硅藻指数对浑河水生态健康的评价

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

硅藻指数对浑河水生态健康的评价

田英

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

文中研究以浑河流域为例，针对流域内的戴斯、生物硅藻、硅藻属、硅藻营养化、特定污染敏感等多种指数进行筛选，筛选出适用于评价浑河流域水生态健康的硅藻指数。评价结果表明，皮尔森相关性分析显示，IDP指数、DES指数、IDAP指数、CEE指数和IDG指数与水环境因子的相关性较高；因子分析结果显示，因子负荷贡献达到50%以上的环境因子被保留下来，分别是氨氮、电导率、总溶解固体、硬度、高锰酸盐指数、总氮、活性磷和流速。最后根据箱体图结果显示，IDP指数、DES指数、CEE指数和IDG指数，可以很好的评估浑河的水体健康状态。

硅藻指数；环境因子；水生态健康；浑河

1 概述

硅藻（diatom）广泛存在河流中，是天然水体中重要的组成部分，同时也是河流生态系统中的生产者。由于硅藻对水体污染程度极其敏感，所以硅藻被广泛应用于监测河流、湖泊以及水库的水生态状况。

目前世界上已经发展了10多项硅藻指数用于水生态健康的评价，硅藻指数不仅在欧美、非洲、澳大利亚、巴西等国家广泛应用[1]。在国内的基隆河、东江、柳江等河流也被广泛的运用[2]。硅藻指数主要有以下几个优点：

1）计算相对简单，将整理完整的数据输入到软件中，即可得到相应的数值。

2）根据得出的数值即可判定该区域的水生态健康质量。

该研究选取国内外评价河流生态健康常用的10项硅藻指数，分别是：戴斯指数（DES）、生物硅藻指数（IBD）、硅藻属指数（IDG）、硅藻营养化指数（TDI）、特定污染敏感指数（IPS）、欧盟硅藻指数（CEE）、斯雷德切克指数（SLA）、南美大草原硅藻指数（IDP）、硅藻组合有机污染指数（IDAP）和河流硅藻物种指数（IDSE）[3]。

2 材料和方法

2.1 研究区域

浑河水系位的大伙房水库上游地区，植被覆盖率相对较高，而在大伙房水库中下游地区，工业农业交错，形成了错综复杂的工业网。该研究在浑河水系上共设定23个采样点位。

2.2 样品采集和处理

根据河流生境不同（急流生境、缓流生境、浅滩等），选择不同生境的9个石块，用硬毛刷分别刮取面积为15.2 cm2（直径4.4 cm的圆形塑胶环）的硅藻，将其冲刷至不锈钢托盘中，将定量混合的硅藻倒入广口塑料瓶中，加入5%的甲醛固定，剩余硅藻全部刷至不锈钢托盘中采用同样方式保存作为定性样品。在实验室内，用浓硫酸和浓硝酸（比例1∶1）进行酸化，并制成封片，使用光学显微镜1 000倍（油镜）进行种类鉴定和计数[4]。

2.3 水环境理化指标的测定

各采样点位的电导率、总溶解固体、溶解氧和pH均用水质分析仪现场测定；水深和流速使用流速仪现场测定；另外采集一份2 L水样，在低温条件下（4℃）送回实验室，根据标准方法，测定水化学的指标：悬浮物、氯离子、氨氮、硝酸态氮、总氮、活性磷、总磷、硬度和高锰酸盐指数。

2.4 数据分析

2.4.1 硅藻指数

对10项硅藻指数的描述中，硅藻指数通过OMISN7.0算出，硅藻指数的数值都设定在0～20的范围内，数值的高低说明水质的健康状况。10项硅藻指数中，硅藻指数数值越高，则说明水体健康状况越好，反之，则说明水体健康状况较差。

2.4.2 浑河硅藻群落结构分析

应用NMDS（无度量多维标定法）对浑河流域上23个采样点位进行分组，分析硅藻在浑河流域地理空间上的分布情况，运用MRPP（多响应置换过程）分析不同组别下硅藻群落结构的空间异质性。NMDS与MRPP均通过PC-ORD 5.0进行分析。

2.4.3 硅藻群落结构与水环境因子分析

除pH外，将所有的数据经lg（x+1）进行标准化处理，对各个点位下的硅藻密度进行DCA（除趋势对应分析），得出物种的单峰影响值梯度（SD），且当SD大于2时进行CCA（典范对应性分析），若SD小于2时，则采用RDA（冗余度分析），最后选出显著影响硅藻群落空间分布特征的环境因子。DCA和CCA通过Canoco4.5进行分析。

2.4.4 硅藻指数与环境因子的关系

将10项硅藻指数和主要影响硅藻群落结构的环境因子进行皮尔森相关性分析，观察硅藻指数与环境因子的相关程度，剔除相关性不显著的硅藻指数，保留相关性显著的硅藻指数。对环境因子进行因子分析，运用KMO和Bartlett球形检验法检验理化变量，进行因子分析的可行性。利用因子负荷矩阵，因子负荷贡献达到50%以上的环境因子被保留下来，并作为主要的水环境因子。皮尔森相关性分析和因子分析通过SPSS17.0分析。

根据Van和Salomoni等对硅藻对水体污染敏感程度的研究来对不同分组下的水生态健康等级进行划分，并通过箱体图来分析硅藻指数在不同组别下的不同水生态健康的趋势，最后筛选出最适合浑河水生态评估的最优的硅藻指数。箱体图通过Origin7.5进行分析。

3 结果

3.1 硅藻群落分布特征

在这次采样调查中，浑河共鉴定出硅藻85种，其中浑河常见硅藻种类有：谷皮菱形藻、偏肿桥弯藻、膨大桥弯藻、弧形峨眉藻、线形菱形藻、简单舟形藻、小片菱形藻、梅尼小环藻种类最多，分别占总个体数的22.4%、9.8%、8.8%、6.8%、5.2%、3.8%、3.8%、3.2%。

3.2 硅藻群落结构与水环境因子的关系

对浑河23个采样点位进行趋势对应分析（DCA），其物种的单峰影响值梯度为4.108（SD= 4.108，SD＞2），表明浑河流域硅藻群落结构对生态梯度的响应是非线性的，因此采用典范对应性分析（CCA）来分析环境因子对硅藻群落结构的影响。

CCA结果显示（图1），结果表明了影响浑河流域硅藻群落结构的水环境因子分别是氨氮、电导率、总溶解固体、硬度、高锰酸盐指数、总氮、活性磷和流速。

图1 浑河流域水环境理化因子与硅藻群落的典范对应分析

3.3 硅藻指数与水环境因子的关系

根据皮尔森相关性分析分析，IDP指数与水环境因子的相关性最为密切（P＜0.05），仅与总氮无显著相关性（P＞0.05）。DES指数与水环境因子关系比较密切，仅与总氮和流速无显著相关性。IDAP指数与氨氮、电导率、总溶解固体、总氮和活性磷具有显著相关性。CEE指数与氨氮、电导率、总溶解固体、硬度和总氮有显著相关性。IDG指数与电导率、硬度和流速呈现显著相关性。IBD指数仅与氨氮和总氮呈现显著相关性。IPS指数仅与硬度和流速呈现显著相关性。TDI指数与SLA指数仅与流速呈现显著相关性，而IDSE指数与各项环境因子无显著相关性。

将8项水环境因子进入因子分析，其中KMO分析及Bartlett检验方法分析得出：KMO的值为0.736（KMO＞0.5），Bartlett检验水平显示为与单位矩阵有显著差异（P＜0.001）。因此，8项水环境因子具备了进入因子分析的条件。在因子负荷矩阵中，因子负荷贡献达到50%以上的环境因子被保留下来，结果如表1所示，8项水环境因子贡献率均达到50%以上，所以全部被保留下来。

表1 因子负荷矩阵

3.4 硅藻指数在浑河的适用性评价

根据硅藻群落结构无度量多维标定法，将浑河流域分成4个组别，且每个组别中优势物种也各不相同，如表2。硅藻可以很好的指示水体的污染状态，根据Van等研究表明[5]，膨大桥弯藻、偏肿桥弯藻和弧形峨眉藻，一般指示水体贫营养状态到中等污染状态的结果。Salomoni等研究发现[6]，小型异极藻和小片菱形藻一般指示水体富营养状态。谷皮菱形藻和梅尼小环藻指示多污染带和水体富营养化。因此，水生态健康的状态从好到差依次为：组1＞组2＞组3=组4。

表2 不同组别下的优势物种

根据4个分组，通过箱体图来说明硅藻指数对浑河流域的适应性评价，根据图2，可以看出IDP指数、DES指数、CEE指数和IDG指数呈现出明显的Group1到Group4下降趋势，而IDAP指数并没有很好的显示出较好的趋势，所以剔除IDAP指数，IDP指数、DES指数、CEE指数和IDG指数可以很好的评估浑河的水体健康状态。

4 讨论

通过无度量多维标定法进行分组，发现上游地区硅藻的完整性被破坏，出现较多的耐污染物种，例如H10点位中谷皮菱形藻N.Palea就占到了该点位物种量的43%。研究发现，河岸带缓冲区1 km周围是耕作用地，该点位的总氮值达到5.395 mg/L，但是否是由于氮元素的超标而导致水质恶化，还有待于进一步研究。

图2 硅藻指数在四个分组下的箱型图

根据MRPP结果显示，浑河流域4个分组之间硅藻群落都存在着显著差异。在时间上，主要是由于总氮、氨氮和活性磷的变化，4个组别之间不同总氮、氨氮和活性磷的浓度可能是造成硅藻群落结构差异的原因之一。在空间尺度上，造成4组不同差异的原因，可能是由于浑河流域不同水系分布以及地形地貌而引起的。

文中所选取的10项硅藻指数评价浑河流域水生态健康，最终保留IDP指数、DES指数、CEE指数和IDG指数。IDP在该研究中，对浑河流域的水生态评价得出了相对较好的结果。CEE指数曾经对欧洲许多河流进行评价，都得到了很好的效果，在该研究中，同样适用于浑河流域的水生态评价。IDG指数是比较实用的硅藻指数，在国内外都曾对河流进行水生态评估[7]。IBD指数不仅在国外河流评价中有着重要的地位，在我国的太子河流域、渭河流域以及东江流域等河流也有着较高的评价地位[8]，IBD指数已经发展为重要的水质生物评价方法，但在该研究中，并不适用与浑河流域的水生态评价。

［1］systems in southern Brazil,?with special emphasis on eutrophication［J］.Acta Limnologica Brasiliensia，2004，16（1）：25-40.

［2］邓培雁，雷远达，刘威，等.七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估［J］.生态学报，2012，32（16）：5014-5024.

［3］黎佛林，蔡德所，唐鑫，易燃.硅藻指数筛选及水质多指标评价体系构建［J］.长江科学院院报，2015，8：1001-5485.

［4］国家环境保护总局.2002.水和废水监测分析方法（第4版）［M］.北京：中国环境科学出版社.

［5］Van Dam H，Mertens A，Sinkeldam J.A coded checklist and ecological indicator values of freshwater diatoms from the Netherlands［J］.Netherlands Journal of Aquatic Ecology，1994，28：117-133.

［6］Salomoni SE，Rocha O，Callegaro VL，et al.Epilithic diatoms as indicators of water quality in the Gravatai River,Rio Grande do Sul，Brazil［J］.Hydrobiologia，2006，559：233 -246.

［7］殷旭旺，张远，渠晓东，等.浑河水系着生藻类的群落结构与生物完整性［J］.应用生态学报，2011，22：2732-2740.

［8］刘麟菲，宋佳，王博涵，等.渭河流域硅藻群落特征及水生态健康评价［J］.环境科学研究，2015，28（10）：1560-1569.

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2016-01-15