闽江口水环境主要理化因子时空分布特征研究

林建杰

(福州市海洋与渔业技术中心，福建 福州 350026)

河口生态系统位于河流生态与海洋生态系统的交汇处，该系统内部的水文、物理、化学和生物因素多变，形成河口区独特的环境和生物组成[1]，但陆源污染物随河流输入近岸海域成为影响河口及附近海域海洋环境生态健康的重要原因之一。

河口区的生态环境复杂多变且易受人为活动干扰，海洋环境生态系统的变化受气候、水文、化学、生物等多方面因子的综合影响，分析难度大，尤其在河口生态敏感区更为明显。水环境评价体系由多个水质参数构成，各参数间有一定的相关性，也存在一定的重复，如何降低水质参数重复信息，简化数据结构，是当前水质评价需要解决的问题。主成分分析法(Principal component and analysis，PCA)能够从众多变量中筛选出主要独立的综合因子[2]，在保留原始主要信息的同时，使彼此之间不相关，比原始变量更具优势[3]，已被广泛应用于水域重金属及营养盐等污染因子评价[4-5]。

1 材料与方法

1.1 站位布设

分别于2012年11月和2013年3月对闽江口海域海淡水混合区，开展24个站位、秋季和春季的大、小潮共4个航次调查。调查站位根据闽江口地形和水动力特征，综合闽江径流扩散方向布设(图1)。各站均位于河口区，其中站点1、2、3、17、18位于河道区，其余站点位于非河道区(近岸海域)。

1.2 样品采集与处理

1.3 数据处理

对调查分析得到的水环境主要理化因子数据运用Excel 2019进行统计整理，水质评价方法采用单因子评价法[15]和营养指数法(E)[16]进行综合评价。

1.3.1 单因子污染指数评价法

污染物的单因子标准指数，用于反映某种污染物的环境影响程度，其计算公式为：

(1)

式中，Pi为标准指数，Ci为某项参数的实测值，C0为某项参数的评价标准。

水中溶解氧计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

表1 水质参数的分析方法

式中，SDO为溶解氧标准指数，DO为溶解氧实测值，DOs为溶解氧评价标准，DOf为饱和溶解氧；T为热力学温度，S为盐度，A和B均为常数且分别为：A1=-173.429 2、A2=249.633 9、A3=143.348 3、A4=-21.849 2、B1=-0.033 096、B2=0.014 259、B3=-0.001 700。

1.3.2 营养指数法

各站位营养指数计算公式如下：

(5)

上述参数单位均为mg/L。若E>1，表示水体呈富营养化状态。

1.3.3 主成分分析法

主成分分析和相关性分析在参照林秀珠等[14]基础上，构建水环境因子的相关系数矩阵，将各指标数据标准化，采用KMO检验和Bartlett球形检验判定数据是否适合进行主成分分析；再根据特征根大于1和累积方差贡献率高于75%的原则，确定主成分个数，并以各主成分方差贡献率为权重，计算主成分综合得分，最后根据得分评价水质污染情况。

此外，水质状况的空间分布图采用Surfer 8.0和Ocean Data View 5.5.0软件绘制。

2 结果与讨论

2.1 水质状况

2.1.1 单因子污染指数评价

根据《福建省海洋环境保护规划(2011—2020年)》的海洋环境分级控制区登记表，本次调查站位位于闽江口海域，各站位水质均执行第二类海水水质标准[17]。

表2 闽江口海域水质单因子污染指数评价结果

表3 闽江口海域水质达标状况

2.1.2 海域富营养化程度评价

应用营养指数法对海域内各站位营养指数进行计算。由表4可知，4个航次期间调查海域均呈现较为严重的富营养化情况，除2013年春季大潮外，调查站位富营养化比例均超过90%；春季各航次部分站位营养指数超过20，富营养化程度严重。整体而言，春季富营养化程度显著高于秋季。

表4 闽江口海域水质富营养化评价结果

2.1.3 水质年际变化

采用单因子指数法将本次调查结果与侯昱廷等[18]、林秀珠等[14]研究结果及厦门大学[19-20]两个季节调查数据进行对比(表5)，研究分析闽江口水环境时空变化。

表5 不同航次水环境参数单因子指数评价结果

注：悬浮物不进行单因子指数评价，给出实测值范围及平均值(mg/L)。2016年春、秋两季调查站位偏闽江口外海海域，数据结果仅作为参考。

Notes：Suspended solids was not evaluated by single factor index，so the measured value range and average value were given(mg/L).In the spring and autumn of 2016，the survey stations were located in the nearshore Min River estuary，and the data results were only for reference.

2.2 水环境因子的空间分布

4个航次调查结果显示，闽江口海域水环境主要理化因子的空间分布变化显著；因同一季节不同潮期各水质参数分布趋势相似，故本研究选取秋季及春季的大潮期(涨急落急)数据为代表，分析秋季和春季的水环境主要理化因子空间分布(图2、图3)。

由调查结果及图2、图3，可知：

1)受闽江淡水径流的冲击、潮汐入侵和潮汐偏移的影响，河道区站位S、pH和DO均相对低于非河道区。近河道区域的DO浓度显著低于口外较开阔海域，这可能是因为河道区的海水在淡水的注入后出现了S分层而导致[21]。春季海域DO平均浓度显著高于秋季，这是由于秋季海域平均水温比春季高2°C以上，低水温使得氧气在海水中溶解度更高。

2)河道区的COD和DIN浓度均相对高于非河道区。COD是表示水体中受有机物污染程度的指标，COD值越大，说明水体中的有机污染物在降解过程中需要消耗的氧气量越大，水体的污染程度也就越严重。闽江的径流量大(多年平均径流量为548.7亿m3)[22]，携带大量的营养盐、SS及沉积物进入闽江口，SS及沉积物中有机质持续分解和消耗溶解氧，从而形成河道区DO低和COD高的空间分布[23]。DIN由陆地随径流携带入海的现象显著，主要可能和闽江流域的农业、工业和居民污水排放有关。

4)整体而言，春季水质略差于秋季。究其原因，一方面闽江流域春季为丰水期，而秋、冬季为枯水期，农业生产过程中使用的化肥和农药可能在春季水体较强的冲刷下随闽江径流入海[26-27]；另一方面春季闽江口的水温较低，光照相对较弱，浮游植物的丰度和生物量较低[28]，闽江口及附近海域水体中的营养盐消耗量较小。该结果与程学宁等[29]和林秀珠等[14]的研究结果基本一致。

2.3 水质主成分分析

单因子污染指数法和营养指数法对水质进行评价时均使用了一种或是特定某几种水质因子，所得结果侧重体现最差的水质参数，无法全面反映海域水质变化情况。因此有必要引入主成分分析法，对闽江口海域水质情况进行整体性评价。

利用IBM SPSS Statistics 20.0对调查的10个理化因子进行主成分分析，KMO统计量为0.745(>0.500)，Bartlett的球形检验值小于0.001(<0.05)，说明分析变量间存在着相关关系，符合主成分分析要求。根据特征根大于1的原则提取出3种主成分，各主成分的特征根、方差与累计方差贡献率如表6所示，PC1、PC2和PC3的因子载荷如表7所示。

表6 主成分分析中的特征根、方差和累计方差贡献率

表7 主成分分析中的因子载荷

续表7

2.4 综合水质时空变化特征

计算各航次主成分综合得分，对海域整体海水环境质量进行对比。同时为探究各站位的水质污染情况，分别计算24个站位不同航次的主成分综合得分，站位主成分综合得分越高，说明该站位水质状况越差，污染越严重[14，31]。

2.4.1 季节变化

从各航次主成分综合得分柱状图(图4)中可以看出，秋季小潮主成分综合得分最低，秋季大潮和春季小潮的主成分综合得分接近，春季大潮的主成分综合得分明显高于其余三个航次；春、秋两季大潮航次的主成分得分均高于小潮。综合得分表明春季大潮航次的水质污染最为严重，秋季小潮航次水质状况最好。该结果与本研究的水质状况及水环境因子空间分布分析结果一致。

2.4.2 空间变化

20世纪末期，闽江口南、北支河道具有不同的泥沙输送特征，为“北出南积”的模式，河口浅滩主要发育在闽江口南支的梅花水道，水下河道主要发育在闽江口北支的长门水道，长门水道是闽江泥沙入海的主要通道。闽江口南支以淤积为主的梅花水道浅滩水流相对北支较缓，闽江口外海水在涨潮时先从琅岐岛南侧的梅花水道涌进河口，闽江河水主要通过琅岐岛北侧的长门水道输入东海。独特的河口地形地貌，形成了闽江口海域水质空间分布特征。

为更加直观看出各站位水质综合污染情况，作各调查站不同航次主成分综合得分空间分布图(图5)。其中，黑点越大，代表主成分综合得分越高，水质状况越差。

由图5可知，闽江口南北水道水质污染状况在不同季节呈现明显的空间分布差异。秋季为闽江枯水期，闽江径流较缓且小潮期间潮汐和潮流作用较弱，闽江陆源入海污染物分别从琅岐岛南北的梅花水道和长门水道入海，在琅岐岛周围及东侧海域混合扩散(图5a)；大潮期潮汐作用较强、潮差更大，闽江陆源入海污染物主要从琅岐岛北侧的长门水道入海，在琅岐岛北侧的长门水道口和东侧海域扰动混合(图5b)，故秋季水质污染状况整体呈现北部差于南部的空间分布特征。春季为闽江丰水期，小潮期与秋季相反，较强的闽江径流由琅岐岛北侧的长门水道口急速入海，在河口区受潮汐作用阻挡顶托后，转往水流较缓的梅花水道浅滩周边混合(图5c)，水质状况整体呈现北部优于南部的空间分布特征；大潮期急速的闽江径流叠加强潮作用，在琅岐岛周围形成强烈扰动混合扩散，近河道区水质差而远离河道区水质较好的分布特征最为显著(图5d)。

各航次主成分综合得分空间分布总体上均呈现出河道区水质差而远离河道区水质较好的分布特征，说明潮汐和潮流作用可以将闽江输入东海的污染物进行扩散和转移，这一结论和刘潇等[31]在黄河口的发现相类似。

2.5 水质污染主要因子分析

表8 各水质因子与主成分间的斯皮尔曼相关系数

注：**表示差异极显著(P<0.01)；*表示差异显著(P<0.05)。

Notes：**indicated extremely significant difference(P<0.01)；*indicated significant difference(P<0.05).

根据表8，结合水质状况、时空分布及理化因子特性分析，可知：

2)T和S与PC1、PC2、PC3呈显著负相关(P<0.01或P<0.05)，这可能是由于闽江淡水携大量营养盐进入河口区，造成河口区营养盐等浓度升高，受冲淡水影响，S降低，从而形成了负相关趋势，闽江口外海水域营养盐浓度降低而S升高。同时，季节变化使春季海水温度下降，闽江口海域浮游植物丰度下降，使得浮游植物消耗DIN和磷酸盐的能力减弱，因此呈负相关趋势。

3)悬浮颗粒物的理化特性决定了其为河流输送的重要媒介，是该海域水质污染的重要影响因子(与PC1、PC2和PC3均呈极显著正相关)。其受径流和潮汐等影响显著，强潮流和分支水道对SS有放大作用，这一结论与龚松柏等[33]的研究结果相似。

本文主要驱动因子分析结论与林秀珠等[14]结论略有不同，主要原因在于监测指标选取上有所不同，且林秀珠等[14]在闽江口调查站位偏向外海，远离河口区，而本研究调查站位均位于河口区，故结论有所差异。

3 结论

致谢：自然资源部第三海洋研究所林辉研究员在野外研究、数据整理上给予了大力帮助，在此一并致谢。