珠江磨刀門河口枯季葉綠素a環境因子驅動分析

羅珮珍，牛麗霞，羅向欣，蔡華陽，楊清書

（1.中山大學海洋科學學院，廣東 廣州，510275；2.中山大學海洋工程與技術學院，廣東 珠海，519082；3.廣東省海岸與島礁工程技術研究中心，廣東 廣州，510006）

河口是連接陸地與海洋的過渡帶，是陸源污染物由河流向海輸送的必經之道，區位獨特，環境特殊，生物地球化學過程復雜多變[1-2]。河口也是河流和海洋強相互作用的復雜區域，受徑-潮動力的相互影響，該區域水文、水質及生態成為河口生態系統研究的關注點。浮游植物是生態系統的重要指標之一，是初級生產力的主要貢獻者，促進海-氣的能量交換，對氣候調節、碳匯和富氧過程起著至關重要的作用；浮游植物是海洋食物鏈的基礎，為海洋生物提供直接的食物來源[3]。因此，研究河口浮游植物的生態動力結構具重要科學意義。葉綠素a作為反映水體富營養化程度及藻類數量多寡的綜合指標, 其濃度高低可指示浮游植物生物量變化的趨勢[4-6]。

我國河口海灣的營養物質水平和富營養化程度表現出較明顯的多樣性。一方面受沿岸開發強度、污染源輸入規模、管理模式等人為因素影響，另一方面與河口海灣自身的地貌形態、水沙條件、水交換周期等自然因素有關。近年來珠江三角洲的經濟和城市化迅速發展，大量氮、磷和有機污染物通過八大口門（圖1，虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門、磨刀門、虎跳門、雞啼門和崖門）進入珠江口并輸送至南海。過量營養鹽破壞了水體中營養結構的生態平衡，易造成富營養化現象，致使浮游植物大量繁殖，多次引發赤潮，嚴重威脅漁業資源和河口環境[7]。關于河口物理化學因子對浮游植物的影響已有較多研究[8-10]，而珠江磨刀門河口浮游植物葉綠素a的分布特征及其環境控制因素的研究相對較少。

本研究基于珠江磨刀門河口2017年1月13－20日水文水質多要素連續觀測數據，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和結構方程模型（structural equation modeling，SEM）定量研究河口浮游植物葉綠素a對環境因子的響應關系，分析物理因素和化學因素的貢獻，揭示河口浮游植物葉綠素a水文水質多要素的共同驅動作用，為珠江河口污染治理及生態修復提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

珠江磨刀門河口是西江干流的主要入?？冢▓D1），是高明市、鶴山市和江門市污染物入海的主要運輸通道。在珠江八大口門中，輸水、輸沙量最大。磨刀門燈籠山站年均凈泄量為8.83×1 010m3，占上游西、北江來水量的 31.85%；年均輸沙總量為2.34×107t，占八大口門出海總沙量的33%。磨刀門為典型的以河流作用為主的河口，其徑流作用強，潮流作用相對較弱，山潮比為5.77。磨刀門屬弱潮河口，潮汐屬于不正規半日混合潮類型，潮差較小，一般為1 m左右，通常是枯水期大于汛期。磨刀門河口的水文動力存在明顯的季節變化，汛期徑流量占年總量的76.9%，枯水期徑流量占年總量的23.19 %。洪季徑流較強，潮流界往往被外推至口門附近，枯季徑流減弱而潮汐動力相對增強，潮流界上溯至西江下游的永安-高要之間，距口門150～200 km[11]。

1.2 樣品采集和處理

在珠江磨刀門河口布設2個站點進行水文水質多要素現場連續觀測（圖1），分別位于磨刀門水道掛定角（M1；113°25′7″E，22°11′5″N）和橫琴島西南方（M2，即磨刀門口門；113°26′54″E，22°3′20″N）?，F場連續觀測時間為2017年1月13－14日（大潮）和19－20日（小潮）。2個站點的布設均用來分析浮游植物葉綠素a對多個環境因子的響應。

圖1 珠江磨刀門河口位置及采樣點布設Fig.1 Location of Modaomen estuary and sampling sites, in which, M1 and M2 distributing in the Guadingjiao along the Modaomen channel and Modaomen outlet

使用有機玻璃采水器，每2 h采集表（0.2 H，H代表水深）、中（0.6 H）、底（0.8 H）3層的水樣。水文要素溫度、鹽度、水深和濁度使用optical backscatter point sensor（OBS-3A）現場測定。采樣過程中使用手持GPS實時進行觀測點位矯正。用于含沙量和溶解性氮磷營養鹽分析的水樣，使用經預處理的0.45 μm水系微孔濾膜現場抽濾，濾液冰凍保存，與濾膜一起帶回室內分析，其中NO3測定采用鋅鎘還原法；NH4測定采用次溴酸鈉氧化法；PO4測定采用抗壞血酸還原磷鉬藍法。用于TN和 TP測試分析的樣品，現場添加50%體積分數的硫酸，采用過硫酸鉀氧化法測定。用于浮游植物葉綠素 a測試的水樣，現場添加碳酸鎂，采用萃取熒光法進行測定。所有樣品的采集、運輸及處理均按照《海洋監測規范》和《海洋調查規范》的要求執行。

1.3 數據分析

本研究采用 Pearson相關分析、主成分分析（PCA）以及結構方程模型（SEM）等方法研究磨刀門河口浮游植物葉綠素a及其驅動因子的潮周期變化，探討河口動力（溫度、鹽度、含沙量等）對氮磷營養鹽的影響，揭示河口動力和營養鹽對浮游植物葉綠素 a的共同影響。PCA使用IBM SPSS軟件完成，SEM使用IBM AMOS軟件完成。Pearson相關分析僅能反應浮游植物葉綠素a與環境變量之間的線性相關關系，不能解釋變量之間的因果關系；主成分分析可判斷主要影響因素，但不能量化各個因素的貢獻，且不能分辨各個因子直接和間接影響[12]；SEM是一種包含因子分析和路徑分析的多元統計方法，即包含相關分析和主成分分析，能夠解決不可直接觀測的變量問題，同時處理多個因變量的相互作用，能有效解釋變量的中介效應，并允許自變量和因變量均包含測量誤差，彌補了傳統統計方法不足[13-14]。SEM模型也已在經濟、科學、生態環境等領域得到廣泛應用[15-16]。

物理-化學（如溫度、鹽度、含沙量、各項營養鹽、溶解氧、化學需氧量、風應力等）和生物特性（如生長率、死亡率、被捕食率等）決定著浮游植物的變化趨勢。而環境變量之間相互關聯，相互影響，增加了量化浮游植物對環境變量響應的分析難度。本研究采用PCA分析物理和化學因子的影響；基于Pearson相關分析和PCA分析結果，采用SEM確定浮游植物驅動因子的優先級，并揭示關鍵因子的直接和間接影響。圖2展示了磨刀門河口模型構建示意圖，其中e1-e8為誤差項。模型一（圖2-a）簡化各因子間的復雜關系，借助2個潛在變量來定量分析物理因素和化學因素分別對浮游植物葉綠素 a的影響；模型二（圖2-b）考慮了各因子間的主要相互關系，定量分析多因子對浮游植物葉綠素a的影響。

圖2 珠江磨刀門河口浮游植物葉綠素a結構方程模型（SEM ）Fig.2 Theoretical model structure between phytoplankton chlorophyll a and multiple environmental drivers

2 結果與討論

河口動力和氮磷等營養鹽分別是浮游植物生長的能量源和物質源。磨刀門河口具獨特的能量源和物質源，且能量源控制物質源的時空特性，即河口動力結構控制氮磷營養鹽的遷移轉化，為浮游植物的生長提供了適宜的生存環境。

2.1 磨刀門河口動力潮周期變化

2.1.1 水溫 磨刀門河口水體溫度的變化如圖3-a

和3-b所示。結果顯示，兩個站位的水溫均從表層向底層遞減，表底層水溫變化幅度不大（＜1℃），與 2011年枯季調查結果一致，反映了太陽輻照對水體溫度的影響[17]。掛定角大潮和小潮期間的平均水溫分別為19.14℃和18.09℃；磨刀門口門大潮和小潮期間的平均水溫分別為19.01℃和18.48℃。同一時間，不同站位的水溫有微小差異。相比于掛定角，磨刀門口門更靠近外海，受海水影響較大，大小潮平均水溫差異較小。

2.1.2 鹽度 磨刀門河口的典型特征表現為“強徑流，弱潮流”。在豐水期，磨刀門河口受低鹽度高營養鹽的沖淡水團控制；而在枯水期，則以高鹽度低營養鹽的河口沖淡水為主體。受“徑-潮”動力相互影響，鹽淡水的分層或強烈混合導致營養鹽分布及其結構（即N/P比值）發生劇烈變化，從而影響浮游植物的時空分布，其變化特點主要是河口動力的驅動。磨刀門河口枯季鹽水團隨潮流從外海進入磨刀門并向上游入侵，近幾年，最大咸界位于馬角水閘至南鎮水廠之間， 最小咸界位于大涌口水閘至燈籠山水閘之間[18]。磨刀門河口枯季潮周期鹽度變化如圖3-c、3-d所示。結果表明，鹽度從表層到底層逐漸增加，且從上游向口門逐漸增大。大潮時M1、M2站位的平均鹽度分別為7.6、21.1；小潮時M1、M2站位的平均鹽度分別為6.6、18.6。故磨刀門河口鹽度潮周期差異顯著。M1站位于河口上游，徑流作用大，鹽度相對較??；M2位于口門靠海一側，鹽度較大，鹽淡水混合較強烈。同一站位，漲潮時隨高鹽度海水入侵，鹽度升高；落潮時隨高鹽度海水后退，鹽度下降。采用Hansen和Rattray所提出的分層參數 N來分析磨刀門河口鹽淡水混合情況[19]。結果顯示，M1站位大潮時主要表現為部分混合型，小潮時屬于高度分層型，與 2011年枯季小潮（2011年1月25－26日）調查結果略有差異[17]，而M2站位大小潮都屬于部分混合型。

圖3 珠江磨刀門河口動力參數的潮周期變化Fig.3 Variations in water temperature, salinity and suspended sediment concentration in the Modaomen estuary

2.1.3 含沙量 泥沙是營養鹽的重要載體，營養鹽易被吸附在泥沙顆粒上，不同動力結構懸沙自身物理特性及懸沙的環境行為存在明顯差異。營養鹽或表現為隨水流輸運，或富集在表層沉積物中，或從表層沉積物中再懸浮/解吸而再次進入水體，從而改變營養鹽結構和浮游植物的分布[20]。磨刀門河口枯季含沙量潮周期變化如圖3-e、3-f所示。大潮觀測期間，掛定角和磨刀門口門含沙量變化范圍分別為0.003～0.085 kg/m3和 0.002～0.113 kg/m3，平均值分別為0.016 kg/m3和0.036 kg/m3；小潮觀測期間，含沙量變化范圍分別為 0.000 7～0.014 kg/m3和0.000 7～0.056 kg/m3，平均值分別為0.007 kg/m3和0.013 kg/m3。磨刀門河口含沙量垂向分布均表現為從表層到底層逐漸增大。掛定角的含沙量低于磨刀門口門，表現為沿磨刀門水道逐漸增大，這與枯季口門處動力最強有關；口門處波浪作用較強，波浪有一定的掀沙作用，導致口門處含沙量相對較大[11]。大潮期間強動力，水流挾沙能力和掀沙作用也相應增強，因此同一站位大潮的含沙量比小潮的含沙量偏大。結果顯示磨刀門河口含沙量隨潮汐漲落的差異顯著。

2.2 磨刀門河口營養鹽潮周期變化

受徑-潮動力的強相互作用，營養鹽及其結構表現出較強的時空差異[21-22]。營養鹽氮在河口稀釋混合過程中一般比較保守，而營養鹽磷則呈現較復雜的行為特征[23]。

磨刀門河口各項營養鹽的基本統計量如表1所示。結果顯示，大潮觀測期間，磨刀門水道掛定角（M1）NO3變化范圍為 0.002～1.89 mg/L，平均濃度為0.48 mg/L；磨刀門口門（M2）NO3濃度變化為0.005～0.72 mg/L，平均濃度為0.19 mg/L。小潮觀測期間，2個站位 NO3濃度變化范圍分別為0.042～2.52 mg/L（M1）和 0.035～1.45 mg/L（M2），與 2011年枯季小潮燈籠山的觀測結果相比[17]，均呈現明顯的潮周期差異，且表層濃度低于底層。磨刀門河口區NO3主要來源于徑流輸入，部分由外海水團攜帶，使得 NO3濃度沿著磨刀門水道沿程減小。小潮期間潮動力較弱，徑流作用相對較強，使得小潮期間NO3的值比大潮期間偏高。磨刀門河口小潮期間 NH4變化范圍分別為 0.79～1.49 mg/L（M1）和 0.96～3.87 mg/L（M2）。NH4稱為可再生營養鹽，可以由海底沉積物中的有機物質通過礦化作用重新生成。它的來源除了隨徑流輸入外，還可以通過底層水體與海底沉積物的界面動力過程重新進入水體[24]。口門外比口門內的潮汐動力更強，表底層水體的交換更強烈，海底沉積物釋放的NH4更容易進入水體，使得磨刀門口門NH4濃度值比磨刀門水道偏高。從氮營養鹽的形態比例來看，可溶性無機氮為主要成分，平均所占比例：大潮 M1、M2站位分別為84%、64%，小潮分別為79%、75%。磨刀門河口 PO4濃度變化范圍分別為 0.008～0.05 mg/L（M1）和 0.006～0.104 mg/L（M2）。從磷營養鹽的形態比例來看，可溶性無機磷占比較小。磨刀門河口氮磷營養鹽潮周期變化較大?？傮w來講，珠江磨刀門河口氮營養鹽主要由入海河流貢獻，而磷營養鹽來源與氮營養鹽不同，主要是珠江三角洲沿岸城市陸源排放和外海水團的輸入，而河流所攜帶的活性磷酸鹽不占主導地位。氮磷營養鹽與鹽度的相關關系亦說明其來源不同（圖5）。徑流對氮營養鹽的貢獻作用大于磷營養鹽。

表1 磨刀門河口枯季各項營養鹽基本統計值Table 1 Statistics of dissolved nutrients in the Modaomen estuary mg/L

海洋浮游生物N/P的正常摩爾比值為12～22，平均值為16，與大洋水體比例相似。水環境可利用的氮與磷在這一比例范圍被認為是最適宜浮游生物生長。磨刀門河口溶解態和顆粒態總量的氮磷比超出適宜范圍，說明該海域枯季氮營養鹽充足，其中浮游植物生長可利用的溶解態氮非常豐富，而可利用的溶解態磷顯得十分貧乏，表明磷是該水域浮游植物生長的主要限制因素，與石榮貴等[17]和林以安等[20]的研究結果相一致。

2.3 磨刀門河口浮游植物葉綠素a潮周期變化

葉綠素a是浮游植物體的重要組成部分，其含量可用于表征浮游植物的生物量。磨刀門河口浮游植物葉綠素a的潮周期變化如圖4所示。結果顯示，磨刀門河道掛定角（M1）浮游植物葉綠素a濃度的變化范圍為 0.77～10.92 μg/L，平均值為 3.16 μg/L，而大、小潮觀測期間均值分別為2.50和4.14 μg/L；磨刀門口門（M2）浮游植物葉綠素a濃度變化范圍為 0.70～9.01 μg/L，平均值為 2.99 μg/L，而大、小潮觀測期間均值分別為3.96和1.68 μg/L。故磨刀門河口浮游植物葉綠素a潮周期變化顯著。掛定角站位葉綠素a濃度比口門處偏大，且表層葉綠素a濃度較高，隨水深降低。浮游植物葉綠素a的剖面變化隨漲落潮出現高低相間。葉綠素a濃度變化是由多個環境因素共同決定的，而環境因素的變化很大程度上受到潮汐漲落的影響，如氮磷等營養鹽、鹽度等。磨刀門河口氮磷營養鹽潮周期變化較大。對于鹽度，漲潮時隨高鹽度海水入侵，鹽度升高；落潮時隨高鹽度海水后退，鹽度下降。同時，由于大小潮觀測期間均為風暴等惡劣天氣，雨水稀釋以及垂向混合多重作用下，葉綠素a的垂向分層現象和隨漲落潮的變化被弱化，導致分布特征相對不明顯。

圖4 珠江磨刀門河口浮游植物葉綠素a時間序列剖面Fig.4 Time series profiles of phytoplankton chlorophyll-a

2.4 磨刀門河口動力對氮磷營養鹽的影響

磨刀門河口氮磷等生源元素豐富，或流入外海，或被浮游植物吸收，或被吸附在泥沙顆粒上。圖5為氮磷營養鹽與鹽度的關系，氮營養鹽的濃度變化整體上表現為隨鹽度的升高而下降，顯示出外海水入侵稀釋和浮游植物吸收的影響，而磷營養鹽的趨勢不明顯。鹽度與營養鹽的負相關關系顯示了河口沖淡水對氮磷營養鹽的強稀釋-混合作用，極大地影響營養鹽的輸運過程，進而改變浮游植物葉綠素a的時空分布特征。圖6為總氮、總磷與濁度的關系，揭示了懸沙對氮磷營養鹽的吸附作用。結果顯示，懸沙對磷營養鹽的吸附作用大于氮營養鹽。磷營養鹽是水體富營養化的主要控制性因子之一（另一主要控制因子為氮營養鹽），其與泥沙顆粒表面具有很強的親和性[20]。水體中的磷大部分被泥沙顆粒吸附，并隨著泥沙顆粒的運動而發生遷移轉化。而濁度與含沙量的顯著正相關關系說明濁度可以指示含沙量的濃度變化，水體越渾濁，含沙量濃度越高（圖6c，R2=0.67～0.80）。

圖5 珠江磨刀門河口氮磷營養鹽與鹽度的關系Fig.5 Correlations between dissolved nutrients and salinity in the Modaomen estuary

為探究磨刀門河口枯季水環境的主控因子，對環境變量DIN、PO4、TN、TP、溫度、鹽度和含沙量進行主成分分析。結果顯示，磨刀門河道掛定角站位（M1）各個因子間顯著相關（P＜0.05）。根據特征值＞1，提取前 3個主成分，其累計貢獻率達62%，能夠代表環境變量的大部分信息。圖7-a顯示掛定角前2個主成分旋轉因子載荷，第一主成分主要由TN和DIN主導（特征值為1.853）；第二主成分含沙量和鹽度貢獻較多（特征值為1.445）。各個主成分相互獨立，揭示了不同類型影響因素對磨刀門河口水環境的貢獻。其中，第一主成分的貢獻率為26%，是河口水環境的關鍵影響因素，代表了水體氮營養鹽的水平；第二主成分的貢獻率為21%，是河口水環境的重要影響因素，代表了河口物理屬性的影響作用。綜上所述，氮營養鹽為磨刀門水道水環境的主要影響因素。

磨刀門口門（M2）各個因子間也表現為顯著相關，前3個主成分累計貢獻率達61%。與磨刀門水道掛定角不同，磨刀門口門第一主成分中含沙量、溫度和鹽度的貢獻較多（特征值為 1.828，占總方差的26%），如圖7-b；第二主成分TN和DIN為主導因素（特征值為1.410，占總方差20%）。因此，磨刀門口門物理屬性為水環境的主要控制因素。

對比磨刀門水道和口門，越靠近上游，受高營養徑流的影響越大，營養鹽成為河口水環境的主導因素，河口動力次之；越靠近外海，低營養海水沖淡作用顯著，高營養徑流的影響削弱，河口動力占優勢，成為河口水環境的主導因素，營養鹽次之。同時，磨刀門河口水環境主成分分析結果也顯示了鹽度與氮營養鹽的負相關關系，與圖5分析結果一致。

圖6 磨刀門河口總氮、總磷、含沙量與濁度的關系Fig.6 Correlations of TN, TP, suspended sediment and turbidity in the Modaomen estuary

圖7 珠江磨刀門河口水環境主成分分析Fig.7 Component loadings of environmental factors by PCA in the Modaomen estuary

2.5 量化環境因子對浮游植物葉綠素a的驅動作用

基于 Pearson相關分析和主成分分析結果，SEM模型考慮了各因子間的直接和間接影響，可以得到各個因子對浮游植物葉綠素a的路徑系數（標準化回歸系數），其數值大小表示各因子對浮游植物葉綠素a的影響程度，數值越大影響越大。

為定量分析物理因素（溫度、鹽度和含沙量）和化學因素（DIN、PO4、TN和TP）對浮游植物葉綠素a的影響，采用SEM模型一（圖2-a）對磨刀門河口多個環境因子進行分析。與SEM模型二（圖2-b）相比，模型一簡化了各因子間的復雜關系。表2顯示了SEM模型的路徑系數，模型一結果與PCA計算結果相呼應，顯示磨刀門水道掛定角化學指標為主，而口門處物理指標占主導。為定量研究多個環境因子對浮游植物葉綠素a的共同影響，采用模型二（圖2-b）計算各環境因子對磨刀門河口枯季浮游植物的驅動優先度，如表2和圖8所示。磨刀門水道掛定角浮游植物葉綠素a的優先驅動因子為磷營養鹽；口門處優先驅動因子為鹽度，其與觀測位置、徑-潮動力及氮磷營養鹽的主要來源有關。

表2 磨刀門河口浮游植物與多重環境因子路徑參數Table 2 Path coefficient of phytoplankton chlorophyll a and multiple environmental factors

圖8 磨刀門河口各影響因子對葉綠素a的驅動優先度Fig.8 Driver priority of phytoplankton chlorophyll a in the Modaomen estuary

磨刀門河口 SEM 結果顯示，河口適宜的溫度有助于浮游植物的生長，溫度的驅動作用較大；氮營養鹽豐富，磷含量相對較小，磷限制了磨刀門河口浮游植物的生長，與前期研究一致[17,20,25]；鹽度和含沙量對浮游植物葉綠素a的影響主要表現為間接作用，而其對營養鹽的直接影響較顯著。外海水團對氮營養鹽的稀釋-混合作用強于磷營養鹽，M1站位路徑系數分別為-0.051和-0.04，M2站位路徑系數分別為-0.392和-0.303，同時表征了鹽度與營養鹽的負相關關系，與圖5分析結果一致。懸浮泥沙對磷營養鹽的吸附作用強于氮營養鹽，M1站位路徑系數分別為0.19和0.004，M2站位路徑系數分別為0.199和0.166，也反映了營養鹽和濁度的正相關關系，與圖6分析結果吻合。磨刀門河口受沖淡水影響，環境復雜，河口不同位置的動力結構不同，浮游植物葉綠素 a的主要影響因子也相應發生變化。在磨刀門水道掛定角，化學指標占優勢，是由于受高營養徑流影響較大；根據營養鹽結構（N/P）該站位表現為磷限制，磷營養鹽的驅動優先度較高，成為浮游植物葉綠素a的主要限制因子；受高鹽度低營養海水的影響較小，鹽度的驅動作用較弱。磨刀門口門處，鹽淡水混合作用強烈，受高鹽度低營養海水的影響較大，表現為物理指標占主導；相比于氮營養鹽，磷營養鹽的貢獻更大，亦表征了磷營養鹽對浮游植物葉綠素a的限制作用。綜上所述，磨刀門河口枯季浮游植物葉綠素a的主要控制因子為磷營養鹽、溫度、鹽度和含沙量。

3 結論

綜合上述，珠江磨刀門河口枯季現場調查的結果及討論分析得出結論，磨刀門河口枯季浮游植物葉綠素a濃度隨潮汐漲落的變化較顯著（0.70～10.92μg/L），是河口物理化學多因素共同作用的結果，其中河口動力結構為關鍵驅動因子（如鹽度、含沙量等）；基于徑流和河口區周圍污染物的排放，磨刀門河口枯季氮營養鹽比較豐富，而磷營養鹽相對較貧乏，磷營養鹽限制了該區域浮游植物的生長，故此研究中磷營養鹽屬于浮游植物葉綠素a的較敏感因子，同時也顯示了氮磷等營養鹽來源的不同，其中氮營養鹽主要來源于徑流的攜帶，而磷營養鹽主要來源于周圍污染物的排放和有機磷的再生；河口受徑-潮動力相互作用，掛定角（強徑流，弱潮流）氮磷等營養鹽為水環境的主導因素，河口物理屬性次之；口門處（弱徑流，強潮流），河口物理屬性貢獻較多。結構方程模型（SEM）考慮各環境因子間的相互關系，確定了磨刀門河口浮游植物葉綠素a的主要驅動因子（磷營養鹽、溫度、鹽度和含沙量），即表征了浮游植物生物量對徑流（營養鹽、含沙量）和潮流（鹽度）的響應關系。