华北地区陆生园林植物去除道路径流污染物的实证研究

商 瑜

刘海龙*

道路径流污染具有严重威胁的原因还在于其可随地表径流迁移到下游受纳水体中，也可随径流下渗到土壤甚至地下水中，这将会对下游水体、土壤、地下水带来诸多污染物，对地表及地下水环境和土壤环境的健康带来巨大威胁。径流对地表水的污染风险此前已被多次讨论，在此不再赘述。而其对土壤环境和地下水的威胁正在逐渐被认识，已有研究开始关注土壤系统的负荷能力及土壤污染的累积效应，以及集中入渗对地下水水质的影响。如李怀恩等[9]从集中入渗的数值模拟、污染物的累积效应、风险评价研究等方面综述了径流长期集中入渗对土壤和地下水带来的污染风险，认为污染物会随雨水设施的运营而在土壤中逐渐累积，超过一定限度时则会对土壤和地下水造成一定影响；贾忠华等[10]通过长期与短期监测研究径流集中入渗对地下水中TN、TP、氨氮、硝态氮等水质指标的影响，得出集中入渗对地下水中TP影响不大，但TN长期以来平均浓度会有所增加。综上所述，合理有效地控制道路径流污染应成为城市道路设计、建造和运行管理的主要目标之一。

目前关于道路径流污染去除的研究主要集中在环境工程领域，通过文献、试验、监测等手段研究雨洪管理过程中径流污染的形成机制、运行机理及去除作用，其中去除作用的关注点集中于填料、设施形式、植被。在填料方面，研究人员主要关注不同填料介质单一及组合对径流污染物的去除作用。如康爱红等[11]研究了不同渗滤介质组合对径流污染的去除作用；赵云云等[12]通过对渗透性能、污染物去除效果和经济成本进行综合评估优化了生物滞留设施的填料配比。在设施形式方面，研究人员通过实验、模型模拟等方式研究了设施形式对径流污染物的去除作用。如Luo等[13]通过实验研究了双层介质的生物滞留系统对氮素的去除效果；李明翰等[14]研究评价了有无内部蓄水层这2种生物滞留系统对于综合公路径流的治理作用。植被和设施的组合效果为研究人员的主要关注点，如李怀恩等[15]介绍了植被过滤带的相关情况及带宽计算方法；陈航等[16]研究了河岸宽度等因素对不同缓冲带截污能力的影响；黄俊杰等[17]研究了不同形式的植草沟对道路径流的水质净化效果；段进凯等[18]研究了不同浅基质层干植草沟对道路径流中氮的去除效果。但对单种陆生植物的净化能力的研究尚且不足。其中张美等[19]分析了在高、中、低3种不同浓度条件下一叶兰等7种陆生园林植物对径流雨水中CODMn、TN、TP 3种污染物的净化作用，得出陆生植物对污染雨水具有一定的净化作用，不同植物对CODMn、TN、TP的去除存在较大差异，且植物在不同污染浓度条件下会呈现不同的净化能力。

植物因其生理构造可在去除径流污染方面取得值得期待的成果，同时植物的自然属性和优良的视觉景观效果也使其在以大量灰色基础设施为主导的人居环境中具有一定优势。径流中的污染物氮磷是植物生长发育必需的营养元素，植物可通过吸收利用来达到削减径流污染的效果[20]，且多数情况下对植物本身不会产生负面影响；植物根系可通过改变土壤非生物组分的理化性质来改善土壤结构[21]，提高渗透力并防止堵塞[22]，也可以通过改变土壤微生物的活性建立良好的植物-微生物系统，增强土壤介质和微生物对径流污染的去除效果；运用植物材料处理径流污染成本更加低廉，并且有较好的可持续性；同时植物可以帮助创造良好的小气候，营造优美的视觉景观。

本研究关注以下三方面内容：一是特定陆生植物种类在特定条件下对模拟径流中TN、TP、CODCr的去除效果；二是植物修复能力的潜在趋势；三是植物对土壤的修复作用。通过以上三方面的研究，希望能够帮助景观设计及环境工程等领域针对特定目标选择相应植物进行生态修复。

1 试验方法

1.1 试验背景

植物去除道路径流污染试验是《中新生态城市政道路雨水生物滞留净化技术研发与示范应用》课题的研究内容之一，采用实验室规模的盆栽试验[23-24]，以探究不同植物对道路径流和土壤中TN、TP、CODCr的去除能力为目的，挑选出适合于天津中新生态城、具有较强的污染物去除能力并且具有较好景观效果的植物种类。本次盆栽实验将会为后续场地生物滞留池实验中植物品种选择提供科学依据，场地实验的现场监测也将为盆栽实验的结论提供补充和验证。

1.2 试验原理

试验原理是用人工配置的具有特定浓度的污染物质的溶液(即进水)对植物进行浇灌，检测进水和经过植物及其生长介质后的渗滤液(即出水)中的污染物浓度，比较二者之间的差异，即可得出该种植组对污染物质的去除能力。通过种植组及植物的污染物去除率随实验场次的增多而呈现出的变化情况，并且通过比较实验前后土壤中污染物含量的变化，研究植物去除率的变化趋势及其对土壤中污染物的去除作用。

1.3 试验材料

本次的试验材料是灌木和草本植物。此类植物在相关雨洪管理与海绵城市的低影响开发设施中多有使用。选择主要考虑以下几个方面的因素：能够适应天津区域气候与土壤特征；能够应用于市政道路生物滞留池，具有一定的耐旱、耐短期水涝、耐盐等特性；具有一定的水质和土壤净化功能；具有一定的景观效果；维护成本较低。试验植物选择基于相关已有文献。经过2轮筛选，最终选取的植物种类共计11种，包括2种灌木和9种草本地被植物。植物材料信息见表1[25-28]。

此后，西王布局健康产业的步伐仍未停止。2017年6月18日晚，西王食品公告称，公司同日收到公司控股股东西王集团通知，西王集团于2017年6月16日下午与阿里健康科技（中国）有限公司签署了战略合作签约仪式会议备忘录。

表1 试验植物材料表

1.4 试验步骤

试验步骤为苗木采买-种植-养护-浇灌-采样-送检(图1)。

图1 试验步骤流程示意图

苗木采买需要注意购买生长较为健壮、规格一致的种类。种植阶段是将11种植物分别按照实际道路绿化工程中的种植间距种植于花盆中。花盆共有2种型号。花盆A横截面为方形，上口边长18.5cm，盆底边长13cm，盆高18.5cm，分别种植9种草本和灌木月季；花盆B横截面为圆形，上口内径36cm，下口直径28cm，高25cm，种植矮生紫薇。每个品种种植4盆。应选用同一批次的种植土并且设置对照组，序号为12。养护期为5月10日—6月9日。

浇灌是关键步骤。在浇灌开始前需要将花盆中的杂草和枯叶清理干净，以免影响试验结果。浇灌周期依据天津市降雨规律设计为每周2次，浇灌时间为6月10日—7月11日，共10次。浇灌用水选取在道路径流污染研究中非常重要的常见污染物COD、TN、TP作为研究指标，污染物含量依据工程场地(天津市滨海新区中新生态城)实测确定为COD：105mg/L，TN：8mg/L，TP：1mg/L(表2)。浇灌水量按设计降雨量乘以降雨历时乘以降雨面积计算。浇灌结束后即可开始采样。采样时将干净无水的采样瓶放于花盆底部来收集出水，采样过程需持续到出水完全结束为止，耗时约30min。最后需要将收集的样品编号记录并送到检测中心进行检测。检测指标为CODCr、TN、TP。

表2 试验模拟道路径流污染物含量

2 试验结果

2.1 对径流中污染物去除率比较

从图2可看出，各种植组对径流中的TP和CODCr均能起到一定的去除作用，而对TN的去除则依据品种不同有不同的表现。

图2 各种植组对径流中TP、TN、COD的去除率

各种植组对径流中TP的平均去除率均较高，为65%～92%，相差较小。其中去除表现最好的为月季组，平均去除率高达91.49%，紧随其后的为麦冬组和矮生紫薇组，平均去除率分别为91.08%、89.60%；去除表现最差的为丛生福禄考组，平均去除率为65.53%，其次为马蔺组和狼尾草组，平均去除率分别为66.88%、68.78%；其余组平均去除率均为70%～86%。

各种植组对径流中的CODCr均起到一定的去除作用，平均去除率为27%～80%，但差别相对较大。其中去除率表现最好的为麦冬组，平均去除率高达79.64%，其次为对照组和金娃娃萱草组，平均去除率分别为74.25%、67.04%；去除效果最差的为兰花鸢尾组，平均去除率为27.87%，其次为马蔺组和矮生紫薇组，平均去除率分别为40.07%、41.22%；其余组平均去除率均为53%～61%。

各种植组对径流中TN的平均去除率差别最大，去除作用最强的是德国鸢尾组，平均去除率为35.59%，其次为对照组和麦冬组，平均去除率分别为6.48%、3.92%。除德国鸢尾组、麦冬组和对照组外其余各组对径流中的TN均未能起到去除作用，反而会增加污染物浓度，其中增加率最高的为金娃娃萱草组，平均增加率高达206.74%，其次为矮生紫薇组，平均增加率为176.88%；其余组平均增加率为7%～97%。

2.2 对径流中污染物去除率变化情况

随试验次数增加，不同植物种类及种植组对径流中的TP、TN、CODCr的去除率呈现出了不同的变化趋势。其中TP和CODCr的变化趋势相对不明显，而TN的去除根据品种的不同呈现出不同的变化规律(图3)。将其变化规律提取出后可将其划分为4种不同的类型。

图3 各种植组对径流中TN的去除率变化趋势

其中7个种类(狼尾草、玉簪、德国鸢尾、矮生紫薇、马蔺、月季、兰花鸢尾)为起伏不定型，需要更长时间的试验验证；紫叶酢浆草、金娃娃萱草和丛生福禄考为趋于平稳型；麦冬为上升型；只有对照组为下降型，也就是说，随实验次数增加，土壤本身去除污染物的能力会明显下降。

2.3 植物对土壤中污染物去除率比较

从图4可看出，各种植物对土壤中的TP和TN均能起到一定的去除作用。其中，对TP的去除率依据种类不同变化较大，矮生紫薇的去除率最高，达到76.33%，其次为麦冬和月季，均在40%以上，其余均为20%～40%。对TN的去除率均较高，其中去除率最高的为马蔺，达到127.60%，其余种类的去除率均在100%左右，去除效果良好。

图4 各种植组对土壤中TP、TN的去除率

3 讨论与展望

3.1 植物去除径流和土壤中TN、TP的生物学机理

氮、磷是所有植物生长所必需的营养物质，任何一种植物都可以通过吸收、固定或转化氮磷元素从而对周围土壤和水体起到修复作用。但是修复效果却各有不同。这与氮磷元素的性质、赋存形态以及植物特性有关。

植物对TN的去除效果是植物去除无机氮和有机氮、颗粒态和溶解态氮素的综合效果。无机氮以铵盐(NH4+)和硝酸盐(NO3-)为主，植物可以通过根部将其吸收并在体内转化成氨基酸类物质加以利用。这是植物利用无机氮的主要过程，这个过程会受多种因素影响，包括植物种类、生长阶段、生长环境、氮供给能力、土壤性质、根际温度和深度、周边微生物种类和数量等，这些因素会对铵盐和硝酸盐吸收利用的比例产生影响。同时这个过程是一个需要消耗能量的过程，环境的光条件、大气CO2浓度、根际CO2含量会影响能量分配状态，进而影响植物对铵盐和硝酸盐吸收利用的比例[29]。有机氮是植物生长的另一大氮源，主要包括氨基酸、尿素等。植物可以吸收径流和土壤中的有机氮，但吸收能力因植物种类、有机氮化合物分子量及地理因素而异。研究发现，植物可以利用菌根吸收蛋白质、氨基酸等有机氮，菌根的生长部位对吸收效率具有一定影响；相对于大分子量的有机氮，植物根系更偏向于吸收尿素、氨基酸等分子量更低的有机氮[29]。

此外，陆生植物赖以生存的土壤介质在植物去除径流污染的过程中也会起到一定的作用，有时甚至会产生较大影响。土壤介质对氮、磷的去除主要由其赋存形态决定，颗粒态和溶解态的去除效果差异较大。研究显示传统生物滞留设施对雨水径流中TSS、COD，以及重金属、多环芳烃等雨水径流中颗粒态的污染物具有较好的控制效果，但对不同形态氮磷的控制效果差异较大[30]。本次实验中对TN的去除率较低，其原因可能与以下三方面有关：种植基质、植物种类、模拟径流成分及其污染物浓度。

本项实验中采用的基质是种植土，这种介质氮本底值较高且对径流中氮等污染物的吸附能力较差[31]，土壤中可溶性硝酸盐随水分入渗易发生淋溶现象，使土壤中NO3-向下层转移[30]，由于本实验使用花盆作为种植容器，种植土中的可溶性氮元素很容易随土壤渗滤液的流出而排到外界，同时由于去除NO3-需要在缺氧条件下发生反硝化作用，而此实验不具备相应条件，因而难以达到去除的效果，并且由于NO3-带负电荷因此也很难通过介质的吸附作用去除，这都导致NO3-的去除效果较差，造成渗滤液中的TN含量大幅增加，表现为种植组对TN的去除率较低，当土壤析出量大于摄入量时便会呈现出负去除率的表现。尽管TN去除率整体很低，但由于植物种类的不同也互不相同。这与植物生长阶段及植物的生物量有关，也与植物生理构造有关。由于模拟径流中使用氯化铵和硝酸钾作为投加物质，使得溶解态无机氮含量较高，这也会造成TN去除率低，甚至污染物浓度不降反升。模拟径流中原始氮浓度的不同也会影响渗滤液中TN的浓度。Gong等[21]研究发现，低浓度进水比高浓度进水更有利于污染物的减少。设施对磷的去除通常与填料及其磷本底值有关[30]，填料的淋溶效应与氮素相似，当磷本底值较高时，设施对磷净化效果通常较差[32]。

3.2 陆生园林植物生态修复的长期作用

对于植物修复的长期作用目前的研究还非常不足，从长远来看植物去除能力的上限及去除作用的变化规律在很大限度上决定着植物修复的效果。从图3能够很明显地看出对照组对TN的去除率在极短期的上升后便呈现持续下降的趋势，说明土壤本身对TN的去除效果并不理想，不能只依靠土壤来修复径流中的TN污染。与土壤的效果形成明显对比的是有植物的种植组，不同的植物呈现出不同的变化趋势，部分种类呈现出起伏不定或逐渐趋于平稳的态势，而麦冬去除率则在起伏中呈现上升趋势。这样的变化趋势更证明了植物在长期的过程中发挥的去除作用。植物对土壤中污染物的去除作用的研究主要集中于植物生态修复领域，主要关注对重金属、有机物等污染物的去除作用。对于无机盐的去除研究尚不多，尚需要持续深入的研究。因此，从可持续发展的角度出发，研究植物修复径流及土壤的长期效果能帮助景观及环境工程领域更有效地根据具体目标选择合适的植物种类，低造价、高绩效地发挥植物的生态修复功能，这也将是今后的重点研究方向之一。

3.3 陆生园林植物生态修复理论研究及应用展望

陆生植物是广泛应用于城乡建设中的植物材料，是城乡景观中不可或缺的组成部分，在海绵城市建设中发挥了重要的滞蓄径流的功能。但目前对于其可能具有的径流污染修复的潜力的认识还远远不足，无法满足实际建设中的应用需求。这将成为植物生态修复研究中的一个重要研究方向，从定性和定量2个维度为海绵城市建设和雨洪管理提供切实可行的建议。

未来的研究可在以下几方面继续深入：1)建立植物生态修复素材库，重点从海绵城市建设和雨洪管理出发，研究植物对雨水径流中各类型污染物的削减效果及可行的应用方法，丰富植物景观的功能，为海绵城市建设者提供便捷的查询途径；2)深入研究植物去除污染物的生物学机理，从根本上剖析植物生态修复的作用原理，为教学和科研提供明确的指导方向；3)基于上述两方面的研究，结合地域特色开展场地实践研究，为海绵城市建设提供科学依据。

4 结论

1)不同陆生植物对径流中TP、TN、CODCr具有不同的去除效果，针对具体目标可选择合适的植物种类。本研究中各种植物对径流中TP的平均去除率均较高；对径流中的CODCr均起到一定的去除作用，但依据植物种类不同去除率差别较大；对径流中TN的平均去除率差别非常大，除德国鸢尾、麦冬和对照组外其余植物对径流中的TN均未能起到去除效果。

2)不同植物对径流中TN的去除率呈现出不同的变化趋势，其中对照组呈现下降趋势说明土壤本身去除径流污染物的能力会随径流场次增多而有所下降，仅依靠土壤不能满足削减径流污染的需求。

3)植物对由于径流污染导致的土壤中TN、TP的积累具有一定的削减能力，可减缓土壤污染物的积累速率，降低土壤污染的风险。其中对TP的去除率依据植物种类不同变化较大。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢清华大学建筑学院景观学系博士生张益章、周怀宇，研究助理林国玄，清华大学环境学院贾海峰教授、赵云云博士后，新加坡国立大学胡江泳教授，新加坡義安理工学院环境与水原专业黎颖荟提供的建议和帮助。