华容东湖围栏生态因子的灰关联分析*

杨品红 徐黎明 覃忠元 张 倩 潘 莹王晓艳 李梦军 谢春华

(1.湖南文理学院生命科学学院 常德 415000;2.湖南省水产工程技术研究中心 常德 415000;3.大湖股份千店工程事业部 常德 415000;4.大湖水殖股份有限公司 常德 415000;5.南京市水产科学研究所 南京 210036)

东湖为长江中游的一个中型浅水湖泊,湖泊面积3500hm2,位于湖南省华容县境内,属洞庭湖水系,为湿润大陆季风气候,光照充足,雨量适度,温暖湿润。东湖属丘陵地区,为天然湖泊,水草生长十分茂盛,水下生物非常丰富,周边居民稀少,无任何厂矿企业,无污染,水质清澈,透明度高,悬浮物少,重金属及有毒物质含量检测不出,非常适合鱼类生长,为当地优势品牌“东湖源”胖头鱼的主要原料供应基地。“东湖源”胖头鱼被评为湖南名牌农产品,在全国各大水产品市场有较强的品牌影响力。每年有部分产品进入香港市场,深受消费者欢迎,具有良好的市场开拓潜力。为了进一步开发“东湖源”胖头鱼资源,形成优势品牌,将东湖南部湖区 67hm2设置成围栏,专项用于培育鳙鱼苗种。本文对围栏内的水体进行实时监控,使用灰色理论的关联度分析法对华容东湖围栏水体的影响因素进行定量描述,力求找出影响养殖水体环境变化的主要因子,并以此为依据作用于渔业生产,对围栏养殖鳙鱼水体调节、天然饵料的培育、增加渔产潜力都有其重要的作用。

灰关联分析是对一个系统发展变化的定量描述和比较的方法,其目的是寻求系统中各因素间的主要关系,找出影响目标值的主要因素(刘思峰等,2004)。可将湖泊环境视作一个灰色系统,其中影响水质变化的参数包括确定性因素(如水体的理化因子)和不确定性因素(如气象条件、太阳辐射等),利用灰关联分析法对样本量的大小没有太高要求,分析时也不需要典型的分析规律,且量化结果与定性分析一致,具有广泛的实用性(易德生等,1992)。冯利华(1999)利用灰关联分析方法预测新疆伊犁河水资源的变化趋势,赵秀春(2009)用灰关联计算结果全面系统的评价了大沽河干流青岛段水质总体状况与变化趋势,张春洁等(2013)利用灰关联分析方法评价大辽河营口段生态供水水质,陈娟等(2013)利用灰关联分析评价黄家湖水质都取得了较好的效果。本文利用灰关联分析法分析围栏内优势影响因子,为围栏内水生态的平衡及增加渔产潜力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析方法

1.1.1 采样频率及采样点 于2005—2008年4—9月,每20天采样1次,对华容东湖围栏进行37次采样调查。按采样方案设计技术规定(HJ495-2009),选取围栏中心处作为采样点。

1.1.2 监测项目 总氮(TN)、总磷(TP)、氮磷比(TN/TP)、氨氮、硝酸氮、透明度(SD)、水深(WD)、水温(WT)、溶解氧(DO)、酸碱度(pH)、浮游动物和浮游植物。

1.1.3 水质监测方法 pH(用 HI9224型测定)、溶解氧和水温(用 HI9141型测定)、水深和透明度均在现场测定,用有机玻璃采水器采取表层(水表以下0.5m)、中层(中间水深)和底层(距水底0.5m处)3层混匀水样装瓶带回实验室用于氨氮、硝酸氮、总磷和总氮的监测,加适量鲁哥式液固定用于浮游生物计数的水样(章宗涉等,1991)。氨氮、硝酸氮、总磷和总氮采用 C200系列多参数台式离子浓度分析仪测定,上述仪器均为意大利哈纳9804系列产品。用NOVEL XSZ-N107型显微镜分类统计浮游动物和浮游植物,结果以每升水中浮游生物细胞数表示。

1.2 灰关联分析方法

灰关联分析是对一个系统发展变化的定量描述和比较的方法,是有参考系有测度的整体比较,其分析步骤如下(邓聚龙,1985;易德生等,1992)。

1.2.1 参考数列和比较数列的选定 在水环境系统中,某种因素造成水环境事故发生的机率为 100%是最严重的情况,因此把参考数列定义为(万星等,2005),将透明度、水深、水温、溶解氧、pH、氨氮、硝酸氮、总磷、总氮、氮磷比、浮游动物和浮游植物12个指标作为比较序列,故有N=12,n=37。

1.2.2 原始数据预处理 为弱化各原始数据的随机性,消除量纲,合并数量级,使其具有可比性,等效性和同序性,对原始数据进行预处理—无量纲化(刘燕东等,2005)。

有以下方法可对时间序列(或经济序列)原始数据进行预处理:

而对于空间序列(或指标序列)的原始数据预处理的主要方法有:

效果测度变换:

对于越大越好的指标(如溶解氧、透明度),采用上限测度:

对于越小越好的指标(如总磷、总氮),采用下限测度:

对于取中间值较优指标(如氮磷比和 pH 等),采用平均值测度:

1.2.3 关联系数 当t=k时,的关联系数为ζ0i(k)(i= 1,2,…,37):

式中,Δmax、Δmin分别为各个时刻绝对差中的最大值和最小值,即:,Δ0i(k)为k时刻两个序列的绝对差,即;ρ为分辨系数(提高关联系数之间的差异显著性),取值准则参照吕峰(1997)。

1.2.4 关联度及关联序 比较数列对参考数列的关联系数有多个,因信息过于分散而难以比较,因此将各个时刻的关联系数集中处理后所得的平均值,作为比较数列对参考数列的关联度(γ0i)(侯晓亮等,2011):

关联序是根据关联度大小的排序得出。但由于初值化、均值化处理和分辨系数的变动都不具有序数效应(水乃翔等,1992),因此不能仅对某一特定的值、某种特定的无量纲处理方式所求得关联度序就快速下结论。笔者用初值化、均值化和效果测度变换三种方法对华容东湖围栏水体水环境影响因素监测结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 华容东湖围栏水体生态因子监测结果

华容东湖围栏生态因子监测结果见表1。除围栏的总氮有2次、pH有1次超出标准(总氮≤1.0mg/L;总磷≤0.05mg/L;氨氮≤1.0mg/L;pH 6—9;溶解氧≥5mg/L)外,其余均在《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》Ⅲ类水范围内。在2005—2008年监控时间段内,围栏内水体水质良好,溶解氧丰富,浮游生物量多,适宜鳙鱼苗种的生长。

表1 华容东湖围栏生态因子监测结果Tab.1 The ecological factor of the experimental results on net enclosure in the Donghu Lake

2.2 华容东湖围栏生态因子关联度及关联序

华容东湖围栏生态因子关联度及关联序见图1(图中数字为关联序)。初值化关联度在 0.929792—0.965906之间,关联序:总磷＞氨氮＞浮游植物＞水温＞浮游动物＞酸碱度＞水深＞溶解氧＞透明度＞总氮＞硝酸氮＞氮磷比;均值化关联度在0.9624707—0.9625019之间,关联序:氮磷比＞总磷＞总氮＞浮游植物＞硝酸氮＞浮游动物＞溶解氧＞透明度＞酸碱度＞水深＞水温＞氨氮;效果测度变换关联度在0.8699610—0.9036088之间,关联序:总磷＞总氮＞氮磷比＞硝酸氮＞氨氮＞透明度＞酸碱度＞水温＞溶解氧＞水深＞浮游动物＞浮游植物。

图1 华容东湖围栏生态因子关联度及关联序Fig.1 Correlative degree and correlation order of ecological factor for the net enclosure in Donghu Lake

综合考虑初值化关联序、均值化关联序和效果测度变换关联序得:总磷＞总氮＞氮磷比＞氨氮＞浮游植物＞硝酸氮＞酸碱度＞浮游动物＞水温＞透明度＞溶解氧＞水深。东湖围栏表现为总磷、总氮(包括氨氮和硝酸氮)和氮磷比是优势影响因子,透明度、溶解氧、水深则是相对次要的影响因子。

3 讨论

3.1 优势影响因子与浮游植物

浮游植物生长最重要的营养物质是氮和磷,但氮和磷同时又是常见的限制营养元素(Reynolds,1984;Gurbuzet al,2002;Vadaset al,2005),因此氮和磷对浮游植物的生长具有主导作用。

不同种类的浮游植物的最适氮磷比值相差很大,从4︰1到40︰1不等(吴世凯等,2005;丰茂武等,2008;陈文煊等,2008),同时,浮游植物的优势种类在不同的水域和同一水域的不同时间对氮磷比值的要求也不同。许多研究发现水生植物生长最常缺的是磷,其次是氮(裘松,1982;樊启学,1991)。Redfield定律认为,藻类细胞组成的原子比率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,氮则为限制性因素;如果氮磷比在 10—20之间,限制性因素则变得不确定(Liet al,2001)。湖泊等淡水中浮游植物的生长适合此规律(Schanzet al,1983)。华容东湖围栏氮磷比平均值为17.3︰1(表1),据此可判断东湖围栏氮和磷的限制性并不确定,说明东湖围栏氮磷比适宜浮游植物生长。

3.2 溶解氧与pH

华容东湖围栏水体溶解氧非常丰富,年平均值为9.65mg/L(表1)。丰富的溶解氧对于有机物质的分解和营养盐类的再生、湖泊中水生生物的生长、发育、繁殖都非常有利,因此湖泊中的浮游动物、浮游植物的含量也都较高(表1),有助于培育丰富的饵料生物,促进鳙鱼苗种的快速生长。水生植物的快速生长破坏了湖泊水体中的盐类水解平衡,随着植物体对水中 CO2利用的增加,[OH-]一瞬间增大,之后OH-又打破了的电离平衡,致使水中转化成,导致pH较高。东湖围栏的平均pH为8.71(表1),稍高于鱼类生长的最适pH。

4 结语

通过灰关联分析发现,围栏内水体水质良好,水体的氮磷比及溶解氧都适于浮游生物的生长繁殖,对围栏养殖鳙鱼苗种天然饵料的培育、增加渔产潜力都有重要作用。但围栏内的pH稍高于鱼类生长的最适 pH。如何在增加水中溶解氧,促进浮游生物生长繁殖的同时,又能使水体的 pH保持在最适宜鱼类生长的范围(7.5—8.5)(杨品红等,2010),有待进一步研究。

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