王秀梅，鄭曉梅，寶音陶格濤(.內(nèi)蒙古大學 生命科學學院生態(tài)學系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 0005； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 能源與動力工程學院環(huán)境科學與工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 0005； .浙江省農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)重點實驗室/浙江大學，浙江 杭州 0058)

4種草坪草在不同土壤介質(zhì)中去除雨水氨氮的效果

王秀梅1.2，鄭曉梅3，寶音陶格濤1
(1.內(nèi)蒙古大學 生命科學學院生態(tài)學系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 能源與動力工程學院環(huán)境科學與工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.浙江省農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)重點實驗室/浙江大學，浙江 杭州 310058)

為了考察在海綿城市雨水花園建設(shè)中典型草坪植物對城市非點源污染中氨氮的去除效果，采用盆栽試驗的方式，研究了不同土壤滲濾層下4種典型草坪植物(地毯草、早熟禾、高羊茅、黑麥草)對模擬徑流污染中氨氮的去除效果。結(jié)果表明：以沙土Ⅱ為土壤滲透層的雨水花園具有更好的氨氮去除能力；在以沙土Ⅱ為土壤滲透層的雨水花園中四種典型草坪植物的氨氮去除率能達到93.90%～99.90%，去除效率由高到低分別為黑麥草、地毯草、早熟禾、高羊茅；一定氨氮濃度范圍內(nèi)，隨著氨氮濃度的升高，4種草坪草對氨氮污染物的去除能力也提高；4種草坪草中，將高羊茅與黑麥草配合種植對氨氮污染物的截留及去除能力最強。

城市雨水花園；氨氮；草坪草；去除能力

城市雨水徑流污染控制是建設(shè)海綿城市的核心目標之一[1]。針對城市雨水徑流面源污染，已有學者開展了研究[2-3]。如何快速有效控制城市雨水徑流引起的非點源污染已成為城市管理中的重要問題[4]。雨水花園作為海綿城市建設(shè)中的重要手段，可以有效控制城市非點源污染。雨水花園主要通過沙土、植物的綜合作用使徑流雨水得到凈化及減少地表徑流，被經(jīng)常應用于雨洪控制與徑流污染控制系統(tǒng)中。其能降低洪水風險，改善水質(zhì)，改善城市生態(tài)環(huán)境，并且經(jīng)濟適用[5]。雨水花園在歐美國家應用較多，在國內(nèi)北京等城市開始利用，國內(nèi)這方面的研究也正在興起[6-8]。

植物與土壤滲濾層是雨水花園中的重要構(gòu)成元素，合適的植物選取也就顯得尤為重要。植物選擇標準為能夠承受不同濕度條件的變化，既耐旱也耐濕，對不同的土質(zhì)和生長條件都有一定的適應能力，維護費用低[9]。地毯草、早熟禾、高羊茅、黑麥草等是溫帶和寒帶地區(qū)常選用的暖季型草坪草。對土壤滲濾層而言，不同土壤顆粒組分對控制城市雨水徑流污染物的能力也不相同，但目前不同填料對徑流污染物的削減還缺乏系統(tǒng)的研究[10-11]。

雨水花園對城市雨水徑流的不同營養(yǎng)物質(zhì)去除率有很大區(qū)別，主要與這些物質(zhì)的化學性質(zhì)有關(guān)[12-14]。氨氮是水相環(huán)境中氮的主要形態(tài)，是城市地表水體富營養(yǎng)化的主要污染物之一[15-17]。DeBusk等[18]的研究表明，雨水花園中氨氮的去除率能達85%。目前，對雨水花園的土壤結(jié)構(gòu)、植物種類對于非點源污染物氨氮的去除效果研究較少。通過研究了4種草坪草對城市人工模擬雨水徑流中氨氮的去除效果，探討了4種草坪草對氨氮的去除特點，為有效開展雨水花園設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1試驗植物及雨水徑流中氨氮模擬

依據(jù)植物的生長特征，通過調(diào)查選取了污染物凈化能力強的4種草坪草，分別為地毯草(Axonopuscompressus)，早熟禾(Poaannua)，高羊茅(Festucaelat)，黑麥草(Loliumperenne)。

地毯草[Axonopuscompressus(Ac)]喜好蔭蔽，相對濕潤的沙土上更容易生長，在根部，接近地面處可以分蘗，進行無性繁殖對周圍土壤快速傳播，成活率較高。種子在濕潤、27℃，發(fā)芽程度最好；早熟禾溫帶分布廣泛，利用率高的草種，土壤要求不嚴，耐瘠薄，播種以后為保持土壤濕潤適當鎮(zhèn)壓，效果更好，根莖發(fā)達，分蘗極強，生長發(fā)育迅速。耐溫能力極強也是其顯著特點；高羊茅在國內(nèi)使用最多的草種，適應土壤能力強，維護管理要求不高。在沙土中根系非常發(fā)達，幼苗發(fā)育迅速，逆境環(huán)境中頑強生長，耐澇又有一定抗旱能力；黑麥草喜好適中氣候，喜濕潤。根系發(fā)達、莖葉繁茂、繁殖快，須根主要集中分布在10 cm表層土，具有一定抗旱能力[19-20]。

4種草坪草均屬禾本科，根系非常發(fā)達、容易成活，而且對污染物凈化能力較強[19-20]。供試草種均購自本地花卉市場。人工雨水徑流中氨氮模擬由氯化銨(分析純)配置，模擬雨水中氨氮濃度3～12 mg/L。氫氧化鈉溶液和鹽酸調(diào)至pH為7。之后經(jīng)過雨水花園的人工水用軟管及PVC托盤收集，再進行測定。

1.2試驗方法

沙土有透性好，滲透率高的優(yōu)點，在國內(nèi)外經(jīng)常被選作雨水花園的填料。試驗采用砂培法，把4種草坪草種植在壤質(zhì)砂土(沙土Ⅰ、沙土Ⅱ)和砂質(zhì)粘壤土(沙土Ⅲ)3種土壤中(表1)。4種草坪草分別稱取0.5 g種子，種植在PVC盆中，盆子高和寬均為20 cm，種子覆土厚度為1 cm，距直沿高度4 cm。40 d植物生長穩(wěn)定，將配置出的雨水1.5 L，通過控制流量(人工降水器可調(diào)流量)、時段(兩場雨之間間隔時段)進行噴灑，10 d間隔，為一周期，重復12周期，不同濃度交替噴灑。每次降水時，收集雨水樣品，監(jiān)測氨離子含量。

植物地上地下部分的氨氮測量，先把草坪草收集，泥土洗干凈，再用等離子水沖洗3遍，洗滌時間不超過2 min。利用器具把植物地上、地下部分分開稱重，100℃烘箱殺青，65℃烘干40 h。最終測定生物量，每個樣本重復3到4次。

城市徑流模擬雨水通過雨水花園去除氨氮污染物的影響因素，如土壤介質(zhì)種類、土層厚度、降水量、降水時間間隔等等，盡量將調(diào)研結(jié)果和試驗模擬相結(jié)合，考慮系統(tǒng)的復雜性和降水的不確定性。

表1 土壤滲濾層物理與化學性質(zhì)

1.3計算方法

利用Seal-Auto分析儀測定水樣中的氨氮；數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計軟件Origin、Excel進行數(shù)據(jù)分析及處理工作；采用常用的pH計來測量酸堿度。模擬污水當中污染物質(zhì)去除率的計算公式：

去除率(%)=(D入-D排)/D入×100%

式中：D入為初期的模擬雨水中氨氮濃度(mg/L)，D排為植物盆栽實驗后雨水中排放的氨氮濃度。

植物氨氮積累量(Y)：Y=X×Z[21]

式中：X為植物地上/地下部分氨氮濃度，mg/g；Z為植物干質(zhì)量g。

2 結(jié)果與分析

2.1不同土壤滲濾層下典型草坪植物對氨氮去除效果的影響

滲濾層是指污染雨水凈化和滲透的主要作用層。沙土Ⅰ為滲濾介質(zhì)時，4種草坪草對模擬人工雨水中污染物氨氮的去除率均在93%以上。早熟禾種植在沙土Ⅰ上去除率最高，為98.68%，高羊茅去除率93.44%，在4種草坪草當中最低。其他2種植物在沙土Ⅰ上種植后氨氮去除率地毯草為98.92%、黑麥草為98.21%(圖1)。

圖1 不同土壤滲濾層對氨氮污染物的去除率Fig.1 Ammonia nitrogen removal efficiency of different soils

試驗在沙土Ⅱ上種植黑麥草、地毯草，對氨氮的去除率均較高，地毯草、黑麥草對氨氮的去除率分別為99.36%、99.10%。早熟禾和高羊茅的去除率分別為98.20%、97.43%。從氨氮去除率方面，沙土Ⅱ可以作為最佳滲濾介質(zhì)，用作雨水花園土壤，有利于植物快速生長及污染物的去除。

在沙土Ⅲ上種植的4種草坪草對氨氮污染物的去除率明顯低于其他2種土壤滲率層。對氨氮污染物的去除率為黑麥草95.75%，地毯草92.80%，以及早熟禾92.71%，高羊茅91.56%(圖1)。

2.2不同草坪草對氨氮去除效率的影響

雨水花園選取不同土壤滲濾層，對污染物的去除能力不盡相同，試驗選用的3種沙土的氨氮去除率均高于90%。考慮最佳原則，把沙土Ⅱ作為雨水花園土壤層，4種草坪草種植在最佳滲濾介質(zhì)沙土Ⅱ?qū)Π钡廴疚锶コ怯胁町惖?，其中黑麥草最高，達到99.33%，其他3種草坪植物對氨氮的去除率，分別為早熟禾(98.64%)，地毯草(99.1%)，高羊茅(97.43%)(圖2)。

2.3不同氨氮濃度對氨氮去除效率的影響

4種草坪草在沙土Ⅱ上種植時，隨著模擬雨水徑流中氨氮污染物濃度的變化，去除率也有顯著變化。當模擬雨水徑流中污染物氨氮濃度分別為9和12 mg/L時，4種草坪草對氨氮的去除率均大于99%。當模擬雨水徑流中污染物氨氮濃度為3和6 mg/L時，4種草坪草對氨氮的去除率分別大于93%和96%(圖3)。結(jié)果表明，在一定氨氮濃度范圍內(nèi)(小于12 mg/L)，當氨氮濃度越高，4種草坪草對氨氮的去除率就提高。

圖2 4種草坪草對氨氮污染物的去除率Fig.2 Ammonia nitrogen removal efficiency of different turfgrasses

圖3 不同污染濃度的氨氮污染物的去除率Fig.3 Ammonia nitrogen removal efficiency under different inflow concentrations

2.4不同草坪草對氨氮截留效果的影響

盆栽試驗表明，4種草坪草地上部分氨氮含量低于地下部分含量(圖4)，地上及地下部分氨氮含量均以早熟禾(Pa)最高，分別為6.35和9.28 mg/kg。地上部分中地毯草(Ac)氨氮含量最低，為3.45 mg/kg。黑麥草(Lp)與高羊茅(Fe)，分別為4.55、4.65 mg/kg。地上部分中氨氮污染物的排序為早熟禾>高羊茅>黑麥草>地毯草。地下生物量部分高羊茅、地毯草、黑麥草，氨氮含量分別為6.97，6.55和5.98 mg/kg。

4種草坪草地上及地下部分的氨氮含量比值由高到低排序為黑麥草>早熟禾>高羊茅>地毯草，但比值均<1(圖5)。

植物體內(nèi)氨氮積累量，地上/地下部分最高均為高羊茅，分別為88.75、96.85 μg。地上部分氨氮含量排序為黑麥草、地毯草、早熟禾，分別為72.75，66.65和49.0 μg。地下部分氨氮含量排序為地毯草、黑麥草、早熟禾，分別為93.45，72.65和64.9 μg。其中，地上/地下氨氮的總累積量最大是高羊茅(185.6 μg)，最小為早熟禾(113.9 μg)，從植物對氨氮地上/地下總累積量來看，高羊茅累計量最多(圖6)。

圖4 草坪植物地上部分和地下部分的含氨氮量Fig.4 Ammonia nitrogen in aboveground and underground of turfgrasses

圖5 4種草坪植物地上部分及地下部分氨氮污染物含量比值Fig.5 Ratio of ammonia nitrogen in aboveground and underground of turfgrasses

圖6 4種草坪植物地上部分和地下部分氨氮的累積Fig.6 Accumulated ammonia nitrogen in aboveground and underground of turfgrasses

3 討論

土壤滲濾層，沙土Ⅱ?qū)δM城市雨水徑流中氨氮的去除能力優(yōu)于其他2種滲濾介質(zhì)?？赡芘c沙土Ⅱ砂粒含量比較高，通透性強有關(guān)，有利于氨氮的氧化。

氨氮是植物根系吸收的主要無機氮的一種形式，但不同植物對其有不同偏好性。這與植物特性、種類等有關(guān)。試驗中4種草坪植物均有較高的氨氮去除率，但黑麥草去除氨氮能力最強，這與黑麥草是多年生禾本科，莖葉繁茂、繁殖快、根系發(fā)達等有關(guān)。

4種草坪植物地上及地下部分的氨氮含量比值均小于1。表明氨氮從根系向莖葉運轉(zhuǎn)比例小，容易積累在地下部分根系中。所以根系生物量及根系特征會影響雨水徑流模擬中氨氮污染物的去除率。

植物體內(nèi)氨氮積累量由植物地上及地下部分氨氮含量及生物量決定。生物量越大，累計量也增加。高羊茅干物質(zhì)量最大，總累積量也最高。

4 結(jié)論

在不同設(shè)計情景條件下，選用4種草坪草，去除城市雨水徑流模擬中銨態(tài)氮污染物的研究得出：

(1)4種草坪草在3種不同滲濾層(沙土Ⅰ、沙土Ⅱ、沙土Ⅲ)上種植都得到了較好效果，植物生長發(fā)育狀況均良好。不同植物種植在不同土壤滲濾層結(jié)果不一樣，但除了早熟禾，地毯草、黑麥草、高羊茅種植在沙土Ⅱ上對氨氮污染物的去除能力均高于沙土Ⅰ、沙土Ⅲ土壤滲濾介質(zhì)。因此，綜合考慮沙土Ⅱ可作為最佳去除銨氮污染物的滲濾介質(zhì)。

(2)以沙土Ⅱ作為滲濾層，黑麥草是氨氮去除率最佳的草坪植物。

(3)4種草坪草在沙土Ⅱ上種植時，在一定氨氮濃度范圍內(nèi)(小于12 mg/L)，隨著模擬雨水徑流中氨氮污染物濃度的增加，氨氮去除率也增加。

4種草坪草地上及地下部分的氨氮含量比值均<1。表明氨氮從根系向莖葉運轉(zhuǎn)比例小，容易積累在地下部分根系中且不利于通過收獲植物來去除氨氮。

(5)試驗中高羊茅是地上/地下氨氮積累的最好植物，黑麥草在氨氮去除率方面最佳，因此，把這2種草坪草種植在一起去除氨氮污染物能起到最好效果。

[1] 車伍,趙楊,李俊奇，等.海綿城市建設(shè)指南解讀之基本概念與綜合目標[J].中國給水排水,2015,31(8):1-5.

[2] 尹澄清.城市面源污染的控制原理和技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 李懷恩,李家科.流域非點源污染負荷定量化方法研究與應用[M].北京：科學出版社，2013.

[4] 賀纏生,傅博杰,陳利頂.非點源污染的管理及控制[J].環(huán)境科學，1998,19(5):87-91.

[5] 郭青海,楊柳,馬克明.基于模型模擬的城市非點源污染控制措施設(shè)計[J].環(huán)境科學，2007,11(2):2425-2431.

[6] 胡愛兵,張書函,陳建剛.生物滯留池改善城市雨水徑流水質(zhì)的研究進展[J].環(huán)境污染與防治,2011,33(1):74-77.

[7] Davis A P,Hunt W F,Traver R G,etal.Bioretention Technology:Overview of Current Practice and Future Needs[J].Journal of Environmental Engineering-Asce,2009,135:109-117.

[8] 倪艷芳.城市面源污染的特征及其控制的研究進展[J].環(huán)境科學與管理,2008,33(2):53-57

[9] Coffman L,Green R,Clar M,etal.“Development of bioretention practices for storm-water management.” Proc.,20th Anniversary Conf.on Water Management in the ’90s,ASCE,Reston,Va.,1993:126-129.

[10] 唐雙成,羅紈,賈忠華.填料及降雨特征對雨水花園削減徑流及實現(xiàn)海綿城市建設(shè)目標的影響[J].水土保持學報,2016(2):22-26.

[11] 彭燕,張新全,周壽榮.草坪草利用及引種適應性研究[J].草原與草坪，2004(3):12-16.

[12] Davis A P,Shokouhian M,Sharma H,etal.Laboratory Study of Biological Retention for Urban Stormwater Management[J].Water Environment Research,2001,73(1):5-14.

[13] Rautaray S K,Ghosh B C,Mittra B N.Effect of fly ash,organic wastes and chemical fertilizers on yield,nutrient uptake,heavy metal content and residual fertility in a rice- mustard cropping sequence under acid lateritic soils[J].Bioresource Technology,2003,90:275-283

[14] Audrey Roy-Poirier,Pascale Champagne A,ASCE M,etal.Review of Bioretention System Research and Design:Past,Present,and Future[J].Journal of Environmental Engineering-ASCE,2010(9):878-889.

[15] 美英,楊曉華,郭亞男,等.四種草本植物對城市非點源模擬雨水中鎘的去除效果研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28(3):198-203.

[16] 徐曉鵬,傅向東,廖紅.植物銨態(tài)氮同化及其調(diào)控機制的研究進展[J].植物學報，2016,51(2):152-166.

[17] 劉婷,尚忠林.植物對銨態(tài)氮的吸收轉(zhuǎn)運調(diào)控機制研究進展[J].植物生理學報,2016,52(6):799-809.

[18] DeBusk K M,Wynn T M.Storm-water bioretention for rain garden flow runoff quality and quantity mitigation[J].Journal of Environmental Engineering-ASCE,2011,137(9):800-808.

[19] 孫海蓮,額木和,阿拉塔.草地早熟禾選育研究與利用[J].草原與草坪,2001(3):35-37.

[20] 庾強,孫吉雄,王云.內(nèi)蒙古典型草原野生草坪草種的收集和栽培試驗[J].草原與草坪,2004(7):34-38.

[21] 美英,楊曉華,郭亞男.植物滯留系統(tǒng)中草本植物對磷的去除效果研究[J].環(huán)境工程,2013,31(2):27-30.

Effectofremovingammonia-nitrogeninrainoffourturfgrassesgrownindifferentsoils

WANG Xiu-mei1,2,ZHENG Xiao-mei3,BAOYIN Taogetao1
(1.EcologyDepartment,CollegeofLifeScience,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China;2.EnvironmentalEngineeringandScienceDepartment,CollegeofEnergyandPowerEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;3.KeyLaboratoryofAgriculturalRemoteSensingandInformationSystem,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

The ammonia-nitrogen removing effect of 4 typical turfgrasses (carpet grass,Kentucky bluegrass,tall fescue and perennial ryegrass) was studied.The results showed the soil layer of sandy soil-II performed better effect of removing ammonia nitrogen,and the order of ammonia-nitrogen removal rate from high to low was perennial ryegrass,carpet grass,Kentucky bluegrass and tall fescue,ranging from 93.90% to 99.90%.And the ammonia-nitrogen removal rate was increased with the increase of ammonia nitrogen concentration.The mixture of tall fescue and perennial ryegrass showed highest ammonia-nitrogen removing capacity.

urban rainwater garden;ammonia nitrogen;turfgrass;removal capacity

X 703

A

1009-5500(2017)05-0092-05

2016-10-20；

2016-12-02

內(nèi)蒙古大學研究生科研創(chuàng)新項目(11200-12110201)資助

王秀梅(1980-)，女，內(nèi)蒙古興安盟人，在讀博士研究生，講師，主要從事環(huán)境資源與生態(tài)系統(tǒng)分析、環(huán)境信息系統(tǒng)方面的研究。

E-mail：xmw1980@163.com

寶音陶格濤為通訊作者。