2022, Vol. 43
2. 山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站, 吉县 042200;
3. 北京市水土保持工程技术研究中心, 北京 100083
2. National Station for Forest Ecosystem Research in Jixian County, Jixian 042200, China;
3. Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation, Beijing 100083, China
随着城市化快速推进和城市人口的快速增长, 城市区域不透水面迅速增加[1], 改变了城市自然水循环过程, 引发城市水质恶化、水生态系统退化和暴雨洪涝等生态和环境问题[2].为解决这些问题, 国内外近年来提出了低影响开发、水敏感城市、可持续排水系统和海绵城市等城市雨洪管理理念[3].作为海绵城市建设的重要措施之一, 绿色屋顶具有调蓄径流[4]、减少噪声[5]和减少城市热岛效应[6]等生态和环境功能.此外, 由于实施屋顶绿化无需额外用地, 绿色屋顶在土地资源紧张、生态环境问题严重的城镇地区具有广泛的应用前景[7], 近年来在许多国家和地区受到大量关注[8].然而, 受植被类型、基质类型和厚度、气候条件和使用时长等因素的影响, 目前不同地区和不同配置的绿色屋顶径流水质研究结果存在差异, 绿色屋顶对径流水质的影响尚无统一结论[9].
基质和植被是绿色屋顶的主要组成部分, 也是影响绿色屋顶径流水质的重要因素[10, 11].基质层是绿色屋顶的关键层, 为满足减轻屋顶负荷和支持植物生长等需求, 通常由轻质骨料和有机质等材料组成[12].在降雨过程中, 部分雨水被基质吸持[13], 雨水中的部分污染物也会通过过滤、化学沉淀和离子交换等途径被基质吸附[14, 15].然而, 基质材料因风化和矿化等途径[16, 17]产生的污染物会随径流淋出.基质类型和厚度的差异是影响绿色屋顶植物生长、雨水滞留量和时间、基质物质释放和交换程度等的重要因素[18], 不同基质材料和厚度的绿色屋顶径流中污染物浓度存在显著的差异[11, 19].通过截留和影响蒸散发, 植被对绿色屋顶的径流调控能力同样有重要影响[4].除此之外, 植物也会通过吸收、富集、枯落物腐化、根系分泌和影响基质微生物活性[20, 21]等途径影响绿色屋顶径流水质.有研究表明, 是否种植植物、种植何种植物和植物的生长情况, 均会影响绿色屋顶径流中污染物的浓度[22].
基质和植被配置对绿色屋顶的径流水质影响非常复杂, 已有的研究通常采用对比径流中营养盐和重金属的浓度和负荷的方法评估不同配置对绿色屋顶径流水质的影响[10, 23].例如, Qiu等[16]的研究发现, 基质中添加泥炭土的绿色屋顶径流中NH4+-N的浓度高于添加缓释肥的绿色屋顶, 但前者径流中TP的浓度低于后者; Liu等[24]的研究发现, 基质厚度为5 cm的绿色屋顶, 径流中TSS的负荷低于基质厚度为10 cm绿色屋顶, 但TN和TP的负荷更高; 王书敏等[25]的研究发现, 相较种植接骨草的绿色屋顶, 种植麦冬的绿色屋顶径流中TN的浓度更高, 但TP的浓度更低.以上研究表明, 不同基质和植被配置对绿色屋顶径流中不同污染物的影响存在差异[12].基于单一污染物指标对比的研究方法缺少对绿色屋顶径流中各污染物输出的综合考虑, 对绿色屋顶径流水质的评价结果存在片面性.为优化绿色屋顶配置和满足径流水质调控目标, 对绿色屋顶径流水质的综合评价十分必要[19].然而, 目前尚缺少可以综合评价绿色屋顶径流水质的方法.
本研究基于对北京市3种植被类型、3种基质类型和2种基质厚度的12个绿色屋顶在2019年雨季植被生长特征、产流量和径流中营养盐和重金属浓度的监测, 分析不同基质和植被配置对绿色屋顶径流污染物浓度的影响, 并揭示造成差异的原因.在此基础上通过计算绿色屋顶径流中各污染物的负荷, 构建绿色屋顶径流水质指标, 综合评价不同基质和植被配置对绿色屋顶径流水质的影响.本研究结果以期为绿色屋顶的配置和绿色屋顶径流水质综合评价提供科学基础, 并为我国的海绵城市建设提供理论参考.
1 材料与方法 1.1 实验设计本研究于2017年4~5月在北京市海淀区北京林业大学林业楼屋顶建设了12个绿色屋顶实验装置(图 1), 该区域1951~2015年年平均降水量为587.2 mm, 大约80%的降水集中在6~9月的雨季[26].
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图 1 绿色屋顶结构 Fig. 1 Structure of green roof module |
本实验装置从上到下分别包括植被层、基质层、过滤层、排水层和防水层.如表 1所示, 参照“种植屋面工程技术规程”(JGJ 155-2013), 本研究分别设置3种基质类型[田园土、改良土和轻质生长基质(轻质基)]、3种植被类型[佛甲草(Sedum lineare)、大花马齿苋(Portulaca grandiflora, 马齿苋)和无植被覆盖(对照)]和2种基质厚度(15 cm和10 cm)的绿色屋顶.
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表 1 绿色屋顶设计参数 Table 1 Properties of the green roofs |
佛甲草和马齿苋均在2017年5月首次栽植.其中, 佛甲草为多年生植物, 冬季枯萎, 来年春季萌发; 马齿苋为一年生植物, 冬季枯死, 每年春季重新栽植, 2019年栽植密度为25株·m-2.除种植初期的少量灌溉(所有绿色屋顶不产流), 雨季实验期内所有绿色屋顶均无灌溉和施肥.此外, 所有绿色屋顶过滤层均选用300~400 g·m-2聚酯无纺布, 排水层均为厚度为10 cm的陶粒(平均直径为3 cm), 并铺设TPO材料作为防水层.
1.2 雨水和径流监测本研究采用架设于绿色屋顶实验装置上方2 m的小型气象站(HOBO U30)记录实验区气象特征, 在绿色屋顶旁放置一个不锈钢盆, 用以收集雨水.在2019年雨季, 共监测降雨28场, 其中8场降雨所有绿色屋顶均产流, 产流降雨的特征如表 2所示.各绿色屋顶的径流量均采用分辨率为1 mm的雨量计监测, 使用HDPE集水桶收集绿色屋顶全部径流, 用以校核雨量计检测的径流量和径流取样(图 1).
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表 2 产流场降雨特征 Table 2 Characteristics of the selected rainfall events |
1.3 数据采集与检测
降雨结束后, 从充分搅匀的不锈钢盆和集水桶中收集雨水和径流样品装入HDPE取样瓶.采样结束后, 分别排放不锈钢盆和集水桶中剩余的雨水和径流, 先后采用自来水和去离子水冲刷清洗不锈钢盆和集水桶.取样后1 h内, 所有水样放入冰箱冷冻储存, 分批进行水质检测.
水质检测前, 对水样进行化冻并使用0.45 μm的滤头进行过滤.本研究监测水质指标包括营养盐(NH4+-N、NO3--N、PO43--P)和溶解态重金属(DCr、DCu、DFe、DMn、DNi、DZn).其中, 营养盐浓度采用全自动化学分析仪(Smartchem 200)检测, 重金属浓度使用ICP-MS检测.
实验期内, 定期测量各绿色屋顶植物高度, 计算平均株高.雨季结束后, 在每个屋顶选择3个0.2 m×0.2 m的样方, 收割地上部分植被, 烘干并计算该绿色屋顶的地上生物量.
1.4 数据分析参考已有的研究方法[27, 28], 本研究构建绿色屋顶径流水质指标(runoff quality index, RQI), 用以综合评价不同配置绿色屋顶的径流水质.RQI的计算方法分为以下3步：①计算绿色屋顶径流中各污染物负荷; ②标准化绿色屋顶径流中各污染物的负荷; ③确定各污染物指标的权重, 计算RQI.
绿色屋顶i径流中污染物j的负荷(Lij)可由下式计算：
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(1) |
式中, cij为场降雨绿色屋顶i径流中污染物j的浓度(mg·L-1或μg·L-1); Ri为场降雨绿色屋顶i的径流量(L).
污染物的负荷越低说明绿色屋顶径流水质越好, 采用下式对各绿色屋顶径流中污染物的负荷进行标准化[29]：
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(2) |
式中, Sij为标准化后绿色屋顶i径流中污染物j的得分, 分值在0~1间, 分值越高代表水质越好; Lmj为12个实验绿色屋顶径流中污染物j负荷的平均值.
基于Sij, 采用式(3)计算绿色屋顶i的RQI：
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(3) |
式中, n为污染物指标总数; Wj为污染物j的权重.本研究采用主成分分析法提取各污染物指标的公因子方差, Wj为各指标公因子方差与公因子方差和的比值[29, 30].
使用SPSS 25进行数据分析.数据分析前, 通过Kolmogorov-Smirnov检验和Levene检验分别探索数据的正态性和齐次性.使用单因素方差分析和独立样本T检验分析植被类型、基质类型和基质厚度对绿色屋顶径流水质、径流削减率和RQI的影响, 以及植被生长和雨水水质特征.此外, 采用Kruskal-Wallis和Mann-Whitney U检验分析非正态的数据.
2 结果与分析 2.1 绿色屋顶径流水质分析雨水和不同配置绿色屋顶径流中各污染物指标的浓度均值如表 3所示.所有绿色屋顶径流中NH4+-N的浓度平均值显著低于雨水(P < 0.05), 浓度平均削减率在71.5%~87.9%之间, 说明绿色屋顶是雨水中NH4+-N的汇, 这与Todorov等[15]和Wang等[31]的实验结果一致.有研究表明, 绿色屋顶基质中营养盐和重金属随径流淋出的现象普遍[32~34].本研究12个绿色屋顶径流中NO3--N、PO43--P、DCr、DCu、DFe和DNi浓度平均值均高于雨水, 这说明尽管本研究的绿色屋顶已运行3 a, 但仍是以上污染物的源.
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表 3 雨水和绿色屋顶径流污染物浓度对比1) Table 3 Comparison of pollutant concentrations between rainwater and runoff of the green roofs |
相较其他重金属, 雨水中ρ(DMn)和ρ(DZn)的平均值相对较高(>2 μg·L-1), 绿色屋顶对DMn和DZn浓度平均削减率分别在-198.2%~75.0%和-103.5%~84.1%之间, 表明绿色屋顶对DMn和DZn的源汇作用受绿色屋顶配置的影响.当绿色屋顶基质中DMn和DZn的含量高于雨水时, 基质中DMn和DZn会随径流淋出[19, 35].
2.2 绿色屋顶植物生长情况绿色屋顶植物生长特征如图 2所示, 基质厚度10 cm和15 cm的绿色屋顶, 佛甲草的生长情况相似, 株高和地上生物量均相近且无显著差异(P>0.05).基质厚度为10 cm的绿色屋顶中, 马齿苋株高和地上生物量的平均值均显著高于佛甲草(P < 0.05).
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相同大写字母表示植被地上生物量无显著差异(P>0.05), 相同小写字母表示植被株高无显著差异(P>0.05) 图 2 绿色屋顶植被生长情况 Fig. 2 Plant growth characteristics of the green roofs |
如图 3所示, 不同植被类型的绿色屋顶径流中NH4+-N浓度无显著差异(P>0.05).对照绿色屋顶径流中NO3--N浓度平均值最高, 显著高于马齿苋绿色屋顶(P < 0.05).然而, 佛甲草和马齿苋绿色屋顶径流中PO43--P的浓度均显著高于对照绿色屋顶(P < 0.05).不同植被类型的绿色屋顶径流中DCr、DFe、DMn和DZn的浓度无显著差异(P>0.05).然而, 马齿苋绿色屋顶径流中DCu和DNi的浓度显著高于佛甲草和对照绿色屋顶(P < 0.05).
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相同小写字母表示不同植被绿色屋顶径流中污染物浓度无显著差异(P>0.05); N=72 图 3 不同植被类型绿色屋顶径流污染物浓度 Fig. 3 Pollutant concentrations of green roofs with different vegetation types |
除DCr和DMn外, 不同基质类型绿色屋顶径流中营养盐和重金属的浓度均存在显著差异(图 4).轻质基绿色屋顶径流中PO43--P浓度显著低于田园土和改良土绿色屋顶, 但NH4+-N浓度显著高于田园土和改良土绿色屋顶(P < 0.05).改良土绿色屋顶径流中NO3--N浓度的平均值最高, 显著高于田园土和轻质基绿色屋顶(P < 0.05).田园土和改良土绿色屋顶径流中DCu的浓度显著高于轻质基绿色屋顶(P < 0.05).改良土绿色屋顶径流中DNi的浓度显著高于田园土和轻质基绿色屋顶.然而, 轻质基绿色屋顶径流中DFe和DZn的浓度平均值均高于田园土和改良土绿色屋顶.
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相同小写字母表示不同基质类型绿色屋顶径流中污染物浓度无显著差异(P>0.05);N=96 图 4 不同基质类型绿色屋顶径流污染物浓度 Fig. 4 Pollutant concentrations of green roofs with different substrate types |
基质厚度为15 cm和10 cm的佛甲草绿色屋顶径流中各污染物浓度平均值如表 4所示, 15 cm和10 cm绿色屋顶径流中各污染物的浓度均无显著差异(P>0.05).
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表 4 不同基质厚度绿色屋顶径流污染物浓度1) Table 4 Pollutant concentrations between green roofs with different substrate depths |
2.5 绿色屋顶径流水质综合评价
不同植被、基质类型和厚度绿色屋顶的径流削减率如图 5所示.马齿苋绿色屋顶径流削减率的平均值最高, 为52.9%, 依次高于佛甲草(48.8%)和对照(45.0%)绿色屋顶.改良土绿色屋顶的径流削减率的平均值为56.2%, 略高于田园土绿色屋顶(54.5%), 显著高于轻质基绿色屋顶(43.0%, P < 0.05).此外, 基质厚度为15 cm的绿色屋顶, 径流削减率的平均值明显高于基质厚度为10 cm的绿色屋顶.
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图 5 不同配置绿色屋顶径流削减率 Fig. 5 Stormwater retention rates of green roofs with different configurations |
基于绿色屋顶径流中各污染物负荷, 计算不同配置绿色屋顶径流的RQI(图 6), 各污染物指标的权重如表 5所示.佛甲草和马齿苋绿色屋顶RQI的平均值相近, 分别为0.59和0.60, 均明显高于对照绿色屋顶(0.53).田园土绿色屋顶RQI的平均值最高, 为0.69, 高于改良土绿色屋顶(0.62), 田园土和改良土绿色屋顶RQI的平均值均显著高于轻质基绿色屋顶(0.47, P < 0.05).基质厚度为15 cm的佛甲草绿色屋顶RQI的平均值高于基质厚度为10 cm的佛甲草绿色屋顶, 但差异不显著(P>0.05).
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图 6 不同配置绿色屋顶径流水质综合评价 Fig. 6 Runoff quality indices of green roofs with different configurations |
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表 5 污染物指标权重 Table 5 Communality and weight of pollutants |
3 讨论 3.1 植被对绿色屋顶径流水质的影响
本研究中, 佛甲草、马齿苋和对照绿色屋顶径流中NH4+-N浓度的平均值接近且无显著差异.土壤胶体颗粒带负电荷, 雨水中带正电荷的NH4+-N可能主要由基质吸附、硝化反应和微生物利用等方式去除[20, 36], 受植被种类的影响较小, 相似的结果在前人的研究中也有报道[14].然而, 本研究表明, 植被类型显著影响径流中NO3--N的浓度.相较雨水, 绿色屋顶基质是NO3--N的释放源, 植物吸收和固定可以有效降低径流中NO3--N的浓度[37].Johnson等[38]的研究指出, 绿色屋顶对NO3--N的控制能力与植被的地上生物量呈正相关.本研究中, 马齿苋的株高和地上生物量均显著高于佛甲草(图 2), 对基质中NO3--N的吸收利用能力更强, 因此马齿苋绿色屋顶径流中NO3--N的浓度最低.雨水中几乎不含PO43--P, 绿色屋顶基质有机物矿化和植物腐烂是径流中PO43--P的主要来源[18, 39].有研究表明, 植被对绿色屋顶径流释放PO43--P的控制能力有限[40, 41, 42], 植物的生物量对绿色屋顶径流中PO43--P的淋出影响不显著[38].本研究绿色屋顶已运行3 a, 植物枯落物因腐化产生的PO43--P随降雨进入径流.这可能是造成佛甲草和马齿苋绿色屋顶径流中PO43--P浓度显著高于对照绿色屋顶的主要原因[9].马齿苋绿色屋顶径流中DCu和DNi浓度显著高于佛甲草和对照绿色屋顶可能由以下原因造成：相较空白基质和多年生的佛甲草, 每年重新栽植的马齿苋可能会引入外源污染[9]; 除此之外, 马齿苋的株高和地上生物量显著高于佛甲草, 叶片表面吸附的大气沉降物可能多于佛甲草和空白基质[42, 43].
绿色屋顶的径流量主要受降水量和基质层雨水滞留能力的影响[4, 44], 基质的雨水滞留能力通过基质蒸散和植物蒸腾耗水恢复[13, 45].生物量更大的C4植物马齿苋在夏季的蒸腾耗水强烈, 其蒸腾耗水量多于CAM代谢植物佛甲草和裸露基质[10].因此, 马齿苋绿色屋顶的平均径流削减率最高, 依次高于佛甲草和对照绿色屋顶.
虽然种植植物会造成径流中PO43--P和重金属浓度上升, 但植物可有效降低径流中NO3--N的浓度并提高绿色屋顶的径流削减率.绿色屋顶径流中污染负荷由径流中污染物浓度和径流量决定.本研究基于所测的营养盐和重金属的污染负荷, 建立RQI综合评价绿色屋顶水质.结果表明佛甲草和大花马齿苋的径流水质综合评价结果相近, 且二者径流水质综合评价结果均优于对照绿色屋顶.
3.2 基质对绿色屋顶径流水质的影响本研究中, 轻质基绿色屋顶径流中NH4+-N浓度的平均值高于其他两种基质的绿色屋顶.相较田园土和改良土, 轻质基持水能力差且饱和导水率高(表 1), 可能导致轻质基中微生物活性较低且雨水在基质中停留时间更短[16, 18], 这可能是造成其对雨水NH4+-N吸附能力较差的主要原因.改良土绿色屋顶基质中腐殖土比例高达50%, 高有机质含量可能是造成其径流中NO3--N和PO43--P显著高于轻质基绿色屋顶的主要原因[46], 这与Liu等[24]的研究结果一致.为提高绿色屋顶基质的透水能力和减少容重[47], 轻质基中添加了高比例的轻质无机矿物材料, 沸石和浮石占比为60%, 这可能是导致轻质基绿色屋顶径流中DFe、DMn和DZn浓度的平均值高于改良土和田园土绿色屋顶的主要原因.本研究中, 基质厚度为15 cm的绿色屋顶和10 cm的绿色屋顶径流中各污染物的浓度无显著差异.这可能主要由于本研究的绿色屋顶已使用3a, 基质中大部分污染物的释放速度已放缓[11, 48].此外, 不同基质厚度的绿色屋顶佛甲草长势无显著差异(图 2), 植被对径流中污染物的浓度影响有限.这些原因导致不同基质厚度绿色屋顶径流中大部分污染物的浓度相近, 相似的结果在Gong等[11]的研究中也有报道.
绿色屋顶基质层的雨水滞留能力受基质厚度和基质的田间持水量影响[49], 基质层较厚和田间持水量更大的绿色屋顶雨水滞留能力更好[50].本研究中, 改良土的田间持水量最大(41.4%), 依次高于田园土(36.1%)和轻质基(33.7%).因此, 改良土绿色屋顶的平均径流削减率高于田园土和轻质基绿色屋顶, 且基质厚度为15 cm的绿色屋顶的平均径流削减率高于基质厚度为10 cm的绿色屋顶.
本研究结果表明, 基质类型对绿色屋顶径流水质综合评价结果有显著的影响.轻质基绿色屋顶径流中NH4+-N、DFe、DMn和DZn的浓度平均值最高且径流削减能力最差, 其水质综合评价结果显著劣于田园土和改良土绿色屋顶.基质厚度为15 cm的绿色屋顶径流水质综合评价结果优于基质厚度为10 cm的绿色屋顶.这可能是由于基质厚度对绿色屋顶径流中污染物的浓度影响不显著, 而15 cm基质绿色屋顶的平均径流削减率高于10 cm基质绿色屋顶.
3.3 建议与展望本研究结果表明, 增加植物覆盖度、适当减少基质中有机质含量和提高基质持水能力等途径有利于改善绿色屋顶水质.值得注意的是, 尽管田园土绿色屋顶的RQI高于改良土和轻质基绿色屋顶, 但田园土存在土壤成分不均匀且不确定、容重大、透水性差、土壤易板结和易引入杂草等缺陷[51], 不推荐用于绿色屋顶建设.
本研究的12种不同配置的实验绿色屋顶未设置重复, 采用对具有相同配置因素(即相同植被类型、基质类型和基质厚度)的绿色屋顶分组, 以及对多场降雨水质特征求平均的方式, 评价不同绿色屋顶设计参数对绿色屋顶径流水质的影响.这样的研究方法可获得多组数据并对单个影响因素进行分析, 在前人的研究中也广泛得到应用[19, 25, 33, 52], 但该方法缺乏对不同设计参数的交互作用和降雨特征对绿色屋顶径流水质影响的深入探讨[53].未来可通过增加重复并结合人工降雨的实验方法, 进一步揭示不同设计参数对绿色屋顶水质的交互作用以及降雨特征对绿色屋顶径流水质的影响.此外, 本研究提出和采用的径流水质指数用以综合评价各绿色屋顶的径流水质, 目前主要以营养盐和重金属作为评价指标开展研究.未来可在本研究的基础上, 根据水质评价需求, 引入更多水质评价指标(如pH、COD微生物和病原体等[32])用于指导生产实践.
4 结论(1) 相较雨水中污染物的浓度, 本研究12个不同植被和基质配置的绿色屋顶均是NH4+-N的汇, 但均是NO3--N、PO43--P、DCr、DCu、DFe和DNi的源.
(2) 植被类型显著影响绿色屋顶径流中NO3--N、PO43--P、DCu和DNi的浓度(P < 0.05), 生物量最大的马齿苋绿色屋顶径流中NO3--N浓度的平均值最低, 但DCu和DNi浓度均显著高于佛甲草和对照绿色屋顶(P < 0.05).
(3) 基质类型显著影响绿色屋顶径流中NH4+-N、NO3--N、PO43--P、DCu、DFe、DMn和DNi的浓度(P < 0.05); 基质厚度为15 cm和10 cm的绿色屋顶径流中各污染物浓度无显著差异(P>0.05).
(4) 基于不同配置绿色屋顶的径流污染负荷建立的径流水质指标(RQI), 可以综合评价不同配置绿色屋顶径流水质.综合水质评价结果表明, 佛甲草和马齿苋绿色屋顶的RQI接近, 径流水质均优于对照绿色屋顶; 田园土绿色屋顶的RQI最高, 径流水质优于改良土和轻质基绿色屋顶; 基质厚度为15 cm的绿色屋顶的径流水质优于基质厚度为10 cm的绿色屋顶.
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