4种草坪草在不同土壤介质中去除雨水氨氮的效果

王秀梅，郑晓梅，宝音陶格涛(.内蒙古大学 生命科学学院生态学系，内蒙古 呼和浩特 0005； 2.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院环境科学与工程系，内蒙古 呼和浩特 0005； .浙江省农业遥感与信息技术重点实验室/浙江大学，浙江 杭州 0058)

4种草坪草在不同土壤介质中去除雨水氨氮的效果

王秀梅1.2，郑晓梅3，宝音陶格涛1
(1.内蒙古大学 生命科学学院生态学系，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院环境科学与工程系，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.浙江省农业遥感与信息技术重点实验室/浙江大学，浙江 杭州 310058)

为了考察在海绵城市雨水花园建设中典型草坪植物对城市非点源污染中氨氮的去除效果，采用盆栽试验的方式，研究了不同土壤渗滤层下4种典型草坪植物(地毯草、早熟禾、高羊茅、黑麦草)对模拟径流污染中氨氮的去除效果。结果表明：以沙土Ⅱ为土壤渗透层的雨水花园具有更好的氨氮去除能力；在以沙土Ⅱ为土壤渗透层的雨水花园中四种典型草坪植物的氨氮去除率能达到93.90%～99.90%，去除效率由高到低分别为黑麦草、地毯草、早熟禾、高羊茅；一定氨氮浓度范围内，随着氨氮浓度的升高，4种草坪草对氨氮污染物的去除能力也提高；4种草坪草中，将高羊茅与黑麦草配合种植对氨氮污染物的截留及去除能力最强。

城市雨水花园；氨氮；草坪草；去除能力

城市雨水径流污染控制是建设海绵城市的核心目标之一[1]。针对城市雨水径流面源污染，已有学者开展了研究[2-3]。如何快速有效控制城市雨水径流引起的非点源污染已成为城市管理中的重要问题[4]。雨水花园作为海绵城市建设中的重要手段，可以有效控制城市非点源污染。雨水花园主要通过沙土、植物的综合作用使径流雨水得到净化及减少地表径流，被经常应用于雨洪控制与径流污染控制系统中。其能降低洪水风险，改善水质，改善城市生态环境，并且经济适用[5]。雨水花园在欧美国家应用较多，在国内北京等城市开始利用，国内这方面的研究也正在兴起[6-8]。

植物与土壤渗滤层是雨水花园中的重要构成元素，合适的植物选取也就显得尤为重要。植物选择标准为能够承受不同湿度条件的变化，既耐旱也耐湿，对不同的土质和生长条件都有一定的适应能力，维护费用低[9]。地毯草、早熟禾、高羊茅、黑麦草等是温带和寒带地区常选用的暖季型草坪草。对土壤渗滤层而言，不同土壤颗粒组分对控制城市雨水径流污染物的能力也不相同，但目前不同填料对径流污染物的削减还缺乏系统的研究[10-11]。

雨水花园对城市雨水径流的不同营养物质去除率有很大区别，主要与这些物质的化学性质有关[12-14]。氨氮是水相环境中氮的主要形态，是城市地表水体富营养化的主要污染物之一[15-17]。DeBusk等[18]的研究表明，雨水花园中氨氮的去除率能达85%。目前，对雨水花园的土壤结构、植物种类对于非点源污染物氨氮的去除效果研究较少。通过研究了4种草坪草对城市人工模拟雨水径流中氨氮的去除效果，探讨了4种草坪草对氨氮的去除特点，为有效开展雨水花园设施结构优化提供了科学依据。

1 材料和方法

1.1试验植物及雨水径流中氨氮模拟

依据植物的生长特征，通过调查选取了污染物净化能力强的4种草坪草，分别为地毯草(Axonopuscompressus)，早熟禾(Poaannua)，高羊茅(Festucaelat)，黑麦草(Loliumperenne)。

地毯草[Axonopuscompressus(Ac)]喜好荫蔽，相对湿润的沙土上更容易生长，在根部，接近地面处可以分蘖，进行无性繁殖对周围土壤快速传播，成活率较高。种子在湿润、27℃，发芽程度最好；早熟禾温带分布广泛，利用率高的草种，土壤要求不严，耐瘠薄，播种以后为保持土壤湿润适当镇压，效果更好，根茎发达，分蘖极强，生长发育迅速。耐温能力极强也是其显著特点；高羊茅在国内使用最多的草种，适应土壤能力强，维护管理要求不高。在沙土中根系非常发达，幼苗发育迅速，逆境环境中顽强生长，耐涝又有一定抗旱能力；黑麦草喜好适中气候，喜湿润。根系发达、茎叶繁茂、繁殖快，须根主要集中分布在10 cm表层土，具有一定抗旱能力[19-20]。

4种草坪草均属禾本科，根系非常发达、容易成活，而且对污染物净化能力较强[19-20]。供试草种均购自本地花卉市场。人工雨水径流中氨氮模拟由氯化铵(分析纯)配置，模拟雨水中氨氮浓度3～12 mg/L。氢氧化钠溶液和盐酸调至pH为7。之后经过雨水花园的人工水用软管及PVC托盘收集，再进行测定。

1.2试验方法

沙土有透性好，渗透率高的优点，在国内外经常被选作雨水花园的填料。试验采用砂培法，把4种草坪草种植在壤质砂土(沙土Ⅰ、沙土Ⅱ)和砂质粘壤土(沙土Ⅲ)3种土壤中(表1)。4种草坪草分别称取0.5 g种子，种植在PVC盆中，盆子高和宽均为20 cm，种子覆土厚度为1 cm，距直沿高度4 cm。40 d植物生长稳定，将配置出的雨水1.5 L，通过控制流量(人工降水器可调流量)、时段(两场雨之间间隔时段)进行喷洒，10 d间隔，为一周期，重复12周期，不同浓度交替喷洒。每次降水时，收集雨水样品，监测氨离子含量。

植物地上地下部分的氨氮测量，先把草坪草收集，泥土洗干净，再用等离子水冲洗3遍，洗涤时间不超过2 min。利用器具把植物地上、地下部分分开称重，100℃烘箱杀青，65℃烘干40 h。最终测定生物量，每个样本重复3到4次。

城市径流模拟雨水通过雨水花园去除氨氮污染物的影响因素，如土壤介质种类、土层厚度、降水量、降水时间间隔等等，尽量将调研结果和试验模拟相结合，考虑系统的复杂性和降水的不确定性。

表1 土壤渗滤层物理与化学性质

1.3计算方法

利用Seal-Auto分析仪测定水样中的氨氮；数据采用统计软件Origin、Excel进行数据分析及处理工作；采用常用的pH计来测量酸碱度。模拟污水当中污染物质去除率的计算公式：

去除率(%)=(D入-D排)/D入×100%

式中：D入为初期的模拟雨水中氨氮浓度(mg/L)，D排为植物盆栽实验后雨水中排放的氨氮浓度。

植物氨氮积累量(Y)：Y=X×Z[21]

式中：X为植物地上/地下部分氨氮浓度，mg/g；Z为植物干质量g。

2 结果与分析

2.1不同土壤渗滤层下典型草坪植物对氨氮去除效果的影响

渗滤层是指污染雨水净化和渗透的主要作用层。沙土Ⅰ为渗滤介质时，4种草坪草对模拟人工雨水中污染物氨氮的去除率均在93%以上。早熟禾种植在沙土Ⅰ上去除率最高，为98.68%，高羊茅去除率93.44%，在4种草坪草当中最低。其他2种植物在沙土Ⅰ上种植后氨氮去除率地毯草为98.92%、黑麦草为98.21%(图1)。

图1 不同土壤渗滤层对氨氮污染物的去除率Fig.1 Ammonia nitrogen removal efficiency of different soils

试验在沙土Ⅱ上种植黑麦草、地毯草，对氨氮的去除率均较高，地毯草、黑麦草对氨氮的去除率分别为99.36%、99.10%。早熟禾和高羊茅的去除率分别为98.20%、97.43%。从氨氮去除率方面，沙土Ⅱ可以作为最佳渗滤介质，用作雨水花园土壤，有利于植物快速生长及污染物的去除。

在沙土Ⅲ上种植的4种草坪草对氨氮污染物的去除率明显低于其他2种土壤渗率层。对氨氮污染物的去除率为黑麦草95.75%，地毯草92.80%，以及早熟禾92.71%，高羊茅91.56%(图1)。

2.2不同草坪草对氨氮去除效率的影响

雨水花园选取不同土壤渗滤层，对污染物的去除能力不尽相同，试验选用的3种沙土的氨氮去除率均高于90%。考虑最佳原则，把沙土Ⅱ作为雨水花园土壤层，4种草坪草种植在最佳渗滤介质沙土Ⅱ对氨氮污染物去除是有差异的，其中黑麦草最高，达到99.33%，其他3种草坪植物对氨氮的去除率，分别为早熟禾(98.64%)，地毯草(99.1%)，高羊茅(97.43%)(图2)。

2.3不同氨氮浓度对氨氮去除效率的影响

4种草坪草在沙土Ⅱ上种植时，随着模拟雨水径流中氨氮污染物浓度的变化，去除率也有显著变化。当模拟雨水径流中污染物氨氮浓度分别为9和12 mg/L时，4种草坪草对氨氮的去除率均大于99%。当模拟雨水径流中污染物氨氮浓度为3和6 mg/L时，4种草坪草对氨氮的去除率分别大于93%和96%(图3)。结果表明，在一定氨氮浓度范围内(小于12 mg/L)，当氨氮浓度越高，4种草坪草对氨氮的去除率就提高。

图2 4种草坪草对氨氮污染物的去除率Fig.2 Ammonia nitrogen removal efficiency of different turfgrasses

图3 不同污染浓度的氨氮污染物的去除率Fig.3 Ammonia nitrogen removal efficiency under different inflow concentrations

2.4不同草坪草对氨氮截留效果的影响

盆栽试验表明，4种草坪草地上部分氨氮含量低于地下部分含量(图4)，地上及地下部分氨氮含量均以早熟禾(Pa)最高，分别为6.35和9.28 mg/kg。地上部分中地毯草(Ac)氨氮含量最低，为3.45 mg/kg。黑麦草(Lp)与高羊茅(Fe)，分别为4.55、4.65 mg/kg。地上部分中氨氮污染物的排序为早熟禾>高羊茅>黑麦草>地毯草。地下生物量部分高羊茅、地毯草、黑麦草，氨氮含量分别为6.97，6.55和5.98 mg/kg。

4种草坪草地上及地下部分的氨氮含量比值由高到低排序为黑麦草>早熟禾>高羊茅>地毯草，但比值均<1(图5)。

植物体内氨氮积累量，地上/地下部分最高均为高羊茅，分别为88.75、96.85 μg。地上部分氨氮含量排序为黑麦草、地毯草、早熟禾，分别为72.75，66.65和49.0 μg。地下部分氨氮含量排序为地毯草、黑麦草、早熟禾，分别为93.45，72.65和64.9 μg。其中，地上/地下氨氮的总累积量最大是高羊茅(185.6 μg)，最小为早熟禾(113.9 μg)，从植物对氨氮地上/地下总累积量来看，高羊茅累计量最多(图6)。

图4 草坪植物地上部分和地下部分的含氨氮量Fig.4 Ammonia nitrogen in aboveground and underground of turfgrasses

图5 4种草坪植物地上部分及地下部分氨氮污染物含量比值Fig.5 Ratio of ammonia nitrogen in aboveground and underground of turfgrasses

图6 4种草坪植物地上部分和地下部分氨氮的累积Fig.6 Accumulated ammonia nitrogen in aboveground and underground of turfgrasses

3 讨论

土壤渗滤层，沙土Ⅱ对模拟城市雨水径流中氨氮的去除能力优于其他2种渗滤介质。可能与沙土Ⅱ砂粒含量比较高，通透性强有关，有利于氨氮的氧化。

氨氮是植物根系吸收的主要无机氮的一种形式，但不同植物对其有不同偏好性。这与植物特性、种类等有关。试验中4种草坪植物均有较高的氨氮去除率，但黑麦草去除氨氮能力最强，这与黑麦草是多年生禾本科，茎叶繁茂、繁殖快、根系发达等有关。

4种草坪植物地上及地下部分的氨氮含量比值均小于1。表明氨氮从根系向茎叶运转比例小，容易积累在地下部分根系中。所以根系生物量及根系特征会影响雨水径流模拟中氨氮污染物的去除率。

植物体内氨氮积累量由植物地上及地下部分氨氮含量及生物量决定。生物量越大，累计量也增加。高羊茅干物质量最大，总累积量也最高。

4 结论

在不同设计情景条件下，选用4种草坪草，去除城市雨水径流模拟中铵态氮污染物的研究得出：

(1)4种草坪草在3种不同渗滤层(沙土Ⅰ、沙土Ⅱ、沙土Ⅲ)上种植都得到了较好效果，植物生长发育状况均良好。不同植物种植在不同土壤渗滤层结果不一样，但除了早熟禾，地毯草、黑麦草、高羊茅种植在沙土Ⅱ上对氨氮污染物的去除能力均高于沙土Ⅰ、沙土Ⅲ土壤渗滤介质。因此，综合考虑沙土Ⅱ可作为最佳去除铵氮污染物的渗滤介质。

(2)以沙土Ⅱ作为渗滤层，黑麦草是氨氮去除率最佳的草坪植物。

(3)4种草坪草在沙土Ⅱ上种植时，在一定氨氮浓度范围内(小于12 mg/L)，随着模拟雨水径流中氨氮污染物浓度的增加，氨氮去除率也增加。

4种草坪草地上及地下部分的氨氮含量比值均<1。表明氨氮从根系向茎叶运转比例小，容易积累在地下部分根系中且不利于通过收获植物来去除氨氮。

(5)试验中高羊茅是地上/地下氨氮积累的最好植物，黑麦草在氨氮去除率方面最佳，因此，把这2种草坪草种植在一起去除氨氮污染物能起到最好效果。

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Effectofremovingammonia-nitrogeninrainoffourturfgrassesgrownindifferentsoils

WANG Xiu-mei1,2,ZHENG Xiao-mei3,BAOYIN Taogetao1
(1.EcologyDepartment,CollegeofLifeScience,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China;2.EnvironmentalEngineeringandScienceDepartment,CollegeofEnergyandPowerEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;3.KeyLaboratoryofAgriculturalRemoteSensingandInformationSystem,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

The ammonia-nitrogen removing effect of 4 typical turfgrasses (carpet grass,Kentucky bluegrass,tall fescue and perennial ryegrass) was studied.The results showed the soil layer of sandy soil-II performed better effect of removing ammonia nitrogen,and the order of ammonia-nitrogen removal rate from high to low was perennial ryegrass,carpet grass,Kentucky bluegrass and tall fescue,ranging from 93.90% to 99.90%.And the ammonia-nitrogen removal rate was increased with the increase of ammonia nitrogen concentration.The mixture of tall fescue and perennial ryegrass showed highest ammonia-nitrogen removing capacity.

urban rainwater garden;ammonia nitrogen;turfgrass;removal capacity

X 703

A

1009-5500(2017)05-0092-05

2016-10-20；

2016-12-02

内蒙古大学研究生科研创新项目(11200-12110201)资助

王秀梅(1980-)，女，内蒙古兴安盟人，在读博士研究生，讲师，主要从事环境资源与生态系统分析、环境信息系统方面的研究。

E-mail：xmw1980@163.com

宝音陶格涛为通讯作者。