植物對山地城市雨水花園脫氮除磷效能影響研究

崔野

摘要：針對雨水徑流中的氮磷污染，采用溝葉結縷草、狗牙根、假儉草、巴哈雀稗、地毯草等5種重慶市常見的本土草本植物，構建雨水花園，通過開展滲透率試驗、脫氮試驗及除磷試驗，考察了這5種植物對初期徑流中的氮磷去除效能。結果表明：① 植被可以有效緩解介質層的堵塞現象;② 5種草本植物構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磷，其生物可利用性能不高。綜合比較，溝葉結縷草和狗牙根組脫氮除磷性能好，植株發育快，可適應不同的干旱濕潤條件。

關 鍵 詞：雨水花園; 脫氮; 除磷; 水安全; 山地城市

中圖法分類號： X53

文獻標志碼： 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致河流、湖泊等水系產生富營養化的主要原因之一。常規的污水處理廠很難完全處理所有的降雨徑流，導致部分降雨徑流會直接排入水體中，加劇水污染情況。因此，有必要開發綠色高效的雨水處理設施。

海綿城市可通過低影響開發系統、管渠排水系統、內澇防治系統和防洪系統構建現代雨洪管理體系，有效控制徑流污染、削減徑流峰值和徑流總量[1]。其中，低影響開發系統是海綿城市建設的重要組成部分，也是現代雨水管理體系中非常具有代表性的一種生態技術措施[2-3]。常用的低影響開發技術有：生物滯留、下沉式綠地、植被淺溝、透水鋪裝等。其中，生物滯留設施因其高效的雨水自然凈化與處理特性，成為應用最廣泛的低影響開發技術之一[4]。根據設施外觀、大小、建造位置和適用范圍，生物滯留設施可分為雨水花園、生物滯留帶、高位花壇和生態樹池等[5]。雨水花園主要應用于居民區、公園、學校等，外表與普通花園類似，可根據場地和景觀要求呈任意不規則形狀。隨著中國海綿城市建設的大規模開展，雨水花園已成為優先推選的技術措施之一。

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

植物在雨水花園中發揮著重要作用[9]，其根部和葉片能改善系統的水力性能，提高滲透速率[10]、促進蒸騰作用、延緩堵塞情況等。Liste等[11]研究發現，粗根的植物能有效減少堵塞，這對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養元素并降解有機物，如氮素、重金屬、有機物等。Jennifer等[12]研究發現栽種植物的濾池對污染物的凈化能力明顯高于無植物的濾池;植物根系分泌物和龐大的比表面積為微生物生長提供了能源和附著場所，微生物活動有助于營養元素的轉化，促進了植物的吸收利用。此外，根系發達呈度會對氮、磷的去除率產生 20%～37%差異[4]。但是，以上文獻并沒有考慮不同植物種類的影響，或者沒有考慮干濕交替條件下，草本植物種類對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城市之一，具有明顯的山地城市特征（降雨集中且地勢坡度大，沖刷現象明顯）。現有的研究對山地城市雨水花園構建的參考價值有限。

而針對山地城市的不同草本植物種類對雨水花園脫氮除磷效能影響的研究更是空白。基于此，本研究選取了5種重慶市本地草本植物構建雨水花園，通過對水文特性與污染物去除效能的考察，對不同植物的雨水花園進行了綜合評估，篩選出最佳植物，研究結果可為雨水花園的植物選擇與脫氮除磷特性的設計優化提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗采用高800 mm，直徑150 mm的雨水花園柱，下部為PVC材料，上部（200 mm）采用透明有機玻璃，以便觀測植物生長和水流情況。選取重慶市常見的溝葉結縷草、狗牙根、假儉草、巴哈雀稗、地毯草作為試驗植物。雨水花園介質層由上至下分別為沙壤土、粗砂以及礫石（見圖1）。每種草設置3個柱子，并設置3個無植物柱作為對照組，共計18個柱子。

2018年4月上旬栽種植物，栽種植物后，先用營養液培養植物一段時間，同時用自來水澆灌2個月（每次3.0 L），淋洗出裝置中殘留的本底營養物，以避免對試驗結果產生干擾。

1.2 試驗進水

采用雨水池的沉積物和相關化學藥劑模擬真實雨水，根據重慶市年平均降雨量計算。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，保證雨水花園進水水量、水質盡量接近自然雨水。將雨水池底部的沉積物篩分至1 mm，并與脫氯自來水混合，以達到模擬TSS的目的。其他雨水水質指標如COD、總氮、總磷等采用葡萄糖、煙酸、磷酸氫鉀等進行配置，模擬雨水的水質如表1所列。

1.3 采樣與指標檢測

從2018年6月上旬開始，模擬重慶市濕潤期（6～9月，每周二和周五各進水1次）和干旱期（10～11月，每2周進水1次）條件，探究各雨水花園系統對氮、磷的去除效能。整個試驗期間進行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），測試進、出水中氮、磷等指標，并于6月17日、7月31日、9月11日和10月23日測試雨水花園滲透率指標。具體測試指標和方法如表2所列。試驗期間，根據實際情況修剪草株。

2 結果與討論

2.1 草種對雨水花園滲透率的影響

草種對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。該現象的原因可能是隨著時間推移，土壤中草類根系逐漸發達，使得介質內部松動，提高了土壤的滲透性能。同時，在所有植物中，溝葉結縷草對雨水花園滲透率的強化作用最明顯。隨著時間推移，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中緩慢積累導致的。在10月23日最后一次測試中，假儉草組的滲透率明顯低于其他4組，較慢的生長速度導致其在干旱期到來時并沒有完全成熟，進而導致干旱期部分假儉草死亡，從而影響了系統的滲透率。總體來說，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中對緩解堵塞等相關問題方面的積極作用，這與前人的研究結果一致[19-20]。

應當注意的是，試驗中測得的滲透率（見圖2）可能較實際雨水花園偏高。在實際雨水花園運行過程中，由車輛或人流造成的壓實、垃圾堆積等因素均會增加介質的密實度，從而降低雨水花園整體的滲透率。因此，需要通過合理的管控措施減少這些不利條件對雨水花園的影響。

2.2 草種對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，雨水花園中植物對脫氮的貢獻率最高可達90%以上[21]。不同草種條件下雨水花園對TN的去除效能隨時間的變化如圖3所示。總體來說，種植組的TN去除率遠遠高于非種植組，表明植物對雨水花園TN的去除有促進作用，這主要是由于植物通過根系的泌氧作用，改變了土壤基質的微環境，形成好氧、缺氧環境進行硝化、反硝化作用，從而實現脫氮過程[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，這主要是因為草類仍在生長期，但仍高于未種植組的15.21%。與其他植物相比，狗牙根和溝葉結縷草在種植12周后（6月17日）表現出更高的TN去除率（分別為47.62%和45.11%），這可能是因為這2種草類在前12周生長較快所致。種植24周后，隨著各草類植物逐漸成熟，各組的TN去除率均達到了75%以上（除假儉草組外，70.34%）。因此在夏季濕潤期，雨水花園的TN去除效能隨時間逐漸升高，這與草類植物的成熟程度有關。

在干旱期（每2周進水一次），除了假儉草組外，4個種植組TN去除效能略有降低，但TN去除率仍能保持在70%以上，說明干旱對雨水花園系統的脫氮性能并沒有顯著影響。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次采樣分別發生于干旱期的第四周和第六周，干旱期可能導致生長較緩慢的假儉草部分根系死亡，從而導致過量的TN從根系及雨水花園介質中浸出，這也是第六周假儉草組出現出水TN高于進水TN的原因。

總體來講，種植組TN去除率遠高于未種植組，而干旱條件對已成熟的植物組的TN去除效能影響不大。

2.2.2 氨態氮和硝態氮去除效果

雨水花園主要通過介質層吸附、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，濕潤與干旱對雨水花園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，這可能是因為植物吸收以及根系微生物富集導致的[24]。在濕潤期，狗牙根和溝葉結縷草組展現出了良好的NH4+-N去除效能，最低出水濃度僅為0.19 mg/L和0.28 mg/L，對應去除率高達95.38%和93.19%。在干旱期，假儉草組NH4+-N出水濃度較濕潤期有所增加，這可能是因為部分植物死亡，從而吸收、同化NH4+-N的能力減弱所致。另外，植物死亡造成介質層滲透率降低，雨水流入后形成短暫的厭氧條件，文獻數據表明腐爛的根在厭氧環境中會轉化成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，植物對雨水花園NO3--N的去除具有促進作用。第1次采樣（運行12周）的數據顯示各組的出水NO3--N濃度高于進水濃度，這是因為微生物的硝化作用增加了雨水中的NO3--N濃度，而此時植物并未完全成熟，對NO3--N的吸收能力不足;同時雨水花園中微生物種群密度也沒有達到峰值，因此反硝化能力相對較弱，造成出水NO3--N濃度高于進水的現象。隨著各組植物逐漸發育成熟，第18周后（7月31日）除假儉草組外的4組植物組在進水的出水NO3--N濃度達到2.0 mg/L左右，進水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，狗牙根和溝葉結縷草組因成熟較快，較早獲得良好的NO3--N去除能力。因為假儉草組生長較緩慢，因此其NO3--N去除能力相對較弱。結果表明：草坪的生長速度是雨水花園脫氮的關鍵，當草坪成熟后，草種對系統脫氮效能的影響不顯著。因此，在實際雨水花園草種的選擇上，應綜合考慮草坪成熟時間、價格以及養護等因素。

2.2.3 除磷效能

生物滯留體系通常可以有效去除雨水中的TP，其機理主要是通過物理作用吸附、截留磷酸鹽與相關陽離子形成的沉積物[26]，另外植物根系也可以吸收部分無機磷，減少雨水中的TP濃度。為了驗證草本植物雨水花園中的TP去除效能，分別在濕潤期（9月）和干旱期（10月）進行采樣測試，試驗結果如圖5所示。在濕潤期（9月11日），TP去除率相對干旱期較高，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）。活性磷去除率為57.14%到85.71%。和上節脫氮效能相似，干旱期部分假儉草死亡導致出水TP濃度高于進水濃度。與非種植組相比，部分種植組去除效能較差，可能是植物質的浸出或者植物根系分泌有機物的淋失所致[26]。總體來說，該試驗的雨水花園可以有效去除進水中的活性磷。

如圖6所示，大部分溶解性磷以活性磷的形式存在，出水中顆粒形態的磷約占TP的70%～80%。因此，本試驗中雨水花園對TP去除性能不佳的原因極有可能是因為雨水花園填料中的沙壤土以及死亡植物組織的吸附作用產生了大量顆粒形態的磷[27]，而這種顆粒形態的磷往往難以被生物有效利用，同時由于雨水花園填料滲透率過高的問題導致了顆粒形態磷的大量浸出。因此經過處理后的TP可以最大限度地降低環境風險。后續可以通過對雨水花園的填料組成以及配比進行更加深入的研究，篩選出最佳的填料組成配比，減少顆粒形態磷的浸出。

3 結論及建議

（1） 脫氮方面，5類植物組的TN去除率均可達到75%以上，草種的生長速度對系統脫氮效能影響顯著，而干濕條件對植株成熟的系統脫氮效能影響不大。另外，滲透率測試結果表明，植被可有效緩解雨水花園系統中出現的堵塞問題。

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

（3） 總體來說，5種植物中，溝葉結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。后續試驗將對填料的組成以及配比進行研究，進一步提高TP的去除率。另外，本研究并沒有考慮雨水中重金屬（如鐵、銅等）對植物的影響，后續將增加該部分研究。

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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