閩江口水環(huán)境主要理化因子時(shí)空分布特征研究

林建杰

(福州市海洋與漁業(yè)技術(shù)中心，福建 福州 350026)

河口生態(tài)系統(tǒng)位于河流生態(tài)與海洋生態(tài)系統(tǒng)的交匯處，該系統(tǒng)內(nèi)部的水文、物理、化學(xué)和生物因素多變，形成河口區(qū)獨(dú)特的環(huán)境和生物組成[1]，但陸源污染物隨河流輸入近岸海域成為影響河口及附近海域海洋環(huán)境生態(tài)健康的重要原因之一。

河口區(qū)的生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多變且易受人為活動(dòng)干擾，海洋環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的變化受氣候、水文、化學(xué)、生物等多方面因子的綜合影響，分析難度大，尤其在河口生態(tài)敏感區(qū)更為明顯。水環(huán)境評(píng)價(jià)體系由多個(gè)水質(zhì)參數(shù)構(gòu)成，各參數(shù)間有一定的相關(guān)性，也存在一定的重復(fù)，如何降低水質(zhì)參數(shù)重復(fù)信息，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前水質(zhì)評(píng)價(jià)需要解決的問(wèn)題。主成分分析法(Principal component and analysis，PCA)能夠從眾多變量中篩選出主要獨(dú)立的綜合因子[2]，在保留原始主要信息的同時(shí)，使彼此之間不相關(guān)，比原始變量更具優(yōu)勢(shì)[3]，已被廣泛應(yīng)用于水域重金屬及營(yíng)養(yǎng)鹽等污染因子評(píng)價(jià)[4-5]。

1 材料與方法

1.1 站位布設(shè)

分別于2012年11月和2013年3月對(duì)閩江口海域海淡水混合區(qū)，開展24個(gè)站位、秋季和春季的大、小潮共4個(gè)航次調(diào)查。調(diào)查站位根據(jù)閩江口地形和水動(dòng)力特征，綜合閩江徑流擴(kuò)散方向布設(shè)(圖1)。各站均位于河口區(qū)，其中站點(diǎn)1、2、3、17、18位于河道區(qū)，其余站點(diǎn)位于非河道區(qū)(近岸海域)。

1.2 樣品采集與處理

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)調(diào)查分析得到的水環(huán)境主要理化因子數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel 2019進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，水質(zhì)評(píng)價(jià)方法采用單因子評(píng)價(jià)法[15]和營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法(E)[16]進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.3.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

污染物的單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，用于反映某種污染物的環(huán)境影響程度，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，Pi為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Ci為某項(xiàng)參數(shù)的實(shí)測(cè)值，C0為某項(xiàng)參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

水中溶解氧計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

表1 水質(zhì)參數(shù)的分析方法

式中，SDO為溶解氧標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，DO為溶解氧實(shí)測(cè)值，DOs為溶解氧評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，DOf為飽和溶解氧；T為熱力學(xué)溫度，S為鹽度，A和B均為常數(shù)且分別為：A1=-173.429 2、A2=249.633 9、A3=143.348 3、A4=-21.849 2、B1=-0.033 096、B2=0.014 259、B3=-0.001 700。

1.3.2 營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法

各站位營(yíng)養(yǎng)指數(shù)計(jì)算公式如下：

(5)

上述參數(shù)單位均為mg/L。若E>1，表示水體呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

1.3.3 主成分分析法

主成分分析和相關(guān)性分析在參照林秀珠等[14]基礎(chǔ)上，構(gòu)建水環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)矩陣，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，采用KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)判定數(shù)據(jù)是否適合進(jìn)行主成分分析；再根據(jù)特征根大于1和累積方差貢獻(xiàn)率高于75%的原則，確定主成分個(gè)數(shù)，并以各主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合得分，最后根據(jù)得分評(píng)價(jià)水質(zhì)污染情況。

此外，水質(zhì)狀況的空間分布圖采用Surfer 8.0和Ocean Data View 5.5.0軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)狀況

2.1.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)《福建省海洋環(huán)境保護(hù)規(guī)劃(2011—2020年)》的海洋環(huán)境分級(jí)控制區(qū)登記表，本次調(diào)查站位位于閩江口海域，各站位水質(zhì)均執(zhí)行第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[17]。

表2 閩江口海域水質(zhì)單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 閩江口海域水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況

2.1.2 海域富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)

應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法對(duì)海域內(nèi)各站位營(yíng)養(yǎng)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由表4可知，4個(gè)航次期間調(diào)查海域均呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化情況，除2013年春季大潮外，調(diào)查站位富營(yíng)養(yǎng)化比例均超過(guò)90%；春季各航次部分站位營(yíng)養(yǎng)指數(shù)超過(guò)20，富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重。整體而言，春季富營(yíng)養(yǎng)化程度顯著高于秋季。

表4 閩江口海域水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1.3 水質(zhì)年際變化

采用單因子指數(shù)法將本次調(diào)查結(jié)果與侯昱廷等[18]、林秀珠等[14]研究結(jié)果及廈門大學(xué)[19-20]兩個(gè)季節(jié)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(表5)，研究分析閩江口水環(huán)境時(shí)空變化。

表5 不同航次水環(huán)境參數(shù)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

注：懸浮物不進(jìn)行單因子指數(shù)評(píng)價(jià)，給出實(shí)測(cè)值范圍及平均值(mg/L)。2016年春、秋兩季調(diào)查站位偏閩江口外海海域，數(shù)據(jù)結(jié)果僅作為參考。

Notes：Suspended solids was not evaluated by single factor index，so the measured value range and average value were given(mg/L).In the spring and autumn of 2016，the survey stations were located in the nearshore Min River estuary，and the data results were only for reference.

2.2 水環(huán)境因子的空間分布

4個(gè)航次調(diào)查結(jié)果顯示，閩江口海域水環(huán)境主要理化因子的空間分布變化顯著；因同一季節(jié)不同潮期各水質(zhì)參數(shù)分布趨勢(shì)相似，故本研究選取秋季及春季的大潮期(漲急落急)數(shù)據(jù)為代表，分析秋季和春季的水環(huán)境主要理化因子空間分布(圖2、圖3)。

由調(diào)查結(jié)果及圖2、圖3，可知：

1)受閩江淡水徑流的沖擊、潮汐入侵和潮汐偏移的影響，河道區(qū)站位S、pH和DO均相對(duì)低于非河道區(qū)。近河道區(qū)域的DO濃度顯著低于口外較開闊海域，這可能是因?yàn)楹拥绤^(qū)的海水在淡水的注入后出現(xiàn)了S分層而導(dǎo)致[21]。春季海域DO平均濃度顯著高于秋季，這是由于秋季海域平均水溫比春季高2°C以上，低水溫使得氧氣在海水中溶解度更高。

2)河道區(qū)的COD和DIN濃度均相對(duì)高于非河道區(qū)。COD是表示水體中受有機(jī)物污染程度的指標(biāo)，COD值越大，說(shuō)明水體中的有機(jī)污染物在降解過(guò)程中需要消耗的氧氣量越大，水體的污染程度也就越嚴(yán)重。閩江的徑流量大(多年平均徑流量為548.7億m3)[22]，攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)鹽、SS及沉積物進(jìn)入閩江口，SS及沉積物中有機(jī)質(zhì)持續(xù)分解和消耗溶解氧，從而形成河道區(qū)DO低和COD高的空間分布[23]。DIN由陸地隨徑流攜帶入海的現(xiàn)象顯著，主要可能和閩江流域的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和居民污水排放有關(guān)。

4)整體而言，春季水質(zhì)略差于秋季。究其原因，一方面閩江流域春季為豐水期，而秋、冬季為枯水期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的化肥和農(nóng)藥可能在春季水體較強(qiáng)的沖刷下隨閩江徑流入海[26-27]；另一方面春季閩江口的水溫較低，光照相對(duì)較弱，浮游植物的豐度和生物量較低[28]，閩江口及附近海域水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽消耗量較小。該結(jié)果與程學(xué)寧等[29]和林秀珠等[14]的研究結(jié)果基本一致。

2.3 水質(zhì)主成分分析

單因子污染指數(shù)法和營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)均使用了一種或是特定某幾種水質(zhì)因子，所得結(jié)果側(cè)重體現(xiàn)最差的水質(zhì)參數(shù)，無(wú)法全面反映海域水質(zhì)變化情況。因此有必要引入主成分分析法，對(duì)閩江口海域水質(zhì)情況進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)。

利用IBM SPSS Statistics 20.0對(duì)調(diào)查的10個(gè)理化因子進(jìn)行主成分分析，KMO統(tǒng)計(jì)量為0.745(>0.500)，Bartlett的球形檢驗(yàn)值小于0.001(<0.05)，說(shuō)明分析變量間存在著相關(guān)關(guān)系，符合主成分分析要求。根據(jù)特征根大于1的原則提取出3種主成分，各主成分的特征根、方差與累計(jì)方差貢獻(xiàn)率如表6所示，PC1、PC2和PC3的因子載荷如表7所示。

表6 主成分分析中的特征根、方差和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率

表7 主成分分析中的因子載荷

續(xù)表7

2.4 綜合水質(zhì)時(shí)空變化特征

計(jì)算各航次主成分綜合得分，對(duì)海域整體海水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)為探究各站位的水質(zhì)污染情況，分別計(jì)算24個(gè)站位不同航次的主成分綜合得分，站位主成分綜合得分越高，說(shuō)明該站位水質(zhì)狀況越差，污染越嚴(yán)重[14，31]。

2.4.1 季節(jié)變化

從各航次主成分綜合得分柱狀圖(圖4)中可以看出，秋季小潮主成分綜合得分最低，秋季大潮和春季小潮的主成分綜合得分接近，春季大潮的主成分綜合得分明顯高于其余三個(gè)航次；春、秋兩季大潮航次的主成分得分均高于小潮。綜合得分表明春季大潮航次的水質(zhì)污染最為嚴(yán)重，秋季小潮航次水質(zhì)狀況最好。該結(jié)果與本研究的水質(zhì)狀況及水環(huán)境因子空間分布分析結(jié)果一致。

2.4.2 空間變化

20世紀(jì)末期，閩江口南、北支河道具有不同的泥沙輸送特征，為“北出南積”的模式，河口淺灘主要發(fā)育在閩江口南支的梅花水道，水下河道主要發(fā)育在閩江口北支的長(zhǎng)門水道，長(zhǎng)門水道是閩江泥沙入海的主要通道。閩江口南支以淤積為主的梅花水道淺灘水流相對(duì)北支較緩，閩江口外海水在漲潮時(shí)先從瑯岐島南側(cè)的梅花水道涌進(jìn)河口，閩江河水主要通過(guò)瑯岐島北側(cè)的長(zhǎng)門水道輸入東海。獨(dú)特的河口地形地貌，形成了閩江口海域水質(zhì)空間分布特征。

為更加直觀看出各站位水質(zhì)綜合污染情況，作各調(diào)查站不同航次主成分綜合得分空間分布圖(圖5)。其中，黑點(diǎn)越大，代表主成分綜合得分越高，水質(zhì)狀況越差。

由圖5可知，閩江口南北水道水質(zhì)污染狀況在不同季節(jié)呈現(xiàn)明顯的空間分布差異。秋季為閩江枯水期，閩江徑流較緩且小潮期間潮汐和潮流作用較弱，閩江陸源入海污染物分別從瑯岐島南北的梅花水道和長(zhǎng)門水道入海，在瑯岐島周圍及東側(cè)海域混合擴(kuò)散(圖5a)；大潮期潮汐作用較強(qiáng)、潮差更大，閩江陸源入海污染物主要從瑯岐島北側(cè)的長(zhǎng)門水道入海，在瑯岐島北側(cè)的長(zhǎng)門水道口和東側(cè)海域擾動(dòng)混合(圖5b)，故秋季水質(zhì)污染狀況整體呈現(xiàn)北部差于南部的空間分布特征。春季為閩江豐水期，小潮期與秋季相反，較強(qiáng)的閩江徑流由瑯岐島北側(cè)的長(zhǎng)門水道口急速入海，在河口區(qū)受潮汐作用阻擋頂托后，轉(zhuǎn)往水流較緩的梅花水道淺灘周邊混合(圖5c)，水質(zhì)狀況整體呈現(xiàn)北部?jī)?yōu)于南部的空間分布特征；大潮期急速的閩江徑流疊加強(qiáng)潮作用，在瑯岐島周圍形成強(qiáng)烈擾動(dòng)混合擴(kuò)散，近河道區(qū)水質(zhì)差而遠(yuǎn)離河道區(qū)水質(zhì)較好的分布特征最為顯著(圖5d)。

各航次主成分綜合得分空間分布總體上均呈現(xiàn)出河道區(qū)水質(zhì)差而遠(yuǎn)離河道區(qū)水質(zhì)較好的分布特征，說(shuō)明潮汐和潮流作用可以將閩江輸入東海的污染物進(jìn)行擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，這一結(jié)論和劉瀟等[31]在黃河口的發(fā)現(xiàn)相類似。

2.5 水質(zhì)污染主要因子分析

表8 各水質(zhì)因子與主成分間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

注：**表示差異極顯著(P<0.01)；*表示差異顯著(P<0.05)。

Notes：**indicated extremely significant difference(P<0.01)；*indicated significant difference(P<0.05).

根據(jù)表8，結(jié)合水質(zhì)狀況、時(shí)空分布及理化因子特性分析，可知：

2)T和S與PC1、PC2、PC3呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，這可能是由于閩江淡水?dāng)y大量營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入河口區(qū)，造成河口區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽等濃度升高，受沖淡水影響，S降低，從而形成了負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，閩江口外海水域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低而S升高。同時(shí)，季節(jié)變化使春季海水溫度下降，閩江口海域浮游植物豐度下降，使得浮游植物消耗DIN和磷酸鹽的能力減弱，因此呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。

3)懸浮顆粒物的理化特性決定了其為河流輸送的重要媒介，是該海域水質(zhì)污染的重要影響因子(與PC1、PC2和PC3均呈極顯著正相關(guān))。其受徑流和潮汐等影響顯著，強(qiáng)潮流和分支水道對(duì)SS有放大作用，這一結(jié)論與龔松柏等[33]的研究結(jié)果相似。

本文主要驅(qū)動(dòng)因子分析結(jié)論與林秀珠等[14]結(jié)論略有不同，主要原因在于監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取上有所不同，且林秀珠等[14]在閩江口調(diào)查站位偏向外海，遠(yuǎn)離河口區(qū)，而本研究調(diào)查站位均位于河口區(qū)，故結(jié)論有所差異。

3 結(jié)論

致謝：自然資源部第三海洋研究所林輝研究員在野外研究、數(shù)據(jù)整理上給予了大力幫助，在此一并致謝。