寧夏鳴翠湖水質因子分析

摘要：利用因子分析方法對鳴翠湖的水質數據進行分析，得到影響鳴翠湖水質的兩個主因子，因子１由葉綠素a（Ｃｈｌａ）、高錳酸鉀指數（ＣＯＤＭｎ）、五日生化需氧量（ＢＯＤ５）構成，反映了鳴翠湖的有機物污染狀況；因子２由總氮（ＴＮ）、氨氮（ＮＨ３－Ｎ）、硝態氮（ＮＯ３－Ｎ）、亞硝態氮（ＮＯ２－Ｎ）共同構成，反映了鳴翠湖的營養鹽氮污染狀況。鳴翠湖水體以有機物污染與氮營養鹽水平較高為主要特征，是引起鳴翠湖富營養化的主要原因。

關鍵詞：鳴翠湖；水質；因子分析

中圖分類號：Ｘ５２４ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）15－3062-04

Influencing Factors of Water Quality in Mingcui Lake of Ningxia

ＱＩＵ Ｘｉａｏ－ｃｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ－ｊｉａｎｇ，ＹＩＮ Ｊｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｄｅ－ｑｕａｎ，ＴＡＮＧ Ｌｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕ－ｐｉｎｇ

（Ｃｏｌｌｏｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎｉｎｇｘｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ／ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｇｒａｄｅｄ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｎｏｒｔｈ－ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ／ Certer of Modern Agricultural and Water Resource Used Efficiently Engineering in Arid Area of Ministry of Education， Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００２１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ， ｔｗｏ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ affecting ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｅｎ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ ｂｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ－ａ（ｃｈｌａ）， ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ ｉｎｄｅｘ（ＣＯＤＭｎ） ａｎｄ ＢＯＤ５， ｗｈｉｃｈ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ． Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＴＮ）， ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＮＨ３－Ｎ）， ｎｉｔｒａｔｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＮＯ３－Ｎ） ａｎｄ ｎｉｔｒｉｔｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＯ２－Ｎ）， ｗｈｉｃｈ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ． Ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ， ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ Ｍｉｎｇｃｕｉ ｌａｋｅ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ； ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ； ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ

鳴翠湖位于銀川市興慶區掌政鎮，西距銀川市區９ ｋｍ，東鄰黃河３ ｋｍ，地理坐標為東經１０６°２２′，北緯３８°２３′；平均海拔１ １００ ｍ，總面積６．６７ ｋｍ２，水域面積占總面積的６０％。２００５年被寧夏回族自治區人民政府列為自治區濕地公園，２００６年被國家林業局確定為國家濕地公園，鳴翠湖水源為黃河水與農田退水。近年來，隨著當地經濟的發展，進入鳴翠湖的營養鹽不斷增多，水體環境惡化，藻類大量生長。目前，湖泊水體呈富營養化狀態，湖區水質為Ⅳ類［１，２］。

為揭示鳴翠湖的水質特征和富營養化的發生機理，分析富營養化的主要因子及其變化規律，本研究采用因子分析方法，通過分析鳴翠湖水質因子的相互關系，確定鳴翠湖富營養化的主要污染物，以期為鳴翠湖富營養化評價與治理、水域環境保護以及合理開發利用提供依據和基礎數據。

１材料與方法

１．１樣點布設與采樣時間

根據鳴翠湖的形狀，在鳴翠湖設置了４個采樣點，分別為湖中心（Ⅰ）、北岸（Ⅱ）、春草堂（Ⅲ）、水車苑（Ⅳ）。采樣時間為２００８年９月至２００９年７月，每２個月采樣１次，共采樣６次。

１．２樣品采集與測定

水樣采集按照《水質采樣方案設計技術規定（ＧＢ １２９９７－９１）》、《水質采樣技術指導（ＧＢ １２９９８－９１）》、《水質采樣樣品的保存和管理技術規定（ＧＢ １２９９９－９１）》中的要求進行。

ｐＨ值由精密ｐＨ－３Ｂ儀測定，總氮（ＴＮ）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（ＧＢ １１８９４－８９），氨氮（ＮＨ３－Ｎ）采用萘氏試劑法（ＧＢ／Ｔ ７４７９－８７），硝態氮（ＮＯ３－Ｎ）采用紫外分光光度法（ＨＪ／Ｔ ３４６－２００７），亞硝態氮（ＮＯ２－Ｎ）采用分光光度法（ＧＢ／Ｔ ７４９３－１９８７），總磷（ＴＰ）采用過硫酸鉀氧化－磷鉬藍法（ＧＢ １１８９３－８９），溶氧（ＤＯ）采用碘量法（ＧＢ／Ｔ ７４８９－１９８７），高錳酸鹽指數（ＣＯＤＭｎ）采用堿性高錳酸鉀法（ＧＢ １１８９２－８９），五日生化需氧量（ＢＯＤ５）采用稀釋接種法（ＧＢ／Ｔ ７４８８－１９８７），葉綠素ａ（Ｃｈｌａ）采用分光光度法［３］。

１．３因子分析

因子分析方法是一種將多個指標轉化為少數幾個綜合指標的多元統計方法［４］，它將原變量進行重新組合，組成少數的獨立新變量，這種新變量稱為因子，因子分析就是找出這些因子影響系統的最少獨立變量的因子，用較少具有代表性的因子來概括多變量所提供的信息，找出影響觀測數據的主要因素［５］。因子分析方法應用于水環境質量評價時，可以更好地反映多個評價指標間的聯系，得到更客觀的評價結果［６－９］。

利用ＳＰＳＳ軟件對選取的水質參數進行因子分析，采用主成分法提取公因子，對其進行方差最大旋轉后得出主因子，進行綜合分析。

２結果與分析

２．１因子分析適合性檢驗

運用ＫＭＯ統計量檢驗和巴特勒球形檢驗，判斷數據能否進行因子分析。ＫＭＯ統計量檢驗統計是用于比較觀測相關系數值與偏相關系數值的一個指標，其值愈接近１表明對這些變量進行因子分析的效果愈好［１０］，本研究的ＫＭＯ統計量數值為０．８０３（＞０．８），數據適合作因子分析；巴特勒球形檢驗統計值的顯著性概率Ｐ＝０．０００，小于０．０１，球形假設被拒絕，說明數據具有相關性，適宜作因子分析［１０］。

對標準化后的數據矩陣計算其相關系數矩陣。從表１中各變量間的相關系數可以看出，各相關系數的絕對值均大于臨界值（ｒ０．０５＝０．４０４，Ｐ＜０．０５），表明各變量之間存在顯著的相關性，適合用因子分析法研究變量之間的關系［１０］。

２．２因子提取結果

由表２可知，第一個因子的特征根為７．６１４，它解釋了總變異的７６．１３５％；第二個因子的特征根為１．０８０，它解釋了總體變異的１０．７９５％；第三個因子及其以后因子的特征根均小于１，故只需提取前兩個因子即可。旋轉前后總的累計方差貢獻率基本沒發生變化，即總的信息量無損失。

由圖１可知，從第三個因子開始，公因子的坡度明顯變緩，因此抽取前兩個主因子作為分析對象。前兩個因子已提供了原資料８６．９３0％的信息，滿足方差累計貢獻率大于或等于８５％的因子選取原則。

２．３因子旋轉

因子分析的主要目的是將具有相近的因子載荷的各個變量置于一個公因子之下，當初始因子不能典型地代表變量的含義時，需對因子載荷矩陣進行旋轉，以便對因子的意義作出更合理的解釋。本研究使用方差極大法得到因子載荷矩陣旋轉后的結果。

第一主因子Ｆ１的特征根值為７．６１４，占總方差的７６．１３５％，旋轉后占４３．５４８％，主要是由Ｃｈｌａ、ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５構成，旋轉后的主因子載荷分別為：Ｃｈｌａ ０．８６８、ＣＯＤＭｎ ０．８４２、ＢＯＤ５ ０．９３８，表明與第一主因子存在較大的相關關系。Ｃｈｌａ代表藻類的生物量和密度，ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５表示的是湖泊中的有機物污染，說明鳴翠湖的有機物污染較重，其污染主要來自農田退水和生活污水，因此Ｆ１可命名為有機物污染指標。第二主因子Ｆ２的特征根值為１．０８０，占總方差的１０．７９５％，旋轉后占４３．３８３％，由ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＮＯ３－Ｎ、ＮＯ２－Ｎ共同構成，旋轉后的主因子載荷分別為：ＴＮ ０．８０２、ＮＨ３－Ｎ ０．８１３、ＮＯ３－Ｎ ０．９０２、ＮＯ２－Ｎ ０．９１６；表示的是引起湖泊富營養化的營養元素氮的污染狀況，可命名為營養鹽氮的污染。兩個主因子載荷分別為４３．５４８％、４３．３８３％，說明鳴翠湖目前主要存在有機物污染與營養鹽氮污染（表３）。

影響第一主因子的指標為有機物污染，水體有機物污染程度增加時，藻類會大量繁殖，葉綠素含量升高。葉綠素反映了湖泊的藻類生物數量特性，所有處于富營養化狀態中的湖泊或水庫，其表征藻類生長的指標葉綠素的年均值都處于較高的水平。在一般的藻型富營養化湖泊中，葉綠素與營養元素有較大的相關系數，鳴翠湖水體葉綠素含量與ＴＮ、ＴＰ顯著相關，但沒有與ＴＮ、ＴＰ在同一主成分中出現，主要是由于鳴翠湖草本植物數量較多，氮、磷營養元素大多被草類挺水植物吸收利用，而藻類利用量較少的緣故。

影響第二主因子的指標為營養鹽氮，生活污水、農田灌溉排水和退水中含有大量的含氮物質，過高的氮營養元素不僅會導致湖泊富營養化，還會導致浮游植物種類組成發生變化，優勢種數量明顯減少，并大量消耗水體中的溶解氧，導致水質惡化。

鳴翠湖位于銀川平原引黃灌區，是附近農田灌溉排水和退水的主要接納水體，灌區粗放的灌溉方式造成化肥、有機肥的利用率低是湖泊營養元素氮的主要來源，同時也是造成有機物污染的直接原因，因此有機物污染與氮營養元素水平過高是鳴翠湖富營養化的主要影響因素。

２．４因子得分與綜合評價

根據因子得分系數矩陣得到因子得分函數：Ｆ１＝０．３０９ｘ１－０．１４４ｘ２－０．０１８ｘ３－０．０６７ｘ４－０．１６４ｘ５－０．２１５ｘ６＋０．１８１ｘ７＋０．２８９ｘ８＋０．３７９ｘ９－０．２７２ｘ１０，Ｆ２＝－０．１４６ｘ１＋０．２８８ｘ２＋０．１９９ｘ３＋０．２３８ｘ４＋０．３３２ｘ５＋０．３７３ｘ６－０．０１３ｘ７－０．１２７ｘ８－０．２１８ｘ９＋０．１２９ｘ１０；計算得到因子得分（表４）。

由表４可知，空間分布主因子綜合得分排名依次為Ⅱ號點（北岸）、Ⅰ號點（湖中心）、Ⅲ號點（春草堂）、Ⅳ號點（水車苑），Ⅱ號點為經濟魚類養殖區域，污染較重，殘餌、排泄物導致營養鹽含量較高，藻類密度與生物量較大，有機物污染與富營養化程度較高。Ⅲ號點和Ⅳ號點水生植物生長茂密，氮、磷營養元素被吸收利用，污染較輕。

時間分布主因子綜合得分排名依次為７月、５月、９月、３月、１１月、１月，５月、７月、９月污染程度較嚴重，此時農田灌溉排水和退水、生活污水排放量增大，魚類正值生長期，投食量、殘餌量、排泄物量也在增加，從而導致有機物污染與富營養化程度加重。１月、３月、１１月補水與退水減少，進入水體的營養鹽減少，污染較輕。

３小結

通過因子分析法對鳴翠湖水質監測數據的分析結果表明，鳴翠湖的兩個主因子表達了原有１０個水質指標的８５％以上的信息，因子１為有機物污染因子，由Ｃｈｌａ、ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５構成，揭示了鳴翠湖的有機物污染狀況。因子２為營養鹽氮污染因子，由ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＮＯ３－Ｎ、ＮＯ２－Ｎ共同構成，揭示了鳴翠湖的營養鹽氮污染狀況。鳴翠湖水體以有機物污染與氮營養鹽水平較高為主要特征，是引起鳴翠湖富營養化的主要原因。

參考文獻：

［１］ 高揚，孫紅玲，王淑琴，等． 改善生態環境 促進鳴翠湖水生生態修復［Ｊ］． 河南水產，２００９（４）：４１－４２．

［２］ 董亞萍，任建東，李衛東． 寧夏湖泊、水庫、濕地水環境現狀調查與分析［Ｊ］． 環境研究與監測，２００９，２２（６）：１６－１７，２４．

［３］ 陳宇煒，高錫云．浮游植物葉綠素ａ含量測定方法的比較測定［Ｊ］． 湖泊科學，２０００，１２（２）：１８５－１８８．

［４］ 李春喜，姜麗娜，邵云，等． 生物統計學［Ｍ］． 第三版． 北京：科學出版社，２００５．２９９－３０４．

［５］ 白厚義，劉強，袁玲，等． 回歸設計及多元統計分析［Ｍ］． 南寧：廣西科學技術出版社，２００３．１９５－２０１．

［６］ 庫蘭丹，德娜，陳敬鋒，等． 阿勒泰市克郎河水質評價及成因分析［Ｊ］． 新疆農業大學學報，２００１，２４（１）：６９－７１．

［７］ 胡小韋，海米提·依米提，伊元榮，等． 博斯騰湖水質綜合評價因子分析方法［Ｊ］． 干旱區資源與環境，２００８，２２（１）：７９－８３．

［８］ 張緒美，董元華，石浚哲，等． 聚類－因子分析在太湖水質參數評價中的應用［Ｊ］． 安全與環境學報，２００６，６（６）：５７－６２．

［９］ 李波，濮培民，韓愛民． 洪澤湖水質的因子分析［Ｊ］． 中國環境科學，２００３，２３（１）：６９－７３．

［１０］ 薛薇． ＳＰＳＳ統計分析方法及應用［Ｍ］． 第二版． 北京：電子工業出版社，２００４．