天津近岸海域海水富營養化評價及其主成分分析

褚帆， 劉憲斌，劉占廣， 劉新蕾，張文亮，劉暢

（1.天津科技大學 天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津 300457；2.渤海海洋監測監視管理基地籌備處，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，三面環陸，水深較淺。環渤海地區是我國北方經濟活動的中心之一，渤海也是受沿岸人為活動影響最為明顯、污染最嚴重的海域之一，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）。

富營養化是指在一定的水體范圍內，水體隨著營養物質的增加而導致營養狀況發生變化的過程（Meyer-Reil et al，2000）。目前，已有許多學者（秦昌波 等，2006；Lundberg et al，2005） 提出了對海水富營養化評價的方法，如模糊綜合評價法、主成分-因子分析法、營養指數評價法、集對分析方法和灰色關聯度評價法等。劉蕓等（2014） 針對渤海海水水質年際變化情況進行了調查分析；孫元敏等（2010） 和張繼民等（2008） 分別針對南亞熱帶海島和黃河口附近海域進行了富營養化評價。而對天津渤海灣海域水質富營養化主要驅動因子進行分析的文章卻鮮見報道。

本研究通過對天津主要河流入海口周圍近岸海域的海水水質因子進行采樣調查，運用營養狀態質量指數（Nutrient Quality Index，NQI） 和富營養化指數法（Eutrophication Index Method，EI） 對天津近岸海域的富營養化現狀進行了評價，并用主成分分析法（Principal Component Analysis） 得出影響海水富營養化的主要驅動因子，為控制該區域海水富營養化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查時間和區域

于2013年7月對天津主要入海河流（永定新河、海河、獨流減河、子牙新河） 入海口周圍海域海水進行采樣，采樣站位的坐標范圍為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、貯存與運輸等按照《海洋監測規范》（GB17378-2007） 和《海洋調查規范》 （GB/T 12763-2007） 等要求進行。

1.2 水質因子調查

本次調查的海水水質因子包括鹽度、葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（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。監測方法按照《海洋監測規范》（GB17378-2007） 進行。

1.3 評價與分析方法

1.3.1 營養狀態質量指數法

營養狀態質量指數法（NQI） （陳于望 等，1999；邊佳胤等，2013） 是目前我國使用較多的評價方法，計算公式如下：

式中，CCOD、CDIN、CPO4-P、Chl-a 分別為海水CODMn、無機氮、活性磷酸鹽、葉綠素a 的監測濃度；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 調查站位示意圖

根據營養質量指數值將海域營養水平劃分為三級：NQI ≤2 時，營養等級為Ⅰ級，為貧營養化狀態；2 ＜NQI ≤3 時，營養等級為Ⅱ級，為中等營養化狀態；NQI ＞3 時，營養等級為Ⅲ級，為富營養化狀態（郭衛東等，1998）。

1.3.2 富營養化指數法

目前，國內較常用富營養化指數法（EI） （鄒景忠等，1983；于春燕等，2013） 對海水水質進行分析評價，以便于與我國其它海域進行比較，公式如下：

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

1.3.3 富營養化驅動因子的主成分分析

利用統計分析軟件SPSS 19.0 對海水水質進行主成分分析，對結果進行KMO 檢驗以及Bartlett球形檢驗。當KMO 檢驗數大于0.6，Bartlett 球形檢驗顯著性概率P 小于0.05 時，該組因子間相互獨立，可以進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 海水水質現狀

海水水質因子監測結果如圖2。站位間水質變化趨勢幾乎一致，調查海域約80.95%站位的無機氮和61.90 %站位的活性磷酸鹽為劣四類海水水質，這些站位幾乎均位于入?？谥車Ｓ?。

對不同海域海水水質因子對比見表1，與國內其它海域相比，本研究海域的水質污染水平高于江蘇、廈門、廣西等地近岸海域。對天津近岸海域年度水質變化進行比較（表2），可以看出水質有污染加劇的趨勢（闞文靜等，2013；尹翠玲等，2014），由于本文調查海域靠近河流入海口，污染較其它海域嚴重。

2.2 營養狀態質量指數評價

運用營養狀態質量指數法對海水水質進行評價，NQI 值為2.54～12.26，均值是5.83。由圖3 可知，NQI 值由北塘入海口和子牙新河入海口向遠岸逐漸遞減，71.43 %站位海域達到富營養化水平。本研究結果與曹佳蓮等（2007） 結果一致，主要是受海水的旋轉流和往復流影響，營養鹽從近岸入?？谔幭蜻h岸擴散。

2.3 富營養化指數評價法

運用富營養化指數評價法對海水水質進行評價，結果發現調查海域95.24%的站位處于重度富營養化狀態。如圖4 可以看出，EI 由北塘入?？诤妥友佬潞尤牒？谙蜻h岸海域逐漸變低。指數大于50 的站位分布于永定新河、海河以及子牙新河入?？谥車Ｓ颉?/p>

由圖3、4 可以得出，營養狀態指數評價和富營養化狀態指數評價分析結果一致，均是在北塘入海口周圍海域污染較為嚴重，其次為子牙新河入?？谥車Ｓ颉?013年中國海洋環境狀況公報（國家海洋局，2013） 顯示，該區調查站位海水水質狀況為四類或劣四類。劉學海（2010） 對塘沽-北塘-漢沽近岸海域進行調查，認為北塘入海口與子牙新河入?？谒|均嚴重超標。朱文俊等（2013）對永定新河河口周圍海域水質監測結果表明永定新河河口附近的近岸海域有些站點達到重度污染等級。上述與本文調查結果一致。

2.4 主成分分析結果

對葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（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 個因子進行主成分分析。本次調查中監測數據的KMO 統計量為 0.611，Bartlett 球形檢驗相伴概率為0.000，可以對導致海水富營養化的成因進行主成分分析。提取出主成分1 和2，方差貢獻率分別為56.06%和37.58%，累計貢獻率為93.64%。

這2 個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、氮營養鹽以及CODMn，營養鹽促進海洋浮游植物生長，CODMn代表的是水體中有機物，有機物含量高也會直接促進海洋浮游植物繁殖，而適宜的水溫是促進其生長的重要條件；主成分2 中葉綠素a 占的載荷較大，葉綠素a 指標間接反映了海域的浮游植物量。

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

表1 國內不同海域水質參數比較

表2 天津近岸海域海水水質參數年際變化

圖3 營養狀態質量指數平面分布

對各水質參數與主成分相關系數進行分析得出水體富營養化的主、次要驅動因子（表4）?？梢钥闯隹偟c主成分1 的相關系數最高，為影響該海域海水富營養化的主要驅動因子?？偭着c主成分2的相關系數最高，為影響該海域海水富營養化的次要驅動因子。鹽度與主成分1 相關性為-0.910，呈明顯負相關性，說明鹽度與營養鹽具有一定相關性，鹽度低的海域即入海口處海水富營養化程度相對較高，可能入海河流帶來的營養鹽含量較高，對近岸海水富營養化造成影響。

圖4 富營養化指數平面分布

表3 主成分分析結果

周斌等（2010） 對山東半島南部近岸海域海水水質進行評價，總無機氮是影響海水富營養化的主要驅動因子，與本文的富營養化驅動因子為總氮的結論一致。2013年上半年天津市海洋環境質量狀況報告（天津市海洋局，2013） 指出5月份永定新河、薊運河和潮白新河的水質均劣于第Ⅴ類地表水水質標準，說明可能由于入海徑流對入?？诤Ｋ柠}度進行了稀釋，且其攜帶的營養鹽對海水富營養化造成了較大影響。此結果與Redfield A C（1958）研究一致，鹽度作為影響海水富營養化的主要的物理因子，對海域富營養化狀況有著重要的影響?？傊旖蚪逗Ｓ虻暮Ｋ粻I養化是由各種因素共同作用的結果，而入海河流攜帶的營養鹽為影響富營養化狀況的最主要因素。

表4 各水質參數與主成分的相關性分析

3 結論

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

（2） 營養狀態質量指數評價與富營養化指數評價的結果趨勢相近，在北塘入?？谥車Ｓ蛑笖抵底罡?，其次為子牙新河和海河周圍海域。

（3） 主成分分析結果表明，影響調查海域富營養化的驅動因子為總氮和總磷；而鹽度與主成分因子呈顯著負相關性，鹽度低的區域海水富營養化程度高，原因是入海河流水質超標，引起海水富營養化。

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