吳會民 張韋 李文雯 蔡超 王永辰 李楠 繳建華

摘要：運(yùn)用主成分分析法對三口池塘水質(zhì)和沉積物共20個指標(biāo)的檢測結(jié)果進(jìn)行了綜合評價。結(jié)果表明，在養(yǎng)殖前期水質(zhì)最差，養(yǎng)殖中期水質(zhì)最好，養(yǎng)殖后期逐漸下降。

關(guān)鍵詞：濱海型鹽堿地池塘;理化因子;沉積物;主成分分析

中圖分類號：X824? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）17-0043-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.17.011? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： In order to evaluate the quality of pond of coastal saline-alkaline land by principal component analysis（PCA）， 20 indicators of water and sediment were detected. The results showed that the cultural water quality was the worst at the early stage， but it turned better at the middle， and it got worse at the last stages of the breeding.

Key words： pond of coastal saline-alkaline land; physical-chemical factors; sediment; principal component analysis （PCA）

目前水環(huán)境質(zhì)量評價的方法有很多種，主要有兩大類，即單因子評價法和綜合評價法[1]。單因子評價法計(jì)算較為簡便，但局限性也較明顯，即缺乏對水質(zhì)總體的評價。綜合評價法主要包括模糊綜合評價法[2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[3]、層次分析法[4]、灰色聚類法[5]和投影尋蹤法[6]等，但是這些方法在判斷水環(huán)境優(yōu)劣時需要與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然而很多水環(huán)境指標(biāo)沒有標(biāo)準(zhǔn)值，尤其是在漁業(yè)水質(zhì)評價時，可供利用的有標(biāo)準(zhǔn)值的指標(biāo)很少，這給水質(zhì)評價帶來很多不便。主成分分析法（PCA）也稱為主變量分析法，旨在利用降維的思想對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合和簡化，將較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)[7]。由于該方法不需要參考指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，因此，可以根據(jù)任何可以量化的指標(biāo)進(jìn)行評價比較，尤其適用于標(biāo)準(zhǔn)值很少的漁業(yè)水體的評價比較。本試驗(yàn)以天津市水產(chǎn)研究所淡水試驗(yàn)站的3口養(yǎng)殖池塘為研究對象，研究了池塘環(huán)境各指標(biāo)的相關(guān)性，并首次利用主成分分析法對養(yǎng)殖池塘不同階段的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了比較，以期為該類型池塘選擇合適的調(diào)控措施提供參考，并為建立漁業(yè)水體環(huán)境評價方法奠定基礎(chǔ)。

1? 材料與方法

1.1? 研究對象及樣品采集

選取天津市水產(chǎn)研究所淡水試驗(yàn)站3口養(yǎng)殖池塘，每口面積為0.267 hm2，池底土質(zhì)，池深3.0 m，有效水深2.5 m。每口池塘配備一臺1.5 kW的葉輪式增氧機(jī)和一臺120 W的投餌機(jī)。養(yǎng)殖模式為魚蝦混養(yǎng)，主養(yǎng)凡納濱對蝦，養(yǎng)殖密度為120萬尾/hm2，放養(yǎng)規(guī)格為1.0～1.5 cm/尾，混養(yǎng)種類主要為烏克蘭鱗鯉（125 g/尾，7 500尾/hm2）、異育銀鯽（50 g/尾，3 000尾/hm2）、草魚（250 g/尾，450尾/hm2）、鰱（125 g/尾，2 250尾/hm2）、鳙（250 g/尾，750尾/hm2）。養(yǎng)殖過程中對凡納濱對蝦和魚類進(jìn)行分別投喂。魚類投喂人工配合飼料，日投餌4次;凡納濱對蝦日投喂2次，上下午各一次，在魚類集中攝食時沿池塘四周投喂。每天中午及晚上開啟增氧機(jī)，中午開啟時間為12：00～14：00，晚上開啟時間根據(jù)實(shí)際情況而定，另外，高溫季節(jié)及陰雨天氣加長開啟時間。養(yǎng)殖過程中主要是通過池塘的清淤殺菌、苗種檢疫殺菌、定期投喂藥餌、水質(zhì)殺菌、底質(zhì)改良等措施預(yù)防病害的發(fā)生。整個養(yǎng)殖周期沒有從外部引水，補(bǔ)充水源主要為自然降雨。

在養(yǎng)殖季節(jié)（5—10月）每月采樣1次。每次采樣都選擇在晴天上午9：00～10：00進(jìn)行。用于主成分分析的指標(biāo)有20個。其中，水質(zhì)的測定指標(biāo)有pH、懸浮物、化學(xué)需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、活性磷酸鹽、總磷、銅、鋅、總硬度、總堿度、鹽度;沉積物的測定指標(biāo)有總磷、總氮、銅、鋅、硫化物、有機(jī)碳。各測定指標(biāo)依據(jù)相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

1.2? 研究方法

主成分分析法（PCA）也稱為主變量分析法，旨在利用降維的思想對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合和簡化，將較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)。主成分個數(shù)確定的原則：①只選取特征根>1時對應(yīng)的主成分;②累積貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上對應(yīng)的主成分;③根據(jù)特征根變化的突變點(diǎn)決定主成分變量。

用SPSS13.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 水質(zhì)、沉積物指標(biāo)的相關(guān)性

用相關(guān)分析研究了水質(zhì)和沉積物各因子之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，沉積物銅含量、水體活性磷酸鹽含量和總堿度、總硬度與5個指標(biāo)存在顯著相關(guān)性，水體pH、氨氮含量、鋅含量及總磷與4個指標(biāo)存在顯著相關(guān)性，沉積物鋅含量、有機(jī)碳含量和水體化學(xué)耗氧量與3個指標(biāo)存在顯著相關(guān)性，底泥總氮含量和水體總硬度與2個指標(biāo)存在顯著相關(guān)性，水體亞硝酸鹽氮含量與1個指標(biāo)存在相關(guān)性。由此可見，各指標(biāo)之間存在著錯綜復(fù)雜的關(guān)系。

以沉積物總氮為自變量，以其他全部指標(biāo)為因變量通過逐步回歸分析方法建立了回歸方程。由表1可知，沉積物中總氮（TN沉積物）與水質(zhì)鋅（Zn+）、亞硝酸鹽氮（NO2-）、懸浮物（SS）的回歸方程為TN沉積物 =-7.39 Zn++0.435 NO2--2.523 SS。

2.2? 主成分分析計(jì)算

由各指標(biāo)兩兩相關(guān)分析可知，各指標(biāo)之間存在著復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，說明這些指標(biāo)所反映的池塘的環(huán)境信息存在重疊關(guān)系，適合進(jìn)行主成分分析。主成分分析的特征值和主成分方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率和特征值曲線如表2和圖1所示，由于前5個主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到100.000%，故其他主成分未列出。根據(jù)主成分提取原則，主成分1、2、3、4的特征值都大于1，并且4個主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為95.893%，從圖1也可以看出，特征值曲線在主成分4出現(xiàn)了突變，由此可知，將此4個主成分作為綜合指標(biāo)，可較為全面地反映濱海型鹽堿地池塘的環(huán)境狀況。因此取主成分的個數(shù)為4。

主成分載荷矩陣代表的是各指標(biāo)與主成分之間的相關(guān)關(guān)系，某一指標(biāo)與某一主成分的載荷絕對值越大，說明該指標(biāo)與該主成分的相關(guān)性越強(qiáng)，聯(lián)系越緊密。從表3可以看出，氨氮、活性磷酸鹽、總堿度、總磷等指標(biāo)在主成分1上的載荷較大，有機(jī)碳dn、pH、亞硝酸鹽氮等指標(biāo)在主成分2上的載荷較大，硫化物dn、總氮dn、懸浮物、鹽度、總硬度等指標(biāo)在主成分3上的載荷較大，鋅dn、鋅等指標(biāo)在主成分4上的載荷較大。從主成分載荷的分布可看出，主成分1可解釋濱海型鹽堿地池塘水體的氮、磷水平，主成分2可解釋濱海型鹽堿地池塘沉積物的有機(jī)碳水平和水體的亞硝酸鹽氮水平，主成分3可解釋濱海型鹽堿地池塘水體的懸浮物水平，主成分4可解釋濱海型鹽堿地池塘的重金屬鋅水平。

由表4水質(zhì)指標(biāo)的載荷矩陣可得出主成分的得分公式[8]。

式中，Z為主成分載荷值;L為標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)值;F為主成分得分;i為采樣次數(shù);g為主成分個數(shù);

j為指標(biāo)個數(shù)。

主成分綜合評價根據(jù)如下公式計(jì)算[8]：

式中，λ是特征值。

2.3? 評價結(jié)果

將各監(jiān)測批次的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入主成分公式中，便可得到各批次的得分，說明了不同污染物對各監(jiān)測批次水體的影響程度。再利用主成分綜合評價公式得出各監(jiān)測批次的綜合得分，主成分綜合得分能夠反映水體的水質(zhì)狀況，得分越高，水質(zhì)污染狀況越嚴(yán)重。從主成分綜合得分（表4）可以看出，在養(yǎng)殖前期水質(zhì)最差，其主成分綜合評分最高值達(dá)到4.48，養(yǎng)殖中期7月、8月主成分綜合得分較低，在7月29日達(dá)到最低值-5.56，水質(zhì)處于最好狀態(tài)，養(yǎng)殖后期水質(zhì)又有所下降。

3? 討論

從主成分綜合得分可以看出，在剛開始養(yǎng)殖時池塘環(huán)境質(zhì)量最差，這是因?yàn)樘旖虻臑I海型鹽堿地池塘每年在放苗前和剛放苗時池塘的枝角類生物量都很大，而浮游植物的密度都很低，池塘水體氨氮和亞硝酸鹽氮含量都很高。隨著所放魚苗和蝦苗的攝食，枝角類生物量急劇減少，浮游植物種類和生物量逐漸增多，池塘水體質(zhì)量明顯改善，整個池塘生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到一個較好的平衡狀態(tài)。在本研究中，養(yǎng)殖中后期池塘環(huán)境質(zhì)量最好，這可能是因?yàn)楸狙芯恐兄黟B(yǎng)對象是凡納濱對蝦，并且套養(yǎng)了一定比例的鰱鱅等濾食性魚類，池塘養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)比較合理，養(yǎng)殖過程中管理比較規(guī)范。利用主成分分析法對濱海型鹽堿地養(yǎng)殖池塘環(huán)境的評價結(jié)果與池塘水質(zhì)、沉積物和浮游生物的分析結(jié)果基本一致，說明主成分分析法是一種比較理想的養(yǎng)殖池塘環(huán)境評價方法。主成分分析法已廣泛應(yīng)用于河流湖泊等水環(huán)境質(zhì)量評價[9，10]，本方法計(jì)算簡便，不需要復(fù)雜的計(jì)算公式，用成熟的統(tǒng)計(jì)軟件就可以實(shí)現(xiàn)，因此有很好的實(shí)用性。筆者之前發(fā)表的文章也可以實(shí)現(xiàn)任意指標(biāo)的比較，但是計(jì)算方法較復(fù)雜[11]，因此主成分分析法在漁業(yè)環(huán)境評價中有更廣闊的應(yīng)用前景。

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