天津近岸海域海水富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)及其主成分分析

褚帆， 劉憲斌，劉占廣， 劉新蕾，張文亮，劉暢

（1.天津科技大學(xué) 天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；2.渤海海洋監(jiān)測監(jiān)視管理基地籌備處，天津 300457；3.國家海洋信息中心，天津 300171）

渤海是我國唯一半封閉型陸架邊緣海，三面環(huán)陸，水深較淺。環(huán)渤海地區(qū)是我國北方經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的中心之一，渤海也是受沿岸人為活動(dòng)影響最為明顯、污染最嚴(yán)重的海域之一，入海河流逐漸成為渤海近岸海域的主要污染源（王琪等，2009；Grimvall et al，2000；劉瓊瓊 等，2013）。

富營養(yǎng)化是指在一定的水體范圍內(nèi)，水體隨著營養(yǎng)物質(zhì)的增加而導(dǎo)致營養(yǎng)狀況發(fā)生變化的過程（Meyer-Reil et al，2000）。目前，已有許多學(xué)者（秦昌波 等，2006；Lundberg et al，2005） 提出了對(duì)海水富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)的方法，如模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分-因子分析法、營養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析方法和灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法等。劉蕓等（2014） 針對(duì)渤海海水水質(zhì)年際變化情況進(jìn)行了調(diào)查分析；孫元敏等（2010） 和張繼民等（2008） 分別針對(duì)南亞熱帶海島和黃河口附近海域進(jìn)行了富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)。而對(duì)天津渤海灣海域水質(zhì)富營養(yǎng)化主要驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析的文章卻鮮見報(bào)道。

本研究通過對(duì)天津主要河流入?？谥車逗Ｓ虻暮Ｋ|(zhì)因子進(jìn)行采樣調(diào)查，運(yùn)用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)（Nutrient Quality Index，NQI） 和富營養(yǎng)化指數(shù)法（Eutrophication Index Method，EI） 對(duì)天津近岸海域的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并用主成分分析法（Principal Component Analysis） 得出影響海水富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子，為控制該區(qū)域海水富營養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查時(shí)間和區(qū)域

于2013年7月對(duì)天津主要入海河流（永定新河、海河、獨(dú)流減河、子牙新河） 入?？谥車Ｓ蚝ＫM(jìn)行采樣，采樣站位的坐標(biāo)范圍為117.5°E-118.2°E、38.5°N-39.2°N，站位分布如圖1 所示。樣品采集、貯存與運(yùn)輸?shù)劝凑铡逗Ｑ蟊O(jiān)測規(guī)范》（GB17378-2007） 和《海洋調(diào)查規(guī)范》 （GB/T 12763-2007） 等要求進(jìn)行。

1.2 水質(zhì)因子調(diào)查

本次調(diào)查的海水水質(zhì)因子包括鹽度、葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODMn）、銨氮（NH4-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、活性磷酸鹽（PO4-P） 和水溫等10 個(gè)。監(jiān)測方法按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378-2007） 進(jìn)行。

1.3 評(píng)價(jià)與分析方法

1.3.1 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法

營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法（NQI） （陳于望 等，1999；邊佳胤等，2013） 是目前我國使用較多的評(píng)價(jià)方法，計(jì)算公式如下：

式中，CCOD、CDIN、CPO4-P、Chl-a 分別為海水CODMn、無機(jī)氮、活性磷酸鹽、葉綠素a 的監(jiān)測濃度；C′COD、C′DIN、C′PO4-P、Chl-a′ 分別為3.0 mg/L、0.3 mg/L、0.03 mg/L、5 mg/m3。

圖1 調(diào)查站位示意圖

根據(jù)營養(yǎng)質(zhì)量指數(shù)值將海域營養(yǎng)水平劃分為三級(jí)：NQI ≤2 時(shí)，營養(yǎng)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，為貧營養(yǎng)化狀態(tài)；2 ＜NQI ≤3 時(shí)，營養(yǎng)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，為中等營養(yǎng)化狀態(tài)；NQI ＞3 時(shí)，營養(yǎng)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，為富營養(yǎng)化狀態(tài)（郭衛(wèi)東等，1998）。

1.3.2 富營養(yǎng)化指數(shù)法

目前，國內(nèi)較常用富營養(yǎng)化指數(shù)法（EI） （鄒景忠等，1983；于春燕等，2013） 對(duì)海水水質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以便于與我國其它海域進(jìn)行比較，公式如下：

式中，EI 為富營養(yǎng)化指數(shù)，CODMn為化學(xué)需氧量，DIN 為無機(jī)氮（NO2-N、NO3-N 和NH4-N 的總和），DIP 為無機(jī)磷。EI ≥1 時(shí)，海水達(dá)到富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化程度隨EI 值增高而增高：其中1 ≤EI ≤3 為輕度富營養(yǎng)化，3 ＜EI ≤9 為中度富營養(yǎng)化，EI ＞9 為重度富營養(yǎng)化（國家海洋局，2013）。

1.3.3 富營養(yǎng)化驅(qū)動(dòng)因子的主成分分析

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 19.0 對(duì)海水水質(zhì)進(jìn)行主成分分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行KMO 檢驗(yàn)以及Bartlett球形檢驗(yàn)。當(dāng)KMO 檢驗(yàn)數(shù)大于0.6，Bartlett 球形檢驗(yàn)顯著性概率P 小于0.05 時(shí)，該組因子間相互獨(dú)立，可以進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 海水水質(zhì)現(xiàn)狀

海水水質(zhì)因子監(jiān)測結(jié)果如圖2。站位間水質(zhì)變化趨勢幾乎一致，調(diào)查海域約80.95%站位的無機(jī)氮和61.90 %站位的活性磷酸鹽為劣四類海水水質(zhì)，這些站位幾乎均位于入海口周圍海域。

對(duì)不同海域海水水質(zhì)因子對(duì)比見表1，與國內(nèi)其它海域相比，本研究海域的水質(zhì)污染水平高于江蘇、廈門、廣西等地近岸海域。對(duì)天津近岸海域年度水質(zhì)變化進(jìn)行比較（表2），可以看出水質(zhì)有污染加劇的趨勢（闞文靜等，2013；尹翠玲等，2014），由于本文調(diào)查海域靠近河流入?？冢廴据^其它海域嚴(yán)重。

2.2 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)

運(yùn)用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法對(duì)海水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，NQI 值為2.54～12.26，均值是5.83。由圖3 可知，NQI 值由北塘入?？诤妥友佬潞尤牒？谙蜻h(yuǎn)岸逐漸遞減，71.43 %站位海域達(dá)到富營養(yǎng)化水平。本研究結(jié)果與曹佳蓮等（2007） 結(jié)果一致，主要是受海水的旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流影響，營養(yǎng)鹽從近岸入海口處向遠(yuǎn)岸擴(kuò)散。

2.3 富營養(yǎng)化指數(shù)評(píng)價(jià)法

運(yùn)用富營養(yǎng)化指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)海水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)查海域95.24%的站位處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。如圖4 可以看出，EI 由北塘入海口和子牙新河入?？谙蜻h(yuǎn)岸海域逐漸變低。指數(shù)大于50 的站位分布于永定新河、海河以及子牙新河入海口周圍海域。

由圖3、4 可以得出，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)和富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)分析結(jié)果一致，均是在北塘入海口周圍海域污染較為嚴(yán)重，其次為子牙新河入?？谥車Ｓ颉?013年中國海洋環(huán)境狀況公報(bào)（國家海洋局，2013） 顯示，該區(qū)調(diào)查站位海水水質(zhì)狀況為四類或劣四類。劉學(xué)海（2010） 對(duì)塘沽-北塘-漢沽近岸海域進(jìn)行調(diào)查，認(rèn)為北塘入?？谂c子牙新河入?？谒|(zhì)均嚴(yán)重超標(biāo)。朱文俊等（2013）對(duì)永定新河河口周圍海域水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明永定新河河口附近的近岸海域有些站點(diǎn)達(dá)到重度污染等級(jí)。上述與本文調(diào)查結(jié)果一致。

2.4 主成分分析結(jié)果

對(duì)葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODMn）、銨氮（NH4-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、活性磷酸鹽（PO4-P） 和水溫等9 個(gè)因子進(jìn)行主成分分析。本次調(diào)查中監(jiān)測數(shù)據(jù)的KMO 統(tǒng)計(jì)量為 0.611，Bartlett 球形檢驗(yàn)相伴概率為0.000，可以對(duì)導(dǎo)致海水富營養(yǎng)化的成因進(jìn)行主成分分析。提取出主成分1 和2，方差貢獻(xiàn)率分別為56.06%和37.58%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為93.64%。

這2 個(gè)主成分的變量載荷見表3。由表中可以看出主成分1 中CODMn、銨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮和水溫占的載荷較大，說明第一主成分反映的信息主要是溫度、氮營養(yǎng)鹽以及CODMn，營養(yǎng)鹽促進(jìn)海洋浮游植物生長，CODMn代表的是水體中有機(jī)物，有機(jī)物含量高也會(huì)直接促進(jìn)海洋浮游植物繁殖，而適宜的水溫是促進(jìn)其生長的重要條件；主成分2 中葉綠素a 占的載荷較大，葉綠素a 指標(biāo)間接反映了海域的浮游植物量。

圖2 水質(zhì)因子：（A） CODMn、（B） 無機(jī)氮、（C） 總氮、（D） 總磷、（E） 活性磷酸鹽和（F） 葉綠素a

表1 國內(nèi)不同海域水質(zhì)參數(shù)比較

表2 天津近岸海域海水水質(zhì)參數(shù)年際變化

圖3 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)平面分布

對(duì)各水質(zhì)參數(shù)與主成分相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析得出水體富營養(yǎng)化的主、次要驅(qū)動(dòng)因子（表4）。可以看出總氮與主成分1 的相關(guān)系數(shù)最高，為影響該海域海水富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子。總磷與主成分2的相關(guān)系數(shù)最高，為影響該海域海水富營養(yǎng)化的次要驅(qū)動(dòng)因子。鹽度與主成分1 相關(guān)性為-0.910，呈明顯負(fù)相關(guān)性，說明鹽度與營養(yǎng)鹽具有一定相關(guān)性，鹽度低的海域即入?？谔幒Ｋ粻I養(yǎng)化程度相對(duì)較高，可能入海河流帶來的營養(yǎng)鹽含量較高，對(duì)近岸海水富營養(yǎng)化造成影響。

圖4 富營養(yǎng)化指數(shù)平面分布

表3 主成分分析結(jié)果

周斌等（2010） 對(duì)山東半島南部近岸海域海水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，總無機(jī)氮是影響海水富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子，與本文的富營養(yǎng)化驅(qū)動(dòng)因子為總氮的結(jié)論一致。2013年上半年天津市海洋環(huán)境質(zhì)量狀況報(bào)告（天津市海洋局，2013） 指出5月份永定新河、薊運(yùn)河和潮白新河的水質(zhì)均劣于第Ⅴ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明可能由于入海徑流對(duì)入海口海水的鹽度進(jìn)行了稀釋，且其攜帶的營養(yǎng)鹽對(duì)海水富營養(yǎng)化造成了較大影響。此結(jié)果與Redfield A C（1958）研究一致，鹽度作為影響海水富營養(yǎng)化的主要的物理因子，對(duì)海域富營養(yǎng)化狀況有著重要的影響?？傊?，天津近岸海域的海水富營養(yǎng)化是由各種因素共同作用的結(jié)果，而入海河流攜帶的營養(yǎng)鹽為影響富營養(yǎng)化狀況的最主要因素。

表4 各水質(zhì)參數(shù)與主成分的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

（1） 調(diào)查海域80.95%的站位無機(jī)氮以及61.90%的站位活性磷酸鹽為劣四類海水水質(zhì)，主要位于入?？谥車Ｓ?。

（2） 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)與富營養(yǎng)化指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果趨勢相近，在北塘入?？谥車Ｓ蛑笖?shù)值最高，其次為子牙新河和海河周圍海域。

（3） 主成分分析結(jié)果表明，影響調(diào)查海域富營養(yǎng)化的驅(qū)動(dòng)因子為總氮和總磷；而鹽度與主成分因子呈顯著負(fù)相關(guān)性，鹽度低的區(qū)域海水富營養(yǎng)化程度高，原因是入海河流水質(zhì)超標(biāo)，引起海水富營養(yǎng)化。

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