朱浩　劉興國　吳宗凡　王小冬　程果鋒　顧兆俊

摘要：為研究不同運(yùn)行時(shí)間條件下，底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘水質(zhì)、底質(zhì)中營養(yǎng)鹽的影響，對(duì)池塘水質(zhì)、底質(zhì)10個(gè)營養(yǎng)鹽指標(biāo)進(jìn)行測定，利用主成分分析法建立了底質(zhì)改良機(jī)運(yùn)行效果綜合評(píng)價(jià)模型。結(jié)果表明，底質(zhì)改良機(jī)主要影響底泥向水體中氮、磷營養(yǎng)鹽的釋放，其次影響水中有機(jī)物的濃度。根據(jù)各主成分得分值和方差貢獻(xiàn)率進(jìn)一步分析，底質(zhì)改良機(jī)累積運(yùn)行6 h后，運(yùn)行效果最好。

關(guān)鍵詞：底質(zhì)改良；主成分分析；總氮；總磷

中圖分類號(hào)： S969.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0468-03

底質(zhì)改良機(jī)是近年新研制的一種用于改善淡水養(yǎng)殖池塘底質(zhì)和水質(zhì)的漁業(yè)機(jī)械設(shè)備[1-3]，主要利用光能在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)季節(jié)將淡水池塘底部泥水混合物提升至池塘表層，從而利用淡水池塘底泥沉積物中的營養(yǎng)鹽供池塘表層水體中藻類光合作用；一是改善了淡水池塘底部的厭氧環(huán)境，促進(jìn)氮、磷營養(yǎng)鹽的釋放；二是提高池塘水體中的藻細(xì)胞密度，從而提高了池塘的初級(jí)生產(chǎn)力。目前，對(duì)底質(zhì)改良機(jī)的研究尚處在初級(jí)階段，對(duì)其運(yùn)行效果評(píng)價(jià)還僅限于對(duì)水體中營養(yǎng)鹽的初步分析[4]；深入分析底質(zhì)改良機(jī)運(yùn)行效果極為重要，對(duì)底質(zhì)改良機(jī)的推廣和應(yīng)用具有重要意義。

主成分分析法是將原來的變量重新組成一組新的互相無關(guān)的幾個(gè)綜合變量來代替原來變量，利用幾個(gè)較少的綜合變量反映原來變量的一種統(tǒng)計(jì)方法，從而達(dá)到降維目的；主成分分析已廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域[5-7]。本研究通過對(duì)池塘水質(zhì)和底質(zhì)營養(yǎng)鹽的客觀統(tǒng)計(jì)分析，利用主成分分析法來科學(xué)評(píng)價(jià)底質(zhì)改良機(jī)運(yùn)行效果，以期為底泥改良機(jī)進(jìn)一步研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

底質(zhì)改良機(jī)為中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所自行研制，主要由水面行走裝置和提水裝置組成（圖1），水面行走裝置沿鋼絲繩索做來回雙向的直線運(yùn)動(dòng)，提水裝置圍水面行走裝置做圓周運(yùn)動(dòng)，從而使得底質(zhì)改良機(jī)在池塘表面形成螺旋狀的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖2）。

試驗(yàn)在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院池塘生態(tài)工程研究中心進(jìn)行。選取標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖池塘作為試驗(yàn)塘，池塘長50 m、寬 100 m、深1.7 m，主養(yǎng)鳊魚成魚，配養(yǎng)草魚、鰱魚、鳙魚。試驗(yàn)期間池塘正常投喂飼養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)方法

選擇天氣光照較好的時(shí)間，每個(gè)晴天上午（08：30左右）開啟底質(zhì)改良機(jī)，每累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)3 h后用有機(jī)玻璃采水器采集水樣。具體運(yùn)行時(shí)間見表1。

采樣點(diǎn)確定：試驗(yàn)池中選擇3個(gè)樣點(diǎn)，3個(gè)樣點(diǎn)均勻分布在改良機(jī)的運(yùn)行軌跡上。

水樣采集：分表層、中層、底層3 層采樣，利用2.5 L有機(jī)玻璃采水器采集3層的水樣后混合，3層水樣的均勻混合樣作為各個(gè)樣點(diǎn)的水樣。每次采得水樣用2個(gè)0.5 L采樣瓶收集，一瓶用魯哥試劑固定后帶回實(shí)驗(yàn)室分析藻細(xì)胞密度，另一瓶用于分析水中營養(yǎng)鹽濃度。

1.3 指標(biāo)測定

采得水樣的保存及處理嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測方法（第4版）》[8]執(zhí)行。測定水質(zhì)指標(biāo)包括水中氨氮（NH3-N）、亞硝態(tài)氮（NO2-N）、總氮（TN）、溶解性總氮（DTN）、總磷（TP）、溶解性總磷（DTP）、活性磷（SPR）、化學(xué)需氧量（COD），底泥中TN、A-P。NH3-N采用納氏試劑光度法測定，NO2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定，TN、DTN采用過硫酸鉀氧化法測定，TP和DTP采用鉬黃法測定，SPR、COD采用HACH試劑盒測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步統(tǒng)計(jì)處理，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 13.0進(jìn)行主成分分析并按分值大小進(jìn)行排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同運(yùn)行時(shí)間下底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘水質(zhì)、底質(zhì)營養(yǎng)鹽的影響

底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘水體和底泥中營養(yǎng)鹽的影響見表2，隨著底質(zhì)改良機(jī)累積運(yùn)行時(shí)間的延長，池塘水體中的氨氮、亞硝態(tài)氮、總氮、溶解性總氮、COD均有不同程度的增長。與 0 h相比，設(shè)備運(yùn)行54 h 后池塘水體中NH3-N 值增加了220%、NO2-N 值增加了957%、TN值增加了34%、DTN值增加了46%、COD值增加了28%，而水體中總磷、溶解性總磷、活性磷，池塘底質(zhì)中總氮和速效磷均有不同程度下降，與0 h 相比，設(shè)備運(yùn)行54 h 后水體中DTP值降低了36%、活性磷降低了12%，池塘底質(zhì)中TN降低了82%、速效磷降低了19%。水體中TP值變化不大，與0 h 相比，設(shè)備運(yùn)行54 h 后水體中TP增加了11%。表明底質(zhì)改良機(jī)在養(yǎng)殖池塘中運(yùn)行一段時(shí)間后，能夠促進(jìn)池塘底泥中營養(yǎng)的釋放，提高養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)鹽的指標(biāo)，并且氮的釋放效率明顯高于磷的釋放效率。

2.2 主成分分析

利用不同運(yùn)行時(shí)間的池塘水體中營養(yǎng)鹽指標(biāo)為樣本，以10個(gè)營養(yǎng)鹽指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值來進(jìn)行樣本分析，在數(shù)據(jù)分析時(shí)利用SPSS軟件analyze菜單中的factor過程進(jìn)行主成分分析得到特征值和特征向量（表3），從表3可以看出，第1主成分的貢獻(xiàn)率為39.161%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為17.081%，第3主成分的貢獻(xiàn)率為12.903%；前3個(gè)指標(biāo)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了69.146%，表明這3個(gè)指標(biāo)已經(jīng)包含了原始樣本矩陣中69.146%的信息，可以說明底質(zhì)改良機(jī)運(yùn)行效果評(píng)價(jià)。

各主成分線性表達(dá)式中原始指標(biāo)的系數(shù)取相應(yīng)特征值對(duì)應(yīng)的正規(guī)化單位特征向量即可。因此，構(gòu)造3個(gè)主成分F1、F2和F3如下所示：

F1=-0.388X1-0.326X2-0.292X3-0.224X4+0181X5+0.413X6+0.398X7-0.032X8+0.355X9+0.345X10；

F2=0.189X1+0.448X2+0.094X3+0.086X4+0.483X5+0.132X6+0.393X7+0.519X8-0.207X9+0.171X10；endprint

F3=-0.093X1+0.138X2-0.417X3+0.216X4-0.489X5-0.227X6-0.134X7+0.533X8+0.195X9+0.347X10。

從表4可以看出，在第1主成分的特征向量中，特征向量值較高且為正的營養(yǎng)鹽指標(biāo)有水中溶解性總磷、水中活性磷、底質(zhì)總氮、底質(zhì)速效磷。特征向量值較高且為負(fù)的營養(yǎng)鹽指標(biāo)有水中氨氮、水中亞硝態(tài)氮。在第2主成分的特征向量中，特征向量值較高且為正的營養(yǎng)鹽指標(biāo)有水中COD、水中總磷，而總方差50%以上的貢獻(xiàn)來自第1主成分和第2主成分，可以認(rèn)為底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘水中溶解性總磷、水中活性磷、底質(zhì)總氮、底質(zhì)速效磷、水中氮氨、水中亞硝態(tài)氮和水中COD影響較大。

第1主成分貢獻(xiàn)最大的是水中溶解性總磷，負(fù)荷量為0817，其次是水中活性磷、底質(zhì)總氮、底質(zhì)速效磷，負(fù)荷量為0.787、0.702、0.682，可以認(rèn)為，第1主成分基本代表是水中溶解性總磷、水中活性磷、底質(zhì)總氮、底質(zhì)速效磷。第2主成分貢獻(xiàn)最大的是水中COD、水中總磷，負(fù)荷量為0.678、0.631，可以認(rèn)為，第2主成分基本代表是水中COD和水中總磷。第3主成分貢獻(xiàn)最大的是水中COD，負(fù)荷量為0.605，可以認(rèn)為，第3主成分基本代表是水中COD。

將各特征向量數(shù)據(jù)中心化和標(biāo)準(zhǔn)化后，各主成分得分見表5，第1主成分得分最高的是底質(zhì)改良機(jī)累積運(yùn)行0 h，第2主成分得分最高的是底質(zhì)改良機(jī)累積運(yùn)行24 h，第3主成分得分最高是底質(zhì)改良機(jī)累積運(yùn)行51 h，根據(jù)各主成分得分值和表3中方差貢獻(xiàn)率，可以得到底質(zhì)改良機(jī)在不同累計(jì)運(yùn)行時(shí)間條件下的總得分（表5），底質(zhì)改良機(jī)在累計(jì)運(yùn)行6 h后，得分最高，對(duì)池塘水質(zhì)、底質(zhì)營養(yǎng)鹽的影響最大。

3 討論與結(jié)論

從不同運(yùn)行時(shí)間下，底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘水質(zhì)、底質(zhì)營養(yǎng)鹽的影響來看，底質(zhì)改良機(jī)能夠有效地提高水體中氨氮、亞硝態(tài)氮、總氮、溶解性總氮COD，降低水體中總磷，溶解性總磷、活性磷，并且降低池塘底質(zhì)中總氮和速效磷?？傮w來說，氮營養(yǎng)鹽呈上升趨勢，磷營養(yǎng)鹽呈下降趨勢，相關(guān)研究表明，對(duì)池塘底部泥水混合物的擾動(dòng)可以促進(jìn)底泥中營養(yǎng)鹽的釋放[9]，但也有研究表明，對(duì)池塘底部泥水混合物的擾動(dòng)加速了微生物對(duì)營養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化作用，降低水體中營養(yǎng)鹽指標(biāo)[10]，池塘水體中的營養(yǎng)鹽釋放和聚集取決于擾動(dòng)頻率和擾動(dòng)量[11]，本研究中底質(zhì)改良機(jī)旨在擾動(dòng)水體促進(jìn)底質(zhì)中營養(yǎng)鹽的釋放，提高水體中營養(yǎng)鹽，促進(jìn)浮游植物的生長。

底質(zhì)改良機(jī)主要目的是為了解決池塘養(yǎng)殖底質(zhì)污染問題和提高養(yǎng)殖投入物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率[3，11]，池塘水質(zhì)和底質(zhì)營養(yǎng)鹽指標(biāo)是底質(zhì)改良機(jī)性能的量化指標(biāo)，本研究主成分分析結(jié)果表明，底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘水質(zhì)、底質(zhì)中營養(yǎng)鹽的影響主要集中在前3個(gè)主成分，第1主成分反映底質(zhì)改良機(jī)對(duì)氮磷營養(yǎng)鹽的影響，第2主成分反映底質(zhì)改良機(jī)對(duì)水中有機(jī)物的影響。表明底質(zhì)改良機(jī)對(duì)池塘溶解性總磷、水中活性磷、底質(zhì)總氮、底質(zhì)速效磷、水中氮氨、水中亞硝態(tài)氮、水中COD影響較大，底質(zhì)改良機(jī)主要影響了底泥向水體中氮磷營養(yǎng)鹽的釋放，其次是底質(zhì)改良機(jī)對(duì)水中有機(jī)物濃度的影響。

為使研究的結(jié)果具有較強(qiáng)的代表性和有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值，研究中選取的運(yùn)行時(shí)間較長，所考察的水質(zhì)、底質(zhì)營養(yǎng)鹽之間關(guān)系復(fù)雜，如何量化底質(zhì)改良機(jī)不同運(yùn)行時(shí)間條件下運(yùn)行效果的綜合評(píng)價(jià)比較困難，本試驗(yàn)通過對(duì)不同運(yùn)行時(shí)間條件下底質(zhì)改良機(jī)對(duì)水體及底泥中營養(yǎng)鹽影響進(jìn)行主成分分析，從10種營養(yǎng)鹽中提取了3個(gè)主成分，建立綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算底質(zhì)改良機(jī)對(duì)水體及底泥中營養(yǎng)鹽影響的綜合評(píng)價(jià)得分，綜合評(píng)價(jià)得分高低表明了底質(zhì)改良機(jī)在不同運(yùn)行時(shí)間條件下的效果，最終得出底質(zhì)改良機(jī)累積運(yùn)行6 h后，運(yùn)行效果最好。

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