水口庫區葉綠素a含量與環境因子的關系

摘 要：以2012年水口庫區全年的監測數據為依據，應用SPSS軟件通過主成分分析和多元線性回歸方法分析了春、夏、秋、冬四季葉綠素a與環境因子的關系。結果表明：高錳酸鹽指數和五日生化需氧量在春、夏、秋、冬四季對葉綠素a都具有顯著影響。其中，pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化耗氧量和懸浮物對春季葉綠素a含量具有顯著影響；總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、懸浮物、高錳酸鹽指數和五日生化耗氧量對夏季葉綠素a含量具有顯著影響；溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數和五日生化耗氧量對秋季葉綠素a含量具有顯著影響；高錳酸鹽指數、五日生化耗氧量和懸浮物對冬季葉綠素a含量具有顯著影響。

關鍵詞：水口水庫；葉綠素a；環境因子

中圖分類號 X83 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）22-32-04

水口水庫位于福建省閩江干流上游，是以發電為主，兼顧防洪、航運和漁業的大型河道型水庫。葉綠素a是浮游植物的主要光合色素，不僅可以表征水體中浮游植物的現存量和初級生產力水平，而且也是水體富營養化的有效指標。葉綠素a含量對于水體漁業資源的評估、富營養化程度的判定以及水環境質量評價具有重要意義，但其本身也受到其他環境因子的諸多影響[1-2]。因此，了解水體葉綠素a含量與環境因子的關系極其重要。本文通過主成分分析和多元線性回歸方法分析葉綠素a與環境因子之間的關系，為水口水庫水環境評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 站位布設 2012年全年對水口庫區進行了水環境質量監測，監測站位19個，監測頻率為每月2次，監測項目為pH、溶解氧、氨氮、化學需氧量、葉綠素a、總氮、總磷、亞硝酸鹽氮、五日生化需氧量、懸浮物、石油類、總大腸菌群。

1.2 樣品的采集分析與處理 采用5L有機玻璃采水器采集0.5m處表層水樣。樣品的采集及分析處理方法參照《漁業生態環境監測規范SC/T 9102》[3]。

1.3 數據統計分析處理 根據水口水庫的氣候特點，將所得監測數據按春（3-5月）、夏（6-8月）、秋（9-11月）、冬（1、2月）4個季節進行平均處理。將平均后的春夏秋冬數據用SPSS19.0進行統計分析，具體如下：

（1）對環境因子進行主成分分析。根據Bartlett值判斷相關矩陣是否為一個單位矩陣，可否進行主成分因子分析。采用Varimax正交旋轉法對因子進行旋轉，使每個主成分的系數向0和1兩級分化，按照特征值大于1的原則提取出主成分，并獲得各環境因子的主成分得分。

（2）葉綠素a與主成分得分之間的多元線性回歸分析。將葉綠素a作為因變量，各主成分得分作為自變量，采用Stepwise（逐步引入一剔除法）建立回歸方程。

2 結果與分析

2.1 葉綠素a含量 春季葉綠素a含量為0.79～27.17μg/L，夏季葉綠素a含量為1.19～9.18μg/L，秋季葉綠素a含量為2.29～10.33μg/L，冬季葉綠素a含量為0.39～10.28μg/L。春季葉綠素a含量波動較大。

2.2 主成分分析 為了分析葉綠素a和環境因子之間的關系，對環境因子進行了主成分分析。

2.2.1 春季

經Bartlett檢驗表明：Bartlett值=188.875，P<0.000 1，說明相關矩陣不是一個單位矩陣，故可以考慮進行主成分分析。使用主成分分析方法，按照特征值大于1的原則提取出3個主成分，旋轉后前3個主成分的因子載荷量見表2。從表2中可以看出PCA1、PCA2和PCA3特征值在1.730～3.914，主成分累計貢獻率為84.166%，涵蓋了大部分信息，其中PCA1的貢獻率最大，達35.583%。對PCA1影響較大的是pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化耗氧量和懸浮物，因子載荷值為0.766～0.881，PCA1反映了春季水口庫區的酸堿強度和有機物污染情況。對PCA2影響較大的是總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮，因子載荷值為0.779～0.881，PCA2反映了春季水口庫區的營養鹽水平。對PCA3影響較大的是石油類和總大腸菌群，因子載荷值為0.745～0.820，PCA3反映了春季水口庫區的有機物污染情況和微生物污染情況。

2.2.2 夏季 經Bartlett檢驗表明：Bartlett值=172.039，P<0.000 1，說明相關矩陣不是一個單位矩陣，故可以考慮進行主成分分析。使用主成分分析方法，按照特征值大于1的原則提取出4個主成分，旋轉后前4個主成分的因子載荷量見表3。從表3中可以看出PCA1、PCA2、PCA3和PCA4特征值在1.444～3.620，主成分累計貢獻率為81.419%，涵蓋了大部分信息，其中PCA1的貢獻率最大，達32.909%。對PCA1影響較大的是總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮和懸浮物，因子載荷值為0.565～0.901，PCA1反映了夏季水口庫區的營養鹽水平。對PCA2影響較大的是高錳酸鹽指數和五日生化耗氧量，因子載荷值為0.809～0.954，PCA2反映了夏季水口庫區的有機污染情況。對PCA3影響較大的是pH和石油類，因子載荷值為0.713～0.840，PCA3反映了夏季水口庫區的酸堿強度和有機物污染情況。對PCA4影響較大的是溶解氧和總大腸菌群，因子載荷值為0.730～0.879，PCA4反映了夏季水口庫區有機物污染情況和微生物特征。

2.2.3 秋季 經Bartlett檢驗表明：Bartlett值=154.240，P<0.000 1，說明相關矩陣不是一個單位矩陣，故可以考慮進行主成分分析。使用主成分分析方法，按照特征值大于1的原則提取出4個主成分，旋轉后前4個主成分的因子載荷量見表4。從表4中可以看出PCA1、PCA2、PCA3和PCA4特征值在1.382～3.196，主成分累計貢獻率為85.746%，涵蓋了大部分信息，其中PCA1的貢獻率最大，達30.870%。對PCA1影響較大的是溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數和五日生化耗氧量，因子載荷值為0.703～0.930，PCA1主要反映了秋季水口庫區的有機污染程度。對PCA2影響較大的是總氮、總磷、亞硝酸鹽氮和總大腸菌群，因子載荷值為0.609～0.931，可見PCA2反映了秋季水口庫區的營養鹽水平和微生物污染情況。對PCA3影響較大的是懸浮物和石油類，因子載荷值為0.796～0.887，PCA3反映了秋季水口庫區有機物污染情況。對PCA4影響較大的是pH，因子載荷值為0.928，PCA4反映了秋季水口庫區水質酸堿強度。

2.2.4 冬季 經Bartlett檢驗表明：Bartlett值=117.878，P<0.000 1，說明相關矩陣不是一個單位矩陣，故可以考慮進行主成分分析。使用主成分分析方法，按照特征值大于1的原則提取出4個主成分，旋轉后前4個主成分的因子載荷量見表5。從表5中可以看出PCA1、PCA2、PCA3和PCA4特征值在1.786～2.812，主成分累計貢獻率為79.385%，涵蓋了大部分信息，其中PCA1的貢獻率最大，達25.563%。對PCA1影響較大的是高錳酸鹽指數、五日生化耗氧量和懸浮物，因子載荷值為0.834～0.961，PCA1主要反映了冬季水口庫區的有機污染程度。對PCA2影響較大的是氨氮和總氮，因子載荷值為0.641～0.871，PCA2反映了冬季水口庫區的營養鹽水平。對PCA3影響較大的是pH、總磷和總大腸菌群，因子載荷值為0.526～0.894，PCA3反映了冬季水口庫區水體酸堿強度、營養鹽水平和微生物污染情況。對PCA4影響較大的是溶解氧、亞硝酸鹽氮和石油類，因子載荷值為0.594～0.810，PCA4反映了冬季水口庫區營養鹽水平和有機污染程度。

2.3 葉綠素a含量與主成分之間的多元線性回歸分析

2.3.1 春季 將春季葉綠素a含量與主成分得分作線性回歸分析，得到線性回歸方程為Y=5.648+5.875XPCA1，顯著水平為0.01時，具有顯著意義。從回歸方程可看出，PCA1與葉綠素a含量顯著相關，即pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化耗氧量和懸浮物對春季葉綠素a含量具有顯著影響。

2.3.2 夏季 將夏季葉綠素a含量與主成分得分作線性回歸分析，得到線性回歸方程為Y=5.178-0.950XPCA1+1.421XPCA2，顯著水平為0.01時，具有顯著意義。從回歸方程可看出，PCA1和PCA2與葉綠素a含量顯著相關，即總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、懸浮物、高錳酸鹽指數和五日生化耗氧量對夏季葉綠素a含量具有顯著影響。

2.3.3 秋季 將秋季葉綠素a含量與主成分得分作線性回歸分析，得到線性回歸方程為Y=5.841+1.316XPCA1，顯著水平為0.01時，具有顯著意義。從回歸方程可看出，PCA1與葉綠素a含量顯著相關，即溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數和五日生化耗氧量對秋季葉綠素a含量具有顯著影響。

2.3.4 冬季 將冬季葉綠素a含量與主成分得分作線性回歸分析，得到線性回歸方程為Y=3.625+1.945XPCA1，顯著水平為0.01時，具有顯著意義。從回歸方程可看出，PCA1與葉綠素a含量顯著相關，即高錳酸鹽指數、五日生化耗氧量、懸浮物對冬季葉綠素a含量具有顯著影響。

3 討論

對水口庫區葉綠素a含量與環境因子關系的分析表明：高錳酸鹽指數和五日生化需氧量在春、夏、秋、冬都對葉綠素a具有顯著影響，可見高錳酸鹽指數和五日生化需氧量不是導致葉綠素a含量季節變化的關鍵因子；其它環境因子對葉綠素a的影響隨著季節的變化各有不同。

春季氣溫開始回升，春雨較多，水體交換大，藻類開始繁殖，加速生長，這些都可導致春季水體pH、溶解氧和懸浮物含量的上升，可見pH、溶解氧和懸浮物是葉綠素a含量變化的被動因子。夏季氣溫高、光照強，藻類生長繁殖加速，消耗水體中大量營養鹽，若水體中營養鹽含量較少，則營養鹽可能成為夏季葉綠素a含量的限制因子。很多研究表明，氮磷等營養鹽對藻類的生長具有重要作用[4-5]，進而影響葉綠素a的含量。OECD（國際經濟與合作發展組織）對北歐264個水體的調查結果表明：80%的水體葉綠素a受到磷的限制，11%的水體受到氮的限制，9%的水體受氮、磷共同作用[6]。秋季由于氣溫開始降低，水體交換少，溶解氧又成為表征葉綠素a含量的因子。冬季藻類開始死亡分解，懸浮物中藻類含量減少，使得懸浮物成為表征葉綠素a含量的因子。

參考文獻

[1]王玉興，李大興，姜北.鲅魚圈港區葉綠素a含量與環境因子的關系[J].水產科學，2012，31（12）：727-731.

[2]晏軍，劉利平，李秋華，等.生態網箱養殖葉綠素a動態變化及對水庫環境的影響[J].湖北農業科學，2011，50（23）：4 834-4 838.

[3]中華人民共和國農業部.SC/T 9102-2007，漁業生態環境監測規范[M].北京：中國農業出版社，2007.

[4]陳永根、劉偉龍，韓紅娟，等. 太湖水體葉綠素a含量與氮磷濃度的關系[J].生態學雜志，2007，26（12）：2 062-2 068.

[5]區銘亮，周文濱，胡春華.鄱陽湖葉綠素a空間分布及與氮、磷質量濃度關系[J].西北農業學報，2012，21（6）：162-166.

[6]經濟合作與發展組織（OECD）.水體富營養化監測評價與防治[M].北京：中國環境科學出版社，1989：92-95.

（責編：施婷婷）