基于主成分分析法的底質改良機運行效果評價

朱浩　劉興國　吳宗凡　王小冬　程果鋒　顧兆俊

摘要：為研究不同運行時間條件下，底質改良機對池塘水質、底質中營養鹽的影響，對池塘水質、底質10個營養鹽指標進行測定，利用主成分分析法建立了底質改良機運行效果綜合評價模型。結果表明，底質改良機主要影響底泥向水體中氮、磷營養鹽的釋放，其次影響水中有機物的濃度。根據各主成分得分值和方差貢獻率進一步分析，底質改良機累積運行6 h后，運行效果最好。

關鍵詞：底質改良；主成分分析；總氮；總磷

中圖分類號： S969.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0468-03

底質改良機是近年新研制的一種用于改善淡水養殖池塘底質和水質的漁業機械設備[1-3]，主要利用光能在水產養殖生產季節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境，促進氮、磷營養鹽的釋放；二是提高池塘水體中的藻細胞密度，從而提高了池塘的初級生產力。目前，對底質改良機的研究尚處在初級階段，對其運行效果評價還僅限于對水體中營養鹽的初步分析[4]；深入分析底質改良機運行效果極為重要，對底質改良機的推廣和應用具有重要意義。

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的幾個綜合變量來代替原來變量，利用幾個較少的綜合變量反映原來變量的一種統計方法，從而達到降維目的；主成分分析已廣泛應用在許多領域[5-7]。本研究通過對池塘水質和底質營養鹽的客觀統計分析，利用主成分分析法來科學評價底質改良機運行效果，以期為底泥改良機進一步研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

底質改良機為中國水產科學研究院漁業機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動，提水裝置圍水面行走裝置做圓周運動，從而使得底質改良機在池塘表面形成螺旋狀的運動軌跡（圖2）。

試驗在中國水產科學研究院池塘生態工程研究中心進行。選取標準化養殖池塘作為試驗塘，池塘長50 m、寬 100 m、深1.7 m，主養鳊魚成魚，配養草魚、鰱魚、鳙魚。試驗期間池塘正常投喂飼養。

1.2 試驗方法

選擇天氣光照較好的時間，每個晴天上午（08：30左右）開啟底質改良機，每累計運轉3 h后用有機玻璃采水器采集水樣。具體運行時間見表1。

采樣點確定：試驗池中選擇3個樣點，3個樣點均勻分布在改良機的運行軌跡上。

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樣點的水樣。每次采得水樣用2個0.5 L采樣瓶收集，一瓶用魯哥試劑固定后帶回實驗室分析藻細胞密度，另一瓶用于分析水中營養鹽濃度。

1.3 指標測定

采得水樣的保存及處理嚴格按照《水和廢水監測方法（第4版）》[8]執行。測定水質指標包括水中氨氮（NH3-N）、亞硝態氮（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 數據分析

使用Excel軟件進行數據的初步統計處理，應用統計分析軟件SPSS 13.0進行主成分分析并按分值大小進行排序。

2 結果與分析

2.1 不同運行時間下底質改良機對池塘水質、底質營養鹽的影響

底質改良機對池塘水體和底泥中營養鹽的影響見表2，隨著底質改良機累積運行時間的延長，池塘水體中的氨氮、亞硝態氮、總氮、溶解性總氮、COD均有不同程度的增長。與 0 h相比，設備運行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，池塘底質中總氮和速效磷均有不同程度下降，與0 h 相比，設備運行54 h 后水體中DTP值降低了36%、活性磷降低了12%，池塘底質中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，設備運行54 h 后水體中TP增加了11%。表明底質改良機在養殖池塘中運行一段時間后，能夠促進池塘底泥中營養的釋放，提高養殖水體中營養鹽的指標，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

利用不同運行時間的池塘水體中營養鹽指標為樣本，以10個營養鹽指標的標準化值來進行樣本分析，在數據分析時利用SPSS軟件analyze菜單中的factor過程進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主成分的貢獻率為39.161%，第2主成分的貢獻率為17.081%，第3主成分的貢獻率為12.903%；前3個指標的累計方差貢獻率達到了69.146%，表明這3個指標已經包含了原始樣本矩陣中69.146%的信息，可以說明底質改良機運行效果評價。

各主成分線性表達式中原始指標的系數取相應特征值對應的正規化單位特征向量即可。因此，構造3個主成分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鹽指標有水中溶解性總磷、水中活性磷、底質總氮、底質速效磷。特征向量值較高且為負的營養鹽指標有水中氨氮、水中亞硝態氮。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鹽指標有水中COD、水中總磷，而總方差50%以上的貢獻來自第1主成分和第2主成分，可以認為底質改良機對池塘水中溶解性總磷、水中活性磷、底質總氮、底質速效磷、水中氮氨、水中亞硝態氮和水中COD影響較大。

第1主成分貢獻最大的是水中溶解性總磷，負荷量為0817，其次是水中活性磷、底質總氮、底質速效磷，負荷量為0.787、0.702、0.682，可以認為，第1主成分基本代表是水中溶解性總磷、水中活性磷、底質總氮、底質速效磷。第2主成分貢獻最大的是水中COD、水中總磷，負荷量為0.678、0.631，可以認為，第2主成分基本代表是水中COD和水中總磷。第3主成分貢獻最大的是水中COD，負荷量為0.605，可以認為，第3主成分基本代表是水中COD。

將各特征向量數據中心化和標準化后，各主成分得分見表5，第1主成分得分最高的是底質改良機累積運行0 h，第2主成分得分最高的是底質改良機累積運行24 h，第3主成分得分最高是底質改良機累積運行51 h，根據各主成分得分值和表3中方差貢獻率，可以得到底質改良機在不同累計運行時間條件下的總得分（表5），底質改良機在累計運行6 h后，得分最高，對池塘水質、底質營養鹽的影響最大。

3 討論與結論

從不同運行時間下，底質改良機對池塘水質、底質營養鹽的影響來看，底質改良機能夠有效地提高水體中氨氮、亞硝態氮、總氮、溶解性總氮COD，降低水體中總磷，溶解性總磷、活性磷，并且降低池塘底質中總氮和速效磷。總體來說，氮營養鹽呈上升趨勢，磷營養鹽呈下降趨勢，相關研究表明，對池塘底部泥水混合物的擾動可以促進底泥中營養鹽的釋放[9]，但也有研究表明，對池塘底部泥水混合物的擾動加速了微生物對營養鹽的轉化作用，降低水體中營養鹽指標[10]，池塘水體中的營養鹽釋放和聚集取決于擾動頻率和擾動量[11]，本研究中底質改良機旨在擾動水體促進底質中營養鹽的釋放，提高水體中營養鹽，促進浮游植物的生長。

底質改良機主要目的是為了解決池塘養殖底質污染問題和提高養殖投入物質的轉化效率[3，11]，池塘水質和底質營養鹽指標是底質改良機性能的量化指標，本研究主成分分析結果表明，底質改良機對池塘水質、底質中營養鹽的影響主要集中在前3個主成分，第1主成分反映底質改良機對氮磷營養鹽的影響，第2主成分反映底質改良機對水中有機物的影響。表明底質改良機對池塘溶解性總磷、水中活性磷、底質總氮、底質速效磷、水中氮氨、水中亞硝態氮、水中COD影響較大，底質改良機主要影響了底泥向水體中氮磷營養鹽的釋放，其次是底質改良機對水中有機物濃度的影響。

為使研究的結果具有較強的代表性和有較好的推廣應用價值，研究中選取的運行時間較長，所考察的水質、底質營養鹽之間關系復雜，如何量化底質改良機不同運行時間條件下運行效果的綜合評價比較困難，本試驗通過對不同運行時間條件下底質改良機對水體及底泥中營養鹽影響進行主成分分析，從10種營養鹽中提取了3個主成分，建立綜合評價模型計算底質改良機對水體及底泥中營養鹽影響的綜合評價得分，綜合評價得分高低表明了底質改良機在不同運行時間條件下的效果，最終得出底質改良機累積運行6 h后，運行效果最好。

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