張岳　顏秀勤　趙新華

摘要[目的]研究多種環(huán)境因子及其交互作用對水生植物復氧的影響。[方法]采用不同種類水生植物對實施環(huán)境調(diào)控后水生植物復氧能力的響應情況進行考察，研究主效環(huán)境因子之間交互作用產(chǎn)生的影響，從而解析不同種類水生植物復氧變化規(guī)律。[結果]黑藻、荇菜和香蒲響應面模型方程中一次項和二次項影響較為顯著，試驗中因素與響應值之間的影響是較為復雜的線性關系。單個因素對黑藻、荇菜和香蒲的復氧能力值（OE）影響順序分別為pH>光照（L）>鹽度（S）>溫度（T），S>L> pH>T，L>S>pH>T。根據(jù)響應面二次模型可得到3種水生植物環(huán)境因子優(yōu)化方案，黑藻優(yōu)化方案為：L為10 159 lx、T為21 ℃、pH為7.69，S為0.10%，在上述優(yōu)化條件下，黑藻OE值為58.72；荇菜優(yōu)化方案為：L為11 956 lx、T為26 ℃、pH為7.5，S為0.12%，在上述優(yōu)化條件下，荇菜OE值為46.32；香蒲優(yōu)化方案為：L為12 000 lx、T為21 ℃、pH為7.14，S為0.11%，在上述優(yōu)化條件下，香蒲OE值為59.22。[結論]該研究為臭水體水生植物光合作用復氧技術研究提供依據(jù)。

關鍵詞水生植物；水體復氧；黑臭水體；響應面分析；環(huán)境因子；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號X52文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2018）28-0060-05

Study on Optimization of Reoxygenation Environmental Factors Parameters of Aquatic Plants Based on Response Surface Analysis

ZHANG Yue1，2，YAN Xiuqin2，ZHAO Xinhua1 et al（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072；2.China Municipal Engineering North China Design and Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300074）

Abstract[Objective] The research aimed to study the effects of various environmental factors and their interactions on reoxygenation of aquatic plants.[Method]The response of different types of aquatic plants to the reoxygenation capacity of aquatic plants after environmental regulation was investigated to study the effects of interactions between major environmental factors，and to analyze the changes of reoxygenation of different aquatic plants.[Result]The effects of primary and secondary terms in the model equations of Hydrilla verticillata，Nymphoides peltatum and Typha orientalis were relatively significant，and the influence between the experimental factors and the response values was a more complex linear relationship.The influence order of single factor on the reoxygenation capacity （OE） of Hydrilla verticillata，Nymphoides peltatum and Typha orientalis was pH>Lighting （L）>Salinity （S）>Temperature （T），S>L>pH>T，L> S>pH>T.According to the response surface quadratic model，three aquatic plant environmental factor optimization schemes could be obtained.The optimization scheme of Hydrilla verticillata was：L was 10 159 lx，T was 21 ℃，pH was 7.69，S was 0.10%；under the above optimized conditions，the OE value was 58.72.The optimization scheme of Nymphoides peltatum was：L was 11 956 lx，T was 26 ℃，pH was 7.5，S was 0.12%；under the above optimized conditions，the OE value of Nymphoides peltatum was 46.32；the optimization scheme of scheme was：L was 12 000 lx，T was 21 ℃，pH was 7.14 and S was 0.11%.；under the above optimized conditions，the cattail OE value was 59.22.[Conclusion] The study provides the theoretical basis for the monitoring of the water environment.

Key wordsAquatic plants；Water reoxygenation；Black odor water；Response surface analysis；Environmental factors；Parameter optimization

城市黑臭水體的治理是一項復雜的工程，由于城市河流在城市發(fā)展過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，對黑臭水體的治理技術研究已經(jīng)成為現(xiàn)階段水體治理領域關注的重點[1-3]。為了改善城市河道水質，在對城市黑臭水體進行治理時，增加河流中的溶解氧含量是提高水體自凈能力、加速水中污染物降解、改善水體黑臭的重要措施[4-7]。

水生植物復氧與多種環(huán)境因子密切相關，目前國內(nèi)外關于環(huán)境因子尤其單一環(huán)境因子對水生植物復氧的影響存在不少分歧，環(huán)境因子對水生植物復氧的影響有待進一步研究[8-10]。筆者基于多參數(shù)的響應面環(huán)境因子調(diào)控試驗，通過分析環(huán)境因子對水生植物復氧的影響，探討環(huán)境因子與復氧效果之間的關系，從而確定主效環(huán)境因子以及因子之間交互作用產(chǎn)生的影響，實現(xiàn)水生植物復氧環(huán)境因子的優(yōu)化調(diào)控，進而掌握水生植物復氧變化規(guī)律，為研究黑臭水體水生植物光合作用復氧技術提供依據(jù)，同時為城市水體水污染治理工程的建設提供技術支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1水生植物。

通過查閱文獻，根據(jù)生物量大、適應性強、具有經(jīng)濟利用性等原則選取水生植物。沉水植物中黑藻、浮葉植物中荇菜、挺水植物中香蒲具有較好的復氧效果，故選取上述3種水生植物進行響應面試驗。

1.1.2試驗用水。

試驗用水取自宜興市蛟橋河，河面寬度為2～3 m，河道水深1～2 m，流速較慢，COD 50～62 mg/L，TN 8.15～10.5 mg/L，TP 3.23～6.19 mg/L，氨氮5.22～9.34 mg/L，透明度10～20 cm，溶解氧4.51～8.57 mg/L，ORP為-52.63～75.74 mv。

1.2試驗裝置

試驗裝置由直徑15 cm、高度40 cm的有機玻璃柱構成，在裝置側面設置出水口，裝置底部基質主要由礫石（粒徑15 cm）和砂子（粒徑 < 2 mm）組成。自下而上分別鋪設厚度為2.5 cm的礫石和2.5 cm的砂子，裝置水體深度為30 cm。采用自來水沖洗試驗所用水生植物，之后將水生植物置于富營養(yǎng)化水體中進行適應性水培。水培7 d后挑選出生長狀況較好的水生植物，清洗干凈后自然風干10 min，稱重后放入試驗裝置中。

1.3水生植物響應面環(huán)境因素水平該研究所選取的影響復氧的環(huán)境參數(shù)包括光照（L）、溫度（T）、pH、鹽度（S），采用水生植物復氧能力OE值作為考察的指標，綜合考慮單因素試驗中環(huán)境因子對水生植物生理生長、凈化污染物能力和復氧能力的影響，3種水生植物單因素環(huán)境因子結果如表1所示。

根據(jù)單因素試驗結果確定各環(huán)境因子的范圍，試驗采用4因素3水平，運用響應面分析軟件Design-Expert 8.0對數(shù)據(jù)進行處理優(yōu)化，響應面分析中所需3種水生植物環(huán)境因子參數(shù)的變量水平，其取值依據(jù)主要為上一年度單因素試驗中復氧能力較高的環(huán)境因子范圍。變量水平以及編碼如表2所示。

1.4水生植物復氧能力指標的建立

為了消除水生植物不同初始生物量對試驗結果造成的不利影響，在此采用單位鮮重水生植物單位時間內(nèi)平均復氧能力作為評價水生植物復氧能力的指標，其計算公式為：

復氧能力指標OE=ni=1[Di×Vi-Dci×Vci）×Δt]m0×t （1）

式（1）中，OE為單位鮮重水生植物在監(jiān)測時間內(nèi)平均復氧能力；n為檢測次數(shù)；t為監(jiān)測時間；Δt為2次DO監(jiān)測時間間隔；Di為種有水生植物容器中第i次DO監(jiān)測值；Vi為種有水生植物容器中第i次DO監(jiān)測時水體體積；Dci為對照第i次DO監(jiān)測值；Vci為對照第i次DO監(jiān)測時水體體積；m0為試驗水體中種植的水生植物初始鮮重。

2結果與分析

2.1沉水植物黑藻環(huán)境因子響應面分析

表3為沉水植物黑藻響應面試驗結果，表中有29個試驗點所得出水生植物復氧能力OE值的試驗結果，這些試驗點可分為兩類：第一類為零點，作為試驗區(qū)域的中心點，進行5次零點試驗；第二類為析因點，A、B、C、D共構成24個析因點。試驗中采用OE作為響應面，利用軟件Design-Expert 8.0對試驗結果進行擬合，從而得到擬合模型、方差分析以及置信度分析。

對試驗數(shù)據(jù)進行多項式回歸分析，擬合結果顯示二階模型適合數(shù)據(jù)響應。以水生植物復氧能力OE為因變量，以光照（A）、溫度（B）、pH（C）、鹽度（D）為自變量，采用Box-Benhnken對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到二次響應曲面方程：OE=46.71+3.57A-0.13B-5.67C-1.24D+1.75AB-2.74AC-0.72AD+0.92BC-0.42BD-1.26CD-2.22A2+0.37B2-1.62C2-0.38D2。

對模型進行方差分析，結果表明，在4種擬合模型中（線性擬合模型、雙因素線性擬合模型、二次方擬合模型、三次方擬合模型）只有二次擬合模型可以比較明確地說明各個因素與響應值之間的關系。比較各個模型的相關系數(shù)、均方差平方和、偏方差平方和的結果可知，二次擬合模型為最適用。

對二次方程擬合模型回歸方程進行方差分析。當模型P值小于0.10時，因素條件與響應值之間作用顯著；當模型P值小于0.05時，因素條件與響應值之間作用非常顯著，而當模型P值大于0.10時，因素條件與響應值之間作用不顯著。由以上分析可知，該研究所得模型適應性顯著（P<0.000 1），失擬項并不顯著。說明該試驗采用的響應面分析方法是可靠的。模型方程中一次項和二次項影響較為顯著，試驗中因素與響應值之間的影響為較為復雜的線性關系，影響較為顯著的因素主要為A、C、AC、A2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序為AC>AB>CD>BC>AD>BD，其中CD、BC、AD、BD之間的交互影響可以忽略不計。單個因素對OE值影響順序為C>A>D>B。

借助響應面軟件分析二次模型方程，可以得到兩因素之間交互作用響應面圖以及等值線圖（圖1）。根據(jù)響應面曲線圖可以分析兩因素交互作用對OE值的影響，進而確定影響OE值的最佳因素取值范圍。其中，光照與溫度、光照與pH交互作用顯著，其他2個因素組合交互作用并不明顯，但最優(yōu)化方案可通過軟件計算得出。

由圖1可知，試驗取值范圍內(nèi)，OE隨著光照和pH的變化呈拋物線變化趨勢；當光照為12 000 lx，pH為7.00時，OE值達到最大。試驗取值范圍內(nèi)，OE值隨著溫度的增加而呈拋物線變化趨勢；當OE變化曲線為拋物線，其取值大于48時，光照取值范圍要大于10 800 lx，同時溫度>19.5 ℃。故可知光照>10 800 lx、溫度>19.5 ℃時，OE值達到較高水平。

綜上所述，在試驗模型以及模型擬合的基礎上，可以利用響應面軟件對試驗因素水平的數(shù)據(jù)進行進一步優(yōu)化，即可在獲得較高OE值的條件下，取得各個影響因子的最優(yōu)參數(shù)方案，即在沉水植物黑藻復氧過程中，使得黑藻獲得較高復氧能力。通過分析兩因子交互作用，可確定水生植物黑藻主效環(huán)境因子，為后續(xù)水生植物栽種提供環(huán)境參考。

根據(jù)響應面二次模型，通過軟件將運行環(huán)境參數(shù)帶入模型公式，取得水生植物黑藻OE值最大條件下，環(huán)境因子優(yōu)化方案為光照10 159 lx、溫度21.0 ℃、pH 7.69、鹽度0.10%，在上述優(yōu)化條件下，OE值為58.72。

2.2浮葉植物荇菜環(huán)境因子響應面分析

采用Box-Benhnken對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到的二次響應曲面方程如下：OE=32.83+5.22A-0.28B+0.89C-7.55D+1.95AB+0.38AC-1.02AD+0.30BC-0.59BD-0.62CD-0.71A2+0.42B2-3.07C2-2.64D2。

對模型進行方差分析可知，該研究所得模型適應性顯著（P<0.000 1），失擬項并不顯著，說明該試驗采用的響應面分析方法是可靠的。影響較為顯著的因素主要為D、A、AB、AD、D2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序為：AB>AD>CD>BD>AC>BC，其中CD、BD、AC、BC之間的交互影響可以忽略不計。單個因素對OE值影響順序為D>A>C>B。

借助響應面軟件分析二次模型方程，可以得到兩因素之間交互作用響應面圖以及等值線圖。根據(jù)響應面曲線圖可以分析兩因素交互作用對OE值的影響，進而確定影響OE值的最佳因素取值范圍。其中光照與溫度、光照與鹽度交互作用顯著，其他2個因素組合交互作用并不明顯，但最優(yōu)化方案可通過軟件計算得出。

從兩因素對復氧能力OE交互作用的等值線和響應曲面圖（圖2）可看出，試驗取值范圍內(nèi)，OE值隨著光照和溫度的變化呈拋物線變化趨勢，OE值隨著光照和溫度的升高而上升；當光照為12 000 lx、光照為26.0 ℃時，OE值達到最大。試驗取值范圍內(nèi)，OE值隨著光照和鹽度的變化而呈拋物線變化趨勢，OE值隨著光照的升高或鹽度的降低而上升；當光照為12 000 lx、鹽度為0時，OE值達到最大值。

根據(jù)響應面二次模型可得到優(yōu)化方案為光照11 956 lx、溫度26.0 ℃、pH 7.50、鹽度0.12%，在上述優(yōu)化條件下，荇菜獲得較高復氧能力OE值，為46.32。

2.3挺水植物香蒲環(huán)境因子響應面分析

采用Box-Benhnken對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到的二次響應曲面方程為：OE=56.09+3.26A-0.66B-1.11C-1.33D-0.15AB+3.80AC+1.27AD-0.22BC-0.096BD-1.65CD-0.33A2+0.50B2-4.87C2-2.53D2。

對模型進行方差分析可知，該研究所得模型適應性顯著（P<0.000 1），失擬項并不顯著，說明香蒲進行響應面分析所得的二次項模型是可行的。影響較為顯著的因素主要為A、D、AC、AD、CD、C2、D2。四因素交互作用影響OE值順序為AC>CD>AD>BC>AB>BD，其中AD、BC、AB、BD之間的交互影響可以忽略不計。單個因素對OE值影響順序為A>D>C>B。

借助響應面軟件分析二次模型方程，可以得到兩因素之間交互作用響應面圖以及等值線圖。根據(jù)響應面曲線圖可以分析兩因素交互作用對OE值的影響，進而確定影響OE值的最佳因素取值范圍。其中光照與pH、pH與鹽度交互作用顯著，其他2個因素組合交互作用并不明顯，但最優(yōu)化方案可通過軟件計算得出。

從兩因素對復氧能力OE交互作用的等值線和響應曲面圖（圖3）可看出，試驗取值范圍內(nèi)，OE隨著光照和pH的變化呈拋物線變化趨勢；OE值隨著光照的升高而升高，同時也隨著pH的變化而變化；當pH為7.15、光照為12 000 lx時，OE值達到最大值。試驗取值范圍內(nèi)，OE值隨著pH和鹽度的變化而呈拋物線變化趨勢；OE值隨著鹽度的升高而升高，同時也隨著pH的變化而變化；當pH為7.00、鹽度為0.15%，OE值達到最大值。

根據(jù)響應面二次模型可得到環(huán)境參數(shù)條件為光照12 000 lx、溫度21.0 ℃、pH 7.14、鹽度0.11%，在此優(yōu)化條件下，OE值為59.22。

3結論

（1）黑藻、荇菜和香蒲響應面模型方程中一次項和二次項影響較為顯著，試驗中因素與響應值之間的影響是較為復雜的線性關系。黑藻影響較為顯著的因素主要為A、C、AC、A2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序為AC>AB>CD>BC>AD>BD，其中CD、BC、AD、BD之間的交互影響可以忽略不計。單個因素對沉水植物黑藻OE的影響順序為C>A>D>B。

（2）荇菜影響較為顯著的因素主要為D、A、AB、AD、D2、C2。四因素交互作用影響OE值的順序為AB>AD>CD>BD>AC>BC，其中CD、BD、AC、BC之間的交互影響可以忽略不計。單個因素對浮葉植物荇菜OE影響順序為：D>A>C>B。