2019, Vol. 40
随着城镇化快速推进, 道路、停车场、广场和屋顶等不透水面的面积比例逐渐增加[1].不透水面增加破坏了城镇流域的自然水循环, 易引发城市内涝和水体污染等环境问题[2~4].据统计, 屋面约占城市不透水面的40%~50%[5], 在土地资源紧张, 环境问题突出的城镇地区建设绿色屋顶, 是增加城镇绿地面积, 缓解城市生态环境问题的有效途径之一[6].绿色屋顶具有增加城市生物多样性[7], 降低城市热岛效应[8], 改善空气质量[9], 减少噪声[10]和调控径流[11]等多重生态环境功能.
国内外学者对绿色屋顶径流调控效益开展了大量实验和模拟研究[11, 12], 而关于绿色屋顶径流水质的研究较为薄弱[13, 14].受植被、基质类型与厚度、降雨、空气质量、周边环境、管理措施和使用年限等因素影响[15~18], 绿色屋顶的水质变化非常复杂, 不同的研究者关于绿色屋顶对径流水质的影响尚未形成一致结论.有研究表明[15, 16, 19], 绿色屋顶能够滞留并吸收雨水中的污染物, 相对于普通屋顶, 绿色屋顶具有净化水质的功能.另有研究指出绿色屋顶是部分污染物质(如COD、营养元素和重金属等)的释放源[17, 20, 21], 盲目应用绿色屋顶可能会造成水体污染.因此, 探究植被和基质等因素对绿色屋顶径流水质的影响是安全应用绿色屋顶的重要前提之一.
植被作为绿色屋顶审美价值的重要来源, 为绿色屋顶带来生机, 也丰富了屋顶的生物多样性[22].植被可通过截留雨水、蒸散耗水和改变生长基质的持水性能以影响绿色屋顶的径流量[11, 23], 同时也可通过滞尘、根系吸收、根系分泌物、枯落物分解等因素影响绿色屋顶的径流水质.因此, 是否种植植被[20, 24]和种植不同类型的植被[25, 26]都可能会对绿色屋顶径流水质产生重要影响.然而, 当前绿色屋顶植物的选择主要关注植物的抗逆性、美观性[13]、覆盖度等特征[13, 27]以及植被对绿色屋顶雨水滞留能力[23]的影响, 关于植被对绿色屋顶径流水质影响的研究则十分有限.此外, 国内有关绿色屋顶的实验研究植被选择单一, 文献[19, 28~31]均仅采用佛甲草一种植物, 缺乏关于不同类型植被对绿色屋顶径流量和水质影响的研究.
本研究基于对北京市4种不同植被覆盖类型绿色屋顶2017年植物生长特征、降雨和径流过程的监测, 以及对雨水和各绿色屋顶径流中营养元素与重金属浓度的检测, 定量分析不同植被覆盖类型对绿色屋顶径流量和污染负荷的影响, 并结合植物生长特征解析各绿色屋顶径流量和水质差异的原因, 以期为绿色屋顶的植物筛选及径流水质评估提供科学支撑, 并为海绵城市建设提供科学参考.
1 材料与方法 1.1 实验设计在北京市海淀区北京林业大学林业楼楼顶搭建4个1 m×1 m的实验绿色屋顶(图 1), 其中, 1个为无植被覆盖对照(对照组), 另外3个分别种植佛甲草(Sedum lineare)、大花马齿苋(Portulaca grandiflora, 马齿苋)和高羊茅(Festuca elata).绿色屋顶的植被层下方依次为生长基质层、过滤层、排水层和防水层.生长基质由草炭土、碎木屑、沸石和浮石按比例混合, 孔隙度为57.6%, 饱和导水率为267 mm ·h-1, 干容重为0.55 g ·cm- 3.过滤层为双层聚酯无纺布(300~400g ·m-2), 排水层为厚度为10 cm的陶粒(直径10~35 mm), 选用TPO防水卷材作为防水层.
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图 1 绿色屋顶实验设施结构示意 Fig. 1 Structure of the experimental green roofs |
降雨过程由架设于绿色屋顶上方2 m处的HOBO U30小型自动气象站监测, 绿色屋顶径流量采用分辨率为1 mm的自记式雨量计监测.雨量计下方是250 L的HDPE集水桶, 用以收集绿色屋顶径流.
1.2 数据采集、检测与分析绿色屋顶产生的径流流经雨量计并全部导入HDPE集水桶, 使用不锈钢盆收集雨水.每场降雨结束后, 充分搅拌集水桶和不锈钢钢盆中收集的径流和雨水并采样装入HDPE取样瓶.采样结束后, 测量集水桶中的径流量并排放.排水完成后, 先用自来水, 后用去离子水冲刷清洗集水桶和不锈钢盆.取样1 h内, 将所采水样放入冰箱冷冻储存, 定期分批进行水质检测.
雨水和绿色屋顶径流的水质检测指标包括营养元素(NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43-- P)和溶解态重金属(DCd、DCr、DNi、DCu)等. NH4+-N、NO3--N、NO2--N和PO43--P的质量浓度检测采用法国Alliance公司生产的全自动化学分析仪(Smartchem 200);使用ICP-MS测量水样中溶解态重金属的质量浓度.
在实验绿色屋顶随机取10个点定期测量植物高度, 计算平均株高, 并基于照相法测定植物覆盖度.雨季结束后, 收取20 cm×20 cm样方的地上部分植被, 先用浸泡法[32], 测定植物最大雨水截留量, 再将植物置于65℃的烘箱内烘干至恒重, 称重作为该植物地上部分生物量[33].
本文使用单因素方差分析对比4组绿色屋顶径流中污染物平均浓度的差异性.此外, 基于径流量和污染物浓度数据, 分别计算了各绿色屋顶的径流削减率(Dr)和污染负荷削减率(Dc), 绿色屋顶径流削减率(Dri)可由式(1)计算.
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(1) |
绿色屋顶污染负荷削减率(Dc)可由下式计算：
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(2) |
式中, S为绿色屋顶面积(m2); i为降雨场次; n为总降雨场数; Pi为第i场降雨的降雨量(mm); Vi为第i场降雨的绿色屋顶径流量(L); cpi和cri分别为第i场降雨雨水和绿色屋顶径流中污染物浓度(mg ·L-1或μg ·L-1).
2 结果与分析 2.1 植物生长特征分析2017年4~5月进行绿色屋顶植物移植, 除移植初期适当灌溉和定期人工除杂草, 植物生长期内未施加肥料和农药, 且未进行人工灌溉, 监测期内植物生长特征如表 1所示.高羊茅因不适应屋顶环境, 在无养护模式开始后逐渐死亡, 故无法进行地上生物量和最大雨水截留量的测定.高羊茅平均株高为9 cm, 覆盖度约为80%, 枯死茎叶覆在生长基质层表面.佛甲草和马齿苋生长状况良好, 移植一个月后覆盖度均达100%;马齿苋的平均株高为22 cm, 约是佛甲草的3.14倍, 地上生物量为1153g ·m-2, 约是佛甲草的2.29倍; 马齿苋最大雨水截留量为0.54 mm, 略优于佛甲草.
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表 1 植物生长特征 Table 1 Growth characteristics of plants |
2.2 绿色屋顶降雨和径流特征
依据已有的研究[11, 34], 本文将前后间隔超过6 h的降雨视作两场降雨.本研究选用4个实验绿色屋顶皆产生径流的4场降雨进行取样分析, 场降雨特征如表 2所示.依据《降水等级标准》(GB/T 28592-2012), 这4场降雨中包含1场中雨, 2场大雨和1场暴雨.其中7月15日降雨为2017年雨季最大降雨, 降雨量为81.4 mm, 历时8.7 h, 最大雨强为2.76 mm ·min-1.
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表 2 场降雨特征 Table 2 Characteristics of selected rainfall events |
各绿色屋顶径流特征如图 2所示, 除7月7日高羊茅绿色屋顶径流量高于对照组, 有植被覆盖的绿色屋顶径流量均低于对照组绿色屋顶, 其中, 马齿苋绿色屋顶径流量最少.各绿色屋顶平均径流削减率如图 3所示, 马齿苋绿色屋顶平均径流削减率(51.3%)显著高于(P < 0.05)高羊茅(36.3%)和对照组(33.0%)绿色屋顶, 佛甲草绿色屋顶平均径流削减率为41.5%, 和其他3组绿色屋顶差异均不显著(P>0.05).
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图 2 绿色屋顶产流特征 Fig. 2 Runoff characteristics of the green roofs |
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图 3 绿色屋顶平均径流削减率 Fig. 3 Average runoff reduction rate of the green roofs |
如图 4(a)所示, 各绿色屋顶径流中NH4+-N浓度无显著差异, 且平均浓度均低于雨水(0.63 mg ·L-1).佛甲草、马齿苋和对照组绿色屋顶径流中NH4+-N平均浓度差异不大且均高于高羊茅绿色屋顶.雨水和绿色屋顶径流中营养元素污染总负荷(总负荷)和总污染负荷削减率(总负荷削减率)如表 4, 4组绿色屋顶径流的NH4+-N总负荷均低于雨水(110.9 mg ·m-2), 是NH4+-N的汇.高羊茅绿色屋顶对NH4+-N吸收效果最好, 总负荷削减率高达90.7%, 佛甲草和马齿苋绿色屋顶的总负荷削减率分别为52.5%和59.6%, 均高于对照组绿色屋顶(47.9%).
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图中不同字母表示组间差异显著(P < 0.05);相同字母表示组间差异不显著(P>0.05)，下同 图 4 不同植被覆盖类型绿色屋顶径流和降雨采样中营养元素浓度特征 Fig. 4 Characteristics of nutrient concentrations in rainwater and the runoff from green roofs with different types of vegetation cover |
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表 4 不同植被覆盖类型绿色屋顶径流和雨水营养元素污染负荷 Table 4 Nutrient pollution loads in rainwater and the runoff from green roofs with different types of vegetation cover |
2.3.2 硝态氮(NO3--N)
如图 4(b)所示, 雨水中NO3--N的平均浓度为2.15 mg ·L-1, 高于佛甲草(0.61 mg ·L- 1)和马齿苋(0.01 mg ·L-1)绿色屋顶径流中NO3--N平均浓度, 但低于高羊茅(4.30 mg ·L-1)和对照组(6.96 mg ·L-1)绿色屋顶径流.佛甲草和马齿苋绿色屋顶径流中NO3--N浓度显著低于对照组.雨水带来的NO3--N总负荷为527.2 mg ·m-2(表 4), 佛甲草和马齿苋屋顶是NO3--N的汇, NO3--N总负荷削减率分别为89.3%和99.9%;高羊茅和对照组绿色屋顶是NO3--N的源, 径流中的NO3--N污染负荷较雨水分别增加了9.1%和86.4%.
2.3.3 亚硝态氮(NO2--N)高羊茅绿色屋顶径流中NO2--N平均浓度为0.34 mg ·L-1, 明显高于雨水和其它绿色屋顶径流[图 4 (c)].其中, 佛甲草和马齿苋绿色屋顶径流中NO2--N平均浓度分别为0.14 mg ·L- 1和0.11 mg ·L-1, 显著低于高羊茅绿色屋顶; 对照组绿色屋顶径流中NO2--N平均浓度为0.25mg ·L-1, 与其他三组绿色屋顶差异均不显著.降雨产生的总NO2--N污染负荷为62.8 mg ·m-2, 高于各绿色屋顶径流中的NO2--N总负荷(表 4).佛甲草、马齿苋、对照组和高羊茅绿色屋顶均是NO2--N的汇, 总负荷削减率分别为75.3%、82.5%、46.3%和44.9%.
2.3.4 磷酸态磷(PO43--P)如图 4(d)所示, 4组绿色屋顶径流中PO43--P平均浓度均高于雨水(0.046 mg ·L-1).高羊茅屋顶径流的PO43--P平均浓度最高(0.18 mg ·L-1), 其次为对照组绿色屋顶(0.09 mg ·L- 1), 佛甲草和马齿苋绿色屋顶径流中PO43--P的平均浓度分别为0.072 mg ·L-1和0.065 mg ·L- 1, 4组绿色屋顶径流中PO43--P平均浓度差异不显著.如表 4, 佛甲草和马齿苋绿色屋顶径流中的PO43--P总负荷低于雨水中PO43--P总负荷(6.5 mg ·m-2), 是PO43--P的汇, 总负荷削减率分别为7.8%和25.7%, 然而, 高羊茅和对照组绿色屋顶是PO43--P的源, 径流中的PO43-- P总负荷较雨水分别增加了162.9%和39.1%.
2.4 植被对溶解态重金属浓度和负荷影响 2.4.1 可溶性铬(DCr)绿色屋顶径流和雨水中可溶性铬(DCr)平均浓度如图 5(a)所示, 4组绿色屋顶径流中的DCr平均浓度均高于雨水(0.86 μg ·L-1).对照组绿色屋顶径流中DCr平均浓度最低, 马齿苋绿色屋顶最高, 但各绿色屋顶径流中DCr浓度无显著差异.如表 5所示，佛甲草、马齿苋、高羊茅和对照组绿色屋顶DCr总负荷分别为200.0、180.5、209.9和202.6 μg ·m-2，均高于雨水的DCr总负荷(161.9 μg ·m-2)，这表明，本研究所设置的4组绿色屋顶均是DCr的源.
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图 5 不同植被类型绿色屋顶径流和降雨采样中溶解态重金属浓度特征 Fig. 5 Characteristics of heavy metal concentrations in rainwater and the runoff from green roofs with different types of vegetation cover |
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表 5 不同植被覆盖类型绿色屋顶径流金属元素污染负荷分析 Table 5 Pollution loads of heavy metals in rainwater and the runoff from green roofs with different types of vegetation cover |
2.4.2 可溶性镉(DCd)
如图 5(b)所示, 佛甲草、高羊茅和对照组绿色屋顶径流中可溶性镉(DCd)的平均浓度与雨水(1.57 μg ·L-1)差异不大, 而马齿苋屋顶径流中DCd平均浓度为2.35 μg ·L-1, 显著高于其他绿色屋顶.降雨共产生290.9μg ·m-2的DCd污染负荷(表 5), 高于各绿色屋顶径流DCd污染总负荷, 表明4组绿色屋顶均是DCd的汇.佛甲草绿色屋顶的DCd总负荷削减率最高(41.5%), 依次高于高羊茅(38.4%)、对照组(31.1%)和马齿苋(19.2%)绿色屋顶.
2.4.3 可溶性铜(DCu)研究期内降雨中均未检测出可溶性铜(DCu).各绿色屋顶径流中DCu平均浓度对比见图 5(c), 高羊茅和马齿苋绿色屋顶径流中DCu平均浓度分别为11.72 μg ·L-1和7.34 μg ·L-1, 显著高于对照组绿色屋顶(1.60 μg ·L-1).佛甲草绿色屋顶径流中DCu平均浓度为3.48 μg ·L-1, 显著低于高羊茅绿色屋顶, 但与马齿苋和对照组绿色屋顶无显著差异. 4种绿色屋顶均是DCu的源(表 5), 其中, 对照组屋顶径流DCu总负荷最低, 为243.3μg ·m-2, 高羊茅、马齿苋和佛甲草绿色屋顶径流DCu总污染负荷分别是对照组的5.6、2.9和1.7倍.
2.4.4 可溶性镍(DNi)如图 5(d)所示, 绿色屋顶径流中DNi平均浓度均远高于雨水(1.20 μg ·L-1).高羊茅和马齿苋绿色屋顶径流中DNi平均浓度分别为5.68 μg ·L-1和5.11 μg ·L-1, 显著高于对照组(2.52 μg ·L-1).佛甲草绿色屋顶径流中DNi平均浓度为4.29 μg ·L-1, 与各绿色屋顶均无显著差异.降雨产生DNi总负荷为257.7μg ·m-2(表 5), 低于各绿色屋顶, 各绿色屋顶均是DNi的释放源.其中, 对照组屋顶径流产生的DNi总负荷最低(352.5μg ·m-2), 高羊茅屋顶径流中DNi总负荷最高(655.1μg ·m-2), 马齿苋和佛甲草绿色屋顶径流DNi总负荷差异不大, 分别为495.6μg ·m-2和480.4μg ·m-2.
3 讨论本研究中, 马齿苋绿色屋顶的平均径流削减率最高(51.3%), 依次高于佛甲草(41.5%)、高羊茅(36.3%)和无植被对照组(33.0%)绿色屋顶.绿色屋顶径流量受降水量、植物截留和蒸腾能力、基质蒸发量、基质雨水滞留能力等因素影响[23, 35].在高温雨季, 生物量最大的C4植物马齿苋蒸腾耗水强烈[11], 能够快速消耗绿色屋顶基质层滞留的雨水, 迅速恢复其最大雨水滞留能力, 且马齿苋的雨水截留量(0.54 mm)也高于高羊茅和无植被绿色屋顶, 因此, 马齿苋绿色屋顶径流调控效益最强. CAM代谢植物佛甲草的蒸腾耗水量和雨水截留量(0.50 mm)均少于马齿苋, 所以, 其平均径流削减率低于马齿苋.由于高羊茅枯死后覆盖在其基质层表面, 虽仍有一定雨水截留作用, 但会抑制基质水分蒸发, 造成基质的雨水滞留能力更新较慢, 因此, 高羊茅绿色屋顶的平均径流削减率与对照组相近, 明显低于马齿苋和佛甲草绿色屋顶.
绿色屋顶的基质类型与厚度[20, 24]、植被层种类[25]、降雨间隔时间与降雨特征[19]、管理措施[36, 37]和周边环境[1]等因素均会对绿色屋顶径流水质造成影响.本研究设置的4组绿色屋顶, 除植被覆盖类型差异外, 其余条件均相同, 且在实验监测期间未进行施肥和灌溉等维护, 因此, 各绿色屋顶径流中污染物浓度和负荷差异主要受植被覆盖类型影响.马齿苋和佛甲草绿色屋顶径流中营养元素(NH4+-N、NO3--N、NO2--N和PO43--P)的平均浓度均低于无植被覆盖的绿色屋顶, 这与Beecham等[20]和Vijayaraghavan等[24]的实验结果相似.植被吸收可能是绿色屋顶径流中营养元素浓度低于雨水的主要原因, 实验结果显示, 地上生物量最大的马齿苋绿色屋顶(1 153g ·m-2)径流中4种营养元素的平均浓度均低于生物量较小的佛甲草(503g ·m-2)绿色屋顶.高羊茅在监测期无灌溉条件下逐渐枯死, 其对营养元素吸收作用较弱, 且固定在植物体内的磷元素随高羊茅的腐烂而释放到绿色屋顶径流中[38], 因此, 高羊茅绿色屋顶径流中NO3--N、NO2--N和PO43--P的平均浓度均明显高于马齿苋和佛甲草绿色屋顶.除植物的吸收和分解外, 绿色屋顶基质中阳离子交换固定和微生物活动, 也可能是造成绿色屋顶径流中NH4+-N浓度低于雨水的原因[15], 枯死高羊茅绿色屋顶基质内水分相对较多, 可能提供了更适合微生物生长和反应的环境, 使得高羊茅绿色屋顶径流中NH4+-N平均浓度最低.
对照组和高羊茅绿色屋顶径流中NH4+-N和NO2--N的污染负荷低于雨水, 是NH4+-N和NO2--N的汇, 但其径流中NO3--N和PO43--P平均浓度和污染负荷均明显高于雨水, 是NO3-- N和PO43--P的源.绿色屋顶径流污染负荷同时受污染物浓度和径流量影响[22], 虽然马齿苋和佛甲草绿色屋顶径流中PO43--P平均浓度高于雨水, 但由于绿色屋顶出色的径流调控能力, 这两种绿色屋顶径流中PO43--P总负荷均少于雨水, 是所测4种营养元素的汇.
当绿色屋顶径流中金属元素的浓度和雨水相近时, 绿色屋顶径流调控能力可以降低径流中金属元素的污染负荷[1], 因此, 本研究所设置的4组绿色屋顶均是DCd的汇.然而, 4组绿色屋顶均是DCr、DNi和DCu的源, 说明建设绿色屋顶有可能增加了径流中重金属污染, 这与传统观念和前人的实验结果不同[24]. Rowe指出[18], 绿色屋顶径流水质会受使用年限影响, 新建的绿色屋顶基质中重金属元素含量较高, 可能是造成各组绿色屋顶径流中DCr、DNi和DCu的浓度均明显高于雨水的主要原因.有植被覆盖的3组绿色屋顶径流中DCr、DCu和DNi的浓度均高于无植被对照组, 可能原因在于植物叶片富集大气沉降物[39]和根系分泌物等因素影响[40, 41].由于景天科植物佛甲草可能对金属有超富集作用[42, 43], 佛甲草绿色屋顶产生的DCu和DNi污染负荷相对其他两种植被覆盖的绿色屋顶较低.
高羊茅不适应高温、干燥的屋顶环境, 在无养护的情况下枯死并覆盖在基质表面, 丧失景观价值且成为NO3--N、PO43--P、DCr、DCu和DNi等污染物的释放源, 因此, 不适合用于北京地区粗放式绿色屋顶建设.佛甲草和大花马齿苋在屋顶环境生长良好且对N和P有较好的吸附作用, 其中, 生物量更大的大花马齿苋绿色屋顶的径流调控和营养元素固定效果更好, 较适合作为屋顶绿化植物.除径流调控和对径流水质影响外, 绿色屋顶的植物筛选还应综合考虑植物的生长特征、耗水机制、景观和食源功能、生物多样性和维护需求等因素[44, 45].
4 结论(1) 实验绿色屋顶均具有较好的径流调控功能, 平均径流削减率在33.0%~51.3%之间; 其中, 马齿苋绿色屋顶径流削减率显著高于高羊茅和对照组绿色屋顶(P < 0.05), 而佛甲草绿色屋顶和其他3组绿色屋顶差异均不显著(P>0.05).
(2) 马齿苋和佛甲草绿色屋顶是营养元素(NH4+-N、NO3--N、NO2--N和PO43--P)的汇, 二者对以上营养元素负荷削减率分别在25.7%~99.9%和7.8%~89.3%之间.高羊茅和对照组绿色屋顶是NH4+-N和NO2--N的汇, 是NO3--N和PO43--P的源.
(3) 生物量较大的马齿苋绿色屋顶对N和P的控制能力优于佛甲草, 且二者对N和P的污染负荷削减率均明显高于对照组.
(4) 实验绿色屋顶均是DCd的汇, 均是DCr、DCu和DNi的源.
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