生态护岸植物对江面雨水氮磷污染的控制

廖劲松，刘彪，赵兵，李东

重庆航运建设发展集团有限公司，重庆 401121

摘要：针对雨水径流中氮磷对江面的污染问题，采用四种植物（水葱、风车草、狗牙根和香草根）对生态护岸脱氮除磷效能及水土保持能力进行了研究。结果表明，将风车草与香草根进行混种，其生态护岸的脱氮除磷效能和水土保持能力俱佳。TN的去除率最高可达90.97%，TP去除率最高可达63.27%，并且土壤的流失量可降低84.89%。该研究对生态护岸植物的选取以及江面氮磷污染的控制具有借鉴意义。

关键词：生态护岸；植物筛选；雨水径流；氮磷污染

引言

随着城市的发展，我国水资源问题日益严重，包括淡水资源短缺、水体污染等[1]。其中，江河湖泊作为我国水资源的主要来源，却由于雨水径流中的氮磷类污染物而存在严重的水环境恶化等问题[2-3]。而常规的物理方法无法实现江面氮磷的去除，同时，由于江河的特殊性，不宜采用化学方法。因此，急需找到绿色无污染且高效的方法实现江面氮磷污染的控制。

生态护坡工程作为江河治理的重要组成环节，是修复被破坏的生态系统、控制水土流失、控制雨水氮磷、防洪防涝、改善水域生态环境的关键措施[4]。生态护岸工程自20世纪60年代面世以来，受到人们的广泛关注并不断发展，但是生态护坡工程的发展主要是针对护坡结构的研究，而对护坡植物的研究较少。但是护坡植物的脱氮除磷效果对江河水体污染控制极为重要，同时，植物的固土能力也影响着水生态系统，因此对护坡植物的研究及选择是很有必要的。本研究有利于筛选出兼具脱氮除磷和固土保水的植物，有效控制江面水污染，维护水生生态系统。

1.材料和方法

1.1实验装置

本研究在模拟河道（规格：长35m，宽2m，高1m）中进行，并在河道两边搭建斜坡型模拟生态护岸（规格：长10m，宽1.2m，高0.4 m、坡度：1：3）。考虑到植物的脱氮除磷和水土保持作用，选用水葱、风车草、狗牙根、香草根四种草本植物进行实验。

1.2植物的培养

在实验开始前，将水葱、风车草、狗牙根、香草根在土壤中分别培育四周，确保植物正常生长，再将它们移植到搭建的模拟生态护岸中，并适应新的环境一周后开始正式实验。

1.3实验与采样

实验中设置8组实验装置，分别在生态护岸中种植：（1）水葱、（2）风车草、（3）狗牙根、（4）香草根、（5）水葱+狗牙根、（6）水葱+香草根、（7）风车草+狗牙根、（8）风车草+香草根，探究8组装置的脱氮除磷效能及水土保持能力。在实验中，为了模拟真实河道水质情况，测定了真实水体的常规水质指标（如表1所示），并按照原水水质配置模拟河道的进水水样。在进行脱氮除磷效能实验时，模拟水位平时保持在0.2 m，流速为0 m/s，时间为5个月（3月-7月），每个月更换一次水并进行一次水样检测。探究植物的水土保持能力时，模拟冲刷时的水位保持不变，流速为1 m/s，1个月后将模拟河道中冲刷掉的泥沙土壤进行收集后，过滤烘干称重。

表1 原水水质

水质指标	浓度(mg/L)
COD	100.0
总磷(TP)	0.8
总氮(TN)	9.0
氨氮(NH4+-N)	5.0
硝态氮(NO3−-N)	3.0

2.结果与讨论

2.1脱氮除磷效能

为了选出合适的植物用于构建生态护岸，通过初步选取的四种植物进行脱氮除磷除磷效能的研究，实验结果如图1所示。如图1（a）所示，水葱、风车草、狗牙根、香草根四种单植物对总氮（TN）的去除效能均呈现出先升高的趋势，这可能是由于植物对环境的适应，待适应后去除率维持在一定范围内。同时，四种植物中水葱和风车草对总氮（TN）的去除效能比狗牙根和香草根更佳，其对TN的去除率最高分别可达79.28%、83.26%、47.32%和43.27%。水葱+狗牙根、水葱+香草根、风车草+狗牙根、风车草+香草根四种双植物护岸对TN的去除效能相比于单植物有较为明显的提升，最高去除率分别为87.28%、81.28%、93.26%和90.97%。如图1（b）所示，8组实验中，氨氮（NH4+-N）均能被有效去除，并呈现出比TN去除率更为明显的线性上升趋势，表明水环境中的NH4+-N可能更容易被去除。水葱、风车草、狗牙根和香草根对NH4+-N的去除率分别为75.11%-88.39%、79.62%-93.97%、51.26%-66.52%和46.15%-58.28%。水葱+狗牙根、水葱+香草根、风车草+狗牙根、风车草+香草根四种双植物护岸对NH4+-N的去除效能相比于单植物仍有一定程度提升。如图1（c）所示，8组实验中，硝态氮（NO3--N）的去除率呈现出与NH4+-N去除率相同的线性上升规律，不同的是，8组实验中NO3--N去除率相比于NH4+-N去除率有一定程度降低，这可能说明植物对NO3-N的去除更加困难。此外，对四种单植物及四种双植物的除磷效能进行了探究（图1（d））。结果表明，狗牙根和香草根对总磷（TP）的去除效能较差，最高去除率仅为14.52%和21.28%。水葱、风车草、水葱+狗牙根、水葱+香草根和风车草+狗牙根五个实验组中，TP的去除率也普遍较低，而风车草+香草根的TP去除率相对较高，从第三个月开始，TP去除率显著高于其他组，最高可达63.27%。

从图1（a）-（d）的结果不难看出，水葱和风车草的脱氮除磷效能明显优于狗牙根和香草根。同时，相比于单植物组，双植物能对护岸的脱氮除磷效能进行一定程度的增强，其中风车草+狗牙根和风车草+香草根的脱氮除磷效能最佳，可以考虑选用这两种组合构建生态护岸。

图1 不同植物对（a）TN,（b）NH4+-N,(c)NO3--N,（d）TP的去除率

2.2水土流失情况

生态护岸的构建不仅要考虑植物的脱氮除磷效能，还应考虑护岸面临冲刷时的水土保持能力，因此进行了不同实验组的冲刷实验，结果如图2所示。可以看出，8组不同植物的模拟生态护岸都要一定的水土保持能力，其中水葱和风车草的水土保持能力较弱，而狗牙根和香草根的水土保持能力较强且香草根水土保持能力为单植物最佳。对比空白组，水葱、风车草、狗牙根和香草根的的土壤流失量分别降低21.18%、28.30%、62.03%和75.06%。同时，双植物生态护岸也能进一步加强水土保持能力，这可能是由于组合植物的根互相缠绕[5]，让土壤更加稳固。水葱+狗牙根、水葱+香草根、风车草+狗牙根和风车草+香草根四种双植物护岸的土壤流失量相比于对照组分别下降70.26%、77.70%、78.98%和84.89%。显而易见，风车草+香草根的水土保持能力最佳。结合脱氮除磷效能的实验结果，宜选用风车草+香草根的组合作为生态护岸的植物，实现对江面氮磷污染的控制。

图2 不同植物生态护岸对土壤流失量的影响

3.结论

本文对不同生态护岸的脱氮除磷效能以及水土保持能力进行了研究，探究了不同植物对生态护岸脱氮除磷和水土保持能力的影响。研究发现，水葱、风车草、狗牙根和香草根都有一定的脱氮除磷作用和水土保持能力，其中，水葱和风车草的效能较好，狗牙根和香草根的效能有所欠缺，而水土保持能力方面正好相反。通过将水葱和风车草分别与狗牙根和香草根结合种植在生态护岸中，脱氮除磷效能和水土保持能力能够得到进一步增强。最终，结合脱氮除磷效能和水土保持实验的结果，选用风车草+香草根的组合作为生态护岸的植物，以实现对江面氮磷污染的控制。

参考文献

[1]常青山.水资源利用及水环境保护的若干问题[J].区域治理,2019,No.269(43):113-115.

[2]陈跃,徐剑峰,魏源源等.复合介质对初期径流氮磷的同步去除实验研究[J].中国市政工程,2023,No.226(01):28-31+91-92.

[3]罗茜,李叙勇,赵洪涛等.雨水收集系统结合自循环系统下的景观湖体氮磷特征[J].环境工程学报,2017,11(03):1615-1620.

[4]范昕然,王海琳.植物型生态护坡在河道治理中的应用[J].水运工程,2023,No.607(S2):15-19.

[5]姚祖军,王娜娜,黄雪滢等.降雨和水保措施对三峡库区坡地水土流失的协同影响[J].长江流域资源与环境,2022,31(10):2272-2281.