聚丙烯酰胺与植物联合抑尘效果的试验研究

孟庆虎，李乃稳，孙海龙，李广辉

(1.四川大学水利水电学院，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，成都 610065；3.四川沃尔宜环保科技有限公司，成都 610065)

前 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环境大气质量具有重要意义。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。聚丙烯酰胺(PAM)是一种线型水溶性高分子聚合物，它的酰胺基可与许多物质亲和、吸附形成氢键[7]，具有很强的粘聚作用和保水作用[8～14]。聚丙烯酰胺通过降低了土样的水分蒸发速度,抑制土壤蒸发的作用提高了土壤的保水性[15]。聚丙烯酰胺在减少土壤侵蚀的同时，可有效改善土壤结构，使土壤大团聚体数目增加， 使土壤总孔隙度和毛管孔隙度上升，降低土壤容重，最终使土壤颗粒和孔隙结构保持稳定[16]。本研究使用的聚丙烯酰胺通过增加土壤团粒结构形成，同时还具有一定的保水性能，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，探讨不同浓度聚丙烯酰胺与植物作用对土壤扬尘排放的影响，确定最优的聚丙烯酰胺浓度，为土壤扬尘排放控制提供科学依据。

1 研究方法

1.1 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月均气温为25.1 ℃，最冷的1月均气温为5.3 ℃。全市多年平均降水量为867 mm，降水季节分配不均，多集中在七、八、九月份，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。

1.2 试验材料与工艺

聚丙烯酰胺，市场购置，水溶后喷洒在土壤表面，控制各试验处理的用水量一致。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。

1.3 试验方法

根据彭州天气特点，试验于2018年9月在四川彭州市开展，采用附近农田边裸露土壤进行人工模拟试验。试验过程将土壤过2cm筛后混合均匀，在平地上铺设成20cm厚度的土壤层，控制容重在1.3g/cm3左右，含水量在15%左右，每个试验小区20m2。

试验设置了不同的聚丙烯酰胺的用量试验(分别为5g/m2，10g/m2，15g/m2，20g/m2，25g/m2)。每个试验3个重复，另设置无聚丙烯酰胺播种(用水量与不同聚丙烯酰胺试验用量相同)、裸土喷水(用水量与不同聚丙烯酰胺试验用量相同)、裸土未喷水对照组，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5m，为了避免相互间的干扰，各小区间用高4m的隔板分隔。试验后期不进行水分管理。

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视频监控。每个试验小区布置4个，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。

表1 实验分组Tab.1 Experimental grouping (g/m2)

2 结果与分析

2.1 施工完4h后结果

施工4 h后，此时土壤含水量均在43%左右，湿润土壤的起尘量均较低，故此时PM2.5、PM10的排放浓度均处于较低的水平。由图1可知，PM2.5和PM10排放浓度最低都出现在第5组，其值分别为14 μg/m3·h和47 μg/m3·h，这是因为此时聚丙烯酰胺的保水性，聚丙烯酰胺浓度越高，土壤湿润性越好，故第5组PM2.5和PM10排放浓度最低。PM2.5和PM10排放浓度最高都出现在第8组(CK3)，其值分别为107 μg/m3·h和672 μg/m3·h，这是因为第8组(CK3)未喷水，土壤含水量较低，而最初期PM2.5和PM10的排放浓度主要是由土壤含水量决定，故第8组PM2.5和PM10排放浓度最高。

图1 覆盖4小时后PM10、PM2.5浓度Fig.1 PM10 and PM2.5 concentrations after covering 4 hours

由图1可知，PM2.5和PM10的排放浓度随着聚丙烯酰胺的浓度的增加而缓慢减小，这是由于此时时间较短，聚丙烯酰胺未完全发挥其作用，故PM2.5和PM10的排放浓度变化不大。通过对比第6组和第7组(CK2)的实验结果发现，当无聚丙烯酰胺的时候，是否播种对PM2.5和PM10的排放浓度影响不大。通过对比第4组和第5组实验结果可知，在施工完成4h后，聚丙烯酰胺浓度由20 g/m2上升到25 g/m2时，对PM2.5和PM10的排放浓度影响不大。通过对比第7组(CK2)和第8组(CK3)实验结果可知，在施工完成初期，土壤含水量对PM2.5和PM10的排放浓度起主要影响。

2.2 施工完成后7天的结果

由表2可知，由于聚丙烯酰胺的保水性，故使用聚丙烯酰胺的分组比未使用聚丙烯酰胺的分组土壤含水量高。由于前期聚丙烯酰胺浓度的不同，所以施工七天后各组的土壤含水量也有所不同，聚丙烯酰胺浓度较高的组，其土壤含水量也较高，故其PM2.5和PM10的排放浓度也较低。另外，聚丙烯酰胺还能有效改善土壤结构，使土壤大团聚体数目增加，使土壤总孔隙度和毛管孔隙度上升，降低土壤容重，最终使土壤颗粒和孔隙结构保持稳定，从而降低PM2.5和PM10的排放浓度。

表2 施工完7天后各组的土壤含水量Tab.2 Soil moisture content of each group 7 days after construction

由图2可知，虽然此时聚丙烯酰胺充分发挥作用，但施工7天时较施工4h相比，土壤含水量平均下降了35.8%，PM2.5和PM10的排放浓度总体有了明显的提高，PM2.5、PM10排放浓度较之前分别平均上升了186%、269%，这说明此时土壤含水量是影响PM2.5和PM10排放浓度的主要因素。由对照组CK1可知，在聚丙烯酰胺的作用下，PM2.5和PM10的平均排放浓度分别下降了52%、69%，这说明聚丙烯酰胺能有效抑制土壤扬尘排放。由图2 可知，PM2.5和PM10的排放浓度随聚丙烯酰胺浓度升高而下降的趋势较4h增大，说明在此时聚丙烯酰胺发挥的作用更加有效。通过对比第4组和第5组实验结果可知，在施工完成7天时，在聚丙烯酰胺浓度由20 g/m2上升到25 g/m2时，对土壤含水量影响很小，对PM2.5和PM10的排放浓度影响也不大。

图2 施工7天后各组的PM10、PM2.5浓度Fig.2 PM10 and PM2.5 concentrations in each group after 7 days of construction

2.3 施工完成后1个月的结果

由表3可知，由于聚丙烯酰胺的保水性和对土壤结构的改良，故使用聚丙烯酰胺的分组比未使用聚丙烯酰胺的分组植被覆盖度高。由于前期聚丙烯酰胺浓度的不同，所以施工1个月后各组的植被覆盖率也有所不同，聚丙烯酰胺浓度较高的组，其植被覆盖率也较高，故其PM2.5和PM10的排放浓度也较低。

表3 施工一个月后各组的植被覆盖度Tab.3 The vegetation coverage of each group one month after construction

由图3可知，在聚丙烯酰胺的条件下播种，植被覆盖度较CK1平均上升了42.3%，PM2.5、PM10排放浓度较CK1分别平均下降了32.9%、37.1%，较施工完7天时，聚丙烯酰胺作用效果减弱。但此时PM2.5和PM10的排放浓度较施工完7天时降低，这说明此时主要由植被覆盖度起作用。通过对比第4组和第5组实验结果可知，在施工完成1个月时，在聚丙烯酰胺浓度由20 g/m2上升到25 g/m2时，对植被覆盖度的影响很小，对PM2.5和PM10的排放浓度影响也可忽略不计。

图3 施工1个月后各组的PM10、PM2.5浓度Fig.3 PM10 and PM2.5 concentrations in each group after 1 month of construction

2.4 不同时期PM2.5和PM10的浓度对比

根据图4可知，当聚丙烯酰胺浓度处于20 g/m2到25 g/m2时，此时PM2.5和PM10的浓度在施工完成7天和1个月时都处于一个较低的浓度水平。对比CK1组(第6组)可知，当聚丙烯酰胺浓度处于20 g/m2到25 g/m2时，在施工完成7天时，PM2.5浓度较CK1组平均下降了63.4 %，PM10浓度较CK1组平均下降了77.9 %。在施工完成1个月时，PM2.5浓度较CK1组平均下降了43.8 %，PM10浓度较CK1组平均下降了56.3 %，说明聚丙烯酰胺浓度处于20 g/m2到25 g/m2时，对抑制扬尘浓度效果显著。由图4可知，当聚丙烯酰胺浓度处于20 g/m2到25 g/m2时，在施工7天时，土壤含水量处于一个较好的水平，施工1个月时，植被覆盖度较高，并且PM2.5和PM10排放浓度在两个时期都处于一个较低的水平，故在20 g/m2到25 g/m2时是聚丙烯酰胺的最佳浓度。

图4 不同时期PM2.5和PM10的浓度对比Fig.4 Comparison of PM2.5 and PM10 concentrations in different periods

3 结 论

本文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。

3.1 聚丙烯酰胺与植被覆盖联合作用比单纯植被覆盖更有利于降低PM2.5和PM10的浓度。在聚丙烯酰胺和植被覆盖同时作用条件下，PM2.5和PM10浓度较仅由植被覆盖作用时，有了明显的下降，PM2.5浓度较之前平均下降了32.9%，PM10浓度较之前相比平均下降了37.1%。

3.2 聚丙烯酰胺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。

3.3 聚丙烯酰胺浓度在20 g/m2到25 g/m2时，整体抑尘效果最好。施工7天时，PM2.5和PM10浓度平均下降了63.4%和77.9%，在施工1个月时，PM2.5和PM10浓度平均下降了和43.8%和56.3%，其在施工7天和1个月都达到了较好的效果。