秦皇島海域營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a的特征多元分析

楊雯　李微微

摘要：根據(jù)2019年4—10月對(duì)秦皇島海域水質(zhì)要素和葉綠素a的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a的季節(jié)性變化，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性和逐步回歸分析，找出與葉綠素a顯著相關(guān)的環(huán)境因子，建立多元線性回歸方程。結(jié)果表明，秦皇島海域營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a具有季節(jié)性變化，夏季氮高磷低海域存在明顯的磷限制，而夏季水溫、光照適宜，浮游植物生長(zhǎng)迅速，葉綠素a濃度約為春、秋季節(jié)的3倍。運(yùn)用多元分析手段分析環(huán)境因子與葉綠素a之間的復(fù)雜關(guān)系，得出結(jié)論：影響葉綠素a含量的主要環(huán)境因子為pH值、水溫、溶解氧，其中水溫的影響最大。

關(guān)鍵詞：秦皇島;營(yíng)養(yǎng)鹽;葉綠素a;相關(guān)分析

海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽是影響海洋動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的重要影響因素，其濃度變化會(huì)影響海洋生物種群結(jié)構(gòu)[1]。水體中N、P營(yíng)養(yǎng)鹽含量過高會(huì)造成水質(zhì)惡化，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，甚至發(fā)生赤潮，給海洋整體環(huán)境造成極大危害[2-3]。N、P、Si又是海洋生物所需的基本營(yíng)養(yǎng)元素，若缺乏任一種營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)成為該水域的限制因素，葉綠素a是海洋浮游植物表征藻類現(xiàn)存量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[4-6]。秦皇島市位于渤海峽灣，海洋岸線全長(zhǎng)約162.7 km，公共浴場(chǎng)、旅游勝地眾多，沿海物產(chǎn)豐富，研究海洋營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a的水體環(huán)境特征及富營(yíng)養(yǎng)化情況科學(xué)意義重大[7]。

1調(diào)查方法

1.1調(diào)查區(qū)域與時(shí)間

調(diào)查區(qū)域?yàn)?9.84°—39.91°N，119.53°—119.67°E，秦皇島近岸海域，在2019年的4—10月份分別對(duì)秦皇島附近海域布設(shè)的15個(gè)站位表層水質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查，具體調(diào)查站位分布詳見圖1。

1.2調(diào)查要素及測(cè)定方法

調(diào)查水質(zhì)要素包括水溫、pH值、鹽度、濁度、溶解氧、化學(xué)需氧量、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽、活性硅酸鹽和葉綠素a。監(jiān)測(cè)要素樣品按GB 17378-2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[8]中的方法進(jìn)行采集、處理、保存、運(yùn)輸及分析。使用有機(jī)玻璃采水器在各站位采集水樣，水樣采表層（水面下0.5 m），樣品按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第四部分：海水分析（GB 17378.4-2007）[9]測(cè)定，檢測(cè)項(xiàng)目包括pH值、鹽度、溶解氧（DO）、活性磷酸鹽（PO-P即DIP）、三氮之和即DIN，包括硝酸氮（NO-N）、亞硝酸氮（NO-N）和銨氮（NH-N）、活性硅酸鹽（SiO-Si）和葉綠素a（Chl-a），測(cè)定方法分別采用pH計(jì)法、鹽度計(jì)法、碘量法、磷鉬藍(lán)分光光度法、鋅-鎘還原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法、硅鉬黃法、可見分光光度法，水溫和濁度分別采用水溫計(jì)和濁度計(jì)測(cè)定。

利用SPSS Statistics 23.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)各環(huán)境因子（表層水溫、鹽度、pH值、DO、NH-N、NO-N、NO-N、DIN、PO-P、SiO-Si、N/P）和葉綠素a進(jìn)行相關(guān)分析，并計(jì)算葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸方程。

2結(jié)果與分析

2.1水文要素分析

由圖2可知，2019年秦皇島海域監(jiān)測(cè)區(qū)域平均水溫最低值為6.8 ℃，出現(xiàn)在4月，最高值為30.0 ℃，出現(xiàn)在8月。水溫的季節(jié)性變化比較明顯，8月上旬之前水溫一直升高，然后逐漸下降。圖3顯示，秦皇島近岸監(jiān)測(cè)海域濁度最低值在7月為2.9度，最高值為10.8度，出現(xiàn)在6月。6月水溫明顯升高，受微型藻類影響水色略變差濁度升高，但持續(xù)時(shí)間較短，整體來看濁度狀況良好。

2.2水質(zhì)單要素分析

圖4—圖7為水質(zhì)各監(jiān)測(cè)要素在2019年4月至10月平均值的變化曲線。pH值平均值最低在9月，為7.92，最高值為8.20，出現(xiàn)在4月份，pH值在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。鹽度均值最低值在8月，為29.485‰;最高值在4月，為32.578‰，鹽度變化大致呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，僅在8月份鹽度值驟然降低，與夏季降水量增多等因素有關(guān)。DO均值最低值在9月，為7.81 mg/L;最高值出現(xiàn)在4月，為11.0 mg/L，監(jiān)測(cè)結(jié)果看，水體中DO含量較高，氧含量豐富。DIN濃度最低均值出現(xiàn)在7月，為0.070 9 mg/L;在8月份最高，為0.220 mg/L，按國(guó)家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 3097—1997）[10]中海水水質(zhì)DIN含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，8月份略超第一類海水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其他月份均在第一類海水標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。DIP濃度有先下降后升高的趨勢(shì)，7月份濃度平均值最低，為0.003 47 mg/L;最高值在10月份，為0.0145 mg/L，各月份濃度值波動(dòng)較大，均符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。葉綠素a濃度值先上升后下降，6—8月濃度值相對(duì)較高，葉綠素a濃度最低，為1.19 μg/L，出現(xiàn)在10月;最高值在8月份，為9.43 μg/L?；钚怨杷猁}在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)變化，最低均值出現(xiàn)在7月，為0.350 mg/L;最高值出現(xiàn)在10月，為1.12 mg/L。

3討論

3.1營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a狀況分析

將監(jiān)測(cè)月份按季節(jié)進(jìn)行劃分，4—5月為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季，溫度呈季節(jié)性變化，主要要素參數(shù)值見表1。在春季DIN濃度平均值為0.134 mg/L，濃度變化差異性較小。在夏季DIN濃度范圍0.041 3～0.810 mg/L，平均值為0.128 mg/L，8月份10站位DIN濃度偏高，該站位鄰近湯河口且8月降水量較多，陸源輸入是影響DIN濃度的主要因素。在秋季DIN濃度范圍0.062 9～0.227 mg/L，平均值為0.136 mg/L，DIN濃度均值變化較為平穩(wěn)。

在春季DIP濃度范圍0.004 50～0.029 8 mg/L，平均值為0.011 5 mg/L。在秋季DIP濃度范圍0.003 47～0.025 5 mg/L，平均值為0.011 4 mg/L。在夏季DIP濃度范圍0.001 75～0.039 4 mg/L，平均值為0.005 23 mg/L，相比較春季和秋季DIP濃度值，夏季DIP濃度變化范圍較為平穩(wěn)且相對(duì)較低，分析原因可能是夏季浮游植物大量生長(zhǎng)，消耗了水體中的DIP，致使DIP濃度降低。

在春季SiO-Si濃度范圍0.088 8～1.05 mg/L，平均值為0.577 mg/L，在夏季SiO-Si濃度范圍0.154～3.83 mg/L，平均值為0.746 mg/L，在秋季SiO-Si濃度范圍0.271～1.59 mg/L，平均值為0.736 mg/L。SiO-Si濃度值季節(jié)性變化不顯著，夏季SiO₃-Si濃度相對(duì)春季、秋季略高。

春季葉綠素a濃度范圍0.709～4.61 μg/L，平均值為2.32 μg/L，夏季葉綠素a濃度范圍1.46～26.8 μg/L，平均值為8.18 μg/L，秋季葉綠素a濃度范圍0.626～8.35 μg/L，平均值為2.43 μg/L。葉綠素a濃度值季節(jié)性變化顯著，夏季葉綠素a濃度約為春季、秋季的3倍以上。

Justic等[11]和Dortch等[12]通過營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物的影響，提出了判定營(yíng)養(yǎng)鹽限制性情況的方法：（a）Si/P>22和N/P>22，DIP為限制因子;（b）Si/N>1和N/P<10，DIN為限制因子;（c）Si/P<10和Si/N<1，SiO-Si為限制因子。春季、夏季和秋季的N/P均值分別為15.0、33.2、14.8，Si/N均值分別為4.63、7.45、5.14，Si/P均值分別為59.8、183、71.2。由此判斷分析，秦皇島海域主要以P限制為主，其次是N限制，夏季N/P和Si/P均值較高，DIP濃度較低，而葉綠素a的濃度較春季和秋季略高，可能與營(yíng)養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)有關(guān)，N營(yíng)養(yǎng)過剩和P營(yíng)養(yǎng)不足，存在明顯的P限制。

3.2環(huán)境因子與葉綠素a的多元分析

3.2.1環(huán)境因子與葉綠素a的相關(guān)分析

海水的各項(xiàng)環(huán)境因子對(duì)葉綠素a濃度有著直接或間接的影響[13]。一般情況下浮游植物的生長(zhǎng)受到營(yíng)養(yǎng)鹽、光照、水溫、海洋動(dòng)力過程等環(huán)境因素的影響[14]。對(duì)春、夏、秋3個(gè)季節(jié)和全年的環(huán)境因子與葉綠素a分別進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），春季葉綠素a與鹽度呈極顯著負(fù)相關(guān);夏季與水溫呈極顯著正相關(guān)，與溶解氧呈顯著正相關(guān)，與無機(jī)氮呈顯著負(fù)相關(guān);秋季與各環(huán)境因子相關(guān)性不顯著;整體上，葉綠素a與水溫呈極顯著正相關(guān)，與DIN、DIP呈現(xiàn)顯著和極顯著負(fù)相關(guān)但相關(guān)性程度不高。

營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a之間的關(guān)系較為復(fù)雜，海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽是浮游植物生長(zhǎng)的必要條件，其含量的變化可以影響浮游植物數(shù)量及種類的變化。夏季降雨量大導(dǎo)致陸源輸入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，而浮游植物一般以一定的比例（Redfield比[15]16∶1）從海水中吸收N、P元素，夏季高濃度的N使N/P嚴(yán)重偏離Redfield比，浮游植物的生長(zhǎng)受到了限制。夏季氣溫、光照條件適宜，有利于浮游植物的生長(zhǎng)，該季節(jié)葉綠素a濃度約為春季、秋季的3倍，浮游植物生長(zhǎng)旺盛在短期內(nèi)消耗了大量的營(yíng)養(yǎng)鹽。總體上看，調(diào)查海域營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a之間的相關(guān)性不顯著。

3.2.2環(huán)境因子與葉綠素a的逐步回歸分析

隨著季節(jié)的變化，葉綠素a與環(huán)境因子之間存在著不同的關(guān)系，現(xiàn)采用全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用逐步回歸的方法篩選出相對(duì)較為重要的因子[13]，建立多元線性回歸方程。秦皇島海域葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸分析結(jié)果如下：

Chl-a=-0.092+0.009×pH+0.001×T+0.001×DO

式中：Chl-a為葉綠素a，mg/L;pH為pH值;T為水溫，℃;DO為溶解氧，mg/L。

方程通過顯著性（P<0.05）和數(shù)據(jù)獨(dú)立性檢驗(yàn)（D-W=2.051），復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.571，校正后為0.554，模型對(duì)因變量的解釋度較好，且所有自變量的容錯(cuò)度大于0.6，各自變量之間的共線性程度很低。由上述方程得出在調(diào)查海域影響葉綠素a的主要因子是pH值、水溫、DO。pH值主要由海水中CO的含量決定[16]，DO、CO為浮游植物的生長(zhǎng)提供了必不可少的原料，水溫影響到浮游植物繁殖需要的熱量[17]。3個(gè)自變量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.253、0.745、0.292，表明水溫對(duì)葉綠素a的影響最大。整體來看，營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)葉綠素a的影響不大。

4結(jié)論

秦皇島海域營(yíng)養(yǎng)鹽變化受陸源徑流輸入和浮游植物生長(zhǎng)影響，夏季無機(jī)氮部分站位超一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);受浮游植物大量生長(zhǎng)影響，活性磷酸鹽短期內(nèi)被大量消耗，夏季活性磷酸鹽含量較低;硅酸鹽季節(jié)性變化不顯著。

4—10月連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，葉綠素a季節(jié)性變化顯著，春、秋季節(jié)含量基本持平，夏季含量較高約為春、秋季節(jié)的3倍。

運(yùn)用多元分析手段分析環(huán)境因子與葉綠素a之間的復(fù)雜關(guān)系，建立了具有較好解釋度的多元線性模型，得出影響葉綠素a含量的主要環(huán)境因子為pH值、水溫、溶解氧，其中水溫的影響最大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李肖娜.河流輸送和沉積物-水界面交換對(duì)東、黃海營(yíng)養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2004.

[2] 陳永根，劉偉龍，韓紅娟，等.太湖水體葉綠素a含量與氮磷濃度的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（12） ：2062-2068.

[3] BRICKER S B，F(xiàn)ERREIRA J G，SIMAS T.An integrated methodology for assessment of estuarine trophic status[J].Ecological Modelling，2003，169（1）： 239-260.

[4] 付春平，鐘成華，鄧春光.水體富營(yíng)養(yǎng)化成因分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（1） ：128-131.

[5] 高玉榮.北京四海浮游藻類葉綠素含量與水體營(yíng)養(yǎng)水平的研究[J].水生生物學(xué)報(bào)，1992，16（3） ：237-244.

[6] YIN K D，QIAN P Y，WU M C S，et al.Shift from P to N limitation of phytoplankton growth across the Pearl River estuarine plume during summer[J].Marine Ecology Progress Series，2001，221：17-28.

[7] 張建樂，王全穎，張永豐，等.秦皇島海域褐潮生消過程中營(yíng)養(yǎng)鹽特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2020，31（1）：282-292.

[8] 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心.海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范：第三部分 樣品采集、儲(chǔ)存與運(yùn)輸：GB 17378.3-2007[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007：2-7.

[9] 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心.海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范：第四部分 海水分析：GB 17378.4—2007[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007：57-117.

[10] 國(guó)家海洋局.海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 3097-1997[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997：16.

[11] JUSTID，RABALAIS N N，TURNER R E.Stoichiometric nutrient balance and origin of coastal eutrophication[J]. Marine Pollution Bulletin，1995，30（1）：41-46.

[12] DORTCH Q，PACKARD T T.Differences in biomass structure between oligotrophic and eutrophic marine ecosystems[J].Deep Sea Research Part A Oceanographic Research Papers，1989，36（2）： 223-240.

[13] 呂煥春，王志飛，陳英旭，等.千島湖水體葉綠素a與相關(guān)環(huán)境因子的多元分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003（8）：1347-1350.

[14] 施玉珍，趙輝，王喜達(dá)，等.珠江口海域營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a的時(shí)空分布特征[J].廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（1）：56-65.

[15] REDFIELD A C，KETCHUM B H，RICHARDS F A.The influence of organisms on the composition of seawater[M]//.Sea.New York：Interscience Publishers，1963，26-77.

[16] 馮士筰，李鳳岐，李少菁.海洋科學(xué)導(dǎo)論[M].北京：高等教育出版社，2003：125～126.

[17] 徐效軍，張鷹，劉吉堂，等.海州灣葉綠素a 與水環(huán)境因子的多元分析[J].水利漁業(yè)，2007，27（2）：79-81.