基于灰色关联度分析挺水植物模拟生活污水的净化能力

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

中图分类号 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^[1-2]。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^[3-4]。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^[5-7]。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^[8-11]，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^[12]。

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^[13]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^[14]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^[15]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（NH₄⁺-N）也是评价水环境质量标准的基本项目，是反映水体状况的重要指标。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=（C₀-C_i）/C₀×100%    （1）

各指标的吸收量（C）：

C=C₀-C_i    （2）

式中：L为去除率；C₀为试验开始时水体中的污染物浓度；C_i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。