余云洋，阿麗亞·拜都熱拉，董中凱，艾里牙爾·再比布拉，若山古麗·芒力克

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

極端天氣的頻繁發(fā)生、人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)度增大、環(huán)境污染等造成土地嚴(yán)重退化[1-2]，其中土地荒漠化與土壤重金屬污染對(duì)人類(lèi)生存及身心健康造成極大威脅。近代中國(guó)一直遭受著荒漠化的威脅，土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)域土地荒漠化、沙塵天氣的主要原因之一[3-6]。針對(duì)人類(lèi)來(lái)講，重金屬污染主要是指重金屬通過(guò)土壤-植物系統(tǒng)在植物體內(nèi)富集和積累，然后通過(guò)食物鏈傳播并被人體吸收。國(guó)內(nèi)外在防護(hù)林防風(fēng)固沙及植物修復(fù)土壤重金屬污染方面開(kāi)展了大量研究?？梢源_切地認(rèn)為，植物固沙技術(shù)能有效改善荒漠化，并且該技術(shù)在防風(fēng)固沙中占據(jù)了主導(dǎo)地位[7]。隨著防風(fēng)治沙研究的深入，需合理選擇固沙植被類(lèi)型[8]。本文以吐魯番市托克遜縣城郊防護(hù)林為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析兩種配置防護(hù)林的防風(fēng)固沙效能及植物富集重金屬能力，以期給該地區(qū)的重金屬污染修復(fù)及防沙治沙提出建議，為我國(guó)防風(fēng)固沙措施的選擇和植物空間格局的布設(shè)方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于托克遜縣南側(cè)，地處于新疆的中東部，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)87°14′05″～89°11′08″，北緯41°21′14″～43°18′11″，北、西、南三面環(huán)山，西、北面高而東部低，地勢(shì)高低差大，典型天山地貌特征，屬暖溫帶干旱荒漠氣候[9-10]。該地區(qū)春季溫度上升迅速不穩(wěn)定，雨少風(fēng)多；夏季炎熱干旱時(shí)間長(zhǎng)，多風(fēng)和沙塵暴，年均降水7 mm，蒸發(fā)量達(dá)3 171.4 mm；秋季溫差大，降溫迅速，雨少，年均氣溫13.80 ℃，全年盛行西風(fēng)或偏西北風(fēng)，風(fēng)能資源相對(duì)豐富，年均風(fēng)速8 m·s-1。年均大風(fēng)日數(shù)為84 d[11]，大風(fēng)日數(shù)在春、夏兩個(gè)季節(jié)最多，約占全年的70%，秋季約占25%，冬季約占5%。據(jù)托克遜縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2017 年數(shù)據(jù)顯示，該縣共有森林資源10.54 萬(wàn)hm2，森林覆蓋率4%。環(huán)境脆弱，城郊工業(yè)區(qū)所造成的污染，提高了土壤重金屬的含量。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)樣地的布設(shè)

根據(jù)托克遜縣南側(cè)城郊防護(hù)林配置模式，按照防護(hù)林樹(shù)種、防護(hù)林地勢(shì)地貌、防護(hù)林生長(zhǎng)趨勢(shì)分別選取樹(shù)齡大致相同的林地。每片防護(hù)林的面積相等，長(zhǎng)×寬為940 m×560 m。防護(hù)林的配置模式包括防護(hù)林1：胡楊(68%)+檉柳(32%)；防護(hù)林2：檉柳(65%)+胡楊(35%)。沿著林地的中軸線，垂直風(fēng)向，打兩個(gè)(30 m×30 m)標(biāo)準(zhǔn)樣方。對(duì)每個(gè)樣方進(jìn)行每木檢尺，不同樣地及植被狀況詳見(jiàn)表1。

表1 樣點(diǎn)植被基礎(chǔ)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2.2 野外調(diào)查與采樣

野外實(shí)驗(yàn)于2021 年的6—7 月，以?xún)煞N配置模式的人工胡楊林為研究對(duì)象，對(duì)樣方內(nèi)的檉柳進(jìn)行根、莖、葉樣品及生長(zhǎng)區(qū)域的土壤樣品采集，采用多點(diǎn)混合采樣法，隨機(jī)設(shè)置5 個(gè)采樣點(diǎn)，從五個(gè)采樣點(diǎn)采集植物樣本合成一個(gè)混合樣品，對(duì)每株植物重復(fù)取樣7 次。在緊挨林帶迎風(fēng)面的位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，用QNFS 型風(fēng)速風(fēng)向儀在近地高度10、50、80、130、180、200 cm 處測(cè)風(fēng)速風(fēng)向，記數(shù)間隔時(shí)間為5 min，不同的林地在大風(fēng)情況下的總觀測(cè)時(shí)間不少于8 h。布設(shè)QN-JSY 不同高度多通道組合式集沙儀(集沙儀高度為130 cm，10個(gè)集沙口，每個(gè)集沙口大小為5 cm×5 cm)，通風(fēng)布袋固定在探頭背風(fēng)側(cè)，進(jìn)沙口垂直于主風(fēng)向，底部與地面平齊。每次觀察后，分層稱(chēng)量采沙機(jī)收集的沙子。觀測(cè)期間，集沙時(shí)間為10 min，用三杯式風(fēng)向風(fēng)速儀同時(shí)觀測(cè)2 m 高度的風(fēng)速，并通過(guò)多次測(cè)量取平均值。把多通道集沙儀直立安裝在實(shí)驗(yàn)樣地，每個(gè)通道系好布袋子。集沙量觀測(cè)時(shí)間為8 h。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多次重復(fù)測(cè)定風(fēng)速及集沙量，最后取平均值。

1.2.3 測(cè)定方法

植物樣品、土壤樣品過(guò)篩。稱(chēng)取樣品0.5 g（精確至0.000 1 g），對(duì)植物樣品采用濃HNO3-HClO4（4∶1）消解法，電熱板消解溫度230 ℃；土壤樣品在180 ℃下用HF-HClO4（1∶1）消解。消解后，將樣品固定在50 mL容量瓶中，然后過(guò)濾到10 mL離心管中進(jìn)行測(cè)試。采用ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定重金屬Cr、As、Hg、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的濃度[12]。

1.2.4 計(jì)算方法

防風(fēng)效能計(jì)算公式[13]：

（1）式中，Kx為防護(hù)林中高度為x 處的防風(fēng)效能（%），Vix為不同配置模式林帶背風(fēng)面x處的風(fēng)速（m·s-1），Vx為不同配置模式林帶內(nèi)x處的風(fēng)速（m·s-1）。通過(guò)計(jì)算，比較近地高度10、30、50、110、130、210 cm 處的防風(fēng)效能。

阻沙效能計(jì)算公式[14]：

（2）式中，E為阻沙效能(%)，Qi為防護(hù)林迎風(fēng)面的輸沙量(g)，Q為防護(hù)林內(nèi)的輸沙量(g)。

富集系數(shù)計(jì)算公式[15]：

（3）式中，BCF 為富集系數(shù)，Ci為植物各個(gè)器官重金屬元素的含量，Cs為相應(yīng)根系土壤重金屬元素含量。富集系數(shù)的大小反映植物對(duì)土壤中元素的吸收強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算公式[16]：

（4）式中，BTF 為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，Cu為植物地上各器官重金屬元素的濃度（mg·kg-1），Cd為植物地下根部相應(yīng)重金屬元素濃度（mg·kg-1）。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的大小反映植物將重金屬?gòu)牡叵缕鞴俎D(zhuǎn)移到地上器官的能力。

采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖表繪制及相關(guān)性分析，采用Origin 2021進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 防護(hù)林重金屬富集與轉(zhuǎn)運(yùn)特征

通過(guò)檢測(cè)土壤重金屬含量并進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，定量分析該地區(qū)檉柳的富集和運(yùn)輸能力[17]。檉柳樹(shù)下的土壤、根和地上部分中重金屬的平均含量見(jiàn)圖1。從地上部分重金屬平均含量來(lái)看，Zn 元素含量最高，為29.29 mg·kg-1，Hg 含量最低，為0.11 mg·kg-1；從植物根系重金屬平均含量來(lái)看，Mn 元素含量最高，為24.71 mg·kg-1，Hg 元素含量最低，為0.03 mg·kg-1；從土壤重金屬平均含量來(lái)看，Zn 元素含量最高，為77.31 mg·kg-1，Hg元素含量最低，為0.07 mg·kg-1。

圖1 檉柳樹(shù)下土壤、根部和地上部分的重金屬平均含量

由圖2 可以看出，檉柳不同部位對(duì)重金屬的富集能力不同，根部對(duì)As 的富集能力最弱，富集系數(shù)為0.06，對(duì)Cd 的富集能力最強(qiáng)，富集系數(shù)為13.68；地上部分對(duì)As 的富集能力最弱，富集系數(shù)為0.05，對(duì)Cd 的富集能力最強(qiáng)，富集系數(shù)為12.06。檉柳對(duì)重金屬的富集能力地下部分大于地上部分。檉柳植株對(duì)重金屬元素的富集能力為Cd＞Hg＞Ni＞Mn＞Cu＞Zn＞Cr＞Pb＞As。其中，Cd 在植物根部的富集系數(shù)大于1，Cd 和Hg 在地上部分的富集系數(shù)大于1，表明檉柳對(duì)Cd和Hg有較強(qiáng)的富集作用。

圖2 檉柳根部和地上部對(duì)重金屬的富集系數(shù)

重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以反映植物地上器官向地下器官遷移和運(yùn)輸重金屬的能力。由圖3 可以看出，檉柳植株對(duì)重金屬元素的轉(zhuǎn)運(yùn)能力為Hg＞Zn＞Cr＞Mn＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni。其中，對(duì)Hg 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)3.36；對(duì)Ni 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最弱，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.63。

圖3 檉柳植株對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.2 防護(hù)林與防風(fēng)效能

防護(hù)林1 和防護(hù)林2 的樹(shù)種相同，但種植比例不一樣，高度和地表覆蓋度也有所差異，防護(hù)林1 的配置為胡楊(占68%)+檉柳(占32%)，胡楊的平均高度為2.76 m，檉柳的平均高度為1.38 m，其植被覆蓋度為17%；防護(hù)林2 的配置為檉柳(占65%)+胡楊(占35%)，檉柳的平均高度為1.68 m；胡楊的平均高度為3.08 m，其植被覆蓋度為21%。不同配置林帶的迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)速的垂直變化見(jiàn)圖4、圖5，通過(guò)風(fēng)速的多項(xiàng)式擬合曲線可知，林帶風(fēng)速在不同垂直高度下都隨著垂直地表高度的增加而增大，林帶背風(fēng)面的風(fēng)速均低于林帶迎風(fēng)面的風(fēng)速。兩種林帶配置模式在10 cm 的垂直高度上風(fēng)速降低明顯，其原因可能是在近地面空氣流動(dòng)過(guò)程中受到樹(shù)的枝葉、軀干的阻擋，導(dǎo)致風(fēng)速降低。對(duì)于防護(hù)林1，該區(qū)主要為胡楊林，10～50 cm 垂直高度內(nèi)的風(fēng)速降低趨勢(shì)不明顯，樹(shù)枝下的軀干高50 cm 左右；50～160 cm 內(nèi)風(fēng)速降低趨勢(shì)皆增加。對(duì)于防護(hù)林2，該區(qū)域中胡楊與檉柳的數(shù)量相對(duì)均勻，其中胡楊的高度均高于檉柳（見(jiàn)表1），各垂直高度的風(fēng)速降低趨勢(shì)都高于其他林地。

圖4 防護(hù)林迎風(fēng)面風(fēng)速擬合曲線

圖5 防護(hù)林背風(fēng)面風(fēng)速擬合曲線

兩種林帶的防風(fēng)效能隨著垂直高度的增加而減小，在高度100～200 cm，防風(fēng)效能下降速度明顯加快（見(jiàn)圖6）。植物高度、冠幅、形態(tài)、植被覆蓋度、林地土壤地質(zhì)等多種因素都影響林地防風(fēng)效能。不同垂直高度的防風(fēng)效能均表現(xiàn)為防護(hù)林2＞防護(hù)林1。

圖6 兩種防護(hù)林的防風(fēng)效能對(duì)比

2.3 起沙風(fēng)速與阻沙效能

起沙風(fēng)速是指地面上的沙礫從氣流中獲取動(dòng)量，當(dāng)風(fēng)速增大到某一臨界值后，使沙礫從靜止到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界風(fēng)速[18]。通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)防護(hù)林1 的起沙風(fēng)速為5.98 m·s-1，防護(hù)林2 的起沙風(fēng)速為6.17 m·s-1。風(fēng)蝕是加強(qiáng)土地荒漠化的主要原因，輸沙量一般表示地表土壤的蝕積狀況。植被覆蓋度、植被密度、植物形態(tài)、扎根深度、扎根范圍、植物所在的土壤條件都會(huì)影響輸沙量。由表2 可知，兩種防護(hù)林背風(fēng)面的輸沙量均小于迎風(fēng)面的輸沙量，阻沙效能防護(hù)林2＞防護(hù)林1。

表2 兩種防護(hù)林的阻沙效能

3 討論

植物中重金屬的濃度通常與環(huán)境中重金屬污染的程度有關(guān)[19]。本研究中，從圖1 可以看出，植物中Mn、Zn、Ni 濃度較高，其次是Pb、Cd、As，Hg 的濃度最低，這與土壤中重金屬濃度的變化規(guī)律相似。王愛(ài)霞等認(rèn)為，植物對(duì)重金屬的吸收與環(huán)境中的重金屬濃度呈正相關(guān)[20]。植物體內(nèi)的重金屬主要來(lái)源于根系對(duì)土壤重金屬的吸收。有研究表明，植物吸收、揮發(fā)、降解和代謝可以減少、凈化和去除重金屬[21]。本研究結(jié)果，檉柳根部的富集能力強(qiáng)于地上部分，根部的Cd 含量為2.23 g、地上部分為1.96 g，對(duì)Cd 元素的富集能力最強(qiáng)。檉柳根系的重金屬含量一般高于其他器官。檉柳通過(guò)根系吸收的土壤重金屬主要滯留在根系中，根系生物量巨大，因此根系可以?xún)?chǔ)存大量重金屬[22]。檉柳地上部分對(duì)Hg、和Zn 的運(yùn)轉(zhuǎn)能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別達(dá)到了3.36和1.58。

有研究表明，相同風(fēng)速下，植被蓋度及林地配置對(duì)近地表風(fēng)速及沙塵有顯著性影響[23]。本研究中兩種防護(hù)林均建造于2015 年，均為裸沙地進(jìn)行人工造林。本研究結(jié)果，林分覆蓋度越高，風(fēng)受到地表植物體的阻擋效果越強(qiáng)，從而風(fēng)速降低的效果越顯著。通過(guò)設(shè)置合理覆蓋度固沙林模式，達(dá)到既可以防風(fēng)固沙，又可以防止土壤風(fēng)蝕。王強(qiáng)強(qiáng)等對(duì)不同配置的防風(fēng)固沙林研究表明，20%覆蓋度的林帶中叢狀配置近地面的防風(fēng)阻沙效果最好[24]。肖巍[25]、李衛(wèi)等[26]、左忠等[27]開(kāi)展了不同類(lèi)型的植物在不同地區(qū)林帶的配置實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)防治風(fēng)沙侵蝕有一定的效益。尚潤(rùn)陽(yáng)研究發(fā)現(xiàn)，人工防護(hù)林的防風(fēng)阻沙作用與其植株密度、蓋度、高度皆有關(guān)，密枝灌木林的防風(fēng)阻沙作用優(yōu)于疏枝灌木林[28]。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與周鑫等[29]的研究結(jié)果相對(duì)一致，即在防護(hù)林2[檉柳(65%)+胡楊(35%)]的配置比下，林帶的防風(fēng)效益明顯。

地表植被在減緩風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)方面具有十分顯著的作用[30]。董治寶等在草地-流沙地過(guò)渡帶設(shè)置樣點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的各因素指標(biāo)計(jì)算得出較高的植被覆蓋度能有效降低風(fēng)速，阻止沙礫移動(dòng)，促進(jìn)沙礫沉降[31]。許明靜等通過(guò)對(duì)毛烏素沙地西北部不同植被覆蓋度下起沙風(fēng)速的研究，發(fā)現(xiàn)植被類(lèi)型和配置模式也會(huì)對(duì)起沙風(fēng)速產(chǎn)生一定的影響[32]，這與本研究的內(nèi)容類(lèi)似。本研究中，兩種防護(hù)林的起沙風(fēng)速?gòu)母叩降蜑榉雷o(hù)林2＞防護(hù)林1，起沙風(fēng)速越高表明林地抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)。由于樹(shù)種組成和防護(hù)林配置方式不同，防護(hù)林的防風(fēng)固沙效益也不同[33]。在本研究中，不同防護(hù)林地的防風(fēng)效能為防護(hù)林2＞防護(hù)林1，距地表不同垂直高度上各防護(hù)林的防風(fēng)效能隨林地樹(shù)種的形態(tài)特征而有所變化。

植被覆蓋度與風(fēng)速和泥沙輸移有密切關(guān)系。隨著植被覆蓋度的增加，植被對(duì)風(fēng)速的阻擋作用和地表的遮擋作用增強(qiáng)，從而大大降低了近地表風(fēng)速，提高了沙粒的起始風(fēng)速，減少了泥沙輸移。植被覆蓋度越大，保護(hù)功能越強(qiáng)[34]。在本研究中各林地背風(fēng)面的輸沙量都低于林地迎風(fēng)面的輸沙量。防護(hù)林1 的阻沙效能最差，原因可能是近地面的樹(shù)木枝干較少，對(duì)風(fēng)沙的阻擋作用相對(duì)較弱；防護(hù)林2 的阻沙效能最好，這與該林地的植被覆蓋度、樹(shù)高、配置模式有關(guān)。這一研究結(jié)果與郭樹(shù)江等[35]、董治寶等[31]學(xué)者研究植被覆蓋度對(duì)風(fēng)沙流輸沙量的影響結(jié)果相對(duì)一致。

4 小結(jié)

選取托克遜縣南側(cè)人工防護(hù)林所在地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)樣地，從重金屬濃度、重金屬富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、防風(fēng)效能、阻沙效能五個(gè)方面分析比較兩種防護(hù)林的重金屬富集效能及防風(fēng)固沙特征，主要結(jié)論如下。

1）檉柳根部的重金屬M(fèi)n、Zn、Ni 含量較高，對(duì)Cd 元素的富集效果及對(duì)Hg 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)。檉柳對(duì)重金屬的富集可減少土壤重金屬污染，有利于林帶中植物的生長(zhǎng)發(fā)育，間接增強(qiáng)植被對(duì)風(fēng)沙的抵抗效果。

2）不同配置模式林地的風(fēng)速擬合曲線、起沙風(fēng)速、防風(fēng)效能等皆存在差異，其中，防護(hù)林的配置模式可能對(duì)起沙風(fēng)速有一定影響。防護(hù)林2[檉柳(65%)+胡楊(35%)]的起沙風(fēng)速、防風(fēng)效能均高于防護(hù)林1[胡楊(68%)+檉柳(32%)]，其防風(fēng)效果最好。

3）兩種防護(hù)林的阻沙效能為防護(hù)林2＞防護(hù)林1。