舟山沿岸海域叶绿素a时空分布及与水质因子的相关分析

金衍健，卓丽飞

(1.浙江海洋大学水产学院,浙江舟山 316022;2.浙江海洋大学海洋与渔业研究所,浙江省海洋水产研究所,浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室,浙江舟山 316021;3.舟山市海洋环境监测预报中心,浙江舟山 316022)

浮游植物是海洋食物链的基础环节,海洋食物网的初级生产者,能利用光合作用合成有机物,对海洋生态具有重要意义。叶绿素a(Chl-a)是浮游植物进行光合作用的主要色素,其含量高低反映了海域内浮游植物生物量的多少,Chl-a也是综合反映水体理化性质动态变化的指标[1]。研究Chl-a与水质因子之间的相关性,可为环境保护提供赤潮预警[2]。诸多学者对Chl-a与水质因子之间的关系进行了广泛研究,利用线性回归、曲线回归、相关分析法、逐步多元回归等[3]进行藻类爆发的预测以及水体富营养化的主要驱动因子研究[4]。海洋生态系统结构复杂、影响因子多,用单因素统计方法难以有效分析海域中的Chl-a,因此常采用相关性显著且独立性强的多种因素进行多元回归分析来综合衡量Chl-a的变化规律[2]。有学者对湖泊中的Chl-a与水质因子之间的相关性进行了研究[2,5-7],但对舟山附近海域的相关研究鲜有报道。本文以2016年2月、5月和8月舟山附近海域水质监测数据为基础,分析该海域中Chl-a含量的时空分布特征,多元线性回归分析模拟Chl-a含量与水质因子之间的关系,为舟山附近海域的水环境质量评价和赤潮预警等保护及管理工作提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 站位设置

2016年2月、5月和8月分别在舟山沿岸海域采集了66个站位的表层水样,具体采样站位分布如图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。具体采样站位分布如图1。

1.2 样品采集、贮存和运输方法

对样品进行的pH、溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)、悬浮物(SS)、高锰酸钾指数(CODMn)、活性磷酸盐(PO43--P)、活性硅酸盐(SiO32--Si)、亚硝酸盐-氮(NO2--N)、硝酸盐-氮(NO3--N)、氨-氮(NH4+-N)等的分析方法均严格按照《海洋监测规范》[8-10]的相关要求进行。

1.3 多元线性回归方程计算方法

多元线性回归是指含有多个变量的线性回归方程,用于解释因变量与多个自变量之间的线性关系,回归方程为：

(1)式中：y为模型中的因变量;b0为模型中的回归常数;x1,x2,……,xn为模型中的自变量;b1,b2,……,bn为模型中的偏回归系数[4]。

图1 采样站位分布Fig.1 Location of sampling stations

2 结果与讨论

2.1 舟山附近海域水质因子变化

2016年2月、5月和8月舟山沿岸海域pH、DO、SS、CODMn等水质因子中离散程度较小的因子主要是是PO43--P、NO2--N、NH4+-N。离散程度较小表明其含量保持在比较稳定的状态,空间分布比较均匀[4]。各月中SS的离散程度最大,Chl-a离散程度相对较大,离散程度大表明波动幅度也大。8月DO的标准偏差也大于1,DO最高值出现在S41为12.82 mg/L,对应高含量的Chl-a为87.2 μg/L,该站位可能处于赤潮藻类爆发增殖并产生大量溶解氧阶段;DO最低值出现在S58站位为3.68 mg/L,该站位对应相对低含量的Chl-a为7.4 mg/L,该站位可能处于赤潮藻类逐渐消亡并消耗大量溶解氧阶段。在本研究中,DO低值区与表层Chl-a含量较高站位分布大致吻合,低氧区的形成是个复杂的过程,受浮游植物丰度及群落结构组成、温度、水体层化等多种因素的共同影响,因此浮游植物低氧区形成的量化贡献有待进一步的研究[11]。PO43--P、SS含量均值变化特征为2月＞5月＞8月,NH4+-N、NO3--N、CODMn为8月＞2月＞5月,SiO32--Si、TOC为8月＞5月＞2月,DO为5月＞2月＞8月,各月的NO2--N 和pH变化不大。

2.2 舟山附近海域Chl-a时空分布

Chl-a含量变化如图2所示,调查期间Chl-a整体均值为6.6μg/L,变化范围为0.6～87.2 μg/L,低值出现在2月和5月,分别为0.6 μg/L和0.7 μg/L,最高值出现在8月,这与赤潮爆发有关。Chl-a含量随季节变化明显,5 月和 8 月 Chl-a含量范围分别为 0.6～70.1 μg/L、2.0～87.2 μg/L,均值分别为 8.8 μg/L、12.4 μg/L,标准偏差分别为14.68、15.68,Chl-a含量和波动程度均明显高于2月(含量范围为0.7～6.0 μg/L,均值为2.2 μg/L,标准偏差为1.14)。变化特征为8月＞5月＞2月,与SiO32--Si、TOC的变化特征相同,反应了该水域浮游植物现存量从2月开始,经过5月到8月达到最大值。这是由于冬季水温过低,抑制了初级生产者细胞内的酶活性导致生产能力低,而春季水温回升,且营养盐又丰富,使得浮游植物加快繁殖[12],Chl-a含量的升高也暗示该海域有富营养化的趋势[13]。

舟山沿岸海域Chl-a的分布不仅表现出较明显的季节差异,而且都呈现出一定的平面差异。从图3可以看出,2月Chl-a的分布波动程度较小,但在岱山海域S29、S30、S37、S41站位和嵊泗海域S54站位均出现了明显的高值,说明所在海域受到了杭州湾的显著影响,浮游植物所需的营养物质主要来源于杭州湾陆源污染物的入海输入。从图4可以看出,5月Chl-a含量均值及分布波动程度明显高于2月,Chl-a含量高达70.1 μg/L,发现赤潮的站位主要为普陀海域的S22和S27站位,嵊泗海域的S57、S60和S64站位,根据海水水质标准(GB 3097-1997)和富营养化等级评定标准,所属海域均属于轻度富营养化、三类水质海域。从图5可以看出,8月Chl-a含量整体较高,分布图中明显可见有两个海域发现赤潮,表现为高含量Chla,普陀海域S17站位的Chl-a含量为78.2 μg/L,岱山海域S41站位的Chl-a含量为87.2 μg/L,均属于轻度富营养化、四类水质海域。富营养化是赤潮发生的物质基础和首要条件[14],当富养化程度达到一定值时,水文气象和海水理化因子的变化成为诱发赤潮的重要原因[15],5月和8月发生赤潮的海域与其他海域相比并非水质最差,富营养化程度最高海域,由此可见并非富营养化较严重、水质较差的海域一定会爆发赤潮。特殊的地理位置使舟山受到长江、钱塘江等大江大河及杭州湾沿岸陆源排污所携带入海的大量氮、磷等污染物的影响,以及台湾暖流和对马寒流在舟山海域交汇,加上特定的气候条件等决定了舟山是个赤潮高发区。

图2 舟山附近海域Chl-a动态变化Fig.2 The fluctuations of Chl-a in Zhoushan region

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

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

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

2.3 舟山附近海域Chl-a与水质因子相关性分析

舟山沿岸海域Chl-a和水质因子的相关性分析结果见表1,2月除DO外,Chl-a与其余9项因子呈显著(p＜0.05)或极显著(p＜0.01)相关。与 SiO32--Si、PO43--P、NO2--N、NO3--N、NH4+-N 的显著相关性表明氮、磷、硅营养盐对舟山沿岸海域浮游植物生长有重要影响[16],而磷对浮游植物的影响更为显著[17](r=0.564,p＜0.01)。Chl-a与CODMn、TOC也呈极显著正相关(r1=0.440,r2=0.615,p＜0.01),表明水体中有机物的存在也会促进藻类生长,舟山沿岸海域的有机物质主要来源于陆源入海排污口、地表径流及杭州湾,这些有机物经氧化分解后可作为藻类可直接利用的营养物质[18]。5月Chl-a与TOC、NO2--N相关性不显著,与其余8项因子呈显著或极显著相关,主要影响因子不再是营养盐,而是CODMn(r=0.407,p＜0.01),Chl-a与PO43--P、NO3--N、NH4+-N,SiO32--Si均呈极显著负相关,表明随着藻类的生长,已经与PO43--P、SiO32--Si、NO3--N、NH4+-N含量成“此消彼长”状态(r1=-0.507,r2=-0.490,r3=-0.524,r4=-0.562,p＜0.01);8月除SS、NH4+-N外,Chl-a与其余8项因子呈显著或极显著相关关系,主要影响因子是CODMn、TOC(r1=0.298,p1＜0.05;r2=0.453,p2＜0.01),与5月情况相似的是Chl-a与PO43--P、SiO32--Si、NO3--N均呈极显著的负相关关系(r1=-0.521,r2=-0.395,r3=-0.359,p＜0.01)。叶绿素a的含量与各营养盐在2月呈现较好的正相关,5月和8月则呈负相关趋势,这种差异性主要是浮游植物在春夏季大量繁殖对营养盐摄取激增,导致水体中营养盐含量的减少,这在某种程度上也说明了营养盐已成为浮游植物数量增长的限制因子。

表1 舟山附近海域Chl-a与水质因子的相关性系数Tab.1 Significant coefficient between Chl-a and water quality factors in Zhoushan region

为掌握水体中Chl-a的变化特征和趋势,根据2016年2月、5月和8月的监测数据对舟山附近海域采用SPSS多元回归分析“向后筛选”方法建立回归方程,通过探究Chl-a含量变化的规律来研究赤潮发生的规律性,各拟合方程显著性检验均是p=0.000＜0.01,表明方程拟合度较好,回归结果有效;残差点在0线周围随机分布,残差符合正态分布,表明模型拟合度较好。2月、5月和8月的多元线性回归拟合方程如下：

将由回归方程(2)-(4)计算而来的Chl-a预测值与实测值进行拟合,将预测值与实测值进行比较验证,结果如图6所示,2月、5月和8月线性拟合的r2分别为0.493 9、0.872 0和0.595 5,可见5月拟合方程的相关性最大,5月拟合方程能够很好地预测舟山附近海域Chl-a的变化趋势,结合多元线性回归可为舟山沿岸海域的赤潮预警提供可靠的数据支撑。

图6 Chl-a实测值与预测值的拟合和比较Fig.6 Simulation and comparison of experimental values and predicted values

2.4 舟山附近海域Chl-a与水质因子的主成分分析

应用SPSS主成分分析舟山沿岸海域Chl-a与水质因子的特征,结果见表2,2月、5月和8月特征值大于1的主成分分别有2、3和3个,对方差的解释累积贡献率分别为70.579%、76.674%、71.394%。在各月份中第一个主成分对方差的解释率均高于40%,分别为57.077%、49.482%、41.844%,且对pH、Chl-a、PO43--P、SiO32--Si、NO3--N都具有绝对值较大的相关系数(r＞0.6),以上指标反映了舟山沿岸海域浮游植物生物量、氮磷硅营养盐的特征,其中氮磷营养盐含量都表征舟山沿岸海域的污染程度,说明这几个水质因子对浮游植物的生长都起到了重要作用[18]。各因子中PO43--P在2、8月相关性系数绝对值最大,分别为0.928、-0.912,表明磷在2月和8月对浮游植物生物量的影响更加显著。在各月份中第二个主成分对方差的解释率分别为13.502%、16.668%、20.140%,该主成分在2月和5月对DO均有绝对值较大的相关系数,分别为0.847%、0.613%;在5月和8月对COD也有绝对值较大的相关系数,分别为0.597%、0.625%;在8月对TOC的相关性系数也较大为0.531%,主要反映的是舟山沿岸海域有机物质的特征,说明该海域的有机物质对浮游植物的生长也起到了重要作用。5月和8月的第三个主成分的特征值虽大于1,但对方差的解释率均在10%左右,分别为10.523%和9.410%,主要决定因子分别是TOC和DO、Chl-a、NH4+-N。

3 结论

通过对2016年2月、5月和8月舟山附近海域66个站位的水质因子及Chl-a的时空分布、相关性和主成分分析,得到以下主要结论：

(1)Chl-a分布具有明显的季节性,变化范围为0.6～87.2 μg/L,均值为8月＞5月＞2月,低值出现在2月和5月,最高值出现在8月,这与张玉荣等[19]对东海区初级生产力的研究结果一致,由于冬季水温过低,抑制了初级生产者细胞内的酶活性导致生产能力低,而春季水温回升,且营养盐又丰富,使得浮游植物加快繁殖。

(2)Chl-a分布呈现出一定的空间差异,2月、5月和8月标准偏差分别为1.14、14.68、15.68,5月和8月Chl-a的波动程度均明显高于2月。2月全海区叶绿素a的分布较均匀,空间差异较小。5月由于海区东部海区受北上的高盐、低营养盐的台湾暖流影响,与南下的长江和钱塘江沿岸流混合,氮磷营养盐十分丰富,因而整个海区叶绿素a的分布呈现较明显的东高西低的分布趋势。8月正值长江和钱塘江径流量的高峰期,陆源营养盐的输入量明显增加,叶绿素a高值区的范围有所扩大,可见叶绿素这种季节性分布的显著差异,是随着不同时期营养盐的供应量的多寡以及浮游植物的生长而呈现一定的变化规律[20]。

(3)Chl-a与pH、SS、SiO32--Si等10项因子呈现不同程度的相关性,主要影响因子是有机物质和营养盐,这与蒋玫等[20]对杭州湾、长江口和舟山渔场的叶绿素a与营养盐相关分析研究结果相似。在2月、5月、8月叶绿素a含量主要影响因子分别是PO43--P、CODMn、CODMn和TOC。叶绿素a的含量与各营养盐在2月呈现较好的正相关,5月和8月则呈负相关趋势,这种差异性主要是浮游植物在春夏季大量繁殖对营养盐摄取激增,某种程度上说明营养盐已成为浮游植物数量增长的限制因子。

(4)2月、5月和8月Chl-a与水质因子的主成分分析中特征值大于1的主成分累积贡献率均高于70%,第一个主成分的方差解释率均高于40%,对pH、Chl-a、PO43--P、SiO32--Si、NO3--N都具有绝对值较大的相关系数。分析结果表明,舟山海域的氮磷硅营养盐、有机物质含量、pH条件都是影响舟山浮游植物生长的重要因素,其中磷的影响作用最为突出,这对分析舟山水环境控制因子以及浮游植物的生长影响因素有重要作用。

表2 舟山附近海域Chl-a与水质因子主成分分析Tab.2 Principal Components Analysis of Chl-a and water quality factors in Zhoushan region

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