基于響應(yīng)面分析的水生植物復(fù)氧環(huán)境因子參數(shù)優(yōu)化研究

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摘要[目的]研究多種環(huán)境因子及其交互作用對(duì)水生植物復(fù)氧的影響。[方法]采用不同種類(lèi)水生植物對(duì)實(shí)施環(huán)境調(diào)控后水生植物復(fù)氧能力的響應(yīng)情況進(jìn)行考察，研究主效環(huán)境因子之間交互作用產(chǎn)生的影響，從而解析不同種類(lèi)水生植物復(fù)氧變化規(guī)律。[結(jié)果]黑藻、荇菜和香蒲響應(yīng)面模型方程中一次項(xiàng)和二次項(xiàng)影響較為顯著，試驗(yàn)中因素與響應(yīng)值之間的影響是較為復(fù)雜的線性關(guān)系。單個(gè)因素對(duì)黑藻、荇菜和香蒲的復(fù)氧能力值（OE）影響順序分別為pH>光照（L）>鹽度（S）>溫度（T），S>L> pH>T，L>S>pH>T。根據(jù)響應(yīng)面二次模型可得到3種水生植物環(huán)境因子優(yōu)化方案，黑藻優(yōu)化方案為：L為10 159 lx、T為21 ℃、pH為7.69，S為0.10%，在上述優(yōu)化條件下，黑藻OE值為58.72；荇菜優(yōu)化方案為：L為11 956 lx、T為26 ℃、pH為7.5，S為0.12%，在上述優(yōu)化條件下，荇菜OE值為46.32；香蒲優(yōu)化方案為：L為12 000 lx、T為21 ℃、pH為7.14，S為0.11%，在上述優(yōu)化條件下，香蒲OE值為59.22。[結(jié)論]該研究為臭水體水生植物光合作用復(fù)氧技術(shù)研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞水生植物；水體復(fù)氧；黑臭水體；響應(yīng)面分析；環(huán)境因子；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2018）28-0060-05

Study on Optimization of Reoxygenation Environmental Factors Parameters of Aquatic Plants Based on Response Surface Analysis

ZHANG Yue1，2，YAN Xiuqin2，ZHAO Xinhua1 et al（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072；2.China Municipal Engineering North China Design and Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300074）

Abstract[Objective] The research aimed to study the effects of various environmental factors and their interactions on reoxygenation of aquatic plants.[Method]The response of different types of aquatic plants to the reoxygenation capacity of aquatic plants after environmental regulation was investigated to study the effects of interactions between major environmental factors，and to analyze the changes of reoxygenation of different aquatic plants.[Result]The effects of primary and secondary terms in the model equations of Hydrilla verticillata，Nymphoides peltatum and Typha orientalis were relatively significant，and the influence between the experimental factors and the response values was a more complex linear relationship.The influence order of single factor on the reoxygenation capacity （OE） of Hydrilla verticillata，Nymphoides peltatum and Typha orientalis was pH>Lighting （L）>Salinity （S）>Temperature （T），S>L>pH>T，L> S>pH>T.According to the response surface quadratic model，three aquatic plant environmental factor optimization schemes could be obtained.The optimization scheme of Hydrilla verticillata was：L was 10 159 lx，T was 21 ℃，pH was 7.69，S was 0.10%；under the above optimized conditions，the OE value was 58.72.The optimization scheme of Nymphoides peltatum was：L was 11 956 lx，T was 26 ℃，pH was 7.5，S was 0.12%；under the above optimized conditions，the OE value of Nymphoides peltatum was 46.32；the optimization scheme of scheme was：L was 12 000 lx，T was 21 ℃，pH was 7.14 and S was 0.11%.；under the above optimized conditions，the cattail OE value was 59.22.[Conclusion] The study provides the theoretical basis for the monitoring of the water environment.

Key wordsAquatic plants；Water reoxygenation；Black odor water；Response surface analysis；Environmental factors；Parameter optimization

城市黑臭水體的治理是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，由于城市河流在城市發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，對(duì)黑臭水體的治理技術(shù)研究已經(jīng)成為現(xiàn)階段水體治理領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[1-3]。為了改善城市河道水質(zhì)，在對(duì)城市黑臭水體進(jìn)行治理時(shí)，增加河流中的溶解氧含量是提高水體自凈能力、加速水中污染物降解、改善水體黑臭的重要措施[4-7]。

水生植物復(fù)氧與多種環(huán)境因子密切相關(guān)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于環(huán)境因子尤其單一環(huán)境因子對(duì)水生植物復(fù)氧的影響存在不少分歧，環(huán)境因子對(duì)水生植物復(fù)氧的影響有待進(jìn)一步研究[8-10]。筆者基于多參數(shù)的響應(yīng)面環(huán)境因子調(diào)控試驗(yàn)，通過(guò)分析環(huán)境因子對(duì)水生植物復(fù)氧的影響，探討環(huán)境因子與復(fù)氧效果之間的關(guān)系，從而確定主效環(huán)境因子以及因子之間交互作用產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)水生植物復(fù)氧環(huán)境因子的優(yōu)化調(diào)控，進(jìn)而掌握水生植物復(fù)氧變化規(guī)律，為研究黑臭水體水生植物光合作用復(fù)氧技術(shù)提供依據(jù)，同時(shí)為城市水體水污染治理工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1水生植物。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，根據(jù)生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)、具有經(jīng)濟(jì)利用性等原則選取水生植物。沉水植物中黑藻、浮葉植物中荇菜、挺水植物中香蒲具有較好的復(fù)氧效果，故選取上述3種水生植物進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

1.1.2試驗(yàn)用水。

試驗(yàn)用水取自宜興市蛟橋河，河面寬度為2～3 m，河道水深1～2 m，流速較慢，COD 50～62 mg/L，TN 8.15～10.5 mg/L，TP 3.23～6.19 mg/L，氨氮5.22～9.34 mg/L，透明度10～20 cm，溶解氧4.51～8.57 mg/L，ORP為-52.63～75.74 mv。

1.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由直徑15 cm、高度40 cm的有機(jī)玻璃柱構(gòu)成，在裝置側(cè)面設(shè)置出水口，裝置底部基質(zhì)主要由礫石（粒徑15 cm）和砂子（粒徑 < 2 mm）組成。自下而上分別鋪設(shè)厚度為2.5 cm的礫石和2.5 cm的砂子，裝置水體深度為30 cm。采用自來(lái)水沖洗試驗(yàn)所用水生植物，之后將水生植物置于富營(yíng)養(yǎng)化水體中進(jìn)行適應(yīng)性水培。水培7 d后挑選出生長(zhǎng)狀況較好的水生植物，清洗干凈后自然風(fēng)干10 min，稱(chēng)重后放入試驗(yàn)裝置中。

1.3水生植物響應(yīng)面環(huán)境因素水平該研究所選取的影響復(fù)氧的環(huán)境參數(shù)包括光照（L）、溫度（T）、pH、鹽度（S），采用水生植物復(fù)氧能力OE值作為考察的指標(biāo)，綜合考慮單因素試驗(yàn)中環(huán)境因子對(duì)水生植物生理生長(zhǎng)、凈化污染物能力和復(fù)氧能力的影響，3種水生植物單因素環(huán)境因子結(jié)果如表1所示。

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定各環(huán)境因子的范圍，試驗(yàn)采用4因素3水平，運(yùn)用響應(yīng)面分析軟件Design-Expert 8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理優(yōu)化，響應(yīng)面分析中所需3種水生植物環(huán)境因子參數(shù)的變量水平，其取值依據(jù)主要為上一年度單因素試驗(yàn)中復(fù)氧能力較高的環(huán)境因子范圍。變量水平以及編碼如表2所示。

1.4水生植物復(fù)氧能力指標(biāo)的建立

為了消除水生植物不同初始生物量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的不利影響，在此采用單位鮮重水生植物單位時(shí)間內(nèi)平均復(fù)氧能力作為評(píng)價(jià)水生植物復(fù)氧能力的指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

復(fù)氧能力指標(biāo)OE=ni=1[Di×Vi-Dci×Vci）×Δt]m0×t （1）

式（1）中，OE為單位鮮重水生植物在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)平均復(fù)氧能力；n為檢測(cè)次數(shù)；t為監(jiān)測(cè)時(shí)間；Δt為2次DO監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔；Di為種有水生植物容器中第i次DO監(jiān)測(cè)值；Vi為種有水生植物容器中第i次DO監(jiān)測(cè)時(shí)水體體積；Dci為對(duì)照第i次DO監(jiān)測(cè)值；Vci為對(duì)照第i次DO監(jiān)測(cè)時(shí)水體體積；m0為試驗(yàn)水體中種植的水生植物初始鮮重。

2結(jié)果與分析

2.1沉水植物黑藻環(huán)境因子響應(yīng)面分析

表3為沉水植物黑藻響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果，表中有29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)所得出水生植物復(fù)氧能力OE值的試驗(yàn)結(jié)果，這些試驗(yàn)點(diǎn)可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)為零點(diǎn)，作為試驗(yàn)區(qū)域的中心點(diǎn)，進(jìn)行5次零點(diǎn)試驗(yàn)；第二類(lèi)為析因點(diǎn)，A、B、C、D共構(gòu)成24個(gè)析因點(diǎn)。試驗(yàn)中采用OE作為響應(yīng)面，利用軟件Design-Expert 8.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，從而得到擬合模型、方差分析以及置信度分析。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析，擬合結(jié)果顯示二階模型適合數(shù)據(jù)響應(yīng)。以水生植物復(fù)氧能力OE為因變量，以光照（A）、溫度（B）、pH（C）、鹽度（D）為自變量，采用Box-Benhnken對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二次響應(yīng)曲面方程：OE=46.71+3.57A-0.13B-5.67C-1.24D+1.75AB-2.74AC-0.72AD+0.92BC-0.42BD-1.26CD-2.22A2+0.37B2-1.62C2-0.38D2。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，在4種擬合模型中（線性擬合模型、雙因素線性擬合模型、二次方擬合模型、三次方擬合模型）只有二次擬合模型可以比較明確地說(shuō)明各個(gè)因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。比較各個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)、均方差平方和、偏方差平方和的結(jié)果可知，二次擬合模型為最適用。

對(duì)二次方程擬合模型回歸方程進(jìn)行方差分析。當(dāng)模型P值小于0.10時(shí)，因素條件與響應(yīng)值之間作用顯著；當(dāng)模型P值小于0.05時(shí)，因素條件與響應(yīng)值之間作用非常顯著，而當(dāng)模型P值大于0.10時(shí)，因素條件與響應(yīng)值之間作用不顯著。由以上分析可知，該研究所得模型適應(yīng)性顯著（P<0.000 1），失擬項(xiàng)并不顯著。說(shuō)明該試驗(yàn)采用的響應(yīng)面分析方法是可靠的。模型方程中一次項(xiàng)和二次項(xiàng)影響較為顯著，試驗(yàn)中因素與響應(yīng)值之間的影響為較為復(fù)雜的線性關(guān)系，影響較為顯著的因素主要為A、C、AC、A2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序?yàn)锳C>AB>CD>BC>AD>BD，其中CD、BC、AD、BD之間的交互影響可以忽略不計(jì)。單個(gè)因素對(duì)OE值影響順序?yàn)镃>A>D>B。

借助響應(yīng)面軟件分析二次模型方程，可以得到兩因素之間交互作用響應(yīng)面圖以及等值線圖（圖1）。根據(jù)響應(yīng)面曲線圖可以分析兩因素交互作用對(duì)OE值的影響，進(jìn)而確定影響OE值的最佳因素取值范圍。其中，光照與溫度、光照與pH交互作用顯著，其他2個(gè)因素組合交互作用并不明顯，但最優(yōu)化方案可通過(guò)軟件計(jì)算得出。

由圖1可知，試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，OE隨著光照和pH的變化呈拋物線變化趨勢(shì)；當(dāng)光照為12 000 lx，pH為7.00時(shí)，OE值達(dá)到最大。試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，OE值隨著溫度的增加而呈拋物線變化趨勢(shì)；當(dāng)OE變化曲線為拋物線，其取值大于48時(shí)，光照取值范圍要大于10 800 lx，同時(shí)溫度>19.5 ℃。故可知光照>10 800 lx、溫度>19.5 ℃時(shí)，OE值達(dá)到較高水平。

綜上所述，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约澳Ｐ蛿M合的基礎(chǔ)上，可以利用響應(yīng)面軟件對(duì)試驗(yàn)因素水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，即可在獲得較高OE值的條件下，取得各個(gè)影響因子的最優(yōu)參數(shù)方案，即在沉水植物黑藻復(fù)氧過(guò)程中，使得黑藻獲得較高復(fù)氧能力。通過(guò)分析兩因子交互作用，可確定水生植物黑藻主效環(huán)境因子，為后續(xù)水生植物栽種提供環(huán)境參考。

根據(jù)響應(yīng)面二次模型，通過(guò)軟件將運(yùn)行環(huán)境參數(shù)帶入模型公式，取得水生植物黑藻OE值最大條件下，環(huán)境因子優(yōu)化方案為光照10 159 lx、溫度21.0 ℃、pH 7.69、鹽度0.10%，在上述優(yōu)化條件下，OE值為58.72。

2.2浮葉植物荇菜環(huán)境因子響應(yīng)面分析

采用Box-Benhnken對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的二次響應(yīng)曲面方程如下：OE=32.83+5.22A-0.28B+0.89C-7.55D+1.95AB+0.38AC-1.02AD+0.30BC-0.59BD-0.62CD-0.71A2+0.42B2-3.07C2-2.64D2。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析可知，該研究所得模型適應(yīng)性顯著（P<0.000 1），失擬項(xiàng)并不顯著，說(shuō)明該試驗(yàn)采用的響應(yīng)面分析方法是可靠的。影響較為顯著的因素主要為D、A、AB、AD、D2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序?yàn)椋篈B>AD>CD>BD>AC>BC，其中CD、BD、AC、BC之間的交互影響可以忽略不計(jì)。單個(gè)因素對(duì)OE值影響順序?yàn)镈>A>C>B。

借助響應(yīng)面軟件分析二次模型方程，可以得到兩因素之間交互作用響應(yīng)面圖以及等值線圖。根據(jù)響應(yīng)面曲線圖可以分析兩因素交互作用對(duì)OE值的影響，進(jìn)而確定影響OE值的最佳因素取值范圍。其中光照與溫度、光照與鹽度交互作用顯著，其他2個(gè)因素組合交互作用并不明顯，但最優(yōu)化方案可通過(guò)軟件計(jì)算得出。

從兩因素對(duì)復(fù)氧能力OE交互作用的等值線和響應(yīng)曲面圖（圖2）可看出，試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，OE值隨著光照和溫度的變化呈拋物線變化趨勢(shì)，OE值隨著光照和溫度的升高而上升；當(dāng)光照為12 000 lx、光照為26.0 ℃時(shí)，OE值達(dá)到最大。試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，OE值隨著光照和鹽度的變化而呈拋物線變化趨勢(shì)，OE值隨著光照的升高或鹽度的降低而上升；當(dāng)光照為12 000 lx、鹽度為0時(shí)，OE值達(dá)到最大值。

根據(jù)響應(yīng)面二次模型可得到優(yōu)化方案為光照11 956 lx、溫度26.0 ℃、pH 7.50、鹽度0.12%，在上述優(yōu)化條件下，荇菜獲得較高復(fù)氧能力OE值，為46.32。

2.3挺水植物香蒲環(huán)境因子響應(yīng)面分析

采用Box-Benhnken對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的二次響應(yīng)曲面方程為：OE=56.09+3.26A-0.66B-1.11C-1.33D-0.15AB+3.80AC+1.27AD-0.22BC-0.096BD-1.65CD-0.33A2+0.50B2-4.87C2-2.53D2。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析可知，該研究所得模型適應(yīng)性顯著（P<0.000 1），失擬項(xiàng)并不顯著，說(shuō)明香蒲進(jìn)行響應(yīng)面分析所得的二次項(xiàng)模型是可行的。影響較為顯著的因素主要為A、D、AC、AD、CD、C2、D2。四因素交互作用影響OE值順序?yàn)锳C>CD>AD>BC>AB>BD，其中AD、BC、AB、BD之間的交互影響可以忽略不計(jì)。單個(gè)因素對(duì)OE值影響順序?yàn)锳>D>C>B。

借助響應(yīng)面軟件分析二次模型方程，可以得到兩因素之間交互作用響應(yīng)面圖以及等值線圖。根據(jù)響應(yīng)面曲線圖可以分析兩因素交互作用對(duì)OE值的影響，進(jìn)而確定影響OE值的最佳因素取值范圍。其中光照與pH、pH與鹽度交互作用顯著，其他2個(gè)因素組合交互作用并不明顯，但最優(yōu)化方案可通過(guò)軟件計(jì)算得出。

從兩因素對(duì)復(fù)氧能力OE交互作用的等值線和響應(yīng)曲面圖（圖3）可看出，試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，OE隨著光照和pH的變化呈拋物線變化趨勢(shì)；OE值隨著光照的升高而升高，同時(shí)也隨著pH的變化而變化；當(dāng)pH為7.15、光照為12 000 lx時(shí)，OE值達(dá)到最大值。試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，OE值隨著pH和鹽度的變化而呈拋物線變化趨勢(shì)；OE值隨著鹽度的升高而升高，同時(shí)也隨著pH的變化而變化；當(dāng)pH為7.00、鹽度為0.15%，OE值達(dá)到最大值。

根據(jù)響應(yīng)面二次模型可得到環(huán)境參數(shù)條件為光照12 000 lx、溫度21.0 ℃、pH 7.14、鹽度0.11%，在此優(yōu)化條件下，OE值為59.22。

3結(jié)論

（1）黑藻、荇菜和香蒲響應(yīng)面模型方程中一次項(xiàng)和二次項(xiàng)影響較為顯著，試驗(yàn)中因素與響應(yīng)值之間的影響是較為復(fù)雜的線性關(guān)系。黑藻影響較為顯著的因素主要為A、C、AC、A2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序?yàn)锳C>AB>CD>BC>AD>BD，其中CD、BC、AD、BD之間的交互影響可以忽略不計(jì)。單個(gè)因素對(duì)沉水植物黑藻OE的影響順序?yàn)镃>A>D>B。

（2）荇菜影響較為顯著的因素主要為D、A、AB、AD、D2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序?yàn)锳B>AD>CD>BD>AC>BC，其中CD、BD、AC、BC之間的交互影響可以忽略不計(jì)。單個(gè)因素對(duì)浮葉植物荇菜OE影響順序?yàn)椋篋>A>C>B。