土壤滲濾系統(tǒng)中植物對地表雨水徑流中磷的控制效果與影響分析*

馮萃敏 蔡紫鵬 尹曉星，3 米 楠，4 蔡志文

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044；2.北京市密云區(qū)水務(wù)局，北京 101500；3、江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000；4.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080)

雨水是一種根本、直接、經(jīng)濟(jì)的水資源，是自然水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對調(diào)節(jié)補(bǔ)充地區(qū)水資源、改善及保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著極為關(guān)鍵的作用[1]。但隨著不透水地面在雨水下墊面中所占的比例越來越高，城市雨洪現(xiàn)象加劇，大量油類物質(zhì)、氮、磷、有機(jī)物和重金屬成分的污染物在地表雨水徑流形成后溶解或懸浮于徑流中，使地表雨水徑流的流量、污染負(fù)荷迅速增大[2-7]。

土壤滲濾系統(tǒng)是一種植物-土壤-微生物綜合作用地表雨水徑流的處理系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于凈化城市地表雨水徑流。但是，由于徑流水質(zhì)、水量的復(fù)雜性和隨機(jī)性[8]，土壤滲濾系統(tǒng)對地表雨水徑流中磷的去除效果不明顯。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過對土壤吸附磷起主要作用的土壤滲濾介質(zhì)進(jìn)行改性，對土壤滲濾系統(tǒng)進(jìn)水中磷的去除效果進(jìn)行了大量實驗研究。但是，這種改進(jìn)方法只能在短期內(nèi)提高土壤滲濾系統(tǒng)對地表雨水徑流中磷的去除率，隨著地表雨水徑流持續(xù)進(jìn)入，土壤中磷本底含量仍然會逐漸增加，進(jìn)而影響土壤滲濾系統(tǒng)對地表雨水徑流中磷的去除效果[9-12]。

土壤中磷的解吸和溶解是磷吸附和沉淀的逆過程，在土壤滲濾系統(tǒng)中植物的生長能夠通過絡(luò)合解溶促進(jìn)土壤中難溶解態(tài)磷的溶解和磷的活化：植物根系分泌的低分子量有機(jī)酸與難溶解態(tài)磷酸鹽的Al、Fe、Ca離子有機(jī)絡(luò)合，消除大量難溶解態(tài)的鐵磷(Fe-P)和鋁磷(Al-P)[13]。難溶解態(tài)無機(jī)磷的絡(luò)合解溶提高了土壤中磷的釋放量和磷在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)[14-17]，且植物生長所需的磷幾乎全部通過擴(kuò)散方式進(jìn)行遷移[18]，可以大大提高磷在土壤中的生物有效性。絡(luò)合解溶是個動態(tài)平衡過程，當(dāng)富含磷素的地表雨水徑流再次進(jìn)入土壤滲濾系統(tǒng)時，由于土壤中溶解態(tài)的磷酸鹽增多，絡(luò)合解溶會朝負(fù)方向進(jìn)行，金屬離子和入水中的磷酸根生成難溶態(tài)磷酸鹽，固定土壤滲濾系統(tǒng)入水中的磷，從而實現(xiàn)土壤滲濾系統(tǒng)“控磷”和“釋磷”相協(xié)調(diào)，解決土壤滲濾系統(tǒng)中磷累積的問題，因此植物的生長使得土壤滲濾系統(tǒng)能夠長期保持對磷的高效吸附[19-21]。

本研究通過對模擬地表雨水徑流滲濾試驗中有植物和無植物種植的兩個土壤滲濾系統(tǒng)中TP含量及不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)不同形態(tài)無機(jī)磷含量進(jìn)行監(jiān)測，研究有植物和無植物種植的兩個土壤滲濾系統(tǒng)中磷的吸附過程以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 土壤滲濾系統(tǒng)設(shè)計

1.1.1 試驗裝置

所用土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置如圖1所示，裝置主體為非透明聚氯乙烯(PVC)板材(壁厚8 mm)，長、寬、高分別為80、80、105 cm，下設(shè)30 cm高帶滾輪底座，每個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的平面尺寸為40 cm×40 cm。土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置內(nèi)部由上向下，依次為25 cm蓄水空間；55 cm改良土壤滲濾介質(zhì)；5 cm砂濾層、土工布、多孔PVC板；20 cm礫石層和由土工布包裹的穿孔PVC排水管。土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置外壁正面底部為高10 cm、長15 cm的滲濾介質(zhì)排出口。以底座平臺為基準(zhǔn)平面，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置側(cè)面為25、35、45、55、65、75 cm 6個不同高度的改良土壤滲濾介質(zhì)取樣口，均附帶直徑20 mm的球閥，防止試驗期間改良土壤滲濾介質(zhì)的外漏。試驗中模擬地表雨水徑流在水箱中由電機(jī)帶動槳葉攪拌充分混合，由隔膜泵輸送至土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置頂端，由浮子流量計和球閥控制流量，進(jìn)水口向下正對導(dǎo)流板，防止進(jìn)水對植物的沖刷。有植物和無植物種植的兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置分別編號為A、B。

注：除了已經(jīng)標(biāo)注的單位，其余單位為mm。圖1 土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置

1.1.2 改良土壤滲濾介質(zhì)

紅壤土屬于Al-Fe體系的酸性土壤，且在我國分布廣泛。紅壤土中無定形態(tài)的鐵鋁氧化物與地表雨水徑流中的磷反應(yīng)生成難溶解狀態(tài)的Al-P和Fe-P，起到強(qiáng)化除磷的效果。同時，大量的Al-P與Fe-P能與植物根系分泌的低分子量有機(jī)酸產(chǎn)生絡(luò)合反應(yīng)，為植物提供具有生物活性的磷，供植物吸收利用。通過植物的吸收利用降低土壤中磷本底含量，使土壤滲濾系統(tǒng)保持較高的磷去除效果。

本試驗設(shè)計土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置中，取消傳統(tǒng)種植土層和填料層的劃分，采用55 cm的改良土壤滲濾介質(zhì)層，改良土壤滲濾介質(zhì)由紅壤土、中砂、礫石按照5∶4∶1的質(zhì)量比配制并且充分混合制成。

所采用的紅壤土在浙江省嘉興市采集，pH為5.3，有機(jī)質(zhì)為11.2 g/kg。紅壤土中Al、Fe元素分別為78 922、39 871 mg/kg，含有較高濃度的Al、Fe元素。

紅壤土孔隙度為37.46%，改良土壤滲濾介質(zhì)孔隙度為42.51%；紅壤土比表面積為4.938 m2/g，改良土壤滲濾介質(zhì)的比表面積為8.794 m2/g。土壤滲濾系統(tǒng)的滲透性能明顯增強(qiáng)。

1.1.3 植物的選取

采用道路兩旁大量種植的多年生草本植物——麥冬(Radixliriopesspicatae)作為試驗植物。麥冬適宜生長在濕潤的土壤環(huán)境中，需水量較多，能滿足土壤滲濾系統(tǒng)長時間的運(yùn)行需求。麥冬根系發(fā)達(dá)，能充分扎入改良土壤滲濾介質(zhì)中，吸收利用其中的磷。本研究中按草本植物10株/m2的種植密度，在0.64 m2表面積的土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中均勻種植7株麥冬幼苗(如圖2所示)。

圖2 植物種植狀況

1.2 試驗方案

對兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置開展平行的模擬地表雨水徑流滲濾試驗，測定兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)層中磷素存在的形態(tài)和數(shù)量以及滲濾出水水質(zhì)。

1.2.1 試驗用水

按照城市地表雨水徑流水質(zhì)指標(biāo)，通過在自來水中添加藥劑或材料，人工配制模擬地表雨水徑流(見表1)，模擬真實的土壤滲濾系統(tǒng)對地表雨水徑流的凈化過程。因土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置對顆粒狀氮、磷等污染物去除率較高，所以模擬地表雨水徑流中并沒有添加顆粒狀氮、磷污染物。

表1 模擬地表雨水徑流水質(zhì)

1.2.2 模擬地表雨水徑流滲濾試驗

共進(jìn)行4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗，每兩次模擬地表雨水徑流滲濾試驗設(shè)計時間間隔為14 d。每次模擬地表雨水徑流滲濾試驗中，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置均勻進(jìn)水15 L，設(shè)計流量為0.125 L/min，使土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置表面在進(jìn)水時保持約3 cm高度的自由水頭。15 L模擬地表雨水徑流全部進(jìn)入土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置，且土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置出水口無出水，為一次完整的模擬地表雨水徑流滲濾試驗。

1.2.3 磷素的分級提取

以改良土壤滲濾介質(zhì)層表面為0 cm深度平面，在4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束后，立即采集0、5、15、35 cm 4個深度改良土壤滲濾介質(zhì)的樣品，進(jìn)行改良土壤滲濾介質(zhì)中磷素的分級提取。在第2、3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗完成后7 d(即落干期)再次采集4個深度改良土壤滲濾介質(zhì)樣品，進(jìn)行改良土壤滲濾介質(zhì)中磷素的分級提取。

土壤滲濾介質(zhì)吸附固定地表雨水徑流中磷后主要生成物為無機(jī)磷(包括交換態(tài)無機(jī)磷(Ex-P)、Al-P、Fe-P、閉蓄態(tài)磷(Oc-P)、鈣磷(Ca-P))。由于本研究中，改良土壤滲濾介質(zhì)主要原料為Al-Fe系的紅壤土，改良土壤滲濾介質(zhì)中含有大量無定形態(tài)的氧化鐵和氧化鋁，而鈣含量很少，而Oc-P穩(wěn)定性極高，其含量不易發(fā)生變化，因此無機(jī)磷分級提取方面，只進(jìn)行Ex-P、Al-P、Fe-P的提取和檢測。

1.3 取樣及分析測試方法

圖3 改良土壤滲濾介質(zhì)中無機(jī)磷的分級提取步驟

以穿孔PVC排水管開始出水記為零點，分別收集0、10、25、45 min的滲濾出水并檢測其中的TP，之后求平均數(shù)記為該次模擬地表雨水徑流滲濾試驗中滲濾出水的TP。

用直徑為10 mm的薄壁PVC管伸入土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置側(cè)壁上安裝的球閥取樣口，采集不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的樣品，用氣吹將薄壁PVC管中的改良土壤滲濾介質(zhì)樣品移入陶瓷坩堝。去掉植物殘體和石塊等雜物后移入烘箱，溫度設(shè)置為100 ℃，烘干2 h，之后冷卻至室溫。將烘干后的改良土壤滲濾介質(zhì)樣品移入研缽，研磨至全部通過100目篩，放入磨砂廣口瓶中保存。改良土壤滲濾介質(zhì)中無機(jī)磷的分級提取采用化學(xué)連續(xù)提取法[22]，具體步驟如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤滲濾系統(tǒng)中植物對TP去除效果的影響

模擬地表雨水徑流滲濾試驗中，土壤滲濾系統(tǒng)對模擬地表雨水徑流中TP去除率的影響如圖4所示。第1次模擬地表雨水徑流滲濾試驗時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B對模擬地表雨水徑流中TP的去除率最低，分別為91.5%和89.9%；隨著模擬地表雨水徑流滲濾試驗次數(shù)的增加，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置運(yùn)行時間延長，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B的滲濾出水中TP濃度逐漸降低，對模擬地表雨水徑流中TP的去除率逐漸增高。

圖4 土壤滲濾系統(tǒng)對模擬地表雨水徑流中TP去除率的影響

4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗中，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A對模擬地表雨水徑流中TP的去除率分別為91.5%、95.1%、95.9%、96.2%，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置B對模擬地表雨水徑流中TP的去除率分別為89.9%、93.8%、94.0%、94.9%，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A對模擬地表雨水徑流中TP的去除率始終高于B；土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的滲濾出水TP分別比B低0.090、0.075、0.108、0.070 mg/L。

由圖4可知，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B對模擬地表雨水徑流中TP的去除均存在一個系統(tǒng)逐漸成熟的過程。隨著運(yùn)行時間的延長，兩種土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置逐漸成熟，對模擬地表雨水徑流中TP的去除率也逐漸增高。土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A對模擬地表雨水徑流中TP的去除效果優(yōu)于B。模擬地表雨水徑流中TP的濃度變化能夠影響土壤滲濾系統(tǒng)對TP的去除效果，當(dāng)模擬地表雨水徑流中TP濃度提高時，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的滲濾出水中TP濃度均出現(xiàn)不同程度的增高，但土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的滲濾出水中TP濃度和升高幅度遠(yuǎn)低于B。這說明，在處理含磷濃度較高的地表雨水徑流時，有植物種植的土壤滲濾系統(tǒng)仍然能夠保持良好的TP去除效果。

2.2 植物對改良土壤滲濾介質(zhì)中磷遷移轉(zhuǎn)化與累積的影響

2.2.1 Ex-P

土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P變化如圖5所示。由圖5(a)和圖5(b)可見，改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P本底值為11.5 mg/kg，在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P分別增長了20.2、20.9 mg/kg，而土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P分別增長了11.4、8.0 mg/kg，均低于0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P增幅。

之后隨著落干和進(jìn)水階段的交替進(jìn)行，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P出現(xiàn)規(guī)律性的增減。在第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Ex-P高于B。王亞男等[23]739研究含磷污水淋濾條件下土壤中磷的遷移轉(zhuǎn)化時發(fā)現(xiàn)，含磷污水的灌入可引發(fā)土壤中可溶態(tài)磷的快速升高。

由圖5(c)可見，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置中15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P在第3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時才明顯增加，且土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P總體高于B。由圖5(d)可見，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置中35 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P始終在6.9～14.6 mg/kg波動，沒有明顯的累積趨勢。

注：本底值、進(jìn)水1～4、落干1～2分別表示模擬地表雨水徑流滲濾試驗前、第1～4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時、第2～3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期。圖6和圖7同。

圖5土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Ex-P變化

Fig.5 The Ex-P content changes of different depths soil in device A and B

圖6 土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Al-P變化

由上述分析可知，改良土壤滲濾介質(zhì)吸附模擬地表雨水徑流中磷生成Ex-P的作用在垂直方向上是由上至下逐層進(jìn)行的。當(dāng)上層改良土壤滲濾介質(zhì)中Ex-P達(dá)到一定濃度后，改良土壤滲濾介質(zhì)吸附磷生成Ex-P的作用逐漸減弱，使得進(jìn)入下層改良土壤滲濾介質(zhì)的模擬地表雨水徑流中含有更多的磷，下層改良土壤滲濾介質(zhì)才發(fā)揮吸附磷生成Ex-P的作用。王亞男等[23]740研究表明，在含磷污水淋濾條件下，可溶態(tài)磷進(jìn)入土壤后，主要隨水分作溶質(zhì)遷移，在遷移的同時，不斷轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)磷和各種沉淀態(tài)磷。這與本試驗中Ex-P變化規(guī)律相符。由于4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗中模擬地表雨水徑流所攜帶磷基本已被上層改良土壤滲濾介質(zhì)吸附，故35 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Ex-P沒有受到太大的影響。

土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中植物的生長使得改良土壤滲濾介質(zhì)孔隙度與比表面積增大，能持有更多的含磷模擬地表雨水徑流。因此，在模擬地表雨水徑流滲濾試驗中，進(jìn)入土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中的模擬地表雨水徑流能充分滲入改良土壤滲濾介質(zhì)，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的0、5、15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Ex-P明顯總體高于B。

2.2.2 Al-P

土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Al-P變化如圖6所示。由圖6(a)和圖6(b)可見，改良土壤滲濾介質(zhì)的Al-P本底值為90.5 mg/kg，在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B的0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P出現(xiàn)了明顯的增長，5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P的增長幅度均低于0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)；土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中Al-P累積現(xiàn)象無明顯差別。在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期至第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P在135.6～140.9 mg/L間變化，并無明顯的Al-P增加，5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P的增長速率也明顯放緩。而土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置B的0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P增長速率與在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時相比雖有降低，但Al-P仍然呈現(xiàn)較明顯的增長趨勢。

由圖6(c)可見，在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B的15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P增長趨勢并不明顯，但在第3、4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P出現(xiàn)大幅增長，而且土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P高于B。

由圖6(d)可見，隨著模擬地表雨水徑流滲濾試驗的進(jìn)行，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的35 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P在79.5～101.3 mg/kg間波動，并沒有出現(xiàn)明顯的增長。

兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的上層改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P含量高于下層改良土壤滲濾介質(zhì)，說明改良土壤滲濾介質(zhì)吸附磷生成Al-P的機(jī)制在垂直方向上是由上至下逐層進(jìn)行的。孫冶等[24]60的研究同樣表明，土壤滲濾系統(tǒng)處理含磷污水時，大部分的磷被吸附固定在表層土壤中，其值由上至下逐漸減小。其原理與本研究中改良土壤滲濾介質(zhì)逐層吸附磷生成Ex-P的原理相同。在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B的0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P增長速率大于在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期至第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，說明改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P含量累積到一定程度后，改良土壤滲濾介質(zhì)吸附磷生成Al-P的作用逐漸減弱。

在第2、3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置中無外源磷的進(jìn)入，但土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P含量出現(xiàn)了降低，而土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置B中Al-P含量升高。由此推斷，植物根系的生長能夠促使改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P累積量到達(dá)一定程度后發(fā)生Al-P向其他形態(tài)磷的轉(zhuǎn)化。所以，在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期至第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P總體低于B。

這一現(xiàn)象使得上層改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P含量維持在一定區(qū)間之內(nèi)，避免Al-P含量過高而被模擬地表雨水徑流沖刷而流失，影響出水水質(zhì)。合理的Al-P含量使得改良土壤滲濾介質(zhì)能夠長時間保持對磷的吸附作用，使得土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A滲濾出水中TP的濃度一直低于B。

2.2.3 Fe-P

圖7 土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Fe-P變化

土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B中不同深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Fe-P變化如圖7所示。由圖7(a)可見，在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A、B的0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量出現(xiàn)了明顯的增長；在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期至第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置中0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)的Fe-P含量增長速率較在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時略有降低。由圖7(b)可見，在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-含量無明顯的增高趨勢；在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期至第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，F(xiàn)e-P含量出現(xiàn)了大幅增長。土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A的0、5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量高于B，而且隨著土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置運(yùn)行時間的延長，F(xiàn)e-P含量的差距逐漸增大。由圖7(c)可見，在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量無明顯的增高趨勢；在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期至第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，F(xiàn)e-P含量出現(xiàn)了大幅增長。由圖7(d)可見，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的35 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P隨著模擬地表雨水徑流滲濾試驗的進(jìn)行，并沒有出現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象。這些說明，改良土壤滲濾介質(zhì)吸附模擬地表雨水徑流中磷生成Fe-P的作用在垂直方向上也是由上至下逐層進(jìn)行的。熊俊芬等[25]對施磷狀態(tài)下土壤無機(jī)磷土層分布的研究同樣表明，無機(jī)磷在表層土壤累積現(xiàn)象更明顯，而隨著試驗時間的延長，下層土壤也逐漸出現(xiàn)磷的累積現(xiàn)象。

由圖7(a)至圖7(c)可見，在第2、3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期，兩個土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的0、5、15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量均出現(xiàn)不同程度增長，且土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中Fe-P含量增長幅度大于B；在第3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期，相同深度的改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量增長幅度大于在第2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗落干期。

由圖7還可見，在第1～3次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置的5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量低于0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中。在第4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P高于0、15、35 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中，而在5 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中植物的根系分布范圍最廣。

同時，孫冶等[24]58在試驗發(fā)現(xiàn)，污水土地處理系統(tǒng)中紅壤土的Al-P高于Fe-P、Ex-P。本試驗中，第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，3種形態(tài)無機(jī)磷的整體分布規(guī)律同樣為Al-P>Fe-P>Ex-P；第3、4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，分布規(guī)律為Fe-P>Al-P>Ex-P。該現(xiàn)象說明，第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗時，模擬地表雨水徑流中的磷首先與改良土壤滲濾介質(zhì)中的無定形態(tài)的鋁結(jié)合，被吸附在改良土壤滲濾介質(zhì)當(dāng)中。隨著試驗的進(jìn)行，改良土壤滲濾介質(zhì)中Fe-P含量明顯增加，Al-P含量只有少量增加，在落干期土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置A中甚至出現(xiàn)了Al-P含量下降的現(xiàn)象。由于落干期沒有外源磷的進(jìn)入，改良土壤滲濾介質(zhì)中吸附的磷量是不變的，且Ca-P含量少，Oc-P形態(tài)穩(wěn)定不應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)化，所以認(rèn)為植物的生長促使改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P累積到一定程度后向Fe-P轉(zhuǎn)化。有植物種植的改良土壤滲濾介質(zhì)由于其較大的孔隙度與比表面積能使下層改良土壤滲濾介質(zhì)更早地參與到對磷的吸附與固定作用中。該現(xiàn)象與趙海濤等[26]對紅壤土中無機(jī)磷組分間轉(zhuǎn)化基本吻合。

3 結(jié)論和建議

(1) 土壤滲濾系統(tǒng)試驗裝置在4次模擬地表雨水徑流滲濾試驗中對TP的去除率均在89%以上，改良土壤滲濾介質(zhì)對模擬地表雨水徑流中磷的去除效果較好。有、無植物種植的兩個土壤滲濾系統(tǒng)均存在一個逐漸成熟的過程，隨著土壤滲濾系統(tǒng)運(yùn)行時間的延長，兩個土壤滲濾系統(tǒng)對模擬地表雨水徑流中TP的去除率均逐漸增高，有植物種植的土壤滲濾系統(tǒng)對模擬地表雨水徑流中TP的去除率始終高于無植物種植的土壤滲濾系統(tǒng)。

(2) 改良土壤滲濾介質(zhì)對雨水中無機(jī)磷的吸附是分層進(jìn)行的，隨著上層改良土壤滲濾介質(zhì)固定的無機(jī)磷量逐漸增加，改良土壤滲濾介質(zhì)對模擬地表雨水徑流中磷的吸附作用逐漸減弱，含有較多磷的模擬地表雨水徑流進(jìn)入下層的改良土壤滲濾介質(zhì)再被吸附固定。在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，0 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Ex-P、Al-P、Fe-P含量增長最明顯；隨著土壤滲濾系統(tǒng)試驗運(yùn)行時間的延長，5、15 cm深度改良土壤滲濾介質(zhì)中Ex-P、Al-P、Fe-P含量才逐漸增高。

(3) 在第1、2次模擬地表雨水徑流滲濾試驗結(jié)束時，改良土壤滲濾介質(zhì)中Al-P含量增長幅度較顯著，說明改良土壤滲濾介質(zhì)吸附磷的主要介質(zhì)為紅壤土中無定形態(tài)的鋁。隨著模擬地表雨水徑流滲濾試驗的進(jìn)行，植物生長促使改良土壤滲濾介質(zhì)中的Al-P累積到一定程度時向Fe-P含量轉(zhuǎn)化。

(4) 在工程中應(yīng)用土壤滲濾系統(tǒng)時，應(yīng)重視改良土壤滲濾介質(zhì)的配比，使改良土壤滲濾介質(zhì)在保持良好的磷吸收固定能力與滲濾效果的同時，保證植物根系在改良土壤滲濾介質(zhì)中的生長與延伸。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、氣候環(huán)境，盡量選擇耐潮濕且根系發(fā)達(dá)的植物種植，盡量使植物種類多樣化。

[1] 宋進(jìn)喜，李懷恩，李琦.城市雨水資源化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2003，22(2)：32-35.

[2] JAMES W.Current practices in modeling the management of stormwater impacts[M].San Francisco：Levis Publishers，1994.

[3] KANG J H，KAYHANIAN M，STENSTROM M K.Implications of a kinematic wave model for first flush treatment design[J].Water Research，2006，20(20)：3820-3830.

[4] DRAPPER D，TOMLINSON R，WILLIAMS P.Pollutant concentrations in road runoff southeast queensland case study[J].Journal of Environment Engineering，1999，126(4)：313-320.

[5] 馮萃敏，米楠，王曉彤，等.基于雨型的南方城市道路雨水徑流污染物分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2015，24(3)：418-426.

[6] 張千千，李向全，王效科，等.城市路面降雨徑流污染特征及源解析的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2014，23(2)：352-358.

[7] 謝幫蜜.負(fù)載型納米鐵的制備及其去除城市雨水徑流中磷的研究[D].北京：清華大學(xué)，2013.

[8] 康愛紅，李濤，丁澤民，等.我國道路雨水徑流污染特性及控制措施進(jìn)展[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，34(6)：188-192.

[9] 宋超，裘麗萍，孟順龍，等.人工模擬不同種植密度下四種水生植物的生長狀況及對氮、磷的去除[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33(1)：178-184.

[10] 劉志平，朱太濤，崔理華，等.3種人工濕地對菜地廢水的凈化效果比較[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40(19)：178-182.

[11] 熊集兵，高沖，白向玉，等.低溫條件下組合式人工生態(tài)系統(tǒng)對二級出水中氮磷的去除效應(yīng)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，28(3)：575-580.

[12] 李龍山，倪細(xì)爐，李志剛，等.5種濕地植物對生活污水凈化效果研究[J].西北植物學(xué)報，2013，33(11)：2292-2300.

[13] 李勝男，崔麗娟，宋洪濤，等.不同濕地植物土壤氮、磷去除能力比較[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2012，21(11)：1870-1874.

[14] 劉麗，梁成華，王琦，等.低分子量有機(jī)酸對土壤磷活化影響的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2009，15(3)：593-600.

[15] 王建軍，李田，張穎.給水廠污泥改良生物滯留填料除磷效果的研究[J].環(huán)境科學(xué)，2014，35(12)：4642-4647.

[16] 王樹起，韓曉增，嚴(yán)君，等.低分子量有機(jī)酸對大豆磷積累和土壤無機(jī)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009，28(8)：1550-1554.

[17] GERKE J.Kinetics of soil phosphate desorption as affected by citric acid[J].Journal of Plant Nutrition & Soil Science，1994，157(1)：17-22.

[18] 王楠.低分子量有機(jī)酸對土壤不同粒徑組分吸附PAHs的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[19] 周志強(qiáng)，王曉昌，鄭于聰，等.復(fù)合人工濕地對高污染性河流營養(yǎng)物的去除[J].環(huán)境工程學(xué)報，2013，7(11)：4161-4166.

[20] 李屹，沈劍，林燕，等.土壤滲濾系統(tǒng)中污染物去除效果分析[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2013，29(6)：738-742.

[21] 向衡，韓蕓，劉琳，等.低濃度含磷水體除磷填料的選擇研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，33(12)：3227-3233.

[22] 張晶.北京野鴨湖濕地土壤中磷的形態(tài)分布和轉(zhuǎn)化行為研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

[23] 王亞男，王紅旗，舒艷.含磷污水淋濾條件下土壤中磷遷移轉(zhuǎn)化模擬實驗[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2001，21(6).

[24] 孫冶，普家云.2種南方土壤污水滲濾土地處理系統(tǒng)中磷元素的放射性示蹤動力學(xué)比較實驗[J].環(huán)境污染與防治，2011，33(3).

[25] 熊俊芬，石孝均，毛知耘.定位施磷對土壤無機(jī)磷形態(tài)土層分布的影響[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，22(2)：123-125.

[26] 趙海濤，封克，汪曉麗，等.磷在不同土壤和無機(jī)磷組分間的轉(zhuǎn)化研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版)，2006，27(3)：50-55.