山地城市雨水生物滞留系统植物筛选与除氮机理研究

摘要

作为生物滞留系统的重要组成部分，植物在系统运行生命周期中具有多重作用。植物种类不仅影响系统水力性能与污染物控制功能，还将直接影响其对系统脱氮效能的贡献程度，但目前对于植物是否影响系统中氮素迁移转化过程尚不清晰，对于不同植物系统的脱氮功能差异性的原因还存在较大未知空间。因此，基于重庆市降雨特性，论文针对山地城市道路雨水径流特征，开展雨水生物滞留系统植物筛选及氮素迁移特性研究，以期为雨水生物滞留系统的植物选择与除氮特性的设计优化提供理论基础，试图为实现海绵城市建设目标提供技术支撑。
　　研究参考重庆绿化部门常用植物并结合市场调查，选取10种本地植物构建雨水生物滞留系统。通过对系统水文特性（即渗透系数、蒸发量）与污染物去除效果的考察，并进行显著性检验，利用层次分析法对不同植物系统进行综合评估，筛选出最佳植物;通过对土壤与植物中氮素累积量以及土壤微生物多样性的检测，明确系统中植物对氮素的贡献情况，并探明雨水生物滞留系统中氮素迁移转化过程及归趋。研究得到如下主要结论:
　　(1)渗透系数受气温、植被的存在、植物类型和植被性状的影响，植被能显著提高系统的渗透性能;草坪植物由于其以草皮铺种的方式栽种，在滤柱表面易形成堵塞层，降低土壤渗透速率。若植物的地下性状较地上或整株性状更大，且地下根系干重、总根长、根深和相对地下生长率越高，则系统的渗透系数就越低。不同植物系统的蒸发蒸腾性能具有一定差异，其中，美人蕉（Canna indica）最强，纸莎草（Cyperus papyrus）最弱。
　　(2)不同植物对悬浮总固体(TSS)的去除无显著差异，但芦竹(Arundo donax)的去除效果最稳定，同时植物栽种并不能较大程度提高系统对TSS的去除效果;不同植物对COD的去除效果差异显著，但均高于无植物系统，其中，风车草（Cl inopodiumurticilium）对COD的去除能力最强，去除率中位数达70.36％;
　　植物对系统除氮性能影响显著。其中，植物的存在可显著提高系统对NH4+-N的去除率，但植物间的NH4+-N去除效果并无显著差异，除无植物组外，其余滤柱对NH4+-N的去除效率中位数为81.06％。系统对NO3--N去除效果不稳定，容易由于植物根系衰亡和微生物死亡导致系统发生氮素淋湿，造成出水NO3--N浓度升高;其中，风车草系统的NO3--N去除效果最好，去除率中位数为74.48％，无植被组的NO3--N去除效果最差，去除率中位数仅为57.00％。植物系统具有较高的TN去除效果，去除效率中位数为74.09％，其中，风车草系统对TN去除效果最好，去除率中位数为77.82％，无植被组的TN去除效果最差，去除率中位数仅为67.41％。
　　植物对系统除磷性能无显著影响，植物间差异性不显著。其中，鸢尾（Iris tectorum Maxim）系统对TP去除效果最好，去除率中位数为87.19％，而细叶芒（Miscanthus sinensis）系统的去除效果最差，去除率中位数为80.32％;
　　利用层次分析法，综合植物水力性能与除污性能，确定植物综合排序为:风车草（Clinopodiumurticifolium）＞美人蕉（Canna indica）＞鸢尾（Iris tectorum Maxim）＞梭鱼草(Pontederia cordata)＞香根草（Vetiveria zizanioides）＞千屈菜（Lythum salicaria）＞芦竹（Arundo donax）＞细叶芒（Miscanthus sinensis）＞狗牙根（Cynodon dactylon）＞紫莎草（Cyperus papyrus）＞无植物。
　　(3)氮素在植物不同部位累积情况显著不同。其中，氮素在植物的茎中累积量（即全氮含量）最高，根中累积不明显，而叶片中的累积量呈下降趋势，主要是由于植物的呼吸作用消耗叶片中的养分，造成氮素的耗损。在所有研究植物中，根中全氮累积量中位数0.215g/kg，茎中全氮累积量中位数1.885g/kg，叶中全氮累积量中位数-1.52g/kg。
　　(4)土壤氮素会随雨水下渗发生迁移，并在下次降雨前产生71.71％的氮素累积;且发生在种植层土壤。植物对土壤中氮素影响显著，特别是植物根系的衰亡以及微生物死亡，直接导致种植层氮素升高。
　　(5)系统中总微生物群落多样性丰富，且水动力对微生物群落影响显著，进水后系统中氨氧化细菌明显高于进水前，植物的存在会影响系统中氨化细菌的群落种类，种植层的优势菌属为鞘氨醇单胞菌属（sphingomonas），淹没层的优势菌属为甲苯单胞菌属（Tolumonas）;系统中反硝化细菌群落丰富，风车草系统和无植物系统间微生物群落存在显著差异，风车草系统的微生物群落中优势菌种为脱氯单胞菌属（Dechloromonas），进水对种植层的群落种类影响较大，且种植层和淹没层由于好氧、缺氧环境的不同，造成微生物群落的种类差异明显。
　　本研究受重庆市研究生创新项目、重庆市基础前沿、重庆市留创项目、国家自然科学基金等项目的资助。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 城市雨洪管理研究现状

1．2．1 城市雨洪管理体系

1．2．2 我国城市雨洪管理现状

1．3 雨水生物滞留系统研究现状

1．3．1 植被在生物滞留系统中的作用

1．3．2 氮素迁移转化特性与归趋

1．3．3 雨水生物滞留系统除氮影响因素

1．4 问题的提出与研究内容

1．4．1 问题的提出

1．4．2 研究目的和意义

1．4．3 主要研究内容与技术路线

第2章 试验装置及方法

2．1 试验装置与材料

2．1．1 植物选用标准

2．1．2 试验植物

2．1．3 试验装置

2．2 径流雨水模拟

2．2．1 径流控制总量

2．2．2 径流雨水模拟水质

2．2．3 场次处理径流雨水量

2．3 测试及分析方法

2．3．1 植物分析

2．3．2 取样方法

2．3．4 测试项目及方法

第3章 植物对雨水生物滞留系统水文特性的影响

3．1 生物滞留系统水力性能

3．2．温度对渗透性能的影响

3．3 植物对渗透性能的影响

3．2．1 植物对渗透性能的改善

3．2．2 植物类型对渗透性能的影响

3．2．3 植物性状对渗透性能的影响

3．4 土壤蓄水及植物蒸腾能力

3．3 本章小结

第4章 植物对雨水生物滞留系统除污性能的影响

4．1 植物对TSS去除的影响

4．2 植物对有机物去除的影响

4．3 植物对氮素去除的影响

4．3．2 NO3-N去除效果

4．3．3 TN去除效果

4．3．4 氮素形态转化

4．4 植物对TP去除的影响

4．5 污染物去除率间的相关性

4．6 植物筛选

4．6．1 植物的综合评估方法

4．5．2 筛选结果

4．6 本章小结

第5章 雨水生物滞留系统除氮机理研究

5．1 氮素迁移转化与归趋特性研究

5．1．1 植物中氮素的累积

5．1．2 植物对氮素去除的贡献

5．1．3 氮素的迁移特性

5．1．4 氮素归趋特性

5．2 微生物群落多样性分析

5．2．1 研究方法

5．2．2 土壤微生物多样性

5．2．3 硝化细菌微生物多样性分析

5．2．4 反硝化细菌微生物多样性分析

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果