贺义昌 何素琳 张继红 任琼 叶选 赵攀 郑育桃

摘要 以17种挺水植物为研究对象，对挺水植物进行驯化处理，随后移植在模拟生活污水中培养，在不同的时间段内采集水质，并对水质中的总氮、总磷、氨氮和化学需氧量以及pH进行监测，采用灰色关联度分析评价挺水植物的综合净化水质的能力。结果表明，不同的挺水植物对单个水质指标的去污能力差异较大；灰色关联度分析17种挺水植物综合去污能力优等的有3种，分别是旱伞草、紫芋和灯芯草；综合去污能力良好的有6种，分别是海寿花、水葱、溪荪、水生美人蕉、花叶芦竹、再力花；综合去污能力中等的有5种，分别是香蒲、水芹、慈姑、纸莎草、泽泻；综合去污能力较低的有3种，分别是千屈菜、黄菖蒲、菰。初步筛查出9种挺水植物具有良好的综合去污效果，试验结果可为后续小微湿地水生植物示范与推广提供基础数据。

关键词 挺水植物；灰色关联度分析；综合去污能力

中圖分类号 X171.1 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0069-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.014

开放科学（资源服务）标识码（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

基金项目 2021年中央财政湿地保护与恢复补助项目（2021143）；江西农业大学大学生创新创业训练计划项目（2021）。

作者简介 贺义昌（1986—），男，江西九江人，助理研究员，硕士，从事小微湿地调查研究。*通信作者，副研究员，硕士，从事小微湿地、园林设计研究。

收稿日期 2023-02-05；修回日期 2023-02-23

随着我国社会经济的发展，城镇化进程的加速、乡村振兴的推进、农耕化肥的过度使用等，造成水环境严重破坏。如何净化水环境污染，恢复水体的综合功能越来越受到人们的关注。目前，净化水体的方法主要有化学法、物理法和植被生态修复法。物理法和化学法由于成本高、耗时长、易造成二次污染等缺陷，逐渐被植被修复生态法所替代，生态修复主要是采用水生植物去除水体营养盐，并利用水生植物发达的根系为微生物附着提供场所，同时吸附水质的悬浮物质，从而达到净化的目的。

近年来，采用水生植物净化污水的研究报道较多，然而不同水生植物对水质净化的效果差异较大。倪蒙等研究了轮叶黑藻、空心菜、鸢尾、生菜、香菇草、香蒲和水芹等7种不同的水生植物对水质的净化效果，结果表明，空心菜对总氮、总磷和化学需氧量净化效果最佳，轮叶黑藻对氨氮和硝态氮净化效果最佳；杨贤鑫等研究了10种水生植物对水质净化效果，结果表明水芹、纸莎草和蓼对总磷和总氮的吸收效果最佳，去除率达到65%以上；罗海霞等比较了旱伞草、黄菖蒲、再力花、美人蕉、鸢尾5种水生植物的脱氮除磷效果，结果表明，旱伞草脱氮除磷效果最好，不同植物的直接吸收同化除磷能力与植物生长状况密切相关，长势越好、生物量越大的植物同化除磷能力越强；大多数报道均是对总磷和总氮进行检测，而pH、化学需氧量（COD）和氨氮（NH-N）也是评价水环境质量标准的基本项目，是反映水體状况的重要指标。该研究选取了17种水生植物，模拟生物污水，通过水生植物在模拟生活污水中培养一段时间，监测水质的总氮、总磷、氨氮和化学需氧量以及pH的变化，采用灰色关联度评价水生植物综合去污效果，以期为后续小微湿地示范提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

挺水植物均购买于江西润通水生植物种植有限公司，长势一致且生长状况均良好。具体名录见表1。试验前，将水生植物分株、洗净后将其整体置于盛有水的塑料桶中预培养，备用。试验基质选取沙石，取自赣江，过滤洗净，晾干备用。试验容器为白色塑料水箱规格为长66 cm、宽33 cm、高45 cm。

1.2 试验水体 试验在江西省林业科学院玻璃温室中（28°74′N，115°82′E）进行，在试验前将所有植物用自来水进行整体清洗，清洗过程中避免植物根须和茎秆受损，且在自来水中统一驯化培养30 d。待其生长稳定后，将17种挺水植物分别放入试验水箱中静态培养。根据前期对全省小微湿地的调查结果，试验所用的生活污水使用磷酸二氢钾、无水乙酸钠、硫酸铵来模拟富营养化的农村污水，最初总氮浓度为1.473 mg/L，总磷浓度为0.549 mg/L，氨氮浓度为1.173 mg/L，COD浓度为35.000 mg/L。

1.3 试验设计

挺水植物采用PVC框进行固定，PVC框用网目为0.5 cm×0.5 cm的网片覆盖并固定；每个试验水箱中放入6株长势一致的水生植物，每种植物设置4个重复，同时设置无植物水体为空白对照组（CK）。试验周期为2022年6月27—7月18日。试验期间，定期补充自来水，用以补充因蒸发以及采样等所消耗的水分，确保试验水箱中水位保持稳定。

1.4 水样采集

分别于试验后第0、7、14、21天进行水样采集，采集时间均在08：00—09：00，为避免试验误差，当天测定检测指标（氨氮、总氮、总磷、化学需氧量）并对数据进行整理分析。取样时在距离水面10 cm处采集500 mL水样。

1.5 检测方法

总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法，氨氮采用纳氏试剂光度法，COD采用测定高锰酸盐指数的方法，pH采用pH计测量。

1.6 指标计算方法

水体中污染物去除率（L）：

L=（C-C）/C×100%    （1）

各指标的吸收量（C）：

C=C-C    （2）

式中：L为去除率；C为试验开始时水体中的污染物浓度；C为第i天水体中的污染物浓度。

1.7 数据处理 数据处理采用MATALB进行处理，图标制作采样Excel 2019软件进行绘制。

2 结果与分析

2.1 挺水植物对水体中总氮的净化效果

从图1可知，在挺水植物中总氮去除效果最好的为水生美人蕉。在21 d后对总氮的去除率达到69.45%，最差的为千屈菜。对总氮的去除量由高到低为水生美人蕉>香蒲=水芹=泽泻>海寿花=旱伞草=纸莎草>慈姑>溪荪>紫芋>水葱>菰>灯芯草>花叶芦竹>再力花>黄菖蒲>千屈菜。

2.2 挺水植物对水体中总磷的去除效果

从图2可知，在挺水植物中总磷去除效果最好的为紫芋。在21 d后对总磷的去除率达到96.36%，最差的为溪荪。挺水植物中对总磷的去除量由高到低为紫芋>旱伞草>水葱=花叶芦竹>香蒲>黄菖蒲>慈姑>水生美人蕉=灯芯草=千屈菜>水芹>纸莎草>泽泻>菰>再力花>海寿花>溪荪。

2.3 挺水植物对水体中氨氮的去除效果

从图3可知，在挺水植物中氨氮去除效果最好的为旱伞草。在21 d后对氨氮的去除率达到85.51%，最差的为菰。挺水植物中对氨氮的去除量由高到低为旱伞草>海寿花>灯芯草=溪荪>再力花>水葱>花叶芦竹>水芹>水生美人蕉>紫芋>慈姑>纸莎草>泽泻>香蒲>黄菖蒲>千屈菜>菰。

2.4 挺水植物对水体中化学需氧量的去除效果

从图4可知，在挺水植物中化学需氧量去除效果最好的为紫芋。在21 d后对化学需氧量的去除率达到79.29%，最差的为菰。挺水植物中对化学需氧量的去除量由高到低为紫芋>溪荪>海寿花>再力花=灯芯草>旱伞草>水葱=水生美人蕉>香蒲>花叶芦竹>纸莎草>千屈菜>慈姑>泽泻>水芹>黄菖蒲>菰。

2.5 挺水植物对模拟生活污水整体净化能力

2.5.1 灰色关联度分析。

2.5.1.1 确定参考数列和比较数列。

对挺水植物样品进行分析时，首先将供试的17种挺水植物看成一个灰色系统，每一种挺水植物去除率为该系统中的一个因素，分析挺水植物去除率在灰色系统中每种去除率间的联系程度即关联度。人为构建一个挺水植物去除率参考品种X，将参考品种的不同去除率作为参考数列，每种品种的去除率为比较数列X，计算出各挺水植物的不同指标的去除率与参考品种相应指标之间的关联度，即可评价每种水生植物综合去除能力的高低。该研究参考品种X取所有样品活性含量中的最大值。若参考数列为X（k），比较数列为X（k），参考数列的计算公式为：

2.5.1.2 数据的无量纲化处理。

各种不同挺水植物不同指标的去除率的测定值相差较大，不易比较，须进行标准化处理。采用极小化处理方法，即用各样本测定值除以参考数列，得到各项数值都在0～1的新数列，见表2。

均值化计算公式：

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

2.5.2 計算灰色关联系数。

第一步：先计算标准绝对差，即最大和最小样本差：

第二步：计算各样本数据与参考数列的关系系数：

式中：ρ为分辨系数，一般取0.5，ξ（k）为比较列X的第k个元素与参考数列X的第k个元素之间的关联系数。计算结果见表3。

2.5.3 计算灰色关联度。

为避免信息过于分散及便于比较，将每种挺水植物的各项去除率指标与参考数列相对应的关联系数取算术平均值，即得到等权关联度（γ）。计算结果见表4。

式中：n为每种样本的活动去除率个数，该式中n=4。

2.5.4 关联度排序及评价。

计算出等权关联度后，将其排序，得到最终样本的排列次序，然后对其去除率进行分析评价。当γ≥0.700 0时，判定去除率优等；当0.600 0≤γ<0.700 0 时，判定去除率良好；当0.500 0≤γ<0.600 0时，判定去除率中等；若γ<0.500 0，则判定去除率较低（表4）。

根据灰色关联度的分析原则，以培养21 d为基准。理论上，参考挺水植物的品种是最优的，实际挺水植物样品与参考品种的关联度越大，其综合去除率越优。据此判定，17个不同挺水植物综合去除率最优的是旱伞草。综合去除率优等的是紫芋和灯芯草；综合去除率良好的是海寿花、水葱、溪荪、水生美人蕉、花叶芦竹、再力花；综合去除率中等的是香蒲、水芹、慈姑、纸莎草、泽泻；综合去除率较低的是千屈菜、黄菖蒲、菰。

3 小结

运用灰色关联度分析法对17种挺水植物在富营养化水体中进行了去除率的评价，与其他研究不同的是，该研究综合考虑了水质中的总氮、总磷、氨氮、化学需氧量以及pH共5个的综合因素，避免了以往评价体系中只考虑了其中的一种或者两种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净化水质的能力，经研究pH在试验过程中基本没有变化，后期试验没有考虑。根据不同挺水植物的净化水质能力，考虑到景观效果，筛选出9个具有良好的综合去除率的不同挺水植物：旱伞草、紫芋、灯芯草、海寿花、水葱、溪荪、水生美人蕉、花叶芦竹和再力花。筛选出的不同挺水植物可为小微湿地净化水质的研究提供思路。

参考文献

[1]丁海涛，黄文涛，邓呈逊，等.水生植物对富营养化水体的净化效果研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2020，38（1）：112-116.

[2]高丁梅，杨涓，虎春宇，等.宁夏4种水生植物对富营养化水体净化效果的研究[J].农业科学研究，2012，33（2）：63-65.

[3]王焕，张志敏，梁浩亮，等.三种植物对富营养化水体净化效果的比较研究[J].水产科技情报，2013，40（5）：250-253.

[4]BATTY L C，DOLAN C.The potential use of phytoremediation for sites with mixed organic and inorganic contamination[J].Critical reviews in environmental science and technology，2013，43（3）：217-259.

[5]李妙，龙岳林，刘雪松.水生植物对污水净化功能的研究进展[J].山东林业科技，2007，37（5）：78-81.

[6]丁玲.水体透明度模型及其在沉水植物恢复中的应用研究[D].南京：河海大学，2006.

[7]苏瑞宝.AtAGT1基因在水生植物芦苇和黄菖蒲中过表达探索[D].天津：南开大学，2014.

[8]刘敏，吴铁明，刘菡，等.3种水生植物的不同组合对富营养水体的净化效果研究[J].中国农业科技导报，2019，21（7）：155-160.

[9]叶旭红，申秀英.水生植物对受污水体净化作用的研究进展[J].海洋湖沼通报，2011（3）：111-116.

[10]SHELEF O，GROSS A，RACHMILEVITCH S.Role of plants in a constructed wetland：Current and new perspectives [J].Water，2013，5（2）：405-419.

[11]王敏，张晖，曾惠娴，等.水体富营养化成因·现状及修复技术研究进展[J].安徽农业科学，2022，50（6）：1-6，11.

[12]刘波，王国祥，王风贺，等.不同曝气方式对城市重污染河道水体氮素迁移与转化的影响[J].环境科学，2011，32（10）：2971-2978.

[13]倪蒙，储忝江，刘梅，等.水生植物种类及覆盖率水质净化效果研究[J].水产科学，2023，42（6）：1063-1071.

[14]杨贤鑫，易佳宇，刘旺香，等.10种水生植物水质净化效果及生态设计应用研究[J].现代园艺，2019（19）：8-10.

[15]罗海霞，涂卫国，杨华，等.5种水生植物的脱氮除磷效果比较[J].山东化工，2022，51（18）：200-202，205.

[16]李炳军，朱春阳，周杰.原始数据无量纲化处理对灰色关联序的影响[J].河南农业大学学报，2002，36（2）：199-202.