植物对黄土分布区生物滞留系统长期除氮功能的影响

王洪浩，赵 凡，李京玲

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引言

伴随着城市化的快速发展，引发了一系列水问题，如水生态平衡失调、雨水径流污染、洪涝灾害增多等[1]。生物滞留系统由于其能够实现水文削峰，提高径流水质，并提供美学和生态效益，因此在全世界雨洪管理中得到广泛应用[2]。植物作为雨水生物滞留系统中的组成部分，在控制径流营养盐去除方面发挥着重要作用。研究表明，与没有植被的生物滞留系统相比，有植被的系统表现出更好的氮、磷去除效果[3]。

中国黄土主要分布于中西部地区，山西作为黄土集中连续分布的主要区域，其黄土具有明显的湿陷性特征[4]，湿陷性黄土会对植物、微生物的生长以及氮素的去除效率产生影响[5]，山西作为半干旱区,由于气象条件、植被条件、径流条件等的差异，也可能会对氮素的去除和迁移转化造成影响[6],使得雨水生物滞留系统内植物的选择不同于其他地区。然而现阶段对于黄土分布区生物滞留系统的研究主要集中在填料的改良和黄土入渗性能的研究[7,8]，很少有人探究不同植物对黄土分布区生物滞留系统除氮功能的影响。另一方面，现阶段国内外学者对植物的研究主要集中在植物的种类和植物的性状对去除雨水径流中氮素的贡献[9-11]，并筛选出大量能高效去除氮素的植物，但没有进一步探究植物的种类和性状如何影响生物滞留填料中氮素分布来提高系统对氮素的去除效果，这有利于理解和预测生物滞留系统的长期性能，并有助于探究植物对氮素去除的影响机制。

因此本文通过因地制宜选择合适的植物种类，以山西本地黄土和河沙作为填料，通过研究不同植物处理下填料中氮素的分布以及进水氮素的去除效果并进行氮的平衡性分析，探究植物对生物滞留系统长期除氮功能的影响，筛选出适宜构建黄土分布区海绵城市建设的优势植物。这对实现黄土分布区雨水生物滞留系统氮素污染去除，雨水资源化利用和水环境保护具有重要的理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据黄土分布区的土壤和气候条件，综合植物的景观效果，选择马蔺、萱草、八宝景天和金色麦冬4种本土草本植物为供试植物，同时设置无植物对照组，共5种处理。填料均采用本地黄土和河沙按照一定的比例配成。

1.2 试验装置

如图1 所示，采用DN200 的有机玻璃管自制10 套生物滞留系统模拟装置，柱体高650 mm。装置自上而下依次为积水区（150 mm）、填料层（400 mm）、排水层（100 mm），底部排水口均为DN10 的有机玻璃管。此外，填料层由黄土和河沙以体积比为6：4比例配成，排水层使用1～2 mm的粗砂和3～6 mm 砾石构成，填料层和排水层之间放置透水土工布防止材料泄露。柱子的内壁经过磨砂处理，以尽量减少优先流动的影响。处理组分别种植马蔺、萱草、八宝景天和金色麦冬，处理组和无植物对照组均设两组平行样。

图1 生物滞留系统结构示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of bioretention system structure

1.3 试验方案

（1）进水水量和水质。本试验选取汇水面积与生物滞留池表面积之比为10:1[12]，暴雨重现期为1 a，降雨历时为60 min，根据太原市暴雨公式[13]求得试验模拟的径流量为5.44 L。根据太原市典型道路雨水水质监测的相关统计结果[14]人工配制模拟雨水径流，水质指标与浓度见表1。

表1 模拟雨水径流水质Tab.1 Simulated rain-runoff water quality

（2）试验过程。2021年5月完成装置的制作，在试验启动前，进行为期4周的自来水进水，目的是为了冲洗填料中固有营养成分，同时培养装置中的植物和微生物系统，并且需要定期检查装置出水水质，使试验启动前出水水质保持稳定。试验开始后，每7天一个周期进水5.44 L，共进水8次。

（3）样品采集和测定。水样采集及分析方法：在出水口采集水样同时测量出水体积，每个样品采样量约100 mL。水样TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，NO3--N 采用离子色谱仪测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定。

土样采集及分析方法：为了探究不同植物处理下填料中氮素随运行时间的变化情况，在第2次、第4次、第6次、第8次进水前，采用土壤采样器每隔5 cm 分层采集土壤样品，并均匀采集试验前后土壤样品。土壤NO3--N 采用离子色谱仪测定，土壤NH4+-N 采用靛酚蓝比色法测定，土壤TN 采用半微量凯氏定氮法测定。。

植物收集及分析方法：试验结束后小心取出待测植物，用去离子水清洗干净，观察记录植物的地上结构形态和根部结构形态并测量根长；生物量采用烘干法测定，植物TN 采用半微量凯氏定氮法测定。

1.4 计算方法

按照美国ASCE—EPA 数据库所推荐的物质去除效率法来计算氮素去除率：

式中：Rc为氮素去除率，%；V进水为进水体积，L；V出水为出水体积，L；c进水为进水氮素浓度，mg／L；c出水为出水氮素浓度，mg／L。

2 结果与分析

2.1 植物对填料NH4+-N 分布和进水NH4+-N 去除率的影响

2.1.1 植物对填料NH4+-N分布的影响

不同植物处理下填料NH4+-N 分布随运行时间的变化情况如图2 所示。虚线表示填料中NH4+-N 的初始含量为1.28 mg∕kg。由图2可知，第2次、第4次、第6次、第8次进水前各系统填料NH4+-N 平均含量分别为1.16～1.18、1.03～1.08、0.79～0.85、0.64～0.72 mg∕kg，第8 次进水前，各系统填料NH4+-N平均含量为初始含量的50%～56%。

图2 不同植物处理下填料中NH4+-N含量随运行时间变化Fig.2 the content of NH4+-N in the filler varied with running time under different plant treatments

不同植物处理NH4+-N 分布差异不大且含量较低，这可能是因为负责硝化作用的微生物活性并不强烈依赖于植物[15]，降雨结束后填料中的孔隙与空气接触面积较大，硝化细菌和亚硝化细菌在上层区域好氧条件下使NH4+-N 发生硝化反应形成NO3--N[16]。各系统填料中的NH4+-N 含量随运行时间增加而减少，可能是因为随着系统运行时间增加以及温度升高，负责硝化作用的微生物数量增加和活性增强[17]，导致更多的NH4+-N通过硝化反应转化为NO3--N。

2.1.2 对NH4+-N的影响

不同植物处理下的NH4+-N 去除率及出水浓度随运行时间的变化情况如图3 所示。由图3 可知，在整个试验运行期间，5种处理平均去除率由高到低依次为：八宝景天（91.84%）＞无植物（91.65%）＞金色麦冬（91.30%）＞萱草（90.79%）＞马蔺（87.90%），去除率分别为89.71%～93.90%、90.07%～94.15%、90.24%～93.95%、90.13%～91.90%、85.16%～91.55%。随运行时间的增加，马蔺处理下NH4+-N 的去除率从第四次逐渐下降，其余各处理对NH4+-N 的去除率差别不大，且随运行时间的延长较为稳定。

图3 不同植物处理下NH4+-N去除率及出水浓度随运行时间的变化Fig.3 Changes of NH4+-N removal rate and effluent concentration with running time under different plant treatments

由于填料对NH4+-N 的吸附能力较强，使得进入系统中的NH4+-N 容易被被填料所吸附，并且由于系统未设置淹没区，系统中氧气较为充足，NH4+-N 易通过硝化作用转化为NO3--N，所以各系统对NH4+-N 均有较高去除率，不依赖于植物。马蔺相对于其他植物具有较长的根系，试验后期根系基本贯穿整个填料层（见表2），一部分雨水径流可能沿着填料中植物的根系产生优先流，造成NH4+-N 出水浓度升高去除率下降，与SKOROBOGATOV[18]的结果类似。

表2 供试植物的生理指标Tab.2 Physiological indexes of tested plants

2.2 植物对填料NO3--N 分布和系统NO3--N 去除率的影响

2.2.1 植物对NO3--N分布的影响不同植物处理下填料NO3--N 分布随运行时间的变化情况如图4 所示。虚线表示填料中NO3--N 的初始含量为4.48 mg∕kg。由图4 可知，各阶段填料中的NO3--N 含量始终表现为无植物＞金色麦冬＞萱草＞八宝景天＞马蔺，第2 次、第4 次、第6次、第8次进水前各系统填料NO3--N平均含量分别为4.69～5.00、4.92～5.63、3.92～5.92、2.99～5.99 mg∕kg。第8 次进水前，马蔺、萱草、八宝景天填料中的NO3--N 含量显著低于初始含量，分别为初始含量的66.6%、81.6%和77.3%，无植物和金色麦冬填料中的NO-3-N 含量显著高于初始含量，为初始含量的133.7%和126.5%。

图4 不同植物处理下填料中NO3--N含量随运行时间变化Fig.4 The content of NO3--N in the filler varied with running time under different plant treatments

降水结束后，吸附在填料颗粒上的NH4+-N 通过硝化反应转化为NO3--N，植物可以在两次进水期间吸收填料中的NO3--N，使填料中的NO3--N含量保持在较低的水平。从图4可以看出系统运行前期由于植物生长缓慢，植物对填料中的NO3--N吸收能力较弱，运行前期各系统填料中的NO3--N 含量随运行时间增加而增加。后期随着植物的生长以及微生物的繁殖，使得植物吸收和微生物的固化作用增强，在第6次进水前，马蔺、萱草、八宝景天填料中的NO3--N 含量低于初始含量，并且随运行时间增加继续减少。金色麦冬由于根系不发达且生物量增长缓慢对NO3--N 吸收能力弱，在整个试验运行期间，金色麦冬和无植物组填料中的NO3--N 含量随运行时间增加而增加，远高于其他系统。同时从表2可以看出，植物的根系越长，越有利于对填料层NO3--N 的吸收，所在系统的填料层NO3

--N 含量越低。试验结束后，马蔺根系基本贯穿整个填料层，所以试验后期马蔺整个填料层NO3--N 含量都处在一个较低的水平；萱草和八宝景天根系主要集中在上部，所以填料层上部NO3

--N含量较低下部NO3--N含量较高；金色麦冬在移植后，生物量增长缓慢且根系短小不发达，填料层中NO3--N含量较高。这与植物对NO3--N 的去除与植物的根系长度，根生物量，根系深度等有密切关系的研究一致[10]。

2.2.2 对NO3--N的影响

不同植物处理下的NO3--N 去除率及出水浓度随运行时间的变化情况如图5 所示，由图5 可知，在整个试验运行期间，5种处理平均去除率由高到低依次为：马蔺（29.92%）＞八宝景天（14.88%）＞萱草（7.16%）＞金色麦冬（-13.9%）＞无植物（-24.19%），去除率分别为17.27%～35.96%，-3.85%～30.29%，-14.64%～30.98%，-34.46%～27.61%，-42.14%～27.72%。其中无植物组和金色麦冬去除率随运行时间增加快速降低，从第5次进水开始趋于稳定；马蔺、萱草、八宝景天去除率随运行时间增加先降低后升高，从第5 次进水开始回升。不同植物处理下NO3--N 的去除率有显著差异（P＜0.05），这表明不同植物处理会影响生物滞留系统中NO3--N 的去除效果。

图5 不同植物处理下NO-3-N去除率及出水浓度随运行时间的变化Fig.5 Changes of NO3--N removal rate and effluent concentration with running time under different plant treatments

各系统前期NO3--N 的去除率都出现一定程度的下降，这可能是由于填料吸附的NH+4-N 转化为NO3--N，试验运行前期植物生长缓慢对NO3--N 的吸收能力较弱，造成各系统填料中NO3--N 含量较高，试验进水过程中出现NO3--N 的淋溶[19]。马蔺、萱草、八宝景天所在的系统随着植物的生长、根系分泌物增多和微生物的繁殖，使得植物吸收和微生物的固化作用和反硝化作用增强，填料中的NO3--N含量降低，NO3--N去除率有所提高。无植物组不存在植物吸收而金色麦冬对填料中的NO3--N 吸收能力弱，填料中积累了大量的NO3--N，易随雨水径流流出系统，导致金色麦冬和无植物组对NO3--N 的去除率显著低于其他系统，甚至出现NO3--N的去除率为负。

相比于金色麦冬和无植物组，其他3种处理植物生长状态良好，可以通过长期吸收填料中的NO3--N，使得生物滞留系统保持长久且较为稳定的NO3--N去除效果。

2.2.3 系统填料NO3--N含量对NO3--N出水浓度的影响

由图6 可以看出，将各系统每个阶段进水前填料NO3--N含量与对应的出水径流NO3--N 浓度进行相关性分析，两者之间显著正相关（P＜0.01，R2=0.679）。证明植物通过影响填料中NO-3-N 的含量对系统NO3--N 的出水浓度产生了很大的影响。植物可以在两次降雨期间吸收填料中的N 元素尤其是NO3--N，使得进水前填料NO3--N 含量处于一个较低的水平，这是植物组的去除效果和除氮稳定性大于无植物组的重要原因。

图6 填料NO3--N含量对NO3--N出水浓度的影响Fig.6 Effect of FillerNO3--N content on NO3--N effluent concentration

2.3 氮的平衡性分析

根据试验期间各系统中进出水TN 含量和体积、填料TN累积量和植物TN 吸收量，遵循物料守恒原理可间接估算TN经反硝化去除的总量，从而绘制出各系统中进水TN 在多介质中的归趋情况。如图7 所示，各系统出水为进水TN 的主要归趋路径，归趋比例由大到小表现为：无植物（74%）＞金色麦冬（69%） ＞萱 草（62%） ＞八 宝 景 天（56%） ＞马蔺（49%），出水TN的归趋比例越小，越有利于TN的去除。植物吸收TN 的归趋比例表现为：八宝景天＞马蔺＞萱草＞金色麦冬，由表2可知，植物的干生物量同样表现为：八宝景天＞马蔺＞萱草＞金色麦冬，可以看出植物的干生物量越大，植物吸收TN 的归趋比例越大。植物的反硝化主要与植物的根系有关，根系越长越发达越有利于反硝化作用的进行，发达的根系一方面可以影响根际微生物群落提升系统的反硝化能力[3]，另一方面有研究证明根系分泌物可以充当碳源有利于反硝化作用的进行[15]，马蔺相比于其他植物，根系长且细密发达，所以反硝化作用最强。各系统填料累积对于TN 去除的贡献率较小，由于无植物系统和金色麦冬相对于其他系统NO3--N 积累量较高（见图3），所以无植物和金色麦冬填料TN 累积归趋比例高于其他系统。

图7 进水TN在各介质中的归趋比例Fig.7 Return proportion of influent TN in each medium

植物处理相对于无植物，TN 在反硝化和植物吸收中的归趋比例显著提高，马蔺和八宝景天处理由于可以显著提高系统的反硝化和植物吸收能力，降低出水TN 的归趋比例，是黄土分布区海绵城市建设的优势植物。

3 结 论

（1）与无植物相比，马蔺、萱草、八宝景天、金色麦冬处理对填料中NH4+-N 的分布影响不显著；NH4+-N 去除率大小均表现为：八宝景天（91.84%）＞无植物（91.65%）＞金色麦冬（91.30%）＞萱草（90.79%）＞马蔺（87.90%），分别比马蔺高出3.94%、3.75%、3.40%、2.89%。

（2）不同植物处理对填料中NO3--N 的分布有显著影响，植物根系越长，填料NO3--N 含量越低；NO3--N 去除率大小均表现为：马蔺＞八宝景天＞萱草＞金色麦冬＞对照组，分别比对照组高出54.11%、39.07%、31.35%、10.29%；进水前系统填料NO3--N 含量与NO3--N 出水浓度显著正相关（P＜0.01，R2=0.679）。

（3）出水TN 归趋比例由大到小表现为：无植物（74%）＞金色麦冬（69%）＞萱草（62%）＞八宝景天（56%）＞马蔺（49%），出水TN的归趋比例越小，越有利于TN的去除。