金衍健，卓麗飛

(1.浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,浙江舟山 316022;2.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所,浙江省海洋水產(chǎn)研究所,浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點實驗室,浙江舟山 316021;3.舟山市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心,浙江舟山 316022)

浮游植物是海洋食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),海洋食物網(wǎng)的初級生產(chǎn)者,能利用光合作用合成有機物,對海洋生態(tài)具有重要意義。葉綠素a(Chl-a)是浮游植物進行光合作用的主要色素,其含量高低反映了海域內(nèi)浮游植物生物量的多少,Chl-a也是綜合反映水體理化性質(zhì)動態(tài)變化的指標[1]。研究Chl-a與水質(zhì)因子之間的相關(guān)性,可為環(huán)境保護提供赤潮預(yù)警[2]。諸多學(xué)者對Chl-a與水質(zhì)因子之間的關(guān)系進行了廣泛研究,利用線性回歸、曲線回歸、相關(guān)分析法、逐步多元回歸等[3]進行藻類爆發(fā)的預(yù)測以及水體富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動因子研究[4]。海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因子多,用單因素統(tǒng)計方法難以有效分析海域中的Chl-a,因此常采用相關(guān)性顯著且獨立性強的多種因素進行多元回歸分析來綜合衡量Chl-a的變化規(guī)律[2]。有學(xué)者對湖泊中的Chl-a與水質(zhì)因子之間的相關(guān)性進行了研究[2,5-7],但對舟山附近海域的相關(guān)研究鮮有報道。本文以2016年2月、5月和8月舟山附近海域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析該海域中Chl-a含量的時空分布特征,多元線性回歸分析模擬Chl-a含量與水質(zhì)因子之間的關(guān)系,為舟山附近海域的水環(huán)境質(zhì)量評價和赤潮預(yù)警等保護及管理工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位設(shè)置

2016年2月、5月和8月分別在舟山沿岸海域采集了66個站位的表層水樣,具體采樣站位分布如圖1,其中位于S1-S9位于定海海域,S10-S27位于普陀海域,S28-S45位于岱山海域,S46-S66嵊泗海域。具體采樣站位分布如圖1。

1.2 樣品采集、貯存和運輸方法

對樣品進行的pH、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chl-a)、懸浮物(SS)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、活性磷酸鹽(PO43--P)、活性硅酸鹽(SiO32--Si)、亞硝酸鹽-氮(NO2--N)、硝酸鹽-氮(NO3--N)、氨-氮(NH4+-N)等的分析方法均嚴格按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[8-10]的相關(guān)要求進行。

1.3 多元線性回歸方程計算方法

多元線性回歸是指含有多個變量的線性回歸方程,用于解釋因變量與多個自變量之間的線性關(guān)系,回歸方程為：

(1)式中：y為模型中的因變量;b0為模型中的回歸常數(shù);x1,x2,……,xn為模型中的自變量;b1,b2,……,bn為模型中的偏回歸系數(shù)[4]。

圖1 采樣站位分布Fig.1 Location of sampling stations

2 結(jié)果與討論

2.1 舟山附近海域水質(zhì)因子變化

2016年2月、5月和8月舟山沿岸海域pH、DO、SS、CODMn等水質(zhì)因子中離散程度較小的因子主要是是PO43--P、NO2--N、NH4+-N。離散程度較小表明其含量保持在比較穩(wěn)定的狀態(tài),空間分布比較均勻[4]。各月中SS的離散程度最大,Chl-a離散程度相對較大,離散程度大表明波動幅度也大。8月DO的標準偏差也大于1,DO最高值出現(xiàn)在S41為12.82 mg/L,對應(yīng)高含量的Chl-a為87.2 μg/L,該站位可能處于赤潮藻類爆發(fā)增殖并產(chǎn)生大量溶解氧階段;DO最低值出現(xiàn)在S58站位為3.68 mg/L,該站位對應(yīng)相對低含量的Chl-a為7.4 mg/L,該站位可能處于赤潮藻類逐漸消亡并消耗大量溶解氧階段。在本研究中,DO低值區(qū)與表層Chl-a含量較高站位分布大致吻合,低氧區(qū)的形成是個復(fù)雜的過程,受浮游植物豐度及群落結(jié)構(gòu)組成、溫度、水體層化等多種因素的共同影響,因此浮游植物低氧區(qū)形成的量化貢獻有待進一步的研究[11]。PO43--P、SS含量均值變化特征為2月＞5月＞8月,NH4+-N、NO3--N、CODMn為8月＞2月＞5月,SiO32--Si、TOC為8月＞5月＞2月,DO為5月＞2月＞8月,各月的NO2--N 和pH變化不大。

2.2 舟山附近海域Chl-a時空分布

Chl-a含量變化如圖2所示,調(diào)查期間Chl-a整體均值為6.6μg/L,變化范圍為0.6～87.2 μg/L,低值出現(xiàn)在2月和5月,分別為0.6 μg/L和0.7 μg/L,最高值出現(xiàn)在8月,這與赤潮爆發(fā)有關(guān)。Chl-a含量隨季節(jié)變化明顯,5 月和 8 月 Chl-a含量范圍分別為 0.6～70.1 μg/L、2.0～87.2 μg/L,均值分別為 8.8 μg/L、12.4 μg/L,標準偏差分別為14.68、15.68,Chl-a含量和波動程度均明顯高于2月(含量范圍為0.7～6.0 μg/L,均值為2.2 μg/L,標準偏差為1.14)。變化特征為8月＞5月＞2月,與SiO32--Si、TOC的變化特征相同,反應(yīng)了該水域浮游植物現(xiàn)存量從2月開始,經(jīng)過5月到8月達到最大值。這是由于冬季水溫過低,抑制了初級生產(chǎn)者細胞內(nèi)的酶活性導(dǎo)致生產(chǎn)能力低,而春季水溫回升,且營養(yǎng)鹽又豐富,使得浮游植物加快繁殖[12],Chl-a含量的升高也暗示該海域有富營養(yǎng)化的趨勢[13]。

舟山沿岸海域Chl-a的分布不僅表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)差異,而且都呈現(xiàn)出一定的平面差異。從圖3可以看出,2月Chl-a的分布波動程度較小,但在岱山海域S29、S30、S37、S41站位和嵊泗海域S54站位均出現(xiàn)了明顯的高值,說明所在海域受到了杭州灣的顯著影響,浮游植物所需的營養(yǎng)物質(zhì)主要來源于杭州灣陸源污染物的入海輸入。從圖4可以看出,5月Chl-a含量均值及分布波動程度明顯高于2月,Chl-a含量高達70.1 μg/L,發(fā)現(xiàn)赤潮的站位主要為普陀海域的S22和S27站位,嵊泗海域的S57、S60和S64站位,根據(jù)海水水質(zhì)標準(GB 3097-1997)和富營養(yǎng)化等級評定標準,所屬海域均屬于輕度富營養(yǎng)化、三類水質(zhì)海域。從圖5可以看出,8月Chl-a含量整體較高,分布圖中明顯可見有兩個海域發(fā)現(xiàn)赤潮,表現(xiàn)為高含量Chla,普陀海域S17站位的Chl-a含量為78.2 μg/L,岱山海域S41站位的Chl-a含量為87.2 μg/L,均屬于輕度富營養(yǎng)化、四類水質(zhì)海域。富營養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和首要條件[14],當富養(yǎng)化程度達到一定值時,水文氣象和海水理化因子的變化成為誘發(fā)赤潮的重要原因[15],5月和8月發(fā)生赤潮的海域與其他海域相比并非水質(zhì)最差,富營養(yǎng)化程度最高海域,由此可見并非富營養(yǎng)化較嚴重、水質(zhì)較差的海域一定會爆發(fā)赤潮。特殊的地理位置使舟山受到長江、錢塘江等大江大河及杭州灣沿岸陸源排污所攜帶入海的大量氮、磷等污染物的影響,以及臺灣暖流和對馬寒流在舟山海域交匯,加上特定的氣候條件等決定了舟山是個赤潮高發(fā)區(qū)。

圖2 舟山附近海域Chl-a動態(tài)變化Fig.2 The fluctuations of Chl-a in Zhoushan region

圖3 舟山附近海域2月Chl-a平面分布圖Fig.3 Spatial variation of Chl-a in February

圖4 舟山附近海域5月Chl-a平面分布圖Fig.4 Spatial variation of Chl-a in May

圖5 舟山附近海域8月Chl-a平面分布圖Fig.5 Spatial variation of Chl-a in August

2.3 舟山附近海域Chl-a與水質(zhì)因子相關(guān)性分析

舟山沿岸海域Chl-a和水質(zhì)因子的相關(guān)性分析結(jié)果見表1,2月除DO外,Chl-a與其余9項因子呈顯著(p＜0.05)或極顯著(p＜0.01)相關(guān)。與 SiO32--Si、PO43--P、NO2--N、NO3--N、NH4+-N 的顯著相關(guān)性表明氮、磷、硅營養(yǎng)鹽對舟山沿岸海域浮游植物生長有重要影響[16],而磷對浮游植物的影響更為顯著[17](r=0.564,p＜0.01)。Chl-a與CODMn、TOC也呈極顯著正相關(guān)(r1=0.440,r2=0.615,p＜0.01),表明水體中有機物的存在也會促進藻類生長,舟山沿岸海域的有機物質(zhì)主要來源于陸源入海排污口、地表徑流及杭州灣,這些有機物經(jīng)氧化分解后可作為藻類可直接利用的營養(yǎng)物質(zhì)[18]。5月Chl-a與TOC、NO2--N相關(guān)性不顯著,與其余8項因子呈顯著或極顯著相關(guān),主要影響因子不再是營養(yǎng)鹽,而是CODMn(r=0.407,p＜0.01),Chl-a與PO43--P、NO3--N、NH4+-N,SiO32--Si均呈極顯著負相關(guān),表明隨著藻類的生長,已經(jīng)與PO43--P、SiO32--Si、NO3--N、NH4+-N含量成“此消彼長”狀態(tài)(r1=-0.507,r2=-0.490,r3=-0.524,r4=-0.562,p＜0.01);8月除SS、NH4+-N外,Chl-a與其余8項因子呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系,主要影響因子是CODMn、TOC(r1=0.298,p1＜0.05;r2=0.453,p2＜0.01),與5月情況相似的是Chl-a與PO43--P、SiO32--Si、NO3--N均呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系(r1=-0.521,r2=-0.395,r3=-0.359,p＜0.01)。葉綠素a的含量與各營養(yǎng)鹽在2月呈現(xiàn)較好的正相關(guān),5月和8月則呈負相關(guān)趨勢,這種差異性主要是浮游植物在春夏季大量繁殖對營養(yǎng)鹽攝取激增,導(dǎo)致水體中營養(yǎng)鹽含量的減少,這在某種程度上也說明了營養(yǎng)鹽已成為浮游植物數(shù)量增長的限制因子。

表1 舟山附近海域Chl-a與水質(zhì)因子的相關(guān)性系數(shù)Tab.1 Significant coefficient between Chl-a and water quality factors in Zhoushan region

為掌握水體中Chl-a的變化特征和趨勢,根據(jù)2016年2月、5月和8月的監(jiān)測數(shù)據(jù)對舟山附近海域采用SPSS多元回歸分析“向后篩選”方法建立回歸方程,通過探究Chl-a含量變化的規(guī)律來研究赤潮發(fā)生的規(guī)律性,各擬合方程顯著性檢驗均是p=0.000＜0.01,表明方程擬合度較好,回歸結(jié)果有效;殘差點在0線周圍隨機分布,殘差符合正態(tài)分布,表明模型擬合度較好。2月、5月和8月的多元線性回歸擬合方程如下：

將由回歸方程(2)-(4)計算而來的Chl-a預(yù)測值與實測值進行擬合,將預(yù)測值與實測值進行比較驗證,結(jié)果如圖6所示,2月、5月和8月線性擬合的r2分別為0.493 9、0.872 0和0.595 5,可見5月擬合方程的相關(guān)性最大,5月擬合方程能夠很好地預(yù)測舟山附近海域Chl-a的變化趨勢,結(jié)合多元線性回歸可為舟山沿岸海域的赤潮預(yù)警提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖6 Chl-a實測值與預(yù)測值的擬合和比較Fig.6 Simulation and comparison of experimental values and predicted values

2.4 舟山附近海域Chl-a與水質(zhì)因子的主成分分析

應(yīng)用SPSS主成分分析舟山沿岸海域Chl-a與水質(zhì)因子的特征,結(jié)果見表2,2月、5月和8月特征值大于1的主成分分別有2、3和3個,對方差的解釋累積貢獻率分別為70.579%、76.674%、71.394%。在各月份中第一個主成分對方差的解釋率均高于40%,分別為57.077%、49.482%、41.844%,且對pH、Chl-a、PO43--P、SiO32--Si、NO3--N都具有絕對值較大的相關(guān)系數(shù)(r＞0.6),以上指標反映了舟山沿岸海域浮游植物生物量、氮磷硅營養(yǎng)鹽的特征,其中氮磷營養(yǎng)鹽含量都表征舟山沿岸海域的污染程度,說明這幾個水質(zhì)因子對浮游植物的生長都起到了重要作用[18]。各因子中PO43--P在2、8月相關(guān)性系數(shù)絕對值最大,分別為0.928、-0.912,表明磷在2月和8月對浮游植物生物量的影響更加顯著。在各月份中第二個主成分對方差的解釋率分別為13.502%、16.668%、20.140%,該主成分在2月和5月對DO均有絕對值較大的相關(guān)系數(shù),分別為0.847%、0.613%;在5月和8月對COD也有絕對值較大的相關(guān)系數(shù),分別為0.597%、0.625%;在8月對TOC的相關(guān)性系數(shù)也較大為0.531%,主要反映的是舟山沿岸海域有機物質(zhì)的特征,說明該海域的有機物質(zhì)對浮游植物的生長也起到了重要作用。5月和8月的第三個主成分的特征值雖大于1,但對方差的解釋率均在10%左右,分別為10.523%和9.410%,主要決定因子分別是TOC和DO、Chl-a、NH4+-N。

3 結(jié)論

通過對2016年2月、5月和8月舟山附近海域66個站位的水質(zhì)因子及Chl-a的時空分布、相關(guān)性和主成分分析,得到以下主要結(jié)論：

(1)Chl-a分布具有明顯的季節(jié)性,變化范圍為0.6～87.2 μg/L,均值為8月＞5月＞2月,低值出現(xiàn)在2月和5月,最高值出現(xiàn)在8月,這與張玉榮等[19]對東海區(qū)初級生產(chǎn)力的研究結(jié)果一致,由于冬季水溫過低,抑制了初級生產(chǎn)者細胞內(nèi)的酶活性導(dǎo)致生產(chǎn)能力低,而春季水溫回升,且營養(yǎng)鹽又豐富,使得浮游植物加快繁殖。

(2)Chl-a分布呈現(xiàn)出一定的空間差異,2月、5月和8月標準偏差分別為1.14、14.68、15.68,5月和8月Chl-a的波動程度均明顯高于2月。2月全海區(qū)葉綠素a的分布較均勻,空間差異較小。5月由于海區(qū)東部海區(qū)受北上的高鹽、低營養(yǎng)鹽的臺灣暖流影響,與南下的長江和錢塘江沿岸流混合,氮磷營養(yǎng)鹽十分豐富,因而整個海區(qū)葉綠素a的分布呈現(xiàn)較明顯的東高西低的分布趨勢。8月正值長江和錢塘江徑流量的高峰期,陸源營養(yǎng)鹽的輸入量明顯增加,葉綠素a高值區(qū)的范圍有所擴大,可見葉綠素這種季節(jié)性分布的顯著差異,是隨著不同時期營養(yǎng)鹽的供應(yīng)量的多寡以及浮游植物的生長而呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律[20]。

(3)Chl-a與pH、SS、SiO32--Si等10項因子呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性,主要影響因子是有機物質(zhì)和營養(yǎng)鹽,這與蔣玫等[20]對杭州灣、長江口和舟山漁場的葉綠素a與營養(yǎng)鹽相關(guān)分析研究結(jié)果相似。在2月、5月、8月葉綠素a含量主要影響因子分別是PO43--P、CODMn、CODMn和TOC。葉綠素a的含量與各營養(yǎng)鹽在2月呈現(xiàn)較好的正相關(guān),5月和8月則呈負相關(guān)趨勢,這種差異性主要是浮游植物在春夏季大量繁殖對營養(yǎng)鹽攝取激增,某種程度上說明營養(yǎng)鹽已成為浮游植物數(shù)量增長的限制因子。

(4)2月、5月和8月Chl-a與水質(zhì)因子的主成分分析中特征值大于1的主成分累積貢獻率均高于70%,第一個主成分的方差解釋率均高于40%,對pH、Chl-a、PO43--P、SiO32--Si、NO3--N都具有絕對值較大的相關(guān)系數(shù)。分析結(jié)果表明,舟山海域的氮磷硅營養(yǎng)鹽、有機物質(zhì)含量、pH條件都是影響舟山浮游植物生長的重要因素,其中磷的影響作用最為突出,這對分析舟山水環(huán)境控制因子以及浮游植物的生長影響因素有重要作用。

表2 舟山附近海域Chl-a與水質(zhì)因子主成分分析Tab.2 Principal Components Analysis of Chl-a and water quality factors in Zhoushan region

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