發布時間：2022-05-09所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：綠色屋頂是海綿城市建設的重要措施之一，近年來逐漸得到廣泛關注。為探究植被和使用時長對綠色屋頂徑流水質的影響，于北京市區搭建了 3 種不同植被類型[佛甲草(Sedum lineare)、大花馬齒莧(Portulaca grandiflora)和無植被(對照)]的綠色屋頂。根據 20172019 年植
摘要：綠色屋頂是海綿城市建設的重要措施之一，近年來逐漸得到廣泛關注。為探究植被和使用時長對綠色屋頂徑流水質的影響，于北京市區搭建了 3 種不同植被類型[佛甲草(Sedum lineare)、大花馬齒莧(Portulaca grandiflora)和無植被(對照)]的綠色屋頂。根據 2017—2019 年植物生長情況、雨季雨水和綠色屋頂徑流水質的長期監測，定量分析不同植被綠色屋頂徑流水質的年際變化特征。結果表明，相較雨水，3 種綠色屋頂在監測期內均是 NH4 + -N 的匯，濃度平均削減率在 50.1%~79.2%之間，但均是 PO4 3- -P、 DCr、DCu 和 DNi 的源;佛甲草和大花馬齒莧綠色屋頂在 2017 年是 NO3 - -N 的匯，濃度平均削減率分別為 71.4%和 99.5%，在 2018 和 2019 年是 NO3 - -N 的源，而對照綠色屋頂在監測期均為 NO3 - -N 的源;綠色屋頂的植被類型和使用時長顯著影響其徑流中 NO3 - -N、PO4 3- -P、DNi 和 DCu 的濃度(P<0.05)，但對 NH4 + -N 和 DCr 的濃度影響均不顯著(P>0.05);2017~2019 年，佛甲草和對照綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 以及大花馬齒莧徑流中 PO4 3- -P 濃度的平均值均逐年增加，各綠色屋頂徑流中 DNi 和 DCu 的濃度均在 2018 年增加并在 2019 年回落;對比不同植被的綠色屋頂，大花馬齒莧綠色屋頂對 NO3 - -N 的控制效果最好，但可能會增加徑流中 PO4 3- -P、DNi 和 DCu 的濃度。
關鍵詞：綠色屋頂;徑流水質;年際變化;植被;營養鹽;重金屬
不透水面(如道路、停車場和屋面)的快速增加和透水面積(如濕地、草地和森林)銳減破壞了城市流域的自然水循環，引發城市內澇和面源污染等生態環境問題[1, 2]。屋面約占城鎮不透水面積的 40%～50%[3]，在城鎮地區建設綠色屋頂是增加城市綠地、減緩城市生態環境問題的有效手段之一。綠色屋頂自上而下通常包括植被層、基質層、過濾層、排水層和防水層等[4, 5]。有研究表明，綠色屋頂具有美化環境和減緩城市熱島效應等功能[6]，并可以通過滯留雨水、減少徑流和延緩洪峰等方式調控徑流[7, 8]。然而，有研究指出，綠色屋頂植被和基質等材料中的可溶性物質(如營養鹽和重金屬等)會隨雨水徑流淋出，盲目建設綠色屋頂可能會影響城市飲用水安全和水環境健康[9~11]。
植被可為綠色屋頂帶來生機、提供審美價值并影響徑流調控功能，是綠色屋頂的重要組成部分[6, 12]。有研究表明，植被對綠色屋頂的徑流水質起了至關重要的作用[13, 14]。例如， Vijayaraghavan 等[15]的研究通過人工降雨實驗發現，種植植物的綠色屋頂徑流中重金屬濃度明顯低于無植被的對照組。Beecham 等[16]的研究發現種植植物的綠色屋頂徑流中營養元素的濃度明顯低于無植被的對照組。植被吸收和固定、滯塵和根系分泌等活動影響綠色屋頂的徑流水質，種植不同植被的綠色屋頂徑流水質也存在差異[17]。盡管前人開展了一些關于植被類型對綠色屋頂徑流水質影響研究，但尚缺少基于植物生長情況和動態變化對綠色屋頂徑流年際變化影響研究[11]。
除植物的動態變化外，綠色屋頂的基質材料等也會隨時間動態變化[14]，這種動態變化也可能會對綠色屋頂的徑流水質造成影響。有學者認為，相較于長時間使用的綠色屋頂，新建綠色屋頂會沖刷釋放更多的污染物進入徑流[4, 18, 19]。也有學者指出，綠色屋頂的基質中常含有緩釋的材料(如有機質和緩釋肥等)，這些材料產生的物質可能會隨使用時間的增加而緩慢釋放[20, 21]。在植被、基質材料和外界環境條件等動態變化影響下，綠色屋頂徑流水質也極有可能是動態變化的。因此，對綠色屋頂徑流水質的長時間監測十分必要。然而，目前國內外有關綠色屋頂水質的研究大多為室內模擬實驗或短期室外監測[15, 17, 22~25]，對綠色屋頂進行長期監測鮮見報道，缺少有關綠色屋頂徑流水質的年際變化的研究。
本研究于 2017 年在北京市搭建了 3 個不同植被類型的綠色屋頂，在 2017~2019 年雨季對研究區氣象條件、綠色屋頂的植物生長情況、綠色屋頂徑流中營養鹽和重金屬的濃度進行長期監測，定量分析植被和使用時長等因素對綠色屋頂徑流水質的影響，并結合氣象條件、植物生長情況和基質動態變化等因素分析水質差異的原因。本研究通過了解不同植被覆蓋的綠色屋頂徑流水質的年際變化，以期為綠色屋頂的長期使用和科學管理提供科學參考。
1 材料與方法
1.1 實驗設計
本研究于 2017 年在北京林業大學林業樓樓頂搭建綠色屋頂實驗裝置(圖 1)。該實驗區地處北京市海淀區，屬亞熱帶季風氣候，1960~2015 年平均年降雨量為 587.2 mm，約 80% 的降雨發生在 6~9 月的雨季[26]。
綠色屋頂實驗裝置均由亞克力板和不銹鋼材料搭建(1 m×1 m)。從上到下，綠色屋頂包括植被層、基質層、過濾層、排水層和防水層。植被層分別種植屋頂綠化常用植物佛甲草(Sedum lineare)和大花馬齒莧(Portulaca grandiflora，馬齒莧)，并設置 1 個無植被種植的裸露基質作為對照(對照綠色屋頂)。佛甲草綠色屋頂、馬齒莧綠色屋頂和對照綠色屋頂的編號分別為 GR1、GR2 和 GR3。參考“種植屋面工程技術規程”(JGJ 155-2013)，配置厚度為 10 cm 的輕質生長基(浮石:草炭土:沸石:碎木屑=4:3:2:1)作為各綠色屋頂基質。此外，采用 300~400 g·m-2 的聚酯無紡布作為過濾層，使用厚度 10 cm 的陶粒(直徑平均值為 3 cm)作為排水層，并鋪設 TPO 卷材作為防水層。
1.2 植物維護和監測
佛甲草和馬齒莧首次種植于 2017 年 5 月。佛甲草為多年生植物，每年春天會重新萌芽;馬齒莧為一年生植物，在 2018 年和 2019 年春天進行重新栽植。除種植初期的少量灌溉，雨季實驗期內所有綠色屋頂均無灌溉和施肥。此外，每年冬季(12 月至次年 2 月)在所有綠色屋頂裝置外鋪一層土工布，以避免低溫和強風破壞綠色屋頂植物和基質。
實驗期內，在各綠色屋頂隨機取 10 個點定期測量植物高度，計算平均株高。當雨季結束，收割各綠色屋頂 0.2 m×0.2 m 樣方的地上部分植被，將植物置于 65℃的烘箱內烘干至恒重，稱重并計算該綠色屋頂的地上生物量。
1.3 樣品采集與分析方法
2017 年 5 月至 2019 年 10 月，使用架設在綠色屋頂裝置上方 2 m 處的 HOBO U30 小型氣象站監測實驗區的降雨和氣象特征(圖 1)，并在氣象站旁擺放不銹鋼盆用于收集雨水。基于Voyde等[27]的研究，本研究將 6 h雨前干期作為劃分場降雨的依據。各綠色屋頂產流后，徑流會隨著導流槽流經雨量筒并全部導入下方的集水桶。每場降雨結束后，充分攪拌不銹鋼盆和集水桶中的徑流并采樣裝入 HDPE 取樣瓶。采樣結束后，排放剩余雨水和徑流，先后使用自來水和去離子水清洗不銹鋼盆和集水桶。取樣1 h內，將所采水樣放入冰箱冷凍貯存，分批進行水質檢測。
水質檢測前，對水樣進行化凍并使用 0.45 μm 的濾頭進行過濾。本研究監測水質指標包括營養鹽(NH4 + -N、NO3 - -N、PO4 3- -P)和溶解態重金屬(DCr、DNi、DCu)。營養鹽濃度檢測采用意大利 AMS 公司生產的全自動化學分析儀(Smartchem 200);使用 ICP-MS 對水樣中重金屬的濃度進行檢測。利用 SPSS 25.0 軟件進行單因素方差分析對比不同實驗期雨水污染物濃度的差異性，用多因素方差分析對不同植被類型和不同使用時長的綠色屋頂徑流水質數據進行差異分析，采用 LSD 法進行多重比較。
2 結果與分析
2.1 氣象特征和雨水水質
實驗區 2017～2019 年雨季(6～9 月)的氣象特征如圖 2 所示。在 3 個觀測年，7 月的總降雨量均最高(132.0~237.7 mm)。除 2018 年 8 月溫度最高，其余年份 7 月的平均溫度也最高。
如表 1 所示，本研究在 2017、2018 和 2019 年共選取 20 場所有綠色屋頂均產流的降雨(降雨量 15.2～131.6 mm)進行水質檢測。其中包括 12 場中雨(降雨量 10～24.9 mm)、3 場大雨(25～49.9 mm)和 5 場暴雨(>50 mm)。這 20 場降雨的降雨量和最大雨強存在明顯差異，且包括了 2017、2018 和 2019 年降雨量最大的 3 場暴雨，水質檢測結果具有代表性。
雨水中營養鹽和重金屬濃度的平均值如表 2 所示，除 NH4 + -N 外，雨水中其他污染物的濃度在 2017~2019 年雨季均無顯著性差異(P>0.05)。
2.2 植物生長特征
各生長季馬齒莧的平均株高均明顯高于佛甲草(圖 3)。然而，由于 2018 年 8 月的總降雨相對較少且氣溫偏高(圖 2)，相對干旱造成馬齒莧的抗逆性下降，8 月末大量地上部分被蚧殼蟲啃食。2018 年雨季自 8 月 18 日取樣之后不再有各綠色屋頂均產流的降雨(表 1)。8 月末的蚧殼蟲災雖未影響 2018 年雨季所選的 8 場降雨馬齒莧綠色屋頂的徑流水質，但無法在雨季結束后準確計算馬齒莧的地上生物量。因此，2018 年實測馬齒莧的地上生物量低于 GR1。除 2018 年外，2017 年和 2019 年馬齒莧的地上生物量均明顯高于佛甲草。此外，由于實驗期內無灌溉，2019 年 6 月降雨較少(僅 26.4 mm)可能是造成佛甲草和馬齒莧的株高和生物量較低的主要原因。
2.3 不同植被綠色屋頂徑流營養鹽濃度年際變化
2.3.1 銨態氮(NH4 + -N)
不同植被的綠色屋頂徑流中 NH4 + -N 的年際變化如圖 4(a)所示。觀測期內雨水中 NH4 + -N 濃度的平均值存在顯著年際差異(P<0.05)，2019 年雨水 (ρ NH4 + -N)的平均值最高([ 2.16±0.72) mg·L-1 ]，顯著高于 2017 年[(0.63±0.19) mg·L-1 ]。2017～2019 年雨季，雨水 NH4 + -N 濃度的平均值均高于 GR1、GR2 和 GR3 的徑流，說明綠色屋頂是雨水中 NH4 + -N 的匯。2017、2018 和 2019 年雨季，綠色屋頂對雨水中 NH4 + -N 的濃度平均削減率分別在 50.1%~56.1%、 64.5%~79.7%和 71.5%~79.2%之間。多因素方差分析結果表明，植被覆蓋和使用時長對綠色屋頂徑流中 NH4 + -N 濃度的平均值均無顯著影響(P>0.05，表 3)。
2.3.2 硝態氮(NO3 - -N)
2017~2019 年雨季，雨水中 NO3 - -N 的濃度平均值無顯著性差異(表 2)。綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度的平均值同時受植被覆蓋類型和使用時長的影響，且不同觀測年植被對綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度平均值的影響存在顯著差異(表 3)。如圖 4(b)所示，GR3 徑流中 NO3 - -N 濃度的平均值始終高于 GR1、GR2 和雨水，綠色屋頂基質是 NO3 - -N 的源。2017 年 GR1 和 GR2 徑流中 ρ(NO3 - -N)的平均值低于雨水[(2.15±1.80) mg·L-1 ]，但在 2018 年和 2019 年高于雨水。因此，GR1 和 GR2 在 2017 年是 NO3 - -N 的匯(濃度平均削減率分別為 71.4%和 99.5%)，但在 2018 和 2019 年是 NO3 - -N 的源。本實驗期內，各綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度的平均值均逐年增加。其中，2019 年 GR1 徑流中 NO3 - -N 濃度的平均值顯著高于 2017 和 2018 年(P<0.05);2018 年和 2019 年 GR3 徑流中 NO3 - -N 濃度的平均值也顯著高于 2017 年(P<0.05)。
2.3.3 磷酸鹽(PO4 3- -P)
如表 2 所示，2017～2019 年雨季雨水中 PO4 3- -P 濃度的平均值無顯著年際差異。GR1、 GR2 和 GR3 徑流中 PO4 3- -P 濃度的平均值均高于雨水，綠色屋頂均為 PO4 3- -P 的源[圖 4(c)]。 GR1、GR2 和 GR3 徑流中 PO4 3- -P 濃度的平均值同時受植被類型和使用時長的影響，且不同觀測年植被對綠色屋頂徑流中 PO4 3- -P 濃度平均值的影響存在顯著差異(表 3)。GR1 和 GR3 徑流中 PO4 3- -P 濃度的平均值無顯著年際變化(P>0.05)。然而，2017 年 GR2 徑流中 (ρ PO4 3- -P)的平均值[(0.065±0.049) mg·L-1 ]顯著低于 2018 年[(0.165±0.090) mg·L-1 ]和 2019 年 [(0.290±0.119) mg·L-1 ]。2017 年 GR1 和 GR2 徑流 PO4 3- -P 濃度平均值略低于 GR3，但差異不顯著(P>0.05)。然而，2018 年和 2019 年 GR1 和 GR2 徑流 PO4 3- -P 濃度平均值均明顯高于 GR3，2019 年 GR2 徑流中 PO4 3- -P 濃度平均值顯著高于 GR1 和 GR3(P<0.05)。
2.4 不同植被綠色屋頂徑流重金屬濃度年際變化
2017~2019 年實驗期雨水中的 DCr、DNi 和 DCu 濃度的平均值均無顯著的年際變化(表 2)。各綠色屋頂徑流中 DCr、DNi 和 DCu 濃度的平均值在 2017～2019 年均高于雨水(圖 5)，綠色屋頂是這些重金屬的源。2017~2019 年，GR1、GR2 和 GR3 徑流中 DCr 濃度的平均值均沒有顯著的年際差異，植被類型對各綠色屋頂徑流中 DCr 濃度的平均值也無顯著影響(P>0.05，表 3)。然而，使用時長對各綠色屋頂徑流中 DNi 和 DCu 濃度的平均值均有顯著影響。2018 年各綠色屋頂徑流中DCu 和DNi 濃度的平均值均高于2017 年和2019 年(P<0.05)。種植馬齒莧可能會增加綠色屋頂徑流中重金屬的濃度，2017~2019 年，GR2 徑流中 DCr、 DNi 和 DCu 濃度的平均值均高于 GR1 和 GR3。
3 討論
3.1 植被和使用時長對綠色屋頂徑流營養鹽濃度影響
本實驗 3 個綠色屋頂均為雨水中 NH4 + -N 的匯，且濃度平均削減率在 50%以上。不同植被綠色屋頂徑流 NH4 + -N 濃度的平均值在 2017~2019 年雨季均接近且無顯著性差異，表明綠色屋頂植被和使用時長對 NH4 + -N 吸附的影響有限[28]。基質中的硝化反應、離子交換和基質吸附可能是造成綠色屋頂徑流中 NH4 + -N 濃度下降的主要因素[29, 30]，本研究結果與前人的一致[19, 31]。
2017 年雨季，佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 和 PO4 3- -P 濃度的平均值均明顯濃度低于對照綠色屋頂，植物吸收和固定可能是造成有植物綠色屋頂徑流中較低 NO3 - -N 和PO4 3- -P 的主要原因[13, 14, 16, 24]。Johnson 等[32]的研究表明，綠色屋頂對營養鹽的滯留能力受植物對營養鹽需求的影響，綠色屋頂生物量與 NO3 - -N 的滯留能力呈正相關，而對磷的滯留能力無顯著影響。這可能是造成 2017 年生物量更大的馬齒莧綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度平均值明顯低于佛甲草綠色屋頂，而徑流中 PO4 3- -P 濃度平均值相近的主要原因。
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有研究認為[18, 21]，綠色屋頂基質中營養鹽會隨徑流淋出，且徑流中營養鹽濃度會隨使用時長增加而降低。然而，本研究的監測結果顯示，各實驗綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 和 PO4 3- -P 濃度的平均值在 2018 年和 2019 年均明顯高于 2017 年。Wang 等[13]的研究指出，綠色屋頂基質中有機質會通過礦化逐漸成為可溶性物質，從而增加徑流中污染物的含量。這可能是造成 2018 年和2019 年對照綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度顯著高于 2017 年的主要原因[13, 14, 33]。 2018 年和 2019 年佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 的濃度均顯著低于對照綠色屋頂，表明植物可有效吸收和固定基質因礦化產生的 NO3 - -N。此外，植物的生長情況對綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 的濃度有重要影響。2017~2019 年雨季，馬齒莧綠色屋頂植物生長狀況良好，其徑流中的 NO3 - -N 濃度相近且無顯著的年際差異。然而，2019 年佛甲草綠色屋頂植物生長情況極差(地上生物量不足 2017 年的十分之一)，其徑流中 NO3 - -N 濃度平均值顯著高于 2017 年和 2018 年。
2017~2019 年雨季，雨水中的 PO4 3- -P 的濃度均明顯低于各綠色屋頂徑流。有研究表明，基質風化和有機質的礦化可能是綠色屋頂徑流中 PO4 3- -P 的主要來源[14, 34, 35]。與 2017 年相反，2018 年和 2019 年佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中 PO4 3- -P 濃度平均值均高于對照綠色屋頂，這表明植被對綠色屋頂徑流 PO4 3- -P 濃度的影響受使用時長影響。佛甲草和馬齒莧綠色屋頂未收割，2017 年和 2018 年的植物殘體、產生枯落物和分泌物會增加綠色屋頂基質中的有機質含量。有機質礦化可以產生 PO4 3- -P [32]，植物殘體腐化產生的腐植酸也可能通過同晶替代作用等方式降低基質對 PO4 3- -P 的固定[36, 37]，這可能是造成 2018 年和 2019 年佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中 PO4 3- -P 濃度平均值高于對照綠色屋頂原因。相較多年生的佛甲草，每年的重新栽植和 2018 年蚧殼蟲侵害給馬齒莧綠色屋頂引入了更多的有機質，磷的歸還和釋放大于其他兩種綠色屋頂。這可能是造成馬齒莧綠色屋頂徑流 PO4 3- -P 濃度平均值逐年顯著增加和 2019 年顯著高于佛甲草和對照綠色屋頂的主要原因。
3.2 植被和使用時長對綠色屋頂徑流重金屬濃度影響
本研究各綠色屋頂徑流中 DCr、DNi 和 DCu 濃度的平均值均高于雨水，說明綠色屋頂均是這些重金屬的源，其他研究者在不同地區的研究也得到了相近的結果[15, 38, 39]。然而，與前人的研究不同[15, 16, 40]，本研究中佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中 DCr、DNi 和 DCu 濃度的平均值并未低于對照綠色屋頂，馬齒莧綠色屋頂徑流中的 DNi 和 DCu 濃度的平均值甚至顯著高于對照組。
相較 Vijayaraghavan 等[15]的連續人工降雨實驗，自然降雨條件下植物的動態變化可能是造成本研究佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流重金屬濃度高于對照綠色屋頂的主要原因。佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中較高的重金屬濃度可能由以下 3 個原因造成：①為促進植物吸收，植物根系分泌物會將基質中金屬和有機物的復合物轉化為溶解態[41, 42]。植物活動增加了綠色屋頂基質里溶解態重金屬的含量，但由于綠色屋頂植物根系較弱，不能完全吸收和固定這些溶解態重金屬，超出植物吸收和固定能力的溶解態重金屬會隨徑流淋出;②由于本研究未收割植物，被植物吸收和固定的重金屬可能隨枯落物分解釋放進入徑流[43];③降雨間期植物表面會吸附部分大氣中的顆粒物和重金屬，這些污染物可能隨雨水沖刷進入徑流[44, 45]。生物量更大且每年重復種植的馬齒莧綠色屋頂可能會比佛甲草和對照綠色屋頂吸附更多空氣中的污染物且引入更多的外源物質，這可能是造成馬齒莧綠色屋頂徑流中重金屬濃度最高的主要原因。
3.3 建議與展望
在本研究 3a 的監測期內，實驗的綠色屋頂徑流水質并未隨使用時長有明顯改善，植物生長狀況和動態變化均對綠色屋頂的徑流水質有重要影響。選用多年生植物、維護植物健康生長和在雨季結束后進行收割可能可以減少植物對綠色屋頂徑流水質的消極影響。除植被和使用時長的影響外，綠色屋頂的徑流水質還受基質類型及厚度、施肥灌溉、氣象條件和實驗區周邊環境等因素影響[9, 46, 47]。因此，應根據當地氣候條件、維護方式、經濟可行性和建筑承載能力等合理配置綠色屋頂，并對綠色屋頂徑流水質進行長期監測。
4 結論
(1)綠色屋頂植被類型和使用時長對徑流中 NH4 + -N 和 DCr 的濃度影響不顯著(P>0.05)，但對徑流中 NO3 - -N、PO4 3- -P、DNi 和 DCu 的濃度均有顯著影響(P<0.05)。
(2)觀測期內，實驗綠色屋頂均為 NH4 + -N 的匯，但均為 PO4 3- -P 和 DCr、DCu 和 DNi 的源。對照綠色屋頂始終為 NO3 - -N 的源，馬齒莧和佛甲草綠色屋頂在 2017 年為 NO3 - -N 的匯，但在 2018 年和 2019 年為 NO3 - -N 的源。
(3)觀測期內，對照綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度平均值逐年增加，佛甲草和馬齒莧綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度的平均值始終均低于對照綠色屋頂。生物量較大的馬齒莧綠色屋頂徑流中 NO3 - -N 濃度平均值低于佛甲草。馬齒莧和佛甲草綠色屋頂徑流中 PO4 3- -P 濃度平均值在 2017 年低于對照綠色屋頂，但在 2018 年和 2019 高于對照綠色屋頂。
(4)各綠色屋頂徑流中 DCu 和 DNi 濃度平均值在 2018 年增加并在 2019 年降低。馬齒莧綠色屋頂徑流中 DCr、DCu 和 DNi 濃度的平均值在觀測期內年均明顯高于佛甲草和對照綠色屋頂。——論文作者：章孫遜1，張守紅 1,2*，葛德 1，閆婧 1，楊航 1，王任重遠 1，魏良怡 1，張成玉 1
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