基于灰色關(guān)聯(lián)度分析挺水植物模擬生活污水的凈化能力

賀義昌 何素琳 張繼紅 任瓊 葉選 趙攀 鄭育桃

摘要 以17種挺水植物為研究對象，對挺水植物進行馴化處理，隨后移植在模擬生活污水中培養(yǎng)，在不同的時間段內(nèi)采集水質(zhì)，并對水質(zhì)中的總氮、總磷、氨氮和化學(xué)需氧量以及pH進行監(jiān)測，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析評價挺水植物的綜合凈化水質(zhì)的能力。結(jié)果表明，不同的挺水植物對單個水質(zhì)指標的去污能力差異較大；灰色關(guān)聯(lián)度分析17種挺水植物綜合去污能力優(yōu)等的有3種，分別是旱傘草、紫芋和燈芯草；綜合去污能力良好的有6種，分別是海壽花、水蔥、溪蓀、水生美人蕉、花葉蘆竹、再力花；綜合去污能力中等的有5種，分別是香蒲、水芹、慈姑、紙莎草、澤瀉；綜合去污能力較低的有3種，分別是千屈菜、黃菖蒲、菰。初步篩查出9種挺水植物具有良好的綜合去污效果，試驗結(jié)果可為后續(xù)小微濕地水生植物示范與推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 挺水植物；灰色關(guān)聯(lián)度分析；綜合去污能力

中圖分類號 X171.1 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0069-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Analysis of Purification Capacity of Emergent Plants to Simulate Domestic Sewage Based on Grey Relational Degree

HE Yi-chang，HE Su-lin，ZHANG Ji-hong?? et al

（Jiangxi Academy of Forestry，Nanchang，Jiangxi 330032）

Abstract In this paper，17 kinds of emergent plants are taken as research objects，and they are domesticated，and then transplanted into simulated domestic sewage for cultivation.Water quality is collected in different time periods，and the total nitrogen，total phosphorus，ammonia nitrogen，chemical oxygen demand and pH value of water quality are monitored.Grey correlation analysis is used to evaluate the comprehensive purification ability of emergent plants.The results showed that the decontamination ability of different emergent plants to a single water quality index was significantly different;according to the grey correlation analysis，three of the 17 emergent plants had the best comprehensive decontamination ability，which were Umbrella，Amorphophallus purpureus and Dendrolimus;there are 6 kinds with good comprehensive decontamination ability，namely，Haishouhua，Shuicong，Xisung，aquatic canna，flowering and leafy asparagus，Zailihua;there are 5 kinds with medium comprehensive decontamination capacity，namely cattail，water celery，arrowhead，papyrus and alisma orientalis;there are 3 species with low comprehensive decontamination capacity，namely，Lythrum，Acorus calamus and Zizania latifolia.Nine emergent plants have been preliminarily screened and have good comprehensive decontamination effect.The test results can provide basic data for the subsequent demonstration and promotion of aquatic plants in small and micro wetlands.

Key words Emergent plants;Grey correlation analysis;Comprehensive decontamination capacity

基金項目 2021年中央財政濕地保護與恢復(fù)補助項目（2021143）；江西農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2021）。

作者簡介 賀義昌（1986—），男，江西九江人，助理研究員，碩士，從事小微濕地調(diào)查研究。*通信作者，副研究員，碩士，從事小微濕地、園林設(shè)計研究。

收稿日期 2023-02-05；修回日期 2023-02-23

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的加速、鄉(xiāng)村振興的推進、農(nóng)耕化肥的過度使用等，造成水環(huán)境嚴重破壞。如何凈化水環(huán)境污染，恢復(fù)水體的綜合功能越來越受到人們的關(guān)注。目前，凈化水體的方法主要有化學(xué)法、物理法和植被生態(tài)修復(fù)法。物理法和化學(xué)法由于成本高、耗時長、易造成二次污染等缺陷，逐漸被植被修復(fù)生態(tài)法所替代，生態(tài)修復(fù)主要是采用水生植物去除水體營養(yǎng)鹽，并利用水生植物發(fā)達的根系為微生物附著提供場所，同時吸附水質(zhì)的懸浮物質(zhì)，從而達到凈化的目的。

近年來，采用水生植物凈化污水的研究報道較多，然而不同水生植物對水質(zhì)凈化的效果差異較大。倪蒙等研究了輪葉黑藻、空心菜、鳶尾、生菜、香菇草、香蒲和水芹等7種不同的水生植物對水質(zhì)的凈化效果，結(jié)果表明，空心菜對總氮、總磷和化學(xué)需氧量凈化效果最佳，輪葉黑藻對氨氮和硝態(tài)氮凈化效果最佳；楊賢鑫等研究了10種水生植物對水質(zhì)凈化效果，結(jié)果表明水芹、紙莎草和蓼對總磷和總氮的吸收效果最佳，去除率達到65%以上；羅海霞等比較了旱傘草、黃菖蒲、再力花、美人蕉、鳶尾5種水生植物的脫氮除磷效果，結(jié)果表明，旱傘草脫氮除磷效果最好，不同植物的直接吸收同化除磷能力與植物生長狀況密切相關(guān)，長勢越好、生物量越大的植物同化除磷能力越強；大多數(shù)報道均是對總磷和總氮進行檢測，而pH、化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH-N）也是評價水環(huán)境質(zhì)量標準的基本項目，是反映水體狀況的重要指標。該研究選取了17種水生植物，模擬生物污水，通過水生植物在模擬生活污水中培養(yǎng)一段時間，監(jiān)測水質(zhì)的總氮、總磷、氨氮和化學(xué)需氧量以及pH的變化，采用灰色關(guān)聯(lián)度評價水生植物綜合去污效果，以期為后續(xù)小微濕地示范提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

挺水植物均購買于江西潤通水生植物種植有限公司，長勢一致且生長狀況均良好。具體名錄見表1。試驗前，將水生植物分株、洗凈后將其整體置于盛有水的塑料桶中預(yù)培養(yǎng)，備用。試驗基質(zhì)選取沙石，取自贛江，過濾洗凈，晾干備用。試驗容器為白色塑料水箱規(guī)格為長66 cm、寬33 cm、高45 cm。

1.2 試驗水體 試驗在江西省林業(yè)科學(xué)院玻璃溫室中（28°74′N，115°82′E）進行，在試驗前將所有植物用自來水進行整體清洗，清洗過程中避免植物根須和莖稈受損，且在自來水中統(tǒng)一馴化培養(yǎng)30 d。待其生長穩(wěn)定后，將17種挺水植物分別放入試驗水箱中靜態(tài)培養(yǎng)。根據(jù)前期對全省小微濕地的調(diào)查結(jié)果，試驗所用的生活污水使用磷酸二氫鉀、無水乙酸鈉、硫酸銨來模擬富營養(yǎng)化的農(nóng)村污水，最初總氮濃度為1.473 mg/L，總磷濃度為0.549 mg/L，氨氮濃度為1.173 mg/L，COD濃度為35.000 mg/L。

1.3 試驗設(shè)計

挺水植物采用PVC框進行固定，PVC框用網(wǎng)目為0.5 cm×0.5 cm的網(wǎng)片覆蓋并固定；每個試驗水箱中放入6株長勢一致的水生植物，每種植物設(shè)置4個重復(fù)，同時設(shè)置無植物水體為空白對照組（CK）。試驗周期為2022年6月27—7月18日。試驗期間，定期補充自來水，用以補充因蒸發(fā)以及采樣等所消耗的水分，確保試驗水箱中水位保持穩(wěn)定。

1.4 水樣采集

分別于試驗后第0、7、14、21天進行水樣采集，采集時間均在08：00—09：00，為避免試驗誤差，當天測定檢測指標（氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量）并對數(shù)據(jù)進行整理分析。取樣時在距離水面10 cm處采集500 mL水樣。

1.5 檢測方法

總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷采用鉬酸銨分光光度法，氨氮采用納氏試劑光度法，COD采用測定高錳酸鹽指數(shù)的方法，pH采用pH計測量。

1.6 指標計算方法

水體中污染物去除率（L）：

L=（C-C）/C×100%??? （1）

各指標的吸收量（C）：

C=C-C??? （2）

式中：L為去除率；C為試驗開始時水體中的污染物濃度；C為第i天水體中的污染物濃度。

1.7 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理采用MATALB進行處理，圖標制作采樣Excel 2019軟件進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 挺水植物對水體中總氮的凈化效果

從圖1可知，在挺水植物中總氮去除效果最好的為水生美人蕉。在21 d后對總氮的去除率達到69.45%，最差的為千屈菜。對總氮的去除量由高到低為水生美人蕉>香蒲=水芹=澤瀉>海壽花=旱傘草=紙莎草>慈姑>溪蓀>紫芋>水蔥>菰>燈芯草>花葉蘆竹>再力花>黃菖蒲>千屈菜。

2.2 挺水植物對水體中總磷的去除效果

從圖2可知，在挺水植物中總磷去除效果最好的為紫芋。在21 d后對總磷的去除率達到96.36%，最差的為溪蓀。挺水植物中對總磷的去除量由高到低為紫芋>旱傘草>水蔥=花葉蘆竹>香蒲>黃菖蒲>慈姑>水生美人蕉=燈芯草=千屈菜>水芹>紙莎草>澤瀉>菰>再力花>海壽花>溪蓀。

2.3 挺水植物對水體中氨氮的去除效果

從圖3可知，在挺水植物中氨氮去除效果最好的為旱傘草。在21 d后對氨氮的去除率達到85.51%，最差的為菰。挺水植物中對氨氮的去除量由高到低為旱傘草>海壽花>燈芯草=溪蓀>再力花>水蔥>花葉蘆竹>水芹>水生美人蕉>紫芋>慈姑>紙莎草>澤瀉>香蒲>黃菖蒲>千屈菜>菰。

2.4 挺水植物對水體中化學(xué)需氧量的去除效果

從圖4可知，在挺水植物中化學(xué)需氧量去除效果最好的為紫芋。在21 d后對化學(xué)需氧量的去除率達到79.29%，最差的為菰。挺水植物中對化學(xué)需氧量的去除量由高到低為紫芋>溪蓀>海壽花>再力花=燈芯草>旱傘草>水蔥=水生美人蕉>香蒲>花葉蘆竹>紙莎草>千屈菜>慈姑>澤瀉>水芹>黃菖蒲>菰。

2.5 挺水植物對模擬生活污水整體凈化能力

2.5.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析。

2.5.1.1 確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。

對挺水植物樣品進行分析時，首先將供試的17種挺水植物看成一個灰色系統(tǒng)，每一種挺水植物去除率為該系統(tǒng)中的一個因素，分析挺水植物去除率在灰色系統(tǒng)中每種去除率間的聯(lián)系程度即關(guān)聯(lián)度。人為構(gòu)建一個挺水植物去除率參考品種X，將參考品種的不同去除率作為參考數(shù)列，每種品種的去除率為比較數(shù)列X，計算出各挺水植物的不同指標的去除率與參考品種相應(yīng)指標之間的關(guān)聯(lián)度，即可評價每種水生植物綜合去除能力的高低。該研究參考品種X取所有樣品活性含量中的最大值。若參考數(shù)列為X（k），比較數(shù)列為X（k），參考數(shù)列的計算公式為：

2.5.1.2 數(shù)據(jù)的無量綱化處理。

各種不同挺水植物不同指標的去除率的測定值相差較大，不易比較，須進行標準化處理。采用極小化處理方法，即用各樣本測定值除以參考數(shù)列，得到各項數(shù)值都在0～1的新數(shù)列，見表2。

均值化計算公式：

X（k）=X（k）/X（k） i=1，2，…，n;k=1，2，…，5??? （4）

2.5.2 計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

第一步：先計算標準絕對差，即最大和最小樣本差：

第二步：計算各樣本數(shù)據(jù)與參考數(shù)列的關(guān)系系數(shù)：

式中：ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5，ξ（k）為比較列X的第k個元素與參考數(shù)列X的第k個元素之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。計算結(jié)果見表3。

2.5.3 計算灰色關(guān)聯(lián)度。

為避免信息過于分散及便于比較，將每種挺水植物的各項去除率指標與參考數(shù)列相對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)取算術(shù)平均值，即得到等權(quán)關(guān)聯(lián)度（γ）。計算結(jié)果見表4。

式中：n為每種樣本的活動去除率個數(shù)，該式中n=4。

2.5.4 關(guān)聯(lián)度排序及評價。

計算出等權(quán)關(guān)聯(lián)度后，將其排序，得到最終樣本的排列次序，然后對其去除率進行分析評價。當γ≥0.700 0時，判定去除率優(yōu)等；當0.600 0≤γ<0.700 0 時，判定去除率良好；當0.500 0≤γ<0.600 0時，判定去除率中等；若γ<0.500 0，則判定去除率較低（表4）。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的分析原則，以培養(yǎng)21 d為基準。理論上，參考挺水植物的品種是最優(yōu)的，實際挺水植物樣品與參考品種的關(guān)聯(lián)度越大，其綜合去除率越優(yōu)。據(jù)此判定，17個不同挺水植物綜合去除率最優(yōu)的是旱傘草。綜合去除率優(yōu)等的是紫芋和燈芯草；綜合去除率良好的是海壽花、水蔥、溪蓀、水生美人蕉、花葉蘆竹、再力花；綜合去除率中等的是香蒲、水芹、慈姑、紙莎草、澤瀉；綜合去除率較低的是千屈菜、黃菖蒲、菰。

3 小結(jié)

運用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對17種挺水植物在富營養(yǎng)化水體中進行了去除率的評價，與其他研究不同的是，該研究綜合考慮了水質(zhì)中的總氮、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量以及pH共5個的綜合因素，避免了以往評價體系中只考慮了其中的一種或者兩種因素而忽略其他因素的弊端，旨在更加全面地分析挺水植物的凈化水質(zhì)的能力，經(jīng)研究pH在試驗過程中基本沒有變化，后期試驗沒有考慮。根據(jù)不同挺水植物的凈化水質(zhì)能力，考慮到景觀效果，篩選出9個具有良好的綜合去除率的不同挺水植物：旱傘草、紫芋、燈芯草、海壽花、水蔥、溪蓀、水生美人蕉、花葉蘆竹和再力花。篩選出的不同挺水植物可為小微濕地凈化水質(zhì)的研究提供思路。

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