秦皇島海域營養鹽與葉綠素a的特征多元分析

楊雯　李微微

摘要：根據2019年4—10月對秦皇島海域水質要素和葉綠素a的連續監測數據，分析營養鹽與葉綠素a的季節性變化，并對監測數據進行了相關性和逐步回歸分析，找出與葉綠素a顯著相關的環境因子，建立多元線性回歸方程。結果表明，秦皇島海域營養鹽與葉綠素a具有季節性變化，夏季氮高磷低海域存在明顯的磷限制，而夏季水溫、光照適宜，浮游植物生長迅速，葉綠素a濃度約為春、秋季節的3倍。運用多元分析手段分析環境因子與葉綠素a之間的復雜關系，得出結論：影響葉綠素a含量的主要環境因子為pH值、水溫、溶解氧，其中水溫的影響最大。

關鍵詞：秦皇島;營養鹽;葉綠素a;相關分析

海水中的營養鹽是影響海洋動植物生長發育和繁殖的重要影響因素，其濃度變化會影響海洋生物種群結構[1]。水體中N、P營養鹽含量過高會造成水質惡化，使水體富營養化，甚至發生赤潮，給海洋整體環境造成極大危害[2-3]。N、P、Si又是海洋生物所需的基本營養元素，若缺乏任一種營養鹽會成為該水域的限制因素，葉綠素a是海洋浮游植物表征藻類現存量的重要標準之一[4-6]。秦皇島市位于渤海峽灣，海洋岸線全長約162.7 km，公共浴場、旅游勝地眾多，沿海物產豐富，研究海洋營養鹽和葉綠素a的水體環境特征及富營養化情況科學意義重大[7]。

1調查方法

1.1調查區域與時間

調查區域為39.84°—39.91°N，119.53°—119.67°E，秦皇島近岸海域，在2019年的4—10月份分別對秦皇島附近海域布設的15個站位表層水質進行了調查，具體調查站位分布詳見圖1。

1.2調查要素及測定方法

調查水質要素包括水溫、pH值、鹽度、濁度、溶解氧、化學需氧量、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽、活性硅酸鹽和葉綠素a。監測要素樣品按GB 17378-2007《海洋監測規范》[8]中的方法進行采集、處理、保存、運輸及分析。使用有機玻璃采水器在各站位采集水樣，水樣采表層（水面下0.5 m），樣品按《海洋監測規范》第四部分：海水分析（GB 17378.4-2007）[9]測定，檢測項目包括pH值、鹽度、溶解氧（DO）、活性磷酸鹽（PO-P即DIP）、三氮之和即DIN，包括硝酸氮（NO-N）、亞硝酸氮（NO-N）和銨氮（NH-N）、活性硅酸鹽（SiO-Si）和葉綠素a（Chl-a），測定方法分別采用pH計法、鹽度計法、碘量法、磷鉬藍分光光度法、鋅-鎘還原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法、硅鉬黃法、可見分光光度法，水溫和濁度分別采用水溫計和濁度計測定。

利用SPSS Statistics 23.0統計軟件對各環境因子（表層水溫、鹽度、pH值、DO、NH-N、NO-N、NO-N、DIN、PO-P、SiO-Si、N/P）和葉綠素a進行相關分析，并計算葉綠素a與環境因子的逐步回歸方程。

2結果與分析

2.1水文要素分析

由圖2可知，2019年秦皇島海域監測區域平均水溫最低值為6.8 ℃，出現在4月，最高值為30.0 ℃，出現在8月。水溫的季節性變化比較明顯，8月上旬之前水溫一直升高，然后逐漸下降。圖3顯示，秦皇島近岸監測海域濁度最低值在7月為2.9度，最高值為10.8度，出現在6月。6月水溫明顯升高，受微型藻類影響水色略變差濁度升高，但持續時間較短，整體來看濁度狀況良好。

2.2水質單要素分析

圖4—圖7為水質各監測要素在2019年4月至10月平均值的變化曲線。pH值平均值最低在9月，為7.92，最高值為8.20，出現在4月份，pH值在合理范圍內波動。鹽度均值最低值在8月，為29.485‰;最高值在4月，為32.578‰，鹽度變化大致呈現出逐漸降低的趨勢，僅在8月份鹽度值驟然降低，與夏季降水量增多等因素有關。DO均值最低值在9月，為7.81 mg/L;最高值出現在4月，為11.0 mg/L，監測結果看，水體中DO含量較高，氧含量豐富。DIN濃度最低均值出現在7月，為0.070 9 mg/L;在8月份最高，為0.220 mg/L，按國家海水水質標準（GB 3097—1997）[10]中海水水質DIN含量評價標準，8月份略超第一類海水評價標準，其他月份均在第一類海水標準以內。DIP濃度有先下降后升高的趨勢，7月份濃度平均值最低，為0.003 47 mg/L;最高值在10月份，為0.0145 mg/L，各月份濃度值波動較大，均符合第一類海水水質標準。葉綠素a濃度值先上升后下降，6—8月濃度值相對較高，葉綠素a濃度最低，為1.19 μg/L，出現在10月;最高值在8月份，為9.43 μg/L?；钚怨杷猁}在一定范圍內上下浮動變化，最低均值出現在7月，為0.350 mg/L;最高值出現在10月，為1.12 mg/L。

3討論

3.1營養鹽與葉綠素a狀況分析

將監測月份按季節進行劃分，4—5月為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季，溫度呈季節性變化，主要要素參數值見表1。在春季DIN濃度平均值為0.134 mg/L，濃度變化差異性較小。在夏季DIN濃度范圍0.041 3～0.810 mg/L，平均值為0.128 mg/L，8月份10站位DIN濃度偏高，該站位鄰近湯河口且8月降水量較多，陸源輸入是影響DIN濃度的主要因素。在秋季DIN濃度范圍0.062 9～0.227 mg/L，平均值為0.136 mg/L，DIN濃度均值變化較為平穩。

在春季DIP濃度范圍0.004 50～0.029 8 mg/L，平均值為0.011 5 mg/L。在秋季DIP濃度范圍0.003 47～0.025 5 mg/L，平均值為0.011 4 mg/L。在夏季DIP濃度范圍0.001 75～0.039 4 mg/L，平均值為0.005 23 mg/L，相比較春季和秋季DIP濃度值，夏季DIP濃度變化范圍較為平穩且相對較低，分析原因可能是夏季浮游植物大量生長，消耗了水體中的DIP，致使DIP濃度降低。

在春季SiO-Si濃度范圍0.088 8～1.05 mg/L，平均值為0.577 mg/L，在夏季SiO-Si濃度范圍0.154～3.83 mg/L，平均值為0.746 mg/L，在秋季SiO-Si濃度范圍0.271～1.59 mg/L，平均值為0.736 mg/L。SiO-Si濃度值季節性變化不顯著，夏季SiO₃-Si濃度相對春季、秋季略高。

春季葉綠素a濃度范圍0.709～4.61 μg/L，平均值為2.32 μg/L，夏季葉綠素a濃度范圍1.46～26.8 μg/L，平均值為8.18 μg/L，秋季葉綠素a濃度范圍0.626～8.35 μg/L，平均值為2.43 μg/L。葉綠素a濃度值季節性變化顯著，夏季葉綠素a濃度約為春季、秋季的3倍以上。

Justic等[11]和Dortch等[12]通過營養鹽對浮游植物的影響，提出了判定營養鹽限制性情況的方法：（a）Si/P>22和N/P>22，DIP為限制因子;（b）Si/N>1和N/P<10，DIN為限制因子;（c）Si/P<10和Si/N<1，SiO-Si為限制因子。春季、夏季和秋季的N/P均值分別為15.0、33.2、14.8，Si/N均值分別為4.63、7.45、5.14，Si/P均值分別為59.8、183、71.2。由此判斷分析，秦皇島海域主要以P限制為主，其次是N限制，夏季N/P和Si/P均值較高，DIP濃度較低，而葉綠素a的濃度較春季和秋季略高，可能與營養鹽的結構有關，N營養過剩和P營養不足，存在明顯的P限制。

3.2環境因子與葉綠素a的多元分析

3.2.1環境因子與葉綠素a的相關分析

海水的各項環境因子對葉綠素a濃度有著直接或間接的影響[13]。一般情況下浮游植物的生長受到營養鹽、光照、水溫、海洋動力過程等環境因素的影響[14]。對春、夏、秋3個季節和全年的環境因子與葉綠素a分別進行相關性分析（表2），春季葉綠素a與鹽度呈極顯著負相關;夏季與水溫呈極顯著正相關，與溶解氧呈顯著正相關，與無機氮呈顯著負相關;秋季與各環境因子相關性不顯著;整體上，葉綠素a與水溫呈極顯著正相關，與DIN、DIP呈現顯著和極顯著負相關但相關性程度不高。

營養鹽與葉綠素a之間的關系較為復雜，海水中的營養鹽是浮游植物生長的必要條件，其含量的變化可以影響浮游植物數量及種類的變化。夏季降雨量大導致陸源輸入的營養物質增多，而浮游植物一般以一定的比例（Redfield比[15]16∶1）從海水中吸收N、P元素，夏季高濃度的N使N/P嚴重偏離Redfield比，浮游植物的生長受到了限制。夏季氣溫、光照條件適宜，有利于浮游植物的生長，該季節葉綠素a濃度約為春季、秋季的3倍，浮游植物生長旺盛在短期內消耗了大量的營養鹽。總體上看，調查海域營養鹽與葉綠素a之間的相關性不顯著。

3.2.2環境因子與葉綠素a的逐步回歸分析

隨著季節的變化，葉綠素a與環境因子之間存在著不同的關系，現采用全年監測數據利用逐步回歸的方法篩選出相對較為重要的因子[13]，建立多元線性回歸方程。秦皇島海域葉綠素a與環境因子的逐步回歸分析結果如下：

Chl-a=-0.092+0.009×pH+0.001×T+0.001×DO

式中：Chl-a為葉綠素a，mg/L;pH為pH值;T為水溫，℃;DO為溶解氧，mg/L。

方程通過顯著性（P<0.05）和數據獨立性檢驗（D-W=2.051），復相關系數為0.571，校正后為0.554，模型對因變量的解釋度較好，且所有自變量的容錯度大于0.6，各自變量之間的共線性程度很低。由上述方程得出在調查海域影響葉綠素a的主要因子是pH值、水溫、DO。pH值主要由海水中CO的含量決定[16]，DO、CO為浮游植物的生長提供了必不可少的原料，水溫影響到浮游植物繁殖需要的熱量[17]。3個自變量的標準化回歸系數分別為0.253、0.745、0.292，表明水溫對葉綠素a的影響最大。整體來看，營養鹽對葉綠素a的影響不大。

4結論

秦皇島海域營養鹽變化受陸源徑流輸入和浮游植物生長影響，夏季無機氮部分站位超一類海水水質標準;受浮游植物大量生長影響，活性磷酸鹽短期內被大量消耗，夏季活性磷酸鹽含量較低;硅酸鹽季節性變化不顯著。

4—10月連續監測數據表明，葉綠素a季節性變化顯著，春、秋季節含量基本持平，夏季含量較高約為春、秋季節的3倍。

運用多元分析手段分析環境因子與葉綠素a之間的復雜關系，建立了具有較好解釋度的多元線性模型，得出影響葉綠素a含量的主要環境因子為pH值、水溫、溶解氧，其中水溫的影響最大。

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