基于主成分分析法的底质改良机运行效果评价

朱浩　刘兴国　吴宗凡　王小冬　程果锋　顾兆俊

摘要：为研究不同运行时间条件下，底质改良机对池塘水质、底质中营养盐的影响，对池塘水质、底质10个营养盐指标进行测定，利用主成分分析法建立了底质改良机运行效果综合评价模型。结果表明，底质改良机主要影响底泥向水体中氮、磷营养盐的释放，其次影响水中有机物的浓度。根据各主成分得分值和方差贡献率进一步分析，底质改良机累积运行6 h后，运行效果最好。

关键词：底质改良；主成分分析；总氮；总磷

中图分类号： S969.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0468-03

底质改良机是近年新研制的一种用于改善淡水养殖池塘底质和水质的渔业机械设备[1-3]，主要利用光能在水产养殖生产季节将淡水池塘底部泥水混合物提升至池塘表层，从而利用淡水池塘底泥沉积物中的营养盐供池塘表层水体中藻类光合作用；一是改善了淡水池塘底部的厌氧环境，促进氮、磷营养盐的释放；二是提高池塘水体中的藻细胞密度，从而提高了池塘的初级生产力。目前，对底质改良机的研究尚处在初级阶段，对其运行效果评价还仅限于对水体中营养盐的初步分析[4]；深入分析底质改良机运行效果极为重要，对底质改良机的推广和应用具有重要意义。

主成分分析法是将原来的变量重新组成一组新的互相无关的几个综合变量来代替原来变量，利用几个较少的综合变量反映原来变量的一种统计方法，从而达到降维目的；主成分分析已广泛应用在许多领域[5-7]。本研究通过对池塘水质和底质营养盐的客观统计分析，利用主成分分析法来科学评价底质改良机运行效果，以期为底泥改良机进一步研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

底质改良机为中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所自行研制，主要由水面行走装置和提水装置组成（图1），水面行走装置沿钢丝绳索做来回双向的直线运动，提水装置围水面行走装置做圆周运动，从而使得底质改良机在池塘表面形成螺旋状的运动轨迹（图2）。

试验在中国水产科学研究院池塘生态工程研究中心进行。选取标准化养殖池塘作为试验塘，池塘长50 m、宽 100 m、深1.7 m，主养鳊鱼成鱼，配养草鱼、鲢鱼、鳙鱼。试验期间池塘正常投喂饲养。

1.2 试验方法

选择天气光照较好的时间，每个晴天上午（08：30左右）开启底质改良机，每累计运转3 h后用有机玻璃采水器采集水样。具体运行时间见表1。

采样点确定：试验池中选择3个样点，3个样点均匀分布在改良机的运行轨迹上。

水样采集：分表层、中层、底层3 层采样，利用2.5 L有机玻璃采水器采集3层的水样后混合，3层水样的均匀混合样作为各个样点的水样。每次采得水样用2个0.5 L采样瓶收集，一瓶用鲁哥试剂固定后带回实验室分析藻细胞密度，另一瓶用于分析水中营养盐浓度。

1.3 指标测定

采得水样的保存及处理严格按照《水和废水监测方法（第4版）》[8]执行。测定水质指标包括水中氨氮（NH3-N）、亚硝态氮（NO2-N）、总氮（TN）、溶解性总氮（DTN）、总磷（TP）、溶解性总磷（DTP）、活性磷（SPR）、化学需氧量（COD），底泥中TN、A-P。NH3-N采用纳氏试剂光度法测定，NO2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定，TN、DTN采用过硫酸钾氧化法测定，TP和DTP采用钼黄法测定，SPR、COD采用HACH试剂盒测定。

1.4 数据分析

使用Excel软件进行数据的初步统计处理，应用统计分析软件SPSS 13.0进行主成分分析并按分值大小进行排序。

2 结果与分析

2.1 不同运行时间下底质改良机对池塘水质、底质营养盐的影响

底质改良机对池塘水体和底泥中营养盐的影响见表2，随着底质改良机累积运行时间的延长，池塘水体中的氨氮、亚硝态氮、总氮、溶解性总氮、COD均有不同程度的增长。与 0 h相比，设备运行54 h 后池塘水体中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%，而水体中总磷、溶解性总磷、活性磷，池塘底质中总氮和速效磷均有不同程度下降，与0 h 相比，设备运行54 h 后水体中DTP值降低了36%、活性磷降低了12%，池塘底质中TN降低了82%、速效磷降低了19%。水体中TP值变化不大，与0 h 相比，设备运行54 h 后水体中TP增加了11%。表明底质改良机在养殖池塘中运行一段时间后，能够促进池塘底泥中营养的释放，提高养殖水体中营养盐的指标，并且氮的释放效率明显高于磷的释放效率。

2.2 主成分分析

利用不同运行时间的池塘水体中营养盐指标为样本，以10个营养盐指标的标准化值来进行样本分析，在数据分析时利用SPSS软件analyze菜单中的factor过程进行主成分分析得到特征值和特征向量（表3），从表3可以看出，第1主成分的贡献率为39.161%，第2主成分的贡献率为17.081%，第3主成分的贡献率为12.903%；前3个指标的累计方差贡献率达到了69.146%，表明这3个指标已经包含了原始样本矩阵中69.146%的信息，可以说明底质改良机运行效果评价。

各主成分线性表达式中原始指标的系数取相应特征值对应的正规化单位特征向量即可。因此，构造3个主成分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。

从表4可以看出，在第1主成分的特征向量中，特征向量值较高且为正的营养盐指标有水中溶解性总磷、水中活性磷、底质总氮、底质速效磷。特征向量值较高且为负的营养盐指标有水中氨氮、水中亚硝态氮。在第2主成分的特征向量中，特征向量值较高且为正的营养盐指标有水中COD、水中总磷，而总方差50%以上的贡献来自第1主成分和第2主成分，可以认为底质改良机对池塘水中溶解性总磷、水中活性磷、底质总氮、底质速效磷、水中氮氨、水中亚硝态氮和水中COD影响较大。

第1主成分贡献最大的是水中溶解性总磷，负荷量为0817，其次是水中活性磷、底质总氮、底质速效磷，负荷量为0.787、0.702、0.682，可以认为，第1主成分基本代表是水中溶解性总磷、水中活性磷、底质总氮、底质速效磷。第2主成分贡献最大的是水中COD、水中总磷，负荷量为0.678、0.631，可以认为，第2主成分基本代表是水中COD和水中总磷。第3主成分贡献最大的是水中COD，负荷量为0.605，可以认为，第3主成分基本代表是水中COD。

将各特征向量数据中心化和标准化后，各主成分得分见表5，第1主成分得分最高的是底质改良机累积运行0 h，第2主成分得分最高的是底质改良机累积运行24 h，第3主成分得分最高是底质改良机累积运行51 h，根据各主成分得分值和表3中方差贡献率，可以得到底质改良机在不同累计运行时间条件下的总得分（表5），底质改良机在累计运行6 h后，得分最高，对池塘水质、底质营养盐的影响最大。

3 讨论与结论

从不同运行时间下，底质改良机对池塘水质、底质营养盐的影响来看，底质改良机能够有效地提高水体中氨氮、亚硝态氮、总氮、溶解性总氮COD，降低水体中总磷，溶解性总磷、活性磷，并且降低池塘底质中总氮和速效磷。总体来说，氮营养盐呈上升趋势，磷营养盐呈下降趋势，相关研究表明，对池塘底部泥水混合物的扰动可以促进底泥中营养盐的释放[9]，但也有研究表明，对池塘底部泥水混合物的扰动加速了微生物对营养盐的转化作用，降低水体中营养盐指标[10]，池塘水体中的营养盐释放和聚集取决于扰动频率和扰动量[11]，本研究中底质改良机旨在扰动水体促进底质中营养盐的释放，提高水体中营养盐，促进浮游植物的生长。

底质改良机主要目的是为了解决池塘养殖底质污染问题和提高养殖投入物质的转化效率[3，11]，池塘水质和底质营养盐指标是底质改良机性能的量化指标，本研究主成分分析结果表明，底质改良机对池塘水质、底质中营养盐的影响主要集中在前3个主成分，第1主成分反映底质改良机对氮磷营养盐的影响，第2主成分反映底质改良机对水中有机物的影响。表明底质改良机对池塘溶解性总磷、水中活性磷、底质总氮、底质速效磷、水中氮氨、水中亚硝态氮、水中COD影响较大，底质改良机主要影响了底泥向水体中氮磷营养盐的释放，其次是底质改良机对水中有机物浓度的影响。

为使研究的结果具有较强的代表性和有较好的推广应用价值，研究中选取的运行时间较长，所考察的水质、底质营养盐之间关系复杂，如何量化底质改良机不同运行时间条件下运行效果的综合评价比较困难，本试验通过对不同运行时间条件下底质改良机对水体及底泥中营养盐影响进行主成分分析，从10种营养盐中提取了3个主成分，建立综合评价模型计算底质改良机对水体及底泥中营养盐影响的综合评价得分，综合评价得分高低表明了底质改良机在不同运行时间条件下的效果，最终得出底质改良机累积运行6 h后，运行效果最好。

参考文献：

[1]田昌凤，刘兴国，张拥军，等. 池塘底质改良机的研制[J]. 上海海洋大学学报，2013，22（4）：616-622.

[2]刘兴国，徐 皓，张拥军，等. 池塘移动式太阳能水质调控机研制与试验[J]. 农业工程学报，2014，30（19）：1-10.

[3]程果锋，刘世晶，田昌凤，等. 太阳能池塘底质改良机的机械性能研究[J]. 渔业现代化，2013，40（3）：31-36.

[4]田昌凤，吴宗凡，朱 浩，等. 太阳能池塘底质改良机运行效果初步研究[J]. 渔业现代化，2013，40（2）：6-11.

[5]Lib Y，Weim B，Shen A L，et al. Changes of yields，soil. Properties and micro nutrients as affected by 17-yr fertilization treatments[J]. Journal of Food，Agriculture and Environment，2009，7（3/4）：408-413.

[6]Yin Y，Tian X. Classification of Chinese drinks by a gas sensors array and combination of the PCA with wicks distribution[J]. Sensors and

Actuators，B，2007，124（2）：393-397.

[7]Probola G，Zander L. Application of PCA method for characterisation of textural properties of selected ready-to-eat meat products[J]. Journal of Food Engineering，2007，83（1）：93-98.

[8]魏复盛. 水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[9]罗潋葱，秦伯强，胡维平，等. 不同水动力扰动下太湖沉积物的悬浮特征[J]. 湖泊科学，2004，16（3）：273-276.

[10]李大鹏，黄 勇，李伟光，等. 底泥扰动对上覆水中磷形态分布的影响[J]. 环境科学学报，2009，29（2）：279-284.

[11]刘兴国. 池塘养殖污染与生态工程化调控技术研究[D]. 南京：南京农业大学，2011.张 静，郭 辉，韩长杰，等. 新疆玉米主栽区机具优化配备研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：471-473.endprint