天津近岸海域海水富营养化评价及其主成分分析

2015-03-22褚帆刘宪斌刘占广刘新蕾张文亮刘畅

海洋通报 2015年1期

褚帆，刘宪斌，刘占广，刘新蕾，张文亮，刘畅

（1.天津科技大学天津市海洋资源与化学重点实验室，天津 300457；2.渤海海洋监测监视管理基地筹备处，天津 300457；3.国家海洋信息中心，天津 300171）

渤海是我国唯一半封闭型陆架边缘海，三面环陆，水深较浅。环渤海地区是我国北方经济活动的中心之一，渤海也是受沿岸人为活动影响最为明显、污染最严重的海域之一，入海河流逐渐成为渤海近岸海域的主要污染源（王琪等，2009；Grimvall et al，2000；刘琼琼等，2013）。

富营养化是指在一定的水体范围内，水体随着营养物质的增加而导致营养状况发生变化的过程（Meyer-Reil et al，2000）。目前，已有许多学者（秦昌波等，2006；Lundberg et al，2005）提出了对海水富营养化评价的方法，如模糊综合评价法、主成分-因子分析法、营养指数评价法、集对分析方法和灰色关联度评价法等。刘芸等（2014）针对渤海海水水质年际变化情况进行了调查分析；孙元敏等（2010）和张继民等（2008）分别针对南亚热带海岛和黄河口附近海域进行了富营养化评价。而对天津渤海湾海域水质富营养化主要驱动因子进行分析的文章却鲜见报道。

本研究通过对天津主要河流入海口周围近岸海域的海水水质因子进行采样调查，运用营养状态质量指数（Nutrient Quality Index，NQI）和富营养化指数法（Eutrophication Index Method，EI）对天津近岸海域的富营养化现状进行了评价，并用主成分分析法（Principal Component Analysis）得出影响海水富营养化的主要驱动因子，为控制该区域海水富营养化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查时间和区域

于2013年7月对天津主要入海河流（永定新河、海河、独流减河、子牙新河）入海口周围海域海水进行采样，采样站位的坐标范围为117.5°E-118.2°E、38.5°N-39.2°N，站位分布如图1 所示。样品采集、贮存与运输等按照《海洋监测规范》（GB17378-2007）和《海洋调查规范》（GB/T 12763-2007）等要求进行。

1.2 水质因子调查

本次调查的海水水质因子包括盐度、叶绿素a（Chl-a）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（CODMn）、铵氮（NH4-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、活性磷酸盐（PO4-P）和水温等10 个。监测方法按照《海洋监测规范》（GB17378-2007）进行。

1.3 评价与分析方法

1.3.1 营养状态质量指数法

营养状态质量指数法（NQI）（陈于望等，1999；边佳胤等，2013）是目前我国使用较多的评价方法，计算公式如下：

式中，CCOD、CDIN、CPO4-P、Chl-a 分别为海水CODMn、无机氮、活性磷酸盐、叶绿素a 的监测浓度；C′COD、C′DIN、C′PO4-P、Chl-a′ 分别为3.0 mg/L、0.3 mg/L、0.03 mg/L、5 mg/m3。

图1 调查站位示意图

根据营养质量指数值将海域营养水平划分为三级：NQI ≤2 时，营养等级为Ⅰ级，为贫营养化状态；2 ＜NQI ≤3 时，营养等级为Ⅱ级，为中等营养化状态；NQI ＞3 时，营养等级为Ⅲ级，为富营养化状态（郭卫东等，1998）。

1.3.2 富营养化指数法

目前，国内较常用富营养化指数法（EI）（邹景忠等，1983；于春燕等，2013）对海水水质进行分析评价，以便于与我国其它海域进行比较，公式如下：

式中，EI 为富营养化指数，CODMn为化学需氧量，DIN 为无机氮（NO2-N、NO3-N 和NH4-N 的总和），DIP 为无机磷。EI ≥1 时，海水达到富营养化，富营养化程度随EI 值增高而增高：其中1 ≤EI ≤3 为轻度富营养化，3 ＜EI ≤9 为中度富营养化，EI ＞9 为重度富营养化（国家海洋局，2013）。

1.3.3 富营养化驱动因子的主成分分析

利用统计分析软件SPSS 19.0 对海水水质进行主成分分析，对结果进行KMO 检验以及Bartlett球形检验。当KMO 检验数大于0.6，Bartlett 球形检验显著性概率P 小于0.05 时，该组因子间相互独立，可以进行主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 海水水质现状

海水水质因子监测结果如图2。站位间水质变化趋势几乎一致，调查海域约80.95%站位的无机氮和61.90 %站位的活性磷酸盐为劣四类海水水质，这些站位几乎均位于入海口周围海域。

对不同海域海水水质因子对比见表1，与国内其它海域相比，本研究海域的水质污染水平高于江苏、厦门、广西等地近岸海域。对天津近岸海域年度水质变化进行比较（表2），可以看出水质有污染加剧的趋势（阚文静等，2013；尹翠玲等，2014），由于本文调查海域靠近河流入海口，污染较其它海域严重。

2.2 营养状态质量指数评价

运用营养状态质量指数法对海水水质进行评价，NQI 值为2.54～12.26，均值是5.83。由图3 可知，NQI 值由北塘入海口和子牙新河入海口向远岸逐渐递减，71.43 %站位海域达到富营养化水平。本研究结果与曹佳莲等（2007）结果一致，主要是受海水的旋转流和往复流影响，营养盐从近岸入海口处向远岸扩散。

2.3 富营养化指数评价法

运用富营养化指数评价法对海水水质进行评价，结果发现调查海域95.24%的站位处于重度富营养化状态。如图4 可以看出，EI 由北塘入海口和子牙新河入海口向远岸海域逐渐变低。指数大于50 的站位分布于永定新河、海河以及子牙新河入海口周围海域。

由图3、4 可以得出，营养状态指数评价和富营养化状态指数评价分析结果一致，均是在北塘入海口周围海域污染较为严重，其次为子牙新河入海口周围海域。2013年中国海洋环境状况公报（国家海洋局，2013）显示，该区调查站位海水水质状况为四类或劣四类。刘学海（2010）对塘沽-北塘-汉沽近岸海域进行调查，认为北塘入海口与子牙新河入海口水质均严重超标。朱文俊等（2013）对永定新河河口周围海域水质监测结果表明永定新河河口附近的近岸海域有些站点达到重度污染等级。上述与本文调查结果一致。

2.4 主成分分析结果

对叶绿素a（Chl-a）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（CODMn）、铵氮（NH4-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、活性磷酸盐（PO4-P）和水温等9 个因子进行主成分分析。本次调查中监测数据的KMO 统计量为 0.611，Bartlett 球形检验相伴概率为0.000，可以对导致海水富营养化的成因进行主成分分析。提取出主成分1 和2，方差贡献率分别为56.06%和37.58%，累计贡献率为93.64%。

这2 个主成分的变量载荷见表3。由表中可以看出主成分1 中CODMn、铵氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮和水温占的载荷较大，说明第一主成分反映的信息主要是温度、氮营养盐以及CODMn，营养盐促进海洋浮游植物生长，CODMn代表的是水体中有机物，有机物含量高也会直接促进海洋浮游植物繁殖，而适宜的水温是促进其生长的重要条件；主成分2 中叶绿素a 占的载荷较大，叶绿素a 指标间接反映了海域的浮游植物量。

图2 水质因子：（A） CODMn、（B）无机氮、（C）总氮、（D）总磷、（E）活性磷酸盐和（F）叶绿素a

表1 国内不同海域水质参数比较

表2 天津近岸海域海水水质参数年际变化

图3 营养状态质量指数平面分布

对各水质参数与主成分相关系数进行分析得出水体富营养化的主、次要驱动因子（表4）。可以看出总氮与主成分1 的相关系数最高，为影响该海域海水富营养化的主要驱动因子。总磷与主成分2的相关系数最高，为影响该海域海水富营养化的次要驱动因子。盐度与主成分1 相关性为-0.910，呈明显负相关性，说明盐度与营养盐具有一定相关性，盐度低的海域即入海口处海水富营养化程度相对较高，可能入海河流带来的营养盐含量较高，对近岸海水富营养化造成影响。

图4 富营养化指数平面分布

表3 主成分分析结果

周斌等（2010）对山东半岛南部近岸海域海水水质进行评价，总无机氮是影响海水富营养化的主要驱动因子，与本文的富营养化驱动因子为总氮的结论一致。2013年上半年天津市海洋环境质量状况报告（天津市海洋局，2013）指出5月份永定新河、蓟运河和潮白新河的水质均劣于第Ⅴ类地表水水质标准，说明可能由于入海径流对入海口海水的盐度进行了稀释，且其携带的营养盐对海水富营养化造成了较大影响。此结果与Redfield A C（1958）研究一致，盐度作为影响海水富营养化的主要的物理因子，对海域富营养化状况有着重要的影响。总之，天津近岸海域的海水富营养化是由各种因素共同作用的结果，而入海河流携带的营养盐为影响富营养化状况的最主要因素。

表4 各水质参数与主成分的相关性分析

3 结论

（1）调查海域80.95%的站位无机氮以及61.90%的站位活性磷酸盐为劣四类海水水质，主要位于入海口周围海域。

（2）营养状态质量指数评价与富营养化指数评价的结果趋势相近，在北塘入海口周围海域指数值最高，其次为子牙新河和海河周围海域。

（3）主成分分析结果表明，影响调查海域富营养化的驱动因子为总氮和总磷；而盐度与主成分因子呈显著负相关性，盐度低的区域海水富营养化程度高，原因是入海河流水质超标，引起海水富营养化。

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