珠江磨刀门河口枯季叶绿素a环境因子驱动分析

罗珮珍，牛丽霞，罗向欣，蔡华阳，杨清书

（1.中山大学海洋科学学院，广东 广州，510275；2.中山大学海洋工程与技术学院，广东 珠海，519082；3.广东省海岸与岛礁工程技术研究中心，广东 广州，510006）

河口是连接陆地与海洋的过渡带，是陆源污染物由河流向海输送的必经之道，区位独特，环境特殊，生物地球化学过程复杂多变[1-2]。河口也是河流和海洋强相互作用的复杂区域，受径-潮动力的相互影响，该区域水文、水质及生态成为河口生态系统研究的关注点。浮游植物是生态系统的重要指标之一，是初级生产力的主要贡献者，促进海-气的能量交换，对气候调节、碳汇和富氧过程起着至关重要的作用；浮游植物是海洋食物链的基础，为海洋生物提供直接的食物来源[3]。因此，研究河口浮游植物的生态动力结构具重要科学意义。叶绿素a作为反映水体富营养化程度及藻类数量多寡的综合指标, 其浓度高低可指示浮游植物生物量变化的趋势[4-6]。

我国河口海湾的营养物质水平和富营养化程度表现出较明显的多样性。一方面受沿岸开发强度、污染源输入规模、管理模式等人为因素影响，另一方面与河口海湾自身的地貌形态、水沙条件、水交换周期等自然因素有关。近年来珠江三角洲的经济和城市化迅速发展，大量氮、磷和有机污染物通过八大口门（图1，虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、虎跳门、鸡啼门和崖门）进入珠江口并输送至南海。过量营养盐破坏了水体中营养结构的生态平衡，易造成富营养化现象，致使浮游植物大量繁殖，多次引发赤潮，严重威胁渔业资源和河口环境[7]。关于河口物理化学因子对浮游植物的影响已有较多研究[8-10]，而珠江磨刀门河口浮游植物叶绿素a的分布特征及其环境控制因素的研究相对较少。

本研究基于珠江磨刀门河口2017年1月13－20日水文水质多要素连续观测数据，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和结构方程模型（structural equation modeling，SEM）定量研究河口浮游植物叶绿素a对环境因子的响应关系，分析物理因素和化学因素的贡献，揭示河口浮游植物叶绿素a水文水质多要素的共同驱动作用，为珠江河口污染治理及生态修复提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

珠江磨刀门河口是西江干流的主要入海口（图1），是高明市、鹤山市和江门市污染物入海的主要运输通道。在珠江八大口门中，输水、输沙量最大。磨刀门灯笼山站年均净泄量为8.83×1 010m3，占上游西、北江来水量的 31.85%；年均输沙总量为2.34×107t，占八大口门出海总沙量的33%。磨刀门为典型的以河流作用为主的河口，其径流作用强，潮流作用相对较弱，山潮比为5.77。磨刀门属弱潮河口，潮汐属于不正规半日混合潮类型，潮差较小，一般为1 m左右，通常是枯水期大于汛期。磨刀门河口的水文动力存在明显的季节变化，汛期径流量占年总量的76.9%，枯水期径流量占年总量的23.19 %。洪季径流较强，潮流界往往被外推至口门附近，枯季径流减弱而潮汐动力相对增强，潮流界上溯至西江下游的永安-高要之间，距口门150～200 km[11]。

1.2 样品采集和处理

在珠江磨刀门河口布设2个站点进行水文水质多要素现场连续观测（图1），分别位于磨刀门水道挂定角（M1；113°25′7″E，22°11′5″N）和横琴岛西南方（M2，即磨刀门口门；113°26′54″E，22°3′20″N）。现场连续观测时间为2017年1月13－14日（大潮）和19－20日（小潮）。2个站点的布设均用来分析浮游植物叶绿素a对多个环境因子的响应。

图1 珠江磨刀门河口位置及采样点布设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

使用有机玻璃采水器，每2 h采集表（0.2 H，H代表水深）、中（0.6 H）、底（0.8 H）3层的水样。水文要素温度、盐度、水深和浊度使用optical backscatter point sensor（OBS-3A）现场测定。采样过程中使用手持GPS实时进行观测点位矫正。用于含沙量和溶解性氮磷营养盐分析的水样，使用经预处理的0.45 µm水系微孔滤膜现场抽滤，滤液冰冻保存，与滤膜一起带回室内分析，其中NO3测定采用锌镉还原法；NH4测定采用次溴酸钠氧化法；PO4测定采用抗坏血酸还原磷钼蓝法。用于TN和 TP测试分析的样品，现场添加50%体积分数的硫酸，采用过硫酸钾氧化法测定。用于浮游植物叶绿素 a测试的水样，现场添加碳酸镁，采用萃取荧光法进行测定。所有样品的采集、运输及处理均按照《海洋监测规范》和《海洋调查规范》的要求执行。

1.3 数据分析

本研究采用 Pearson相关分析、主成分分析（PCA）以及结构方程模型（SEM）等方法研究磨刀门河口浮游植物叶绿素a及其驱动因子的潮周期变化，探讨河口动力（温度、盐度、含沙量等）对氮磷营养盐的影响，揭示河口动力和营养盐对浮游植物叶绿素 a的共同影响。PCA使用IBM SPSS软件完成，SEM使用IBM AMOS软件完成。Pearson相关分析仅能反应浮游植物叶绿素a与环境变量之间的线性相关关系，不能解释变量之间的因果关系；主成分分析可判断主要影响因素，但不能量化各个因素的贡献，且不能分辨各个因子直接和间接影响[12]；SEM是一种包含因子分析和路径分析的多元统计方法，即包含相关分析和主成分分析，能够解决不可直接观测的变量问题，同时处理多个因变量的相互作用，能有效解释变量的中介效应，并允许自变量和因变量均包含测量误差，弥补了传统统计方法不足[13-14]。SEM模型也已在经济、科学、生态环境等领域得到广泛应用[15-16]。

物理-化学（如温度、盐度、含沙量、各项营养盐、溶解氧、化学需氧量、风应力等）和生物特性（如生长率、死亡率、被捕食率等）决定着浮游植物的变化趋势。而环境变量之间相互关联，相互影响，增加了量化浮游植物对环境变量响应的分析难度。本研究采用PCA分析物理和化学因子的影响；基于Pearson相关分析和PCA分析结果，采用SEM确定浮游植物驱动因子的优先级，并揭示关键因子的直接和间接影响。图2展示了磨刀门河口模型构建示意图，其中e1-e8为误差项。模型一（图2-a）简化各因子间的复杂关系，借助2个潜在变量来定量分析物理因素和化学因素分别对浮游植物叶绿素 a的影响；模型二（图2-b）考虑了各因子间的主要相互关系，定量分析多因子对浮游植物叶绿素a的影响。

图2 珠江磨刀门河口浮游植物叶绿素a结构方程模型（SEM ）Fig.2 Theoretical model structure between phytoplankton chlorophyll a and multiple environmental drivers

2 结果与讨论

河口动力和氮磷等营养盐分别是浮游植物生长的能量源和物质源。磨刀门河口具独特的能量源和物质源，且能量源控制物质源的时空特性，即河口动力结构控制氮磷营养盐的迁移转化，为浮游植物的生长提供了适宜的生存环境。

2.1 磨刀门河口动力潮周期变化

2.1.1 水温 磨刀门河口水体温度的变化如图3-a

和3-b所示。结果显示，两个站位的水温均从表层向底层递减，表底层水温变化幅度不大（＜1℃），与 2011年枯季调查结果一致，反映了太阳辐照对水体温度的影响[17]。挂定角大潮和小潮期间的平均水温分别为19.14℃和18.09℃；磨刀门口门大潮和小潮期间的平均水温分别为19.01℃和18.48℃。同一时间，不同站位的水温有微小差异。相比于挂定角，磨刀门口门更靠近外海，受海水影响较大，大小潮平均水温差异较小。

2.1.2 盐度 磨刀门河口的典型特征表现为“强径流，弱潮流”。在丰水期，磨刀门河口受低盐度高营养盐的冲淡水团控制；而在枯水期，则以高盐度低营养盐的河口冲淡水为主体。受“径-潮”动力相互影响，盐淡水的分层或强烈混合导致营养盐分布及其结构（即N/P比值）发生剧烈变化，从而影响浮游植物的时空分布，其变化特点主要是河口动力的驱动。磨刀门河口枯季盐水团随潮流从外海进入磨刀门并向上游入侵，近几年，最大咸界位于马角水闸至南镇水厂之间， 最小咸界位于大涌口水闸至灯笼山水闸之间[18]。磨刀门河口枯季潮周期盐度变化如图3-c、3-d所示。结果表明，盐度从表层到底层逐渐增加，且从上游向口门逐渐增大。大潮时M1、M2站位的平均盐度分别为7.6、21.1；小潮时M1、M2站位的平均盐度分别为6.6、18.6。故磨刀门河口盐度潮周期差异显著。M1站位于河口上游，径流作用大，盐度相对较小；M2位于口门靠海一侧，盐度较大，盐淡水混合较强烈。同一站位，涨潮时随高盐度海水入侵，盐度升高；落潮时随高盐度海水后退，盐度下降。采用Hansen和Rattray所提出的分层参数 N来分析磨刀门河口盐淡水混合情况[19]。结果显示，M1站位大潮时主要表现为部分混合型，小潮时属于高度分层型，与 2011年枯季小潮（2011年1月25－26日）调查结果略有差异[17]，而M2站位大小潮都属于部分混合型。

图3 珠江磨刀门河口动力参数的潮周期变化Fig.3 Variations in water temperature, salinity and suspended sediment concentration in the Modaomen estuary

2.1.3 含沙量 泥沙是营养盐的重要载体，营养盐易被吸附在泥沙颗粒上，不同动力结构悬沙自身物理特性及悬沙的环境行为存在明显差异。营养盐或表现为随水流输运，或富集在表层沉积物中，或从表层沉积物中再悬浮/解吸而再次进入水体，从而改变营养盐结构和浮游植物的分布[20]。磨刀门河口枯季含沙量潮周期变化如图3-e、3-f所示。大潮观测期间，挂定角和磨刀门口门含沙量变化范围分别为0.003～0.085 kg/m3和 0.002～0.113 kg/m3，平均值分别为0.016 kg/m3和0.036 kg/m3；小潮观测期间，含沙量变化范围分别为 0.000 7～0.014 kg/m3和0.000 7～0.056 kg/m3，平均值分别为0.007 kg/m3和0.013 kg/m3。磨刀门河口含沙量垂向分布均表现为从表层到底层逐渐增大。挂定角的含沙量低于磨刀门口门，表现为沿磨刀门水道逐渐增大，这与枯季口门处动力最强有关；口门处波浪作用较强，波浪有一定的掀沙作用，导致口门处含沙量相对较大[11]。大潮期间强动力，水流挟沙能力和掀沙作用也相应增强，因此同一站位大潮的含沙量比小潮的含沙量偏大。结果显示磨刀门河口含沙量随潮汐涨落的差异显著。

2.2 磨刀门河口营养盐潮周期变化

受径-潮动力的强相互作用，营养盐及其结构表现出较强的时空差异[21-22]。营养盐氮在河口稀释混合过程中一般比较保守，而营养盐磷则呈现较复杂的行为特征[23]。

磨刀门河口各项营养盐的基本统计量如表1所示。结果显示，大潮观测期间，磨刀门水道挂定角（M1）NO3变化范围为 0.002～1.89 mg/L，平均浓度为0.48 mg/L；磨刀门口门（M2）NO3浓度变化为0.005～0.72 mg/L，平均浓度为0.19 mg/L。小潮观测期间，2个站位 NO3浓度变化范围分别为0.042～2.52 mg/L（M1）和 0.035～1.45 mg/L（M2），与 2011年枯季小潮灯笼山的观测结果相比[17]，均呈现明显的潮周期差异，且表层浓度低于底层。磨刀门河口区NO3主要来源于径流输入，部分由外海水团携带，使得 NO3浓度沿着磨刀门水道沿程减小。小潮期间潮动力较弱，径流作用相对较强，使得小潮期间NO3的值比大潮期间偏高。磨刀门河口小潮期间 NH4变化范围分别为 0.79～1.49 mg/L（M1）和 0.96～3.87 mg/L（M2）。NH4称为可再生营养盐，可以由海底沉积物中的有机物质通过矿化作用重新生成。它的来源除了随径流输入外，还可以通过底层水体与海底沉积物的界面动力过程重新进入水体[24]。口门外比口门内的潮汐动力更强，表底层水体的交换更强烈，海底沉积物释放的NH4更容易进入水体，使得磨刀门口门NH4浓度值比磨刀门水道偏高。从氮营养盐的形态比例来看，可溶性无机氮为主要成分，平均所占比例：大潮 M1、M2站位分别为84%、64%，小潮分别为79%、75%。磨刀门河口 PO4浓度变化范围分别为 0.008～0.05 mg/L（M1）和 0.006～0.104 mg/L（M2）。从磷营养盐的形态比例来看，可溶性无机磷占比较小。磨刀门河口氮磷营养盐潮周期变化较大。总体来讲，珠江磨刀门河口氮营养盐主要由入海河流贡献，而磷营养盐来源与氮营养盐不同，主要是珠江三角洲沿岸城市陆源排放和外海水团的输入，而河流所携带的活性磷酸盐不占主导地位。氮磷营养盐与盐度的相关关系亦说明其来源不同（图5）。径流对氮营养盐的贡献作用大于磷营养盐。

表1 磨刀门河口枯季各项营养盐基本统计值Table 1 Statistics of dissolved nutrients in the Modaomen estuary mg/L

海洋浮游生物N/P的正常摩尔比值为12～22，平均值为16，与大洋水体比例相似。水环境可利用的氮与磷在这一比例范围被认为是最适宜浮游生物生长。磨刀门河口溶解态和颗粒态总量的氮磷比超出适宜范围，说明该海域枯季氮营养盐充足，其中浮游植物生长可利用的溶解态氮非常丰富，而可利用的溶解态磷显得十分贫乏，表明磷是该水域浮游植物生长的主要限制因素，与石荣贵等[17]和林以安等[20]的研究结果相一致。

2.3 磨刀门河口浮游植物叶绿素a潮周期变化

叶绿素a是浮游植物体的重要组成部分，其含量可用于表征浮游植物的生物量。磨刀门河口浮游植物叶绿素a的潮周期变化如图4所示。结果显示，磨刀门河道挂定角（M1）浮游植物叶绿素a浓度的变化范围为 0.77～10.92 µg/L，平均值为 3.16 µg/L，而大、小潮观测期间均值分别为2.50和4.14 µg/L；磨刀门口门（M2）浮游植物叶绿素a浓度变化范围为 0.70～9.01 µg/L，平均值为 2.99 µg/L，而大、小潮观测期间均值分别为3.96和1.68 µg/L。故磨刀门河口浮游植物叶绿素a潮周期变化显著。挂定角站位叶绿素a浓度比口门处偏大，且表层叶绿素a浓度较高，随水深降低。浮游植物叶绿素a的剖面变化随涨落潮出现高低相间。叶绿素a浓度变化是由多个环境因素共同决定的，而环境因素的变化很大程度上受到潮汐涨落的影响，如氮磷等营养盐、盐度等。磨刀门河口氮磷营养盐潮周期变化较大。对于盐度，涨潮时随高盐度海水入侵，盐度升高；落潮时随高盐度海水后退，盐度下降。同时，由于大小潮观测期间均为风暴等恶劣天气，雨水稀释以及垂向混合多重作用下，叶绿素a的垂向分层现象和随涨落潮的变化被弱化，导致分布特征相对不明显。

图4 珠江磨刀门河口浮游植物叶绿素a时间序列剖面Fig.4 Time series profiles of phytoplankton chlorophyll-a

2.4 磨刀门河口动力对氮磷营养盐的影响

磨刀门河口氮磷等生源元素丰富，或流入外海，或被浮游植物吸收，或被吸附在泥沙颗粒上。图5为氮磷营养盐与盐度的关系，氮营养盐的浓度变化整体上表现为随盐度的升高而下降，显示出外海水入侵稀释和浮游植物吸收的影响，而磷营养盐的趋势不明显。盐度与营养盐的负相关关系显示了河口冲淡水对氮磷营养盐的强稀释-混合作用，极大地影响营养盐的输运过程，进而改变浮游植物叶绿素a的时空分布特征。图6为总氮、总磷与浊度的关系，揭示了悬沙对氮磷营养盐的吸附作用。结果显示，悬沙对磷营养盐的吸附作用大于氮营养盐。磷营养盐是水体富营养化的主要控制性因子之一（另一主要控制因子为氮营养盐），其与泥沙颗粒表面具有很强的亲和性[20]。水体中的磷大部分被泥沙颗粒吸附，并随着泥沙颗粒的运动而发生迁移转化。而浊度与含沙量的显著正相关关系说明浊度可以指示含沙量的浓度变化，水体越浑浊，含沙量浓度越高（图6c，R2=0.67～0.80）。

图5 珠江磨刀门河口氮磷营养盐与盐度的关系Fig.5 Correlations between dissolved nutrients and salinity in the Modaomen estuary

为探究磨刀门河口枯季水环境的主控因子，对环境变量DIN、PO4、TN、TP、温度、盐度和含沙量进行主成分分析。结果显示，磨刀门河道挂定角站位（M1）各个因子间显著相关（P＜0.05）。根据特征值＞1，提取前 3个主成分，其累计贡献率达62%，能够代表环境变量的大部分信息。图7-a显示挂定角前2个主成分旋转因子载荷，第一主成分主要由TN和DIN主导（特征值为1.853）；第二主成分含沙量和盐度贡献较多（特征值为1.445）。各个主成分相互独立，揭示了不同类型影响因素对磨刀门河口水环境的贡献。其中，第一主成分的贡献率为26%，是河口水环境的关键影响因素，代表了水体氮营养盐的水平；第二主成分的贡献率为21%，是河口水环境的重要影响因素，代表了河口物理属性的影响作用。综上所述，氮营养盐为磨刀门水道水环境的主要影响因素。

磨刀门口门（M2）各个因子间也表现为显著相关，前3个主成分累计贡献率达61%。与磨刀门水道挂定角不同，磨刀门口门第一主成分中含沙量、温度和盐度的贡献较多（特征值为 1.828，占总方差的26%），如图7-b；第二主成分TN和DIN为主导因素（特征值为1.410，占总方差20%）。因此，磨刀门口门物理属性为水环境的主要控制因素。

对比磨刀门水道和口门，越靠近上游，受高营养径流的影响越大，营养盐成为河口水环境的主导因素，河口动力次之；越靠近外海，低营养海水冲淡作用显著，高营养径流的影响削弱，河口动力占优势，成为河口水环境的主导因素，营养盐次之。同时，磨刀门河口水环境主成分分析结果也显示了盐度与氮营养盐的负相关关系，与图5分析结果一致。

图6 磨刀门河口总氮、总磷、含沙量与浊度的关系Fig.6 Correlations of TN, TP, suspended sediment and turbidity in the Modaomen estuary

图7 珠江磨刀门河口水环境主成分分析Fig.7 Component loadings of environmental factors by PCA in the Modaomen estuary

2.5 量化环境因子对浮游植物叶绿素a的驱动作用

基于 Pearson相关分析和主成分分析结果，SEM模型考虑了各因子间的直接和间接影响，可以得到各个因子对浮游植物叶绿素a的路径系数（标准化回归系数），其数值大小表示各因子对浮游植物叶绿素a的影响程度，数值越大影响越大。

为定量分析物理因素（温度、盐度和含沙量）和化学因素（DIN、PO4、TN和TP）对浮游植物叶绿素a的影响，采用SEM模型一（图2-a）对磨刀门河口多个环境因子进行分析。与SEM模型二（图2-b）相比，模型一简化了各因子间的复杂关系。表2显示了SEM模型的路径系数，模型一结果与PCA计算结果相呼应，显示磨刀门水道挂定角化学指标为主，而口门处物理指标占主导。为定量研究多个环境因子对浮游植物叶绿素a的共同影响，采用模型二（图2-b）计算各环境因子对磨刀门河口枯季浮游植物的驱动优先度，如表2和图8所示。磨刀门水道挂定角浮游植物叶绿素a的优先驱动因子为磷营养盐；口门处优先驱动因子为盐度，其与观测位置、径-潮动力及氮磷营养盐的主要来源有关。

表2 磨刀门河口浮游植物与多重环境因子路径参数Table 2 Path coefficient of phytoplankton chlorophyll a and multiple environmental factors

图8 磨刀门河口各影响因子对叶绿素a的驱动优先度Fig.8 Driver priority of phytoplankton chlorophyll a in the Modaomen estuary

磨刀门河口 SEM 结果显示，河口适宜的温度有助于浮游植物的生长，温度的驱动作用较大；氮营养盐丰富，磷含量相对较小，磷限制了磨刀门河口浮游植物的生长，与前期研究一致[17,20,25]；盐度和含沙量对浮游植物叶绿素a的影响主要表现为间接作用，而其对营养盐的直接影响较显著。外海水团对氮营养盐的稀释-混合作用强于磷营养盐，M1站位路径系数分别为-0.051和-0.04，M2站位路径系数分别为-0.392和-0.303，同时表征了盐度与营养盐的负相关关系，与图5分析结果一致。悬浮泥沙对磷营养盐的吸附作用强于氮营养盐，M1站位路径系数分别为0.19和0.004，M2站位路径系数分别为0.199和0.166，也反映了营养盐和浊度的正相关关系，与图6分析结果吻合。磨刀门河口受冲淡水影响，环境复杂，河口不同位置的动力结构不同，浮游植物叶绿素 a的主要影响因子也相应发生变化。在磨刀门水道挂定角，化学指标占优势，是由于受高营养径流影响较大；根据营养盐结构（N/P）该站位表现为磷限制，磷营养盐的驱动优先度较高，成为浮游植物叶绿素a的主要限制因子；受高盐度低营养海水的影响较小，盐度的驱动作用较弱。磨刀门口门处，盐淡水混合作用强烈，受高盐度低营养海水的影响较大，表现为物理指标占主导；相比于氮营养盐，磷营养盐的贡献更大，亦表征了磷营养盐对浮游植物叶绿素a的限制作用。综上所述，磨刀门河口枯季浮游植物叶绿素a的主要控制因子为磷营养盐、温度、盐度和含沙量。

3 结论

综合上述，珠江磨刀门河口枯季现场调查的结果及讨论分析得出结论，磨刀门河口枯季浮游植物叶绿素a浓度随潮汐涨落的变化较显著（0.70～10.92µg/L），是河口物理化学多因素共同作用的结果，其中河口动力结构为关键驱动因子（如盐度、含沙量等）；基于径流和河口区周围污染物的排放，磨刀门河口枯季氮营养盐比较丰富，而磷营养盐相对较贫乏，磷营养盐限制了该区域浮游植物的生长，故此研究中磷营养盐属于浮游植物叶绿素a的较敏感因子，同时也显示了氮磷等营养盐来源的不同，其中氮营养盐主要来源于径流的携带，而磷营养盐主要来源于周围污染物的排放和有机磷的再生；河口受径-潮动力相互作用，挂定角（强径流，弱潮流）氮磷等营养盐为水环境的主导因素，河口物理属性次之；口门处（弱径流，强潮流），河口物理属性贡献较多。结构方程模型（SEM）考虑各环境因子间的相互关系，确定了磨刀门河口浮游植物叶绿素a的主要驱动因子（磷营养盐、温度、盐度和含沙量），即表征了浮游植物生物量对径流（营养盐、含沙量）和潮流（盐度）的响应关系。