基于主成分分析的南黃海輻射沙脊群水質變化特征分析

曹　維，郭清榮，徐夏芳，蔡燕紅，魏永杰，黃秀清

（1.國家海洋局寧波海洋環境監測中心站，浙江寧波　315012；2.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海　200137）

基于主成分分析的南黃海輻射沙脊群水質變化特征分析

曹維1，郭清榮1，徐夏芳1，蔡燕紅1，魏永杰1，黃秀清2

（1.國家海洋局寧波海洋環境監測中心站，浙江寧波315012；2.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海200137）

根據2011年2-12月6個航次對南黃海輻射沙脊群水質調查獲得資料的統計分析，結合主成分分析方法，研究了調查水域生態環境的失控變化特征以及相應的影響因素。主成分1與COD、無機氮、石油類有較強相關性，表現為陸源污染的影響；第二主成分與pH、溶解氧有較強的相關性。第三主成分與葉綠素a有較強相關性，表明輻射沙脊群較高的初級生產力。其原始數據的方差解釋能力分別為50.366%、29.636%、10.789%，累計貢獻率為90.791%。在環境要素的空間變化特征看，1-3#測站水質變化受硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類等濃度波動的影響較大；5、6#測站則受鹽度影響較大，表明了各站的空間差異。

主成分分析；南黃海輻射沙脊群；水質

南黃海輻射沙脊群分布于江蘇中部海岸帶外側，由一系列沙脊、潮流水道相間組成，大體上以弶港為頂點，以黃沙洋為主軸，自岸至海呈展開的褶扇狀向海輻射，北起射陽河口，南至長江口北部的蒿枝港，總面積約2.8萬km2，是一個全球罕見、規模巨大、形態獨特的輻射沙脊。隨著江蘇沿海地區的不斷發展，灘涂圍墾工程的推進，尤其是人工島的規劃與建設，掌握輻射沙脊群區域水質的長期動態變化尤為重要。

而主成分分析法分析法已用于河水、湖泊等生態系統的時空變化研究［1-4］，因此本文運用主成分分析法分析南黃海輻射沙脊群海域物理化學生物要素之間相互耦合關系及空間變化特征，可為人類活動對海灣生態環境的影響提供參考資料，同時為有關管理部門決策提供科學依據。

圖1　南黃海輻射沙脊群水質監測站位圖Fig.1　Monitoring stations in the South Yellow Sea

1　材料與方法

1.1材料

2011年2-12月，在南黃海輻射沙脊群布設了6個站位，開展了每2個月1次的水質調查。采樣站位分布見圖1。調查要素包括pH、鹽度（S）、DO、COD、葉綠素、NH4-N、NO2-N、NO3-N、PO4-P，樣品采集和分析調查方法均參照《海洋監測規范》。

1.2主成分分析

使用SPSS軟件對水質指標進行主成分分析，按特征值大于1確定主成分數，或累積貢獻至少70%確定主成分數。

2　結果與討論

2.1南黃海輻射沙脊群水環境質量現狀

2011年輻射沙脊群附近海域水質監測結果見表1。

調查期間，水體中pH值為7.97～8.25，DO含量7.04～10.40 mg/L，符合一類海水水質標準；COD含量為0.10～2.80 mg/L，其中4#～6#站符合一類海水水質標準，1#～3#站符合二類海水水質標準；

活性磷酸鹽含量為1.4～56.9 μg/L，除個別站位（8月航次1#站位和12月航次2#、3#、4#站位），其余均符合二類海水水質標準；

無機氮含量為153.2～1246.0 μg/L，部分超四類海水水質標準，超標率65%；

石油類含量為0.008～0.118 mg/L，44.4%的調查數據超二類海水水質標準、符合三類海水水質標準。

表1　各航次水質監測結果統計Tab.1　The statistics of water quality monitoring results

2.2環境因子相關系數

線性相關系數描述兩個因子之間的相互關系，有利于判斷因子之間的相互作用。本文利用相關系數研究環境因子的相互關系，見表2。

鹽度與硝酸鹽、亞硝酸鹽成顯著負相關，鹽度越低，硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度越高，說明輻射沙脊群水質的無機氮濃度主要受陸源污染的影響。

氨氮與葉綠素a成正相關，由于葉綠素為浮游植物的特征表征指標，葉綠素濃度大，表明氨氮等營養鹽含量增加，促進浮游植物的生長繁殖。浮游植物對各種形態無機氮的吸收以氨氮最為優先［5］，因此，氨氮的波動對浮游植物的密度的影響顯著，葉綠素a濃度也隨之產生顯著變化，在杭州灣及舟山漁場等海域同樣表現為葉綠素a濃度與氨氮的相關性顯著［6］。

表2　主成分提取結果Tab.2　Principal component extraction results

2.3水質的主成分分析

用軟件SPSS對監測數據進行分析，得到結果見表3～4。

表3　主成分提取結果Tab.3　Principal component extraction results

由表3可知，成分1、2、3的貢獻率分別為50.366%、29.636%、10.789%，累計貢獻率為90.791%，即第一、二、三成分包括了原監測變量90.791%的信息，所以取成分1、2、3作為主成分。

表4　成份載荷矩陣Tab.4　Component load matrix

由表4可知：主成分1與COD、無機氮、石油類有較強相關性；第二主成分與pH、溶解氧有較強的相關性。第三主成分與葉綠素a有較強相關性。

第一主成分表現為陸源污染的影響，主成分COD、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、石油類對第一主成分具有較大的正權重系數，表明沿岸地區人為活動的增加，生活污水、工業污水排放造成海域水體中有機物質增加、水體富營養化。同時，外海對輻射沙脊群影響體現在鹽度的副權重系數，由于南黃海輻射沙脊群沒有大河陸源淡水輸入少，海水主要受南黃海海水交換的影響。第三主成分中葉綠素a占有較大的正權重，表明輻射沙脊群較高的初級生產力。同時，氨氮等營養鹽含量增加，促進浮游植物的生長繁殖。

2.4環境要素的空間變化特征

圖2　6個測站得分及環境因子載荷Fig.2　Score and environment factor load of 6 monitoring stations

根據全年的環境要素進行綜合空間研究，6個站點的第一、第二主成分得分描述空間分布特征如圖2。從圖2可以看出，1-3#測站位于右下角，此處表示了硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類的正貢獻，反映了這3個測站硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類等環境因子變化較大，說明人類生產生活產生的污染物在該區域是影響水環境變化的主要誘因。5、6#測站與鹽度分布在同一象限區間，反映了這2個站鹽度變化大的特點，2個站位處于輻射沙脊群的南側，靠近長江口，受不同季節長江沖淡水影響，鹽度波動較大。

3　結論

（1）2011年輻射沙脊群附近海域水體中pH、DO、符合一類海水水質標準；COD、符合二類海水水質標準；活性磷酸鹽除8月、12月航次個別站位外符合二類海水水質標準；水體中無機氮含量較高，部分超四類海水水質標準，超標率65%；石油類44.4%的調查數據超二類海水水質標準、符合三類海水水質標準。

（2）水質中，鹽度與硝酸鹽、亞硝酸鹽成顯著負相關，氨氮與葉綠素a成正相關，說明輻射沙脊群水質的無機氮濃度主要受陸源污染的影響，以及氨氮等營養鹽含量增加，促進了浮游植物的生長繁殖。

（3）通過主成分分析，發現主成分1與COD、無機氮、石油類有較強相關性；第二主成分與pH、溶解氧有較強的相關性；第三主成分與葉綠素a有較強相關性。同時，從環境要素的空間變化特征看，1-3#測站受硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類的影響較大；5、6#測站則受鹽度影響較大。

［1］KUNWAR P S，AMRITAM，DINESH M，et al Multivariate statistical techniques for the evaluation of spatial and temporal variations in water quality of Gomti River（India）——A case study［J］.Water Research，2004，38:3 980-3 992.

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［4］VEGAM，PARDOR，BARRADOE，et al.Assessment of season al and polluting effects on the quality of river water by exploratory data analysis［J］.Water Research，1998，32（12）:581-3592.

［5］張曉萍.廈門馬鑾灣水域無機氯的化學特征［J］.臺灣海峽，2001，20（3）:319-322.

［6］蔣玫，沈新強.杭州灣及鄰近水域葉綠素a與氮磷鹽的關系［J］.海洋漁業，2004，26（1）:35-39.

Analysis of Water Quality Variation by Principal Component Anylysis in Radial Sandy Ridge Area of the South Yellow Sea

CAO Wei，GUO Qing-rong，XU Xia-fan，et al
（Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo，SOA，Ningbo315012，China）

According to the statistical analysis and principal component analysis of water quality data from six cruises in radial sandy ridge area of the South Yellow Sea in 2011，the spatial and temporal variations of the ecological environment and influence factors were analyzed.Principal component 1（50.366%of the variance）is associated with COD，inorganic nitrogen and oil，and this result shows the impact of land-based sources of pollution. Principal component 2（29.636%of the variance）is associated with pH and DO.Principal component 3（10.789%of the variance）is associated with chlorophyll a，and the result indicates the higher primary productivity of radial sandy ridge area.In spatial pattern of the environmental factors，the water quality of 1-3 station is influenced by the concentration fluctuations of nitrate，nitrite，COD and oil，while 5-6 station is influenced by salinity which showes the spatial difference among stations.

principal component analysis；radial sandy ridge area of the South Yellow Sea；water quality

X832

A

1008-830X（2015）02-0136-04

2014-06-20

國家海洋局海洋公益專項（201005006-8）

曹維（1982-），女，浙江寧波人，碩士研究生，工程師，研究方向：海洋環境監測與評價.E-mail:caowei@eastsea.gov.cn