楊品紅 徐黎明 覃忠元 張 倩 潘 瑩王曉艷 李夢(mèng)軍 謝春華

(1.湖南文理學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 常德 415000;2.湖南省水產(chǎn)工程技術(shù)研究中心 常德 415000;3.大湖股份千店工程事業(yè)部 常德 415000;4.大湖水殖股份有限公司 常德 415000;5.南京市水產(chǎn)科學(xué)研究所 南京 210036)

東湖為長(zhǎng)江中游的一個(gè)中型淺水湖泊,湖泊面積3500hm2,位于湖南省華容縣境內(nèi),屬洞庭湖水系,為濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候,光照充足,雨量適度,溫暖濕潤(rùn)。東湖屬丘陵地區(qū),為天然湖泊,水草生長(zhǎng)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(yè),無污染,水質(zhì)清澈,透明度高,懸浮物少,重金屬及有毒物質(zhì)含量檢測(cè)不出,非常適合魚類生長(zhǎng),為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)品牌“東湖源”胖頭魚的主要原料供應(yīng)基地?！皷|湖源”胖頭魚被評(píng)為湖南名牌農(nóng)產(chǎn)品,在全國(guó)各大水產(chǎn)品市場(chǎng)有較強(qiáng)的品牌影響力。每年有部分產(chǎn)品進(jìn)入香港市場(chǎng),深受消費(fèi)者歡迎,具有良好的市場(chǎng)開拓潛力。為了進(jìn)一步開發(fā)“東湖源”胖頭魚資源,形成優(yōu)勢(shì)品牌,將東湖南部湖區(qū) 67hm2設(shè)置成圍欄,專項(xiàng)用于培育鳙魚苗種。本文對(duì)圍欄內(nèi)的水體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,使用灰色理論的關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)華容東湖圍欄水體的影響因素進(jìn)行定量描述,力求找出影響?zhàn)B殖水體環(huán)境變化的主要因子,并以此為依據(jù)作用于漁業(yè)生產(chǎn),對(duì)圍欄養(yǎng)殖鳙魚水體調(diào)節(jié)、天然餌料的培育、增加漁產(chǎn)潛力都有其重要的作用。

灰關(guān)聯(lián)分析是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化的定量描述和比較的方法,其目的是尋求系統(tǒng)中各因素間的主要關(guān)系,找出影響目標(biāo)值的主要因素(劉思峰等,2004)?？蓪⒑喘h(huán)境視作一個(gè)灰色系統(tǒng),其中影響水質(zhì)變化的參數(shù)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(yáng)輻射等),利用灰關(guān)聯(lián)分析法對(duì)樣本量的大小沒有太高要求,分析時(shí)也不需要典型的分析規(guī)律,且量化結(jié)果與定性分析一致,具有廣泛的實(shí)用性(易德生等,1992)。馮利華(1999)利用灰關(guān)聯(lián)分析方法預(yù)測(cè)新疆伊犁河水資源的變化趨勢(shì),趙秀春(2009)用灰關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)了大沽河干流青島段水質(zhì)總體狀況與變化趨勢(shì),張春潔等(2013)利用灰關(guān)聯(lián)分析方法評(píng)價(jià)大遼河營(yíng)口段生態(tài)供水水質(zhì),陳娟等(2013)利用灰關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)黃家湖水質(zhì)都取得了較好的效果。本文利用灰關(guān)聯(lián)分析法分析圍欄內(nèi)優(yōu)勢(shì)影響因子,為圍欄內(nèi)水生態(tài)的平衡及增加漁產(chǎn)潛力提供科學(xué)依據(jù)。

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(diǎn) 于2005—2008年4—9月,每20天采樣1次,對(duì)華容東湖圍欄進(jìn)行37次采樣調(diào)查。按采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(HJ495-2009),選取圍欄中心處作為采樣點(diǎn)。

1.1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(dòng)物和浮游植物。

1.1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法 pH(用 HI9224型測(cè)定)、溶解氧和水溫(用 HI9141型測(cè)定)、水深和透明度均在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,用有機(jī)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(shí)驗(yàn)室用于氨氮、硝酸氮、總磷和總氮的監(jiān)測(cè),加適量魯哥式液固定用于浮游生物計(jì)數(shù)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(shù)臺(tái)式離子濃度分析儀測(cè)定,上述儀器均為意大利哈納9804系列產(chǎn)品。用NOVEL XSZ-N107型顯微鏡分類統(tǒng)計(jì)浮游動(dòng)物和浮游植物,結(jié)果以每升水中浮游生物細(xì)胞數(shù)表示。

1.2 灰關(guān)聯(lián)分析方法

灰關(guān)聯(lián)分析是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化的定量描述和比較的方法,是有參考系有測(cè)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(shù)列和比較數(shù)列的選定 在水環(huán)境系統(tǒng)中,某種因素造成水環(huán)境事故發(fā)生的機(jī)率為 100%是最嚴(yán)重的情況,因此把參考數(shù)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(dòng)物和浮游植物12個(gè)指標(biāo)作為比較序列,故有N=12,n=37。

1.2.2 原始數(shù)據(jù)預(yù)處理 為弱化各原始數(shù)據(jù)的隨機(jī)性,消除量綱,合并數(shù)量級(jí),使其具有可比性,等效性和同序性,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理—無量綱化(劉燕東等,2005)。

有以下方法可對(duì)時(shí)間序列(或經(jīng)濟(jì)序列)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理:

而對(duì)于空間序列(或指標(biāo)序列)的原始數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要方法有:

效果測(cè)度變換:

對(duì)于越大越好的指標(biāo)(如溶解氧、透明度),采用上限測(cè)度:

對(duì)于越小越好的指標(biāo)(如總磷、總氮),采用下限測(cè)度:

對(duì)于取中間值較優(yōu)指標(biāo)(如氮磷比和 pH 等),采用平均值測(cè)度:

1.2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù) 當(dāng)t=k時(shí),的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ζ0i(k)(i= 1,2,…,37):

式中,Δmax、Δmin分別為各個(gè)時(shí)刻絕對(duì)差中的最大值和最小值,即:,Δ0i(k)為k時(shí)刻兩個(gè)序列的絕對(duì)差,即;ρ為分辨系數(shù)(提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性),取值準(zhǔn)則參照呂峰(1997)。

1.2.4 關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序 比較數(shù)列對(duì)參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)有多個(gè),因信息過于分散而難以比較,因此將各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中處理后所得的平均值,作為比較數(shù)列對(duì)參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度(γ0i)(侯曉亮等,2011):

關(guān)聯(lián)序是根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小的排序得出。但由于初值化、均值化處理和分辨系數(shù)的變動(dòng)都不具有序數(shù)效應(yīng)(水乃翔等,1992),因此不能僅對(duì)某一特定的值、某種特定的無量綱處理方式所求得關(guān)聯(lián)度序就快速下結(jié)論。筆者用初值化、均值化和效果測(cè)度變換三種方法對(duì)華容東湖圍欄水體水環(huán)境影響因素監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 華容東湖圍欄水體生態(tài)因子監(jiān)測(cè)結(jié)果

華容東湖圍欄生態(tài)因子監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。除圍欄的總氮有2次、pH有1次超出標(biāo)準(zhǔn)(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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》Ⅲ類水范圍內(nèi)。在2005—2008年監(jiān)控時(shí)間段內(nèi),圍欄內(nèi)水體水質(zhì)良好,溶解氧豐富,浮游生物量多,適宜鳙魚苗種的生長(zhǎng)。

表1 華容東湖圍欄生態(tài)因子監(jiān)測(cè)結(jié)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(tài)因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序

華容東湖圍欄生態(tài)因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序見圖1(圖中數(shù)字為關(guān)聯(lián)序)。初值化關(guān)聯(lián)度在 0.929792—0.965906之間,關(guān)聯(lián)序:總磷＞氨氮＞浮游植物＞水溫＞浮游動(dòng)物＞酸堿度＞水深＞溶解氧＞透明度＞總氮＞硝酸氮＞氮磷比;均值化關(guān)聯(lián)度在0.9624707—0.9625019之間,關(guān)聯(lián)序:氮磷比＞總磷＞總氮＞浮游植物＞硝酸氮＞浮游動(dòng)物＞溶解氧＞透明度＞酸堿度＞水深＞水溫＞氨氮;效果測(cè)度變換關(guān)聯(lián)度在0.8699610—0.9036088之間,關(guān)聯(lián)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(dòng)物＞浮游植物。

圖1 華容東湖圍欄生態(tài)因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)序、均值化關(guān)聯(lián)序和效果測(cè)度變換關(guān)聯(lián)序得:總磷＞總氮＞氮磷比＞氨氮＞浮游植物＞硝酸氮＞酸堿度＞浮游動(dòng)物＞水溫＞透明度＞溶解氧＞水深。東湖圍欄表現(xiàn)為總磷、總氮(包括氨氮和硝酸氮)和氮磷比是優(yōu)勢(shì)影響因子,透明度、溶解氧、水深則是相對(duì)次要的影響因子。

3 討論

3.1 優(yōu)勢(shì)影響因子與浮游植物

浮游植物生長(zhǎng)最重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是氮和磷,但氮和磷同時(shí)又是常見的限制營(yíng)養(yǎng)元素(Reynolds,1984;Gurbuzet al,2002;Vadaset al,2005),因此氮和磷對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)具有主導(dǎo)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(shí),浮游植物的優(yōu)勢(shì)種類在不同的水域和同一水域的不同時(shí)間對(duì)氮磷比值的要求也不同。許多研究發(fā)現(xiàn)水生植物生長(zhǎng)最常缺的是磷,其次是氮(裘松,1982;樊啟學(xué),1991)。Redfield定律認(rèn)為,藻類細(xì)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?jiǎng)t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(zhǎng)適合此規(guī)律(Schanzet al,1983)。華容東湖圍欄氮磷比平均值為17.3︰1(表1),據(jù)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(zhǎng)。

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(duì)于有機(jī)物質(zhì)的分解和營(yíng)養(yǎng)鹽類的再生、湖泊中水生生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖都非常有利,因此湖泊中的浮游動(dòng)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(jìn)鳙魚苗種的快速生長(zhǎng)。水生植物的快速生長(zhǎng)破壞了湖泊水體中的鹽類水解平衡,隨著植物體對(duì)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(zhuǎn)化成,導(dǎo)致pH較高。東湖圍欄的平均pH為8.71(表1),稍高于魚類生長(zhǎng)的最適pH。

4 結(jié)語

通過灰關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn),圍欄內(nèi)水體水質(zhì)良好,水體的氮磷比及溶解氧都適于浮游生物的生長(zhǎng)繁殖,對(duì)圍欄養(yǎng)殖鳙魚苗種天然餌料的培育、增加漁產(chǎn)潛力都有重要作用。但圍欄內(nèi)的pH稍高于魚類生長(zhǎng)的最適 pH。如何在增加水中溶解氧,促進(jìn)浮游生物生長(zhǎng)繁殖的同時(shí),又能使水體的 pH保持在最適宜魚類生長(zhǎng)的范圍(7.5—8.5)(楊品紅等,2010),有待進(jìn)一步研究。

萬 星,丁 晶,張少文等,2005.基于灰色理論的水環(huán)境影響因素分析.人民黃河,27(5):36—38

豐茂武,吳云海,馮仕訓(xùn)等,2008.不同氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響.生態(tài)環(huán)境,5:23—26

水乃翔,董太事,沙 震,1992.關(guān)于灰關(guān)聯(lián)度的一些理論問題.系統(tǒng)工程,10(6):23—26

鄧聚龍,1985.灰色控制系統(tǒng).武漢:華中理工大學(xué)出版杜,1—235

馮利華,1999.水資源變化趨勢(shì)的灰色聚類預(yù)測(cè).資源科學(xué),21(3):11—15

呂 峰,1997.灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度之分辨系數(shù)的研究.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,6:49—54

劉思峰,覺耀國(guó),方志耕等,2004.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用(3版).北京:科學(xué)出版社,1—376

劉燕東,黃川友,張金燕,2005.地表水主要指標(biāo)與水環(huán)境質(zhì)量的灰色關(guān)聯(lián)分析.東北水利水電,23(24):40—41

楊品紅,王志陶,徐黎明,2010.能效漁業(yè)狀態(tài)下津市西湖生態(tài)因子與浮游植物量的灰關(guān)聯(lián)模型{GM(I,N)}.海洋與湖沼,41(3):403—409

吳世凱,謝 平,王松波等,2005.長(zhǎng)江中下游地區(qū)淺水湖泊群中無機(jī)氮和 TN/TP變化的模式及生物調(diào)控機(jī)制.中國(guó)科學(xué)(D輯),22:124—127

張春潔,金 鑫,2013.灰關(guān)聯(lián)分析法在大遼河營(yíng)口段生態(tài)供水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用.吉林水利,5:46—49

陳 娟,楊象梁,2013.灰關(guān)聯(lián)分析法在黃家湖水質(zhì)評(píng)價(jià)的應(yīng)用.環(huán)境科學(xué)與管理,38(4):76—78

陳文煊,王志紅,2008.不同形態(tài)氮對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水源藻華暴發(fā)的潛在影響.給水排水,9(14):25—27

易德生,郭 萍,1992.灰色理論與方法.北京:石油工業(yè)出版社,1—224

趙秀春,2009.灰關(guān)聯(lián)分析法在大沽河青島段水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用.水生態(tài)學(xué)雜志,5:115—118

侯曉亮,譚曉慧,2011.灰色關(guān)聯(lián)理論在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用.路基工程,3:16—18

章宗涉,黃祥飛,1991.淡水浮游生物研究方法.北京:科學(xué)出版社,64—66

裘 松,1982.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查和監(jiān)測(cè)的若干問題.環(huán)境科學(xué)叢刊,2(5):8—18

樊啟學(xué),1991.水庫(kù)施肥養(yǎng)魚(一).水利漁業(yè),2:47—50

Gurbuz H,Kivrak E,2002.Use of epilithic diatoms to evaluate water quality in the Karasu River of Turkey.Journal of Environmental Biology,23(3):239—246

Li R X,Zhu M Y,Chen Set al,2001.Responses of phytoplankton on phosphate enrichment in mesocosms.Acta Ecologica Sinica,21(4):603—607

Reynolds C S,1984.The ecology of freshwater phytoplankton(Cambridge studies in ecology)PP.Cambridge University:Cambridge,Great Brliain,157—183

Schanz F,Juon H,1983.Two different methods of evaluating nutrient limitation of periphyton biomassays using water from the river Rhine and eight of its tributaries.Hydrobiologia,102:187—195

Vadas P A,Kleinman P J,Sharpley A Net al,2005.Relating soil phosphorus to dissolved phosphorus inrunoff:a single extraction coefficient for water quality modeling.Journal of Environmental Quality,34(2):572—580