基于着生硅藻指数的梧桐河水生态健康评价

薛浩，郑丙辉，孟凡生，王业耀，张铃松，程佩瑄

1. 北京师范大学水科学研究院， 北京 100875 2. 中国环境科学研究院，北京 100012 3. 中国环境监测总站，北京 100012

近年来，由于人类活动的干扰，河流生态系统功能遭到了严重破坏，生物多样性和生态系统完整性显著下降[1]。因此，河流生态系统健康评价越来越受到国内外学者的关注，大量水生生态系统健康评价方法应运而生[2-5]。着生藻类是水生资源和河流生态系统的一个重要组成部分[6]，在营养物质的吸收和向更高营养级转化的循环过程中起着关键作用[7]，研究表明，着生硅藻对水质变化[8]以及人类干扰活动[9]具有较好的指示作用，已被广泛应用于河流生态监测及健康评价[10-14]。在中国，已有学者应用多种着生硅藻指数对东江[15]、渭河[16]、太子河[17]、北江[18]进行了河流生态健康评价，研究表明硅藻评价指数具有最佳适用区域，各指数在不同流域适用性不同[15-18]。目前着生硅藻指数在松花江流域应用较少，缺少不同指数在松花江流域的适用性研究。

研究调查了黑龙江省梧桐河着生藻类的群落结构特征，分析了水环境因子与硅藻群落结构的相关关系，综合运用主成分分析 (principal component analysis, PCA)、除趋势对应分析(detrended correspondence analysis, DCA)、冗余分析(redundancy analysis, RDA)、Spearman相关分析和箱体图等分析方法，研究了硅藻生物评价指数[17](Diatom Bioassessment Index, DBI)、相似度指数[19](Jaccard Index, JI)、美国硅藻污染耐受指数[20](Pollution Tolerance Index, PTI)、富营养化硅藻指数[21](Trophic Diatom Index, TDI)、硅藻生物指数[22](Biological Diatom Index, BDI)、硅藻属指数[23](Generic Index of Diatom, GI)、澳大利亚河流硅藻生物评价指数(属)[24](Diatom Index for Australian Rivers, DIAR)和澳大利亚河流硅藻生物评价指数(种)[25](Diatom Species Index for Bioassessment of Australian Rivers, DSIAR)8种常见的硅藻指数在梧桐河的适用性，筛选出适合梧桐河生态系统健康评价的硅藻指数，为梧桐河生态系统健康评价提供理论支持和研究基础。

1 材料与方法 (Materials and methods)

1.1 研究区域概况与采样点

梧桐河是松花江一级支流，地处小兴安岭南麓山丘及山前过渡到平原地带，全长357 km，梧桐河流域大部分区域属于鹤岗市行政区域。流域面积4 516 km2，其中山区面积3 636 km2，平原面积880 km2[26]。本研究共设置13个采样点(见图1)，分别于2016年7月、9月对梧桐河流域进行采样调查。

1.2 硅藻样品采集、处理与分析

在采样点河流上下游100 m 范围内，依据河流生境的不同(流速、水深和透明度)，挑选3个石块(石块上表面积<200 cm2)，用底面直径2.8 cm钟形塑料盖划定取样范围，用硬毛刷刮取该范围内着生藻，用纯净水冲刷至不锈钢托盘中，加5%甲醛溶液固定后转移到广口塑料瓶中保存，作为着生藻类的定量样品。对于没有石头的点位，刷取枯枝、落叶等基质的着生藻类样品[17]。

图1 梧桐河采样点分布Fig. 1 Sampling sites in Wutong River

样品运回实验室后，进行酸化处理(浓硝酸和浓硫酸体积比为1:1)，并制成硅藻封片，在1 000倍光学显微镜(OLMPUS BX51)下进行鉴定计数，每张封片观察到的硅藻细胞个数不少于400个[27]。

本文采用Mcnaughton优势度指数来判定优势种的组成，选取Mcnaughton优势度指数(Y)>0.02的藻类作为本流域中的优势种[28]。公式如下：

Y = (ni/N)fi

(1)

式中：N为所有藻类的总细胞数；ni为第i种藻类的细胞总数；ni/N为第i种藻类的细胞数占所有藻类总细胞数的比值；fi为第i种藻类在样点中出现的频率。

1.3 水质、水文和生境指标测定

水温(Temp)、电导率(Cond)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、总溶解固体(TDS)和pH使用便携式水质分析仪现场测定；水宽、河宽和流速(Velo)使用测距仪和流速仪现场测定，并计算水宽与河宽比例(Ratio)，其中河宽采用堤岸间宽度或河槽宽度计算。各采样点位同步采集河水样品，预处理后带回实验室，测定氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和磷酸盐(Phos)，水样采集、预处理、保存以及测定参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[29]；按照《栖息地评价指标与评价标准》[30]，现场打分，获取底质得分(Bott)和生境得分(QHEI)。

1.4 数据分析

对水环境理化数据和生境质量数据，首先进行PCA，筛选出影响梧桐河水环境质量的主要环境因子。对筛选出的主要环境因子进行Spearman相关分析，相关性较强的2个水环境理化因子仅保留其一。对着生藻类相对多度数据进行DCA分析，如果DCA排序前4个轴中最大值超过4，选择单峰模型排序更合适；如果是小于3，则选择线性模型更好[31]。进行PCA、Spearman相关分析和RDA分析时，除pH以外的所有水体理化数据和着生藻类相对多度数据均进行数据转换(Log10[x+1])。

根据着生藻类相对多度数据计算各采样点香农多样性指数(Shannon-Wiener Index)和Pielou均匀度指数(Pielou Index)，并计算8种硅藻指数评价结果。采用箱体图法[32]进行硅藻指数判别能力分析，筛选出适合在梧桐河应用的硅藻指数，采用相关分析研究环境因子与各硅藻指数间的关系。

2 结果(Results)

2.1 硅藻群落结构特征

梧桐河流域共鉴定出着生硅藻29属122种(变种)，13个采样点位中，S1点位鉴定出着生硅藻物种数量最多，为54种；S8点位鉴定出物种数量最少，仅18种；梧桐河各点位平均物种数29种，着生硅藻物种较为丰富。选取Mcnaughton优势度指数(Y)>0.02为优势种，梧桐河着生硅藻绝对优势种(见表1)为Gomphonema parvulum。

各点位香农多样性指数与Pielou均匀度指数结果(见图2)表明，S1点位香农多样性指数与均匀度指数得分最高；S3点位香农多样性指数与均匀度指数得分最低。13个采样点位中，S1、S5、S9和S13这4个点位着生硅藻群落稳定性较好，香农多样性指数及均匀度指数平均值分别为3和0.83；S2、S3、S7、S8、S10和S11着生硅藻群落稳定性较差，香农多样性指数及均匀度指数平均值分别为1.84和0.59，水质分析及生境评分结果显示，这几个点位水质氮磷污染或人为干扰较为严重。

2.2 水环境因子与硅藻群落结构

对梧桐河水系观测的15个环境因子(水质、水文和生境)进行PCA分析，结果表明，主要环境因子包括：NH3-N、TN、TP、Phos、Cond、DO、pH、Ratio、Velo、QHEI和Bott。对以上11个环境因子进行Spearman相关分析，结果(见表2)表明，TN、Ratio、QHEI和Bott与多个环境因子相关性较强，予以剔除。着生藻类DCA排序前4个轴中“Axis lengths”最大值为2.87，小于3，适合选择线性模型，因此对剩余的7个环境因子和着生藻类群落数据进行RDA分析。RDA结果(见图3)表明，根据着生藻类群落结构差异，梧桐河流域可分为3组：第1组包括S2、S3、S8和S11，主要影响因子为Velo和TP；第2组包括S6、S7、S9和S10，主要影响因子为NH3-N、Phos和DO，其中DO与该组负相关；第3组包括S1、S4、S5、S12和S13，主要影响因子为Cond和pH。

2.3 硅藻指数健康评价

硅藻指数计算完成后均转换成0～20内的数值，选择水质及生境质量较好的S1、S9和S13点位作为参照点，剩余点位作为受损点，使用箱体图法对8个硅藻指数做判别分析。箱体图分析结果(见图4)显示，GI和DIAR参照点位(reference site, Ref.)得分低于受损点位(damaged site, Dam.)，判别能力较差，其余6个参数均有较强的判别能力。

图2 各点位香农多样性指数与均匀度指数Fig. 2 Shannon-Wiener Index and Pielou Index

表1 梧桐河着生硅藻优势种Table 1 Dominant species of benthic diatom in Wutong River

表2 环境因子相关分析Table 2 The correlation coefficient between eleven candidate environmental factors

注：**表示显著相关(P<0.01)，*表示显著相关(P<0.05)。

Note:**means significant correlation (P<0.01)，*means significant correlation (P<0.05).

根据刘麟菲等[16]在渭河流域使用的评价标准对各硅藻指数得分进行评价，结果(见图5)显示，TDI评价结果整体偏低，13个点位评价结果均为“极差”；DSIAR评价结果区分度不高，13个点位评价结果均为“较差”。JI评价结果显示，90%以上点位评分为“极差”和“较差”，PTI、DBI与BDI评价结果相近，大部分点位评价结果为“较差”和“一般”。

将7个环境因子与香农多样性指数、Pielou均匀度指数、PTI、DBI和BDI指数进行相关分析，结果(见表3)表明，TP和Velo与所有指数负相关，Cond与所有指数正相关，NH3-N和Phos与大多数指数负相关，DO、pH与各指数相关性较差。

3 讨论(Discussion)

梧桐河着生硅藻绝对优势种为G. parvulum，根据Muscio硅藻耐污值研究结果[20]，G. parvulum耐污值为1，属高耐污种；Salomoni等[33]的研究结果表明，G. parvulum为河流富营养化指示种；Kihn 等[34]的研究结果表明，G. parvulum经常生长在受干扰较强的富含有机质水体中。根据PTI[20]与TDI[21]硅藻耐污值结果，G. angustatum、Cymbella naviculiformis、C. sinuata和Melosira varians均为中-轻度污染指示种，说明梧桐河水系存在一定程度的污染。水质分析结果表明，一半以上采样点位TN浓度较高，水质处于Ⅴ类或劣Ⅴ类水平。

图3 RDA分析结果Fig. 3 Result of redundancy analysis

图4 硅藻指数箱体图分析Fig. 4 Boxplot analysis of eight diatom indexes

图5 硅藻指数评分结果Fig. 5 Scores of eightdiatom indexes

本研究选用的8个硅藻指数中，GI和DIAR以属为分类单元，其余指数以种为分类单元。箱体图判别分析结果(图4)显示，GI与DIAR参照点位得分比受损点位低，GI与DIAR在梧桐河的评价结果不合理。GI是以Achnanthes、Cocconeis、Cymbella、Cyclotella、Melosira、Nitzschia这6类硅藻属物种多度为基础建立的硅藻指数[23]，但梧桐河流域Achnanthes、Cocconeis、Cyclotella和Nitzschia分布较少，导致GI评价结果偏差较大。由于同一属的不同物种耐污值分布范围较广，DIAR[24]以属内所有物种的平均耐污能力作为赋分标准，耐污值范围为1～10，分值越高对人为干扰越敏感，Gomphonema属耐污值为6。但在PTI、TDI等指数的计算过程中，G. parvulum分值均偏低，以PTI(耐污值范围1～4，数值越高对人为干扰反应越敏感)为例，G. parvulum分值为1。因此DIAR评分结果中，G. parvulum为绝对优势种的几个受损点位得分偏高，DIAR在梧桐河不适用。DSIAR是在DIAR的研究基础上将分类单

元细化到种，与DIAR相比，DSIAR判别能力有所提升，但是13个点位DSIAR评价结果均为“较差”，区分度不高，DSIAR在梧桐河也不适用。JI与TDI均表现出较强的判别能力，但是与PTI、DBI和BDI相比，评分明显偏低。JI评价结果显示，13个点位中有8个点位健康状况为“极差”；TDI评价结果显示，13个点位健康状况全部为“极差”，评价结果最为严格，与刘麟菲等[16]在渭河流域得出的结论一致。PTI、DBI和BDI指数评价结果比较接近，梧桐河流域13个采样点位健康状况大部分“较差”，少数“一般”或“极差”，仅有S1点位DBI结果显示“较好”。综合考虑3个指数得分，健康状况得分最高的点位依次为S1、S10和 S13，得分最低的点位依次为S3、S8和S11。

本研究中根据RDA结果将梧桐河流域13个点位划分为3组(分组结果见2.2章节)，第一组以G. parvulum为绝对优势种，其中S3采样点 G. parvulum相对多度为68.2%，多样性和均匀度为13个点位中最差；第一组香农多样性指数平均值仅为1.77，硅藻指数评分为3组最低，属于中-重度污染组。该组硅藻群落主要影响因子为Velo和TP，Honeyfield等[35]在美国Appalachian山脉的研究结果表明，Velo是冬季着生硅藻群落的主要影响因子；Jowett 等[36]的研究表明，高流速河段着生藻类物种量较缓流河段明显偏低；第一组点位流速较高，是导致物种量和多样性偏低的主要原因。Tang等[6]的研究结果表明，TP浓度是导致海河流域着生藻类群落结构发生变化的主要影响因子之一；相关分析结果表明，Velo、TP两项指标与5个指数均负相关，与第一组评价结果一致。第二组着生硅藻以C. naviculiformis和C. sinuata为主，香农多样性指数与硅藻指数评分也比第一组略好，属于轻-中度污染组，该组主要影响因子为河流营养状况指标和DO，其中DO与该组负相关。Christie等[37]的研究表明，河流营养状况对着生藻类群落结构有显著影响，营养状况指标与多数指数负相关，与评价结果一致。第三组藻类群落结构相对稳定，香农多样性指数平均值为3，硅藻指数评分最高，属于轻污染或清洁组。该组硅藻群落的主要影响因子为Cond和pH，Cond与5个指数均正相关，与评价结果一致。

表3 环境因子与硅藻指数相关分析Table 3 The correlation coefficient between environmental factors and diatom indexes

由图1可以看出，点位S1、S2和S3均属于梧桐河上游地区，但3个点位评分差异较大，造成这一结果的主要原因是与S1点位相比，S2和S3点位附近存在不同程度的人为干扰。S2点位一侧为农田，水质分析结果显示，该点位TP超标严重；藻类鉴定结果显示，该点位藻类构成以小型耐污种为主，因此评分较低。S3点位位于采砂场附近，采砂作业导致生态环境受到较强破坏，水生生物生境受到极大干扰，生境评分得分较低；水质分析结果表明，该点位NH3-N与TN均超标，属于Ⅴ类水；藻类鉴定结果显示，该点位G. parvulum为绝对优势种，因此各指数评分均较低。点位S11、S12和S13均属于梧桐河下游地区，但相对于S12和S13点位，S11点位评分较低。S12和S13点位河漫滩自然植被生长茂盛，以草本为主，乔灌木较少，而S11点位两岸均为玉米田及水稻田，人为干扰相对较强，可能是该点位评分较低的原因。综上，采砂活动、农业活动等人为干扰是造成河流生态健康评价结果较差的主要原因。

致谢：感谢中国环境科学研究院水环境研究所刘录三、王瑜、蔡文倩、夏阳、刘云龙等老师在野外采样过程中的帮助。