不同種類植株(每種3棵)為采樣對象，采樣應避免陰雨天氣過后或大風揚沙嚴重的天氣，確保實驗數據能夠代表多數天氣下防風帶吸附沙塵現狀[3,4]。采集活動應當以風沙流經方向為基準，對前后左右4個方向的枝葉表面信息進行采集，并以月為單位對3～11月份下旬防風帶植物葉片數據進行記錄，采集的葉片或枝條封存在紙質采集袋中密封保存。

2.4 PM2.5吸附量

利用氣溶膠再發生器收集防風帶植物葉片吸附PM2.5的滯留量。利用氣溶膠再發生器的風蝕原理，對檢測葉片進行震動、鼓吹、去靜電以及收集等操作，此過程中氣溶膠再發生器會將檢測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型手持式環境粉塵檢測儀對氣溶膠中PM2.5含量進行檢測[5]，從而預算出檢測葉片上吸附PM2.5的含量，每個樹種均需要進行3次重復檢測。通過葉面積軟件與葉面積掃描儀的方式計算出檢測枝葉的葉面積“S”，并由公式計算出檢測葉片單位葉面積下吸附PM2.5的含量“M”：

M=m/S

(1)

2.5 葉表面微形態結構

用于檢測葉表面微形態結構的枝葉，應當與檢測枝葉吸附粉塵顆粒的葉片一同摘取，摘取的葉片應當保障葉片完整無蟲洞或枯萎現象(沙棘和駱駝刺等荊條植物應選擇整條荊條作為實驗對象)，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進行切割，并將切割成5 mm的葉片方塊用2.5%(體積分數)的戊二醛溶液進行固定，并使用磷酸緩沖溶液連續沖洗3～5次，然后在使用梯度乙醇對葉片進行脫水，分梯度乙醇共分為70%、80%、90%、95%以及100%等5個梯度[6]。當所有操作完成之后對樣品進行噴水處理，并放置在FEIQuanta-200環境掃描電子顯微鏡下對葉片表面特征進行觀察。

3 結果與分析

3.1 防風帶枝葉吸附PM10特征

將A、B、C 3條風沙線下的防風帶植物吸附PM10的特征數據匯總成柱狀圖(其中6、8、10月份因降雨等因素的影響導致實際數據差異巨大將不計入表格當中)如圖1所示。

圖1 3條風沙線下植物吸附PM10的含量

由圖1的數據能夠得出，不同風沙路徑下防風帶植物吸附PM10的含量在時間上有所差異，例如A路線中防風帶植物在3月份中吸附PM10能力最強；B路線中防風帶植物在9月份與11月份中吸附PM10能力最強；C路線中防風帶植物在11月份中吸附PM10能力最強。A路線3月份下植物PM10吸附含量的城市排序為：銀川(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吸附含量城市排序為：海西內蒙古藏族自治州(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為：鄂爾多斯(3.65 μg/cm2)>銀川(2.91 μg/cm2)>甘肅(2.77 μg/cm2)>準噶爾盆地(2.52 μg/cm2)。另外，由圖1中數據還能夠得出，防風帶下的植物吸附PM10含量的峰值在路線的中端，而非風沙的起始點和終點。例如A路線中銀川與蘭州的3月份數據便比阿拉善盟和西安的數據高。

3.2 3條風沙進京路徑吸附PM2.5能力

將A、B、C 3條風沙線下的防風帶植物吸附PM2.5的特征數據匯總成柱狀圖(其中6、8、10月份因降雨等因素的影響導致實際數據差異巨大將不計入表格當中)如圖2所示。

圖2 3條風沙線下植物吸附PM2.5的含量

由圖2中數據可知，不同風沙路徑下防風帶吸附PM2.5的能力同樣存在時間上的差異。其中以A路線下防風帶植物吸附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路線下的防風帶植物吸附PM2.5含量最大月份均在4月份。同時由該圖中數據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，而不是起點和終點。A路線下防風帶植物PM2.5吸附含量城市排序為：銀川(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>準噶爾盆地(0.096±0.01)μg/cm2。

3.3 風沙線下植物葉表面微形態特征

通過對防風帶枝葉進行檢測后發現，植物在3、4和11月份期間葉面較粗糙，且氣孔的密度與開合度均偏大，甚至一些葉片的氣孔會被顆粒物堵塞，同時這些植物葉片表面還具有排列不規則、凹凸不平以及紋理混亂等現象，由此可佐證為什么防風帶會在3、4、11月份吸收PM10和PM2.5能力最強。在觀察其它月份采集的防風帶枝葉時可以發現，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合度較大，能夠明顯觀察出葉片的紋理特征，由此可說明防風帶植物葉面吸附風沙能力與葉片的粗糙程度呈正相關關系。

4 討論

4.1 防風帶植物吸附沙塵特征分析

由樹木組成的防風帶被稱之為城市的粉塵過濾器，在阻礙和吸附沙塵對空氣的影響中發揮在重要作用。在本文所提研究中顯示，3條風沙線下防風帶植物吸附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的含量僅占吸附PM10含量的0.08%，由此可證明風沙在移動的過程中卷起的煙塵主要以PM10為主。從時間變化的角度上來看，不同路線下植物吸附風沙顆粒物在時間上的一致性較高，均在3、4和11月份展現出峰值，在5、7和9月份展現出低谷值。造成該現象的另一原因在于，3、4、11月份各地區的降水偏少，且地表植被并未完全長成或逐漸消失，導致季風性氣候會卷起地表沙土形成沙塵暴[7～9]。此現象主要發生在我國新疆、內蒙古西北部和甘肅的部分地區，由于該地區盛產牛羊，因此需要大面積的草地進行放牧，進而導致這些地區荒漠化和沙漠化情況嚴重，再加上我國地勢呈現西部高東部低的態勢，導致由俄羅斯流經我國的暖濕氣流會卷起該地區的沙塵朝著我國腹地前進，造成3、4和11月份該地區防風帶植物會吸附較多沙塵[5]。而5～10月份是我國進入夏季的主要時間段，氣候變暖導致降雨增多，沙塵會受到降雨的影響而變得更加緊密，同時該時間段地表的草本植物已經生長完畢，能夠覆蓋絕大多數的地表，此時各地空氣中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中為什么各地防風帶植物吸附PM2.5含量會增多[10～12]。從風沙線路徑的角度上來看，防風帶植物吸附PM10含量的最大值在B路線中，其次是C路線，而A路線中防風帶植物吸附PM10的含量最小。造成該現象的主要原因在于B路線的起點位于我國內蒙古西部，這里因采礦與放牧的影響造成大量的沙漠和沙地，且風沙線路徑較短，風在運動過程中會在短距離下卷起大量沙土，導致防風帶植物吸附PM10的含量最大。

4.2 防風帶植物吸附沙塵與葉表面微形態特征間的關系

沙塵在防風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、擴散、撞擊以及降水等5種機制[7]。除降水和天氣引起的沙塵濕沉降外，防風帶植物葉面的表面粗糙度、微形態結構和沙塵顆粒大小等因素都會影響沙塵的沉積。防風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、開合度、油脂層、絨毛狀況以及粗糙程度等因素都會直接影響葉片吸附PM2.5顆粒物的能力[13]。同時，通過對植物表面特性進行觀察后發現，若葉片的葉表面微形態結構密集，且深淺差別較大，具有溝狀組織或密集纖毛，則證明樹種的滯塵能力較強，有利于吸附漂浮在空氣中的顆粒物。本文探究出防風帶植物在3、4、11月份期間葉片吸附沙塵能力最高的結論，還可以在葉片表面微形態特征角度上給予解釋。以3月份下A、B、C 3條線路中防風帶植物吸附沙塵能力為例，無論是吸附量較低的阿拉善盟、西安、準噶爾盆地、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，在初步檢測中能夠看見被細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，需要進行清掃處理才能夠看見氣孔，在該環境下生長的植物紋理較為模糊，而且主要經絡排列也不規則。在6～8月份期間是植物葉面吸附沙塵含量最小的時間段，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。這與國內外一些相關研究結論一致[14～16]，證明防風帶植物的葉面越粗糙、越凹凸不平，對沙塵的吸附能力就越大，防風沙的能力就越強；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 結論

(1)植物的吸附能力與時間有很大關系，由圖1和圖2中數據能夠證明。在防風帶植株中有一部分樹木為落葉樹，在3～4月份期間正處于新枝嫩葉的生長階段，在此期間防風帶植物會分泌出一種油脂，使流經防風帶的風沙會直接粘附在葉片上，進而形成3、4月份防風帶植物吸附能力較強的現象。

(2)造成風沙線兩端城市防風帶植物吸附能力較低的主要原因在于，風沙線的起始區域沒有較為龐大的遮擋物，導致風可以繞過防風帶向四周流動，且沙地等地區主要以固沙為主，因此會過多種植耐干旱的荊棘類植物。而流經風沙線終點的風通常會經過很多防風帶或者大型建筑的阻擋，導致風沙含量降低。

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