Vol. 19 No. 2Apr. 2021
第 19 卷 第 2 期2021 年 4 月
中国水土保持科学Science of Soil and Water Conservation
章孙逊1，张守红5
（1.北京林业大学水土保持学院,100083，北京;2.北京市水土保持工程技术研究中心，100083，北京）
摘要：绿屋顶是海绵城市建设的重要措施之一，近年来逐渐得到广泛应用。通过对比北京市3种生长基质类型
（田园土、改良土和轻质基）和2种基质厚度（15和10 cm ）共6个佛甲草（Sedum lineare ）绿屋顶在2017年降雨和
径流过程、雨水和径流中营养元素（NH ：-N 、NO 3--N 、NO 2--N 和PO 4--P ）与可溶性重金属（DCr 、DCd 、DCu 和DNi ）的 监测数据，定量分析基质类型和厚度对绿屋顶径流量和水质影响。
结果表明：1）田园土和改良土绿屋顶径流 削减率显著高于轻质基绿屋顶（P <0. 05），基质厚度为15 cm 的田园土、改良土和轻质基绿屋顶的平均径流削
减率（分别为67. 8%、60. 3%和46.6% ）均明显高于基质厚度为10 cm 对照组（分别为55.6%、53. 0%和41. 5% ）。
2）实验绿屋顶均是NH 4+-N,NO 3--N 和NO 2- -N 的汇，平均污染负荷削减率分别为（86.8 士 15.6）%、（69.4 士
17. 1）%和（58. 5 ±24. 1）%。基质厚度15 cm 的改良土和基质厚度10 cm 的轻质基绿屋顶是PO ；--P 的汇，污染
负荷削减率分别为21. 8%和7. 8%，但其他4个绿屋顶均为PO ：--P 的源。3）实验绿屋顶均是DCd 的汇，平均
污染负荷削减率为（52.4 ± 8. 8）% ，除基质厚度为15 cm 的改良土绿屋顶是DCr 的汇（污染负荷削减率为
18.6% ），其他5个绿屋顶均是DCr 的源，所有绿屋顶均是DCu 和DNi 的释放源。研究结果可为我国北方城市
中越联合声明绿屋顶的径流水质评估和基质比选提供科学依据。
麦克白夫人
关键词： 绿屋顶; 生长基质; 径流水质; 污染负荷; 营养元素; 重金属中图分类号：X52
文献标志码：A 文章编号：2096-2673（2021）02-0117-10
DOI ： 10. 16843/j . sswc. 2021 . 02. 015
Impacts of types and depth of substrates on quantity and
quality of runoff from green roofs
ZHANG Sunxun 1, ZHANG Shouhong 1,2
（1. School of Soil and Water Conservation , Beijing Forestry University , 100083 , Beijing , China;2. Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation , 100083 , Beijing , China ）
Abstract ： [ Background ] As an important measure of sponge city ， green roofs have been wildly adopted
in urban water resource management in recent years. However ， few researches focus on both water
quantity and quality of green roof runoff in North China. Substrate is one of the key components of green
roofs , thus it is important to clarify how substrate influences runoff quantity and quality from green roof. [ Methods ] We set up 6 extensive green roofs with 3 types （ i. e. ， local planting soil ， engineered soil ，
and light growing medium ） and 2 depths （ 15 cm and 10 cm ） of substrates in Beijing. In order to analyze
收稿日期：2019 09 25修回日期：2020 08 27
项目名称：国家自然科学基金“绿屋顶雨水滞留能力变化过程研究”（51609004）；国家水体污染控制与治理专项“北运河上
游水环境治理与水生态修复综合示范"（2017ZX07102鄄001）
海选
第一作者简介：章孙逊（1996—），男，硕士研究生。主要研究方向：水土保持，绿屋顶径流水质。E-mail ： victor_zsx@ 163.
com
覮通信作者简介：张守红（1985—），男，博士，教授。主要研究方向：城市雨水控制与利用，小流域综合治理。E-mail ： zhangs@
bjfu. edu. cn
118中国水土保持科学2021年
the influences of type and depth of substrates on the water quantity and quality of green roof runoff,we used a weather station(HOBO U30)and rain gauges to monitor the rainfall and runoff processes of green roofs under natural rainfall conditions during the rainy season in2017.The nutrients(NH：-N,NOJ-N, NO：-N and PO：--P)and dissolved heavy metals(DCr,DCd,DCu,and DNi)in the rainwater and runoff were analyzed by Automatic Discrete Analyzer(SmartChem200)and ICP-MS.[Results]1)The average runoff reduction rates of green roofs with local planting soil and engineered soil were significantly higher than the that of green roofs with light growing medium(P<0.
05).The local planting soil, engineered soil and light growing medium green roofs with a substrate thickness of15cm provided higher runoff reduction rates( 67.8%,60.3%,and46.6%,respectively)than the those with a substrate thickness of10cm(55.6%,53.0%,and41.5%,respectively).2)The experimental green roofs were the sinks of NH^-N,NOJ-N and NOJ-N,the mean pollution load reduction rates were(86.8土
15.6)%,(69.4土17.1)%and(58.5±24.1)%,respectively.The engineered soil green roof with a
substrate thickness of15cm and the light growing medium green roof with a substrate thickness of10cm were the sinks of PO：--P,the reduction rates of pollution loads were21.8%and7.8%,respectively, but the other green roofs were all the sources of PO：--P.3)The experimental green roofs were the sinks of DCd,and the mean reduction rate of pollution load was(52.4土8.8)%.Except for the engineered soil green roof with a substrate thickness of15cm was the sink of DCr(the reduction rate of pollution load was18.6%),the other5green roofs were all the sources of DCr,and all of the6experimental green roofs were the sources of DCu and DNi.[Conculsions]The runoff reduction rates of local planting soil and engineered soil green roofs are significantly higher than that of the light growing medium green roofs.Green roofs with15cm depth have better performance in runoff management than green roofs with 10cm depth.The substrate typ
e and depth also affect pollution loads in runoff from green roofs,and all the6experimental green roofs were the sinks of NHf-N,NO3--N,NOJ-N,and DCd,but were the sources of DCu and DNi.The results of this experiment provide scientific reference for the water quality evaluation and hydrologic design of green roofs in North China.
Keywords:green roof;substrate;runoff quality;pollution load;nutrient;heavy metal
快速城市化加剧了城市水环境问题［1］，雨水花园、绿墙、绿屋顶等生态措施是缓解城市环境问题的有效途径［2］o屋顶约占城市不透水面的40%~ 50%［3］，实施屋顶绿化无需额外用地，但可增加绿地面积，具有城市径流调控5］、美化环境、改善空气质量和降低城市热岛效应［6］等多重效益。
根据基质厚度和维护方式差异，绿屋顶分为粗放型和密集型2类粗放型绿屋顶基质较薄，维护管理成本较低［8］，较密集型绿屋顶有更好的推广应用前景。植被和基质筛选和配置是绿屋顶设计的关键要素［9］o绿屋顶的水文性能［5，10］及其对径流水质影响［11］是当前研究热点，但关于绿屋顶是径流污染物的源或汇的问题尚未有统一结论口2〕。绿屋顶的基质类型和厚度是影响植被生长、径流水量和水质的重要因素［13-14］；因此，研究不同生长基质条件（材料和厚度）绿屋顶的径流水质，筛选能够保证植物生长、减少营养元素和污染物淋出的新型绿屋顶生长基质［1］，是安全推广绿屋顶、避免造成水体污染的前提。
近年来，研究者对绿屋顶基质材料比选和改进开展了大量研究。例如，刘爽等［15］研究指出在绿屋顶基质中添加给水厂污泥对径流水质有改善作用，而添加消化污泥会带来磷污染。Monteiro等［16］研究表明在基质中添加碎蛋壳有利于降低绿屋顶径流中磷酸盐浓度，但却提高了硝氮浓度。Kuoppamaki 等［1］发现使用生物炭作为绿屋顶基质改良剂，可有效降低径流中氮和磷的浸出。此外，基质材料来源、配比和基质厚度不同，实验结果也存在差异口，16"］。Rowe同指出考虑经济可行性，绿屋顶的基质应就地取材，而现有的绿屋顶大多使用发达地区的商用基质［2］，并无公开配比信息［18］，限制了绿屋顶在发展中区域的推广应用。此外，当前我国有关北方地区自然降雨条件下的实验监测研究较为匮
第2期章孙逊等：基质类型及厚度对绿屋顶径流量和水质影响119
乏［19-20］，绿屋顶基质选配缺少实验支撑。
笔者于北京市搭建6个实验绿屋顶装置（图
1），使用北京当地田园土和2种自制基质（改良土
和轻质基），并设置2种基质厚度（15和10 cm ）（表
1）o 在2017年雨季，进行降雨和绿屋顶径流水量
和水质监测，定量分析基质的类型和厚度对绿屋 顶径流量和污染负荷的影响，以期对绿屋顶基质 选配和厚度设置提供科学支撑，为海绵城市建设提
供理论参考。
1材料与方法
1.1实验设计
在北京市海淀区北京林业大学林业楼楼顶搭建
6个1 m 伊1 m 绿屋顶实验装置（图1）。其中，植
被层种植佛甲草（Sedum lineare ），装置分组见表1, 其他配置详见已刊论文［12］。
小型气象观则站 Weather station
溢流口Overfall
植被层V e getation
导流槽 Trench
雨量计 Rain gauge 基质层Substrates
佛甲草 Sedum lineare 改良土
Engineered soil
轻质基
Light growing medium
田园土
Local planiting soil
集水桶
Collection bucket
图1绿屋顶实验设施结构示意
Fig.1 Structure of the green roofs
表 1 绿屋顶结构特征
Tab. 1 Characteristics of green roof setups
设施编号基质类型
基质配比基质厚度
Facility No.Substrate type Volume ratio of the substrate Substrate depth/cm
G15
改良土 Engineered soil
轻砂壤土：腐殖土：珍珠岩：蛭石=5： 10： 4： 1 The ratio of sandy loam ：15
G10
humus ： perlite ： vermiculite is 5： 10： 4： 1
10T15田园土 Local planting 田园土(北京林业大学苗圃)The local planting soil ( From the nursery
15
T10soil
garden of Beijing Forestry University)
10Q15轻质基 Light growing 浮石：草炭土：沸石：碎木屑=4： 3： 2： 1 The ratio of pumice ： turfy soil ：
15
Q10
medium立方体3
zeolite ： wood chips is 4： 3： 2： 1
10
每个绿屋顶装置配有1个自记式雨量计和1
个250 L HDPE 集水桶（图1），分别用于记录绿屋
顶径流过程和收集径流。采用小型气象站（HOBO
U30）监测气象数据，使用放置在实验装置附近的不
锈钢盆收集雨水。
1.2数据采集、检测与分析
降雨结束后，使用HDPE 瓶从充分搅拌的不锈
钢盆和集水桶中分别取雨水和各绿屋顶径流样。 采样lh 内，所采水样均放进冰箱冷藏待检。采样
结束后，先后使用自来水和去离子水清洗集水桶和
不锈钢盆。使用全自动化学分析仪（Smartchem
200）检测水样营养元素（NH ； -N 、NO 3一 -N 、NO ； -N 和 PO 3--P ）的质量浓度，使用ICP-MS 检测水样中溶解
态重金属（DCd 、DCr 、DNi 和DCu ）的质量浓度。
降雨间隔＞6 h 的降雨视作2场降雨［21］，对监 测期间4场6个绿屋顶均产流的降雨进行雨水和
径流采样，共采集水样28份。
2017年雨季，从各绿屋顶中随机选10
个点
120
中国水土保持科学2021 年
测量株高，分别计算平均株高。雨季结束后，分别 从每个绿屋顶中随机布置3块20 cm X 20 cm 样 方，收割样方内所有植被的地上部分，采用浸泡 法［22］测植物最大截留量，然后，将植物置于65益 的烘箱内烘干至恒质量，称量得绿屋顶地上部 分生物量［23］。
采用SPSS 25单因素方差分析判断不同基质类
型绿屋顶间径流水质是否存在显著差异；使用独 立样本t 检验对比基质厚度为15 cm 和10 cm 的绿进行适量灌溉(绿屋顶不产流)和人工除草，监测
期间未施用肥料和农药，且无灌溉。各绿屋顶佛
甲草覆盖度在雨季前均达100%。除Q10夕卜，其他
绿屋顶佛甲草的平均株高相近，但地上生物量存
在较大差别(表2)o G15和G10中佛甲草的最大雨
水截留量最高(0. 83 mm) ,T15、T10和Q15中佛甲 草的最大雨水截留量相近，在0.71 -0. 75 mm 之间,
而Q10中佛甲草的雨水截留量最低，为0.50 mm 。
屋顶径流水质差异的显著性。
绿屋顶平均径流削减率0
1 P, (S - V,) 100 %n PS
o
(1)
式中:n 为取样降雨总数;i 为降雨场次;S 为绿屋
顶面积,m 2; V ，为第i 场降雨绿屋顶径流量,L; P , 为第i 场降雨量,mm 。
绿屋顶污染负荷削减率D c 可由下式计算:
n
n
移 C
pi
P i S -移 c rl V l
D c = ' =1 n '=1 100%。
(2)
移 Cp,P,S
i = 1
式中:C p ，和C ”分别为第i 场降雨雨水和绿屋顶径
流污染物质量浓度，当污染物指标为营养元素时,C p ,
和C ”的单位为mg/L，当污染物指标为重金属时单位
为滋g/L 。
Tab. 2 Characteristics of plant Sedum lineare on green roof 表2绿屋顶植物佛甲草生长特征
设施编号
Facility No.
平均株高
Mean plant height/c m
地上生物量 Above-ground
biomass/ (g*m -2)
最大雨水截留量
Maximum rainwater
retention/ m m
G15101 2360. 83G1010873
0. 83T15
10
612
0. 75T109911
0. 71Q15108400. 75Q10
7
503
0. 50
2结果与分析
2.1植物生长特征
2017年4—5月进行佛甲草移植，除移植初期
2.2绿屋顶产流特征
采样的4场降雨中包括1场中雨、2场大雨和1
场暴雨。除7月7日降雨外，其他3场降雨相同基
质的 15 cm 绿 屋 顶 产 流 量 均 小 于 基质 厚 度 为
10 cm 的绿屋顶，轻质基绿屋顶产流量最大，田
园土绿屋顶最少(表3)o
实验绿屋顶的平均径流削减率在41.5% -
67.8%间(图2)，田园土绿屋顶的平均径流削减
降雨时间 降雨量
最大降雨强度
设施产流量Runoff in each facility/L
表 3 降雨及产流特征
Tab. 3 Characteristics of selected rainfall events and runoff
Rain event/ ( mm-dd )
腐蚀试验Rainfall/m m
Maximum rainfall intensity/ ( mm • min - 1 )
G15
G10
T15
T10Q15Q10
07-0644. 8 1.16
14. 420. 410. 518.9
24. 5
29. 007-0717.6
0. 608. 2
7. 87. 88. 89. 49. 3
07-1481.4 2. 7640. 646. 8
38. 9
41. 747. 8
51. 508-22
44. 2
0. 44
13. 2
17. 9 5. 915. 1
20. 7
23. 4
率略高于改良土，二者均显著高于轻质基。基质厚
度为15 cm 的绿屋顶的平均径流削减率均高于
10 cm 基质厚度，G15、T15和Q15绿屋顶的平均
径流削减率分别较G10、T10和Q10高7.3%、
12.3% 和 5. 0%o
2.3绿屋顶径流中营养元素质量浓度特征
2. 3. 1铵态氮 如图3a 所示，各绿屋顶径流中
NH ；-N 的平均质量浓度均明显低于雨水(0. 63 mg/
L)o 改良土和田园土绿屋顶径流中NHJ-N 的平
均质量浓度相近(0. 10 ~0. 13 mg/L)。然而，轻质
第2期章孙逊等：基质类型及厚度对绿屋顶径流量和水质影响121
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基质类型Substrate type
~~|15cm基质绿屋顶Green roof with15cm substrate
10cm基质绿屋顶Green roof with10cm substrate 图中标有相同大写字母（A,B,C）表示不同基质间无显著差异（P>0.05），标有相同的小写字母（a,b）表示不同厚度间无显著差异（P>0.05），图3，图4相同。The same capital letters refer to no significant difference among different substrate type（P>0.05）, the same lowercase letters refer to no significant difference between different substrate depth.The same in Fig.3and Fig.4.
图2绿屋顶径流削减率
Fig.2Runoff reduction rates of green roofs
基绿屋顶径流中NH；-N的平均质量浓度明显高于改良土和田园土，Q10径流中NH；-N平均质量浓度约是Q15的2倍。如表4所示,6个绿屋顶均是NH；-N的汇；改良土和田园土绿屋顶NH；-N总污染负荷削减率均在95%左右；轻质基绿屋顶的NH；-N总污染负荷削减率较低，Q15和Q10的总污染负荷削减率分别为88.1%和52.5%。
2.3.2硝态氮绿屋顶径流中N03--N的平均质量浓度在0.61~3.89mg/L之间（图3b），其中，T10、Q15和Q10径流中N03--N的平均质量浓度低于雨水。基质厚度为15cm的绿屋顶径流中NO3--N平均质量浓度均高于10cm的绿屋顶，但差异并不显著。如表4所示，绿屋顶径流中NO3--N总污染负荷均低于雨水,N03--N总污染负荷削减率在43.0%~92.2%间。基质厚度为10cm的绿屋顶对雨水中N03--N总污染负荷削减能力更强，G10、T10和Q10的总污染负荷削减率分别较G15、T15和Q15高20.9%、33.2%和20.0%。
2.3.3亚硝态氮田园土和改良土绿屋顶径流中NOJ-N的平均质量浓度均高于雨水（0.26mg/ L），但轻质基绿屋顶径流中N02--N的平均质量浓度明显低于雨水（图3c）o G15径流中N02--N的平均质量浓度明显高于G10，但T15径流中NOJ-N 平均质量浓度却低于T10,Q15和Q10径流中N02--N的平均质
量浓度相近。绿屋顶均是N02--N的汇（表4），轻质基绿屋顶对N0；-N污染负荷的削减能力最强，且2种厚度轻质基绿屋顶对N02--N 的削减能力相近。G15、G10和T15绿屋顶径流中N02--N总污染负荷削减率较为接近，介于63.7%~65.9%之间，而T10的N0；-N总污染负荷削减率仅为5.9%，明显低于其他5个绿屋顶。2.3.4磷酸态磷6个绿屋顶径流POJ-P平均质量浓度均高于雨水，田园土绿屋顶径流PO：--P 质量浓度显著高于其他2种基质类型绿屋顶（图3d）o G10和T10径流中PO；--P平均质量浓度均明显高于G15和T15，但Q15径流中PO4--P的平均质量浓度高于Q10o如表4所示，G15和Q10绿屋顶是PO：--P的汇，总污染负荷削减率分别为21.8%和7.8%，其他4个绿屋顶均是PO4--P的源。T10绿屋顶径流产生的PO4--P污染负荷最多，较雨水增加了353.0%o
2.4绿屋顶径流中可溶性重金属质量浓度特征2.4.1可溶性镉2种基质厚度的田园土和轻质基绿屋顶径流中DCd的平均质量浓度无显著差异且均略低于雨水（图4a），然而,10cm厚度改良土绿屋顶径流中DCd质量浓度显著高于15cm厚度，且2个改良土绿屋顶径流中DCd质量浓度显著高于轻质基。如表5，绿屋顶均是DCd的汇，田园土绿屋顶的DCd总污染负荷削减率最高，依次高于改良土和轻质基。15cm基质厚度绿屋顶对DCd的总污染负荷削减率均高于10cm基质厚度。
2.4.2可溶性铬3种基质类型的绿屋顶径流中DCr的平均质量浓度均高于雨水（0.86憾/L）（图4b），田园土绿屋顶径流中DCr 的平均质量浓度明显高于其他2种基质。除改良土绿屋顶外，其他2种基质类型15cm厚度绿屋顶径流中DCr平均质量浓度均高于10cm厚度。G15绿屋顶的DCr总污染负荷
削减率为18.6%，是DCr的汇（表5）o其他5个绿屋顶径流产生的DCr总污染负荷均高于雨水（161.9滋g/m2），是DCr 的来源。
2.4.3可溶性铜雨水中未检出DCu，田园土绿屋顶径流DCu平均质量浓度显著高于其他2种基质（图4c）oG15和Q15绿屋顶径流中DCu平均质量浓度分别高于G10和Q10，但T10绿屋顶径流中DCu平均质量浓度明显高于T15o绿屋顶均是DCu的源（表5），田园土绿屋顶径流中DCu 的
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