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]。

 

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。

 

 

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。