采用主成分分析法評價廉州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)狀況

黃鸞玉， 黎小正， 吳祥慶， 楊姝麗， 韋信賢, 龐燕飛

(廣西漁業(yè)病害防治環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量檢驗中心，廣西 南寧 530021)

采用主成分分析法評價廉州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)狀況

黃鸞玉， 黎小正， 吳祥慶， 楊姝麗， 韋信賢, 龐燕飛

(廣西漁業(yè)病害防治環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量檢驗中心，廣西 南寧 530021)

為了解廣西廉州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)狀況并指導(dǎo)漁業(yè)生產(chǎn)，借助SPSS軟件，分析了2013—2015年該養(yǎng)殖區(qū)的水溫、溶氧(DO)、化學(xué)耗氧量(COD)、溶解態(tài)無機磷(DIP)、溶解態(tài)無機氮(DIN)、石油類、汞(Hg)和葉綠素-a(Chl-a)等8項水質(zhì)因子。采用主成分分析法篩選對養(yǎng)殖區(qū)影響較顯著的因子來綜合評價水質(zhì)狀況。結(jié)果顯示，在產(chǎn)卵期(5月)和高漁獲期(10月)可以各提取占總方差89.9%、92.9%的前4個主成分來計算綜合評價函數(shù)得分，2013—2015年各監(jiān)測期水質(zhì)綜合得分依次是0.220、-0.211、0.759、1.028、-0.977、-0.817，分值高低反映水質(zhì)污染程度。2013年兩個監(jiān)測期的水質(zhì)均屬于III類，2014年兩個監(jiān)測期的水質(zhì)均屬于IV類，2015年產(chǎn)卵期水質(zhì)屬于I類，2015年高漁獲期水質(zhì)屬于II類。由此可知，養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)綜合狀況不穩(wěn)定，年際間變化較大，曾出現(xiàn)Hg超標(biāo)情況，污染較嚴(yán)重的是DIP、DIN和Chl-a。因此，養(yǎng)殖區(qū)應(yīng)加強碼頭日常作業(yè)及沿岸工業(yè)排污口管理，同時應(yīng)控制生活污水、農(nóng)業(yè)廢水排入，合理規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模，防止貝類養(yǎng)殖自身污染。

貝類養(yǎng)殖；水質(zhì)評價；主成分分析；廉州灣

養(yǎng)殖區(qū)的水質(zhì)評價是一門涉及水文、化學(xué)、生物等專業(yè)知識的綜合學(xué)科。通過正確分析影響水質(zhì)狀況的各因子特征、權(quán)重及其相互作用，才能得出比較可靠的綜合評價結(jié)果。目前，常用的水質(zhì)評價方法有指數(shù)法[1]、模糊綜合評價法[2-5]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[6-8]等，這些方法都面臨如何解決多個水質(zhì)因子共同影響的問題。不能客觀確定各因子的權(quán)重是某些評價方法的缺陷。主成分分析法[9-12]能在確保原始因子信息量丟失最小的原則下，將多維因子簡化成少數(shù)幾個反映原始因子大部分信息的綜合因子[13-15]，根據(jù)這些綜合因子的得分評價水質(zhì)，從而避免確定權(quán)重的主觀隨意性。

廣西合浦廉州灣是我國南方地區(qū)重要的貝類養(yǎng)殖基地，位于合浦縣沿岸，與北海市部分海域相連，是牡蠣、文蛤、扇貝、螺等的主要增養(yǎng)殖區(qū)，除了航道位置外的區(qū)域，基本上都用來開發(fā)養(yǎng)殖，年產(chǎn)牡蠣近10萬t，文蛤10多萬t，漁業(yè)地位尤為重要。為了解該養(yǎng)殖水域的環(huán)境狀況并指導(dǎo)生產(chǎn)，根據(jù)2013—2015年的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用主成分分析法篩選出該養(yǎng)殖區(qū)的主要污染物，客觀評價水質(zhì)污染程度，為治理該養(yǎng)殖水域重點污染物、合理規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模、發(fā)展生態(tài)漁業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測站位及分析方法

廉州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)面積7.3×103hm2，水深小于10 m。共布設(shè)5個表層水質(zhì)因子監(jiān)測站位(圖1)。

圖1 廉州灣監(jiān)測站位

分別位于東江口、沙崗、西場、黨江淺水場和黨江深水場文蛤養(yǎng)殖區(qū)，采樣監(jiān)測在每年的產(chǎn)卵期(5月)和高漁獲期(10月)進行。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

通過構(gòu)建水環(huán)境各因子的相關(guān)系數(shù)矩陣，尋求若干個相互獨立并且對養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境影響較大的因子，計算各因子的得分，進而評價水質(zhì)狀況。養(yǎng)殖區(qū)應(yīng)達到的水質(zhì)要求參照《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[17]和《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]的相關(guān)規(guī)定。主成分分析的相關(guān)計算通過SPSS軟件實現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)分布特征

2013—2015年共進行了6次采樣監(jiān)測，獲得每個因子各30組數(shù)據(jù)，剔除未檢出的或檢出濃度很低的因子，最終選擇水溫、DO、COD、DIP、DIN、石油類、Hg和Chl-a進行主成分分析。各因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)分布特征見表1。按照式(1)計算各因子超標(biāo)率，列于表1。

c=100%×m/n

(1)

式中：c—超標(biāo)率，%；m—監(jiān)測值大于標(biāo)準(zhǔn)值的樣品個數(shù)，個；n—樣品總數(shù)，個。

對于水溫，II類水質(zhì)要求人為造成的海水升溫，夏季不超過當(dāng)時當(dāng)?shù)? ℃，其它季節(jié)不超過2℃[18]，因此水溫沒有超標(biāo)；DO符合海水養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)要求；COD的超標(biāo)率為23.3%，2.3%的數(shù)據(jù)大于IV類標(biāo)準(zhǔn)限值(5 mg/L)；DIP的超標(biāo)率為53.3%，30%的數(shù)據(jù)大于IV類標(biāo)準(zhǔn)限值(45 μg/L)；DIN只有46.7%符合II類水質(zhì)要求，26.7%的數(shù)據(jù)大于IV類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.5 mg/L)；石油類符合海水養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)要求；Hg的超標(biāo)率為3.3%；總鉻無超標(biāo)現(xiàn)象；Chl-a超標(biāo)率高達56.7%，個別養(yǎng)殖區(qū)Chl-a含量曾達到24.7 μg/L。

表1 水質(zhì)因子監(jiān)測值

計算各因子的年均值，對未檢出的數(shù)據(jù)，按最低檢出限的一半作為原始數(shù)據(jù)參與計算[19]，將結(jié)果列于表2。由表2可知，水溫年度變化不大，DO、DIN前兩年基本一致，第三年狀況較好；2014年的DIP、石油類濃度較高；2014年和2015年的COD好于2013年；Chl-a逐年增長。評價期間養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)主要受DIN、DIP以及由此引發(fā)的水體初級生產(chǎn)力異常增長的影響。由于Hg易被水生生物富集并進入食物鏈，因此，個別超標(biāo)現(xiàn)象也不容忽視。

表2 水質(zhì)因子均值變化

2.2 主成分分析

將參評因子監(jiān)測值標(biāo)準(zhǔn)化，消除量綱影響，分別分析產(chǎn)卵期和高漁獲期的監(jiān)測數(shù)據(jù)。假設(shè)有m個水樣，每個水樣有n個因子，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)樣本可記為矩陣X。

(2)

前4個主成分的初始因子載荷矩陣情況詳見表3。產(chǎn)卵期：第一主成分在水溫、DO、DIN、石油類、Chl-a上具有很大的載荷，第二主成分主要與DIP相關(guān)，第三主成分與Hg密切相關(guān)，說明存在一定的重金屬污染，第四主成分與COD相關(guān)。高漁獲期：第一主成分與DIN、DIP、石油類、Chl-a相關(guān)，第二主成分與水溫、DO、COD相關(guān)，第三主成分主要反映DIN的信息，第四主成分與Hg相關(guān)。

圖2 產(chǎn)卵期和高漁獲期碎石圖

因子(經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化)產(chǎn)卵期高漁獲期F1F2F3F4F1F2F3F4水溫-0.7320.4070.4150.2110.590-0.740-0.069-0.012DO0.869-0.2610.066-0.0410.3000.8410.271-0.157DIN0.7180.501-0.250-0.2100.623-0.1480.6210.415DIP-0.0770.915-0.2370.1420.7930.4510.285-0.084COD0.430-0.333-0.2360.789-0.5150.7370.151-0.239石油類0.7260.0390.534-0.2940.7440.426-0.3690.235Hg-0.023-0.0040.9170.193-0.3730.520-0.2850.680Chl-a-0.722-0.485-0.196-0.3190.7680.229-0.531-0.236

注：F1、F2、F3、F4分別表示第一至第四主成分

2.3 綜合評價

2.3.1 綜合得分

把每次采樣的所有監(jiān)測點各參評因子的平均值標(biāo)準(zhǔn)化，將表3的成分矩陣數(shù)值除以相應(yīng)特征根的開方根，求出主成分的系數(shù)矩陣。系數(shù)矩陣每一列代表一個主成分作為標(biāo)準(zhǔn)化后的參評因子線性組合的系數(shù)，得出各主成分的方程。按照式(3)計算綜合得分。

(3)

式中：λ為特征值，且λ1≥λ2≥λ3≥λ4，F(xiàn)1～F2為前4個主成分得分，F(xiàn)為綜合得分。

從2013年至2015年，各監(jiān)測時期綜合得分依次是0.220、-0.211、0.759、1.028、-0.977、-0.817，綜合得分越高，說明水質(zhì)越差。從綜合得分變化趨勢(圖3)可以看出。

圖3 綜合得分時間趨勢圖

養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)同一年2次監(jiān)測無明顯差別，年際間存在較明顯的變化。2014年2次監(jiān)測綜合得分高于2013年的2次監(jiān)測，說明2014年水環(huán)境質(zhì)量劣于2013年，到2015年有所好轉(zhuǎn)。

2.3.2 綜合水質(zhì)類別

為進一步分析水質(zhì)是否滿足海水養(yǎng)殖用水要求，把4個水質(zhì)類別對應(yīng)的各個參評因子的標(biāo)準(zhǔn)值分別帶入產(chǎn)卵期、高漁獲期的計算公式，求出綜合因子得分，并將其作為各期水質(zhì)綜合因子分類標(biāo)準(zhǔn)值(表4)。

表4 綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)

注：F為標(biāo)準(zhǔn)值綜合得分

各監(jiān)測期水樣的綜合得分與對應(yīng)期的綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)比較，判斷水質(zhì)所屬的類別，結(jié)果列于表5。

表5 各監(jiān)測期的水質(zhì)綜合評價

運用主成分分析法得出6次采樣監(jiān)測中，有4次不符合海水養(yǎng)殖用水要求，其中2013年2次均為III類，主要超標(biāo)污染物，產(chǎn)卵期為DIN、DIP、Chl-a，高漁獲期為DIN、DIP、COD、Hg；2014年2次為IV類，主要超標(biāo)污染物，產(chǎn)卵期為DIN、COD、Chl-a，高漁獲期為DIN、DIP、Chl-a；2015年水質(zhì)良好，Chl-a超標(biāo)現(xiàn)象集中在產(chǎn)卵期，同樣也存在DIN和DIP超標(biāo)現(xiàn)象。

2.3.3 原因分析

廉州灣沿岸有多條入海河溝，縣城生活污水以及一些企業(yè)生產(chǎn)廢水通過河水不斷地向封閉性強、水體交換能力不良的養(yǎng)殖區(qū)輸送氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，造成DIN、DIP超標(biāo)[20]。另一方面，貝類濾食吸收營養(yǎng)鹽，同時向水體排泄無機營養(yǎng)鹽，增加了底泥營養(yǎng)鹽濃度，經(jīng)礦化和再懸浮作用，重新進入水體[21-22]，加劇水體營養(yǎng)物質(zhì)污染。

2013年10月，黨江淺水場(4號)Hg僅達到IV類水質(zhì)要求，而黨江深水場(5號)并無Hg超標(biāo)現(xiàn)象，說明此次污染是以黨江周圍陸源污染為主。由于此后的監(jiān)測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)Hg超標(biāo)情況，說明該水域?qū)g有一定的自我修復(fù)能力。2014年石油類年均值符合II類水質(zhì)要求，但較其它年份高，主要受海上船舶航行、作業(yè)的影響。養(yǎng)殖區(qū)綜合水質(zhì)狀況不符合海水養(yǎng)殖用水要求的現(xiàn)象較嚴(yán)重。2014年由于受DIN、DIP、COD、Chl-a的綜合影響明顯，水質(zhì)綜合評價很差，相關(guān)部門應(yīng)予以重視，以合理規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模，削減、控制外源污染物的輸入作為今后漁業(yè)水域環(huán)境治理工作的主要任務(wù)。

3 結(jié)論

通過對2013—2015年廉州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)各水質(zhì)因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行主成分分析，綜合評價其在監(jiān)測周期內(nèi)的變化趨勢，得到如下結(jié)論：(1)前4個主成分分別可以綜合產(chǎn)卵期、高漁獲期89.9%、92.9%的因子信息，取代8個因子進行水質(zhì)綜合評價；(2)主成分分析法評價結(jié)果直觀、具體、實用性強，能為解決水環(huán)境污染問題提供理論依據(jù)和決策支持；(3)廉州灣水質(zhì)綜合狀況不穩(wěn)定，主要受DIN、DIP及Chl-a的影響，沿岸工業(yè)污水、生活污水、農(nóng)業(yè)廢水排入是該區(qū)域氮、磷超標(biāo)的主要原因，必須加強防范，盡可能地把藻類異常增長對貝類的影響降至最低。另外，應(yīng)合理地規(guī)劃養(yǎng)殖密度，降低養(yǎng)殖業(yè)廢棄物及貝類自身的污染問題，使得廉州灣貝類養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

□

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·文摘·

在使用不同放養(yǎng)密度生物絮團系統(tǒng)中南美白對蝦孵化場生產(chǎn)性能

單位面積更高的生產(chǎn)率、避免或?qū)⒚黠@的環(huán)境危害降至最低，是水產(chǎn)養(yǎng)殖為滿足全球人口增長對食物不斷增長的需求做貢獻所面臨的一個挑戰(zhàn)。本研究在每升水200、250、300和350只幼蝦的4種放養(yǎng)密度下使用葡萄糖維持12.5∶1固定碳氮比(C/N)的一個零換水生物絮團系統(tǒng)中，評估了處于糠蝦幼體1期到后期幼體5期之間生長階段的南美白對蝦孵化場生產(chǎn)性能。 對各實驗組的水質(zhì)和性能參數(shù)做了比較。在所有實驗組中所評價的水質(zhì)參數(shù)平均值均適合于南美白對蝦的這一生產(chǎn)階段。采用葡萄糖施肥可有效控制氨含量不會達到被認(rèn)為可對南美白對蝦產(chǎn)生毒性的平均濃度。在350放養(yǎng)密度實驗組發(fā)現(xiàn)pH較低、揮發(fā)性固體量值較高。各實驗組之間后期幼體5期的平均存活率和干重沒有差異。因此，使用將葡萄糖作為維持固定碳氮比之碳源的無換水生物絮團系統(tǒng)，在1期到5期生長階段的孵化場養(yǎng)殖生產(chǎn)期間，達到了生產(chǎn)指標(biāo)和水質(zhì)均令人滿意的結(jié)果。

(《Aquacultural Engineering》Vol.75)

Water quality evaluation of shellfish culture areas of Lianzhou Bay based on principal component analysis method

HUANG Luanyu，LI Xiaozheng，WU Xiangqing，YANG Shuli，WEI Xinxian，PANG Yanfei

(CenterofDiseasePreventionandCure,EnvironmentalMonitoringandQualityMonitoringofGuangxiFishery,Nanning530021,China)

To understand the water quality of shellfish culture areas in Lianzhou Bay of Guangxi Province and better guide local fishery production,eight water quality factors of the areas were analyzed with SPSS,namely the water temperature,DO,COD,DIP,DIN,oil,Hg and Chl-a,and principle component analysis method was adopted to determine the major influencing factors and comprehensively evaluate the water quality.The results showed that,during the spawn period (May) and high catch period (October),the first four main components,together accounting for 89.9% and 92.9% respectively of the total variance of the two periods,could be extracted to calculate the comprehensive evaluation function score,and the scores of each measuring period from 2013 to 2015 were respectively 0.220,-0.211,0.759,1.028,-0.977,and -0.817,with the score levels representing the pollution degree:water quality of both the spawn period and high catch period of 2013 belonged to class III,that of the two periods of 2014 belonged to class IV,and that of 2015 belonged to class I in spawn period and class II in high catch period.It can thus be seen that the water quality of shellfish culture areas was not stable,with relatively large interannual variations,Hg exceeding standard occasionally,and DIP,DIN and Chl-a being the major polluting factors.Therefore,the culture areas should enhance the management over daily operations and industrial outfalls,better control the discharge of sewage and agricultural waste water,as well as scientifically plan the farming scale in order to prevent shellfish farming pollution.

shellfish culture；water quality evaluation；principal component analysis；Lianzhou Bay

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.013

2016-11-12

2017-01-22

廣西科技攻關(guān)項目(桂科攻0992015-1)

黃鸞玉(1983—)，女，工程師，碩士，研究方向：漁業(yè)生態(tài)環(huán)境保護及水產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)。E-mail：huangluanyu@163.com

X824;S949

A

1007-9580(2017)01-068-06