益陽大通湖生態(tài)因子的灰關(guān)聯(lián)分析*

楊品紅　徐黎明　覃忠元　潘　瑩　湛　瑊　石彭靈張　倩　王曉艷　謝春華　李夢軍

(1. 環(huán)洞庭湖水產(chǎn)健康養(yǎng)殖與加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　動物學(xué)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　湖南文理學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院常德　415000; 2. 大湖水殖股份有限公司　常德　415000; 3. 南京市水產(chǎn)科學(xué)研究所　南京　210036)

我國湖泊面積占內(nèi)陸水域面積的 40%,其中,中、小型湖泊占50%。湖南境內(nèi)的中、小型湖泊在洞庭湖區(qū)星羅棋布,但由于長期以來利用形式單一和不合理,使穩(wěn)定多樣的湖泊復(fù)合生態(tài)日趨簡化或覆滅,絕大部分湖泊已成為無草湖或寡草湖,并有造成自身污染的趨勢(超富營養(yǎng)化)。如何能既保護(hù)好湖泊的原有生態(tài),又大幅度地增加湖泊效益,迄今為止,國內(nèi)外還沒有系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)借鑒。因此,開發(fā)好湖南省第一大內(nèi)陸湖泊——大通湖,對與此相類似的湖泊開發(fā)具有積極而深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

大通湖位于湖南省益陽東南,長江中游荊江段南岸,原為洞庭湖的一大湖域,在歷史演變過程中,因泥沙淤塞被支解成東、南洞庭湖間的一大湖灣,清光緒年間,湖面遼闊,可東通東洞庭湖,西抵目平湖,北經(jīng)藕池河與長江溝通,故稱大通湖。湖區(qū)屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風(fēng)濕潤氣候,年均氣溫16.6℃,多年平均日照時數(shù) 1775.7h,無霜期 266d,降水量1237.7mm,其中4―9月約占年降水總量的68%。大通湖湖泊面積 8267公頃,是湖南省最大的內(nèi)陸?zhàn)B殖湖泊,水產(chǎn)資源豐富,主要出產(chǎn)有四大家魚、蝦、蟹、蓮、菱角等。

灰色系統(tǒng)分析時不需要典型的分布規(guī)律,對樣本量的大小沒有太高要求,且量化結(jié)果與定性分析一致,具有廣泛的實(shí)用性(侯曉亮等,2011; 陳娟等,2013)。湖泊環(huán)境系統(tǒng)可看作是一個灰色系統(tǒng),影響湖泊水質(zhì)變化的參數(shù)有不確定性因素(如太陽輻射、氣象條件等)和確定性因素(如湖水的生態(tài)因子),有已知的,也有未知的,其中的不確定因素還會干擾確定因素,并且在有限的時間和空間范圍內(nèi)監(jiān)測得到的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),所提供的信息不確切或不完全。楊品紅等(2010a,b,2011,2014)對津市西湖、澧縣王家廠水庫、華容東湖圍欄進(jìn)行生態(tài)因子的灰關(guān)聯(lián)分析,陳娟等(2013)利用灰關(guān)聯(lián)分析對黃家湖水質(zhì)進(jìn)行評價,陸峰等(2013)對西南水電站建成后底棲動物與環(huán)境因子進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析,都取得了較好的效果。

為充分利用湖泊進(jìn)行漁業(yè)生產(chǎn),以獲取魚的高產(chǎn)量,本文使用灰關(guān)聯(lián)分析方法定量描述了益陽大通湖水體的影響因素,找出其主要影響因素,從而為促進(jìn)魚類生長提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　樣品的采集與分析方法

1.1.1采樣頻率及采樣點(diǎn)2015年5月中旬到8月底每星期采樣1次,對益陽大通湖的蜜蜂夾、尼古湖、大西湖三個區(qū),每個區(qū)取四個點(diǎn)進(jìn)行了 13次采樣調(diào)查。采樣點(diǎn)的選取是按照采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定(HJ495-2009)。

1.1.2檢測項(xiàng)目總氮(TN)、總磷(TP)、氮磷比(TN/TP)、葉綠素a(Chla)、酸堿度(pH)、氨氮(NH4+-N)、硝酸氮(NO3–-N)、亞硝酸氮(NO4–-N)、溶解氧(DO)、水深(WD)、透明度(SD)、水溫(WT)、浮游動物(zooplankton)和浮游植物(phytoplankton)。

1.1.3水質(zhì)檢測方法葉綠素a、水溫、pH、水深、透明度和溶解氧均在現(xiàn)場測定,其它指標(biāo)的檢測用有機(jī)玻璃采水器分底層(距水底0.5m處)、中層(中間水深)和表層(水表以下 0.5m)3層采水混勻裝瓶帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,另取水樣加適量魯哥式碘液予以固定(章宗涉等,1991) 用于浮游生物計數(shù)。pH用HI9224型酸度測定儀測定,水溫和溶解氧用 HI9141型溶氧測定儀測定,葉綠素a用葉綠素a測定儀測定(美國安諾實(shí)驗(yàn)室),用C200系列多參數(shù)臺式離子濃度分析儀測定氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮、總磷和總氮,以上儀器都是意大利哈納9804系列產(chǎn)品。在NOVEL XSZ-N107型顯微鏡下用浮游生物框進(jìn)行浮游動物和浮游植物的分類統(tǒng)計,以每升水中的浮游生物細(xì)胞數(shù)表示結(jié)果。

1.2　灰關(guān)聯(lián)分析方法(鄧聚龍， 1985； 易德生等,1992)

灰關(guān)聯(lián)分析是有參考系有測度的整體比較,是對一個發(fā)展變化的系統(tǒng)進(jìn)行定量描述和比較的方法,其分析步驟如下:

a. 參考數(shù)列和比較數(shù)列的選定: 某種因素在水環(huán)境系統(tǒng)中造成水環(huán)境事故最嚴(yán)重的情況是發(fā)生的機(jī)率為100%,因此把參考數(shù)列定義為(萬星等,2005),將總磷、總氮、氮磷比、葉綠素a、溶解氧、pH、氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮、透明度、水溫、浮游植物、浮游動物和水深14個指標(biāo)作為比較序列,故有N=14,n=13。

b. 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,使其具有可比性,等效性和同序性,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理-無量綱化(劉燕東等,2005)。

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

效果測度變換:

對于越小越好的指標(biāo)(如總磷、總氮),采用下限測度:

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

對于越大越好的指標(biāo)(如本研究中的溶解氧、透明度) ,采用上限測度:

對于時間序列(或經(jīng)濟(jì)序列)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要方法有:

(1) 均值化變換:

(2) 初值化變換:

c. 關(guān)聯(lián)系數(shù): 當(dāng)t=k時,0(k)與i(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ζ0i(k)(i= 1,2,…,13):

以上式中,ρ為分辨系數(shù)(作用在于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性),取值準(zhǔn)則為(呂峰,1997; 申卯興等,2003),此處ρ取1.7; 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

d. 關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序

比較數(shù)列對參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)有多個,因信息過于分散而難以比較,故把各個時刻的關(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)度大小的排序得出的。但因?yàn)槌踔祷?、均值化處理以及分辨系?shù)的變動都不具有序數(shù)效應(yīng)(水乃翔等,1992),故不能僅對某一特定的ρ值、某種特定的無量綱處理方式而求得關(guān)聯(lián)度序集就匆忙下結(jié)論。本文對益陽大通湖水體水環(huán)境影響因素檢測結(jié)果用效果測度變換、初值化和均值化三種方法進(jìn)行分析。

2　結(jié)果

2.1　益陽大通湖水體生態(tài)因子檢測結(jié)果

益陽大通湖生態(tài)因子檢測結(jié)果見表1。

表1　益陽大通湖生態(tài)因子檢測結(jié)果Tab.1　The test results of ecological factor in Datong Lake in Yiyang City

2.2　益陽大通湖生態(tài)因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序

益陽大通湖生態(tài)因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序見表2。初值化關(guān)聯(lián)度在0.957683—0.960456之間,關(guān)聯(lián)序: 浮游動物＞葉綠素a＞亞硝酸氮＞氨氮＞水深＞氮磷比＞總氮＞透明度＞硝酸氮＞水溫＞浮游植物＞總磷＞溶解氧＞酸堿度; 均值化關(guān)聯(lián)度在 0.9700312— 0.9701155之間,關(guān)聯(lián)序: 亞硝酸氮＞氮磷比＞氨氮＞硝酸氮＞總氮＞浮游植物＞葉綠素a＞浮游動物＞透明度＞溶解氧＞水溫＞酸堿度＞水深＞總磷; 效果測度變換關(guān)聯(lián)度在0.941390—0.954137之間,關(guān)聯(lián)序: 總氮＞總磷＞亞硝酸氮＞氮磷比＞氨氮＞硝酸氮＞透明度＞酸堿度＞水溫＞水深＞溶解氧＞浮游動物＞葉綠素a＞浮游植物。

表2 益陽大通湖生態(tài)因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序Tab.2　The correlative degree and the correlation order of ecological factor in Datong Lake in Yiyang City

3　討論

3.1　益陽大通湖生態(tài)因子的關(guān)聯(lián)序及優(yōu)勢影響因子

水質(zhì)理化因子是決定水環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)在因素,但要直接分析水質(zhì)理化指標(biāo)與水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系卻非常困難。關(guān)聯(lián)度分析是進(jìn)行因素間時間序列的比較來確定哪些是影響大的主導(dǎo)因素,是基于灰色系統(tǒng)的灰色過程,是一種動態(tài)過程的研究。它以發(fā)展態(tài)勢為立足點(diǎn),揭示了事物動態(tài)關(guān)聯(lián)的特征與程度,具有關(guān)聯(lián)度量化結(jié)果與定性分析一致的特點(diǎn),實(shí)用性更廣泛(張紹良等,1996)。

綜合考慮初值化、均值化和效果測度變換的關(guān)聯(lián)序得: 亞硝酸氮＞氮磷比＞氨氮＞總氮＞硝酸氮＞浮游動物＞葉綠素a＞透明度＞總磷＞水深＞水溫＞浮游植物＞酸堿度＞溶解氧。益陽大通湖表現(xiàn)為總氮(包括亞硝酸氮、氨氮和硝酸氮)和氮磷比是優(yōu)勢影響因子,溶解氧、酸堿度則是相對次要的影響因子。

3.2　優(yōu)勢影響因子與浮游植物

氮和磷是浮游植物生長最重要的營養(yǎng)物質(zhì),又是常見的限制營養(yǎng)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(dǎo)作用。

浮游植物的不同種類最適氮磷比值不同,而且會相差很大(從4∶1到40∶l)(吳世凱等,2005; 陳文煊等,2008; 豐茂武等,2008),此外,因浮游植物的優(yōu)勢種類不同,不同的水域和同一水域的不同時間,對氮磷比值也有不同的要求。許多專家學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)在水生植物生長過程中,最常缺的是磷,其次是氮(裘松,1981; 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,當(dāng)?shù)妆刃∮?0∶l時,氮通常被考慮為限制性因素; 當(dāng)?shù)妆瘸^ 16∶l,磷被認(rèn)為是限制性因素; 而當(dāng)?shù)妆仍?0—20之間時,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一般適合此規(guī)律(Schanzet al,1983)。益陽大通湖是人工養(yǎng)殖高產(chǎn)湖泊,每年可產(chǎn)鮮魚1.2萬噸,且投餌養(yǎng)殖與施肥并重。每年向大通湖人工投入的飼料在1.4萬噸左右、肥料在1.2萬噸左右。雖然每年投入了大量的餌肥,但沒有產(chǎn)生過有害“水華”,且水質(zhì)一直保持穩(wěn)定(表1)。益陽大通湖氮磷比平均值為 10.6:1(表 1),根據(jù)上述規(guī)律可判斷益陽大通湖水體中氮和磷的限制性并不確定,說明大通湖水體中的氮磷比比較適合浮游植物的生長繁殖。

3.3　大通湖自凈能力強(qiáng)

浮游植物的大量繁殖促進(jìn)浮游動物的生長繁殖,水體中的魚類和底棲動物有充足的餌料和浮游生物作為食物,實(shí)現(xiàn)了人工養(yǎng)殖高產(chǎn)的目的。大通湖養(yǎng)殖的品種以鳙、草、鰱魚為主,適當(dāng)搭配鯉魚、鯽魚、鳊魚、青魚等十余個品種,并人工放養(yǎng)大閘蟹,取得了不錯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,尤其是大通湖大閘蟹,已成為湖南省的著名品牌。通過這種漁業(yè)方式,達(dá)到能效漁業(yè)“越加越少”的目標(biāo)(楊品紅等,2010a,b)。

大通湖底棲動物量大,產(chǎn)量每年在 3.5萬噸以上。豐富的底棲動物可為河蟹、甲魚、青魚等提供豐富的生物餌料,特別底棲動物在生長過程中吸收利用了大量的氮、磷、碳等元素,據(jù)測定: 每 1000kg底棲動物可降二氧化碳達(dá)274kg,即每年產(chǎn)1萬噸底棲動物,可降二氧化碳高達(dá)0.3萬噸。是降碳、減排、防治水體富營養(yǎng)化的最佳降碳減排能效漁業(yè)模式。

3.4　發(fā)展碳匯漁業(yè)

一般情況下,人們認(rèn)為往水中投肥就是污染水體。實(shí)際上,適當(dāng)投肥能夠促進(jìn)水中浮游生物生長,提高浮游生物對水體中的氮、磷和空氣中的二氧化碳的吸收轉(zhuǎn)化率。若湖泊放養(yǎng)一定密度的鰱、鳙等濾食性魚類,通過食物鏈作用,最終氮、磷、碳等都能通過漁獲物離開水體。既增加了漁業(yè)產(chǎn)量,又消除了水體污染,同時還直接或間接消耗了大氣中的二氧化碳,實(shí)現(xiàn)了“碳匯漁業(yè)”的目標(biāo)。這與楊品紅等(2010a,b)的觀點(diǎn)一致: 適量投肥能促進(jìn)水體中浮游生物生長,浮游生物通過魚類攝食,經(jīng)食物鏈進(jìn)入魚體,最后經(jīng)漁獲而離開水體,由此來消除投肥引起的水體污染,既改善了水質(zhì),又增加了魚產(chǎn)量,同時還提高了水庫和湖泊等大水面的綜合效益,實(shí)現(xiàn)水體營養(yǎng)鹽經(jīng)能效漁業(yè)達(dá)到“越加越少”的目標(biāo)。益陽大通湖的這種漁業(yè)方式,對凈化漁業(yè)水質(zhì)、緩解全球氣候變暖趨勢、減少二氧化碳等溫室氣體的排放、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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