全 文 ：第 20 卷　第 4 期 海 洋 环 境 科 学 Vol .2 0 , No .4
2 0 0 1 年 1 1 月 MARINE ENVIRONM ENTAL SCIENCE Nov , 2 0 0 1
大鹏湾春季海水理化因素与拟尖刺菱形藻
种群密度的灰色系统模型研究
黄伟建1 ,黄贯虹2 ,陈菊芳1 ,徐　宁1 ,江天久1 ,骆育敏1 ,
谢隆初1 ,齐雨藻1
(1.暨南大学 水生生物研究所 ,广东　广州　510632;2.广东职业技术师范学院计算机科学系 ,广东　广州　510665)
摘　要:
对 1990年 3月 30日 ～ 6月 25日在大鹏湾盐田海域的海水采样结果 ,用灰色理论的系统分析方法研究并计算
大鹏湾地区海水中的拟尖刺菱形藻与浮游动物数量等 15 个海水理化因子变化的灰关联度 , 关联排序结果表
明:浮游动物 、Fe、浊度 、Me、DO 、V 、Se、酸碱度 、盐度和温度对拟尖刺菱形藻的种群增殖态势有着较大的影响。
进而建立灰色系统模型{GM(1 , h)}对拟尖刺菱形藻种群增殖的动态辩识分析。
关键词:拟尖菱形藻;灰关联;关联度;灰模型{GM(1 , h)};大鹏湾
中图分类号:X55;X11　　文献标识码:A　　文章编号:1007-6336(2001)04-0013-05
Grey models{GM(1 , h)}between seawater environmental essential factors
and the incidence of Pseudonitzschia pungens in Dapeng Bay
HUANG Wei-jian1 , HUANG Guan-hong2 , CHEN Ju-fang 1 , XU Ning1 , JIANG T ian-jiu1 , LUO Yu-min1 ,
XIE Long-chu1 , QI Yu-zao1
(1.Institute of Hydrobiology , Jinan Universi ty , Guangzhou　510632 , China;2.Department of Computer S cience and
Information M anagement , Guangdong Insti tute for Nat ionalities, Guangzhou　510633 , China)　　　　　　　　　
Abstract:Based on the samples taken form the seaw ater of the salt f ield in Dapeng Bay of South China sea f rom M arch 30th to June
4 th of 1990 , the systematic analytical method of grey theory is used to study and calculate grey relative values betw een
Pseudoni tz schia p ungen and 15 various relat ive physical-chemical factors of seaw ater separately in Dapeng Bay.T he rseult of rela-
t ive values and their permutat ion indicates that Plankton , Fe , Tu rbidity , Mn , Dissolved Oxygen , V , Se , pH , Salinity and Tem-
perature have more inf luence on this kind of alga than any other factor.Further more , the grey relative model狖GM(1 , h)狚is es-
t ablished and used to identi fy and analyze the t rends of population growth of P.pungens.
Key words:Pseudonit zschia pungen;grey relation;relative degree;grey model狖GM(1 , h)狚;Dapeng Bay
　　拟尖刺菱形藻(Pseudonitzschia pungens)
在我国沿海均有分布 ,在南海大鹏湾亦为主要
的硅藻类赤潮生物 ,几乎全年都有分布 ,数量
高峰大多出现于夏季 。近两年来大鹏湾共发
生过多次拟尖刺菱形藻赤潮 ,由于最近国外有
人报道该种多纹变形(P .pungens f.multi-
series)能产生一种称为软骨藻酸(domoic acid)
的毒素 ,又称为记忆健忘型毒素(ASP),故引
起特别注意 。因此 ,本文运用灰色系统理论的
分析方法先对拟尖刺菱形藻的种群增殖与各
海水理化因子间的关系进行灰关联计算 、排列
与分析 ,确定对拟尖刺菱形藻的种群密度增殖
收稿日期:2000-12-28 ,修改稿收到日期:2001-03-12
基金项目:广东省高教厅资助项目
作者简介:黄伟健(1959-),男 ,安徽当涂人 ,高级工程师 ,主要从事环境科学研究。
有重要影响的 8 个因素 ,并利用灰色系统的
{GM(1 , h)}模型对拟尖刺菱形藻的种群的增
殖势态进行分析与研究。
1　采　样
所有数据皆取自大鹏湾盐田海域的调查
结果 , 地理位置如图 1 所示。采样时间是
1990年 3月 30日至 6月 25日 ,每隔 2 d采样
一次。共 19个因子(31个数据×19×3 个站
位)。浮游动物采样分定性与定量两种:定性
是用浅水 2 号浮游生物网 ,网口是 31.6 cm ,
全长为 140 cm ,用GB 36筛绢垂直拖网采样;
定量是用 2 L 的采水器 ,标本少则全部计数 ,
多则浓缩后计数 。浮游植物采样按照《海洋调
查规范》 ,用直径 37 cm ,长 130 cm ,孔径 70μm
的拖网在采样点进行垂直拖网 ,该部分定量与
定性采样由暨南大学水生生物研究所负责;理
化因子的分析按国家海洋局《海洋污染调查暂
行规范》进行 ,样品由国家海洋局南海分局海
洋环境监测中心提供 。
图 1　大鹏湾采样站位
Fig.1　Sampling stations in Dapeng Bay
2　方　法
本文把拟尖刺菱形藻的种群密度作为参
考序列{X 0(k);k =1 ,2 , … , N},其中样值个
数 N =31;以浮游动物种群密度(L-1)、 t
(℃)、S 、DO(mg/L)、pH 、浊度 、PO43-(μg/
L)、NO2-(μg/ L)、NO3-(μg/L)、Si(μg/L)、Fe
(μg/L)、Mn(μg/L)、Se(μg/L)、V(μg/L)和
Mo(μg/ L)等 15 个因子作为比较序列{X i
(k);k =1 ,2 , …, N}(i =1 ,2 , …15)。灰色系
统关联度的计算方法如下:
2.1　灰关联分析
2.1.1　将各序列初值化
参考序列{Y 0(k);k =1 , 2 , …, N}={X 0
(k)/X 0(1);k =1 , 2 , …, N},其中若采样值
X 0(1)=0 ,则取下一个采样值 ,比较序列亦
然 ,即{Y i(k)}={X i(k)/X i(1)}(i =1 , 2 ,
… , N)。
2.1.2　计算灰关联系数
ζi={ζi(k);k =1 ,2 , …, N}(i=1 ,2 , … ,
15)为经初值化的参考序列{Y 0(k)}与第 i个
比较序列{Y i(k)}的关联系数 ,其中
ζi(k)=
M in■i(k)
k
+Max■i(k)
■j(k)+ρMax■j(k)
k
i =1 , 2 , … ,15;k =1 ,2 , … , N 。
式中:■i(k)= Y 0(k)-Y i(k) ;ρ(0<ρ<
1)为分辨系数 ,本文取 ρ=0.1。
2.1.3　计算灰关联度
γi = 1N ∑
N
k=1
ζi(k)
i =1 ,2 , …,15。
其中:γi 为参考序列{Y 0(k)}与第 i 个比较
序列{Y i(k)}的关联度 。
2.1.4　灰关联排序
本文分别对三个站位 S1 、S2 和 S3 以及
表 、底层的采样数据进行计算排序结果列示于
表 1。
2.2　灰色模型辩识
经上述灰关联分析 ,本文选取对拟尖刺菱
形藻种群密度增殖的影响列前 8位的因素是:
浮游动物 、Fe 、浊度 、Mn 、V 、DO 、Se 和 pH ,作
为建立拟尖刺菱形藻种群密度灰关联模型
14　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　环　境　科　学　　　　　　　　　　　　　　　第 20卷
表 1　拟尖刺菱形藻与各因子的关联度及排序结果
Tab.1　Result of related value and its permutation between Pseudonitzschia pungens and various factor
因　子 S1表层 底层 　
S 2
表层 底层 　
S3
表层 底层 均值 排序　
浮游动物 0.9094 0.9404 0.9378 0.8710 0.9844 0.8858 0.9215 1　
T 0.8482 0.9143 0.8590 0.7208 0.9373 0.6124 0.8153 10　
S 0.8627 0.9187 0.8795 0.7426 0.9467 0.6434 0.8323 9　
DO 0.8750 0.9273 0.8917 0.7769 0.9533 0.6568 0.8468 6　
pH 0.8617 0.9230 0.8815 0.7505 0.9468 0.6475 0.8352 8　
浊度 0.8984 0.9239 0.9125 0.8049 0.9764 0.8517 0.8946 3　
PO 4
3- 0.4616 0.5394 0.4036 0.4003 0.6044 0.7720 0.5302 15　
NO 2
- 0.8364 0.6787 0.8148 0.6628 0.6738 0.6718 0.7231 13　
NO 3
- 0.8536 0.8825 0.6976 0.7390 0.9291 0.6288 0.7884 12　
Si 0.5109 0.8441 0.7457 0.5876 0.7220 0.5367 0.6578 14　
Fe 0.9061 0.8749 0.9338 0.8270 0.9826 0.8470 0.8952 2　
M n 0.8916 0.9434 0.9120 0.7932 0.9695 0.6235 0.8555 4　
S e 0.8053 0.9150 0.8888 0.7447 0.9393 0.7271 0.8367 7　
V 0.8528 0.9210 0.8880 0.7735 0.9445 0.7056 0.8476 5　
Mo 0.8810 0.8949 0.8308 0.7241 0.8978 0.5608 0.7982 11　
{GM(1 , h)}的要素 ,方法如下:
(1)设{X i(0)(k);k =1 , 2 , … , N}(i =1 ,
2 , … , h)分别为拟尖刺菱形藻 、浮游动物 、Fe 、
浊度 、Mn 、V 、DO 、Se和 pH 的原始序列 ,其中 ,
N=31为采样值个数 , h=9为变量个数 。
(2)为建模提供中间信息 ,弱化原始序列
的随机性 ,对原始序列进行一次累加生成化序
列:
X i(k)=∑k
t=1
X i
(0)(t)
k =1 ,2 , … , N ;i =1 ,2 , … , h 。
　　(3)建立{GM(1 , h)}模型
dX 1
dt
+aX 1 =∑h
i=2
bi-1X i
其中
a =[ a , b1 ,b2 , … , bh-1] T =(B TB)-1B TY N
Y N =[ X 1(2), X 1(3), … , X 1(N)] T
B =
-12(X1(2)+X1(1),X2(2),…,Xh(2)
-1
2
(X1(3)+X1(2),X2(3),…,Xh(3)
……………………………………………
-1
2
(X1(N)+X1(N-1),X2(N), …,Xh(N)
并分别对 S1 、S2 和 S3 等 3 个站位表 、底层的
采样值 ,将模型的参数估计值 a 的计算结果
列于表 2 。并将 GM 模型的预测值与实测值
的比较作于图 2。
表 2　3 个站位表底层的模型参数值
Tab.2　Parame ter values of the model for samples at surface and bottom of three stations in Dapeng Bay
站　位 a b 1 b2 b3 b4 b 5 b6 b7 b8
S 1 表层 -0.2269 -2.5234 0.2763 10.5234 -0.7505 2.6233 -2.6936 -0.4442 1.9905
底层 0.4012 2.0433 -0.5704 -14.6572 0.2919 -6.1873 -1.6069 2.1332 -5.0881
S 2 表层 0.2385 -3.4798 -0.0482 -7.3364 0.3193 0.9804 6.2593 1.5687 -5.7345
底层 -0.0536 7.6625 1.0598 -6.5949 -0.1196 -2.2748 -7.1694 -0.8934 5.7518
S 3 表层 0.1704 -0.3140 -0.3096 3.9879 1.0956 -1.7215 3.2427 1.6728 -3.6691
底层 0.2520 -0.3915 0.1549 -3.1976 -0.1083 -0.0996 -1.0885 0.9904 0.6037
15第 4 期　　　黄伟建等:大鹏湾春季海水理化因素与拟尖刺菱形藻种群密度的灰色系统模型研究
图 2　大鹏湾 3 个站位 6 个层次的拟尖刺菱形藻种群密度的实际值和计算值比较
Fig.2　Comparison of calculated and sampled values of P.pungens on surfaces and bottoms
of three stations in Dapeng Bay
16　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　环　境　科　学　　　　　　　　　　　　　　　第 20卷
3　结　论
(1)由于浮游动物以拟尖刺菱形藻为饵
料 ,当浮游动物密度增大时 ,拟尖刺菱形藻的
种群密度会下降 ,反之亦然。因此对拟尖刺菱
形藻的种群密度影响最大 ,所以关联序结果列
第一位是合理的 。
(2)Fe对拟尖刺菱形藻的种群密度影响
排第二位。尽管拟尖刺菱形藻并不直接吸收
Fe因子 ,但它具有激活藻类酶的作用 。该结
论应进一步得到实验室的验证 。
(3)浊度对拟尖刺菱形藻的影响度排列
第三。说明海水的清洁度对拟尖刺菱形藻的
种群密度有着重要的影响。这是因为浊度反
映了海水的透明度 ,它直接影响到拟尖刺菱形
藻的光合作用。
(4)Mn 、V 和 Se 分列第四 、五和七位 。
它们的作用与 Fe 相同。DO 排第六位 。pH 、
盐度和温度各排第八 、九和十位。而 Mo 、
NO3
-、NO2- 、Si和 PO43-对拟尖刺菱形藻的
影响度相对较弱 。
(5)从图 2可以看出 , 3个站位表底层的
6个 GM 模型值与测量值较相吻合 ,说明模型
系统辩识的有效性。研究还表明:在模型中涉
及的相关因素(即变量个数)增多时 ,能提高模
型值的吻合度 ,从而提高模型的预测精度 ,为
建立赤潮预报 、预测的预警系统打下基础 。
参考文献:
[ 1] 　黄伟建 ,齐雨藻.大鹏湾海水要素与反曲原甲藻增殖
的灰关联模型[ J] .海洋环境科学 , 1999 , 18(1):45-49.
[ 2] 　黄伟建 ,齐雨藻 ,黄长江.大鹏湾海水理化因子与浮游
动物数量的关系[ J] .海洋与湖沼 , 1998 , 29(3):293-
296.
[ 3] 　黄伟建 ,齐雨藻 ,阮志峰.大鹏湾生态因子回关联分析
[ J] .生态科学 , 1997 , 16(1):34-39.
[ 4] 　黄伟建 ,齐雨藻 ,韩博平.大鹏湾海水理化因子与夜光
藻增殖的灰关联模型[ J] .应用与环境生态学报 , 1996 ,
2(2):115-118.
[ 5] 　黄贯虹 ,郭远琼 ,黄伟建.大鹏湾反曲原甲藻种群变化
率动态模型研究[ J] .生态学杂志 , 1998 , 17(2):7-11.
[ 6] 　邓聚龙.灰色控制系统[ M] .武汉:华中理工大学出版
社 , 1985.
[ 7] 　傅　立.灰色系统理论及其应用[ M] .北京:科学技术
文献出版社 , 1992.
17第 4 期　　　黄伟建等:大鹏湾春季海水理化因素与拟尖刺菱形藻种群密度的灰色系统模型研究