氮素在雨水生物滞留系统多介质中的归趋与迁移特性
2019-12-09甘春娟郑爽陈垚任萍萍
甘春娟 郑爽 陈垚 任萍萍
摘要：雨水生物滞留系统（bioretention system，BRS）因其具有径流削峰与污染控制双重功能已成为海绵城市建设的优选措施，但要阻隔雨水径流中氮素进入水体而诱发富营养化的发生，必须实现该雨水處理设施对氮的持续稳定去除。BRS对氮素的去除可通过植物吸收和微生物固持的临时途径，也可通过微生物作用转化为气态氮的永久途径实现。去除途径取决于植物、土壤和微生物等多介质对进水氮素的作用强度，但目前对BRS在除氮本质过程上尚不清晰。以风车草为功能植物，考察氮素在植物、土壤和水中的迁移量，确定功能植物的贡献大小，并基于物料守恒原理探明进水氮素在多介质中的归趋比例和迁移特性。结果表明，植物对BRS除氮的贡献较为显著，进水氮素首先在种植土壤层（0～20 cm）发生累积效应，其中，NH+4-N主要通过植物吸收作用去除，并最终输送至植物茎部进行累积，而累积在土壤中的氮素在水流运移作用下迁移并在不同氧环境下发生硝化、反硝化作用而表现出NO-3-N的先升后降趋势。进水氮素的归趋主要以气态氮的排放为主，植物吸收和土壤吸附固持为辅。
关键词：生物滞留系统;氮素;土壤;植物;归趋;迁移
中图分类号：X703/TU992文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）10-0071-07
Fates and Migration Characteristics of Nitrogen in
Multimedia of Stromwater Bioretention System
Gan Chunjuan1， Zheng Shuang2， Chen Yao2，3， Ren Pingping2
（1. Chongqing Municipal Research Institute of Design， Chongqing 400012， China;
2. School of River and Ocean Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China;
3. Engineering Laboratory of Environmental Hydraulic Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）
Abstract Bioretention system （BRS）， with its dual functions of runoff peaking and pollution control， has become the preferred measure for runoff pollution control in sponge city construction. But in order to prevent the occurrence of eutrophication caused by nitrogen entering water from rainwater runoff， the continuous and stable removal of nitrogen from the rainwater treatment facility must be realized. The removal of nitrogen by BRS can be achieved through temporary and permanent approaches such as plant absorption， microbial temporary holding， and transformation of microbial action into gaseous nitrogen. This process depends on the effect of multiple media such as plants， soil and microorganisms on nitrogen intake， but the essential process of BRS in different plants is still unclear at present. The nitrogen migration in plants， soil and water were investigated in BRS with Cyperus alternifolius L. as the dominant plant species， and then the contribution of functional plants was determined. Finally， the regression proportion and migration characteristics of influent nitrogen in multi-media were explored based on the principle of material conservation. The results showed that the contribution of plants to removal of nitrogen was relatively significant. The regression of influent nitrogen showed cumulative effects firstly in the planting soil layer （0～20 cm）， in which， NH+4-N was removed mainly through plant uptake and ultimately accumulated in the plant stem;but the rest nitrogen accumulated in soil was transported under the action of flow migration and nitrified and denitrified under different oxygen environments， showing the first rise and then fall of NO-3-N. It could be concluded that the regression of influent nitrogen in BRS was mainly based on the emission pathway of gaseous nitrogen， while the immobilization by plants and adsorption fixation by soil were assistant pathways for nitrogen removal.
Keywords Bioretention system; Nitrogen; Soil; Plant; Fates; Migration
雨水生物滞留系统（bioretention system，BRS），亦称雨水生物滤池或雨水花园，通常由植被层、细砂层和砾石层组成，并通过模拟自然水文循环对雨水径流进行截留、蒸发、渗滤和净化，实现对雨水径流的水文削峰和污染控制[1，2]，是一种有效的雨水控制措施[3]，已成为我国海绵城市建设的优选措施。目前，BRS的控污性能通常以污染物去除率进行表征，鲜有针对其污染物永久去除的相关研究[4]。若污染物只临时滞留于系统内而在某时刻发生释放时，此时BRS对污染物的控制也只是对污染物的衰减，并不是实际意义上的去除。可见，污染物在临时与永久去除途径中的归趋决定着BRS的长期控污性能。NO-3-N可通过生物同化作用进行临时固持，也可通过反硝化作用以气态形式永久去除[1]，是一种具有高溶解性和生物有效性的污染物，也是水体富营养化的控制因子。虽然氮的转化与循环过程普遍存在于自然界和工程环境中，但在具有干湿交替的BRS中尚未对这一过程进行准确定量。显然，BRS除氮长期性能有待于进一步深入研究，以提高今后对BRS设计优化的能力。
结合陆地、消落带和水环境中氮素过程的研究结论，认为城市雨水径流携带的氮素进入BRS后，可发生生物同化、微生物转化过程（硝化、反硝化、硝态氮异化还原为氨态氮）、非生物过程（吸附和解吸）或从系统中淋失等一系列归趋[5，6]。氮素在不同去除途径中的归趋比例与植物、土壤、水和微生物等多介质相关，如土壤水分通过系统連通、基质运移、生物功能和改变化学条件等多途径调控氮素迁移转化过程[7]。在传统消落带生态系统氮素归趋研究中，植物固持和微生物硝化与反硝化作用两种去除途径为其主要归趋路径，特别是反硝化作用对NO-3-N去除的相对贡献率可达30%～100%[8，9]。而Payne等利用同位素示踪技术证实雨水生物滞留系统中反硝化作用的贡献率最高不超过10%，而植物固持的贡献率高达90%以上[4]。可见，进水氮素在BRS中的归趋路径显然与传统生态系统显著不同，不同去除途径的相对贡献率仍有很大的不确定性。同时，作为一个多介质生态系统，氮素去除途径取决于植物、土壤和微生物等多介质对进水氮素的作用强度[2]。相关研究证实，植物根系构型特征在干湿交替下将发生演替，并通过根系诱导作用改变土壤中的氧动力学并使其与非根际土壤在空间上产生异质性，影响根际功能微生物的空间分布特性[10，11]。因此，不同根系构型的植物可调控土壤、植物和微生物对除氮过程的相对贡献率而影响氮素的最终归趋路径，但目前对于植物在BRS除氮本质过程上的贡献程度尚不清晰。
为此，本研究按照“等效模拟”原则，以山地城市道路雨水径流为研究对象，考察风车草植物系统的除氮效能以及氮素在植物、土壤和水中的迁移量，明确功能植物对氮素去除的贡献情况，并基于物料守恒原理探明进水氮素在多介质中的归趋比例和迁移特性。研究结果将有助于阐释进水氮素在BRS多介质中的累积、迁移与转化过程，改善BRS的优化设计能力及其使用寿命。
1 材料与方法
1.1 试验装置
采用内径为150 mm的PVC管（滤料层）+亚克力管（积水层）制成滤柱形式，自上而下分别为200 mm积水层，300 mm种植层，200 mm过渡层和100 mm排水层，如图1所示。
种植层的填料由砂壤土（粒径0.02～0.20 mm）、石英砂（粒径0.15～0.25 mm）和河沙（粒径0.05～0.15 mm）按1∶2∶2（W/W）混合而成。此外，在淹没区（储水层）过渡层的石英砂填料中添加5%重量的木屑作为外加碳源，为反硝化过程提供条件。排水层由3～6 mm的砾石组成。所有填料注入滤柱后，采用人工挤压方式进行压实。滤柱中不同位置的土壤基础理化性状如表1所示。
1.2 试验设计与方法
采用“等效模拟”（即根据研究区域内典型年径流量和径流产生天数的历史统计数据进行平均分布以形成可控的干湿交替期和恒定的径流量）原则，滤柱每周处理3场降雨（每周一、三、五进水），每场次处理径流量为3.8 L，对应降雨量为20.9 mm。2017年10—12月期间，滤柱共处理37场降雨径流。
为消除高变异降雨径流水质的影响，试验根据重庆市市政道路雨水水质监测的相关统计结果人工配制模拟径流雨水。在自来水中添加相应数量的湖泊底泥与化学试剂以配制目标污染物浓度的模拟径流雨水，雨水水质见表2。
根据前期研究结果，选用风车草植物构建植被型BRS。各BRS种植一株风车草，设3个平行样，并设3个无植物的BRS作为参照，如表3所示。
1.3 采样与分析方法
试验中采用变水头法测定各BRS装置的水力渗透系数[12]。采用储水桶收集出水，在出水结束后记录出水收集量。取适量水样根据国标法测试分析出水的NH+4 -N、NO-3 -N、TSS、TN和COD等常规指标，并按下列公式计算各污染物指标的去除率。
R（%）=（1-CoutJoutCinJin）×100
式中，R为去除率;Cout为累计出水平均浓度，mg/L;Jout为储水桶收集到的累计出水量，L;Cin为进水浓度，mg/L;Jin为进水量，L。若BRS因填料堵塞而导致径流雨水无法全部下渗时，净进水量为总进水量扣除积水层的蓄水量。
采用土壤采样器分层采集试验前后、场次降雨径流前后种植层和淹没层的土壤样，自然风干后测定土壤含氮量。为避免土壤采集后形成柱孔对BRS后续运行产生影响，采集完毕后填充相应的土壤/过滤基质。排水落干期间（无积水），利用25 mL的针头塑料注射器通过BRS装置采样点的橡胶堵头采集不同土壤深度的孔隙水样，可认为采集过程中并不会摄入O2而影响土壤氧环境[4]，分别监测水样中的NH+4-N、NO-3 -N和TN浓度。由于硝态氮污染物进入土壤基质后，在硝化和反硝化细菌作用下，NH+4-N和NO-3 -N可相互转化，其中间产物NO-2 -N极不稳定，且试验过程中发现其浓度极低，多次检测均未检出，故本试验不进行NO-2 -N浓度的测定与分析。试验前后，分别切开植物种植袋或利用特定工具精准剖开BRS装置，采用大量自来水冲洗填料（土壤）层以无损采集出整株植物，并按根、茎、叶进行分割和自然风干。风干后的各植物组织称重后，取适量植物组织测定含氮量。土壤和植物中的含氮量采用全氮表示，并采用凯氏定氮法进行测定[13]。
为避免平行样测试分析数据受极值影响而产生偏差，采用中位数进行数据统计分析，若P<0.05，则样本间存在显著差异。
2 结果与分析
2.1 植物对氮素去除的贡献程度
植物可通过根系直接吸收NH+4-N、NO-3 -N，以及氨基酸等一些小分子含氮有机物[14]，还可通过根系影响根际微生物对氮的吸收同化作用，难以直接确定其对氮素去除的贡献程度。本研究通过Cyp试验组与CK组BRS除氮率的差值间接获得植物对BRS除氮的贡献程度（图2）。
由图2可知，风车草对氮素的去除有一定的贡献，有助于提高BRS的除氮性能，但其对两种形态氮素的贡献程度存在显著差异。其中，对NH+4 -N去除的贡献程度为12.58%，而对NO-3 -N去除的贡献程度则为15.69%。造成风车草对BRS除氮贡献程度存在显著差异的主要原因是偏好吸收NH+4 -N的植物对NO-3 -N的吸收强度相对要弱，反之则强[15]。
2.2 氮素在BRS中的迁移特性
2.2.1 植物中氮素的累积 BRS中氮素的去除途径主要有挥发、氨化、硝化、反硝化、植物摄取和基質吸附[1，2]。研究风车草试验前后根、茎、叶中全氮含量的变化可进一步获取氮素在植物中的累积和迁移情况。由图3可知，风车草的根、茎、叶中均存在不同程度的氮累积或迁移现象。试验前后风车草根和茎部位均出现了不同程度的氮累积。其中，叶、根部累积量试验前后差异不明显;茎部为氮素的主要累积部位，风车草对氮素的累积率高达83.52%。试验结果表明，根系吸收氮素后主要迁移至茎部进行累积。
2.2.2 土壤中氮素的累积 由于试验过程中并未检测土壤中硝态氮、氨态氮等不同氮素赋存含量，故本研究仅以土壤全氮含量变化情况分析不同时期氮素在土壤中的迁移，并将BRS处理一场降雨径流分为降雨前期（干旱）、降雨期（进水湿润）、排水期（排水落干）和干旱期（干旱）等4个时期，结果如图4所示。
不同系统处理一场降雨径流后，土壤含氮量均发生不同程度的累积。其中，Cyp试验组和CK土壤含氮量累积率分别为8.50%和41.56%。试验结果表明，植物对氮素在土壤层的迁移累积具有显著影响，可通过改变土壤理化性质来影响氮素的迁移累积效应。同时，不同时刻各试验组土层呈现出不同的氮素迁移规律，Cyp试验组种植层含氮量均高于淹没区，且植物组土壤总含氮量（种植层与淹没区土壤含氮量的加权值）约为无植物组的1.6倍，分别为0.85 g/kg和0.54 g/kg。结果表明，栽种风车草可提高土壤对氮素的累积效应，这可能是由于根系的存在可通过根系衰亡和微生物死亡维持土壤较高的有机质，从而更易形成氮素的“汇”库[16]。
随试验进程，两个试验组出现了显著不同的迁移累积规律。其中，Cyp试验组进入降雨期后，种植层和淹没区的土壤含氮量在进水湿润的条件下均呈现出下降趋势，表明土壤中氮素会随水流过程发生解吸迁移。而在排水期受排水落干作用形成的动力，径流中的氮素并不能在种植层累积，但开始累积于淹没区的土层中，表现为淹没区土壤含氮量较降雨期增加一倍，达到0.42 g/kg。随着排水落干过程的结束，BRS的种植层土壤逐渐进入干旱状态，因含水率下降造成的植物根系衰亡和微生物死亡，且水动力运移作用逐渐减弱，导致其土壤含氮量不断升高，直至降雨前期的含量水平。而储存在淹没区水中未被反硝化的NO-3 -N在低氧、高Fe含量（进水浓度13.0 mg/L）条件下发生了硝态氮异化还原过程（DNRA）而转化为NH+4 -N[17]，并被带负电荷的土壤胶体所吸附，从而表现为淹没区土壤含氮量增加，较降雨前期增加了21.31%，达到0.74 g/kg。不同时期CK组土壤总含氮量逐渐增加，但种植层含氮量基本不变，即无植物条件下氮素随水流运移过程而不断累积于淹没区土层中。
试验结果表明，在降雨径流形成的水位波动下，NO-3 -N和NH+4 -N经土壤向下渗流过程中，会发生吸附、硝化和反硝化等反应以及随水流发生溶质运移。由于土壤胶体一般带负电荷，故NO-3 -N污染物不易被土壤颗粒吸附，主要以溶质形式存在于土壤溶液中，其迁移转化受土壤中含水量、水流运动状态、土壤性质以及微生物作用的影响[18]。NH+4 -N极易被土壤介质所吸附，但在富氧环境中，在微生物作用下容易转化为NO-3 -N。排水期因排水落干形成的水位下降过程中，土壤孔隙水与空气接触面积更大，导致吸附在土壤颗粒上更多的NH+4 -N转换为NO-3 -N，并随水流迁移至淹没区中。而储存在淹没区水中未被反硝化的NO-3 -N通过DNRA过程转化为NH+4 -N，最终累积于淹没区土壤层。
2.2.3 水体氮素迁移转化 雨水径流在排水期内不同空间土壤孔隙水中的NH+4 -N和NO-3 -N浓度分布剖面如图5所示。结果显示，Cyp试验组对NH+4 -N的去除主要发生0～20 cm处，该空间为植物根系分布区域，去除率高达82.79%，而CK组对NH+4 -N的去除率仅为51.96%。Cyp试验组NO-3 -N浓度在0～20 cm处出现上升，随后沿土壤纵向急剧下降，最终去除率可达79.86%。而CK组，NO-3 -N浓度并未出现上升现象，在0～20 cm处去除率可达9.36%。Cyp试验组NH+4 -N和NO-3 -N最终出水浓度均低于CK组。
BRS对NH+4-N的去除途径主要包括生物同化吸收、微生物硝化和土壤胶体的吸附作用。其中，以NH+4 -N、NO-3 -N和NO-2-N等形态存在的无机氮均为水溶性物质，可直接被植物吸收同化而去除。而植物根系的存在可显著提高土壤微生物量，较无植物条件下微生物对NH+4 -N的硝化量高。此外，植物根系还可改变土壤理化性质，使其呈现空间异质性，改善氧气的传递作用，并促使土壤微生物出现异质性分布，强化硝化反应进程[5，7]。上述原因使得Cyp试验组在0～20 cm土层表现出较高的NH+4 -N去除效果。沿土层纵向，NH+4 -N浓度基本保存不变，但在40～60 cm处出现了上升。这主要是由于该区域发生了DNRA过程。而无植物的CK组，由于无植物同化作用，土壤空间同质性以及受氧气传递的限制，导致硝化过程发生的空间范围较大，从而表现为NH+4 -N浓度沿土壤纵向逐渐下降。
Cyp试验组由于硝化反应主要发生0～20 cm土层，且富氧程度明显高于CK组，导致该空间的NO-3 -N浓度较进水浓度高。由于氧气主要传递至表层区域（0～20 cm），以致20～40 cm土层开始形成缺氧环境，同时进水中的碳源也较充裕，反硝化微生物在该空间进行了较强的反硝化作用，导致NO-3 -N浓度急剧下降。随着进入淹没区形成反硝化区域，虽然添加了固体碳源，但其碳源释放速度较慢，同时NO-3 -N的底物浓度较低，导致反硝化速率大幅降低，从而表现为40～60 cm土层NO-3 -N的反硝化减缓。
2.3 氮素在多介质中的归趋特性
根据试验期间BRS中氮素的总输入量、出水排放总量、土壤氮素累积量和植物氮素累积量，遵循物料守恒原理可间接估算出气态氮（N2、N2O）排放量。由此可获得植物同化贡献率、土壤介质吸附固持（含物理化学吸附作用、微生物同化固持作用）的贡献率，以及微生物反硝化脱氮的贡献率，从而绘制出植物系统和无植物系统中氮素在多介质中的归趋情况（图6）。
试验结果表明，通过微生物硝化与反硝化作用以气态氮（N2、N2O）的形式排放为BRS去除进水氮素的主要归趋路径，归趋比例达62%以上，而植物吸收固持贡献比例仅为7.55%，与Payne等[4]研究结果显然不同。这可能是由于试验时间过短（仅进行3个月），同时处于秋冬季节，风车草生长缓慢甚至出现衰亡，导致植物对氮素的吸收固持作用较弱。Cyp和CK试验组中土壤吸附固持对氮素去除的贡献最低，贡献率分别为0.58%和2.89%。两个试验组氮素在土壤介质中的归趋比例存在较大差异，可能是由于植物的存在影响了氮素在土壤介质中的运移路径与形态转化过程，从而改变土壤的吸附固持量。试验结果表明，氮素在微生物、植物、水和土壤介质等多介质共存的生态系统中，多介质归趋途径对氮素去除的贡献强度分别为气态氮排放>出水排放>植物吸收固持>土壤吸附固持。
3 结论
① 风车草对氮素的去除有一定的贡献，可提高BRS的除氮性能，但其对不同形态氮素的去除贡献不同，其中，对NO-3 -N去除的貢献程度显著强于对NH+4 -N的去除贡献。
② 进水氮素首先在种植土壤层（0～20 cm）发生累积效应，其中，NH+4 -N主要通过植物吸收作用去除，并最终输送至植物茎部进行累积，而累积在土壤中的氮素在水流运移作用下迁移并在不同氧环境下发生硝化、反硝化作用而表现出NO-3 -N的先升后降趋势。
③ 进水氮素在BRS中的归趋主要以气态氮的排放途径为主，多介质归趋途径对氮素去除的贡献强度分别为气态氮排放>出水排放>植物吸收固持>土壤吸附固持。
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收稿日期：2019-07-27
基金项目：国家自然科学基金项目（51709024）;重庆市研究生科研创新项目（CYS18219）;重庆市基础科学与前沿技术研究项目（cstc2017jcyjAX0292）;重庆市留创计划资助项目（cx2017065）
作者简介：甘春娟（1982—），女，四川邻水人，硕士，高级工程师，主要从事市政给排水设计与海绵城市研究。E-mail： 49372870@qq.com
通讯作者：陈垚（1983—），男，浙江永康人，博士，教授，主要从事水污染防治与城市雨洪管理研究。E-mail： chenyao@cqjtu.edu.cn
