人工濕地挺水植物凈水能力的Meta分析

謝玉斌，權 全，鄒 昊，吳 雙，王 浩

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710199)

人工濕地是根據水生植物自身凈化水質的原理建成的人工污水處理生態系統[1]，具有凈化效果好、運行費用低、操作難度小和易維護等特點[2]，主要由水、基質、植物、水生動物及其微生物群落構成。利用人工濕地來凈化水質的機理比較復雜，研究發現水生植物不僅能吸收凈化污水中的氮、磷等污染物，還能提高整個濕地生態系統微生物的數量，調整其內部結構組成類型，進而強化其凈水能力[3]。而挺水植物作為構建人工濕地的主要植物，不但具有吸收同化、攔截過濾污染物的作用[4]，而且生命周期比沉水植物、浮水植物長，能儲存的氮、磷含量比較穩定，易通過定期收割植物來去除氮、磷[5]。因此，選擇適當的挺水植物是構建人工濕地和恢復重建自然濕地的關鍵措施[6]。

本研究收集了我國近20年來發表的有關挺水植物凈化水質的相關資料，通過應用Meta分析的原理，按不同水質指標、入流污染物濃度分類研究挺水植物對水體中的氮(TN)、磷(TP)和化學需氧量(COD)的去除率和穩定性，以篩選出凈水效果較好的挺水植物，從而為應用挺水植物自身來凈化水質的技術提供一定的參考。

1 研究方法

1.1 Meta分析

Meta分析又稱“整合分析”或“匯總分析”，可以對已確定研究目標的多項獨立實驗結果加以整理、匯總，從而進行定量分析，找尋出該目標存在的特定規律，曾被廣泛應用于醫學和心理學領域，近些年來被引入到生態、環境學領域。

其主要步驟有：①根據研究目標制定選擇文獻的標準，廣泛收集文獻；②根據數據需求標準完成對所選文獻數據的篩選；③根據研究對象的特征，選取相應模型并確定效應值的計算公式；④對數據進行異質性檢驗，采用相符的模型并計算綜合效應值，確定置信區間，完成最終評價。

目前Meta分析在生態學領域中應用比較多的效應值是反應比。本研究選擇類似于反應比的去除率r作為效應值來表征水生植物對總氮和總磷的凈化能力[7]，計算公式為

(1)

式中：c0為污水的入流濃度，mg/L；c1為污水的出流濃度，mg/L。

計算綜合效應值的模型有固定效應模型和隨機效應模型兩種，通常是通過卡方檢驗來判斷效應值的異質性，進而決定采用何種模型[8-9]。

固定效應模型綜合效應值計算公式為

(2)

式中：ri為單項研究的效應值；wi為每個研究的權重。 隨機效應模型綜合效應值計算公式為

(3)

采用Excel記錄采集到的數據，用MetaWin和SPSS軟件進行數據處理及分析。

1.2 數據收集

研究選用“濕地植物”“挺水植物”“去污效率”和“凈化污水”等關鍵詞在中國知網、CNMI、THE WEBLE OF SCENCE幾種中英文文庫中進行檢索，篩選出1990—2019年的42篇相關文獻(文末僅保留了主要的文獻)[9-36]，這些文獻還要滿足以下條件：①所有數據資料結果都必須來源于去污試驗；②數據資料中必須包括挺水植物的水質指標在入水和出水的濃度變化值或相應的去除率；③每項試驗研究數值的平均值和標準差(或標準誤差)均以具體數值或圖表形式給出；④每項試驗都必須是獨立的，不能重復報道，對每個獨立研究中的處理只能使用1個測量值。

文獻篩選的主要內容有水質指標、挺水植物種類、試驗時間、試驗地區、污水來源等。其中：挺水植物有香蒲、蘆葦、美人蕉、菖蒲、水蔥、千屈菜6種；試驗時間為植物生長階段；污水來源主要是生活污水，也有部分來自于工業污水；試驗地區主要為我國華北、華南、西南等地區。

2 結果與討論

2.1 6種植物對不同水質指標的處理效果

按照不同的水質指標分別計算不同挺水植物的去除率效應值，并對各效應值進行異質性檢驗。結果表明，6種水生植物對TN、TP、COD的去除率效應值均具有同質性(卡方檢驗P>0.05)，所以采用固定效應模型計算綜合效應值，并計算得到95%置信區間。

分析不同挺水植物對TN的去除效果，結果見圖1。由圖1可知，初選的6種水生植物對TN的去除率綜合效應值為61.20%～70.28%，其中：蘆葦對TN的去除率綜合效應值最高，為70.28%；香蒲次之，去除率綜合效應值為68.01%；而菖蒲和水蔥、千屈菜對TN的去除率綜合效應值則較低。比較95%置信區間發現，蘆葦和香蒲對TN的去除效果穩定性較好，其他挺水植物對TN的去除效果穩定性較為一般。

圖1 6種水生植物對TN去除率

分析不同挺水植物對TP的去除效果，結果見圖2。由圖2可知，初選的6種水生植物對TP的去除率綜合效應值為59.92%～78.45%，其中：美人蕉對TP的去除率綜合效應值最高，為78.45%；蘆葦次之，為74.94%；水蔥、千屈菜、香蒲對TP的去除率綜合效應值比較接近，均在67%以上；而菖蒲對TP的去除率綜合效應值最低，僅為59.92%。比較95%置信區間發現，蘆葦對TP的去除效果穩定性最好，美人蕉、香蒲次之，千屈菜的去除效果穩定性最差。

圖2 6種水生植物對TP的去除率

分析不同挺水植物對COD的去除率效應值，結果見圖3。由圖3可知，所選的6種水生植物對COD的去除率綜合效應值為60.29%～71.56%,其中：美人蕉對COD的去除率綜合效應值最高，為71.56%；其次是千屈菜，為71.26%；除水蔥外，香蒲、菖蒲、蘆葦對COD的去除率綜合效應值均在67%以上。比較95%置信區間可知，蘆葦對COD的去除效果穩定性最好，香蒲次之，菖蒲的去除效果穩定性最差。

圖3 6種水生植物對COD的去除率

2.2 不同入流濃度條件下的處理效率

所選6種挺水植物對不同污染物的不同入流濃度的處理效果存在差異。根據《地表水環境質量標準》中的V類水標準限值、《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 19818—2002)中最高容許排放濃度一級B標準和2倍于一級B標準的濃度，將人工濕地入流水質污染程度按低濃度、中濃度、高濃度、超高濃度分為4個等級，分類標準見表1。

表1 入流水質分類標準

分別計算污染物在不同入流濃度條件下6種植物的綜合去除率效應值，結果見圖4。

圖4 不同污染物入流濃度的處理效果

由圖4可知，6種挺水植物對污染物在不同入流濃度條件下的處理效果：對TN在低入流濃度條件下能取得較好的處理效果，其去除率最高但去除效果穩定性最差，在中、高入流濃度條件下去除率稍低但去除效果穩定性較好；對TP在高和超高入流濃度條件下能取得較好的處理效果，其中對超高入流濃度條件下去除效果穩定性最好，對高入流濃度條件下雖然去除率最高但去除效果穩定性最差；對COD在超高入流濃度條件下可以取得較好的處理效果，其去除率最高且去除穩定性最好，在中入流濃度條件下的去除效果穩定性較差。

3 結果與說明

運用Meta分析對近20年來發表的有關凈水處理效率的文章進行了比較研究，并按照不同挺水植物種類和污染物不同入流濃度兩個影響因素分析了挺水植物對TN、TP、COD的去除率及穩定性。根據分析與討論，可以得出以下結論：

(1)蘆葦和香蒲對TN的去除率較高且去除效果穩定性接近，美人蕉、蘆葦、香蒲對TP的去除率較高且穩定性較好，蘆葦、香蒲對COD的去除率和穩定性都較好。

(2)所選6種挺水植物，對TN在低入流濃度條件下可以取得較好的處理效果，對TP在高和超高入流濃度條件下可以取得較好的處理效果，對COD在超高入流濃度條件下可以取得較好的處理效果。

(3)經分析篩選表明，蘆葦、香蒲、美人蕉是對富營養化水體凈化效果較好的3種挺水植物。我們可以根據其不同的凈化能力和經濟價值，設計不同的植物組合來搭配使用，以更好地發揮挺水植物凈化水體、美化環境的功能。