模拟条件下生态草帘净化硬质驳岸降雨径流的研究

邵凯迪，段婧婧，薛利红①，徐德福

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部长江下游平原农业环境重点实验室，江苏 南京 210014)

随着我国城市化的快速发展，地面硬化率急剧增加，降雨产生的地表径流往往携带高浓度污染物直接进入城市河流，造成水体污染[1-2]。被硬化的城市护岸不仅侵占了河岸带生物赖以生存的自然环境，而且降低了河岸带的物种多样性，使河岸带的生态系统愈加脆弱，对地表径流中污染物的拦截净化能力下降，最终导致水环境质量下降[3-4]。蔡杭安等[5]通过调研发现，我国约有3/4的河流湖泊全部或部分采用了硬质驳岸的形式，取样的36个河流湖泊中，大部分仅能达到地表水Ⅴ类水的水平。河岸带作为城市中截留地表径流中污染物的最后一道防线，对其进行修复，使其成为符合生态环境可持续发展的生态护岸显得尤为重要[6]。

20世纪90年代，植物和多孔介质材料成为国外修复河道护岸的研究热点[7]，相比传统护岸模式，复合式的生物工程护岸在物种多样性和稳定性上更具优势[8]。虽然近年来我国对生态护岸功能的认知在逐步提升，但是对直立式硬质驳岸软化修复技术的相关研究还较少。现有研究主要是使用生态混凝土改造和藤本/水生植物以单一或组合的形式进行软化修复[9-10]。这些技术需对原有硬质驳岸重新改造，植物生长空间有限，操作复杂，造价昂贵。为此，笔者提出构建生态草帘，通过天然材料和植物相结合的形式悬挂或铺设于硬质驳岸表面，对径流中污染物进行拦截去除。选出较为适宜的基质和植物组合，随后进行模拟径流试验，探究生态草帘技术对硬质驳岸中污染物的去除能力，以期为硬质驳岸软化提供一种可行且有效的修复技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料

育苗试验选用40 cm×40 cm×3 cm(长×宽×高)的塑料育苗盘，不同种类的基质和草种均购自普通市场。自主设计并制作模拟硬质驳岸降雨径流的试验装置(图1)，放置于江苏省农业科学院试验场地。生态草帘在江苏省农业科学院试验场地自主培育。用以模拟悬浮固体的泥沙取自江苏省农业科学院田间生态沟渠中的底泥。使用硝酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾(均为分析纯)与自来水配置污水，用以模拟降雨产生的径流水质。

1.2 试验方法

1.2.1不同种类生态草帘的筛选试验

以火山石(直径约3～6 mm)、麦饭石(直径约3～6 mm)、椰丝纤维毯、秸秆毯作为备选基质。将不同类型的基质平铺于塑料育苗盘，200粒黑麦草(Loliumperenne)和高羊茅草(Festucelata)草种分别均匀撒种于不同基质上，于实验室内培养1个月。每个处理设置3个重复。在试验第5天时，目测大部分草种已经开始发芽后，测定不同处理的发芽率。1个月后在每个处理中任选10株植物，测定不同处理中植物的株高以及叶绿素含量。最后收集植物的地上部分和地下部分，分别测定干重。选择植物长势较好的基质-植物组合处理，进行后续的模拟径流试验。

1.2.2在不同坡度及雨强条件下的模拟径流试验

试验模拟装置高2 m，宽1.2 m。最上端的小水箱用于暂时蓄积模拟径流污水。水流通过溢流的方式，经稳流板进入草帘系统。承载草帘的平板平均分成宽为0.4 m的3个部分作为重复，通过调整不同角度用以模拟不同坡度的硬质驳岸。最下部设有孔洞，用于收集处理后的径流水样。

1—溢流口，2—穏流板，3—储水箱，4—TSS加入处，5—承载板，6—水样收集孔。

生态草帘的培育参照文献[11]。将冲洗过后的火山石平铺至厚度约为2 cm，使用尼龙网缝合，草种以15 g·m-2的密度平均播撒在基质上，椰丝基质的生态草帘则直接于椰丝上播撒草种。在撒种后使草帘保持湿润，待植物长至10 cm左右时开始进行模拟试验。每块生态草帘长2 m，宽0.4 m，使用时将3块培育好的草帘平铺于装置的承载板上。

参考陈振楼等[12]关于我国东部地区城市降雨径流污染阻控研究中污染物浓度范围，模拟污水使用氯化铵、硝酸钠和磷酸二氢钾配制于容量为300 L的水箱中，其中ρ(TN)约为8 mg·L-1，ρ(NH4+-N)为6 mg·L-1，ρ(NO3--N)为2 mg·L-1，ρ(TP)为0.5 mg·L-1。使用计量泵(意大利Seko MS1系列隔膜式计量泵)将污水泵入装置最上端的储水箱中，污水溢流而出模拟成降雨产生的径流，均匀流入草帘系统。

选用江苏省农业科学院田间沟渠中的底泥模拟降雨径流中的总悬浮固体颗粒物(TSS)。将底泥挖出后风干，经研磨后过0.15 mm孔径筛保存。设置ρ(TSS)为300 mg·L-1，使用蠕动泵(兰格多通道BT100-1L蠕动泵)以一定的流速将其多通道平均滴入稳流板出水末端，模拟地表径流中的TSS。

试验开展于2019年春季(4月中旬—5月初)，平均温度为24.3 ℃。试验主要研究不同坡度(45°、60°和90°)和不同降雨强度(小、中、大)下生态草帘对降雨径流中氮磷以及固体悬浮物的去除效果。参考我国气象部门的降雨强度标准，设置试验所需降雨强度小、中、大分别为10、20和40 mm·d-1，考虑到实际村镇地区硬质驳岸的汇水区域为田地或者草地，地貌、坡度类型相对一致，采用区域综合径流系数为 0.15，设置汇水面积为1 000 m2。雨水口径流量按国家室外排水规范[13]中雨水管道系统合理化公式计算：

Q=ф×F×q。

(1)

式(1)中，Q为雨水口径流量，L·min-1；ф为径流系数;F为汇水面积，m2；q为降雨强度，mm·min-1。然后换算成该试验中所对应的流量，小、中、大雨强小分别为1、2和4 L·min-1。

试验按照坡度从小到大，雨强从小到大的顺序开展。为了避免生态草帘受到长时间的污水负荷而影响到下一批试验结果，每天只进行1次降雨径流冲刷试验。每次试验时的模拟降雨时间为60 min，首先根据雨强调整好流量，打开水泵，待草帘下方有水流出现后再运行10 min，等出水水流完全稳定后开始计时，期间每隔10 min取样1次，共取6次。收集后的水样4 ℃条件下保存，尽快测定。

1.3 指标测定

水体中NH4+-N、NO3--N和TN浓度使用荷兰SKALAR SAN++ SYSTEM流动分析仪测定。水体中TP浓度使用美国PerkinElmer电感耦合等离子体发射光谱仪测定。水样中的TSS浓度参照GB 11901—89《水质悬浮物的测定 重量法》测定。植物叶绿素含量由乙醇-丙酮提取后分光光度计测定。植物在收割后，先在105 ℃下杀青再在65 ℃下烘干至恒重，以测定植物生物量。

1.4 数据处理

所有实验数据采用IBM SPSS Statistics 19统计软件进行方差分析，采用Duncan法进行差异显著性分析(P<0.05)，使用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同草帘植物生理指标分析与筛选

黑麦草和高羊茅在椰丝基质上的株高分别为12.45和13.76 cm、地上部分生物量为2.11和2.88 g，根部生物量为8.95 和8.51 g(表1)。

表1 不同基质类型植物的生理指标

麦饭石处理中，黑麦草和高羊茅的根部生物量分别0.92 和3.05 g，远低于椰丝基质处理，仅为其植物根部生物量的1/10和1/3。黑麦草-麦饭石处理中植物叶片叶绿素含量为0.6 mg·g-1，显著低于其他处理。同时，高羊茅在麦饭石基质的处理中植物的叶绿素含量也较低。秸秆处理虽然在出苗率、株高、叶片叶绿素含量这几个方面较为突出，但是秸秆基质中黑麦草和高羊茅所体现的根部生物量仅为3.51 和3.10 g，显著低于火山石和椰丝这2种基质。综合多方面考虑，选用火山石颗粒和椰丝作为后续模拟降雨径流试验的备选基质。黑麦草在火山石和椰丝基质中的出苗率(49.33%和61.50%)和w(叶绿素)(0.95和1.15 mg·g-1)均远高于高羊茅〔出苗率为33.00%和39.67%，w(叶绿素)为0.71和0.70 mg·g-1〕，而株高与高羊茅相差并不大，因此选用黑麦草作为后续试验的备选草种。

2.2 不同降雨条件下生态草帘对径流中N的去除效果

火山石草帘在坡度为45°、小雨的条件下，可以保持24%～33%的去除率，在中雨和大雨时对TN的去除效果明显下降。在坡度为60°和90°时，随着雨强和降雨时间的增加，TN去除率分别从33%和16%下降至9%和7%〔图2(a)〕。相比火山石草帘，椰丝草帘在不同坡度的初期(0～30 min)均展现了更佳的TN去除率，在坡度为45°和60°以及小雨强下TN去除率均达到了28%以上，最高可达51%。随着坡度增加到90°，大雨强下TN的去除率急剧下降至7%～14%〔图2(b)〕，此时椰丝草帘并不比火山石草帘(TN去除率7%～13%)TN去除能力更高。

图2 不同雨强下生态草帘对径流中TN的去除效果Fig.2 Removal rates of TN from runoff by ecological mats under different rainfall intensity

椰丝草帘对径流中NH4+-N具有较好的去除效果，在45°、60°和90°对NH4+-N的去除率分别为21%～73%、15%～69%和12%～57%。与TN的规律相似，在坡度增加且降雨强度增加的情况下，2种不同的草帘对NH4+-N的去除能力均有所下降。椰丝草帘在3种不同坡度的小雨强条件下始终保持着30%以上的NH4+-N去除效果，最高可达73%，明显优于同条件下的火山石草帘(20%～45%)〔图3(a)〕。但是，当坡度和降雨强度不断增大，椰丝草帘对径流中的NH4+-N去除率迅速下降。尤其在坡度为90°的大雨强条件下，模拟降雨开始20 min后椰丝草帘对NH4+-N的去除率便从40%以上迅速下降至10%左右〔图3(b)〕。火山石草帘在90°时对NH4+-N的去除率为6%～28%，略低于椰丝草帘。

图3 不同雨强下生态草帘对径流中NH4+-N的去除效果

火山石生态草帘在坡度为45°小雨强时具有一定的NO3--N去除效果，为8%～15%。当降雨强度增加后，对NO3--N的去除效果下降到5%以下。坡度到达60°和90°时，火山石草帘已不具备去除径流中NO3--N的能力〔图4(a)〕。椰丝草帘在坡度为45°时对NO3--N的去除率为5%～19%。相比火山石草帘，椰丝草帘在较大坡度和雨强时对NO3--N的去除能力略高，然而在此条件下降雨试验的后期(30～60 min)椰丝草帘也逐渐丧失了对NO3--N的去除能力〔图4(b)〕。

图4 不同雨强下生态草帘对径流中NO3--N的去除效果

2.3 不同降雨条件下生态草帘对径流中TP及TSS的去除效果

不同坡度、不同降雨强度条件下2种草帘对TP的去除效果低于TN，且波动较大。坡度为45°时火山石和椰丝草帘对TP的最大去除率分别为21%和32%。坡度为60°和90°时火山石草帘对TP的去除率基本上随着雨强的增加而下降，而椰丝草帘在坡度60°对TP的去除效果却表现为大雨强时较高，对径流中TP去除效果不稳定。尤其在坡度为90°大雨强条件下生态草帘几乎丧失了对TP的拦截净化能力(图5)。

图5 不同雨强下生态草帘对径流中TP的去除效果

火山石和椰丝草帘对径流中TSS均表现出优异的去除效果，同一坡度不同的降雨强度对TSS的去除率无明显差异，火山石和椰丝对TSS的去除率分别为86%～93%和89%～95%(图6)。

图6 生态草帘对径流中总固体悬浮物(TSS)1 h内的平均去除效果

3 讨论

3.1 不同坡度、降雨强度及基质条件对生态草帘N去除效果的影响

在降雨过程中，尤其是初期降雨阶段，降雨强度和坡度的增加都会加大对地表的冲刷，使大量氮进入到水体[14]。同时，随着坡度与降雨强度的增加，降雨也会增大对地表的平均侵蚀深度[15]。这些结果与径流中的径流量和流速相关。笔者研究中，流速、流量的增加都会导致径流在生态草帘的水力滞留时间减少，从而导致氮、磷等无法被有效去除而流入自然水体。在坡度和雨强较小时，水力滞留时间较长，径流中氮可与生态草帘植物根部和基质充分接触，更多的氮可以被植物根部和基质吸附固持或被植物吸收等方式去除。而大雨强下较强的冲刷效应也使得生态草帘无法有效发挥物理拦截的作用，从而导致氮去除效果的下降。

NH4+-N可以直接被植物同化利用，而NO3--N则需要被还原成NH4+-N才可以被植物利用[16]。当环境中同时存在NH4+-N和NO3--N时，有些植物会优先吸收环境中的NH4+-N。谢丽凤等[17]研究了多花黑麦草对不同形态氮的吸收动力学，结果表明黑麦草是一种亲和NH4+-N的植物，具有优先吸收NH4+-N的趋势。同时，植物对水体中NO3--N去除主要依靠微生物的硝化/反硝化作用[18]。没有足够的时间让微生物进行反硝化脱氮可能就是生态草帘NO3--N去除能力较差的原因。因此，椰丝-黑麦草草帘对径流中NH4+-N有着较高的去除能力，在小雨强时最高能达70%以上。

火山石作为一种常见的轻质吸附材料，具有密度小、比表面积大、化学稳定性高等优点，椰壳椰丝具有轻质、疏松多孔的特点，适于植物根部的生长。生态草帘的植物根部与模拟硬质驳岸直接接触，根部是否可以在基质稳定附着和生长对径流中氮的去除至关重要。椰丝基质柔软、疏松且基质内部空隙较大，植物发芽后根系会缠绕着椰丝并延伸，形成紧密的结合体；而火山石基质是以火山石颗粒堆积、平铺而成，基质的保水能力较差，植物根部也较难附着。另一方面，植物根部微生物对于生态草帘净化氮也有一定的作用。椰丝草帘长势较好的根部可为微生物提供良好的生长环境，李宏钧等[19]通过研究植物纤维毯对道路边坡的影响，发现植物纤维毯可以改善边坡微生物环境，形成稳定的微生物群落，促进植物生长。

3.2 不同坡度、降雨强度条件对生态草帘TP和TSS去除效果的影响

生态草帘对径流中TSS的去除主要依靠生态草帘的物理拦截作用。生态草帘植物根部具有一定的厚度，不同植株间的根部交错重叠于一起，形成许多细小的空隙，径流流动过程中TSS会嵌入这些空隙中而被截留。此外，基质本身对TSS的截留也发挥了一定的作用，所以生态草帘整体对径流中TSS可以保持稳定的拦截去除效果。

BORIN等[20]研究发现，相比无植被缓冲带的处理，植被缓冲带可以有效去除径流水体中50%的TP。孙耀东等[21]同样研究了多种类型的植被河岸缓冲带，发现草本类型的植被缓冲带对径流中的TP去除率高达80%。传统的植被缓冲带对磷的去除能力优于生态草帘，这是因为实际降雨径流中携带的磷主要以颗粒态磷的形式存在[22]，植被缓冲带中植物和土壤形成的拦截体系可以有效减缓径流流速，将颗粒态磷阻拦，再通过植物的吸收同化作用将颗粒态磷去除。该研究中模拟径流中的TP主要以溶解态P043--P的形式存在，对其去除主要依靠生态草帘体系中的物理吸附拦截作用，而较短的水利滞留时间使得植物无法发挥对磷的吸收作用，特别是在较大坡度和雨强的条件下，所以生态草帘对径流中溶解态磷的去除效果较差。在90°坡度大雨强条件下，径流量和流速达到最大时，径流的冲刷效应也最剧烈，这可能使草帘系统中的部分磷被冲出，从而增加了出水中TP的浓度，使得TP的去除率出现负值。考虑到实际降雨径流中以颗粒态磷的形态为主，以及生态草帘对径流中TSS较高的拦截能力，对降雨径流中磷的实际去除能力可能会优于实验室中的模拟所得的效果。

3.3 研究中的不足与展望

相比现有的一些硬质驳岸修复技术，生态草帘技术仍存在一些不足之处：(1)生态草帘对径流中污染物的去除效果稍弱，且受环境条件(雨强、坡度)影响较大,修复后河岸带物种多样性较少。YUAN等[23]使用4种不同类型的生态混凝土对硬质驳岸进行修复，发现添加浮石、活性炭、零价铁粉的生态混凝土护岸对径流中TN、TP、NH4+-N和TSS的去除率分别达58.08%、95.57%、92.44%和87.62%。李小平等[24]使用混凝土加固和植物柴笼、扦插复合的方式对护岸进行修复，不仅大大增加了岸坡植物的多样性，而且也形成了稳定的微生物环境，有效恢复了岸坡周边的生态环境。(2)该研究中仅使用了适宜于苏南地区的草本植物作为供试植物，生态草帘对于基质的选择也存在一定的局限性。因此，更好的基质和植物类型的组合还有待进一步的研究。(3)模拟污水为人工配置，试验只研究了对径流中无机氮磷和TSS的去除效果，对有机氮磷的去除效果还有待进一步研究。

生态草帘技术作为一种成本较低、操作简便的技术，可以规模化应用，同时也可以剪切成不同形状以应对不同形式的硬质驳岸，具有较高的地形适应性。对于一些难以改造的硬质驳岸，生态草帘技术是一种较为适宜的生态修复技术。

4 结论

(1)黑麦草-椰丝组合在出苗率、株高、植物生物量等方面显著高于其他处理，其次是黑麦草-火山石组合。

(2)生态草帘对径流中TSS具有较高的去除率，去除效果稳定在86%以上，几乎不随坡度和降雨强度的变化而变化。

(3)火山石和椰丝生态草帘对模拟径流中TN和NH4+-N的去除率随降雨强度、坡度和降雨时间的增大而逐渐减小。在较小坡度和小雨强下，椰丝草帘对TN和NH4+-N的去除能力明显优于火山石草帘，但是当坡度达到90°和大雨强的极端条件时，草帘无法有效消纳径流中的污染物，此时2种草帘对TN和NH4+-N去除效果相差不大。

(4)火山石和椰丝生态草帘对模拟径流中TP的去除效果低于TN，且波动较大，椰丝-黑麦草草帘优于火山石-黑麦草草帘，然而在坡度为90°大雨强下2种草帘对径流中TP均无净化能力。