河岸植被作为天然屏障对塑料颗粒滞留机制的实验研究：基于柔性植被与湍流动能(TKE)的定量分析

针对河流中微塑料(MPs)污染治理难题，本研究通过水槽实验系统研究了柔性河岸植被对塑料颗粒的滞留机制。研究发现颗粒密度(ρP )、形状和湍流动能(TKE/U2 )是影响滞留效率的关键因素，其中高密度(1.4 g/cm3 )颗粒滞留率高达93%，不规则形状颗粒滞留率是盘状颗粒的2倍。研究首次量化了植被结构(LAI)与湍流特征的协同作用，为基于自然的河流塑料污染治理方案提供理论依据。

　　

在全球塑料污染日益严重的背景下，河流作为陆地与海洋之间的关键纽带，每年向海洋输送数百万吨塑料垃圾。其中尺寸小于5毫米的微塑料(MPs)因其持久性和潜在生态风险备受关注。尽管已有研究指出河岸植被可能截留这些"隐形杀手"，但关于柔性植被的叶片分布、湍流特征与塑料颗粒滞留的动态关系仍属空白。更棘手的是，环境中常见的盘状塑料碎片（主要来自包装材料）的滞留行为从未被系统研究过。

意大利佛罗伦萨大学的研究团队在《Environmental Advances》发表的研究填补了这一空白。通过精确控制的水槽实验，研究人员模拟了白杨(Populus alba)幼株在固定沙丘床上的生长环境，采用7种不同密度(1.04-1.4 g/cm³
)、形状和尺寸的塑料颗粒，结合4种叶面积指数(LAI 0.17-0.93)的植被配置，首次揭示了柔性植被拦截微塑料的三维动力学机制。研究创新性地引入位置滞留效率(K_pos
)概念，并借助先进的多普勒流速仪(ADV)获取湍流动能(TKE)剖面数据。

关键技术方法
实验在长10.5米、宽0.44米的水槽中进行，设置8米长的3D打印沙丘床和80株人工白杨模型。采用稳态流量36.4 L/s维持弗劳德数Fr≈0.3的亚临界流态。通过逐级去除下层枝叶构建ABCD(全枝叶)、XBCD(去除A层)等4种LAI配置。使用荧光标记的塑料颗粒（100粒/次）在床面释放，UV灯辅助计数滞留颗粒。湍流数据来自前期相同条件下的100Hz高频ADV测量，经侧壁校正后计算TKE=0.5(u'²
+v'²
+w'²
)。

主要研究结果

3.1 MPs滞留系数-K
密度是决定滞留效率的首要因素：1.4 g/cm³
高密度颗粒平均滞留率达93%，显著高于1.04 g/cm³
颗粒的9-10%。在同等密度下，不规则形状颗粒(等效直径9mm)滞留率是盘状颗粒的2倍(20% vs 10%)，证实形状复杂度提升捕获概率。值得注意的是，6mm颗粒滞留率比4.5mm颗粒高58%，显示尺寸效应的非线性特征。

3.2 滞留颗粒的垂直分布

密度影响
密度梯度塑造了明显的垂直分层：1.2 g/cm³
颗粒在A区(0-5cm)聚集度达46%，而1.04 g/cm³
颗粒在E区(21-23cm)仍有15%分布。极端案例中，1.4 g/cm³
颗粒97%滞留于床面，印证了"密度-沉降深度"正相关规律。

叶面积指数(LAI)影响
当去除下层枝叶(LAI从0.93降至0.17)时，A区滞留率从40%锐减至23%，而B区(5-10cm)捕获率提升39%。特别的是，9mm不规则颗粒在最低LAI配置下呈现"中部富集"现象，说明稀疏植被会改变颗粒的垂向运移路径。

湍流动能(TKE)影响
TKE/U²
与滞留效率呈非线性关系：当TKE/U²
<0.0015时滞留最佳，而超过该阈值则因再悬浮效应导致效率骤降。XBCD配置下垂直湍流强度(w)比ABCD高32%，解释了为何稀疏植被中更多颗粒被抬升至冠层上部。

研究结论与意义
该研究建立了"密度-形态-湍流"三维调控模型，揭示1.4 g/cm³
是颗粒行为从"植被主导"转向"床形主导"的临界密度。提出的无量纲参数K_pos
首次量化了植被不同高度的截留贡献，其中0-10cm区域贡献超60%的捕获量。实践层面，建议在河岸带配置刚性茎秆的低矮灌木（如柳属植物），其密集基部结构可创造低TKE环境(<0.0015U²
)。

这项研究革新了对植被-微塑料互作机制的认识，将生态工程从定性描述推向定量设计阶段。未来需结合自然系统的动态特征（如生物膜附着、非稳态流态），进一步优化基于植被参数的塑料拦截模型，为全球河流塑料治理提供精准工具。