商 瑜
劉海龍*
道路徑流污染具有嚴(yán)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(huì)對(duì)下游水體、土壤、地下水帶來(lái)諸多污染物,對(duì)地表及地下水環(huán)境和土壤環(huán)境的健康帶來(lái)巨大威脅。徑流對(duì)地表水的污染風(fēng)險(xiǎn)此前已被多次討論,在此不再贅述。而其對(duì)土壤環(huán)境和地下水的威脅正在逐漸被認(rèn)識(shí),已有研究開(kāi)始關(guān)注土壤系統(tǒng)的負(fù)荷能力及土壤污染的累積效應(yīng),以及集中入滲對(duì)地下水水質(zhì)的影響。如李懷恩等[9]從集中入滲的數(shù)值模擬、污染物的累積效應(yīng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究等方面綜述了徑流長(zhǎng)期集中入滲對(duì)土壤和地下水帶來(lái)的污染風(fēng)險(xiǎn),認(rèn)為污染物會(huì)隨雨水設(shè)施的運(yùn)營(yíng)而在土壤中逐漸累積,超過(guò)一定限度時(shí)則會(huì)對(duì)土壤和地下水造成一定影響;賈忠華等[10]通過(guò)長(zhǎng)期與短期監(jiān)測(cè)研究徑流集中入滲對(duì)地下水中TN、TP、氨氮、硝態(tài)氮等水質(zhì)指標(biāo)的影響,得出集中入滲對(duì)地下水中TP影響不大,但TN長(zhǎng)期以來(lái)平均濃度會(huì)有所增加。綜上所述,合理有效地控制道路徑流污染應(yīng)成為城市道路設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行管理的主要目標(biāo)之一。
目前關(guān)于道路徑流污染去除的研究主要集中在環(huán)境工程領(lǐng)域,通過(guò)文獻(xiàn)、試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)等手段研究雨洪管理過(guò)程中徑流污染的形成機(jī)制、運(yùn)行機(jī)理及去除作用,其中去除作用的關(guān)注點(diǎn)集中于填料、設(shè)施形式、植被。在填料方面,研究人員主要關(guān)注不同填料介質(zhì)單一及組合對(duì)徑流污染物的去除作用。如康愛(ài)紅等[11]研究了不同滲濾介質(zhì)組合對(duì)徑流污染的去除作用;趙云云等[12]通過(guò)對(duì)滲透性能、污染物去除效果和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合評(píng)估優(yōu)化了生物滯留設(shè)施的填料配比。在設(shè)施形式方面,研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模型模擬等方式研究了設(shè)施形式對(duì)徑流污染物的去除作用。如Luo等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了雙層介質(zhì)的生物滯留系統(tǒng)對(duì)氮素的去除效果;李明翰等[14]研究評(píng)價(jià)了有無(wú)內(nèi)部蓄水層這2種生物滯留系統(tǒng)對(duì)于綜合公路徑流的治理作用。植被和設(shè)施的組合效果為研究人員的主要關(guān)注點(diǎn),如李懷恩等[15]介紹了植被過(guò)濾帶的相關(guān)情況及帶寬計(jì)算方法;陳航等[16]研究了河岸寬度等因素對(duì)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(duì)道路徑流的水質(zhì)凈化效果;段進(jìn)凱等[18]研究了不同淺基質(zhì)層干植草溝對(duì)道路徑流中氮的去除效果。但對(duì)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(duì)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(duì)污染雨水具有一定的凈化作用,不同植物對(duì)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(huì)呈現(xiàn)不同的凈化能力。
植物因其生理構(gòu)造可在去除徑流污染方面取得值得期待的成果,同時(shí)植物的自然屬性和優(yōu)良的視覺(jué)景觀效果也使其在以大量灰色基礎(chǔ)設(shè)施為主導(dǎo)的人居環(huán)境中具有一定優(yōu)勢(shì)。徑流中的污染物氮磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素,植物可通過(guò)吸收利用來(lái)達(dá)到削減徑流污染的效果[20],且多數(shù)情況下對(duì)植物本身不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響;植物根系可通過(guò)改變土壤非生物組分的理化性質(zhì)來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)[21],提高滲透力并防止堵塞[22],也可以通過(guò)改變土壤微生物的活性建立良好的植物-微生物系統(tǒng),增強(qiáng)土壤介質(zhì)和微生物對(duì)徑流污染的去除效果;運(yùn)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(xù)性;同時(shí)植物可以幫助創(chuàng)造良好的小氣候,營(yíng)造優(yōu)美的視覺(jué)景觀。
本研究關(guān)注以下三方面內(nèi)容:一是特定陸生植物種類(lèi)在特定條件下對(duì)模擬徑流中TN、TP、CODCr的去除效果;二是植物修復(fù)能力的潛在趨勢(shì);三是植物對(duì)土壤的修復(fù)作用。通過(guò)以上三方面的研究,希望能夠幫助景觀設(shè)計(jì)及環(huán)境工程等領(lǐng)域針對(duì)特定目標(biāo)選擇相應(yīng)植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。
植物去除道路徑流污染試驗(yàn)是《中新生態(tài)城市政道路雨水生物滯留凈化技術(shù)研發(fā)與示范應(yīng)用》課題的研究?jī)?nèi)容之一,采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的盆栽試驗(yàn)[23-24],以探究不同植物對(duì)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(tài)城、具有較強(qiáng)的污染物去除能力并且具有較好景觀效果的植物種類(lèi)。本次盆栽實(shí)驗(yàn)將會(huì)為后續(xù)場(chǎng)地生物滯留池實(shí)驗(yàn)中植物品種選擇提供科學(xué)依據(jù),場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)也將為盆栽實(shí)驗(yàn)的結(jié)論提供補(bǔ)充和驗(yàn)證。
試驗(yàn)原理是用人工配置的具有特定濃度的污染物質(zhì)的溶液(即進(jìn)水)對(duì)植物進(jìn)行澆灌,檢測(cè)進(jìn)水和經(jīng)過(guò)植物及其生長(zhǎng)介質(zhì)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(duì)污染物質(zhì)的去除能力。通過(guò)種植組及植物的污染物去除率隨實(shí)驗(yàn)場(chǎng)次的增多而呈現(xiàn)出的變化情況,并且通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)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(shì)及其對(duì)土壤中污染物的去除作用。
本次的試驗(yàn)材料是灌木和草本植物。此類(lèi)植物在相關(guān)雨洪管理與海綿城市的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施中多有使用。選擇主要考慮以下幾個(gè)方面的因素:能夠適應(yīng)天津區(qū)域氣候與土壤特征;能夠應(yīng)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(zhì)和土壤凈化功能;具有一定的景觀效果;維護(hù)成本較低。試驗(yàn)植物選擇基于相關(guān)已有文獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)2輪篩選,最終選取的植物種類(lèi)共計(jì)11種,包括2種灌木和9種草本地被植物。植物材料信息見(jiàn)表1[25-28]。
此后,西王布局健康產(chǎn)業(yè)的步伐仍未停止。2017年6月18日晚,西王食品公告稱(chēng),公司同日收到公司控股股東西王集團(tuán)通知,西王集團(tuán)于2017年6月16日下午與阿里健康科技(中國(guó))有限公司簽署了戰(zhàn)略合作簽約儀式會(huì)議備忘錄。
表1 試驗(yàn)植物材料表
試驗(yàn)步驟為苗木采買(mǎi)-種植-養(yǎng)護(hù)-澆灌-采樣-送檢(圖1)。
圖1 試驗(yàn)步驟流程示意圖
苗木采買(mǎi)需要注意購(gòu)買(mǎi)生長(zhǎng)較為健壯、規(guī)格一致的種類(lèi)。種植階段是將11種植物分別按照實(shí)際道路綠化工程中的種植間距種植于花盆中?;ㄅ韫灿?種型號(hào)。花盆A橫截面為方形,上口邊長(zhǎng)18.5cm,盆底邊長(zhǎng)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(nèi)徑36cm,下口直徑28cm,高25cm,種植矮生紫薇。每個(gè)品種種植4盆。應(yīng)選用同一批次的種植土并且設(shè)置對(duì)照組,序號(hào)為12。養(yǎng)護(hù)期為5月10日—6月9日。
澆灌是關(guān)鍵步驟。在澆灌開(kāi)始前需要將花盆中的雜草和枯葉清理干凈,以免影響試驗(yàn)結(jié)果。澆灌周期依據(jù)天津市降雨規(guī)律設(shè)計(jì)為每周2次,澆灌時(shí)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(jiàn)污染物COD、TN、TP作為研究指標(biāo),污染物含量依據(jù)工程場(chǎng)地(天津市濱海新區(qū)中新生態(tài)城)實(shí)測(cè)確定為COD:105mg/L,TN:8mg/L,TP:1mg/L(表2)。澆灌水量按設(shè)計(jì)降雨量乘以降雨歷時(shí)乘以降雨面積計(jì)算。澆灌結(jié)束后即可開(kāi)始采樣。采樣時(shí)將干凈無(wú)水的采樣瓶放于花盆底部來(lái)收集出水,采樣過(guò)程需持續(xù)到出水完全結(jié)束為止,耗時(shí)約30min。最后需要將收集的樣品編號(hào)記錄并送到檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)指標(biāo)為CODCr、TN、TP。
表2 試驗(yàn)?zāi)M道路徑流污染物含量
從圖2可看出,各種植組對(duì)徑流中的TP和CODCr均能起到一定的去除作用,而對(duì)TN的去除則依據(jù)品種不同有不同的表現(xiàn)。
圖2 各種植組對(duì)徑流中TP、TN、COD的去除率
各種植組對(duì)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(xiàn)最好的為月季組,平均去除率高達(dá)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(xiàn)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(duì)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(duì)較大。其中去除率表現(xiàn)最好的為麥冬組,平均去除率高達(dá)79.64%,其次為對(duì)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(duì)徑流中TN的平均去除率差別最大,去除作用最強(qiáng)的是德國(guó)鳶尾組,平均去除率為35.59%,其次為對(duì)照組和麥冬組,平均去除率分別為6.48%、3.92%。除德國(guó)鳶尾組、麥冬組和對(duì)照組外其余各組對(duì)徑流中的TN均未能起到去除作用,反而會(huì)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(dá)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%。
隨試驗(yàn)次數(shù)增加,不同植物種類(lèi)及種植組對(duì)徑流中的TP、TN、CODCr的去除率呈現(xiàn)出了不同的變化趨勢(shì)。其中TP和CODCr的變化趨勢(shì)相對(duì)不明顯,而TN的去除根據(jù)品種的不同呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(圖3)。將其變化規(guī)律提取出后可將其劃分為4種不同的類(lèi)型。
圖3 各種植組對(duì)徑流中TN的去除率變化趨勢(shì)
其中7個(gè)種類(lèi)(狼尾草、玉簪、德國(guó)鳶尾、矮生紫薇、馬藺、月季、蘭花鳶尾)為起伏不定型,需要更長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證;紫葉酢漿草、金娃娃萱草和叢生福祿考為趨于平穩(wěn)型;麥冬為上升型;只有對(duì)照組為下降型,也就是說(shuō),隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加,土壤本身去除污染物的能力會(huì)明顯下降。
從圖4可看出,各種植物對(duì)土壤中的TP和TN均能起到一定的去除作用。其中,對(duì)TP的去除率依據(jù)種類(lèi)不同變化較大,矮生紫薇的去除率最高,達(dá)到76.33%,其次為麥冬和月季,均在40%以上,其余均為20%~40%。對(duì)TN的去除率均較高,其中去除率最高的為馬藺,達(dá)到127.60%,其余種類(lèi)的去除率均在100%左右,去除效果良好。
圖4 各種植組對(duì)土壤中TP、TN的去除率
氮、磷是所有植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),任何一種植物都可以通過(guò)吸收、固定或轉(zhuǎn)化氮磷元素從而對(duì)周?chē)寥篮退w起到修復(fù)作用。但是修復(fù)效果卻各有不同。這與氮磷元素的性質(zhì)、賦存形態(tài)以及植物特性有關(guān)。
植物對(duì)TN的去除效果是植物去除無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮、顆粒態(tài)和溶解態(tài)氮素的綜合效果。無(wú)機(jī)氮以銨鹽(NH4+)和硝酸鹽(NO3-)為主,植物可以通過(guò)根部將其吸收并在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成氨基酸類(lèi)物質(zhì)加以利用。這是植物利用無(wú)機(jī)氮的主要過(guò)程,這個(gè)過(guò)程會(huì)受多種因素影響,包括植物種類(lèi)、生長(zhǎng)階段、生長(zhǎng)環(huán)境、氮供給能力、土壤性質(zhì)、根際溫度和深度、周邊微生物種類(lèi)和數(shù)量等,這些因素會(huì)對(duì)銨鹽和硝酸鹽吸收利用的比例產(chǎn)生影響。同時(shí)這個(gè)過(guò)程是一個(gè)需要消耗能量的過(guò)程,環(huán)境的光條件、大氣CO2濃度、根際CO2含量會(huì)影響能量分配狀態(tài),進(jìn)而影響植物對(duì)銨鹽和硝酸鹽吸收利用的比例[29]。有機(jī)氮是植物生長(zhǎng)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(jī)氮,但吸收能力因植物種類(lèi)、有機(jī)氮化合物分子量及地理因素而異。研究發(fā)現(xiàn),植物可以利用菌根吸收蛋白質(zhì)、氨基酸等有機(jī)氮,菌根的生長(zhǎng)部位對(duì)吸收效率具有一定影響;相對(duì)于大分子量的有機(jī)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(jī)氮[29]。
此外,陸生植物賴(lài)以生存的土壤介質(zhì)在植物去除徑流污染的過(guò)程中也會(huì)起到一定的作用,有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生較大影響。土壤介質(zhì)對(duì)氮、磷的去除主要由其賦存形態(tài)決定,顆粒態(tài)和溶解態(tài)的去除效果差異較大。研究顯示傳統(tǒng)生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流中TSS、COD,以及重金屬、多環(huán)芳烴等雨水徑流中顆粒態(tài)的污染物具有較好的控制效果,但對(duì)不同形態(tài)氮磷的控制效果差異較大[30]。本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)TN的去除率較低,其原因可能與以下三方面有關(guān):種植基質(zhì)、植物種類(lèi)、模擬徑流成分及其污染物濃度。
本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中采用的基質(zhì)是種植土,這種介質(zhì)氮本底值較高且對(duì)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(fā)生淋溶現(xiàn)象,使土壤中NO3-向下層轉(zhuǎn)移[30],由于本實(shí)驗(yàn)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(shí)由于去除NO3-需要在缺氧條件下發(fā)生反硝化作用,而此實(shí)驗(yàn)不具備相應(yīng)條件,因而難以達(dá)到去除的效果,并且由于NO3-帶負(fù)電荷因此也很難通過(guò)介質(zhì)的吸附作用去除,這都導(dǎo)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(xiàn)為種植組對(duì)TN的去除率較低,當(dāng)土壤析出量大于攝入量時(shí)便會(huì)呈現(xiàn)出負(fù)去除率的表現(xiàn)。盡管TN去除率整體很低,但由于植物種類(lèi)的不同也互不相同。這與植物生長(zhǎng)階段及植物的生物量有關(guān),也與植物生理構(gòu)造有關(guān)。由于模擬徑流中使用氯化銨和硝酸鉀作為投加物質(zhì),使得溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮含量較高,這也會(huì)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(huì)影響滲濾液中TN的濃度。Gong等[21]研究發(fā)現(xiàn),低濃度進(jìn)水比高濃度進(jìn)水更有利于污染物的減少。設(shè)施對(duì)磷的去除通常與填料及其磷本底值有關(guān)[30],填料的淋溶效應(yīng)與氮素相似,當(dāng)磷本底值較高時(shí),設(shè)施對(duì)磷凈化效果通常較差[32]。
對(duì)于植物修復(fù)的長(zhǎng)期作用目前的研究還非常不足,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看植物去除能力的上限及去除作用的變化規(guī)律在很大限度上決定著植物修復(fù)的效果。從圖3能夠很明顯地看出對(duì)照組對(duì)TN的去除率在極短期的上升后便呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì),說(shuō)明土壤本身對(duì)TN的去除效果并不理想,不能只依靠土壤來(lái)修復(fù)徑流中的TN污染。與土壤的效果形成明顯對(duì)比的是有植物的種植組,不同的植物呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),部分種類(lèi)呈現(xiàn)出起伏不定或逐漸趨于平穩(wěn)的態(tài)勢(shì),而麥冬去除率則在起伏中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這樣的變化趨勢(shì)更證明了植物在長(zhǎng)期的過(guò)程中發(fā)揮的去除作用。植物對(duì)土壤中污染物的去除作用的研究主要集中于植物生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域,主要關(guān)注對(duì)重金屬、有機(jī)物等污染物的去除作用。對(duì)于無(wú)機(jī)鹽的去除研究尚不多,尚需要持續(xù)深入的研究。因此,從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā),研究植物修復(fù)徑流及土壤的長(zhǎng)期效果能幫助景觀及環(huán)境工程領(lǐng)域更有效地根據(jù)具體目標(biāo)選擇合適的植物種類(lèi),低造價(jià)、高績(jī)效地發(fā)揮植物的生態(tài)修復(fù)功能,這也將是今后的重點(diǎn)研究方向之一。
陸生植物是廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)建設(shè)中的植物材料,是城鄉(xiāng)景觀中不可或缺的組成部分,在海綿城市建設(shè)中發(fā)揮了重要的滯蓄徑流的功能。但目前對(duì)于其可能具有的徑流污染修復(fù)的潛力的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際建設(shè)中的應(yīng)用需求。這將成為植物生態(tài)修復(fù)研究中的一個(gè)重要研究方向,從定性和定量2個(gè)維度為海綿城市建設(shè)和雨洪管理提供切實(shí)可行的建議。
未來(lái)的研究可在以下幾方面繼續(xù)深入:1)建立植物生態(tài)修復(fù)素材庫(kù),重點(diǎn)從海綿城市建設(shè)和雨洪管理出發(fā),研究植物對(duì)雨水徑流中各類(lèi)型污染物的削減效果及可行的應(yīng)用方法,豐富植物景觀的功能,為海綿城市建設(shè)者提供便捷的查詢(xún)途徑;2)深入研究植物去除污染物的生物學(xué)機(jī)理,從根本上剖析植物生態(tài)修復(fù)的作用原理,為教學(xué)和科研提供明確的指導(dǎo)方向;3)基于上述兩方面的研究,結(jié)合地域特色開(kāi)展場(chǎng)地實(shí)踐研究,為海綿城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
1)不同陸生植物對(duì)徑流中TP、TN、CODCr具有不同的去除效果,針對(duì)具體目標(biāo)可選擇合適的植物種類(lèi)。本研究中各種植物對(duì)徑流中TP的平均去除率均較高;對(duì)徑流中的CODCr均起到一定的去除作用,但依據(jù)植物種類(lèi)不同去除率差別較大;對(duì)徑流中TN的平均去除率差別非常大,除德國(guó)鳶尾、麥冬和對(duì)照組外其余植物對(duì)徑流中的TN均未能起到去除效果。
2)不同植物對(duì)徑流中TN的去除率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),其中對(duì)照組呈現(xiàn)下降趨勢(shì)說(shuō)明土壤本身去除徑流污染物的能力會(huì)隨徑流場(chǎng)次增多而有所下降,僅依靠土壤不能滿(mǎn)足削減徑流污染的需求。
3)植物對(duì)由于徑流污染導(dǎo)致的土壤中TN、TP的積累具有一定的削減能力,可減緩?fù)寥牢廴疚锏姆e累速率,降低土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)。其中對(duì)TP的去除率依據(jù)植物種類(lèi)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(xué)建筑學(xué)院景觀學(xué)系博士生張益章、周懷宇,研究助理林國(guó)玄,清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院賈海峰教授、趙云云博士后,新加坡國(guó)立大學(xué)胡江泳教授,新加坡義安理工學(xué)院環(huán)境與水原專(zhuān)業(yè)黎穎薈提供的建議和幫助。