本研究由Mei Xu、Yue Zhi、Zheng Kong等来自重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室（Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, College of Environment and Ecology, Chongqing University）、澳大利亚昆士兰大学（The University of Queensland）以及中国建筑安装集团有限公司（China Construction Installation Group Co. Ltd）的研究团队共同完成，发表于2024年9月的《Environmental Research》期刊（Volume 262, Article 119926）。

学术背景

研究聚焦于城市雨水生物滞留系统（bioretention systems）在气候变化和快速城市化背景下的氮（N）和磷（P）去除效能优化问题。随着极端降雨事件频率增加，传统生物滞留系统对溶解性污染物（如硝酸盐氮NO₃⁻-N和溶解性磷DP）的去除效率波动较大，主要受温度变化和高强度降雨干扰。研究团队提出了一种创新的“植物-生物炭-黄铁矿”（plant-biochar-pyrite）多层填料结构，旨在通过协同作用提升系统稳定性和适应性。

研究流程与方法

1. 系统设计与构建

   • 实验设置了三组生物滞留柱（每组重复2次）：
     
     • PBP1：种植Carex appressa（高密度根系，26-35株/柱）；
       
     • PBP2：种植Chlorophytum chinense（低密度根系，2-3株/柱）；
       
     • BP：无植被对照组。
       
   • 填料结构分为三层：
     
     • 植物层：种植土壤；
       
     • 渗流区（vadose zone）：石英砂与生物炭（biochar，松木热解，500℃）混合，占比30%；
       
     • 淹没区（submerged zone）：石英砂与黄铁矿（pyrite，1-2 mm）混合，占比30%。
       
   • 孔隙率通过液体置换法测定，植物层孔隙率因根系密度差异显著（PBP1: 14.72% vs. PBP2: 20.15%）。
     

2. 模拟降雨与运行条件

   • 降雨强度：47.06 mm（模拟24小时降雨事件），流量25 mL/min，持续4小时。
     
   • 降雨频率：1、2、3、5天间隔，共103次降雨事件，总运行775天。
     
   • 温度范围：5-43℃，通过风扇和生长灯调控。
     
   • 水质监测：合成雨水含NO₃⁻-N（3.0 mg/L）、NH₄⁺-N（4.0 mg/L）、TP（0.5 mg/L）和COD（20 mg/L）。
     

3. 数据分析

   • 水质指标：离子色谱（Dionex ICS-600）测NO₃⁻-N、SO₄²⁻等；紫外分光光度计（Hach DR6000）测Fe³⁺、TP等。
     
   • 微生物群落：高通量测序分析α/β多样性，FAPROTAX数据库预测功能基因。
     

主要结果

1. 污染物去除效率

   • TN和TP去除：植被系统（PBP1/PBP2）在775天内稳定去除62.3% TN和97.0% TP，显著高于无植被组（BP: 57.6% TN）。
     
   • 温度影响：温度波动（5-43℃）对NO₃⁻-N和TP去除率差异仅1.0%和0.6%，植物根系缓解了温度对脱氮的干扰。
     
   • 降雨频率：高频降雨（1-5天间隔）导致NO₃⁻-N去除波动，但系统通过生物炭层的水滞留能力（孔隙率6.13-35.81%）维持稳定性。
     

2. 分层贡献机制

   • 植物层：根系分泌有机物促进反硝化，吸附全部PO₄³⁻-P（表4显示流出液PO₄³⁻-P浓度为0）。
     
   • 生物炭层：降低溶解氧（DO 0.87 mg/L），延长水力停留时间（HRT），增强异养反硝化。
     
   • 黄铁矿层：通过Fe/S氧化还原反应持续提供电子，促进自养反硝化（NO₃⁻-N去除率0.16-0.22 mg/L·h）。
     

3. 微生物群落

   • 植物根系和生物炭共同塑造了高多样性微生物群落（Chao1指数提升），反硝化菌（如*Thiobacillus*）在淹没区占比显著。
     
   • 功能预测显示，硫代谢（SOB/SRB）和铁循环相关菌群协同驱动NO₃⁻-N去除（图6）。
     

结论与价值

1. 科学意义：

   • 首次提出“植物-生物炭-黄铁矿”多层结构，通过物理拦截（植物）、化学吸附（生物炭）和生物氧化还原（黄铁矿）的协同作用，解决了传统系统在高频降雨和温度波动下的性能不稳定问题。
     
   • 揭示了根系密度（Carex appressa vs. Chlorophytum chinense）对脱氮效率的差异化调控机制。
     

2. 应用价值：

   • 系统在47.06 mm/d降雨强度下可实现1.5 g/m²·d NH₄⁺-N和0.19 g/m²·d PO₄³⁻-P去除，年径流控制率达83-86%，适用于海绵城市建设。
     
   • 生物炭和黄铁矿的廉价易得性（成本低于零价铁等材料）具有工程推广潜力。
     

研究亮点

1. 创新设计：多层填料结构通过功能分区（好氧/厌氧微环境）优化了氮磷去除路径。
   
2. 长效稳定性：775天长期运行验证了系统在极端气候下的可靠性。
   
3. 跨尺度机制：从微生物基因（如*narG*）到生态系统功能（Fe/S循环）的多尺度解析。
   

其他发现

• 副产物控制：黄铁矿层有效抑制Fe³⁺溶出（出水浓度<0.2 mg/L），避免了传统铁基材料的二次污染风险。
  
• 经济性：生物炭和黄铁矿的投加量（30%体积比）在成本与效能间取得平衡，较单一填料系统降低15-20%运营成本。
  

该研究为应对城市化与气候变化的雨水管理提供了理论和实践范式，未来可进一步探索不同植物-填料组合的普适性及大规模工程应用参数优化。