青島近岸海域海水透明度時空變化及與環(huán)境因子之間的關(guān)系

高 磊，姚海燕，張蒙蒙，鞠 蓮，曹 婧

(1.國家海洋局 北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266033)

青島近岸海域海水透明度時空變化及與環(huán)境因子之間的關(guān)系

高 磊1,2，姚海燕1,2，張蒙蒙1,2，鞠 蓮1,2，曹 婧1,2

(1.國家海洋局 北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266033)

根據(jù)2014年3，5，8和10月青島近岸海域的海洋監(jiān)測資料，分析了海水透明度的時空分布狀況。利用多元線性回歸方法，以透明度為因變量，篩選出水深、水溫、鹽度、硝酸鹽、亞硝酸鹽、溶解氧和葉綠素a七個影響顯著的關(guān)鍵環(huán)境因子，建立了最優(yōu)的多元線性回歸統(tǒng)計模型；利用單因子相關(guān)性分析方法和曲線擬合分析結(jié)果，進一步證明了海水透明度與葉綠素a含量、懸浮物含量及水深呈顯著相關(guān)，并得出曲線擬合方程。

青島近岸海域；海水透明度；環(huán)境因子；統(tǒng)計分析

0 引言

海水透明度與水色是描述海洋水體光學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)，它們與太陽輻射、海水的理化性質(zhì)、懸浮物成分與含量以及氣象狀況等有著密切的關(guān)系。透明度與相關(guān)環(huán)境因子的研究，多見于湖泊，海水透明度與影響因子之間的研究較少，且僅限于海水透明度與單因子之間的相關(guān)關(guān)系，如楊生光 等[1]利用實測數(shù)據(jù)建立了海水透明度與葉綠素的定量關(guān)系，平仲良[2]建立了海水透明度與懸浮體含量的關(guān)系。海水透明度與其他環(huán)境因子之間的綜合關(guān)系鮮見報道，透明度是綜合反映水體光學(xué)透射性能的關(guān)鍵生態(tài)指標，并不依賴于某個環(huán)境因子，而是多因子共同作用的結(jié)果。本研究通過現(xiàn)場調(diào)查和對常規(guī)監(jiān)測資料的分析，研究了青島近岸海域海水透明度的空間分布、季節(jié)變化及影響因子，建立了多元線性回歸統(tǒng)計模型，篩選出影響海水透明度的關(guān)鍵環(huán)境因子。分析研究海水透明度與水色的分布特征對水團分析、流系識別、海洋初級生產(chǎn)力以及區(qū)域海洋學(xué)研究等都有重要的意義，特別是對透明度與水色時空變化顯著的近海區(qū)域更為重要。本研究旨在探求海水透明度與其他海洋要素之間的相互關(guān)系，為海洋生態(tài)保護和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

分別于2014年3，5，8和10月在青島近岸海域開展了31個站位的綜合調(diào)查(圖1)，其中29號站5，8和10月缺測，30號站和31號站8月缺測。透明度(SD)采用塞式盤現(xiàn)場測量，監(jiān)測項目包括水文、氣象、水質(zhì)等因子，樣品采集及分析均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378—2007)中的相關(guān)要求進行。本研究在分析海水透明度與環(huán)境因子之間的關(guān)系時，在單因子分析和多因子回歸分析中，納入的分析因子有y: 透明度(SD) ；X1：水深；X2：水溫(T)；X3：風(fēng)速；X4：鹽度(S)；X5：pH值；X6：懸浮物；X7：活性磷酸鹽(PO4-P)；X8：銨鹽(NH4-N)；X9：硝酸鹽(NO3-N)；X10：硅酸鹽(SiO3-Si)；X11：亞硝酸鹽(NO2-N)；X12：溶解氧(DO)；X13：化學(xué)需氧量(COD)；X14：葉綠素a共15個因子，使用SPSS 13.0軟件對各采樣點測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

圖1 調(diào)查海域和站位Fig.1 Locations of survey stations

2 結(jié)果與討論

2.1 海水透明度時空變化

青島近岸海域的海水透明度空間變化特征如圖2所示，研究期間，海水透明度均呈現(xiàn)從膠州灣灣內(nèi)向灣口及灣外升高的空間變化，僅10月膠州灣口有顯著的高值區(qū)。這是由于灣北部海域為典型的養(yǎng)殖區(qū)，水深較淺，有機物豐富[3]；膠州灣西北及東岸，沿岸工農(nóng)業(yè)和生活污水經(jīng)大沽河、海泊河、墨水河、白沙河和李村河等徑流入海[4]，增加了該區(qū)域營養(yǎng)鹽的含量，尤其增加了懸浮物的質(zhì)量濃度，因此近岸海域透明度較低。海水透明度與膠州灣海水養(yǎng)殖、河流輸入等表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。

從時間變化上看，調(diào)查海域3，5，8和10月的透明度平均值分別為：2.80，2.68，2.50和1.80 m，呈下降趨勢。主要原因是受河流徑流輸入和浮游植物生長的影響。5—7月為青島市的雨季，雨水使沿海河流為青島近海帶來大量的營養(yǎng)物質(zhì)及懸浮物；另外，夏、秋季浮游生物的大量生長也造成了海水透明度下降。

2.2 多因子回歸分析

選用2014年膠州灣31個站位4個監(jiān)測月份的綜合調(diào)查數(shù)據(jù)進行分析，以海水透明度(y)為因變量，與其他環(huán)境因子作逐步回歸分析，得出的回歸方程為：

y=-1.552+0.040X1+0.141X4-0.010X6-0.019X7-0.002X9-0.006X11

(1)

式中：y為透明度(m)，X1為水深(m)，X4為鹽度，X6為懸浮物質(zhì)量濃度(mg/L)，X7為活性磷酸鹽質(zhì)量濃度(μg/L)，X9為硝酸鹽質(zhì)量濃度(μg/L)，X11為亞硝酸鹽質(zhì)量濃度(μg/L)。

方程(1)的決定系數(shù)R2為0.344，數(shù)值較小，因此對回歸方法進行優(yōu)化，采用“向后篩選”方法，逐步剔除Sig較高的變量獲得回歸方程。模型逐步回歸過程中，模型顯著性水平一直為極顯著，表示方程通過檢驗，進行回歸分析是有效的。逐步剔除Sig較高的變量，直至決定系數(shù)R2最大，擬合優(yōu)度最好。剔除的順序分別為：銨鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、pH值、COD、風(fēng)速、葉綠素a/懸浮物、硝酸鹽，其中在剔除葉綠素a和懸浮物時先分別單獨剔除，再同時剔除，最終得到最佳方程，剔除過程見表1。

多元線性回歸模型的方程式可寫為：

y=-10.886+0.053X1+0.100X2+0.257X4-0.002X9-0.006X11+0.454X12-0.047X14

(2)

式中：y為透明度(m)，X1為水深(m)，X2為水溫(℃)，X4為鹽度，X9為硝酸鹽質(zhì)量濃度(μg/L)，X11為亞硝酸鹽質(zhì)量濃度(μg/L)，X12為溶解氧含量(mg/L)，X14為葉綠素a質(zhì)量濃度(μg/L)。

擬合優(yōu)度最佳的方程中，海水透明度主要與水深、水溫、鹽度、硝酸鹽、亞硝酸鹽、溶解氧、葉綠素a呈顯著相關(guān)性，其中，跟水深、水溫、鹽度和溶解氧成正相關(guān)，跟硝酸鹽、亞硝酸鹽和葉綠素a呈負相關(guān)。懸浮物并未成為擬合優(yōu)度最佳方程中的自變量，但卻是最后一個被剔除的自變量，說明在青島近岸海域海水中，懸浮物與透明度之間的相關(guān)性低于回歸方程中的環(huán)境要素。

2.3 單因子分析

圖2 海水透明度的時空變化Fig.2 Temporal and spatial variations of seawater transparency

除了多環(huán)境因子的綜合影響作用外，本研究還進行了海水透明度與其他14個因子之間的兩兩相關(guān)性分析(表2)。其中，海水透明度與水深、鹽度、DO呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與pH值呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；海水透明度與磷酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、懸浮物、葉綠素a呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)，與硝酸鹽呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。這與多元線性回歸方程中的結(jié)論基本一致。

2.4 海水透明度與環(huán)境因子之間的關(guān)系

MOREL et al[5]于1977提出將海水分為一類水體和二類水體。后來GORDON et al[6]和SATHYENDRANATH et al[7]作了進一步的修改，在一類水體(大洋水體)中一般只考慮葉綠素a及其降解物褐色素a和碎屑的影響；在二類水體中除了考慮葉綠素外，還要考慮懸浮泥沙及黃色物質(zhì)的影響。

表1 多元線性回歸模型剔除過程Tab.1 The model of multiple linear regression analysis

注：灰色部分為最終選定的模型變量。

表2 海水透明度與其他環(huán)境因子相關(guān)性分析Tab.2 The correlation analysis between seawater transparency and environmental factors

注：a表示在0.01水平上顯著相關(guān)；b表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

本研究區(qū)域為二類水體，海水透明度應(yīng)考慮葉綠素、懸浮泥沙及黃色物質(zhì)的影響。本次調(diào)查結(jié)果表明，海水透明度與葉綠素a及懸浮物呈現(xiàn)一定程度的負相關(guān)(表2)，這與已有研究結(jié)果基本一致。因此，懸浮泥沙及葉綠素a是影響海水透明度的直接因素，其他環(huán)境因子是通過影響懸浮泥沙及葉綠素a的分布及含量影響海水透明度，為間接影響因素。

2.4.1 海水透明度與葉綠素a之間的關(guān)系

葉綠素a含量是反映海區(qū)現(xiàn)有浮游植物生物量高低的重要指標[8]。水體中聚集大量的浮游植物，水體透明度下降，反之則水體透明度上升。同時，葉綠素a含量又受到其他環(huán)境因子的影響。研究表明，環(huán)境因子(如溫度、鹽度、pH值、溶解氧、營養(yǎng)鹽)與攝食壓力的變化等均是影響膠州灣葉綠素a的含量和分布的主要因素[9-11]。這些環(huán)境因素影響葉綠素a含量，同時間接影響水體透明度的變化。本研究中葉綠素a、鹽度、pH值、溶解氧及部分營養(yǎng)鹽均與透明度呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其中葉綠素a與透明度呈極顯著負相關(guān)，對其作相關(guān)性的曲線擬合，得出：

(3)

式中：y為透明度(m)，X14為葉綠素a質(zhì)量濃度(μg/L)。

2.4.2 海水透明度與懸浮物質(zhì)量濃度之間的關(guān)系

懸浮物是由無機質(zhì)和有機質(zhì)的浮游物、泥土、微生物等微粒懸浮物質(zhì)所組成的。當光線通過水樣后，由于水中顆粒的遮攔或散射而使光強發(fā)生變化，因此懸浮物的含量，決定著海水的水色和透明度，還直接影響著海水的聲學(xué)性質(zhì)和其他的光學(xué)性質(zhì)。水體中懸浮物的增加會增加對光輻射的衰減,從而降低水體的透明度。同時懸浮物又受到徑流輸入、氣象狀況、水動力條件、底質(zhì)條件等的影響[12]。氣象條件主要為風(fēng)的影響，風(fēng)浪作用強烈，底泥易于懸浮起來。隨著風(fēng)力的增加，波浪加大，對沉積物的擾動增強，使底泥再懸浮，導(dǎo)致水體中懸浮質(zhì)增加；同時也會引起水面反射率的增大而使透入的光強減弱，透明度也隨之下降。與風(fēng)的影響類似，波浪是影響底泥再懸浮的主要因素，流速對懸浮物的遷移擴散起著十分重要的作用；同時沿岸徑流的泥沙輸入也是影響水體懸浮物質(zhì)量濃度的重要因素。這些環(huán)境要素直接或間接地影響海水懸浮物的質(zhì)量濃度，進而影響海水透明度的變化。本研究中未測量波浪及海流，但風(fēng)速與透明度之間相關(guān)性不顯著，說明透明度不依賴于單個因子的變化，而是水體多因子共同作用的結(jié)果。懸浮物與透明度呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)，對其作相關(guān)性的曲線擬合，得出：

y=2.704×0.991X6(R2=0.077，N=116，Sig<0.001)

(4)

式中：y為透明度(m)，X6為懸浮物質(zhì)量濃度(mg/L)。

2.4.3 海水透明度與水深之間的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，海水水深是影響海水透明度的重要因素。通過透明度的空間分布(圖2)可以看出，海水透明度存在近岸低，遠岸高的分布情況，通過相關(guān)性分析得出海水水深與透明度存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。分析其原因為，沿岸徑流為海水帶來大量的懸沙及營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)在海水中的擴散過程形成了近岸含量高，遠岸含量低的特點。其中懸沙質(zhì)量濃度的提高可降低海水透明度；營養(yǎng)物質(zhì)可促進浮游植物生長，從而提高葉綠素a的含量，葉綠素a含量的提高導(dǎo)致水體透明度下降。同時，水深較淺的區(qū)域，海底底泥易于在浪、流的影響下再懸浮，使懸浮物質(zhì)量濃度提高。因此，水深較淺的區(qū)域懸浮物及葉綠素a含量較高，透明度較低。水深與透明度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，對其作相關(guān)性的曲線擬合，得出：

y=EXP(1.131-2.57/X1)(R2=0.471，N=119，Sig<0.001)

(5)

式中：y為透明度(m)，X1為水深(m)。

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明：膠州灣透明度呈現(xiàn)從灣邊緣向灣口逐漸升高的空間變化特征，體現(xiàn)了河流輸入、貝類養(yǎng)殖等的影響。時間變化上，調(diào)查期間4個月份海水透明度呈下降趨勢。利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行逐步回歸統(tǒng)計分析，建立以透明度為因變量的多元線性回歸模型，發(fā)現(xiàn)透明度變化是多因子共同作用的結(jié)果，與水深、水溫、鹽度、溶解氧成正相關(guān)，與硝酸鹽、亞硝酸鹽、葉綠素a呈負相關(guān)。另外，通過單因子統(tǒng)計分析進一步發(fā)現(xiàn)了其與懸浮物呈負相關(guān)，并佐證了多元線性回歸模型的結(jié)果。懸浮物及葉綠素a是影響海水透明度的直接影響因素，其他環(huán)境因子為間接影響因素。

海水透明度受到多種環(huán)境因子的影響，其機理比較復(fù)雜，但仍有一定的規(guī)律可循，本研究揭示了海水透明度與多種環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系，但未獲取黃色物質(zhì)的調(diào)查數(shù)據(jù)，尚有一定缺失，希望在后續(xù)研究中完善。

[1] YANG Sheng-guang，ZHANG Kun-cheng，Lü Pei-ding. The relationship between the relative transparency of sea water and chlorophylla[J]. Advances in Marine Science,1987,5(1)：68-70.

楊生光,張坤誠,呂培頂.海水相對透明度與葉綠素a的關(guān)系[J].海洋科學(xué)進展,1987,5(1)：68-70.

[2] PING Zhong-liang. Calculating the suspended matter content in the Yellow Sea with the seawater transparency data and NOAA satellite data[J] .Oceanologia et Limnologia Sinica，1993,24(1):24-29.

平仲良.用實測海水透明度數(shù)據(jù)和NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算黃海懸浮體含量[J].海洋與湖沼，1993,24(1):24-29.

[3] ZHANG Ji-hong, FANG Jian-guang, SUN Song, et al. Clearance rate, ingestion rate and absorption efficiency of cultivated clamRuditapesphilippinarumin Jiaozhou Bay, China[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica，2005,36(6):548-555.

張繼紅，方建光，孫松，等．膠州灣養(yǎng)殖菲律賓蛤仔的清濾率、攝食率、吸收效率的研究[J]．海洋與湖沼，2005,36(6):548-555.

[4] SUN Pi-xi ，WANG Zong-ling，ZHAN Run, et al. Study on dissolved inorganic nitrogen distributions and eutrophication in the Jiaozhou Bay[J]．Advances in Marine Science,2005，23(4)：466-471.

孫丕喜，王宗靈，戰(zhàn)閏，等．膠州灣海水中無機氮的分布與富營養(yǎng)化研究[J]．海洋科學(xué)進展，2005，23(4)：466-471.

[5] MOREL A, PRIEUR L. Analysis of variation in ocean color[J]. Limnology and Oceanography,1977,22:709-722.

[6] GORDON H R, MOREL A Y. Remote assessment of ocean color for interpretation of satellite visible imagery: A review: Lecture Notes on coastal and estuarine studies[M]. New York: Springer,1983:114.

[7] SATHYENDRANATH S, MOREL A. Light emerging from the sea interpretation and uses in remote sensing[M]// CRACKNELL A P. Remote sensing applications in marine science and technology. Dordrecht: D.Reidel Publishing Company,1983:323-357.

[8] WANG Dan, HE En-ye, LIU Gui-mei, et al. Relationship between red tide organisms and environmental factors in the Beidaihe waters of the Qinhuangdao[J].Marine Forecasts，2013,30(5):1-7.

王丹，何恩業(yè)，劉桂梅，等.秦皇島北戴河赤潮生物與環(huán)境因子之間的關(guān)系[J].海洋預(yù)報，2013,30(5):1-7.

[9] WU Yu-lin, SUN Song, ZHANG Yong-shan, et al. Quantitative study on long-term variation of phytoplankton in Jiaozhou Bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica，2004,35(6)：518-532.

吳玉霖，孫松，張永山，等．膠州灣浮游植物數(shù)量長期動態(tài)變化的研究[J]．海洋與湖沼，2004,35(6)：518-532.

[10] HAO Jian-hua, HUO Wen, YU Zhi-ming. Preliminary study on red tide occurrence in relation to nutritional condition in aquaculture seawater of Jiaozhou Bay[J].Marine Sciences，2000,24(4)：37-41.

郝建華，霍文，俞志明．膠州灣增養(yǎng)殖海域營養(yǎng)狀況與赤潮形成的初步研究[J]．海洋科學(xué)，2000,24(4)：37-41.

[11] DONG Jin-hai, JIAO Nian-zhi. Ecology of Jiaozhou Bay[M].Beijing: Science Press,1995.

董金海，焦念志．膠州灣生態(tài)學(xué)研究[M]．北京：科學(xué)出版社，1995．

[12] PANG Yong，LI Yi-ping，LUO Lian-cong．Simulation of transparency in Taihu Lake under hydrodynamic conditions[J]．Science in China：Series D: Earth Sciences，2005，35(S2)：145-156．

逄勇,李一平,羅瀲蔥.水動力條件下太湖透明度模擬研究[J].中國科學(xué)：D輯：地球科學(xué),2005,35(增刊):145-156.

TemporalandspatialvariationofseawatertransparencyanditsrelationshipwithenvironmentalfactorsinQingdaocoastalarea

GAO Lei1,2, YAO Hai-yan1,2, ZHANG Meng-meng1,2, JU Lian1,2, CAO Jing1,2

(1.NorthChinaSeaEnvironmentalMonitoringCenter,SOA,Qingdao266033,China; 2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofMarineEcologyandEnvironment&DisasterPreventionandMitigation,Qingdao266033,China)

The temporal and spatial distribution of seawater transparency was analyzed according to the marine monitoring data of Qingdao coastal area in 2014. Multiple linear regression analysis was utilized to find out seven key environmental factors as the independent variables, and an optimal multiple linear regression statistical model was established. In addition, the single-factor correlation analysis and curve fitting analysis were also utilized to further prove that the seawater transparency was significantly correlated with the content of chlorophylla, suspended matter and water depth, and the curve fitting equation is drawn.

Qingdao coastal water; seawater transparency; environmental factors; statistical analysis

高磊，姚海燕，張蒙蒙，等.青島近岸海域海水透明度時空變化及與環(huán)境因子之間的關(guān)系[J].海洋學(xué)研究,2017,35(3):79-84,

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.009.

GAO Lei，YAO Hai-yan，ZHANG Meng-meng, et al. Temporal and spatial variation of seawater transparency and its relationship with environmental factors in Qingdao coastal area[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(3):79-84, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.009.

2016-04-14

2017-03-28

2015年度北海分局海洋科技項目資助(201501)；山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室2015年度開放基金項目資助(2015B03)

高磊(1983-)，男，山東平度市人，工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測與評價研究。E-mail:gaolei@bhfj.gov.cn

P731.14

A

1001-909X(2017)03-0079-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.009