植物對(duì)山地城市雨水花園脫氮除磷效能影響研究

崔野

摘要：針對(duì)雨水徑流中的氮磷污染，采用溝葉結(jié)縷草、狗牙根、假儉草、巴哈雀稗、地毯草等5種重慶市常見(jiàn)的本土草本植物，構(gòu)建雨水花園，通過(guò)開(kāi)展?jié)B透率試驗(yàn)、脫氮試驗(yàn)及除磷試驗(yàn)，考察了這5種植物對(duì)初期徑流中的氮磷去除效能。結(jié)果表明：① 植被可以有效緩解介質(zhì)層的堵塞現(xiàn)象;② 5種草本植物構(gòu)建的雨水花園均可有效去除雨水徑流中的氮素（75%～95%），且干濕條件對(duì)植株成熟后的雨水花園脫氮效能影響不大;③ 雖然雨水花園的出水中仍存在較高濃度的總磷，但是出水總磷均為顆粒態(tài)磷，其生物可利用性能不高。綜合比較，溝葉結(jié)縷草和狗牙根組脫氮除磷性能好，植株發(fā)育快，可適應(yīng)不同的干旱濕潤(rùn)條件。

關(guān) 鍵 詞：雨水花園; 脫氮; 除磷; 水安全; 山地城市

中圖法分類號(hào)： X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.014

0 引 言

降雨徑流中的氮磷污染是導(dǎo)致河流、湖泊等水系產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一。常規(guī)的污水處理廠很難完全處理所有的降雨徑流，導(dǎo)致部分降雨徑流會(huì)直接排入水體中，加劇水污染情況。因此，有必要開(kāi)發(fā)綠色高效的雨水處理設(shè)施。

海綿城市可通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、管渠排水系統(tǒng)、內(nèi)澇防治系統(tǒng)和防洪系統(tǒng)構(gòu)建現(xiàn)代雨洪管理體系，有效控制徑流污染、削減徑流峰值和徑流總量[1]。其中，低影響開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是海綿城市建設(shè)的重要組成部分，也是現(xiàn)代雨水管理體系中非常具有代表性的一種生態(tài)技術(shù)措施[2-3]。常用的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)有：生物滯留、下沉式綠地、植被淺溝、透水鋪裝等。其中，生物滯留設(shè)施因其高效的雨水自然凈化與處理特性，成為應(yīng)用最廣泛的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)之一[4]。根據(jù)設(shè)施外觀、大小、建造位置和適用范圍，生物滯留設(shè)施可分為雨水花園、生物滯留帶、高位花壇和生態(tài)樹(shù)池等[5]。雨水花園主要應(yīng)用于居民區(qū)、公園、學(xué)校等，外表與普通花園類似，可根據(jù)場(chǎng)地和景觀要求呈任意不規(guī)則形狀。隨著中國(guó)海綿城市建設(shè)的大規(guī)模開(kāi)展，雨水花園已成為優(yōu)先推選的技術(shù)措施之一。

雨水花園通過(guò)在低洼地短暫蓄水，利用植物、填料、微生物間的物理、化學(xué)、生物作用滯蓄和凈化雨水。何強(qiáng)等[6]研究顯示，在雨水徑流當(dāng)中，氮賦存形態(tài)以無(wú)機(jī)氮為主，其占TN的63%～82%，而有機(jī)氮在生物滯留系統(tǒng)中最終也會(huì)被分解為無(wú)機(jī)氮，因此雨水花園對(duì)氮的去除主要是通過(guò)氨態(tài)（NH4+-N）的物理吸附和硝化作用以及硝態(tài)氮（NO3--N）的反硝化作用[7]，另外各類植物對(duì)NH4+-N有很好的去除效能。實(shí)際徑流雨水中的磷可分為顆粒態(tài)磷（PP）和溶解態(tài)磷（DP）。Liu等[8]研究表明，雨水花園通過(guò)表層土壤的過(guò)濾便可有效去除PP，而DP的去除則是填料、植物以及相關(guān)微生物共同作用的結(jié)果。

植物在雨水花園中發(fā)揮著重要作用[9]，其根部和葉片能改善系統(tǒng)的水力性能，提高滲透速率[10]、促進(jìn)蒸騰作用、延緩堵塞情況等。Liste等[11]研究發(fā)現(xiàn)，粗根的植物能有效減少堵塞，這對(duì)維持土壤多孔性和排水能力有重要作用;植物根系還可直接吸收營(yíng)養(yǎng)元素并降解有機(jī)物，如氮素、重金屬、有機(jī)物等。Jennifer等[12]研究發(fā)現(xiàn)栽種植物的濾池對(duì)污染物的凈化能力明顯高于無(wú)植物的濾池;植物根系分泌物和龐大的比表面積為微生物生長(zhǎng)提供了能源和附著場(chǎng)所，微生物活動(dòng)有助于營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了植物的吸收利用。此外，根系發(fā)達(dá)呈度會(huì)對(duì)氮、磷的去除率產(chǎn)生 20%～37%差異[4]。但是，以上文獻(xiàn)并沒(méi)有考慮不同植物種類的影響，或者沒(méi)有考慮干濕交替條件下，草本植物種類對(duì)雨水花園脫氮除磷效能的影響。重慶市作為第一批海綿城市的試點(diǎn)城市之一，具有明顯的山地城市特征（降雨集中且地勢(shì)坡度大，沖刷現(xiàn)象明顯）。現(xiàn)有的研究對(duì)山地城市雨水花園構(gòu)建的參考價(jià)值有限。

而針對(duì)山地城市的不同草本植物種類對(duì)雨水花園脫氮除磷效能影響的研究更是空白?；诖?，本研究選取了5種重慶市本地草本植物構(gòu)建雨水花園，通過(guò)對(duì)水文特性與污染物去除效能的考察，對(duì)不同植物的雨水花園進(jìn)行了綜合評(píng)估，篩選出最佳植物，研究結(jié)果可為雨水花園的植物選擇與脫氮除磷特性的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用高800 mm，直徑150 mm的雨水花園柱，下部為PVC材料，上部（200 mm）采用透明有機(jī)玻璃，以便觀測(cè)植物生長(zhǎng)和水流情況。選取重慶市常見(jiàn)的溝葉結(jié)縷草、狗牙根、假儉草、巴哈雀稗、地毯草作為試驗(yàn)植物。雨水花園介質(zhì)層由上至下分別為沙壤土、粗砂以及礫石（見(jiàn)圖1）。每種草設(shè)置3個(gè)柱子，并設(shè)置3個(gè)無(wú)植物柱作為對(duì)照組，共計(jì)18個(gè)柱子。

2018年4月上旬栽種植物，栽種植物后，先用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)植物一段時(shí)間，同時(shí)用自來(lái)水澆灌2個(gè)月（每次3.0 L），淋洗出裝置中殘留的本底營(yíng)養(yǎng)物，以避免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

1.2 試驗(yàn)進(jìn)水

采用雨水池的沉積物和相關(guān)化學(xué)藥劑模擬真實(shí)雨水，根據(jù)重慶市年平均降雨量計(jì)算。2018年6～9月每周二和周五，以及10～11月每2周向柱子注入 4.6 L半合成雨水，保證雨水花園進(jìn)水水量、水質(zhì)盡量接近自然雨水。將雨水池底部的沉積物篩分至1 mm，并與脫氯自來(lái)水混合，以達(dá)到模擬TSS的目的。其他雨水水質(zhì)指標(biāo)如COD、總氮、總磷等采用葡萄糖、煙酸、磷酸氫鉀等進(jìn)行配置，模擬雨水的水質(zhì)如表1所列。

1.3 采樣與指標(biāo)檢測(cè)

從2018年6月上旬開(kāi)始，模擬重慶市濕潤(rùn)期（6～9月，每周二和周五各進(jìn)水1次）和干旱期（10～11月，每2周進(jìn)水1次）條件，探究各雨水花園系統(tǒng)對(duì)氮、磷的去除效能。整個(gè)試驗(yàn)期間進(jìn)行6次抽樣（6月17日、7月31日、9月11日、10月9日、10月23日和11月6日），測(cè)試進(jìn)、出水中氮、磷等指標(biāo)，并于6月17日、7月31日、9月11日和10月23日測(cè)試雨水花園滲透率指標(biāo)。具體測(cè)試指標(biāo)和方法如表2所列。試驗(yàn)期間，根據(jù)實(shí)際情況修剪草株。

2 結(jié)果與討論

2.1 草種對(duì)雨水花園滲透率的影響

草種對(duì)雨水花園堵塞行為的影響如圖2所示。2018年6～8月，所有種植組土壤滲透率均略有增加，而2018年8～11月，所有種植組土壤滲透率均顯著增加。該現(xiàn)象的原因可能是隨著時(shí)間推移，土壤中草類根系逐漸發(fā)達(dá)，使得介質(zhì)內(nèi)部松動(dòng)，提高了土壤的滲透性能。同時(shí)，在所有植物中，溝葉結(jié)縷草對(duì)雨水花園滲透率的強(qiáng)化作用最明顯。隨著時(shí)間推移，非植被柱的滲透率由408 mm/h逐漸下降至286 mm/h，這主要是由于雨水中的沉積物在雨水花園介質(zhì)中緩慢積累導(dǎo)致的。在10月23日最后一次測(cè)試中，假儉草組的滲透率明顯低于其他4組，較慢的生長(zhǎng)速度導(dǎo)致其在干旱期到來(lái)時(shí)并沒(méi)有完全成熟，進(jìn)而導(dǎo)致干旱期部分假儉草死亡，從而影響了系統(tǒng)的滲透率?？傮w來(lái)說(shuō)，種植組的土壤滲透率均明顯高于未種植組，表明植被在雨水花園系統(tǒng)中對(duì)緩解堵塞等相關(guān)問(wèn)題方面的積極作用，這與前人的研究結(jié)果一致[19-20]。

應(yīng)當(dāng)注意的是，試驗(yàn)中測(cè)得的滲透率（見(jiàn)圖2）可能較實(shí)際雨水花園偏高。在實(shí)際雨水花園運(yùn)行過(guò)程中，由車(chē)輛或人流造成的壓實(shí)、垃圾堆積等因素均會(huì)增加介質(zhì)的密實(shí)度，從而降低雨水花園整體的滲透率。因此，需要通過(guò)合理的管控措施減少這些不利條件對(duì)雨水花園的影響。

2.2 草種對(duì)雨水花園脫氮除磷效能的影響

2.2.1 TN去除效果

植物是影響雨水花園脫氮的主要因素之一，Payne等的研究表明，雨水花園中植物對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率最高可達(dá)90%以上[21]。不同草種條件下雨水花園對(duì)TN的去除效能隨時(shí)間的變化如圖3所示?？傮w來(lái)說(shuō)，種植組的TN去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非種植組，表明植物對(duì)雨水花園TN的去除有促進(jìn)作用，這主要是由于植物通過(guò)根系的泌氧作用，改變了土壤基質(zhì)的微環(huán)境，形成好氧、缺氧環(huán)境進(jìn)行硝化、反硝化作用，從而實(shí)現(xiàn)脫氮過(guò)程[22]。在6月17日的樣品中，TN的去除率很低，5種植物組的TN去除率在20.31%～47.62%之間，這主要是因?yàn)椴蓊惾栽谏L(zhǎng)期，但仍高于未種植組的15.21%。與其他植物相比，狗牙根和溝葉結(jié)縷草在種植12周后（6月17日）表現(xiàn)出更高的TN去除率（分別為47.62%和45.11%），這可能是因?yàn)檫@2種草類在前12周生長(zhǎng)較快所致。種植24周后，隨著各草類植物逐漸成熟，各組的TN去除率均達(dá)到了75%以上（除假儉草組外，70.34%）。因此在夏季濕潤(rùn)期，雨水花園的TN去除效能隨時(shí)間逐漸升高，這與草類植物的成熟程度有關(guān)。

在干旱期（每2周進(jìn)水一次），除了假儉草組外，4個(gè)種植組TN去除效能略有降低，但TN去除率仍能保持在70%以上，說(shuō)明干旱對(duì)雨水花園系統(tǒng)的脫氮性能并沒(méi)有顯著影響。在第5，6次（10月23日和11月6日）樣品中，假儉草組的TN去除率由70.34%降低至10.26%和-21.69%。第5，6次采樣分別發(fā)生于干旱期的第四周和第六周，干旱期可能導(dǎo)致生長(zhǎng)較緩慢的假儉草部分根系死亡，從而導(dǎo)致過(guò)量的TN從根系及雨水花園介質(zhì)中浸出，這也是第六周假儉草組出現(xiàn)出水TN高于進(jìn)水TN的原因。

總體來(lái)講，種植組TN去除率遠(yuǎn)高于未種植組，而干旱條件對(duì)已成熟的植物組的TN去除效能影響不大。

2.2.2 氨態(tài)氮和硝態(tài)氮去除效果

雨水花園主要通過(guò)介質(zhì)層吸附、植物吸收以及微生物的硝化作用去除NH4+-N[23]。如圖4（a）所示，濕潤(rùn)與干旱對(duì)雨水花園NH4+-N去除效能的影響較小。所有組的NH4+-N去除率都很高，出水NH4+-N濃度基本維持在1.0 mg/L以下。種植組的NH4+-N去除效能略高于非種植組，這可能是因?yàn)橹参镂找约案滴⑸锔患瘜?dǎo)致的[24]。在濕潤(rùn)期，狗牙根和溝葉結(jié)縷草組展現(xiàn)出了良好的NH4+-N去除效能，最低出水濃度僅為0.19 mg/L和0.28 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率高達(dá)95.38%和93.19%。在干旱期，假儉草組NH4+-N出水濃度較濕潤(rùn)期有所增加，這可能是因?yàn)椴糠种参锼劳?，從而吸收、同化NH4+-N的能力減弱所致。另外，植物死亡造成介質(zhì)層滲透率降低，雨水流入后形成短暫的厭氧條件，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明腐爛的根在厭氧環(huán)境中會(huì)轉(zhuǎn)化成NH4+-N[25]，這也是造成出水NH4+-N濃度升高的原因之一。

在一定程度上，NO3--N的去除決定了系統(tǒng)TN的去除效能。不同植物組NO3--N的去除效能如圖4（b）所示。由圖可知，植物對(duì)雨水花園NO3--N的去除具有促進(jìn)作用。第1次采樣（運(yùn)行12周）的數(shù)據(jù)顯示各組的出水NO3--N濃度高于進(jìn)水濃度，這是因?yàn)槲⑸锏南趸饔迷黾恿擞晁械腘O3--N濃度，而此時(shí)植物并未完全成熟，對(duì)NO3--N的吸收能力不足;同時(shí)雨水花園中微生物種群密度也沒(méi)有達(dá)到峰值，因此反硝化能力相對(duì)較弱，造成出水NO3--N濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象。隨著各組植物逐漸發(fā)育成熟，第18周后（7月31日）除假儉草組外的4組植物組在進(jìn)水的出水NO3--N濃度達(dá)到2.0 mg/L左右，進(jìn)水24周后（9月11日）它們的出水NO3--N濃度基本低于1.0 mg/L。其中，狗牙根和溝葉結(jié)縷草組因成熟較快，較早獲得良好的NO3--N去除能力。因?yàn)榧賰€草組生長(zhǎng)較緩慢，因此其N(xiāo)O3--N去除能力相對(duì)較弱。結(jié)果表明：草坪的生長(zhǎng)速度是雨水花園脫氮的關(guān)鍵，當(dāng)草坪成熟后，草種對(duì)系統(tǒng)脫氮效能的影響不顯著。因此，在實(shí)際雨水花園草種的選擇上，應(yīng)綜合考慮草坪成熟時(shí)間、價(jià)格以及養(yǎng)護(hù)等因素。

2.2.3 除磷效能

生物滯留體系通?？梢杂行コ晁械腡P，其機(jī)理主要是通過(guò)物理作用吸附、截留磷酸鹽與相關(guān)陽(yáng)離子形成的沉積物[26]，另外植物根系也可以吸收部分無(wú)機(jī)磷，減少雨水中的TP濃度。為了驗(yàn)證草本植物雨水花園中的TP去除效能，分別在濕潤(rùn)期（9月）和干旱期（10月）進(jìn)行采樣測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在濕潤(rùn)期（9月11日），TP去除率相對(duì)干旱期較高，去除率從20.00%（假儉草組）到53.85%（非種植組），而活性磷去除率從34.78%到82.61%。在干旱期（第30周），TP去除率為-11.76%（假儉草組）到27.94%（非種植組）?；钚粤兹コ蕿?7.14%到85.71%。和上節(jié)脫氮效能相似，干旱期部分假儉草死亡導(dǎo)致出水TP濃度高于進(jìn)水濃度。與非種植組相比，部分種植組去除效能較差，可能是植物質(zhì)的浸出或者植物根系分泌有機(jī)物的淋失所致[26]?？傮w來(lái)說(shuō)，該試驗(yàn)的雨水花園可以有效去除進(jìn)水中的活性磷。

如圖6所示，大部分溶解性磷以活性磷的形式存在，出水中顆粒形態(tài)的磷約占TP的70%～80%。因此，本試驗(yàn)中雨水花園對(duì)TP去除性能不佳的原因極有可能是因?yàn)橛晁▓@填料中的沙壤土以及死亡植物組織的吸附作用產(chǎn)生了大量顆粒形態(tài)的磷[27]，而這種顆粒形態(tài)的磷往往難以被生物有效利用，同時(shí)由于雨水花園填料滲透率過(guò)高的問(wèn)題導(dǎo)致了顆粒形態(tài)磷的大量浸出。因此經(jīng)過(guò)處理后的TP可以最大限度地降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)可以通過(guò)對(duì)雨水花園的填料組成以及配比進(jìn)行更加深入的研究，篩選出最佳的填料組成配比，減少顆粒形態(tài)磷的浸出。

3 結(jié)論及建議

（1） 脫氮方面，5類植物組的TN去除率均可達(dá)到75%以上，草種的生長(zhǎng)速度對(duì)系統(tǒng)脫氮效能影響顯著，而干濕條件對(duì)植株成熟的系統(tǒng)脫氮效能影響不大。另外，滲透率測(cè)試結(jié)果表明，植被可有效緩解雨水花園系統(tǒng)中出現(xiàn)的堵塞問(wèn)題。

（2） 除磷方面，干濕條件對(duì)系統(tǒng)除磷效能影響顯著，這與系統(tǒng)土壤吸附截留和植物根系作用有關(guān)。系統(tǒng)對(duì)活性磷去除效能較高，出水中TP主要為顆粒形態(tài)的磷，成功降低雨水中磷的生物可利用性，能最大限度地降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 總體來(lái)說(shuō)，5種植物中，溝葉結(jié)縷草和狗牙根組成熟快，干濕條件下均具有較高的脫氮除磷性能。后續(xù)試驗(yàn)將對(duì)填料的組成以及配比進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高TP的去除率。另外，本研究并沒(méi)有考慮雨水中重金屬（如鐵、銅等）對(duì)植物的影響，后續(xù)將增加該部分研究。

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（編輯：黃文晉）

Effects of plants on nitrogen and phosphorus removal efficiency in mountainous urban rain gardens

CUI Ye

（Real Estate Development Corporation Limited of CE20G，Chongqing 401336，China）

Abstract：

Aiming at reducing the nitrogen and phosphorus pollution brought by rainwater，five native herbaceous plants of Chongqing City，including Zoysia matrella，Cynodon dactylon，Eremochloa ophiuroides，Bahiasgrass，and Axonopus compressus，were selected to investigate the removal efficiency of nitrogen and phosphorus in the initial runoff at rain gardens by leakage rate test and nitrogen and phosphorus removal test.The results showed that plants can ease the blockage in the medium layer.All of the five plants have good nitrogen removal efficiency in the rain gardens （removal rate up to 75%～95%），and the alternating wet and dry conditions have little effect on the denitrification process after the plants became mature.For the phosphorus removal，the discharge water from rain gardens still have high concentration phosphorus，however the form is particulate phosphorus that can hard be utilized by organism.Zoysia matrella and Cynodon dactylon have a good performance in nitrogen and phosphorus removal，and can adapt to the alternating wet and dry conditions.This result can provide technical support for the construction of rain gardens in sponge cities and the theory of nitrogen and phosphorus removal.

Key words：

rain garden;nitrogen removal;phosphorus removal;water security;mountainous city