华北陆生园林植物去除道路径流污染物的实证研究

摘要：利用植物来削减径流污染物浓度是植物生态修复理论的主要应用领域之一，其研究多集中在水生植物，对华北地区城市中大量的陆生植物的研究较少，尤其是对径流污染起重要源头控制作用的道路绿化植物及其长期修复效果更鲜有研究，无法满足实际应用需求。与此同时，对生物滞留设施中雨水径流长期集中入渗所带来的污染风险的研究也不足，对植物能否起到减缓污染物累积的作用尚不明确。

通过盆栽试验分析了矮生紫薇等11种华北地区道路绿化常用的陆生园林植物对模拟径流中TN、TP、CODCr的去除效果，以及试验过程中土壤里TN、TP的积累量的去除率。希望能够对景观设计、环境工程等领域针对特定目标选择特定植物进行生态修复起到一定参考。

 

城市道路是城市重要的公共空间，是人居环境建设的重要组成部分，良好的道路设计应该在满足道路交通功能的同时兼顾生态和景观需求。但就目前而言，城市道路是雨水径流及其污染物产生的主要场所之一[1-3]，是城市重要的面源污染源[4]。道路径流是城市地表径流的主要组成部分，而城市地表径流污染是仅次于农业污染的第二大污染源[5]。

赵磊等[6]研究表明，区域内道路面积约占地表总面积的25%，其径流产出的污染物含量却占地表径流总体污染物含量的40%~80%。道路径流不仅污染物含量高，其污染物成分及来源也十分复杂。除了常规污染物，如TSS、COD、BOD、铅、锌等金属以及各种形态的氮磷化合物外，随着城市建设的快速发展，一些新兴污染物也逐渐出现在道路径流中，如来自于道路材料、车辆燃料和制冷剂等的PAHs、BTEX化合物[7-8]。

 

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、TP3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，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]。

 

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)。

 

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。