劉海平，鐘國輝，葉少文，張良松，張惠娟，范麗卿，巴 桑，李鐘杰

(1：西藏大學農牧學院，林芝 860000;2：中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室，武漢 430072;3：中國科學院大學，北京 1000494：福建省水產技術推廣總站，福州 350003)

*取解釋率絕對值最大的作為每一個主成分解釋程度較高的水質理化指標，并用加粗來表示.

西藏尼洋河水環(huán)境特征多元統(tǒng)計分析*

劉海平1，2，3，鐘國輝1，葉少文2，張良松4，張惠娟1，范麗卿1，巴 桑1，李鐘杰2**

(1：西藏大學農牧學院，林芝 860000;2：中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室，武漢 430072;3：中國科學院大學，北京 1000494：福建省水產技術推廣總站，福州 350003)

自2008年11月到2009年10月按照月份監(jiān)測西藏林芝地區(qū)尼洋河水環(huán)境特征.結果顯示，根據Pearson相關性矩陣，可將尼洋河26項理化指標分為3大類，分別是低度相關性理化指標、中度相關性理化指標和高度相關性理化因子.析因分析顯示，可將26項理化指標分為4大類，第1類為尼洋河水體常規(guī)的理化指標、第2類為尼洋河水體硬度相關指標、第3類為海拔及第4類為影響水生生物生長的水質理化指標.PCA分析發(fā)現，平水期、豐水期以及枯水期水環(huán)境特征明顯不同，以上3期各自聚為一類，而尼洋河沿程方面，水環(huán)境特征則不存在差異.構建了尼洋河海拔、底層水溫與相關理化因子的一元回歸方程.建議加強對尼洋河水環(huán)境的監(jiān)測工作，積極推進尼洋河水域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展進程.

西藏；尼洋河；水質理化；時空動態(tài)；主成分分析；析因分析；Pearson相關性矩陣

青藏高原素有“亞洲水塔”之譽，是亞洲十大河流之源，湖泊星羅密布，河流縱橫交錯，由于受到強烈的地質條件的影響以及獨特的氣候作用，特別是高原地區(qū)，高海拔區(qū)域的氣候變暖效應較低海拔區(qū)域明顯，由于海拔所引起的氣候變暖效應能夠加速改變高山生態(tài)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性[1]，隨著全球氣候變暖，青藏高原冰雪融量以及降水量都在發(fā)生改變，導致湖面水位升高和河流徑流量增大[2]，這些水源的補給將影響和改變水環(huán)境特征[3]，從而間接影響水生生物群落結構和水體的生態(tài)服務功能，同時，隨著水溫的升高，將影響河流水生生物的分布、數量以及水體的健康[4].除此之外，社會發(fā)展和人為干擾因子的存在，高原河流、湖泊正在遭受著一系列現實的問題，如：流域用水總量不斷上升、污染排放總量持續(xù)增加、流域主要水體水質不斷惡化[5]，丁海容[6]在對拉薩市城區(qū)段水環(huán)境進行監(jiān)測發(fā)現，由于拉薩市區(qū)內大量未經處理的生活污水及工業(yè)廢水直排到中干渠，再由中干渠在拉魯濕地出口全部匯入流沙河，導致流沙河水質現狀較差，部分水質超過《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類水質標準，COD污染超標嚴重，最大倍數達17.5倍.可見，長期堅持開展高原河流、湖泊的水環(huán)境監(jiān)測工作，不論是從科學研究價值還是社會現實意義角度，都顯得尤為重要.本文通過對尼洋河水環(huán)境特征的分析，判斷尼洋河各類水質理化指標之間的相關性，建立水溫、海拔與相關理化指標的一元回歸方程，從而為尼洋河水環(huán)境的監(jiān)測提供科學的理論依據，為尼洋河水域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎，也為魚類保護、水電站建設評估提供科學依據.

1 實驗設計和數據處理

關于研究區(qū)域概況、采站設置、采樣時間等內容參考同系列文章[7-9]，水體理化指標采集和分析方法具體參見表1.

表1 尼洋河水體水質理化指標及代碼、單位、保存方法和分析方法

通過SPSS 18.0建立尼洋河水質理化指標Pearson相關性矩陣，用析因分析方法探析尼洋河水質理化主要解釋指標，構建海拔、底層水溫與相關理化因子的一元回歸方程.基于R語言(版本號：2.14.1)，用PCA方法(principal component analysis)對尼洋河水質理化指標時空特征進行分析.

2 結果與分析

2.1 尼洋河水體理化指標相關性分析

選擇26項水體理化指標以及采樣點海拔信息，采用Pearson相關性矩陣，探析尼洋河水體理化因子之間的相關性，結果顯示(表2)，在26項水體理化指標信息中，顯著相關項(P<0.05)在10項以下的指標有11項，包括：銨態(tài)氮、硬度、鐵、pH值、鎂、海拔、鈣、底層溶解氧、總氮、礦化度和表層溶解氧，可以將它們稱為低度影響尼洋河水體理化性質相關因子，其中，與海拔相關的指標有硬度、鈣、碳酸氫根、硅酸根、葉綠素a以及總堿度6項.顯著相關項(P<0.05)在10～15項的理化因子有9項，包括氯離子、總磷、氣溫、硝酸根、硫化物、化學耗氧量、鈉、碳酸氫根和堿度，可以將它們稱為中度影響尼洋河水體理化性質相關因子.顯著相關項(P<0.05)在15項以上的理化因子有6項，包括硅酸根、鉀、葉綠素a、表層溫度、底層溫度以及硫酸根，可以將它們稱為高度影響尼洋河水體理化性質相關因子，顯著相關項最多的是底層溫度，達22項.

2.2 尼洋河水體理化指標析因分析

用析因分析法分析尼洋河水質理化指標特征，經最大四次方值法旋轉平方和之后，前8個主成分累計貢獻率達84.89%，可將26項水質理化指標歸納為4類：第1類為尼洋河水體常規(guī)監(jiān)測的理化指標，如主成分1和主成分2所展示，包括：水體的底層溫度、表層溫度、氣溫、鈉離子、鉀離子、硝酸根、硫酸根、碳酸氫根、氯離子、化學耗氧量、硅酸根、表層溶解氧、底層溶解氧、葉綠素a、總氮、硫化物、堿度和銨態(tài)氮等18項理化指標；第2類如主成分3所展示，為尼洋河水體的硬度相關指標，包括：硬度和鈣；第3類為海拔，即主成分4；第4類為影響水生生物生長的水質理化指標，如主成分5、主成分6和主成分7所示，包括pH值、總磷、礦化度、鎂和鐵5項理化指標(表3、表4).

2.3 尼洋河水體理化性質時空特征分析

通過PCA解釋尼洋河水體理化性質時空特征，前兩個主成分解釋率之和達48.7%.尼洋河沿程方面，水體的理化性質較為相似，河道底質方面，流經砂石和粘土的尼洋河水體理化性質也較為相似，但是在季節(jié)方面，出現較大的變動，主要表現在冬季和春季(枯水期)的尼洋河水體理化性質歸為一類，夏季(豐水期)和秋季(平水期)的尼洋河水體理化性質各為一類，尼洋河水體理化性質與季節(jié)存在極大的關聯(lián)(圖1).

2.4 尼洋河水體海拔、底層溫度與相關理化因子一元回歸方程構建

海拔決定一個地區(qū)的溫度和光照等環(huán)境因素的變化，屬于宏觀尺度的環(huán)境因子，通常情況下，由于海拔的升高，水域溫度降低，冰凍期延長[11-12]，物種的豐富度也隨之降低[13]，可見，海拔和溫度對水環(huán)境的影響較大，但尼洋河水體的海拔與溫度不存在顯著相關性(表2)，同時，為了探究尼洋河海拔與其他相關理化因子的具體關系，構建了尼洋河海拔與相關理化因子的一元回歸方程，尼洋河可與海拔構建一元回歸方程的理化因子有水體硬度、鈣、碳酸氫根、硅酸根和葉綠素a，且均為正相關，所構建的一元回歸方程關系顯著(P<0.05)(圖2).選擇底層溫度與相關理化因子構建一元回歸方程，這些相關理化因子有表層溫度、氣溫、pH值、鈉離子、鉀離子、硝酸根、硫酸根、碳酸氫根、氯離子、硅酸根、礦化度、化學耗氧量、表層溶解氧、底層溶解氧、葉綠素a、硫、總堿度和銨態(tài)氮等18項理化指標，所構建的一元回歸方程關系顯著(P<0.05)，其中，與底層水溫呈負相關的理化因子有碳酸氫根、礦化度、表層溶解氧、底層溶解氧、總堿度5項理化因子，其余13項理化因子與底層水溫均呈正相關(圖3).

3 討論

3.1 尼洋河水生生物及環(huán)境季節(jié)變化基本特征及原因探析

水環(huán)境的穩(wěn)定性隨著水體中離子組成及比例的變化而變化[14]，水體中離子的來源(C)有：流域內巖石風化產物(Cw)、人為因素貢獻(Canth)、大氣降水(Cdry)、大氣干沉降(Cwet)、生物圈貢獻(Cbio)和物質再循環(huán)過程中的凈遷移量(Cexch)[15]，可表示為：

C=Cw+Canth+Cdry+Cwet+Cbio+Cexch

表3 尼洋河水質理化指標總方差分解

Tab.3 Total variance explanations for physico-chemical factors of water quality index for Niyang River

理化指標初始特征值提取平方和載入旋轉平方和載入合計方差百分比/%累積百分比/%合計方差百分比/%累積百分比/%合計方差百分比/%累積百分比/%Elevation8.25831.76131.7618.25831.76131.7616.14623.63823.638WTS3.93615.14046.9023.93615.14046.9025.45720.98744.625WTB2.5629.85356.7552.5629.85356.7552.4229.31453.939T1.7756.82863.5831.7756.82863.5831.8737.20461.143pH1.6106.19469.7771.6106.19469.7771.7386.68467.828TH1.4255.48175.2581.4255.48175.2581.6236.24474.072Mg2+1.2384.76380.0211.2384.76380.0211.5475.94980.021Ca0.9753.75083.771Na+0.8503.27087.040K+0.5902.27089.310Fe0.4961.90791.217NO-30.4511.73392.950SO2-40.3881.49294.442HCO-30.3341.28395.725Cl-0.3211.23696.961SiO2-30.1880.72597.686TDS0.1450.55898.244COD0.1170.45198.695DOS0.0990.38199.076DOB0.0790.30499.381Chl.a0.0590.22699.606TN0.0380.14699.752TP0.0270.10599.857S2-0.0230.09099.947TA0.0140.053100.000NH+4-N00100.000

表4 尼洋河水質理化指標旋轉主成分矩陣*

*取解釋率絕對值最大的作為每一個主成分解釋程度較高的水質理化指標，并用加粗來表示.

圖1 基于PCA分析尼洋河水體理化性質時空特征(圖中數字為樣點標記，其中1、2、3、4分別為采樣點Ⅰ的春、夏、秋、冬季；5、6、7、8分別為采樣點Ⅱ的春、夏、秋、冬季；9、10、11、12分別為采樣點Ⅲ的春、夏、秋、冬季；13、14、15、16分別為采樣點Ⅳ的春、夏、秋、冬季.S1指采樣點Ⅰ、S2為采樣點Ⅱ、S3為采樣點Ⅲ、S4為采樣點Ⅳ.第一主成分解釋率為33.0%(圖中左上圖第一條黑色柱所示)，第二主成分解釋率為15.7% (圖中左上圖第二條黑色柱所示)，前兩個主成分解釋率和達48.7%)Fig.1 Spatio-temporal character for physico-chemical characteristics for Niyang River based on PCA

青藏高原大部分河流是以鈣、碳酸氫根為主的河流，青藏高原長江源頭則以鈉離子、氯離子和硫酸根為主[16]，在這樣的水環(huán)境基本框架下，降水和融雪則是影響青藏高原河流徑流量的主要因素[2].蒲燾等[17]對麗江盆地水環(huán)境特征研究中指出，季風期豐沛的大氣降水輸入對河水離子特征有較為顯著的影響，Zhang等[3]指出降水對高原湖泊(納木錯)的離子和總磷的補給有著重要的作用.但是，隨著青藏高原氣溫的逐年上升，大量冰雪融水匯入到湖泊或者河流，截止到2010年，色林錯湖面水位由于冰雪融水的輸入上升了近8m[18]，自1998-2005年青藏高原部分湖區(qū)(茲格塘錯和措那湖)面積超過了歷來最大面積的25%[19].由于冰雪中含有豐富的離子和礦物質元素[20]，也將隨著涓涓細流匯入江河，由于雪水的補給，流域(內華達山脈(Sierra Nevada)附近流域)中離子(硝酸根和硫酸根)的變化呈現出較為顯著的時空特征[21].

尼洋河是以雨水和冰雪融水混合補給的河流[22]，水環(huán)境特征呈現出明顯的季節(jié)特征.

圖2 尼洋河水體海拔與相關理化因子一元回歸方程Fig.2 Regression equation between elevation and relevant physico-chemical factors for Niyang River

通過PCA分析發(fā)現，尼洋河豐水期(夏季)、平水期(秋季)以及枯水期(冬季和春季)水環(huán)境特征明顯不同，以上3期各自聚為一類，而尼洋河沿程方面，水環(huán)境特征則無差異.

到了冬季，較雨季而言，降雨量或者融雪量極大的減少，河流處于枯水期，流速降低，流速會直接影響到著生藻類的群落結構，由于水體的沖刷作用，流速快的地方著生藻類生物量較低，另外流速與河床的底質存在著相關性，流速快的地方底質為砂石，流速慢的地方底質則為黏土或者細砂，往往粗糙的基質上著生的著生藻類物種豐富度較光滑的基質上大，尼洋河底質為黏土河段的著生藻類物種豐富度和總豐度較底質為砂石的河段大[8].

在夏季，開始有大量的雪融水和天然降水源源不斷的輸入，春、夏季比秋、冬季的大型底棲動物總豐度高[9].雖然有營養(yǎng)鹽的補給，但是此時水流較急，不適宜大量浮游動物生長和繁殖，導致尼洋河夏季浮游動物生物量、物種豐富度、總豐度較低，其中夏季浮游動物物種豐富度、香農指數和均勻度指數最低，而浮游動物生物量和總豐度則僅高于冬季(歸咎于低溫).河水的交匯導致水體不穩(wěn)定，尼洋河浮游動物香農指數和均勻度指數在2個交匯處處于低谷位置.

3.2 尼洋河水生生物及環(huán)境空間變化基本特征及原因探析

資料顯示，在高海拔山地地帶，海拔升高會放大氣候變暖效應，加速改變高山生態(tài)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性進程[1].本研究區(qū)域，尼洋河河源米拉山口海拔逾5000m，匯入雅魯藏布江處海拔在2900m左右，作為高原河流，與海拔呈顯著相關的理化因子有硬度、鈣、碳酸氫根、硅酸根、葉綠素a以及總堿度6項，且均為正相關，一元線性回歸方程顯示線性關系顯著(P<0.05)，研究結果未顯示海拔與水溫之間存在顯著相關.

水溫受到很多因素的綜合作用.海拔和河道坡度對水溫產生負面影響[23]，Null等[4]研究加州內華達山脈冷水性河流水溫與氣候變暖的關系，發(fā)現氣溫每升高2℃，水溫將升高1.6℃，同時在春季水溫升高幅度最大，氣溫每升高2℃水溫將升高5℃.河流形態(tài)和融雪因素控制了水溫對氣溫的依賴程度[24]，融雪通過影響水體物理和化學性質，從而影響水生生物的分布和多樣性[25].

圖3 尼洋河水體底層水溫與相關理化因子一元回歸方程Fig.3 Regression equation between bottom dissolved oxygen and relevant physico-chemical factors for Niyang River

在本研究中，與底層水溫呈顯著相關的理化因子有22項(共26項檢測的理化因子)，相關率高達84.6%，與之呈正相關的理化因子有表層水溫、氣溫、pH值、鈉離子、鉀離子、硝酸根、硫酸根、氯離子、硅酸根、化學耗氧量、葉綠素a、硫和銨態(tài)氮13項，相關率高達50%，與之呈負相關的理化因子有碳酸氫根、礦化度、表層溶解氧、底層溶解氧、總堿度5項，以上18項指標與底層水溫擬合的一元線性回歸方程擬合度好(P<0.05)，其他與之顯著相關的理化因子還有鈣、鎂、鐵和總磷，僅總磷與底層溫度呈顯著負相關，其他3項均呈顯著正相關.在設備有限的情況下，可以通過獲取尼洋河底層水溫，計算得知其他理化性質，有較為廣泛的應用前景，也可為尼洋河水生態(tài)長期監(jiān)測提供理論依據.

尼洋河沿程浮游植物和著生藻類多樣性(香農指數)特點基本一致，即：尼洋河中游藻類香農指數最大，中上游河段和中下游河段藻類香農指數呈下降趨勢[7-8].這與Altormatt等[26]提出的觀點一致，即：在河流源頭以及高海拔區(qū)域，水生昆蟲的α多樣性最低，水流匯集區(qū)域多的區(qū)域，水生昆蟲的物種豐富度也高，中間海拔區(qū)域群落結構較為復雜.

尼洋河下游較其它河段平緩，形成了獨特的“尼洋河河谷”風景區(qū)，其河道底質以泥沙和黏土為主，具有較大的比表面積，更容易為浮游植物的生長和繁殖提供各類營養(yǎng)鹽，同時由于河谷河段水流較其他河段平緩，減少了因水流給浮游植物帶來的生存威脅，與海拔因素相比，尼洋河浮游植物物種豐富度或者總豐度對底質的響應更多一些，即以泥沙和黏土為底質的河道浮游植物物種豐富度以及總豐度較以砂石為底質的河道更大[7].

尼洋河作為雅魯藏布江5大一級支流之一，在工布地區(qū)社會和經濟發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，目前，多布電站已在建，林拉高速即將竣工，林拉鐵路工程正在有條不紊地推進，由此衍生的采砂場和水泥加工基地遍地開花，如何在社會發(fā)展過程中保持水生生態(tài)系統(tǒng)服務功能，因此對尼洋河水域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn).加強對尼洋河水域生態(tài)持續(xù)性監(jiān)測，及時向有關部門反饋水生態(tài)變化信息，保證尼洋河流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，從而推動社會和經濟的區(qū)域有序發(fā)展，這也是本系列論文的出發(fā)點和落腳點.

致謝：感謝西藏農牧學院動物科學學院強巴央宗院長，動物科學教研室劉鎖珠主任對本項研究工作的全力支持，感謝西藏林芝地區(qū)農牧局李耿民書記、嘎路副局長對本項研究工作積極配合，感謝閆宏偉、益西曲云、劉金鳳、旦增平措同學協(xié)助完成水質理化樣品的采集工作.

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Multivariate statistical analysis of water environment for Niyang River， the branch of the Yarlung Zangbo River， Tibet

LIU Haiping1，2，3， ZHONG Guohui1， YE Shaowen2， ZHANG Liangsong4， ZHANG Huijuan1， FAN Liqing1， BA Sang1& LI Zhongjie2

(1：AgriculturalandAnimalHusbandryCollegeofTibetUniversity，Linzhi860000，P.R.China2：StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology，InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China3：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China4：FujianMarineProductsTechnicalPromotionStation，Fuzhou350003，P.R.China)

We have monitored and analyzed water environment for Niyang River， the branch of the Yarlung Zangbo River， Tibet， based on seasons from November 2008 to October 2009. The results are as follows： Firstly， based on Pearson correlation matrix， physico-chemical factors for Niyang River can be divided into three categories， which are low correlation physicochemical factors， mid correlation physico-chemical factors and high correlation physico-chemical factors. Secondly， based on factorial analysis， physicochemical factors for Niyang River can be divided into four categories， which are normal physico-chemical factors， hardness relevant physico-chemical factors， elevation， and physicochemical factors affecting growth of aquatic organism. Thirdly， based on PCA， the characteristics of level period， wet season and dry season are significantly different， there is no difference along Niyang River from upstream to downstream. Last but not least， we have structured regression equation between elevation and relevant physicochemical factors， regression equation between bottom water temperature and relevant physicochemical factors. The paper also suggests paying close attention to water environment monitoring， in order to warrantee the sustainable development of Niyang River aquatorium ecology.Keywords： Tibet； Niyang River； physico-chemical characteristics； spatio-temporal dynamic； PCA； factorial analysis； Pearson correlation matrix

J.LakeSci.(湖泊科學)， 2015， 27(6)： 1187-1196

DOI 10.18307/2015.0625

?2015 byJournalofLakeSciences

*西藏科技廳地區(qū)基金重點項目、西藏財政廳農業(yè)技術推廣項目、農業(yè)部公益性行業(yè)專項(201403012)和國家自然科學基金項目(31160140)聯(lián)合資助.

2015-05-26收稿；2015-07-20收修改稿.

劉海平(1981～)，男，博士，副教授；E-mail：luihappying@163.com.

**通信作者；E-mail： zhongjie@ihb.ac.cn.