華容東湖圍欄生態因子的灰關聯分析*

楊品紅 徐黎明 覃忠元 張 倩 潘 瑩王曉艷 李夢軍 謝春華

(1.湖南文理學院生命科學學院 常德 415000;2.湖南省水產工程技術研究中心 常德 415000;3.大湖股份千店工程事業部 常德 415000;4.大湖水殖股份有限公司 常德 415000;5.南京市水產科學研究所 南京 210036)

東湖為長江中游的一個中型淺水湖泊,湖泊面積3500hm2,位于湖南省華容縣境內,屬洞庭湖水系,為濕潤大陸季風氣候,光照充足,雨量適度,溫暖濕潤。東湖屬丘陵地區,為天然湖泊,水草生長十分茂盛,水下生物非常豐富,周邊居民稀少,無任何廠礦企業,無污染,水質清澈,透明度高,懸浮物少,重金屬及有毒物質含量檢測不出,非常適合魚類生長,為當地優勢品牌“東湖源”胖頭魚的主要原料供應基地。“東湖源”胖頭魚被評為湖南名牌農產品,在全國各大水產品市場有較強的品牌影響力。每年有部分產品進入香港市場,深受消費者歡迎,具有良好的市場開拓潛力。為了進一步開發“東湖源”胖頭魚資源,形成優勢品牌,將東湖南部湖區 67hm2設置成圍欄,專項用于培育鳙魚苗種。本文對圍欄內的水體進行實時監控,使用灰色理論的關聯度分析法對華容東湖圍欄水體的影響因素進行定量描述,力求找出影響養殖水體環境變化的主要因子,并以此為依據作用于漁業生產,對圍欄養殖鳙魚水體調節、天然餌料的培育、增加漁產潛力都有其重要的作用。

灰關聯分析是對一個系統發展變化的定量描述和比較的方法,其目的是尋求系統中各因素間的主要關系,找出影響目標值的主要因素(劉思峰等,2004)。可將湖泊環境視作一個灰色系統,其中影響水質變化的參數包括確定性因素(如水體的理化因子)和不確定性因素(如氣象條件、太陽輻射等),利用灰關聯分析法對樣本量的大小沒有太高要求,分析時也不需要典型的分析規律,且量化結果與定性分析一致,具有廣泛的實用性(易德生等,1992)。馮利華(1999)利用灰關聯分析方法預測新疆伊犁河水資源的變化趨勢,趙秀春(2009)用灰關聯計算結果全面系統的評價了大沽河干流青島段水質總體狀況與變化趨勢,張春潔等(2013)利用灰關聯分析方法評價大遼河營口段生態供水水質,陳娟等(2013)利用灰關聯分析評價黃家湖水質都取得了較好的效果。本文利用灰關聯分析法分析圍欄內優勢影響因子,為圍欄內水生態的平衡及增加漁產潛力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析方法

1.1.1 采樣頻率及采樣點 于2005—2008年4—9月,每20天采樣1次,對華容東湖圍欄進行37次采樣調查。按采樣方案設計技術規定(HJ495-2009),選取圍欄中心處作為采樣點。

1.1.2 監測項目 總氮(TN)、總磷(TP)、氮磷比(TN/TP)、氨氮、硝酸氮、透明度(SD)、水深(WD)、水溫(WT)、溶解氧(DO)、酸堿度(pH)、浮游動物和浮游植物。

1.1.3 水質監測方法 pH(用 HI9224型測定)、溶解氧和水溫(用 HI9141型測定)、水深和透明度均在現場測定,用有機玻璃采水器采取表層(水表以下0.5m)、中層(中間水深)和底層(距水底0.5m處)3層混勻水樣裝瓶帶回實驗室用于氨氮、硝酸氮、總磷和總氮的監測,加適量魯哥式液固定用于浮游生物計數的水樣(章宗涉等,1991)。氨氮、硝酸氮、總磷和總氮采用 C200系列多參數臺式離子濃度分析儀測定,上述儀器均為意大利哈納9804系列產品。用NOVEL XSZ-N107型顯微鏡分類統計浮游動物和浮游植物,結果以每升水中浮游生物細胞數表示。

1.2 灰關聯分析方法

灰關聯分析是對一個系統發展變化的定量描述和比較的方法,是有參考系有測度的整體比較,其分析步驟如下(鄧聚龍,1985;易德生等,1992)。

1.2.1 參考數列和比較數列的選定 在水環境系統中,某種因素造成水環境事故發生的機率為 100%是最嚴重的情況,因此把參考數列定義為(萬星等,2005),將透明度、水深、水溫、溶解氧、pH、氨氮、硝酸氮、總磷、總氮、氮磷比、浮游動物和浮游植物12個指標作為比較序列,故有N=12,n=37。

1.2.2 原始數據預處理 為弱化各原始數據的隨機性,消除量綱,合并數量級,使其具有可比性,等效性和同序性,對原始數據進行預處理—無量綱化(劉燕東等,2005)。

有以下方法可對時間序列(或經濟序列)原始數據進行預處理:

而對于空間序列(或指標序列)的原始數據預處理的主要方法有:

效果測度變換:

對于越大越好的指標(如溶解氧、透明度),采用上限測度:

對于越小越好的指標(如總磷、總氮),采用下限測度:

對于取中間值較優指標(如氮磷比和 pH 等),采用平均值測度:

1.2.3 關聯系數 當t=k時,的關聯系數為ζ0i(k)(i= 1,2,…,37):

式中,Δmax、Δmin分別為各個時刻絕對差中的最大值和最小值,即:,Δ0i(k)為k時刻兩個序列的絕對差,即;ρ為分辨系數(提高關聯系數之間的差異顯著性),取值準則參照呂峰(1997)。

1.2.4 關聯度及關聯序 比較數列對參考數列的關聯系數有多個,因信息過于分散而難以比較,因此將各個時刻的關聯系數集中處理后所得的平均值,作為比較數列對參考數列的關聯度(γ0i)(侯曉亮等,2011):

關聯序是根據關聯度大小的排序得出。但由于初值化、均值化處理和分辨系數的變動都不具有序數效應(水乃翔等,1992),因此不能僅對某一特定的值、某種特定的無量綱處理方式所求得關聯度序就快速下結論。筆者用初值化、均值化和效果測度變換三種方法對華容東湖圍欄水體水環境影響因素監測結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 華容東湖圍欄水體生態因子監測結果

華容東湖圍欄生態因子監測結果見表1。除圍欄的總氮有2次、pH有1次超出標準(總氮≤1.0mg/L;總磷≤0.05mg/L;氨氮≤1.0mg/L;pH 6—9;溶解氧≥5mg/L)外,其余均在《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》Ⅲ類水范圍內。在2005—2008年監控時間段內,圍欄內水體水質良好,溶解氧豐富,浮游生物量多,適宜鳙魚苗種的生長。

表1 華容東湖圍欄生態因子監測結果Tab.1 The ecological factor of the experimental results on net enclosure in the Donghu Lake

2.2 華容東湖圍欄生態因子關聯度及關聯序

華容東湖圍欄生態因子關聯度及關聯序見圖1(圖中數字為關聯序)。初值化關聯度在 0.929792—0.965906之間,關聯序:總磷＞氨氮＞浮游植物＞水溫＞浮游動物＞酸堿度＞水深＞溶解氧＞透明度＞總氮＞硝酸氮＞氮磷比;均值化關聯度在0.9624707—0.9625019之間,關聯序:氮磷比＞總磷＞總氮＞浮游植物＞硝酸氮＞浮游動物＞溶解氧＞透明度＞酸堿度＞水深＞水溫＞氨氮;效果測度變換關聯度在0.8699610—0.9036088之間,關聯序:總磷＞總氮＞氮磷比＞硝酸氮＞氨氮＞透明度＞酸堿度＞水溫＞溶解氧＞水深＞浮游動物＞浮游植物。

圖1 華容東湖圍欄生態因子關聯度及關聯序Fig.1 Correlative degree and correlation order of ecological factor for the net enclosure in Donghu Lake

綜合考慮初值化關聯序、均值化關聯序和效果測度變換關聯序得:總磷＞總氮＞氮磷比＞氨氮＞浮游植物＞硝酸氮＞酸堿度＞浮游動物＞水溫＞透明度＞溶解氧＞水深。東湖圍欄表現為總磷、總氮(包括氨氮和硝酸氮)和氮磷比是優勢影響因子,透明度、溶解氧、水深則是相對次要的影響因子。

3 討論

3.1 優勢影響因子與浮游植物

浮游植物生長最重要的營養物質是氮和磷,但氮和磷同時又是常見的限制營養元素(Reynolds,1984;Gurbuzet al,2002;Vadaset al,2005),因此氮和磷對浮游植物的生長具有主導作用。

不同種類的浮游植物的最適氮磷比值相差很大,從4︰1到40︰1不等(吳世凱等,2005;豐茂武等,2008;陳文煊等,2008),同時,浮游植物的優勢種類在不同的水域和同一水域的不同時間對氮磷比值的要求也不同。許多研究發現水生植物生長最常缺的是磷,其次是氮(裘松,1982;樊啟學,1991)。Redfield定律認為,藻類細胞組成的原子比率N︰P = 16︰1,如果氮磷比大于 16,磷是限制性因素;如果氮磷比小于 10,氮則為限制性因素;如果氮磷比在 10—20之間,限制性因素則變得不確定(Liet al,2001)。湖泊等淡水中浮游植物的生長適合此規律(Schanzet al,1983)。華容東湖圍欄氮磷比平均值為17.3︰1(表1),據此可判斷東湖圍欄氮和磷的限制性并不確定,說明東湖圍欄氮磷比適宜浮游植物生長。

3.2 溶解氧與pH

華容東湖圍欄水體溶解氧非常豐富,年平均值為9.65mg/L(表1)。豐富的溶解氧對于有機物質的分解和營養鹽類的再生、湖泊中水生生物的生長、發育、繁殖都非常有利,因此湖泊中的浮游動物、浮游植物的含量也都較高(表1),有助于培育豐富的餌料生物,促進鳙魚苗種的快速生長。水生植物的快速生長破壞了湖泊水體中的鹽類水解平衡,隨著植物體對水中 CO2利用的增加,[OH-]一瞬間增大,之后OH-又打破了的電離平衡,致使水中轉化成,導致pH較高。東湖圍欄的平均pH為8.71(表1),稍高于魚類生長的最適pH。

4 結語

通過灰關聯分析發現,圍欄內水體水質良好,水體的氮磷比及溶解氧都適于浮游生物的生長繁殖,對圍欄養殖鳙魚苗種天然餌料的培育、增加漁產潛力都有重要作用。但圍欄內的pH稍高于魚類生長的最適 pH。如何在增加水中溶解氧,促進浮游生物生長繁殖的同時,又能使水體的 pH保持在最適宜魚類生長的范圍(7.5—8.5)(楊品紅等,2010),有待進一步研究。

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