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(wèn)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(yíng)養(yǎng)鹽去除方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，與沒(méi)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(guó)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)?duì)植物、微生物的生長(zhǎng)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物的研究主要集中在植物的種類和植物的性狀對(duì)去除雨水徑流中氮素的貢獻(xiàn)[9-11]，并篩選出大量能高效去除氮素的植物，但沒(méi)有進(jìn)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(lái)提高系統(tǒng)對(duì)氮素的去除效果，這有利于理解和預(yù)測(cè)生物滯留系統(tǒng)的長(zhǎng)期性能，并有助于探究植物對(duì)氮素去除的影響機(jī)制。

因此本文通過(guò)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(guò)研究不同植物處理下填料中氮素的分布以及進(jìn)水氮素的去除效果并進(jìn)行氮的平衡性分析，探究植物對(duì)生物滯留系統(tǒng)長(zhǎng)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(shì)植物。這對(duì)實(shí)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(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(shí)設(shè)置無(wú)植物對(duì)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(yàn)裝置

如圖1 所示，采用DN200 的有機(jī)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(jī)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(guò)磨砂處理，以盡量減少優(yōu)先流動(dòng)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(wú)植物對(duì)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(yàn)方案

（1）進(jìn)水水量和水質(zhì)。本試驗(yàn)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(shí)為60 min，根據(jù)太原市暴雨公式[13]求得試驗(yàn)?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(cè)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[14]人工配制模擬雨水徑流，水質(zhì)指標(biāo)與濃度見(jiàn)表1。

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

（2）試驗(yàn)過(guò)程。2021年5月完成裝置的制作，在試驗(yàn)啟動(dòng)前，進(jìn)行為期4周的自來(lái)水進(jìn)水，目的是為了沖洗填料中固有營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)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(yàn)啟動(dòng)前出水水質(zhì)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)開(kāi)始后，每7天一個(gè)周期進(jìn)水5.44 L，共進(jìn)水8次。

（3）樣品采集和測(cè)定。水樣采集及分析方法：在出水口采集水樣同時(shí)測(cè)量出水體積，每個(gè)樣品采樣量約100 mL。水樣TN 采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，NO3--N 采用離子色譜儀測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)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(yùn)行時(shí)間的變化情況，在第2次、第4次、第6次、第8次進(jìn)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(yàn)前后土壤樣品。土壤NO3--N 采用離子色譜儀測(cè)定，土壤NH4+-N 采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，土壤TN 采用半微量凱氏定氮法測(cè)定。。

植物收集及分析方法：試驗(yàn)結(jié)束后小心取出待測(cè)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(cè)量根長(zhǎng)；生物量采用烘干法測(cè)定，植物TN 采用半微量凱氏定氮法測(cè)定。

1.4 計(jì)算方法

按照美國(guó)ASCE—EPA 數(shù)據(jù)庫(kù)所推薦的物質(zhì)去除效率法來(lái)計(jì)算氮素去除率：

式中：Rc為氮素去除率，%；V進(jìn)水為進(jìn)水體積，L；V出水為出水體積，L；c進(jìn)水為進(jìn)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(duì)填料NH4+-N 分布和進(jìn)水NH4+-N 去除率的影響

2.1.1 植物對(duì)填料NH4+-N分布的影響

不同植物處理下填料NH4+-N 分布隨運(yùn)行時(shí)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(jìn)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(jìn)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(yùn)行時(shí)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?yàn)樨?fù)責(zé)硝化作用的微生物活性并不強(qiáng)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(xì)菌和亞硝化細(xì)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(yùn)行時(shí)間增加而減少，可能是因?yàn)殡S著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加以及溫度升高，負(fù)責(zé)硝化作用的微生物數(shù)量增加和活性增強(qiáng)[17]，導(dǎo)致更多的NH4+-N通過(guò)硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N。

2.1.2 對(duì)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(yùn)行時(shí)間的變化情況如圖3 所示。由圖3 可知，在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)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(wú)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(yùn)行時(shí)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(duì)NH4+-N 的去除率差別不大，且隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)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(yùn)行時(shí)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(duì)NH4+-N 的吸附能力較強(qiáng)，使得進(jìn)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(méi)區(qū)，系統(tǒng)中氧氣較為充足，NH4+-N 易通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，所以各系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 均有較高去除率，不依賴于植物。馬藺相對(duì)于其他植物具有較長(zhǎng)的根系，試驗(yàn)后期根系基本貫穿整個(gè)填料層（見(jiàn)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(biāo)Tab.2 Physiological indexes of tested plants

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

2.2.1 植物對(duì)NO3--N分布的影響不同植物處理下填料NO3--N 分布隨運(yùn)行時(shí)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(wú)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(jìn)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(jìn)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(wú)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(yùn)行時(shí)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(guò)硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N，植物可以在兩次進(jìn)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(yùn)行前期由于植物生長(zhǎng)緩慢，植物對(duì)填料中的NO3--N吸收能力較弱，運(yùn)行前期各系統(tǒng)填料中的NO3--N 含量隨運(yùn)行時(shí)間增加而增加。后期隨著植物的生長(zhǎng)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(qiáng)，在第6次進(jìn)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(yùn)行時(shí)間增加繼續(xù)減少。金色麥冬由于根系不發(fā)達(dá)且生物量增長(zhǎng)緩慢對(duì)NO3--N 吸收能力弱，在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行期間，金色麥冬和無(wú)植物組填料中的NO3--N 含量隨運(yùn)行時(shí)間增加而增加，遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)。同時(shí)從表2可以看出，植物的根系越長(zhǎng)，越有利于對(duì)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(yàn)結(jié)束后，馬藺根系基本貫穿整個(gè)填料層，所以試驗(yàn)后期馬藺整個(gè)填料層NO3--N 含量都處在一個(gè)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(zhǎng)緩慢且根系短小不發(fā)達(dá)，填料層中NO3--N含量較高。這與植物對(duì)NO3--N 的去除與植物的根系長(zhǎng)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(duì)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(yùn)行時(shí)間的變化情況如圖5 所示，由圖5 可知，在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)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(wú)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(wú)植物組和金色麥冬去除率隨運(yùn)行時(shí)間增加快速降低，從第5次進(jìn)水開(kāi)始趨于穩(wěn)定；馬藺、萱草、八寶景天去除率隨運(yùn)行時(shí)間增加先降低后升高，從第5 次進(jìn)水開(kāi)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(huì)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(yùn)行時(shí)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(yàn)運(yùn)行前期植物生長(zhǎng)緩慢對(duì)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(yàn)進(jìn)水過(guò)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(zhǎng)、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(qiáng)，填料中的NO3--N含量降低，NO3--N去除率有所提高。無(wú)植物組不存在植物吸收而金色麥冬對(duì)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(wú)植物組對(duì)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(fù)。

相比于金色麥冬和無(wú)植物組，其他3種處理植物生長(zhǎng)狀態(tài)良好，可以通過(guò)長(zhǎng)期吸收填料中的NO3--N，使得生物滯留系統(tǒng)保持長(zhǎng)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(duì)NO3--N出水濃度的影響

由圖6 可以看出，將各系統(tǒng)每個(gè)階段進(jìn)水前填料NO3--N含量與對(duì)應(yīng)的出水徑流NO3--N 濃度進(jìn)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(guò)影響填料中NO-3-N 的含量對(duì)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(jìn)水前填料NO3--N 含量處于一個(gè)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(wú)植物組的重要原因。

圖6 填料NO3--N含量對(duì)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(yàn)期間各系統(tǒng)中進(jìn)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(jìn)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(jìn)水TN 的主要?dú)w趨路徑，歸趨比例由大到小表現(xiàn)為：無(wú)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(zhǎng)越發(fā)達(dá)越有利于反硝化作用的進(jìn)行，發(fā)達(dá)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(dāng)碳源有利于反硝化作用的進(jìn)行[15]，馬藺相比于其他植物，根系長(zhǎng)且細(xì)密發(fā)達(dá)，所以反硝化作用最強(qiáng)。各系統(tǒng)填料累積對(duì)于TN 去除的貢獻(xiàn)率較小，由于無(wú)植物系統(tǒng)和金色麥冬相對(duì)于其他系統(tǒng)NO3--N 積累量較高（見(jiàn)圖3），所以無(wú)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(jìn)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(duì)于無(wú)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(shì)植物。

3 結(jié) 論

（1）與無(wú)植物相比，馬藺、萱草、八寶景天、金色麥冬處理對(duì)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(wú)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(duì)填料中NO3--N 的分布有顯著影響，植物根系越長(zhǎng)，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(duì)照組，分別比對(duì)照組高出54.11%、39.07%、31.35%、10.29%；進(jìn)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(wú)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。