生物滞留系统去除地表径流中的氮素研究评述

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1、第２６卷第１期水科学进展Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１２０１５年１月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＷＡＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥＪａｎ．，２０１５ＤＯＩ：１０?１４０４２／ｊ?ｃｎｋｉ?３２?１３０９?２０１５?０１?０１８生物滞留系统去除地表径流中的氮素研究评述１，２２１１，２王书敏，何强，徐强，宋力（１．重庆文理学院环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆４０２１６０；２?重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆４０００４５）摘要：总结了近年来国内外应用生物滞留系统脱除降雨径流氮素的研究现状，从生物滞留系统脱

2、氮效能、脱氮影响因素和脱氮机制３个方面论述了国内外主要研究进展和理论成果。提出了生物滞留系统脱氮的研究建议：加强生物滞留系统内氮素迁移转化驱动机制研究；推动生物滞留系统“宏观生境—运行效能—微生态系统”耦合响应体系研究；开展生物滞留系统功能植物关键分子生物学特征研究。关键词：生物滞留系统；城市降雨径流；脱氮中图分类号：Ｘ５２；Ｇ３５３?１１文献标志码：Ａ文章编号：１００１⁃６７９１（２０１５）０１⁃０１４０⁃１１水体富营养化是中国目前面临的重大水环境问题之一，已成为制约中国经济发展的重要瓶颈。氮

3、是引发［１］水体富营养化的主要驱动元素之一，水体中氮的过量输入和富集往往导致水生生态环境的改变。近年来，随着中国城市化的快速推进，大量天然绿地被不透水下垫面取代，大大降低了降雨期间城市区域的氮滞留能［２］力。与此同时，随着点源污染控制率和城市化率的不断提高（到２０５０年，发展中国家和发达国家的城市［３⁃５］化规模将分别达到６４?１％和８５?９％），城市降雨径流对受纳水体氮素污染的贡献将更加凸显；已有研究［３］表明，很多国家和地区受纳水体氮素污染的５０％以上来自城市降雨径流，２／３的河口水环境由于

4、降雨径流氮素污染而功能退化。氮的赋存形态不同，其生态功能、对水生生物的毒理作用以及管理方式也不同，溶解［６］性氮迁移性更强，控制难度更大，更易诱发水体富营养化。因此，对于氮素主要以无机氮存在的城市降［６］雨径流来说，实现氮污染的高效控制意义重大。针对城市化过程中衍生的新环境问题，新的管理理念也不断涌现，如低影响开发、水敏感性分析和可持［７⁃８］续排水系统等，这些管理理念均由一系列调控技术保障预期目标的实现，如生物滞留系统、绿色屋顶和［２］渗透路面等，其中，生物滞留系统于２０世纪９０年代初期在美国

5、乔治王子郡提出，由于其高效的径流持留［９］［１０］［１１］［１２］能力、水质净化能力和污染负荷消减能力等原因逐渐得到广泛研究与应用。关于生物滞留系统［１３］［２，１４］的除磷能力、综合效能等已有评述，而在系统脱氮能力方面还缺少专门的综述性报道。土地利用类［１５］型不同，其暴雨径流氮素形态组成也不同，加之不同形态氮素生化性质和生物滞留系统处理机制的多样性，导致氮素在生物滞留系统内环境行为的复杂性，以及氮素去除效果的不稳定性。系统对氮素的去除效率［１６⁃２０］［２１⁃２２］可达６０％以上，但也可能发

6、生氮素析出现象，尤其是硝态氮的析出已被大量实验室研究和工程性［２０，２３］研究证实。为提高氮素去除效果，设置淹没区、外加碳源、优化植物选型等是目前采用的主要手段。［２４⁃２５］［２６⁃２７］实验室研究和工程性研究表明在生物滞留系统底部创建淹没区可构建反硝化条件而提高氮素去除［２８］率；系统内恰当的植物类型也可以通过植物吸收和形成局部反硝化条件而提高氮素去除效果。然而，淹［１８］［１８，２０］没区的设置也可能无法实现预期目标，并可能导致系统出水有机氮浓度的升高，因此，对于如何能［２９⁃３０］够有效

7、提高系统的脱氮效能还没有统一性的结论。目前，国内对生物滞留系统的研究以评述研究居多，收稿日期：２０１４⁃０６⁃２６；网络出版时间：２０１４⁃１２⁃２５网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ?ｃｎｋｉ?ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２?１３０９?Ｐ?２０１４１２２５?１５０９?０１７?ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４０９０３０）；重庆市教委科技项目（ＫＪ１４０１１２０）作者简介：王书敏（１９８０—），男，山东泰安人，博士，主要从事城市面源污染监控研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｓｈｕ

8、ｍｉｎ５１０３＠ｓｉｎａ?ｃｏｍ通信作者：何强，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｑ０９８０＠１２６?ｃｏｍ第１期王书敏，等：生物滞留系统去除地表径流中的氮素研究评述１４１而实验研究较少。鉴于此，在总结了近几年研究成果的基础上，主要就生物滞留系统脱氮效能、脱氮影响因素和脱氮机制等进行了总结和分析，归纳并提出了几个亟需解决的关键科学问题，以期为生物滞留系统的更好发展起到促进作用。１生物滞留系统脱氮效能研究［２０，３１］典型的生物滞留系统由种植植被层、土壤层、多孔介质层和底部排水收集装置组成。雨水自上而下穿过系统时，