植物對黃土分布區(qū)生物滯留系統(tǒng)長期除氮功能的影響

王洪浩，趙 凡，李京玲

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

伴隨著城市化的快速發(fā)展，引發(fā)了一系列水問題，如水生態(tài)平衡失調(diào)、雨水徑流污染、洪澇災(zāi)害增多等[1]。生物滯留系統(tǒng)由于其能夠?qū)崿F(xiàn)水文削峰，提高徑流水質(zhì)，并提供美學(xué)和生態(tài)效益，因此在全世界雨洪管理中得到廣泛應(yīng)用[2]。植物作為雨水生物滯留系統(tǒng)中的組成部分，在控制徑流營養(yǎng)鹽去除方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，與沒有植被的生物滯留系統(tǒng)相比，有植被的系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的氮、磷去除效果[3]。

中國黃土主要分布于中西部地區(qū)，山西作為黃土集中連續(xù)分布的主要區(qū)域，其黃土具有明顯的濕陷性特征[4]，濕陷性黃土?xí)χ参?、微生物的生長以及氮素的去除效率產(chǎn)生影響[5]，山西作為半干旱區(qū),由于氣象條件、植被條件、徑流條件等的差異，也可能會對氮素的去除和遷移轉(zhuǎn)化造成影響[6],使得雨水生物滯留系統(tǒng)內(nèi)植物的選擇不同于其他地區(qū)。然而現(xiàn)階段對于黃土分布區(qū)生物滯留系統(tǒng)的研究主要集中在填料的改良和黃土入滲性能的研究[7,8]，很少有人探究不同植物對黃土分布區(qū)生物滯留系統(tǒng)除氮功能的影響。另一方面，現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對植物的研究主要集中在植物的種類和植物的性狀對去除雨水徑流中氮素的貢獻[9-11]，并篩選出大量能高效去除氮素的植物，但沒有進一步探究植物的種類和性狀如何影響生物滯留填料中氮素分布來提高系統(tǒng)對氮素的去除效果，這有利于理解和預(yù)測生物滯留系統(tǒng)的長期性能，并有助于探究植物對氮素去除的影響機制。

因此本文通過因地制宜選擇合適的植物種類，以山西本地黃土和河沙作為填料，通過研究不同植物處理下填料中氮素的分布以及進水氮素的去除效果并進行氮的平衡性分析，探究植物對生物滯留系統(tǒng)長期除氮功能的影響，篩選出適宜構(gòu)建黃土分布區(qū)海綿城市建設(shè)的優(yōu)勢植物。這對實現(xiàn)黃土分布區(qū)雨水生物滯留系統(tǒng)氮素污染去除，雨水資源化利用和水環(huán)境保護具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據(jù)黃土分布區(qū)的土壤和氣候條件，綜合植物的景觀效果，選擇馬藺、萱草、八寶景天和金色麥冬4種本土草本植物為供試植物，同時設(shè)置無植物對照組，共5種處理。填料均采用本地黃土和河沙按照一定的比例配成。

1.2 試驗裝置

如圖1 所示，采用DN200 的有機玻璃管自制10 套生物滯留系統(tǒng)模擬裝置，柱體高650 mm。裝置自上而下依次為積水區(qū)（150 mm）、填料層（400 mm）、排水層（100 mm），底部排水口均為DN10 的有機玻璃管。此外，填料層由黃土和河沙以體積比為6：4比例配成，排水層使用1～2 mm的粗砂和3～6 mm 礫石構(gòu)成，填料層和排水層之間放置透水土工布防止材料泄露。柱子的內(nèi)壁經(jīng)過磨砂處理，以盡量減少優(yōu)先流動的影響。處理組分別種植馬藺、萱草、八寶景天和金色麥冬，處理組和無植物對照組均設(shè)兩組平行樣。

圖1 生物滯留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of bioretention system structure

1.3 試驗方案

（1）進水水量和水質(zhì)。本試驗選取匯水面積與生物滯留池表面積之比為10:1[12]，暴雨重現(xiàn)期為1 a，降雨歷時為60 min，根據(jù)太原市暴雨公式[13]求得試驗?zāi)M的徑流量為5.44 L。根據(jù)太原市典型道路雨水水質(zhì)監(jiān)測的相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果[14]人工配制模擬雨水徑流，水質(zhì)指標與濃度見表1。

表1 模擬雨水徑流水質(zhì)Tab.1 Simulated rain-runoff water quality

（2）試驗過程。2021年5月完成裝置的制作，在試驗啟動前，進行為期4周的自來水進水，目的是為了沖洗填料中固有營養(yǎng)成分，同時培養(yǎng)裝置中的植物和微生物系統(tǒng)，并且需要定期檢查裝置出水水質(zhì)，使試驗啟動前出水水質(zhì)保持穩(wěn)定。試驗開始后，每7天一個周期進水5.44 L，共進水8次。

（3）樣品采集和測定。水樣采集及分析方法：在出水口采集水樣同時測量出水體積，每個樣品采樣量約100 mL。水樣TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，NO3--N 采用離子色譜儀測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定。

土樣采集及分析方法：為了探究不同植物處理下填料中氮素隨運行時間的變化情況，在第2次、第4次、第6次、第8次進水前，采用土壤采樣器每隔5 cm 分層采集土壤樣品，并均勻采集試驗前后土壤樣品。土壤NO3--N 采用離子色譜儀測定，土壤NH4+-N 采用靛酚藍比色法測定，土壤TN 采用半微量凱氏定氮法測定。。

植物收集及分析方法：試驗結(jié)束后小心取出待測植物，用去離子水清洗干凈，觀察記錄植物的地上結(jié)構(gòu)形態(tài)和根部結(jié)構(gòu)形態(tài)并測量根長；生物量采用烘干法測定，植物TN 采用半微量凱氏定氮法測定。

1.4 計算方法

按照美國ASCE—EPA 數(shù)據(jù)庫所推薦的物質(zhì)去除效率法來計算氮素去除率：

式中：Rc為氮素去除率，%；V進水為進水體積，L；V出水為出水體積，L；c進水為進水氮素濃度，mg／L；c出水為出水氮素濃度，mg／L。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物對填料NH4+-N 分布和進水NH4+-N 去除率的影響

2.1.1 植物對填料NH4+-N分布的影響

不同植物處理下填料NH4+-N 分布隨運行時間的變化情況如圖2 所示。虛線表示填料中NH4+-N 的初始含量為1.28 mg∕kg。由圖2可知，第2次、第4次、第6次、第8次進水前各系統(tǒng)填料NH4+-N 平均含量分別為1.16～1.18、1.03～1.08、0.79～0.85、0.64～0.72 mg∕kg，第8 次進水前，各系統(tǒng)填料NH4+-N平均含量為初始含量的50%～56%。

圖2 不同植物處理下填料中NH4+-N含量隨運行時間變化Fig.2 the content of NH4+-N in the filler varied with running time under different plant treatments

不同植物處理NH4+-N 分布差異不大且含量較低，這可能是因為負責硝化作用的微生物活性并不強烈依賴于植物[15]，降雨結(jié)束后填料中的孔隙與空氣接觸面積較大，硝化細菌和亞硝化細菌在上層區(qū)域好氧條件下使NH4+-N 發(fā)生硝化反應(yīng)形成NO3--N[16]。各系統(tǒng)填料中的NH4+-N 含量隨運行時間增加而減少，可能是因為隨著系統(tǒng)運行時間增加以及溫度升高，負責硝化作用的微生物數(shù)量增加和活性增強[17]，導(dǎo)致更多的NH4+-N通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N。

2.1.2 對NH4+-N的影響

不同植物處理下的NH4+-N 去除率及出水濃度隨運行時間的變化情況如圖3 所示。由圖3 可知，在整個試驗運行期間，5種處理平均去除率由高到低依次為：八寶景天（91.84%）＞無植物（91.65%）＞金色麥冬（91.30%）＞萱草（90.79%）＞馬藺（87.90%），去除率分別為89.71%～93.90%、90.07%～94.15%、90.24%～93.95%、90.13%～91.90%、85.16%～91.55%。隨運行時間的增加，馬藺處理下NH4+-N 的去除率從第四次逐漸下降，其余各處理對NH4+-N 的去除率差別不大，且隨運行時間的延長較為穩(wěn)定。

圖3 不同植物處理下NH4+-N去除率及出水濃度隨運行時間的變化Fig.3 Changes of NH4+-N removal rate and effluent concentration with running time under different plant treatments

由于填料對NH4+-N 的吸附能力較強，使得進入系統(tǒng)中的NH4+-N 容易被被填料所吸附，并且由于系統(tǒng)未設(shè)置淹沒區(qū)，系統(tǒng)中氧氣較為充足，NH4+-N 易通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，所以各系統(tǒng)對NH4+-N 均有較高去除率，不依賴于植物。馬藺相對于其他植物具有較長的根系，試驗后期根系基本貫穿整個填料層（見表2），一部分雨水徑流可能沿著填料中植物的根系產(chǎn)生優(yōu)先流，造成NH4+-N 出水濃度升高去除率下降，與SKOROBOGATOV[18]的結(jié)果類似。

表2 供試植物的生理指標Tab.2 Physiological indexes of tested plants

2.2 植物對填料NO3--N 分布和系統(tǒng)NO3--N 去除率的影響

2.2.1 植物對NO3--N分布的影響不同植物處理下填料NO3--N 分布隨運行時間的變化情況如圖4 所示。虛線表示填料中NO3--N 的初始含量為4.48 mg∕kg。由圖4 可知，各階段填料中的NO3--N 含量始終表現(xiàn)為無植物＞金色麥冬＞萱草＞八寶景天＞馬藺，第2 次、第4 次、第6次、第8次進水前各系統(tǒng)填料NO3--N平均含量分別為4.69～5.00、4.92～5.63、3.92～5.92、2.99～5.99 mg∕kg。第8 次進水前，馬藺、萱草、八寶景天填料中的NO3--N 含量顯著低于初始含量，分別為初始含量的66.6%、81.6%和77.3%，無植物和金色麥冬填料中的NO-3-N 含量顯著高于初始含量，為初始含量的133.7%和126.5%。

圖4 不同植物處理下填料中NO3--N含量隨運行時間變化Fig.4 The content of NO3--N in the filler varied with running time under different plant treatments

降水結(jié)束后，吸附在填料顆粒上的NH4+-N 通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N，植物可以在兩次進水期間吸收填料中的NO3--N，使填料中的NO3--N含量保持在較低的水平。從圖4可以看出系統(tǒng)運行前期由于植物生長緩慢，植物對填料中的NO3--N吸收能力較弱，運行前期各系統(tǒng)填料中的NO3--N 含量隨運行時間增加而增加。后期隨著植物的生長以及微生物的繁殖，使得植物吸收和微生物的固化作用增強，在第6次進水前，馬藺、萱草、八寶景天填料中的NO3--N 含量低于初始含量，并且隨運行時間增加繼續(xù)減少。金色麥冬由于根系不發(fā)達且生物量增長緩慢對NO3--N 吸收能力弱，在整個試驗運行期間，金色麥冬和無植物組填料中的NO3--N 含量隨運行時間增加而增加，遠高于其他系統(tǒng)。同時從表2可以看出，植物的根系越長，越有利于對填料層NO3--N 的吸收，所在系統(tǒng)的填料層NO3

--N 含量越低。試驗結(jié)束后，馬藺根系基本貫穿整個填料層，所以試驗后期馬藺整個填料層NO3--N 含量都處在一個較低的水平；萱草和八寶景天根系主要集中在上部，所以填料層上部NO3

--N含量較低下部NO3--N含量較高；金色麥冬在移植后，生物量增長緩慢且根系短小不發(fā)達，填料層中NO3--N含量較高。這與植物對NO3--N 的去除與植物的根系長度，根生物量，根系深度等有密切關(guān)系的研究一致[10]。

2.2.2 對NO3--N的影響

不同植物處理下的NO3--N 去除率及出水濃度隨運行時間的變化情況如圖5 所示，由圖5 可知，在整個試驗運行期間，5種處理平均去除率由高到低依次為：馬藺（29.92%）＞八寶景天（14.88%）＞萱草（7.16%）＞金色麥冬（-13.9%）＞無植物（-24.19%），去除率分別為17.27%～35.96%，-3.85%～30.29%，-14.64%～30.98%，-34.46%～27.61%，-42.14%～27.72%。其中無植物組和金色麥冬去除率隨運行時間增加快速降低，從第5次進水開始趨于穩(wěn)定；馬藺、萱草、八寶景天去除率隨運行時間增加先降低后升高，從第5 次進水開始回升。不同植物處理下NO3--N 的去除率有顯著差異（P＜0.05），這表明不同植物處理會影響生物滯留系統(tǒng)中NO3--N 的去除效果。

圖5 不同植物處理下NO-3-N去除率及出水濃度隨運行時間的變化Fig.5 Changes of NO3--N removal rate and effluent concentration with running time under different plant treatments

各系統(tǒng)前期NO3--N 的去除率都出現(xiàn)一定程度的下降，這可能是由于填料吸附的NH+4-N 轉(zhuǎn)化為NO3--N，試驗運行前期植物生長緩慢對NO3--N 的吸收能力較弱，造成各系統(tǒng)填料中NO3--N 含量較高，試驗進水過程中出現(xiàn)NO3--N 的淋溶[19]。馬藺、萱草、八寶景天所在的系統(tǒng)隨著植物的生長、根系分泌物增多和微生物的繁殖，使得植物吸收和微生物的固化作用和反硝化作用增強，填料中的NO3--N含量降低，NO3--N去除率有所提高。無植物組不存在植物吸收而金色麥冬對填料中的NO3--N 吸收能力弱，填料中積累了大量的NO3--N，易隨雨水徑流流出系統(tǒng)，導(dǎo)致金色麥冬和無植物組對NO3--N 的去除率顯著低于其他系統(tǒng)，甚至出現(xiàn)NO3--N的去除率為負。

相比于金色麥冬和無植物組，其他3種處理植物生長狀態(tài)良好，可以通過長期吸收填料中的NO3--N，使得生物滯留系統(tǒng)保持長久且較為穩(wěn)定的NO3--N去除效果。

2.2.3 系統(tǒng)填料NO3--N含量對NO3--N出水濃度的影響

由圖6 可以看出，將各系統(tǒng)每個階段進水前填料NO3--N含量與對應(yīng)的出水徑流NO3--N 濃度進行相關(guān)性分析，兩者之間顯著正相關(guān)（P＜0.01，R2=0.679）。證明植物通過影響填料中NO-3-N 的含量對系統(tǒng)NO3--N 的出水濃度產(chǎn)生了很大的影響。植物可以在兩次降雨期間吸收填料中的N 元素尤其是NO3--N，使得進水前填料NO3--N 含量處于一個較低的水平，這是植物組的去除效果和除氮穩(wěn)定性大于無植物組的重要原因。

圖6 填料NO3--N含量對NO3--N出水濃度的影響Fig.6 Effect of FillerNO3--N content on NO3--N effluent concentration

2.3 氮的平衡性分析

根據(jù)試驗期間各系統(tǒng)中進出水TN 含量和體積、填料TN累積量和植物TN 吸收量，遵循物料守恒原理可間接估算TN經(jīng)反硝化去除的總量，從而繪制出各系統(tǒng)中進水TN 在多介質(zhì)中的歸趨情況。如圖7 所示，各系統(tǒng)出水為進水TN 的主要歸趨路徑，歸趨比例由大到小表現(xiàn)為：無植物（74%）＞金色麥冬（69%） ＞萱 草（62%） ＞八 寶 景 天（56%） ＞馬藺（49%），出水TN的歸趨比例越小，越有利于TN的去除。植物吸收TN 的歸趨比例表現(xiàn)為：八寶景天＞馬藺＞萱草＞金色麥冬，由表2可知，植物的干生物量同樣表現(xiàn)為：八寶景天＞馬藺＞萱草＞金色麥冬，可以看出植物的干生物量越大，植物吸收TN 的歸趨比例越大。植物的反硝化主要與植物的根系有關(guān)，根系越長越發(fā)達越有利于反硝化作用的進行，發(fā)達的根系一方面可以影響根際微生物群落提升系統(tǒng)的反硝化能力[3]，另一方面有研究證明根系分泌物可以充當碳源有利于反硝化作用的進行[15]，馬藺相比于其他植物，根系長且細密發(fā)達，所以反硝化作用最強。各系統(tǒng)填料累積對于TN 去除的貢獻率較小，由于無植物系統(tǒng)和金色麥冬相對于其他系統(tǒng)NO3--N 積累量較高（見圖3），所以無植物和金色麥冬填料TN 累積歸趨比例高于其他系統(tǒng)。

圖7 進水TN在各介質(zhì)中的歸趨比例Fig.7 Return proportion of influent TN in each medium

植物處理相對于無植物，TN 在反硝化和植物吸收中的歸趨比例顯著提高，馬藺和八寶景天處理由于可以顯著提高系統(tǒng)的反硝化和植物吸收能力，降低出水TN 的歸趨比例，是黃土分布區(qū)海綿城市建設(shè)的優(yōu)勢植物。

3 結(jié) 論

（1）與無植物相比，馬藺、萱草、八寶景天、金色麥冬處理對填料中NH4+-N 的分布影響不顯著；NH4+-N 去除率大小均表現(xiàn)為：八寶景天（91.84%）＞無植物（91.65%）＞金色麥冬（91.30%）＞萱草（90.79%）＞馬藺（87.90%），分別比馬藺高出3.94%、3.75%、3.40%、2.89%。

（2）不同植物處理對填料中NO3--N 的分布有顯著影響，植物根系越長，填料NO3--N 含量越低；NO3--N 去除率大小均表現(xiàn)為：馬藺＞八寶景天＞萱草＞金色麥冬＞對照組，分別比對照組高出54.11%、39.07%、31.35%、10.29%；進水前系統(tǒng)填料NO3--N 含量與NO3--N 出水濃度顯著正相關(guān)（P＜0.01，R2=0.679）。

（3）出水TN 歸趨比例由大到小表現(xiàn)為：無植物（74%）＞金色麥冬（69%）＞萱草（62%）＞八寶景天（56%）＞馬藺（49%），出水TN的歸趨比例越小，越有利于TN的去除。