秦皇岛海域营养盐与叶绿素a的特征多元分析

杨雯　李微微

摘要：根据2019年4—10月对秦皇岛海域水质要素和叶绿素a的连续监测数据，分析营养盐与叶绿素a的季节性变化，并对监测数据进行了相关性和逐步回归分析，找出与叶绿素a显著相关的环境因子，建立多元线性回归方程。结果表明，秦皇岛海域营养盐与叶绿素a具有季节性变化，夏季氮高磷低海域存在明显的磷限制，而夏季水温、光照适宜，浮游植物生长迅速，叶绿素a浓度约为春、秋季节的3倍。运用多元分析手段分析环境因子与叶绿素a之间的复杂关系，得出结论：影响叶绿素a含量的主要环境因子为pH值、水温、溶解氧，其中水温的影响最大。

关键词：秦皇岛;营养盐;叶绿素a;相关分析

海水中的营养盐是影响海洋动植物生长发育和繁殖的重要影响因素，其浓度变化会影响海洋生物种群结构[1]。水体中N、P营养盐含量过高会造成水质恶化，使水体富营养化，甚至发生赤潮，给海洋整体环境造成极大危害[2-3]。N、P、Si又是海洋生物所需的基本营养元素，若缺乏任一种营养盐会成为该水域的限制因素，叶绿素a是海洋浮游植物表征藻类现存量的重要标准之一[4-6]。秦皇岛市位于渤海峡湾，海洋岸线全长约162.7 km，公共浴场、旅游胜地众多，沿海物产丰富，研究海洋营养盐和叶绿素a的水体环境特征及富营养化情况科学意义重大[7]。

1调查方法

1.1调查区域与时间

调查区域为39.84°—39.91°N，119.53°—119.67°E，秦皇岛近岸海域，在2019年的4—10月份分别对秦皇岛附近海域布设的15个站位表层水质进行了调查，具体调查站位分布详见图1。

1.2调查要素及测定方法

调查水质要素包括水温、pH值、盐度、浊度、溶解氧、化学需氧量、亚硝酸盐、硝酸盐、铵盐、活性磷酸盐、活性硅酸盐和叶绿素a。监测要素样品按GB 17378-2007《海洋监测规范》[8]中的方法进行采集、处理、保存、运输及分析。使用有机玻璃采水器在各站位采集水样，水样采表层（水面下0.5 m），样品按《海洋监测规范》第四部分：海水分析（GB 17378.4-2007）[9]测定，检测项目包括pH值、盐度、溶解氧（DO）、活性磷酸盐（PO-P即DIP）、三氮之和即DIN，包括硝酸氮（NO-N）、亚硝酸氮（NO-N）和铵氮（NH-N）、活性硅酸盐（SiO-Si）和叶绿素a（Chl-a），测定方法分别采用pH计法、盐度计法、碘量法、磷钼蓝分光光度法、锌-镉还原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸盐氧化法、硅钼黄法、可见分光光度法，水温和浊度分别采用水温计和浊度计测定。

利用SPSS Statistics 23.0统计软件对各环境因子（表层水温、盐度、pH值、DO、NH-N、NO-N、NO-N、DIN、PO-P、SiO-Si、N/P）和叶绿素a进行相关分析，并计算叶绿素a与环境因子的逐步回归方程。

2结果与分析

2.1水文要素分析

由图2可知，2019年秦皇岛海域监测区域平均水温最低值为6.8 ℃，出现在4月，最高值为30.0 ℃，出现在8月。水温的季节性变化比较明显，8月上旬之前水温一直升高，然后逐渐下降。图3显示，秦皇岛近岸监测海域浊度最低值在7月为2.9度，最高值为10.8度，出现在6月。6月水温明显升高，受微型藻类影响水色略变差浊度升高，但持续时间较短，整体来看浊度状况良好。

2.2水质单要素分析

图4—图7为水质各监测要素在2019年4月至10月平均值的变化曲线。pH值平均值最低在9月，为7.92，最高值为8.20，出现在4月份，pH值在合理范围内波动。盐度均值最低值在8月，为29.485‰;最高值在4月，为32.578‰，盐度变化大致呈现出逐渐降低的趋势，仅在8月份盐度值骤然降低，与夏季降水量增多等因素有关。DO均值最低值在9月，为7.81 mg/L;最高值出现在4月，为11.0 mg/L，监测结果看，水体中DO含量较高，氧含量丰富。DIN浓度最低均值出现在7月，为0.070 9 mg/L;在8月份最高，为0.220 mg/L，按国家海水水质标准（GB 3097—1997）[10]中海水水质DIN含量评价标准，8月份略超第一类海水评价标准，其他月份均在第一类海水标准以内。DIP浓度有先下降后升高的趋势，7月份浓度平均值最低，为0.003 47 mg/L;最高值在10月份，为0.0145 mg/L，各月份浓度值波动较大，均符合第一类海水水质标准。叶绿素a浓度值先上升后下降，6—8月浓度值相对较高，叶绿素a浓度最低，为1.19 μg/L，出现在10月;最高值在8月份，为9.43 μg/L。活性硅酸盐在一定范围内上下浮动变化，最低均值出现在7月，为0.350 mg/L;最高值出现在10月，为1.12 mg/L。

3讨论

3.1营养盐与叶绿素a状况分析

将监测月份按季节进行划分，4—5月为春季，6—8月为夏季，9—10月为秋季，温度呈季节性变化，主要要素参数值见表1。在春季DIN浓度平均值为0.134 mg/L，浓度变化差异性较小。在夏季DIN浓度范围0.041 3～0.810 mg/L，平均值为0.128 mg/L，8月份10站位DIN浓度偏高，该站位邻近汤河口且8月降水量较多，陆源輸入是影响DIN浓度的主要因素。在秋季DIN浓度范围0.062 9～0.227 mg/L，平均值为0.136 mg/L，DIN浓度均值变化较为平稳。

在春季DIP浓度范围0.004 50～0.029 8 mg/L，平均值为0.011 5 mg/L。在秋季DIP浓度范围0.003 47～0.025 5 mg/L，平均值为0.011 4 mg/L。在夏季DIP浓度范围0.001 75～0.039 4 mg/L，平均值为0.005 23 mg/L，相比较春季和秋季DIP浓度值，夏季DIP浓度变化范围较为平稳且相对较低，分析原因可能是夏季浮游植物大量生长，消耗了水体中的DIP，致使DIP浓度降低。

在春季SiO-Si浓度范围0.088 8～1.05 mg/L，平均值为0.577 mg/L，在夏季SiO-Si浓度范围0.154～3.83 mg/L，平均值为0.746 mg/L，在秋季SiO-Si浓度范围0.271～1.59 mg/L，平均值为0.736 mg/L。SiO-Si浓度值季节性变化不显著，夏季SiO₃-Si浓度相对春季、秋季略高。

春季叶绿素a浓度范围0.709～4.61 μg/L，平均值为2.32 μg/L，夏季叶绿素a浓度范围1.46～26.8 μg/L，平均值为8.18 μg/L，秋季叶绿素a浓度范围0.626～8.35 μg/L，平均值为2.43 μg/L。叶绿素a浓度值季节性变化显著，夏季叶绿素a浓度约为春季、秋季的3倍以上。

Justic等[11]和Dortch等[12]通过营养盐对浮游植物的影响，提出了判定营养盐限制性情况的方法：（a）Si/P>22和N/P>22，DIP为限制因子;（b）Si/N>1和N/P<10，DIN为限制因子;（c）Si/P<10和Si/N<1，SiO-Si为限制因子。春季、夏季和秋季的N/P均值分别为15.0、33.2、14.8，Si/N均值分别为4.63、7.45、5.14，Si/P均值分别为59.8、183、71.2。由此判断分析，秦皇岛海域主要以P限制为主，其次是N限制，夏季N/P和Si/P均值较高，DIP浓度较低，而叶绿素a的浓度较春季和秋季略高，可能与营养盐的结构有关，N营养过剩和P营养不足，存在明显的P限制。

3.2环境因子与叶绿素a的多元分析

3.2.1环境因子与叶绿素a的相关分析

海水的各项环境因子对叶绿素a浓度有着直接或间接的影响[13]。一般情况下浮游植物的生长受到营养盐、光照、水温、海洋动力过程等环境因素的影响[14]。对春、夏、秋3个季节和全年的环境因子与叶绿素a分别进行相关性分析（表2），春季叶绿素a与盐度呈极显著负相关;夏季与水温呈极显著正相关，与溶解氧呈显著正相关，与无机氮呈显著负相关;秋季与各环境因子相关性不显著;整体上，叶绿素a与水温呈极显著正相关，与DIN、DIP呈现显著和极显著负相关但相关性程度不高。

营养盐与叶绿素a之间的关系较为复杂，海水中的营养盐是浮游植物生长的必要条件，其含量的变化可以影响浮游植物数量及种类的变化。夏季降雨量大导致陆源输入的营养物质增多，而浮游植物一般以一定的比例（Redfield比[15]16∶1）从海水中吸收N、P元素，夏季高浓度的N使N/P严重偏离Redfield比，浮游植物的生长受到了限制。夏季气温、光照条件适宜，有利于浮游植物的生长，该季节叶绿素a浓度约为春季、秋季的3倍，浮游植物生长旺盛在短期内消耗了大量的营养盐。总体上看，调查海域营养盐与叶绿素a之间的相关性不显著。

3.2.2环境因子与叶绿素a的逐步回归分析

随着季节的变化，叶绿素a与环境因子之间存在着不同的关系，现采用全年监测数据利用逐步回归的方法筛选出相对较为重要的因子[13]，建立多元线性回归方程。秦皇岛海域叶绿素a与环境因子的逐步回归分析结果如下：

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

式中：Chl-a为叶绿素a，mg/L;pH为pH值;T为水温，℃;DO为溶解氧，mg/L。

方程通过显著性（P<0.05）和数据独立性检验（D-W=2.051），复相关系数为0.571，校正后为0.554，模型对因变量的解释度较好，且所有自变量的容错度大于0.6，各自变量之间的共线性程度很低。由上述方程得出在调查海域影响叶绿素a的主要因子是pH值、水温、DO。pH值主要由海水中CO的含量决定[16]，DO、CO为浮游植物的生长提供了必不可少的原料，水温影响到浮游植物繁殖需要的热量[17]。3个自变量的标准化回归系数分别为0.253、0.745、0.292，表明水温对叶绿素a的影响最大。整体来看，营养盐对叶绿素a的影响不大。

4结论

秦皇岛海域营养盐变化受陆源径流输入和浮游植物生长影响，夏季无机氮部分站位超一类海水水质标准;受浮游植物大量生长影响，活性磷酸盐短期内被大量消耗，夏季活性磷酸盐含量较低;硅酸盐季节性变化不显著。

4—10月连续监测数据表明，叶绿素a季节性变化显著，春、秋季节含量基本持平，夏季含量较高约为春、秋季节的3倍。

运用多元分析手段分析环境因子与叶绿素a之间的复杂关系，建立了具有较好解释度的多元线性模型，得出影响叶绿素a含量的主要环境因子为pH值、水温、溶解氧，其中水温的影响最大。

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