曹　維，郭清榮，徐夏芳，蔡燕紅，魏永杰，黃秀清

（1.國家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江寧波　315012；2.上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海　200137）

基于主成分分析的南黃海輻射沙脊群水質(zhì)變化特征分析

曹維1，郭清榮1，徐夏芳1，蔡燕紅1，魏永杰1，黃秀清2

（1.國家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江寧波315012；2.上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海200137）

根據(jù)2011年2-12月6個(gè)航次對(duì)南黃海輻射沙脊群水質(zhì)調(diào)查獲得資料的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合主成分分析方法，研究了調(diào)查水域生態(tài)環(huán)境的失控變化特征以及相應(yīng)的影響因素。主成分1與COD、無機(jī)氮、石油類有較強(qiáng)相關(guān)性，表現(xiàn)為陸源污染的影響；第二主成分與pH、溶解氧有較強(qiáng)的相關(guān)性。第三主成分與葉綠素a有較強(qiáng)相關(guān)性，表明輻射沙脊群較高的初級(jí)生產(chǎn)力。其原始數(shù)據(jù)的方差解釋能力分別為50.366%、29.636%、10.789%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.791%。在環(huán)境要素的空間變化特征看，1-3#測站水質(zhì)變化受硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類等濃度波動(dòng)的影響較大；5、6#測站則受鹽度影響較大，表明了各站的空間差異。

主成分分析；南黃海輻射沙脊群；水質(zhì)

南黃海輻射沙脊群分布于江蘇中部海岸帶外側(cè)，由一系列沙脊、潮流水道相間組成，大體上以弶港為頂點(diǎn)，以黃沙洋為主軸，自岸至海呈展開的褶扇狀向海輻射，北起射陽河口，南至長江口北部的蒿枝港，總面積約2.8萬km2，是一個(gè)全球罕見、規(guī)模巨大、形態(tài)獨(dú)特的輻射沙脊。隨著江蘇沿海地區(qū)的不斷發(fā)展，灘涂圍墾工程的推進(jìn)，尤其是人工島的規(guī)劃與建設(shè)，掌握輻射沙脊群區(qū)域水質(zhì)的長期動(dòng)態(tài)變化尤為重要。

而主成分分析法分析法已用于河水、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空變化研究［1-4］，因此本文運(yùn)用主成分分析法分析南黃海輻射沙脊群海域物理化學(xué)生物要素之間相互耦合關(guān)系及空間變化特征，可為人類活動(dòng)對(duì)海灣生態(tài)環(huán)境的影響提供參考資料，同時(shí)為有關(guān)管理部門決策提供科學(xué)依據(jù)。

圖1　南黃海輻射沙脊群水質(zhì)監(jiān)測站位圖Fig.1　Monitoring stations in the South Yellow Sea

1　材料與方法

1.1材料

2011年2-12月，在南黃海輻射沙脊群布設(shè)了6個(gè)站位，開展了每2個(gè)月1次的水質(zhì)調(diào)查。采樣站位分布見圖1。調(diào)查要素包括pH、鹽度（S）、DO、COD、葉綠素、NH4-N、NO2-N、NO3-N、PO4-P，樣品采集和分析調(diào)查方法均參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》。

1.2主成分分析

使用SPSS軟件對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，按特征值大于1確定主成分?jǐn)?shù)，或累積貢獻(xiàn)至少70%確定主成分?jǐn)?shù)。

2　結(jié)果與討論

2.1南黃海輻射沙脊群水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

2011年輻射沙脊群附近海域水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表1。

調(diào)查期間，水體中pH值為7.97～8.25，DO含量7.04～10.40 mg/L，符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；COD含量為0.10～2.80 mg/L，其中4#～6#站符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，1#～3#站符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；

活性磷酸鹽含量為1.4～56.9 μg/L，除個(gè)別站位（8月航次1#站位和12月航次2#、3#、4#站位），其余均符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；

無機(jī)氮含量為153.2～1246.0 μg/L，部分超四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率65%；

石油類含量為0.008～0.118 mg/L，44.4%的調(diào)查數(shù)據(jù)超二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、符合三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　各航次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1　The statistics of water quality monitoring results

2.2環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)

線性相關(guān)系數(shù)描述兩個(gè)因子之間的相互關(guān)系，有利于判斷因子之間的相互作用。本文利用相關(guān)系數(shù)研究環(huán)境因子的相互關(guān)系，見表2。

鹽度與硝酸鹽、亞硝酸鹽成顯著負(fù)相關(guān)，鹽度越低，硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度越高，說明輻射沙脊群水質(zhì)的無機(jī)氮濃度主要受陸源污染的影響。

氨氮與葉綠素a成正相關(guān)，由于葉綠素為浮游植物的特征表征指標(biāo)，葉綠素濃度大，表明氨氮等營養(yǎng)鹽含量增加，促進(jìn)浮游植物的生長繁殖。浮游植物對(duì)各種形態(tài)無機(jī)氮的吸收以氨氮最為優(yōu)先［5］，因此，氨氮的波動(dòng)對(duì)浮游植物的密度的影響顯著，葉綠素a濃度也隨之產(chǎn)生顯著變化，在杭州灣及舟山漁場等海域同樣表現(xiàn)為葉綠素a濃度與氨氮的相關(guān)性顯著［6］。

表2　主成分提取結(jié)果Tab.2　Principal component extraction results

2.3水質(zhì)的主成分分析

用軟件SPSS對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到結(jié)果見表3～4。

表3　主成分提取結(jié)果Tab.3　Principal component extraction results

由表3可知，成分1、2、3的貢獻(xiàn)率分別為50.366%、29.636%、10.789%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.791%，即第一、二、三成分包括了原監(jiān)測變量90.791%的信息，所以取成分1、2、3作為主成分。

表4　成份載荷矩陣Tab.4　Component load matrix

由表4可知：主成分1與COD、無機(jī)氮、石油類有較強(qiáng)相關(guān)性；第二主成分與pH、溶解氧有較強(qiáng)的相關(guān)性。第三主成分與葉綠素a有較強(qiáng)相關(guān)性。

第一主成分表現(xiàn)為陸源污染的影響，主成分COD、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、石油類對(duì)第一主成分具有較大的正權(quán)重系數(shù)，表明沿岸地區(qū)人為活動(dòng)的增加，生活污水、工業(yè)污水排放造成海域水體中有機(jī)物質(zhì)增加、水體富營養(yǎng)化。同時(shí)，外海對(duì)輻射沙脊群影響體現(xiàn)在鹽度的副權(quán)重系數(shù)，由于南黃海輻射沙脊群沒有大河陸源淡水輸入少，海水主要受南黃海海水交換的影響。第三主成分中葉綠素a占有較大的正權(quán)重，表明輻射沙脊群較高的初級(jí)生產(chǎn)力。同時(shí)，氨氮等營養(yǎng)鹽含量增加，促進(jìn)浮游植物的生長繁殖。

2.4環(huán)境要素的空間變化特征

圖2　6個(gè)測站得分及環(huán)境因子載荷Fig.2　Score and environment factor load of 6 monitoring stations

根據(jù)全年的環(huán)境要素進(jìn)行綜合空間研究，6個(gè)站點(diǎn)的第一、第二主成分得分描述空間分布特征如圖2。從圖2可以看出，1-3#測站位于右下角，此處表示了硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類的正貢獻(xiàn)，反映了這3個(gè)測站硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類等環(huán)境因子變化較大，說明人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的污染物在該區(qū)域是影響水環(huán)境變化的主要誘因。5、6#測站與鹽度分布在同一象限區(qū)間，反映了這2個(gè)站鹽度變化大的特點(diǎn)，2個(gè)站位處于輻射沙脊群的南側(cè)，靠近長江口，受不同季節(jié)長江沖淡水影響，鹽度波動(dòng)較大。

3　結(jié)論

（1）2011年輻射沙脊群附近海域水體中pH、DO、符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；COD、符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；活性磷酸鹽除8月、12月航次個(gè)別站位外符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；水體中無機(jī)氮含量較高，部分超四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率65%；石油類44.4%的調(diào)查數(shù)據(jù)超二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、符合三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）水質(zhì)中，鹽度與硝酸鹽、亞硝酸鹽成顯著負(fù)相關(guān)，氨氮與葉綠素a成正相關(guān)，說明輻射沙脊群水質(zhì)的無機(jī)氮濃度主要受陸源污染的影響，以及氨氮等營養(yǎng)鹽含量增加，促進(jìn)了浮游植物的生長繁殖。

（3）通過主成分分析，發(fā)現(xiàn)主成分1與COD、無機(jī)氮、石油類有較強(qiáng)相關(guān)性；第二主成分與pH、溶解氧有較強(qiáng)的相關(guān)性；第三主成分與葉綠素a有較強(qiáng)相關(guān)性。同時(shí)，從環(huán)境要素的空間變化特征看，1-3#測站受硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD、石油類的影響較大；5、6#測站則受鹽度影響較大。

［1］KUNWAR P S，AMRITAM，DINESH M，et al Multivariate statistical techniques for the evaluation of spatial and temporal variations in water quality of Gomti River（India）——A case study［J］.Water Research，2004，38:3 980-3 992.

［2］CAROLINAM，CARLOSM，MDOLORES G R，et al Using chemom etric tools to assess anthropogen ic effects in river water）——A case study:Gu adalqu ivir River（Spain）［J］.Analyt ica Chimica Acta，2004，515:143-149.

［3］WUNDERLIN D A，DIAZMDP，AMEMV，et al.Pat tern recogn ition techniques for the evalut ion of spatial and temporal variations in water quality）——A case study［J］.Water Research，2001，35（12）:2 881-2 894.

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［5］張曉萍.廈門馬鑾灣水域無機(jī)氯的化學(xué)特征［J］.臺(tái)灣海峽，2001，20（3）:319-322.

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Analysis of Water Quality Variation by Principal Component Anylysis in Radial Sandy Ridge Area of the South Yellow Sea

CAO Wei，GUO Qing-rong，XU Xia-fan，et al
（Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo，SOA，Ningbo315012，China）

According to the statistical analysis and principal component analysis of water quality data from six cruises in radial sandy ridge area of the South Yellow Sea in 2011，the spatial and temporal variations of the ecological environment and influence factors were analyzed.Principal component 1（50.366%of the variance）is associated with COD，inorganic nitrogen and oil，and this result shows the impact of land-based sources of pollution. Principal component 2（29.636%of the variance）is associated with pH and DO.Principal component 3（10.789%of the variance）is associated with chlorophyll a，and the result indicates the higher primary productivity of radial sandy ridge area.In spatial pattern of the environmental factors，the water quality of 1-3 station is influenced by the concentration fluctuations of nitrate，nitrite，COD and oil，while 5-6 station is influenced by salinity which showes the spatial difference among stations.

principal component analysis；radial sandy ridge area of the South Yellow Sea；water quality

X832

A

1008-830X（2015）02-0136-04

2014-06-20

國家海洋局海洋公益專項(xiàng)（201005006-8）

曹維（1982-），女，浙江寧波人，碩士研究生，工程師，研究方向：海洋環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià).E-mail:caowei@eastsea.gov.cn