植物对山地城市雨水花园脱氮除磷效能影响研究

崔野

摘要：针对雨水径流中的氮磷污染，采用沟叶结缕草、狗牙根、假俭草、巴哈雀稗、地毯草等5种重庆市常见的本土草本植物，构建雨水花园，通过开展渗透率试验、脱氮试验及除磷试验，考察了这5种植物对初期径流中的氮磷去除效能。结果表明：① 植被可以有效缓解介质层的堵塞现象;② 5种草本植物构建的雨水花园均可有效去除雨水径流中的氮素（75%～95%），且干湿条件对植株成熟后的雨水花园脱氮效能影响不大;③ 虽然雨水花园的出水中仍存在较高浓度的总磷，但是出水总磷均为颗粒态磷，其生物可利用性能不高。综合比较，沟叶结缕草和狗牙根组脱氮除磷性能好，植株发育快，可适应不同的干旱湿润条件。

关 键 词：雨水花园; 脱氮; 除磷; 水安全; 山地城市

中图法分类号： X53

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.014

0 引 言

降雨径流中的氮磷污染是导致河流、湖泊等水系产生富营养化的主要原因之一。常规的污水处理厂很难完全处理所有的降雨径流，导致部分降雨径流会直接排入水体中，加剧水污染情况。因此，有必要开发绿色高效的雨水处理设施。

海绵城市可通过低影响开发系统、管渠排水系统、内涝防治系统和防洪系统构建现代雨洪管理体系，有效控制径流污染、削减径流峰值和径流总量[1]。其中，低影响开发系统是海绵城市建设的重要组成部分，也是现代雨水管理体系中非常具有代表性的一种生态技术措施[2-3]。常用的低影响开发技术有：生物滞留、下沉式绿地、植被浅沟、透水铺装等。其中，生物滞留设施因其高效的雨水自然净化与处理特性，成为应用最广泛的低影响开发技术之一[4]。根据设施外观、大小、建造位置和适用范围，生物滞留设施可分为雨水花园、生物滞留带、高位花坛和生态树池等[5]。雨水花园主要应用于居民区、公园、学校等，外表与普通花园类似，可根据场地和景观要求呈任意不规则形状。随着中国海绵城市建设的大规模开展，雨水花园已成为优先推选的技术措施之一。

雨水花园通过在低洼地短暂蓄水，利用植物、填料、微生物间的物理、化学、生物作用滞蓄和净化雨水。何强等[6]研究显示，在雨水径流当中，氮赋存形态以无机氮为主，其占TN的63%～82%，而有机氮在生物滞留系统中最终也会被分解为无机氮，因此雨水花园对氮的去除主要是通过氨态（NH4+-N）的物理吸附和硝化作用以及硝态氮（NO3--N）的反硝化作用[7]，另外各类植物对NH4+-N有很好的去除效能。实际径流雨水中的磷可分为颗粒态磷（PP）和溶解态磷（DP）。Liu等[8]研究表明，雨水花园通过表层土壤的过滤便可有效去除PP，而DP的去除则是填料、植物以及相关微生物共同作用的结果。

植物在雨水花园中发挥着重要作用[9]，其根部和叶片能改善系统的水力性能，提高渗透速率[10]、促进蒸腾作用、延缓堵塞情况等。Liste等[11]研究发现，粗根的植物能有效减少堵塞，这对维持土壤多孔性和排水能力有重要作用;植物根系还可直接吸收营养元素并降解有机物，如氮素、重金属、有机物等。Jennifer等[12]研究发现栽种植物的滤池对污染物的净化能力明显高于无植物的滤池;植物根系分泌物和庞大的比表面积为微生物生长提供了能源和附着场所，微生物活动有助于营养元素的转化，促进了植物的吸收利用。此外，根系发达呈度会对氮、磷的去除率产生 20%～37%差异[4]。但是，以上文献并没有考虑不同植物种类的影响，或者没有考虑干湿交替条件下，草本植物种类对雨水花园脱氮除磷效能的影响。重庆市作为第一批海绵城市的试点城市之一，具有明显的山地城市特征（降雨集中且地势坡度大，冲刷现象明显）。现有的研究对山地城市雨水花园构建的参考价值有限。

而针对山地城市的不同草本植物种类对雨水花园脱氮除磷效能影响的研究更是空白。基于此，本研究选取了5种重庆市本地草本植物构建雨水花园，通过对水文特性与污染物去除效能的考察，对不同植物的雨水花园进行了综合评估，筛选出最佳植物，研究结果可为雨水花园的植物选择与脱氮除磷特性的设计优化提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验装置

试验采用高800 mm，直径150 mm的雨水花园柱，下部为PVC材料，上部（200 mm）采用透明有机玻璃，以便观测植物生长和水流情况。选取重庆市常见的沟叶结缕草、狗牙根、假俭草、巴哈雀稗、地毯草作为试验植物。雨水花园介质层由上至下分别为沙壤土、粗砂以及砾石（见图1）。每种草设置3个柱子，并設置3个无植物柱作为对照组，共计18个柱子。

2018年4月上旬栽种植物，栽种植物后，先用营养液培养植物一段时间，同时用自来水浇灌2个月（每次3.0 L），淋洗出装置中残留的本底营养物，以避免对试验结果产生干扰。

1.2 试验进水

采用雨水池的沉积物和相关化学药剂模拟真实雨水，根据重庆市年平均降雨量计算。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，保证雨水花园进水水量、水质尽量接近自然雨水。将雨水池底部的沉积物筛分至1 mm，并与脱氯自来水混合，以达到模拟TSS的目的。其他雨水水质指标如COD、总氮、总磷等采用葡萄糖、烟酸、磷酸氢钾等进行配置，模拟雨水的水质如表1所列。

1.3 采样与指标检测

从2018年6月上旬开始，模拟重庆市湿润期（6～9月，每周二和周五各进水1次）和干旱期（10～11月，每2周进水1次）条件，探究各雨水花园系统对氮、磷的去除效能。整个试验期间进行6次抽样（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），测试进、出水中氮、磷等指标，并于6月17日、7月31日、9月11日和10月23日测试雨水花园渗透率指标。具体测试指标和方法如表2所列。试验期间，根据实际情况修剪草株。

2 结果与讨论

2.1 草种对雨水花园渗透率的影响

草种对雨水花园堵塞行为的影响如图2所示。2018年6～8月，所有种植组土壤渗透率均略有增加，而2018年8～11月，所有种植组土壤渗透率均显著增加。该现象的原因可能是随着时间推移，土壤中草类根系逐渐发达，使得介质内部松动，提高了土壤的渗透性能。同时，在所有植物中，沟叶结缕草对雨水花园渗透率的强化作用最明显。随着时间推移，非植被柱的渗透率由408 mm/h逐渐下降至286 mm/h，这主要是由于雨水中的沉积物在雨水花园介质中缓慢积累导致的。在10月23日最后一次测试中，假俭草组的渗透率明显低于其他4组，较慢的生长速度导致其在干旱期到来时并没有完全成熟，进而导致干旱期部分假俭草死亡，从而影响了系统的渗透率。总体来说，种植组的土壤渗透率均明显高于未种植组，表明植被在雨水花园系统中对缓解堵塞等相关问题方面的积极作用，这与前人的研究结果一致[19-20]。

应当注意的是，试验中测得的渗透率（见图2）可能较实际雨水花园偏高。在实际雨水花园运行过程中，由车辆或人流造成的压实、垃圾堆积等因素均会增加介质的密实度，从而降低雨水花园整体的渗透率。因此，需要通过合理的管控措施减少这些不利条件对雨水花园的影响。

2.2 草种对雨水花园脱氮除磷效能的影响

2.2.1 TN去除效果

植物是影响雨水花园脱氮的主要因素之一，Payne等的研究表明，雨水花园中植物对脱氮的贡献率最高可达90%以上[21]。不同草种条件下雨水花园对TN的去除效能随时间的变化如图3所示。总体来说，种植组的TN去除率远远高于非种植组，表明植物对雨水花园TN的去除有促进作用，这主要是由于植物通过根系的泌氧作用，改变了土壤基质的微环境，形成好氧、缺氧环境进行硝化、反硝化作用，从而实现脱氮过程[22]。在6月17日的样品中，TN的去除率很低，5种植物组的TN去除率在20.31%～47.62%之间，这主要是因为草类仍在生长期，但仍高于未种植组的15.21%。与其他植物相比，狗牙根和沟叶结缕草在种植12周后（6月17日）表现出更高的TN去除率（分别为47.62%和45.11%），这可能是因为这2种草类在前12周生长较快所致。种植24周后，随着各草类植物逐渐成熟，各组的TN去除率均达到了75%以上（除假俭草组外，70.34%）。因此在夏季湿润期，雨水花园的TN去除效能随时间逐渐升高，这与草类植物的成熟程度有关。

在干旱期（每2周进水一次），除了假俭草组外，4个种植组TN去除效能略有降低，但TN去除率仍能保持在70%以上，说明干旱对雨水花园系统的脱氮性能并没有显著影响。在第5，6次（10月23日和11月6日）样品中，假俭草组的TN去除率由70.34%降低至10.26%和-21.69%。第5，6次采样分别发生于干旱期的第四周和第六周，干旱期可能导致生长较缓慢的假俭草部分根系死亡，从而导致过量的TN从根系及雨水花园介质中浸出，这也是第六周假俭草组出现出水TN高于进水TN的原因。

总体来讲，种植组TN去除率远高于未种植组，而干旱条件对已成熟的植物组的TN去除效能影响不大。

2.2.2 氨态氮和硝态氮去除效果

雨水花园主要通过介质层吸附、植物吸收以及微生物的硝化作用去除NH4+-N[23]。如图4（a）所示，湿润与干旱对雨水花园NH4+-N去除效能的影响较小。所有组的NH4+-N去除率都很高，出水NH4+-N浓度基本维持在1.0 mg/L以下。种植组的NH4+-N去除效能略高于非种植组，这可能是因为植物吸收以及根系微生物富集导致的[24]。在湿润期，狗牙根和沟叶结缕草组展现出了良好的NH4+-N去除效能，最低出水浓度仅为0.19 mg/L和0.28 mg/L，对应去除率高达95.38%和93.19%。在干旱期，假俭草组NH4+-N出水浓度较湿润期有所增加，这可能是因为部分植物死亡，从而吸收、同化NH4+-N的能力减弱所致。另外，植物死亡造成介质层渗透率降低，雨水流入后形成短暂的厌氧条件，文献数据表明腐烂的根在厌氧环境中会转化成NH4+-N[25]，这也是造成出水NH4+-N浓度升高的原因之一。

在一定程度上，NO3--N的去除决定了系统TN的去除效能。不同植物组NO3--N的去除效能如图4（b）所示。由图可知，植物对雨水花园NO3--N的去除具有促进作用。第1次采样（运行12周）的数据显示各组的出水NO3--N浓度高于进水浓度，这是因为微生物的硝化作用增加了雨水中的NO3--N浓度，而此时植物并未完全成熟，对NO3--N的吸收能力不足;同时雨水花园中微生物种群密度也没有达到峰值，因此反硝化能力相对较弱，造成出水NO3--N浓度高于进水的现象。随着各组植物逐渐发育成熟，第18周后（7月31日）除假俭草组外的4组植物组在进水的出水NO3--N浓度达到2.0 mg/L左右，進水24周后（9月11日）它们的出水NO3--N浓度基本低于1.0 mg/L。其中，狗牙根和沟叶结缕草组因成熟较快，较早获得良好的NO3--N去除能力。因为假俭草组生长较缓慢，因此其NO3--N去除能力相对较弱。结果表明：草坪的生长速度是雨水花园脱氮的关键，当草坪成熟后，草种对系统脱氮效能的影响不显著。因此，在实际雨水花园草种的选择上，应综合考虑草坪成熟时间、价格以及养护等因素。

2.2.3 除磷效能

生物滞留体系通常可以有效去除雨水中的TP，其机理主要是通过物理作用吸附、截留磷酸盐与相关阳离子形成的沉积物[26]，另外植物根系也可以吸收部分无机磷，减少雨水中的TP浓度。为了验证草本植物雨水花园中的TP去除效能，分别在湿润期（9月）和干旱期（10月）进行采样测试，试验结果如图5所示。在湿润期（9月11日），TP去除率相对干旱期较高，去除率从20.00%（假俭草组）到53.85%（非种植组），而活性磷去除率从34.78%到82.61%。在干旱期（第30周），TP去除率为-11.76%（假俭草组）到27.94%（非种植组）。活性磷去除率为57.14%到85.71%。和上节脱氮效能相似，干旱期部分假俭草死亡导致出水TP浓度高于进水浓度。与非种植组相比，部分种植组去除效能较差，可能是植物质的浸出或者植物根系分泌有机物的淋失所致[26]。总体来说，该试验的雨水花园可以有效去除进水中的活性磷。

如圖6所示，大部分溶解性磷以活性磷的形式存在，出水中颗粒形态的磷约占TP的70%～80%。因此，本试验中雨水花园对TP去除性能不佳的原因极有可能是因为雨水花园填料中的沙壤土以及死亡植物组织的吸附作用产生了大量颗粒形态的磷[27]，而这种颗粒形态的磷往往难以被生物有效利用，同时由于雨水花园填料渗透率过高的问题导致了颗粒形态磷的大量浸出。因此经过处理后的TP可以最大限度地降低环境风险。后续可以通过对雨水花园的填料组成以及配比进行更加深入的研究，筛选出最佳的填料组成配比，减少颗粒形态磷的浸出。

3 结论及建议

（1） 脱氮方面，5类植物组的TN去除率均可达到75%以上，草种的生长速度对系统脱氮效能影响显著，而干湿条件对植株成熟的系统脱氮效能影响不大。另外，渗透率测试结果表明，植被可有效缓解雨水花园系统中出现的堵塞问题。

（2） 除磷方面，干湿条件对系统除磷效能影响显著，这与系统土壤吸附截留和植物根系作用有关。系统对活性磷去除效能较高，出水中TP主要为颗粒形态的磷，成功降低雨水中磷的生物可利用性，能最大限度地降低环境风险。

（3） 总体来说，5种植物中，沟叶结缕草和狗牙根组成熟快，干湿条件下均具有较高的脱氮除磷性能。后续试验将对填料的组成以及配比进行研究，进一步提高TP的去除率。另外，本研究并没有考虑雨水中重金属（如铁、铜等）对植物的影响，后续将增加该部分研究。

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（编辑：黄文晋）

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