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基于主成分分析法近岸海水环境质量与空间异质性研究—以庄河港近岸海域为例

张广帅 闫吉顺 张全军 赵全民 蔡悦荫 程博 宫玮 段后浪

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基于主成分分析法近岸海水环境质量与空间异质性研究—以庄河港近岸海域为例

    作者简介: 张广帅(1989-), 男, 山东淄博人, 博士, 主要研究方向为海洋生态评估与修复, E-mail:gszhang@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 程博(1979-), 男, 博士, 主要研究方向为海域使用及管理, E-mail:dldxxbxc@126.com
  • 基金项目: 国家海洋环境监测中心博士启动基金项目(2019-A-03)
  • 中图分类号: P734

Study on the seawater quality and its spatial heterogeneity based on principle component analysis: A case study nearshore of Zhuanghe port

  • 摘要: 为揭示北黄海海域近岸海水环境质量及其空间分布格局,对庄河港冬季表层海水环境质量进行了评价分析。在研究海域设置20个采样站位,运用主成分分析法,对庄河港近岸海水环境质量进行了评价分析,采用Kriging空间插值法对研究区域海水环境质量进行了空间异质性分析,采用相关性分析和回归分析法分析了水质参数之间及其与监测点地理位置之间的关系,采用冗余分析方法研究了海水环境质量对水体Chl a和溶解氧含量的影响。研究结果表明,该海域表层海水总无机氮含量高于《海水水质标准》中四类水质的要求,其余水质参数均符合一类水质要求;NO3-N和NO2-N以及PO4-P之间及其与Cd和Cr具有显著的相关性,污染来源相同;主成分分析表明,庄河港近岸海域海水环境质量是无机氮、无机磷以及与其有密切关系的Cd、Cr等水质因子综合作用的结果,且沿岸线方向的空间异质性明显,与用海方式相关;冗余分析表明近岸海水环境质量解释了Chl a和溶解氧空间分异的82.67%,叶绿素a浓度与表征无机氮和无机磷含量的主成分得分呈负相关性。
  • 图 1  水质监测点分布

    Figure 1.  Sampling sites

    图 2  庄河港近岸海水环境质量空间分布及其与用海方式的关系

    Figure 2.  Spatial distribution pattern of seawater quality and its relationship with the utilization way of of Zhuanghe port

    图 3  庄河港近岸海水环境质量与空间格局的关系

    Figure 3.  Relationship between the seawaterquality with the spatial position nearshore of Zhuanghe port

    图 4  庄河港近岸海域水环境质量主成分二维排序

    Figure 4.  Principal component analysis of seawater quality nearshore of Zhuanghe port

    图 5  庄河港近岸海水Chl a和溶解氧(DO)空间分布特征

    Figure 5.  Spatial distribution pattern of chlorophyll a and dissolved oxygen in the seawater nearshore of Zhuanghe port

    图 6  庄河港近岸海水环境质量与Chl a和溶解氧(DO)的冗余分析

    Figure 6.  Redundancy analysis of two-dimensional ordination diagram of chlorophyll a and dissolved oxygen constrained by seawater quality nearshore of Zhuanghe port

    表 1  监测项目及其检测方法

    Table 1.  Programs and method of water quality monitoring

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    表 2  庄河港近岸海域水质监测结果

    Table 2.  Monitoring results of water quality in surface seawater

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    表 3  近岸海水环境质量相关性分析结果

    Table 3.  Correlation between the measured water quality programs

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    表 4  特征值及主成分贡献率

    Table 4.  Eigenvalue and principal component

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    表 5  主成分载荷系数矩阵

    Table 5.  Load coefficient matrix of the principal component

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    表 6  庄河港近岸海水环境质量评价结果

    Table 6.  Results of the seawater quality assessment nearshore of Zhuanghe Port

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-09
  • 录用日期:  2019-11-04
  • 刊出日期:  2020-04-20

基于主成分分析法近岸海水环境质量与空间异质性研究—以庄河港近岸海域为例

    作者简介:张广帅(1989-), 男, 山东淄博人, 博士, 主要研究方向为海洋生态评估与修复, E-mail:gszhang@nmemc.org.cn
    通讯作者: 程博(1979-), 男, 博士, 主要研究方向为海域使用及管理, E-mail:dldxxbxc@126.com
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 中科院生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101
  • 3. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 4. 大连大学, 辽宁 大连 116633
基金项目: 国家海洋环境监测中心博士启动基金项目(2019-A-03)

摘要: 为揭示北黄海海域近岸海水环境质量及其空间分布格局,对庄河港冬季表层海水环境质量进行了评价分析。在研究海域设置20个采样站位,运用主成分分析法,对庄河港近岸海水环境质量进行了评价分析,采用Kriging空间插值法对研究区域海水环境质量进行了空间异质性分析,采用相关性分析和回归分析法分析了水质参数之间及其与监测点地理位置之间的关系,采用冗余分析方法研究了海水环境质量对水体Chl a和溶解氧含量的影响。研究结果表明,该海域表层海水总无机氮含量高于《海水水质标准》中四类水质的要求,其余水质参数均符合一类水质要求;NO3-N和NO2-N以及PO4-P之间及其与Cd和Cr具有显著的相关性,污染来源相同;主成分分析表明,庄河港近岸海域海水环境质量是无机氮、无机磷以及与其有密切关系的Cd、Cr等水质因子综合作用的结果,且沿岸线方向的空间异质性明显,与用海方式相关;冗余分析表明近岸海水环境质量解释了Chl a和溶解氧空间分异的82.67%,叶绿素a浓度与表征无机氮和无机磷含量的主成分得分呈负相关性。

English Abstract

  • 沿海地区是区域社会经济和产业的发展中心,近年来大量填海造地与围海活动显著改变了海岸带陆海空间格局[1-2],对沿海近岸海域生态环境产生了极大负面影响。沿岸港湾高强度的工业产业布局和围海养殖导致近岸海域生态环境面临的压力和风险不断加剧[3-4]。水体氮磷和重金属是近岸海域环境最主要的污染物,也是当今世界最严峻的海洋生态环境问题之一[5],是海洋生态环境质量评估体系中的重要因子[6-7]

    自二十世纪中叶以来,科学、客观、定量的进行水体环境质量评价一直是水生生态学研究的重点和难点。在海洋领域,海水环境质量评价常用的方法有灰色理论分析法、模糊综合评判法、人工神经网络法、污染指数评价法、综合污染评价法等[8-12]。在对海水环境质量进行综合评价时,涉及因子参数较多,信息繁杂,导致许多重要信息被众多的参数所覆盖,进而无法探究水体环境变化的本质特征。主成分分析法由于其对原有参数进行降维,最大程度上保留原始数据信息的真实性,同时能够筛选出表征评价对象本质特征的关键参数,在水体环境质量评价中被广泛应用[13]

    庄河港位于丹东与大连之间的辽东海域,是北黄海海域重要的临港产业聚集区和海水养殖区,随着区域经济的向海发展,庄河港区不断的开发利用,岸线不断变化,对近岸海域生态环境产生了重要影响。本研究采用主成分分析法,结合空间异质性分析,对庄河港区近岸海域海水环境质量进行评价,分析了近岸海域环境污染物的主要来源,揭示了近岸海域水质变化的空间分布格局及其生态效应,以期为近岸海域海水环境质量科学评价、富营养化风险区域预警识别和海洋生态环境保护提供科学依据与技术支撑。

    • 2018年1月在庄河港附近海域布设了20个海水水质监测点位(图 1),对表层海水进行了样品采集,对化学需氧量(COD)和硝态氮(NO3-N)、亚硝态氮(NO2-N)、氨氮(NH4-N)、正磷酸盐(PO4-P)4类营养盐,以及汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)、锌(Zn)、铜(Cu)12类重金属共12种水质参数进行了测定。调查的样品采集和预处理均按《海洋监测规范:样品采集、贮存与运输》(GB17378.3)中的相关要求进行。各参数的测定也均按《海洋监测规范》(GB17378.4)规定的分析方法执行。各因子参数的分析测试方法见表 1。虽然本研究以2018年1月份单航次取样调查数据为基础,具有一定的不确定性,但是由于样点基本覆盖庄河港近岸海域,因此在一定程度上能够说明庄河港近岸海域海水环境质量现状。

      图  1  水质监测点分布

      Figure 1.  Sampling sites

      表 1  监测项目及其检测方法

      Table 1.  Programs and method of water quality monitoring

    • 庄河港近岸海域水体环境质量评价以及影响水体环境质量的主要水质因子识别采用主成分分析法(principal component analysis,PCA),具体方法参见文献[14-15];水质参数之间的相关性分析采用皮尔逊相关性分析;采用Kriging空间内插法对近岸海域水体环境质量进行空间异质性分析,并通过回归分析定量研究水体环境质量与空间位置(经度、纬度)的关系;海水环境质量的生态效应用主成分分析结果和水体Chl a含量及溶解氧浓度的关系表示,其相关关系的研究采用由冗余分析(redundancy analysis,RDA)。

      数据分析在SPSS 18.0中进行,空间异质性分析在Arc Gis 10.0中进行,主成分二维排序图和冗余分析在Canoco 5.0中进行,回归分析图采用Origin Pro 8绘制。

    • 由庄河港近岸海域水质监测结果(表 2)可知,监测海域表层海水除了总无机氮处于劣四类外,其余水质参数均满足《海水水质标准》一类水质要求。溶解性无机态营养盐通常被认为是最具有活性且影响海水富营养化的关键驱动因子[16]。调查水域总无机氮范围为0.51~2.09 mg/L,平均值为1.06 mg/L,均高于《海水水质标准》中四类水质的要求。3种形式的无机氮中,NH4-N是庄河港近岸海域中溶解态无机氮的主要存在形式,其含量占总无机氮的(74.39±15.56)%。根据《海水水质标准》一类水质要求,COD及7种重金属含量超标率为零。

      表 2  庄河港近岸海域水质监测结果

      Table 2.  Monitoring results of water quality in surface seawater

      陆源污染物和近岸海水养殖是影响近岸海水环境质量的主要因素[17]。研究区海域9—20号点位于小寺河、庄河、鲍码河三河入海口附近,海域开发利用现状以开放式养殖和围海养殖为主,因此陆源污染排放和围海养殖是导致这一区域无机氮含量较高的主要原因。

    • 相关性分析表明(表 3),化学需氧量和主要氮磷营养盐之间,COD与NO3-N、NO2-N和NH4-N呈显著相关性(p < 0.05);NO3-N和NO2-N以及PO4-P之间均两两呈极显著正相关性(p < 0.01)。重金属和氮磷营养盐之间,Cd和COD以及各类无机氮和无机磷之间均呈极显著正相关性(p < 0.01);Cr和NO2-N、NH4-N以及PO4-P呈显著负相关性(p < 0.05);Cu和NH4-N呈极显著正相关性(p < 0.05)。各类重金属之间,Cd和Cr以及Cr和Cu之间呈极显著负相关性(p < 0.05)。近岸海域溶解态无机氮浓度与海水养殖产生的氮负荷量呈显著的正相关关系,说明围海养殖对本区域无机氮含量的贡献不容小觑[18-19]。水体中重金属不具有持久性,受水体环境和水动力特征影响大,因此其来源判定较为复杂,重金属的来源可以通过其与水质参数之间的相关性确定[20-21]。庄河港近岸海域水体中Cd含量与3类无机氮具有极显著的正相关性,所以说明其与无机氮具有共同的污染来源。

      表 3  近岸海水环境质量相关性分析结果

      Table 3.  Correlation between the measured water quality programs

    • 对所测定的12类水质参数因子进行主成分分析。监测数据的KMO统计量为0.56,Barlett球形检验相伴概率为0.000,可以对庄河港近岸海域监测点位海水环境质量变化的成因进行主成分分析,并利用主成分分析结果进行海水环境质量评价。共提取4个主成分,方差贡献率分别为36.97%、15.31%、12.64%和10.18%,累积贡献率为75.10%(表 4)。

      表 4  特征值及主成分贡献率

      Table 4.  Eigenvalue and principal component

      4个主成分的载荷系数矩阵见表 5,表中可知,第1主成分中NO2-N、NO3-N、Cd、Cr、PO4-P及NH4-N的载荷较大,说明第一主成分主要反映的信息是无机氮、无机磷以及重金属中与无机氮、磷有密切关系的Cd、Cr;第二主成分中,除了NH4-N以外,Zn和Cu的载荷较大;第三主成分中则Pb和Cr的载荷较大;第四主成分中Hg和Zn的载荷较大。

      表 5  主成分载荷系数矩阵

      Table 5.  Load coefficient matrix of the principal component

      20个监测点位的4个主成分得分以及最终评价结果如表 6所示,由于对于所监测的水质因子,含量越低,水体环境质量越好,故主成分分析结果越小,监测点位的海水环境质量越好。总体来看,1—9号监测点位的海水环境质量优于10—20号点位,11—16号点位的海水环境质量最差。

      表 6  庄河港近岸海水环境质量评价结果

      Table 6.  Results of the seawater quality assessment nearshore of Zhuanghe Port

      为了反映庄河港近岸海域海水环境质量的空间异质性规律,运用Kriging空间内插法对研究区域内海水环境质量进行插值作图(图 2)。第1、2主成分在空间上的分布格局主要表现出明显的经向异质性,即沿岸线方向从西向东,海水环境质量产生明显分异变化,其中对于第1主成分,海水环境质量沿岸线方向从西向东逐渐变差;对于第2主成分,海水环境质量沿岸线方向从西向东先降低后升高。第3、4主成分在空间上的分布格局除了表现出经向上的异质性还表现出明显的纬向异质性。此外,近岸海水环境质量与用海类型关系密切,养殖区密度高,围海养殖方式覆盖面积达的区域海水环境质量明显降低。

      图  2  庄河港近岸海水环境质量空间分布及其与用海方式的关系

      Figure 2.  Spatial distribution pattern of seawater quality and its relationship with the utilization way of of Zhuanghe port

      利用主成分分析所得到的庄河港近岸海域海水环境质量与表征空间位置的经纬度的关系见图 3在研究区范围内,海水环境质量与经度具有极显著的正相关性(R2= 0.55, P < 0.001),而与纬度的相关性不显著(R2= 0.06,P=0.016)。总体上,空间位置上的差异可以解释近岸海水质量近60%的差异。庄河港近岸海域海水环境质量表现出显著的空间异质性,且沿岸线和经度方向分异明显,进一步说明近岸海水环境质量受海岸带附近与近岸海域的开发利用方式、人类活动强度等因素影响较大。

      图  3  庄河港近岸海水环境质量与空间格局的关系

      Figure 3.  Relationship between the seawaterquality with the spatial position nearshore of Zhuanghe port

      研究区内监测点位沿海水环境质量参数及第1、2主成分的空间分布见图 4。沿横轴即第1主成分排序轴从左向右NO2-N、NO3-N、Cd、PO4-P及NH4-N含量逐渐降低,Cr含量逐渐升高;沿纵轴即第2主成分排序轴从下向上Pb含量逐渐增大,而Zn和As含量逐渐减少。从图中可以看出,第1—8号监测点位的NO2-N、NO3-N、PO4-P及NH4-N等无机氮、磷营养盐含量水平较低,而第15—20号监测点位无机氮、磷含量水平较高,第9—14号监测点位Zn、As、Hg的相对含量水平较高。

      图  4  庄河港近岸海域水环境质量主成分二维排序

      Figure 4.  Principal component analysis of seawater quality nearshore of Zhuanghe port

    • Chl a的含量变化,在一定程度上能够反映水体环境因子对浮游植物生长的影响。庄河港近岸海水Chl a和溶解氧含量在空间上的分布见图 5,比较图 5图 2可知,海水环境质量越低的区域Chl a和溶解氧含量相对越高。冗余分析结果(图 6)可知,冗余分析第1排序轴RD1解释贡献率为82.59%,第2排序轴RD2解释贡献率为0.08%,累积解释贡献率高达82.67%(P=0.002)。近岸海水环境质量能够较好的解释溶解氧和Chl a在不同监测样点间的分异。F1与RD1相关性最强,说明RD1主要表征海水环境中的无机氮、无机磷以及重金属中与无机氮、无机磷具有密切关系的Cd、Cr。随着F1的增大,即NO2-N、NO3-N、Cd、Cr、PO4-P及NH4-N浓度的升高,水体中溶解氧和叶绿素浓度显著降低(P < 0.05)。

      图  5  庄河港近岸海水Chl a和溶解氧(DO)空间分布特征

      Figure 5.  Spatial distribution pattern of chlorophyll a and dissolved oxygen in the seawater nearshore of Zhuanghe port

      图  6  庄河港近岸海水环境质量与Chl a和溶解氧(DO)的冗余分析

      Figure 6.  Redundancy analysis of two-dimensional ordination diagram of chlorophyll a and dissolved oxygen constrained by seawater quality nearshore of Zhuanghe port

      相关研究均表明无机氮和无机磷与Chl a含量均具有显著相关关系,具体表现为在夏季,无机氮和无机磷与Chl a之间呈显著正相关性,而秋冬季则表现为显著的负相关性[22]。本研究调查采样时间为1月份,所得结果与前人在秋冬季的结果一致[22-23],说明海水环境中的营养盐对水体中的生物量具有密切的关系, 由于浮游植物摄取营养盐生长繁殖增加种群数量需要一段时间,并且浮游植物的快速生长,其对营养盐的消耗量大于补充量,另外,大规模的海参、贝类及对虾养殖对该区域浮游植物种群数量会构成较大压力,进而造成Chl a含量降低,故Chl a浓度与无机氮和无机磷含量呈负相关性[24]

    • (1) 庄河港近岸海域总无机氮范围为0.51~2.09 mg/L,平均值为1.06 mg/L,均高于《海水水质标准》中四类水质的要求,其余水质参数均满足《海水水质标准》一类水质要求。

      (2) 表层海水营养盐及重金属相关性分析表明,NO3-N和NO2-N以及PO4-P之间均两两呈极显著正相关性。重金属中Cd、Cr与各类无机氮和无机磷之间均具有显著的相关性,说明它们之间具有相似的污染来源。

      (3) 主成分分析表明,庄河港近岸海域海水环境质量是无机氮、无机磷以及与其有密切关系的Cd、Cr等水质因子综合作用的结果,沿岸线方向具有明显的空间异质性,受到海洋资源开发利用方式和入海河流的影响。

      (4) 庄河港近岸海域Chl a与溶解氧和表征NO3-N和NO2-N以及PO4-P等水质因子的主成分呈显著的负相关性。

参考文献 (24)

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