基于PCA法的春、夏季东山湾海域富营养化特征

姜双城，林培梅，蔡玉婷，郑盛华，蔡建堤，许翠娅，杨妙峰，席英玉，钟硕良*

(1.福建省水产研究所, 福建 厦门 361013；2.厦门市第五中学, 福建 厦门 361000)

基于PCA法的春、夏季东山湾海域富营养化特征

姜双城1，林培梅2，蔡玉婷1，郑盛华1，蔡建堤1，许翠娅1，杨妙峰1，席英玉1，钟硕良*1

(1.福建省水产研究所, 福建 厦门 361013；2.厦门市第五中学, 福建 厦门 361000)

根据2011年5月和8月东山湾及邻近海域的调查结果，选择10个与富营养化有关的参数，包括溶解无机氮(DIN)、溶解硅酸盐(DSi)、活性磷酸盐(SRP)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学耗氧量(COD)、溶解有机碳(DOC)、总有机碳(TOC)、叶绿素a(Chl-a)和浮游植物丰富度(d)等，应用主成分分析(PCA)法对该海域富营养化特征进行研究。主成分分析表明，主成分1(PC1)表征了有机污染、浮游植物和总磷状况；主成分2(PC2)反映了硅和氮营养水平，主成分3(PC3)体现了SRP的特点。春、夏季PC1、PC2、PC3和综合主成分(CPC)的空间分布表明漳江口和八尺门养殖区邻近海域富营养化风险较高；各主成分与盐度的相关分析表明东山湾内富营养化压力主要来自漳江，夏季有所增强；有机污染物和浮游植物可能是控制东山湾海域春、夏季富营养空间分布的主要驱动因素。

富营养化；主成分分析；回归分析；东山湾

0 引言

近岸海域的富营养化是全球海洋面临的最为严重的环境问题之一。通常富营养化定义大多仅强调营养盐富集和浮游植物增长，2004年，美国“国家河口富营养化评价”专家组提出了较为全面的定义——富营养化是营养盐输入的增加而使生产力增加的一个自然过程。近几十年来各种人类活动大大增加了营养盐输入，产生了有毒藻华、溶解氧耗尽、水下植被和底栖生物损失等相互关联的后果，对水质、生态系统健康和人类利用产生负面影响[1]，上述定义全面指出了富营养化产生的负面效应，并提出环境管理需要关注的方向。常用的富营养化定量评价方法包括富营养化阈值法[2-3]、富营养状态指数(E)法[4-6]、营养状态质量指数(NQI)法[7]、水质指数(A)法[8]和浮游植物群落结构指数评价(H′)法[9]等，其使用的环境参数相对单一，仅包含营养盐、有机物污染物、叶绿素a等参数，而富营养化受到气候条件、水文、化学和生物等众多因素影响，单一指标评判很难筛选出海域富营养化的驱动因子。而主成分分析和回归分析等探索性数据分析方法可以将复杂问题简化，排除众多信息中共存的相互重叠的信息，在不至于损失太多原始信息的同时，筛选出其中的关键成分，该方法在河流、湖泊及近海海域水质评估、富营养特性、污染物追踪等环境问题应用研究中，取得良好效果[10-15]。

东山湾位于福建省东南沿海的漳浦县、云霄县和东山县之间，海域总面积283.14 km2，属于潮控型的半封闭海湾，潮流是东山湾最为重要的动力现象之一[16]。东山湾也是福建省海水养殖的重要水域，随着东山湾海域周边工农业和城市化进程的快速发展、人类养殖活动扩大，导致海洋生态系统受到的外来压力日趋加重，海域的富营养化风险加剧。而有关东山湾海域营养盐[17]、浮游植物[18]、叶绿素a[18]含量与分布的研究相对较少，更未见东山湾海域富营养化特性的综合分析。本文采用主成分分析和回归分析方法等探索性数据分析方法，在化学和生物指标中选取对富营养化有重要影响的10个因子：化学需氧量(COD)、叶绿素a(Chl-a)、溶解硅酸盐(DSi)、活性磷酸盐(SRP)、总磷(TP)、溶解无机氮(DIN)、总氮(TN)、浮游植物丰富度(d)、溶解有机碳(DOC)和总有机碳(TOC)，首次对该海域的富营养化特性进行综合分析，研究海域富营养化时空分布特征、富营养化的驱动因素及富营养化的主要影响海域，为该海域富营养化形成机制的探讨提供科学支撑，为海域管理与决策提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

图1 采样站位图

1.2 数据处理方法

选择与富营养化相关的COD、Chl-a、DSi、SRP、TP、DIN、TN、浮游植物丰富度、DOC和TOC等化学和生态参数，采用SPSS 19.0[21]进行主成分和多元回归分析，并运用Surfer 11.0绘制平面分布图。

2 结果与分析

2.1 各参数的季节性变化

从表1可以看出，除了DIN、TN、SRP和TP外，其它参数的春、夏季变化不大。

2.2 主成分分析结果

KMO检验和巴特尔球形检验[21]表明2011年5月和8月东山湾海域所选数据相关系数的矩阵是单位阵，其伴随概率值为0，表明可以进一步分析；KMO统计量为0.639，大于0.6，说明进行主成分分析的效果较好，主成分分析的适用性检验可以通过。根据特征值大于1的原则，提取前3个主成分，可以解释原始10个变量信息的79.15%。根据各主成分的解释方差比例及在不同参数上的载荷可以看出(表2)，主成分1(PC1)可以描述原始变量信息的41.63%，在COD、Chl-a、DOC、TOC和TP上有较高载荷，主要反映了有机污染物、浮游植物的量和TP状况；主成分2(PC2)可以描述原始变量信息的22.44%，在DSi、TN和DIN上有较高载荷，主要反映了硅和氮营养盐状况；主成分3(PC3)可以描述原始变量信息的15.08%，在SRP上有较高载荷，主要反映了SRP的特点。

表1 各参数的季节变化

表2 因子载荷和方差分析表

确定主成分后，对原始10个信息进行综合计算，得到2011年春、夏季各站位的各主成分影响力值(PC)，见表3。由于选取的化学和生物参数均与海域的富营养化相关，因此，PC值可以表征海域受到的富营养化压力，半定量地评估东山湾海域的富营养化风险和海域的生态健康水平。

从表3可以看出，春、夏季的PC值差别较大，说明海域富营养化水平差异较大。春季PC1、PC3和CPC的高值均位于DS03、DS11和DS12站，高值区主要分布在湾顶及湾西部沿岸海域，即漳江口邻近海域和八尺门养殖区邻近海域；而PC2的高值区位于湾口的DS07和DS10站。夏季的PC1、PC2、PC3和CPC的高值区主要出现在DS03、DS11和DS12等站位。

表3 春、夏季各主成分影响力值

注：CPC=λ1×PC1+λ2×PC2+λ3×PC3，其中λ1、λ2和λ3为权重系数，数值分别为0.43、0.31和0.26。

2.3 东山湾盐度和富营养化压力时空分布状况

根据2011年5月和8月表层盐度的调查数据，绘制了春季和夏季的盐度平面分布图(图2)。

从图2中可以看出，盐度的分布整体呈现沿着漳江入海方向，盐度逐渐变大，说明漳江对东山湾的盐度影响较大。夏季盐度为31的水舌锋的位置明显南移，表明夏季漳江对东山湾海域的影响要强于春季。

图2 春、夏季东山湾盐度的空间分布

根据2011年春、夏季东山湾PC1、PC2、PC3和CPC的影响力值，绘制富营养化压力状况分布图(图3)，图中圆圈大小表征海域富营养化的压力大小。

由于PC1表征的是有机污染、浮游植物的量和TP对东山湾富营养化的影响，从图3 a和3 b可知，春、夏季漳江入海口邻近海域和八尺门养殖区毗邻海域PC1较高，说明上述海域的有机物、磷含量和浮游植物含量较高。表明春、夏季漳江径流和八尺门海域的养殖活动对东山湾海域富营养化影响较大。而夏季漳江径流影响有所增强，其富营养化水平从DS11→DS03→DS04→DS05→DS06→DS07站依次减弱，也即沿着漳江入海的方向，其富营养化风险逐渐减弱。

PC2反映的是硅和氮营养盐对东山湾富营养化的影响情况，由图3 c和3 d可知，春季PC2分布呈现湾口区的DS07和DS10站位邻近海域值最高，其次是漳江入海口邻近海域。而夏季PC2的空间分布整体呈现沿着漳江入海的方向，其影响力逐渐减弱。

PC3主要反映SRP对东山湾海域富营养化的影响情况，从图3 e和3 f可知，SRP对漳江入海口邻近海域的影响最大，对八尺门及其毗邻海域鱼类网箱养殖区影响次之。

CPC反映了与富营养化相关的10个因子对东山湾海域的综合影响，从图3 g和3 h可以看出，春季大部分海域的富营养化风险程度差别较大，在漳江入海口邻近海域和八尺门养殖区邻近海域风险相对明显；而夏季漳江径流对海域富营养化影响有所加强，沿着漳江入海的方向，由北向南海域的富营养化风险逐渐降低。图3g和3h的分布趋势分别与图3a和3b的空间分布基本一致，这是因为PC1贡献率达41.63%，占主导地位。由此可见2011年春、夏季东山湾海域富营养化风险最高的区域主要位于漳江入海口和八尺门养殖区邻近海域，说明漳江径流输入和人类养殖活动对东山湾海域生态系统健康影响较大，需要相关的海洋管理部门加强对上述海域的监管，防治可能发生的赤潮生态灾难。

2.4 主成分与盐度的关系

PC1与盐度的回归分析表明(表4)，在5月和8月，PC1与盐度呈显著线性负相关关系，而PC1反映的是有机污染、浮游植物的量和总磷水平，进一步说明漳江径流携带的陆源物质对东山湾富营养化水平影响较大，解释了东山湾PC1空间分布格局的原因。PC2与5月份的海水盐度无相关性，而与8月份的海水盐度呈显著负相关，由于PC2表征东山湾内硅和氮营养化水平，说明5月份的硅和氮可能主要受东山铜缽沥沟排污口输入的高营养污水控制，而8月则主要受漳江输入的控制。春、夏季PC3均与盐度呈显著负相关性，说明湾内的SRP可能主要源于漳江的输入。综上所述，要降低东山湾内富营养水平，需要加强对漳江的治理，尤其要降低排入东山湾内的有机物、氮、磷等富营养化因子的总量，同时合理布局湾内养殖种类以及区域。

表4 春、夏季PC1、PC2、PC3和盐度线性回归分析

2.5 东山湾海域富营养化的关键驱动因子

为了从10个参数中筛选出控制东山湾海域富营养化水平的关键因素，找出驱动因子，本文依据LUNDBERG et al[13]的分析方法，分析了春、夏季各参数与主成分之间的斯皮尔曼相关系数(表5)。根据表5，可以明显看出春季PC1与Chl-a、COD、TOC、SRP和TP的相关系数rs高达0.8以上，分别为0.923、0.895、0.867、0.839和0.811(p<0.01)，因此PC1的主要驱动因子为有机污染物、浮游植物和磷营养盐；PC2与DSi和DIN的相关系数rs分别为0.839和0.727(p<0.01)，说明活性硅酸盐和无机氮是PC2的驱动因子；PC3与DOC的相关系数rs为0.848(p<0.01)，表明PC3的主要驱动因子是溶解有机碳，即溶解有机污染物的特征；综合10个指标的分析结果，2011年春季综合主成分CPC与DOC、TOC和Chl-a的相关系数rs分别为0.925(p<0.01)、0.734(p<0.01)和0.580(p<0.05)，即有机污染物和浮游植物为东山湾富营养化控制因素。

同理分析可知，夏季PC1的主要驱动因子为COD、DOC、Chl-a和TN(相关系数rs分别为0.965、0.872、0.853和0.825，p<0.01)；PC2的主要驱动因子为TP(相关系数rs为0.825，p<0.01)；PC3的主要驱动因子是DOC(相关系数rs为0.960，p<0.01)；综合2011年夏季10个指标的分析结果，影响东山湾海域的主要驱动因子为COD、DOC、Chl-a和TN(相关系数rs分别为0.909、0.900、0.867和0.825，p<0.01)，夏季东山湾富营养化的主要驱动因子为有机污染物、浮游植物和总氮。

表5 春、夏季各参数与主成分间的斯皮尔曼相关系数

注：**表明相关显著性水平p<0.01；*表明相关显著性水平p<0.05；n=12

3 讨论与结论

(1) 除了春季PC2的高值区位于DS07和DS10等站位邻近海域；春、夏季PC1、PC2(夏季)、PC3和CPC的高值区均出现在DS03、DS11和DS12等邻近海域；影响富营养化的因素众多，如水文条件、天气条件、人类活动、农业灌溉、浮游生物等，而本文仅考虑了10个物理、化学和生物因素，从这几个方面进行相关分析表明有机污染物、总氮、SRP和浮游植物可能是控制东山湾海域富营养化状况的关键因素，而有机污染物和浮游植物可能是东山湾海域春、夏季富营养化空间分布的驱动因子。

(2) PC1、PC2(夏季)、PC3和CPC的空间分布整体呈现沿着漳江入海的方向，其富营养化水平逐渐降低，说明漳江径流对研究海域富营养化水平影响较大，尤其是漳江的丰水期(夏季)，且上述各主成分与盐度呈显著负相关性，进一步验证了漳江输入的有机污染物和营养物质是控制东山湾富营养化水平高低的关键因素。

(3) 针对东山湾海域富营养化现状，政府环保部门需要科学布局八尺门海域的养殖种类和养殖面积，同时加强漳江径流区的环境治理，降低其排入东山湾内的有机污染物和营养物质的总量，维持或逐步降低东山湾海域的富营养水平。

致谢 感谢罗冬莲、吴敏芳、陈宇峰、钱小明、吴立峰、许贻斌等同仁在样品采集、数据统计分析中给予的帮助。

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《海洋学研究》征稿简则

(2010年12月修订)

《海洋学研究》是由中国海洋学会、国家海洋局第二海洋研究所和浙江省海洋学会联合主办，由海洋出版社出版的海洋科学综合性学术期刊，创刊于1983年(前身为《东海海洋》)，于2005年第2期起正式更名为现刊名，季刊，大16开本(A4)，国内外公开发行。主要刊登海洋科学领域具有前沿性、原创性、科学性、学术性和探索性的学术论文、研究报道、综合评述以及学术争鸣，以海洋观测、调查数据的科学表达为基础，注重介绍大洋、中国海区以及“两极”地区等全球各海区的最新数据资料和研究成果，侧重报道国家自然科学基金项目、国家重点和专项项目以及国际合作项目的最新研究成果，突出各学科同行关注的国际、国内前沿课题的报道，以及时反映各热点海区、热点研究方向的全面和深入的追踪报道为特色，主要内容包括：海洋水文气象、海洋地质地貌、海洋生物与生态、海洋化学、海洋水产养殖、海洋环境保护、海洋遥感技术、海洋工程技术等。本刊将组织专题并以专集或专栏的形式集中报道相关热点的观测和研究成果，敬请关注本刊各选题内容并欢迎惠稿。

一 来稿要求

1．来稿须选题新颖、方法合理、数据可靠、论点明确、逻辑严密、层次分明、文字精练、结论明确、图表清晰、写作规范；内容应具有前沿性、创新性、科学性、探索性和实用性，反映海洋科学基础研究和应用基础研究领域的最新研究成果和进展。文内主要数据及图表应未曾正式发表(非主要数据或图表若已经发表的，须引入相关的参考文献)。学术论文和研究报告类宜在8 000字左右(包括图表)，研究报道类宜在5 000字左右，专家综合评述以5 000～10 000字为宜。

2．来稿内容须包括：题目、作者姓名及其工作单位、首页地脚处的第一作者简介和资助项目、摘要和关键词、正文、参考文献、致谢(有此内容时)及英文摘要。初投稿时，正文请使用4号宋体字，待审稿通过后，再使用我刊规定的5号宋体字。

(1)题名：须精练简洁、文题相符，一般不超过20字，必要时可加副标题。

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(8)中、外文字母与符号须分清大、小写，正、斜体，上、下角标，黑、白体；上、下角标的字母、字符和符号，其位置高低应区别明显；英文、日文以外的外文以及容易混淆的外文字母、符号，请在第一次出现时用铅笔在纸质文稿中注明。文稿中的量符号，代表量和变动性数字及坐标轴的下标符号，函数，几何图形中表示点、线、面、体的字母，生物学中属以下(含属)的拉丁学名，化学中表示旋光性、分子构型、构像、取代基位置等的符号需用斜体；矢量、张量和矩阵符号用黑斜体。

(9)英文摘要(报道性)可与中文摘要内容不同, 应是全文主要内容的提炼，以便能更为详尽地反映文章内容, 但需同时提供对应的中译文。一般以500～2 000字为宜。英文摘要内容包括：研究地区，研究对象或内容(样品等)和研究方法，以及所得的详细研究结果(主要的数据结果)，研究结论。中、英文摘要内容和相关数据应与正文所得结果一致，在文章正文中没有得到或叙述的数据或结果在英文摘要中不要出现。英文摘要的作者姓名中的中国人名、地名均采用汉语拼音, 姓前名后分写, 姓全大写, 复姓连写; 名的首字母大写, 双名中间加连字符“-”, 音节界限有混淆的可加隔音号“’”。

(10)参考文献著录格式采用顺序编码制，只列出作者阅读过的且本文引用的最主要的公开发表的文献，参考文献按文中出现先后顺序连续编号，并将序码用方括号加阿拉伯数字形式列于行文中右上角处，在正文参考文献处用序号编码加方括号形式按引用顺序排列，要使正文中的参考文献序号与文末的参考文献序号一致。引文如是写作者，序号应置于作者姓名的右上方；如引用文献序号作为文句中的组成部分，则不作角标标示；如文献未写作者姓名，其序号应置于引文中适当位置的右上方。文末的中文参考文献需要中英文对照，须英文在先，中文紧排其后，且须按原发期刊英文形式标注(即从被引原稿英文摘要处摘引，包括中文文献中的英文作者姓名、英文题目、英文期刊名等)，原发刊物不含英文题目的，请注意正确翻译。未公开发表的资料或写作成果，应征得有关方面同意，在文中引用处右上角用圆圈加阿拉伯数字顺序标出，并在当页下脚处列出引用文章的作者名、文章名、编制年和起止页码。参考文献(包括脚注处的未公开发表资料和成果)全部作者均应姓前名后著录。西文文献中的作者姓名, 全大写，姓在前, 名缩写并省略缩写点; 东方人名的英文均用全称, 不能缩写，姓全大写，名首字母大写，其它小写。文献中的外文书名、文集名中的实词第一个字母均大写；文集和连续出版物中的题目，除篇首第一个字母、地名、专有名词大写外，其余均小写。不同文献类型以字母方式标识，如：期刊[J]，专著[M]，论文集[C]，学位论文[D]，专利[P]，标准[S]，报告[R]，汇编[G]，报纸[N]，其它[Z]等。著录格式如下：

期刊：[序号] 作者姓名(不超过3人全部写出，超过者只写前3名，后加“等”或“et al”，作者之间加逗号)．题名[J]．刊名，出版年，卷(期)：起止页码．

专著：[序号]作者姓名．书名[M]．版本(第1版略)．出版地：出版者，出版年：本文参考起止页码．

论文集：[序号]作者姓名．析出文章题名[C]∥编著者．论文集名．出版地：出版者，出版年：起止页码．

学位论文：[序号]作者姓名．题名[D]．保存地点：保存单位，年份．

专利文献：[序号]专利申请者或所有者．题名：专利国别，专利号[P]．公告日期．

国际、国家标准：[序号]标准编号 标准名称[S]．

电子文献：[序号] 主要责任者．题名：其它题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地：出版者，出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径．

各种未定义类型的文献：[序号] 主要责任者．文献题名[Z]．出版地：出版者，出版年．

二 来稿约定

1．来稿请提供一式两份电脑打印件和相同内容的Word格式电子版或光盘，并注明电子邮箱地址，发送至本刊电子信箱。请按照本刊征稿简则和编排规范撰写论文，如不符合上述要求，则退还作者修改后再投，达到要求后再接受送审，并以稿件符合要求寄到的时间作为收稿日期。

2．来稿不要涉及政治问题，应注意保守国家秘密 (请附上作者所在单位的保密审查意见) 。第一作者应对论文作者署名的排序负责，必要时需提供书面保证。

3．编辑部原则上在收稿后2个月内将稿件处理情况通知作者，若作者2个月后仍未收到处理意见，请与本刊联系。在此期间内收到复函、审稿意见或录用通知者，不得另投它刊。

4．投稿者可建议3～5名审稿者(请注明审稿者的学位、职称、研究领域、单位、通信地址、邮编、电子邮箱地址和电话)，供编辑部审稿时参考，其中文章的作者及相关人员请回避。

5．刊用与否本刊恕不退稿，请作者自留底稿。如有特殊需要，请在来稿中注明。

6．稿件切忌一稿多投，严禁剽窃他人作品。凡在国内外发表过的文稿，本刊不再接受。对弄虚作假、剽窃他人成果、一稿多投者，一经发现，本刊将公布作者姓名。

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8．本刊除具有印刷版外, 还具有光盘版和网络版，稿件一经录用，所有各类版本的版权属于本刊，凡不同意自己的论文在电子版本(光盘和网络版)刊载的作者，请来函说明，本刊将作适当处理。录用的稿件本刊将按国家有关规定酌收版面费, 并一次性向作者支付以上各版本的稿酬, 同时赠送2册样刊和20份抽印本。

三 来稿方式

本刊可接受电子邮件来稿，若文稿内容中有易混淆的字或字母时，请在所发的纸质文稿，在第一次出现于文稿处用铅笔注明其正确的书写方式，必要的请进行相应的说明。纸质来稿请按编辑部地址邮寄给本刊，电子邮件可发至：haiyangxueyanjiu@163.com。请附作者详细地址、邮政编码、E-mail 地址和电话, 以便联系。

四 欢迎作者随时向本刊反馈刊载论文在国内外的收录和获奖等信息。

编辑部地址：浙江省杭州市保俶北路36号《海洋学研究》编辑部，邮编：310012

编辑部电话：0571-81963195，0571-81963193

传真：0571-81963195

(本刊编辑部)

Analysis of eutrophication characteristics in Dongshan Bay based on PCA

JIANG Shuang-cheng1, LIN Pei-mei2, CAI Yu-ting1, ZHENG Sheng-hua1, CAI Jian-di1, XU Cui-ya1, YANG Miao-feng1, XI Ying-yu1, ZHONG Shuo-liang* 1

(1.FisheriesResearchInstituteofFujianProvince,Xiamen361013,China; 2.XiamenFifthMiddleSchool,Xiamen361000,China)

According to the investigation results of Dongshan Bay and its adjacent sea area in May and August 2011, DIN、DSi、SRP、TN、TP、COD、DOC、TOC、Chl-aand species richness of phytoplankton associated with eutrophication were analyzed with principal component analysis(PCA).Three principal components (PCs) were extracted with principal component analysis: Chl-a, TP, DOC and COD for PC1, N nutrients and silicon nutrients for PC2 and SRP for PC3. Distribution of PC1、PC2、PC3 and CPC in spring and summer show the high eutrophication risk regions, where are in Zhangjiang Estuary and Bachimen adjacent areas. The correlation analysis with salinity show that eutrophication pressure is mainly from Zhangjiang in Dongshan Bay, and it is enhanced in summer. COD and phytoplankton may be dominating factors in assessing the variation of eutrophication in Dongshan Bay and its adjacent area.

eutrophication；principal component analysis；regression analysis；Dongshan Bay

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.012.

2014-09-23

2014-11-20

国家海洋公益性行业科研专项经费项目资助(2010050012-2,201305043-4);闽海渔科【2012】001号项目资助

姜双城(1980-)，男，山东济宁市人，助理研究员，主要从事海洋环境与生态方面的研究。E-mail:2001082011@163.com

*通讯作者:钟硕良(1953-)，男，教授级高工，主要从事海洋与渔业生态环境方面的研究。E-mail:zsl-5388@163.com

X55

A

1001-909X(2015)01-0081-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.012

姜双城，林培梅，蔡玉婷，等.基于PCA法分析春、夏季东山湾海域富营养化特征[J].海洋学研究,2015,33(1):81-88,

JIANG Shuang-cheng, LIN Pei-mei, CAI Yu-ting, et al. Analysis of eutrophication characteristics in Dongshan Bay based on PCA[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):81-88, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.012.