人工湿地挺水植物净水能力的Meta分析

谢玉斌，权 全，邹 昊，吴 双，王 浩

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710199)

人工湿地是根据水生植物自身净化水质的原理建成的人工污水处理生态系统[1]，具有净化效果好、运行费用低、操作难度小和易维护等特点[2]，主要由水、基质、植物、水生动物及其微生物群落构成。利用人工湿地来净化水质的机理比较复杂，研究发现水生植物不仅能吸收净化污水中的氮、磷等污染物，还能提高整个湿地生态系统微生物的数量，调整其内部结构组成类型，进而强化其净水能力[3]。而挺水植物作为构建人工湿地的主要植物，不但具有吸收同化、拦截过滤污染物的作用[4]，而且生命周期比沉水植物、浮水植物长，能储存的氮、磷含量比较稳定，易通过定期收割植物来去除氮、磷[5]。因此，选择适当的挺水植物是构建人工湿地和恢复重建自然湿地的关键措施[6]。

本研究收集了我国近20年来发表的有关挺水植物净化水质的相关资料，通过应用Meta分析的原理，按不同水质指标、入流污染物浓度分类研究挺水植物对水体中的氮(TN)、磷(TP)和化学需氧量(COD)的去除率和稳定性，以筛选出净水效果较好的挺水植物，从而为应用挺水植物自身来净化水质的技术提供一定的参考。

1 研究方法

1.1 Meta分析

Meta分析又称“整合分析”或“汇总分析”，可以对已确定研究目标的多项独立实验结果加以整理、汇总，从而进行定量分析，找寻出该目标存在的特定规律，曾被广泛应用于医学和心理学领域，近些年来被引入到生态、环境学领域。

其主要步骤有：①根据研究目标制定选择文献的标准，广泛收集文献；②根据数据需求标准完成对所选文献数据的筛选；③根据研究对象的特征，选取相应模型并确定效应值的计算公式；④对数据进行异质性检验，采用相符的模型并计算综合效应值，确定置信区间，完成最终评价。

目前Meta分析在生态学领域中应用比较多的效应值是反应比。本研究选择类似于反应比的去除率r作为效应值来表征水生植物对总氮和总磷的净化能力[7]，计算公式为

(1)

式中：c0为污水的入流浓度，mg/L；c1为污水的出流浓度，mg/L。

计算综合效应值的模型有固定效应模型和随机效应模型两种，通常是通过卡方检验来判断效应值的异质性，进而决定采用何种模型[8-9]。

固定效应模型综合效应值计算公式为

(2)

式中：ri为单项研究的效应值；wi为每个研究的权重。 随机效应模型综合效应值计算公式为

(3)

采用Excel记录采集到的数据，用MetaWin和SPSS软件进行数据处理及分析。

1.2 数据收集

研究选用“湿地植物”“挺水植物”“去污效率”和“净化污水”等关键词在中国知网、CNMI、THE WEBLE OF SCENCE几种中英文文库中进行检索，筛选出1990—2019年的42篇相关文献(文末仅保留了主要的文献)[9-36]，这些文献还要满足以下条件：①所有数据资料结果都必须来源于去污试验；②数据资料中必须包括挺水植物的水质指标在入水和出水的浓度变化值或相应的去除率；③每项试验研究数值的平均值和标准差(或标准误差)均以具体数值或图表形式给出；④每项试验都必须是独立的，不能重复报道，对每个独立研究中的处理只能使用1个测量值。

文献筛选的主要内容有水质指标、挺水植物种类、试验时间、试验地区、污水来源等。其中：挺水植物有香蒲、芦苇、美人蕉、菖蒲、水葱、千屈菜6种；试验时间为植物生长阶段；污水来源主要是生活污水，也有部分来自于工业污水；试验地区主要为我国华北、华南、西南等地区。

2 结果与讨论

2.1 6种植物对不同水质指标的处理效果

按照不同的水质指标分别计算不同挺水植物的去除率效应值，并对各效应值进行异质性检验。结果表明，6种水生植物对TN、TP、COD的去除率效应值均具有同质性(卡方检验P>0.05)，所以采用固定效应模型计算综合效应值，并计算得到95%置信区间。

分析不同挺水植物对TN的去除效果，结果见图1。由图1可知，初选的6种水生植物对TN的去除率综合效应值为61.20%～70.28%，其中：芦苇对TN的去除率综合效应值最高，为70.28%；香蒲次之，去除率综合效应值为68.01%；而菖蒲和水葱、千屈菜对TN的去除率综合效应值则较低。比较95%置信区间发现，芦苇和香蒲对TN的去除效果稳定性较好，其他挺水植物对TN的去除效果稳定性较为一般。

图1 6种水生植物对TN去除率

分析不同挺水植物对TP的去除效果，结果见图2。由图2可知，初选的6种水生植物对TP的去除率综合效应值为59.92%～78.45%，其中：美人蕉对TP的去除率综合效应值最高，为78.45%；芦苇次之，为74.94%；水葱、千屈菜、香蒲对TP的去除率综合效应值比较接近，均在67%以上；而菖蒲对TP的去除率综合效应值最低，仅为59.92%。比较95%置信区间发现，芦苇对TP的去除效果稳定性最好，美人蕉、香蒲次之，千屈菜的去除效果稳定性最差。

图2 6种水生植物对TP的去除率

分析不同挺水植物对COD的去除率效应值，结果见图3。由图3可知，所选的6种水生植物对COD的去除率综合效应值为60.29%～71.56%,其中：美人蕉对COD的去除率综合效应值最高，为71.56%；其次是千屈菜，为71.26%；除水葱外，香蒲、菖蒲、芦苇对COD的去除率综合效应值均在67%以上。比较95%置信区间可知，芦苇对COD的去除效果稳定性最好，香蒲次之，菖蒲的去除效果稳定性最差。

图3 6种水生植物对COD的去除率

2.2 不同入流浓度条件下的处理效率

所选6种挺水植物对不同污染物的不同入流浓度的处理效果存在差异。根据《地表水环境质量标准》中的V类水标准限值、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 19818—2002)中最高容许排放浓度一级B标准和2倍于一级B标准的浓度，将人工湿地入流水质污染程度按低浓度、中浓度、高浓度、超高浓度分为4个等级，分类标准见表1。

表1 入流水质分类标准

分别计算污染物在不同入流浓度条件下6种植物的综合去除率效应值，结果见图4。

图4 不同污染物入流浓度的处理效果

由图4可知，6种挺水植物对污染物在不同入流浓度条件下的处理效果：对TN在低入流浓度条件下能取得较好的处理效果，其去除率最高但去除效果稳定性最差，在中、高入流浓度条件下去除率稍低但去除效果稳定性较好；对TP在高和超高入流浓度条件下能取得较好的处理效果，其中对超高入流浓度条件下去除效果稳定性最好，对高入流浓度条件下虽然去除率最高但去除效果稳定性最差；对COD在超高入流浓度条件下可以取得较好的处理效果，其去除率最高且去除稳定性最好，在中入流浓度条件下的去除效果稳定性较差。

3 结果与说明

运用Meta分析对近20年来发表的有关净水处理效率的文章进行了比较研究，并按照不同挺水植物种类和污染物不同入流浓度两个影响因素分析了挺水植物对TN、TP、COD的去除率及稳定性。根据分析与讨论，可以得出以下结论：

(1)芦苇和香蒲对TN的去除率较高且去除效果稳定性接近，美人蕉、芦苇、香蒲对TP的去除率较高且稳定性较好，芦苇、香蒲对COD的去除率和稳定性都较好。

(2)所选6种挺水植物，对TN在低入流浓度条件下可以取得较好的处理效果，对TP在高和超高入流浓度条件下可以取得较好的处理效果，对COD在超高入流浓度条件下可以取得较好的处理效果。

(3)经分析筛选表明，芦苇、香蒲、美人蕉是对富营养化水体净化效果较好的3种挺水植物。我们可以根据其不同的净化能力和经济价值，设计不同的植物组合来搭配使用，以更好地发挥挺水植物净化水体、美化环境的功能。