淡水鱼塘叶绿素a与环境因子间影响关系的通径分析

刘金金,张玉平,张 丹,孙振中,李晓蓓,晏 军,赵 冉,张 芬,周 轩

(上海市水产研究所,上海 200433)

浮游植物是池塘生态系统中重要的初级生产力，是养殖对象重要的食物来源[1-2]。藻类的生长状况影响养殖水体的水质演化，其过度繁殖可能产生水华，恶化水质，甚至其分泌的藻毒素会威胁到养殖对象的健康及品质[3-4]。叶绿素a(Chl.a)是浮游植物现存量的重要评价指标[5]，其含量高低与水环境质量密切相关[6]，已有众多学者在此方面做了大量研究，研究主体主要为湖泊、水库、河流等水体[7-10]，池塘养殖水体因其半封闭性、人为干涉频繁等特点，水环境因子复杂多变，与Chl.a之间的关系更加复杂，相关方面的研究相对较少[3-11]。

目前，池塘养殖水体中Chl.a与水环境因子间相关关系的分析方法主要为多元线性回归分析、灰色关联分析、主成分分析以及模糊综合评价[12-14]，其中模糊综合评价法和灰色聚类分析等方法本身存在对指标评价的主观性判断和信息丢失的问题[15]，而通过主成分分析简化数据信息，剔除部分不适合因子后再逐步建立多元回归方程的方法所需数据量大，计算繁琐，且得到的结果较难一致性地描述因子间的关系和规律[16]，因此寻求一种简便、高效而又科学客观的分析方法显得尤为重要。通径分析是一种可处理较为复杂数据间变量关系的线性回归分析方法，通径系数可有效分析相关变量之间影响的直接或间接效应，决定系数可反映出自变量对因变量的作用大小。通径分析比模糊综合分析和灰色关联分析更为全面，比主成分分析法在数据需求量上更少，在计算操作上更加便捷，是一种相对较方便且有效的分析方法，但该方法多用于分类学，在养殖水环境中的应用还极少见。以上海市淡水鱼池塘养殖水体水质监测数据为基础，利用通径分析方法研究鱼塘水体中Chl.a与水环境因子间的关系，探讨鱼塘水体中影响Chl.a含量变化的主要因素，并建立具有针对性的多元回归方程，以期能够更加全面地研究池塘水体中环境因子间的内在影响规律，从而为上海地区淡水鱼塘的生态养殖提供一定科学论据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

表1 上海市淡水鱼养殖场采样池塘养殖信息汇总表

1.2 水质测定

1.3 分析方法

利用SPSS statistics 19.0 软件对水质监测结果进行描述性统计和相关性分析。根据相关性系数(rij)矩阵建立正则方程组，利用高斯消元法得到各环境因子对Chl.a影响的直接通径系数(Pi)。根据相关矩阵的组成原理，获得各环境因子通过其他环境因子对Chl.a产生影响的间接通径系数(∑rijPj)，依次对各水环境因子对Chl.a的影响展开通径分析，并计算各因子对Chl.a产生影响的决定系数(di)以及通过其他因子影响Chl.a的共同决定系数(dij)。最后通过检验偏回归系数剔除不显著因子建立多元回归方程，并对多元回归模型进行了假设性检验。

(1)

相关系数的组成原理：rxiy=Pi+∑rijPj

(2)

(3)

共同决定系数(dij)的计算：

dij=2rij×Pi×Pj

(4)

2 结果与分析

2.1 鱼塘水环境概况

鱼塘水质因子结果的描述性统计见表2。水温主要随气候变化，同一监测时间内池塘水体间差异不大，水体盐度和pH也无较大差异，透明度和溶解氧的变化范围稍大，但变异系数均小于50%，其中pH的数据离散程度最小，表明在淡水鱼的养殖周期内水体酸碱性均维持在一个较为稳定的水平；氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷、活性磷等因子的变异系数大于85%，数据离散程度大，其中活性磷的数据离散程度最大。总氮和高锰酸盐指数的变异系数在50%左右，数值变化范围相对不大。

表2 淡水鱼养殖池塘水环境因子描述性统计结果汇总

2.2 水环境因子间相关系数

表3 淡水鱼池塘水环境因子间相关系数矩阵

附：r0.05(1,38)=0.320,r0.01(1,38)=0.413,上标“*”显著性相关,“**”极显著性相关.

2.3 通径分析

2.3.1 关键因子的筛选

表4 淡水鱼池塘环境因子变化对Chl.a影响的通径系数汇总

附：** 为极显著水平，P<0.01;* 为显著水平，P<0.05.

2.3.2 关键因子对Chl.a的通径分析

表5 淡水鱼池塘重要环境因子变化对Chl.a影响的通径系数

表6 淡水鱼池塘重要环境因子变化对Chl.a影响的决定系数汇总

2.4 多元回归方程的建立

(5)

对多元回归方程做方差分析(表7)，回归系数达到极显著水平(P<0.01)，拟合优度(R=0.784)较高，方程理论上有效。利用所得回归方程及四个自变量计算Chl.a，将计算值与实测值进行对比，Chl.a的计算值与实测值之间满足回归方程：y=0.9889x+2.426，散点示意图见图1，表明利用上述多元回归方程得到的Chl.a的计算值是可接受的。

表7 多元回归方程的方差分析

图1 Chl.a理论计算值与实测值间相关性散点分布图

2.5 Chl.a与环境因子间的关系模型

经过SPSS作相关分析得到池塘水体中各理化因子间相关性，简化关系图见2(a)，具有显著相关性的两因子间由双向箭头连接，具极显著相关性的两因子间由加粗双向箭头连接。此图可较直观地显示因子间相关性简况：各因子间相互作用、相互影响、相互制约；水体氮、磷营养盐指标间的相关性较为密集，反映水体基本状况的指标(如，t、pH、S等)间相关关系相对简单。同时此关系图也存在明显缺陷：环境因子间的相关性仅是各因子间互相作用的综合表观指示，并非两因子直接作用的结果，且未能简明扼要地指出影响叶绿素a的关键因子和影响程度。

图2 Chl.a与环境因子间的关系模型及优化

3 讨论

3.1 Chl.a与常规理化因子的关系

众多研究认为水温是Chl.a含量变化的关键因子[18-19]，水温可通过控制藻类细胞光合作用以及呼吸代谢速率影响Chl.a含量，两者呈正相关关系，但这些研究的主体多集中在受人为影响较小的自然水域[20-21]，而在人为措施影响较多的养殖池塘中水温对藻类生长的影响程度相对被弱化[11]。当自然水体中浮游植物大量繁殖时，水体中二氧化碳和氧气被大量消耗和产生，水体pH和DO含量升高，Chl.a与pH和DO应呈正相关关系[8]，但大量研究发现很多自然水体以及养殖水体中Chl.a含量的变化与pH和DO的关系并不是如此简单，毕京博等[18]对太湖水体的研究以及陈金玲等[22]对精养虾池水体的研究结果均显示Chl.a含量的变化与pH和DO呈负相关关系，与本文结果一致。分析其原因主要为养殖水体中较高含量的悬浮有机物分解以及生物呼吸导致O2的大量消耗，同时产生大量CO2， 掩盖了藻类光合作用对pH和DO的影响。

3.2 营养关键因子

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