華北地區陸生園林植物去除道路徑流污染物的實證研究

商 瑜

劉海龍*

道路徑流污染具有嚴重威脅的原因還在于其可隨地表徑流遷移到下游受納水體中，也可隨徑流下滲到土壤甚至地下水中，這將會對下游水體、土壤、地下水帶來諸多污染物，對地表及地下水環境和土壤環境的健康帶來巨大威脅。徑流對地表水的污染風險此前已被多次討論，在此不再贅述。而其對土壤環境和地下水的威脅正在逐漸被認識，已有研究開始關注土壤系統的負荷能力及土壤污染的累積效應，以及集中入滲對地下水水質的影響。如李懷恩等[9]從集中入滲的數值模擬、污染物的累積效應、風險評價研究等方面綜述了徑流長期集中入滲對土壤和地下水帶來的污染風險，認為污染物會隨雨水設施的運營而在土壤中逐漸累積，超過一定限度時則會對土壤和地下水造成一定影響；賈忠華等[10]通過長期與短期監測研究徑流集中入滲對地下水中TN、TP、氨氮、硝態氮等水質指標的影響，得出集中入滲對地下水中TP影響不大，但TN長期以來平均濃度會有所增加。綜上所述，合理有效地控制道路徑流污染應成為城市道路設計、建造和運行管理的主要目標之一。

目前關于道路徑流污染去除的研究主要集中在環境工程領域，通過文獻、試驗、監測等手段研究雨洪管理過程中徑流污染的形成機制、運行機理及去除作用，其中去除作用的關注點集中于填料、設施形式、植被。在填料方面，研究人員主要關注不同填料介質單一及組合對徑流污染物的去除作用。如康愛紅等[11]研究了不同滲濾介質組合對徑流污染的去除作用；趙云云等[12]通過對滲透性能、污染物去除效果和經濟成本進行綜合評估優化了生物滯留設施的填料配比。在設施形式方面，研究人員通過實驗、模型模擬等方式研究了設施形式對徑流污染物的去除作用。如Luo等[13]通過實驗研究了雙層介質的生物滯留系統對氮素的去除效果；李明翰等[14]研究評價了有無內部蓄水層這2種生物滯留系統對于綜合公路徑流的治理作用。植被和設施的組合效果為研究人員的主要關注點，如李懷恩等[15]介紹了植被過濾帶的相關情況及帶寬計算方法；陳航等[16]研究了河岸寬度等因素對不同緩沖帶截污能力的影響；黃俊杰等[17]研究了不同形式的植草溝對道路徑流的水質凈化效果；段進凱等[18]研究了不同淺基質層干植草溝對道路徑流中氮的去除效果。但對單種陸生植物的凈化能力的研究尚且不足。其中張美等[19]分析了在高、中、低3種不同濃度條件下一葉蘭等7種陸生園林植物對徑流雨水中CODMn、TN、TP 3種污染物的凈化作用，得出陸生植物對污染雨水具有一定的凈化作用，不同植物對CODMn、TN、TP的去除存在較大差異，且植物在不同污染濃度條件下會呈現不同的凈化能力。

植物因其生理構造可在去除徑流污染方面取得值得期待的成果，同時植物的自然屬性和優良的視覺景觀效果也使其在以大量灰色基礎設施為主導的人居環境中具有一定優勢。徑流中的污染物氮磷是植物生長發育必需的營養元素，植物可通過吸收利用來達到削減徑流污染的效果[20]，且多數情況下對植物本身不會產生負面影響；植物根系可通過改變土壤非生物組分的理化性質來改善土壤結構[21]，提高滲透力并防止堵塞[22]，也可以通過改變土壤微生物的活性建立良好的植物-微生物系統，增強土壤介質和微生物對徑流污染的去除效果；運用植物材料處理徑流污染成本更加低廉，并且有較好的可持續性；同時植物可以幫助創造良好的小氣候，營造優美的視覺景觀。

本研究關注以下三方面內容：一是特定陸生植物種類在特定條件下對模擬徑流中TN、TP、CODCr的去除效果；二是植物修復能力的潛在趨勢；三是植物對土壤的修復作用。通過以上三方面的研究，希望能夠幫助景觀設計及環境工程等領域針對特定目標選擇相應植物進行生態修復。

1 試驗方法

1.1 試驗背景

植物去除道路徑流污染試驗是《中新生態城市政道路雨水生物滯留凈化技術研發與示范應用》課題的研究內容之一，采用實驗室規模的盆栽試驗[23-24]，以探究不同植物對道路徑流和土壤中TN、TP、CODCr的去除能力為目的，挑選出適合于天津中新生態城、具有較強的污染物去除能力并且具有較好景觀效果的植物種類。本次盆栽實驗將會為后續場地生物滯留池實驗中植物品種選擇提供科學依據，場地實驗的現場監測也將為盆栽實驗的結論提供補充和驗證。

1.2 試驗原理

試驗原理是用人工配置的具有特定濃度的污染物質的溶液(即進水)對植物進行澆灌，檢測進水和經過植物及其生長介質后的滲濾液(即出水)中的污染物濃度，比較二者之間的差異，即可得出該種植組對污染物質的去除能力。通過種植組及植物的污染物去除率隨實驗場次的增多而呈現出的變化情況，并且通過比較實驗前后土壤中污染物含量的變化，研究植物去除率的變化趨勢及其對土壤中污染物的去除作用。

1.3 試驗材料

本次的試驗材料是灌木和草本植物。此類植物在相關雨洪管理與海綿城市的低影響開發設施中多有使用。選擇主要考慮以下幾個方面的因素：能夠適應天津區域氣候與土壤特征；能夠應用于市政道路生物滯留池，具有一定的耐旱、耐短期水澇、耐鹽等特性；具有一定的水質和土壤凈化功能；具有一定的景觀效果；維護成本較低。試驗植物選擇基于相關已有文獻。經過2輪篩選，最終選取的植物種類共計11種，包括2種灌木和9種草本地被植物。植物材料信息見表1[25-28]。

此后，西王布局健康產業的步伐仍未停止。2017年6月18日晚，西王食品公告稱，公司同日收到公司控股股東西王集團通知，西王集團于2017年6月16日下午與阿里健康科技（中國）有限公司簽署了戰略合作簽約儀式會議備忘錄。

表1 試驗植物材料表

1.4 試驗步驟

試驗步驟為苗木采買-種植-養護-澆灌-采樣-送檢(圖1)。

圖1 試驗步驟流程示意圖

苗木采買需要注意購買生長較為健壯、規格一致的種類。種植階段是將11種植物分別按照實際道路綠化工程中的種植間距種植于花盆中。花盆共有2種型號。花盆A橫截面為方形，上口邊長18.5cm，盆底邊長13cm，盆高18.5cm，分別種植9種草本和灌木月季；花盆B橫截面為圓形，上口內徑36cm，下口直徑28cm，高25cm，種植矮生紫薇。每個品種種植4盆。應選用同一批次的種植土并且設置對照組，序號為12。養護期為5月10日—6月9日。

澆灌是關鍵步驟。在澆灌開始前需要將花盆中的雜草和枯葉清理干凈，以免影響試驗結果。澆灌周期依據天津市降雨規律設計為每周2次，澆灌時間為6月10日—7月11日，共10次。澆灌用水選取在道路徑流污染研究中非常重要的常見污染物COD、TN、TP作為研究指標，污染物含量依據工程場地(天津市濱海新區中新生態城)實測確定為COD：105mg/L，TN：8mg/L，TP：1mg/L(表2)。澆灌水量按設計降雨量乘以降雨歷時乘以降雨面積計算。澆灌結束后即可開始采樣。采樣時將干凈無水的采樣瓶放于花盆底部來收集出水，采樣過程需持續到出水完全結束為止，耗時約30min。最后需要將收集的樣品編號記錄并送到檢測中心進行檢測。檢測指標為CODCr、TN、TP。

表2 試驗模擬道路徑流污染物含量

2 試驗結果

2.1 對徑流中污染物去除率比較

從圖2可看出，各種植組對徑流中的TP和CODCr均能起到一定的去除作用，而對TN的去除則依據品種不同有不同的表現。

圖2 各種植組對徑流中TP、TN、COD的去除率

各種植組對徑流中TP的平均去除率均較高，為65%～92%，相差較小。其中去除表現最好的為月季組，平均去除率高達91.49%，緊隨其后的為麥冬組和矮生紫薇組，平均去除率分別為91.08%、89.60%；去除表現最差的為叢生福祿考組，平均去除率為65.53%，其次為馬藺組和狼尾草組，平均去除率分別為66.88%、68.78%；其余組平均去除率均為70%～86%。

各種植組對徑流中的CODCr均起到一定的去除作用，平均去除率為27%～80%，但差別相對較大。其中去除率表現最好的為麥冬組，平均去除率高達79.64%，其次為對照組和金娃娃萱草組，平均去除率分別為74.25%、67.04%；去除效果最差的為蘭花鳶尾組，平均去除率為27.87%，其次為馬藺組和矮生紫薇組，平均去除率分別為40.07%、41.22%；其余組平均去除率均為53%～61%。

各種植組對徑流中TN的平均去除率差別最大，去除作用最強的是德國鳶尾組，平均去除率為35.59%，其次為對照組和麥冬組，平均去除率分別為6.48%、3.92%。除德國鳶尾組、麥冬組和對照組外其余各組對徑流中的TN均未能起到去除作用，反而會增加污染物濃度，其中增加率最高的為金娃娃萱草組，平均增加率高達206.74%，其次為矮生紫薇組，平均增加率為176.88%；其余組平均增加率為7%～97%。

2.2 對徑流中污染物去除率變化情況

隨試驗次數增加，不同植物種類及種植組對徑流中的TP、TN、CODCr的去除率呈現出了不同的變化趨勢。其中TP和CODCr的變化趨勢相對不明顯，而TN的去除根據品種的不同呈現出不同的變化規律(圖3)。將其變化規律提取出后可將其劃分為4種不同的類型。

圖3 各種植組對徑流中TN的去除率變化趨勢

其中7個種類(狼尾草、玉簪、德國鳶尾、矮生紫薇、馬藺、月季、蘭花鳶尾)為起伏不定型，需要更長時間的試驗驗證；紫葉酢漿草、金娃娃萱草和叢生福祿考為趨于平穩型；麥冬為上升型；只有對照組為下降型，也就是說，隨實驗次數增加，土壤本身去除污染物的能力會明顯下降。

2.3 植物對土壤中污染物去除率比較

從圖4可看出，各種植物對土壤中的TP和TN均能起到一定的去除作用。其中，對TP的去除率依據種類不同變化較大，矮生紫薇的去除率最高，達到76.33%，其次為麥冬和月季，均在40%以上，其余均為20%～40%。對TN的去除率均較高，其中去除率最高的為馬藺，達到127.60%，其余種類的去除率均在100%左右，去除效果良好。

圖4 各種植組對土壤中TP、TN的去除率

3 討論與展望

3.1 植物去除徑流和土壤中TN、TP的生物學機理

氮、磷是所有植物生長所必需的營養物質，任何一種植物都可以通過吸收、固定或轉化氮磷元素從而對周圍土壤和水體起到修復作用。但是修復效果卻各有不同。這與氮磷元素的性質、賦存形態以及植物特性有關。

植物對TN的去除效果是植物去除無機氮和有機氮、顆粒態和溶解態氮素的綜合效果。無機氮以銨鹽(NH4+)和硝酸鹽(NO3-)為主，植物可以通過根部將其吸收并在體內轉化成氨基酸類物質加以利用。這是植物利用無機氮的主要過程，這個過程會受多種因素影響，包括植物種類、生長階段、生長環境、氮供給能力、土壤性質、根際溫度和深度、周邊微生物種類和數量等，這些因素會對銨鹽和硝酸鹽吸收利用的比例產生影響。同時這個過程是一個需要消耗能量的過程，環境的光條件、大氣CO2濃度、根際CO2含量會影響能量分配狀態，進而影響植物對銨鹽和硝酸鹽吸收利用的比例[29]。有機氮是植物生長的另一大氮源，主要包括氨基酸、尿素等。植物可以吸收徑流和土壤中的有機氮，但吸收能力因植物種類、有機氮化合物分子量及地理因素而異。研究發現，植物可以利用菌根吸收蛋白質、氨基酸等有機氮，菌根的生長部位對吸收效率具有一定影響；相對于大分子量的有機氮，植物根系更偏向于吸收尿素、氨基酸等分子量更低的有機氮[29]。

此外，陸生植物賴以生存的土壤介質在植物去除徑流污染的過程中也會起到一定的作用，有時甚至會產生較大影響。土壤介質對氮、磷的去除主要由其賦存形態決定，顆粒態和溶解態的去除效果差異較大。研究顯示傳統生物滯留設施對雨水徑流中TSS、COD，以及重金屬、多環芳烴等雨水徑流中顆粒態的污染物具有較好的控制效果，但對不同形態氮磷的控制效果差異較大[30]。本次實驗中對TN的去除率較低，其原因可能與以下三方面有關：種植基質、植物種類、模擬徑流成分及其污染物濃度。

本項實驗中采用的基質是種植土，這種介質氮本底值較高且對徑流中氮等污染物的吸附能力較差[31]，土壤中可溶性硝酸鹽隨水分入滲易發生淋溶現象，使土壤中NO3-向下層轉移[30]，由于本實驗使用花盆作為種植容器，種植土中的可溶性氮元素很容易隨土壤滲濾液的流出而排到外界，同時由于去除NO3-需要在缺氧條件下發生反硝化作用，而此實驗不具備相應條件，因而難以達到去除的效果，并且由于NO3-帶負電荷因此也很難通過介質的吸附作用去除，這都導致NO3-的去除效果較差，造成滲濾液中的TN含量大幅增加，表現為種植組對TN的去除率較低，當土壤析出量大于攝入量時便會呈現出負去除率的表現。盡管TN去除率整體很低，但由于植物種類的不同也互不相同。這與植物生長階段及植物的生物量有關，也與植物生理構造有關。由于模擬徑流中使用氯化銨和硝酸鉀作為投加物質，使得溶解態無機氮含量較高，這也會造成TN去除率低，甚至污染物濃度不降反升。模擬徑流中原始氮濃度的不同也會影響滲濾液中TN的濃度。Gong等[21]研究發現，低濃度進水比高濃度進水更有利于污染物的減少。設施對磷的去除通常與填料及其磷本底值有關[30]，填料的淋溶效應與氮素相似，當磷本底值較高時，設施對磷凈化效果通常較差[32]。

3.2 陸生園林植物生態修復的長期作用

對于植物修復的長期作用目前的研究還非常不足，從長遠來看植物去除能力的上限及去除作用的變化規律在很大限度上決定著植物修復的效果。從圖3能夠很明顯地看出對照組對TN的去除率在極短期的上升后便呈現持續下降的趨勢，說明土壤本身對TN的去除效果并不理想，不能只依靠土壤來修復徑流中的TN污染。與土壤的效果形成明顯對比的是有植物的種植組，不同的植物呈現出不同的變化趨勢，部分種類呈現出起伏不定或逐漸趨于平穩的態勢，而麥冬去除率則在起伏中呈現上升趨勢。這樣的變化趨勢更證明了植物在長期的過程中發揮的去除作用。植物對土壤中污染物的去除作用的研究主要集中于植物生態修復領域，主要關注對重金屬、有機物等污染物的去除作用。對于無機鹽的去除研究尚不多，尚需要持續深入的研究。因此，從可持續發展的角度出發，研究植物修復徑流及土壤的長期效果能幫助景觀及環境工程領域更有效地根據具體目標選擇合適的植物種類，低造價、高績效地發揮植物的生態修復功能，這也將是今后的重點研究方向之一。

3.3 陸生園林植物生態修復理論研究及應用展望

陸生植物是廣泛應用于城鄉建設中的植物材料，是城鄉景觀中不可或缺的組成部分，在海綿城市建設中發揮了重要的滯蓄徑流的功能。但目前對于其可能具有的徑流污染修復的潛力的認識還遠遠不足，無法滿足實際建設中的應用需求。這將成為植物生態修復研究中的一個重要研究方向，從定性和定量2個維度為海綿城市建設和雨洪管理提供切實可行的建議。

未來的研究可在以下幾方面繼續深入：1)建立植物生態修復素材庫，重點從海綿城市建設和雨洪管理出發，研究植物對雨水徑流中各類型污染物的削減效果及可行的應用方法，豐富植物景觀的功能，為海綿城市建設者提供便捷的查詢途徑；2)深入研究植物去除污染物的生物學機理，從根本上剖析植物生態修復的作用原理，為教學和科研提供明確的指導方向；3)基于上述兩方面的研究，結合地域特色開展場地實踐研究，為海綿城市建設提供科學依據。

4 結論

1)不同陸生植物對徑流中TP、TN、CODCr具有不同的去除效果，針對具體目標可選擇合適的植物種類。本研究中各種植物對徑流中TP的平均去除率均較高；對徑流中的CODCr均起到一定的去除作用，但依據植物種類不同去除率差別較大；對徑流中TN的平均去除率差別非常大，除德國鳶尾、麥冬和對照組外其余植物對徑流中的TN均未能起到去除效果。

2)不同植物對徑流中TN的去除率呈現出不同的變化趨勢，其中對照組呈現下降趨勢說明土壤本身去除徑流污染物的能力會隨徑流場次增多而有所下降，僅依靠土壤不能滿足削減徑流污染的需求。

3)植物對由于徑流污染導致的土壤中TN、TP的積累具有一定的削減能力，可減緩土壤污染物的積累速率，降低土壤污染的風險。其中對TP的去除率依據植物種類不同變化較大。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝清華大學建筑學院景觀學系博士生張益章、周懷宇，研究助理林國玄，清華大學環境學院賈海峰教授、趙云云博士后，新加坡國立大學胡江泳教授，新加坡義安理工學院環境與水原專業黎穎薈提供的建議和幫助。