淡水魚塘葉綠素a與環(huán)境因子間影響關系的通徑分析

劉金金,張玉平,張 丹,孫振中,李曉蓓,晏 軍,趙 冉,張 芬,周 軒

(上海市水產(chǎn)研究所,上海 200433)

浮游植物是池塘生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)力，是養(yǎng)殖對象重要的食物來源[1-2]。藻類的生長狀況影響?zhàn)B殖水體的水質演化，其過度繁殖可能產(chǎn)生水華，惡化水質，甚至其分泌的藻毒素會威脅到養(yǎng)殖對象的健康及品質[3-4]。葉綠素a(Chl.a)是浮游植物現(xiàn)存量的重要評價指標[5]，其含量高低與水環(huán)境質量密切相關[6]，已有眾多學者在此方面做了大量研究，研究主體主要為湖泊、水庫、河流等水體[7-10]，池塘養(yǎng)殖水體因其半封閉性、人為干涉頻繁等特點，水環(huán)境因子復雜多變，與Chl.a之間的關系更加復雜，相關方面的研究相對較少[3-11]。

目前，池塘養(yǎng)殖水體中Chl.a與水環(huán)境因子間相關關系的分析方法主要為多元線性回歸分析、灰色關聯(lián)分析、主成分分析以及模糊綜合評價[12-14]，其中模糊綜合評價法和灰色聚類分析等方法本身存在對指標評價的主觀性判斷和信息丟失的問題[15]，而通過主成分分析簡化數(shù)據(jù)信息，剔除部分不適合因子后再逐步建立多元回歸方程的方法所需數(shù)據(jù)量大，計算繁瑣，且得到的結果較難一致性地描述因子間的關系和規(guī)律[16]，因此尋求一種簡便、高效而又科學客觀的分析方法顯得尤為重要。通徑分析是一種可處理較為復雜數(shù)據(jù)間變量關系的線性回歸分析方法，通徑系數(shù)可有效分析相關變量之間影響的直接或間接效應，決定系數(shù)可反映出自變量對因變量的作用大小。通徑分析比模糊綜合分析和灰色關聯(lián)分析更為全面，比主成分分析法在數(shù)據(jù)需求量上更少，在計算操作上更加便捷，是一種相對較方便且有效的分析方法，但該方法多用于分類學，在養(yǎng)殖水環(huán)境中的應用還極少見。以上海市淡水魚池塘養(yǎng)殖水體水質監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，利用通徑分析方法研究魚塘水體中Chl.a與水環(huán)境因子間的關系，探討魚塘水體中影響Chl.a含量變化的主要因素，并建立具有針對性的多元回歸方程，以期能夠更加全面地研究池塘水體中環(huán)境因子間的內(nèi)在影響規(guī)律，從而為上海地區(qū)淡水魚塘的生態(tài)養(yǎng)殖提供一定科學論據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

表1 上海市淡水魚養(yǎng)殖場采樣池塘養(yǎng)殖信息匯總表

1.2 水質測定

1.3 分析方法

利用SPSS statistics 19.0 軟件對水質監(jiān)測結果進行描述性統(tǒng)計和相關性分析。根據(jù)相關性系數(shù)(rij)矩陣建立正則方程組，利用高斯消元法得到各環(huán)境因子對Chl.a影響的直接通徑系數(shù)(Pi)。根據(jù)相關矩陣的組成原理，獲得各環(huán)境因子通過其他環(huán)境因子對Chl.a產(chǎn)生影響的間接通徑系數(shù)(∑rijPj)，依次對各水環(huán)境因子對Chl.a的影響展開通徑分析，并計算各因子對Chl.a產(chǎn)生影響的決定系數(shù)(di)以及通過其他因子影響Chl.a的共同決定系數(shù)(dij)。最后通過檢驗偏回歸系數(shù)剔除不顯著因子建立多元回歸方程，并對多元回歸模型進行了假設性檢驗。

(1)

相關系數(shù)的組成原理：rxiy=Pi+∑rijPj

(2)

(3)

共同決定系數(shù)(dij)的計算：

dij=2rij×Pi×Pj

(4)

2 結果與分析

2.1 魚塘水環(huán)境概況

魚塘水質因子結果的描述性統(tǒng)計見表2。水溫主要隨氣候變化，同一監(jiān)測時間內(nèi)池塘水體間差異不大，水體鹽度和pH也無較大差異，透明度和溶解氧的變化范圍稍大，但變異系數(shù)均小于50%，其中pH的數(shù)據(jù)離散程度最小，表明在淡水魚的養(yǎng)殖周期內(nèi)水體酸堿性均維持在一個較為穩(wěn)定的水平；氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總磷、活性磷等因子的變異系數(shù)大于85%，數(shù)據(jù)離散程度大，其中活性磷的數(shù)據(jù)離散程度最大。總氮和高錳酸鹽指數(shù)的變異系數(shù)在50%左右，數(shù)值變化范圍相對不大。

表2 淡水魚養(yǎng)殖池塘水環(huán)境因子描述性統(tǒng)計結果匯總

2.2 水環(huán)境因子間相關系數(shù)

表3 淡水魚池塘水環(huán)境因子間相關系數(shù)矩陣

附：r0.05(1,38)=0.320,r0.01(1,38)=0.413,上標“*”顯著性相關,“**”極顯著性相關.

2.3 通徑分析

2.3.1 關鍵因子的篩選

表4 淡水魚池塘環(huán)境因子變化對Chl.a影響的通徑系數(shù)匯總

附：** 為極顯著水平，P<0.01;* 為顯著水平，P<0.05.

2.3.2 關鍵因子對Chl.a的通徑分析

表5 淡水魚池塘重要環(huán)境因子變化對Chl.a影響的通徑系數(shù)

表6 淡水魚池塘重要環(huán)境因子變化對Chl.a影響的決定系數(shù)匯總

2.4 多元回歸方程的建立

(5)

對多元回歸方程做方差分析(表7)，回歸系數(shù)達到極顯著水平(P<0.01)，擬合優(yōu)度(R=0.784)較高，方程理論上有效。利用所得回歸方程及四個自變量計算Chl.a，將計算值與實測值進行對比，Chl.a的計算值與實測值之間滿足回歸方程：y=0.9889x+2.426，散點示意圖見圖1，表明利用上述多元回歸方程得到的Chl.a的計算值是可接受的。

表7 多元回歸方程的方差分析

圖1 Chl.a理論計算值與實測值間相關性散點分布圖

2.5 Chl.a與環(huán)境因子間的關系模型

經(jīng)過SPSS作相關分析得到池塘水體中各理化因子間相關性，簡化關系圖見2(a)，具有顯著相關性的兩因子間由雙向箭頭連接，具極顯著相關性的兩因子間由加粗雙向箭頭連接。此圖可較直觀地顯示因子間相關性簡況：各因子間相互作用、相互影響、相互制約；水體氮、磷營養(yǎng)鹽指標間的相關性較為密集，反映水體基本狀況的指標(如，t、pH、S等)間相關關系相對簡單。同時此關系圖也存在明顯缺陷：環(huán)境因子間的相關性僅是各因子間互相作用的綜合表觀指示，并非兩因子直接作用的結果，且未能簡明扼要地指出影響葉綠素a的關鍵因子和影響程度。

圖2 Chl.a與環(huán)境因子間的關系模型及優(yōu)化

3 討論

3.1 Chl.a與常規(guī)理化因子的關系

眾多研究認為水溫是Chl.a含量變化的關鍵因子[18-19]，水溫可通過控制藻類細胞光合作用以及呼吸代謝速率影響Chl.a含量，兩者呈正相關關系，但這些研究的主體多集中在受人為影響較小的自然水域[20-21]，而在人為措施影響較多的養(yǎng)殖池塘中水溫對藻類生長的影響程度相對被弱化[11]。當自然水體中浮游植物大量繁殖時，水體中二氧化碳和氧氣被大量消耗和產(chǎn)生，水體pH和DO含量升高，Chl.a與pH和DO應呈正相關關系[8]，但大量研究發(fā)現(xiàn)很多自然水體以及養(yǎng)殖水體中Chl.a含量的變化與pH和DO的關系并不是如此簡單，畢京博等[18]對太湖水體的研究以及陳金玲等[22]對精養(yǎng)蝦池水體的研究結果均顯示Chl.a含量的變化與pH和DO呈負相關關系，與本文結果一致。分析其原因主要為養(yǎng)殖水體中較高含量的懸浮有機物分解以及生物呼吸導致O2的大量消耗，同時產(chǎn)生大量CO2， 掩蓋了藻類光合作用對pH和DO的影響。

3.2 營養(yǎng)關鍵因子

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