影响漓江底栖动物群落的主要环境因素解析解读

第27卷第2期2009年6月广西师范大学学报:自然科学版JournalofGuangxiNormalUniversity:NaturalScienceEditionVol.27No.2Jun.2009收稿日期:2009203216基金项目:国家自然科学基金资助项目（30870345,40301047;国家社会公益研究专项计划项目（200801051;广西科技厅攻关项目（063200623A通讯联系人:王备新（1970—,男，江苏江阴人，南京农业大学副教授,博士。E2mail:wangbeixin@影响漓江底栖动物群落的主要环境因素解析赵湘桂1,曹艳霞2,张杰2,王备新2,蔡德所1,3（1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004;2.南京农业大学植物保护学院昆虫学系农业部作物病虫害监测与防控重点开放实验室，江苏南京210095;31三峡大学土木水电学院，湖北宜昌443002摘要:对漓江水系31个样点的12个环境因子和底栖动物群落结构参数分别进行因子分析和Spearman相关性分析。结果表明，所获得的5个主成份因子的累计贡献率为86.35%,以化学因子（氮和磷为主的第一主成份的贡献率为28.5%,以水文因子（流速和深度等为主的第二主成份的贡献率为27.23%。第一主成份和第二主成份中的主要环境因子与底栖动物群落参数的Spearman相关性分析表明，总分类单元数、EPT分类单元数和优势单元百分数都与总氮、总磷和氨氮显著相关（P<0.05,但与最大流速、平均流速和深度没有显著的相关性(P>0.05。漓江水系水体中氮和磷引起的环境梯度差异对底栖动物群落结构变化的作用要大于其他环境梯度的影响。关键词:因子分析;大型无脊椎底栖动物群落;环境因子;漓江中图分类号:Q178.1文献标识码:A文章编号:100126600(2009022*******漓江是桂林山水的灵魂，保护漓江水生态系统健康有着极其重要的意义。长期以来，漓江水生态系统的监测与保护主要建立在水体理化指标的评价基础上,而单一依靠水体理化指标进行水生态系统管理的模式是不完善的。大型无脊椎底栖动物是河流生态系统中多样性最高，对水环境变化敏感的重要指示生物［1］。影响河流底栖动物群落组成与结构的自然和人为因素很多，包括地理、物理、化学和生物因素等。本文以12个主要的环境因素:温度、pH、电导率、溶解氧、海拔、总氮、总磷、氨氮、深、宽深比、平均流速、最大流速为研究对象，采用因子分析法探讨影响漓江底栖动物群落组成与结构变化的关键环境因素，拟为漓江水生生物多样性保护，漓江水生态系统修复提供科学依据。因子分析是从全部原始变量中将有关信息集中起来，通过探讨相关矩阵的内部结构,将多变量综合成少数因子,以再现原始信息之间的关系，并进一步探讨产生这些相关关系内在原因的一种多元统计分析方法［2］。这种分析方法能够最大限度地保存原有信息，并且其对结果的描述更加直观、合理，应用起来也更加方便。1研究方法1.1数据采集2008年2月底至3月初在漓江上中下游各干流和支流的31个点位采集底栖动物样本［3］，同时采集各个位点的环境因子数据。利用U210多参数水质监测仪（HORIBALtd.Japan测定样点水体溶解氧量（DO，电导率（Conductivity，酸碱度（pH和温度等指标。每个样点用聚乙烯水样瓶取水样500mL,委托广西水文水资源桂林分局水质监测科测定总磷（TP,总氮（TN,氨氮（NH42N等化学指标。海拔数据通过麦哲伦GPS315实地获得,平均流速与最大流速利用数字杆式流速仪测得,宽度与深度采用文献［4］方法。1.2数据处理方法采用主成分分析对实验数据进行分析（在SPSS16.0中完成［5］。为减小数据处理的误差,首先,对各变量原始数据进行标准化处理:stdxi=（xi-xOiXi,消除量纲影响，其中stdxi为标准指标变量,xi为原始值,xOi为第i个样本均值,Xi为第i个样本标准差;其次，计算变量之间的相关系数矩阵、特征值和特征向量，确定主成分个数,计算主成分贡献率;最后,旋转因子载荷矩阵,使因子载荷两极分化，而且旋转后仍然正交。2结果与分析2.1环境因素的相关系数矩阵分析31个样点的环境和生物数据见表1。对31个采样点中数据齐全的23个样点的12个环境因子数据进行标准化处理，得到新的数据组:温度stdx1、pHstdx2、电导stdx3、溶解氧stdx4、海拔stdx5、深stdx6、平均流速stdx7、最大流速stdx8、深宽比stdx9、总磷stdx10、总氮stdx11、氨氮stdx12,进而计算相关系数矩阵，结果见表2。除主对角线上的元素外，相关系数绝对值78%以上都大于0.10，即各个变量之间有不同程度的相关性，电导率与总氮含量和氨氮含量的相关性较大（相关系数为0.66和0.74，溶解氧含量与深度、流速及总氮含量相关性大（相关系数为0.60、0.51、-0.56,海拔与宽深比相关性大（相关系数0.56,深度与流速相关性较大（相关系数0.70、0.75，总磷与总氮含量也具有相关性（相关系数为0.45,其他变量之间相关性相对较小。所以可以采用因子分析法进行分析，提取主因子，解决相关性问题的同时起到降维效果，最大限度保留原始数据。表1采样点的环境变量和生物参数值的分布Tab.1DistributionofenvironmentalvariablesandcommunityparametersofsamplingsitesfromLijiangriver项目最大值最小值平均值项目最大值最小值平均值平均流速(m-s-10.830.110.42总分类单元数581343最大流速(m-s-0EPT分类单元数33023溶解氧(mg-L-112.76.3510.49BI值7.1933.4744.357深m0.800.010.27优势单元数量％0.4380.1110.245总磷(mg-L-10.11v0.010.05海拔m16650785总氮(mg-L-13.930.261.17深宽比0.06100.00020.0270氨氮(mg-L-10.37v0.050.06温度°C电导率(ms-cm-10.2300.0010.033pH值表2环境变量相关系数矩阵Tab.2Correlationmatrixoftwelveenvironmentalvariablesstdx1stdx2stdx3stdx4stdx5stdx6stdx7stdx8stdx9stdx10stdx11stdx12stdx11.00stdx20.251.00stdx0stdx40.300.23-0.411.00stdx5-0.20-0.44-0.29-0.101.00stdx80.60-0.011.00stdx70.020.15-0.030.51-0.200.701.00stdx80.070.200.070.47-0.200.750.971.00stdx9-0.05-0.15-0.350.030.560.00-0.11-0.171.00stdx10-0.090.290.41-0.05-0.120.4091.00stdx11-0.330.010.66-0.560.080.00-0.12-0.08-0.330.451.00stdx12-4-0.34-50.14-0.300.500.841.00831广西师范大学学报:自然科学版第27卷2.2环境变量的主成份分析计算标准化数值的特征值及方差贡献率来确定选取主成分的个数（表3。从表3看到，前4个主成分的特征值大于1,但是累计贡献率只有79.60%,因此取前5个主成分，这时方差累计贡献率达到86.36%,根据文献［5］，这已经包含了绝大多数样本信息，可以用这5个主成分的信息来代替原来12个指标的信息进行分析。表3主因子特征值与累计贡献率Tab.3Characteristicvalueandaccumulativecontribution主因子旋转前旋转后特征值贡献率%累计贡献率%特征值贡献率%累计贡献率%13.4228.5028.503.1526.2126.2123.2727.2355.733.1125.9052.1131.7014.2069.931.6213.5165.6141.169.6779.601.3511.2776.8850.816.7686.361.149.4786.3560.534.3890.7470.473.8994.6380.272.2196.8490.211.7498.58100.120.9999.57110.040.3699.93120.010.08100.00将原因子载荷矩阵进行四次方最大旋转，得到12个指标在5个主成份上的新的因子载荷（表3,载荷矩阵中绝对值小于0.55的不显示，大于0.55可以看作主要作用因子来分析。旋转后5个主成份的新的贡献率见表4,旋转前后总的累计贡献率没有发生变化，即总的信息量没有损失。从表3看到，第1主成份的累计贡献率达到28.50%，旋转后为26.21%,主要的环境指标是总氮、总磷、氨氮和电导率,这些化学物质都是引起水体富营养化的水化学指标。第2主成份的贡献率为27.23%，旋转后为25.90%,主要有平均流速、最大流速、深度和溶解氧等与河道物理生境有关的生境指标。另外3个则为9.47%〜13.51%。以上结果表明，漓江流域水体环境质量的差异主要表现在水体富营养化和河道内水文（流速的变化上。表4旋转前后因子载荷矩阵Tab.4Componentmatrixandrotatedcomponentmatrix因子旋转前12345因子旋转后12345最大流速0.745总氮0.926深0.704氨氮0.899平均流速0.702电导0.853总磷0.586总磷0.594pH最大流速0.946溶解氧0.834平均流速0.944总氮-0.828深0.879氨氮0.629-0.673溶解氧0.644电导-0.655深宽比0.872海拔0.737海拔0.753深宽比0.565pH0.858温度0.597温度0.9492.3主要环境变量与底栖动物群落组成和结构的相关性分析对第一主成份和第二主成份中的主要环境因子（总氮、总磷、氨氮、电导率、最大流速、平均流速、深度和溶解氧与表征底栖动物群落组成和结构的重要参数（总分类单元数、EPT分类单元数、BI指数和优势单元百分数进行Spearman相关分析，总磷、总氮、氨氮的数据均按照国家地表水环境质量标准限值进行931第2期赵湘桂等:影响漓江底栖动物群落的主要环境因素解析等级分类，并以等级数值与各生物指数做Spearman相关性分析,电导率、流速、平均流速、溶解氧和宽度则使用原始数据。由表5可以看出，第一主因子的各环境变量与生物指数的等级相关系数rs均大于0.45,P<0.05,为显著相关。第二主因子与生物指数的Spearman相关性则不是十分显著，只有平均流速与BI值为显著相关（rs为-0.463,P<0.05，其余环境因子与生物指数的相关系数rs均较小,P>0.05。表5环境数据与生物指数的Spearman相关分析1Tab.5Spearmancorrelationsofmainenvironmentalvariablesandparametersofbenthoscommunity参数第一主因子（n=31第二主因子（n=23总磷总氮氨氮电导平均流速最大流速深度溶解氧总分类单元-0.46133-0.62033-0.55433-0.673330.0733-0.0993-0.23930.0853EPT分类-0.57433-0.64433-0.54633-0.703330.0313-0.1503-0.37130.0113BI值0.487330.535330.589330.58433-0.46333-0.31230.0103-0.1673优势单元百分数0.550330.657330.548330.515330.02730.15230.1733-0.3323113P<0.05,33P<0.013结语分析结果表明，以氮和磷及其盐类为主要特征因子的第一主成份对漓江水系环境差异的贡献率最高，但是其绝对值不大，只有28.5%,说明漓江水系的氮和磷污染并不重。根据总氮和总磷评价水质的国家标准，大部分样点的水质都为类和类,只有极少样点的水质是〜类，这一评价结果与因子分析结果是基本符合的。Spearman相关性分析表明，与水体富营养化关系密切的总磷、总氮和氨氮与总分类单元数、EPT分类单元数、优势单元百分数和BI指数显著相关。除平均流速与BI指数显著相关外，最大流速、深度和溶解氧都与底栖动物群落结果的变化没有显著相关性，说明虽然由氮和磷引起的漓江水质变化不是十分大,但这些变化已经对底栖动物群落组成与结构的变化产生重要影响,生态系统健康已受损。漓江水系水体中氮和磷主要来源于哪些途径呢?根据采样过程的观察和漓江水系已有的研究报道[7]，漓江水系水体中氮和磷增加的主要来源有2个:一是农业面源,二是没有处理的生活污水。农业面源污染对支流的影响要大于干流，而生活污水对干流的影响比较大。参考文献：BARBOURMT,GERRITSENJ,SNYDERBD,etal.RapidbioassessmentprotocoIsforuseinstreamsandwade2ablerivers:periphyton,benthicmacroinvertebratesandfish(SecondEdition[SOL].WashingtonDC:USEnviron2mentalProtectionAgency,OfficeofWater,1999[2009202220].http:owowmonitoringrbpwp61pdfrbp.pdf.卢崇飞.环境数理统计学应用及程序[M].北京:高等教育出版社,1988:6.曹艳霞，蔡德所，张杰，等.漓江水系大型无脊椎底栖动物多样性现状调查[J].广西师范大学学报:自然科学版,2009,27(2:1182123.HAUERFR,LAMBERTIGA.Methodsinstreamecology[M].SanDiego:AcademicPress,1996.宇传华.SPSS与统计分析[M].北京:电子工业出版社,2007.曲环.农业面源污染控制的补偿理论与途径研究[D].北京:中国农业科学院,2007.[7]邓华，蒋艳红,李莲花，等.漓江市区段沿岸餐饮废水对漓江水质影响调查与对策探讨[J].环境科学导刊,2008,27(4:27229.041广西师范大学学报:自然科学版第27卷FactorAnalysisofEnvironmentalVariablesInfluencingBenthicMacroinvertebrateCommunityinLijiangRiverZHAOXiang-gui1,CAOYan-xia2,ZHANGJie2,WANGBei-xin2,CAIDe-suo1,3(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;KeyLaboratoryofMonitoringandManagementofCropDiseasesandPestInsects,MinistryofAgriculture,DepartmentofEntomology,CollegeofPlantProtection,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;CollegeofCivilandHydroelectricEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,ChinaAbstract:Atotalof12environmentalvariablesfrom31samplingsitesinLijiangriverwasanalyzedbyfactoranalysis.Theresultsshowedthattheaccumulativecontributionoffivemainfactorswas86.35%.Thefirstfactor,mainlycomposedofchemicalfactors,i.e.nitrogenandphosphorus,hadthecontrib