硅藻指數(shù)對渾河水生態(tài)健康的評價

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

硅藻指數(shù)對渾河水生態(tài)健康的評價

田英

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

文中研究以渾河流域為例，針對流域內(nèi)的戴斯、生物硅藻、硅藻屬、硅藻營養(yǎng)化、特定污染敏感等多種指數(shù)進行篩選，篩選出適用于評價渾河流域水生態(tài)健康的硅藻指數(shù)。評價結(jié)果表明，皮爾森相關性分析顯示，IDP指數(shù)、DES指數(shù)、IDAP指數(shù)、CEE指數(shù)和IDG指數(shù)與水環(huán)境因子的相關性較高；因子分析結(jié)果顯示，因子負荷貢獻達到50%以上的環(huán)境因子被保留下來，分別是氨氮、電導率、總?cè)芙夤腆w、硬度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、活性磷和流速。最后根據(jù)箱體圖結(jié)果顯示，IDP指數(shù)、DES指數(shù)、CEE指數(shù)和IDG指數(shù)，可以很好的評估渾河的水體健康狀態(tài)。

硅藻指數(shù)；環(huán)境因子；水生態(tài)健康；渾河

1 概述

硅藻（diatom）廣泛存在河流中，是天然水體中重要的組成部分，同時也是河流生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者。由于硅藻對水體污染程度極其敏感，所以硅藻被廣泛應用于監(jiān)測河流、湖泊以及水庫的水生態(tài)狀況。

目前世界上已經(jīng)發(fā)展了10多項硅藻指數(shù)用于水生態(tài)健康的評價，硅藻指數(shù)不僅在歐美、非洲、澳大利亞、巴西等國家廣泛應用[1]。在國內(nèi)的基隆河、東江、柳江等河流也被廣泛的運用[2]。硅藻指數(shù)主要有以下幾個優(yōu)點：

1）計算相對簡單，將整理完整的數(shù)據(jù)輸入到軟件中，即可得到相應的數(shù)值。

2）根據(jù)得出的數(shù)值即可判定該區(qū)域的水生態(tài)健康質(zhì)量。

該研究選取國內(nèi)外評價河流生態(tài)健康常用的10項硅藻指數(shù)，分別是：戴斯指數(shù)（DES）、生物硅藻指數(shù)（IBD）、硅藻屬指數(shù)（IDG）、硅藻營養(yǎng)化指數(shù)（TDI）、特定污染敏感指數(shù)（IPS）、歐盟硅藻指數(shù)（CEE）、斯雷德切克指數(shù)（SLA）、南美大草原硅藻指數(shù)（IDP）、硅藻組合有機污染指數(shù)（IDAP）和河流硅藻物種指數(shù)（IDSE）[3]。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)域

渾河水系位的大伙房水庫上游地區(qū)，植被覆蓋率相對較高，而在大伙房水庫中下游地區(qū)，工業(yè)農(nóng)業(yè)交錯，形成了錯綜復雜的工業(yè)網(wǎng)。該研究在渾河水系上共設定23個采樣點位。

2.2 樣品采集和處理

根據(jù)河流生境不同（急流生境、緩流生境、淺灘等），選擇不同生境的9個石塊，用硬毛刷分別刮取面積為15.2 cm2（直徑4.4 cm的圓形塑膠環(huán)）的硅藻，將其沖刷至不銹鋼托盤中，將定量混合的硅藻倒入廣口塑料瓶中，加入5%的甲醛固定，剩余硅藻全部刷至不銹鋼托盤中采用同樣方式保存作為定性樣品。在實驗室內(nèi)，用濃硫酸和濃硝酸（比例1∶1）進行酸化，并制成封片，使用光學顯微鏡1 000倍（油鏡）進行種類鑒定和計數(shù)[4]。

2.3 水環(huán)境理化指標的測定

各采樣點位的電導率、總?cè)芙夤腆w、溶解氧和pH均用水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定；水深和流速使用流速儀現(xiàn)場測定；另外采集一份2 L水樣，在低溫條件下（4℃）送回實驗室，根據(jù)標準方法，測定水化學的指標：懸浮物、氯離子、氨氮、硝酸態(tài)氮、總氮、活性磷、總磷、硬度和高錳酸鹽指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 硅藻指數(shù)

對10項硅藻指數(shù)的描述中，硅藻指數(shù)通過OMISN7.0算出，硅藻指數(shù)的數(shù)值都設定在0～20的范圍內(nèi)，數(shù)值的高低說明水質(zhì)的健康狀況。10項硅藻指數(shù)中，硅藻指數(shù)數(shù)值越高，則說明水體健康狀況越好，反之，則說明水體健康狀況較差。

2.4.2 渾河硅藻群落結(jié)構(gòu)分析

應用NMDS（無度量多維標定法）對渾河流域上23個采樣點位進行分組，分析硅藻在渾河流域地理空間上的分布情況，運用MRPP（多響應置換過程）分析不同組別下硅藻群落結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性。NMDS與MRPP均通過PC-ORD 5.0進行分析。

2.4.3 硅藻群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子分析

除pH外，將所有的數(shù)據(jù)經(jīng)lg（x+1）進行標準化處理，對各個點位下的硅藻密度進行DCA（除趨勢對應分析），得出物種的單峰影響值梯度（SD），且當SD大于2時進行CCA（典范對應性分析），若SD小于2時，則采用RDA（冗余度分析），最后選出顯著影響硅藻群落空間分布特征的環(huán)境因子。DCA和CCA通過Canoco4.5進行分析。

2.4.4 硅藻指數(shù)與環(huán)境因子的關系

將10項硅藻指數(shù)和主要影響硅藻群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子進行皮爾森相關性分析，觀察硅藻指數(shù)與環(huán)境因子的相關程度，剔除相關性不顯著的硅藻指數(shù)，保留相關性顯著的硅藻指數(shù)。對環(huán)境因子進行因子分析，運用KMO和Bartlett球形檢驗法檢驗理化變量，進行因子分析的可行性。利用因子負荷矩陣，因子負荷貢獻達到50%以上的環(huán)境因子被保留下來，并作為主要的水環(huán)境因子。皮爾森相關性分析和因子分析通過SPSS17.0分析。

根據(jù)Van和Salomoni等對硅藻對水體污染敏感程度的研究來對不同分組下的水生態(tài)健康等級進行劃分，并通過箱體圖來分析硅藻指數(shù)在不同組別下的不同水生態(tài)健康的趨勢，最后篩選出最適合渾河水生態(tài)評估的最優(yōu)的硅藻指數(shù)。箱體圖通過Origin7.5進行分析。

3 結(jié)果

3.1 硅藻群落分布特征

在這次采樣調(diào)查中，渾河共鑒定出硅藻85種，其中渾河常見硅藻種類有：谷皮菱形藻、偏腫橋彎藻、膨大橋彎藻、弧形峨眉藻、線形菱形藻、簡單舟形藻、小片菱形藻、梅尼小環(huán)藻種類最多，分別占總個體數(shù)的22.4%、9.8%、8.8%、6.8%、5.2%、3.8%、3.8%、3.2%。

3.2 硅藻群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的關系

對渾河23個采樣點位進行趨勢對應分析（DCA），其物種的單峰影響值梯度為4.108（SD= 4.108，SD＞2），表明渾河流域硅藻群落結(jié)構(gòu)對生態(tài)梯度的響應是非線性的，因此采用典范對應性分析（CCA）來分析環(huán)境因子對硅藻群落結(jié)構(gòu)的影響。

CCA結(jié)果顯示（圖1），結(jié)果表明了影響渾河流域硅藻群落結(jié)構(gòu)的水環(huán)境因子分別是氨氮、電導率、總?cè)芙夤腆w、硬度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、活性磷和流速。

圖1 渾河流域水環(huán)境理化因子與硅藻群落的典范對應分析

3.3 硅藻指數(shù)與水環(huán)境因子的關系

根據(jù)皮爾森相關性分析分析，IDP指數(shù)與水環(huán)境因子的相關性最為密切（P＜0.05），僅與總氮無顯著相關性（P＞0.05）。DES指數(shù)與水環(huán)境因子關系比較密切，僅與總氮和流速無顯著相關性。IDAP指數(shù)與氨氮、電導率、總?cè)芙夤腆w、總氮和活性磷具有顯著相關性。CEE指數(shù)與氨氮、電導率、總?cè)芙夤腆w、硬度和總氮有顯著相關性。IDG指數(shù)與電導率、硬度和流速呈現(xiàn)顯著相關性。IBD指數(shù)僅與氨氮和總氮呈現(xiàn)顯著相關性。IPS指數(shù)僅與硬度和流速呈現(xiàn)顯著相關性。TDI指數(shù)與SLA指數(shù)僅與流速呈現(xiàn)顯著相關性，而IDSE指數(shù)與各項環(huán)境因子無顯著相關性。

將8項水環(huán)境因子進入因子分析，其中KMO分析及Bartlett檢驗方法分析得出：KMO的值為0.736（KMO＞0.5），Bartlett檢驗水平顯示為與單位矩陣有顯著差異（P＜0.001）。因此，8項水環(huán)境因子具備了進入因子分析的條件。在因子負荷矩陣中，因子負荷貢獻達到50%以上的環(huán)境因子被保留下來，結(jié)果如表1所示，8項水環(huán)境因子貢獻率均達到50%以上，所以全部被保留下來。

表1 因子負荷矩陣

3.4 硅藻指數(shù)在渾河的適用性評價

根據(jù)硅藻群落結(jié)構(gòu)無度量多維標定法，將渾河流域分成4個組別，且每個組別中優(yōu)勢物種也各不相同，如表2。硅藻可以很好的指示水體的污染狀態(tài)，根據(jù)Van等研究表明[5]，膨大橋彎藻、偏腫橋彎藻和弧形峨眉藻，一般指示水體貧營養(yǎng)狀態(tài)到中等污染狀態(tài)的結(jié)果。Salomoni等研究發(fā)現(xiàn)[6]，小型異極藻和小片菱形藻一般指示水體富營養(yǎng)狀態(tài)。谷皮菱形藻和梅尼小環(huán)藻指示多污染帶和水體富營養(yǎng)化。因此，水生態(tài)健康的狀態(tài)從好到差依次為：組1＞組2＞組3=組4。

表2 不同組別下的優(yōu)勢物種

根據(jù)4個分組，通過箱體圖來說明硅藻指數(shù)對渾河流域的適應性評價，根據(jù)圖2，可以看出IDP指數(shù)、DES指數(shù)、CEE指數(shù)和IDG指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的Group1到Group4下降趨勢，而IDAP指數(shù)并沒有很好的顯示出較好的趨勢，所以剔除IDAP指數(shù)，IDP指數(shù)、DES指數(shù)、CEE指數(shù)和IDG指數(shù)可以很好的評估渾河的水體健康狀態(tài)。

4 討論

通過無度量多維標定法進行分組，發(fā)現(xiàn)上游地區(qū)硅藻的完整性被破壞，出現(xiàn)較多的耐污染物種，例如H10點位中谷皮菱形藻N.Palea就占到了該點位物種量的43%。研究發(fā)現(xiàn)，河岸帶緩沖區(qū)1 km周圍是耕作用地，該點位的總氮值達到5.395 mg/L，但是否是由于氮元素的超標而導致水質(zhì)惡化，還有待于進一步研究。

圖2 硅藻指數(shù)在四個分組下的箱型圖

根據(jù)MRPP結(jié)果顯示，渾河流域4個分組之間硅藻群落都存在著顯著差異。在時間上，主要是由于總氮、氨氮和活性磷的變化，4個組別之間不同總氮、氨氮和活性磷的濃度可能是造成硅藻群落結(jié)構(gòu)差異的原因之一。在空間尺度上，造成4組不同差異的原因，可能是由于渾河流域不同水系分布以及地形地貌而引起的。

文中所選取的10項硅藻指數(shù)評價渾河流域水生態(tài)健康，最終保留IDP指數(shù)、DES指數(shù)、CEE指數(shù)和IDG指數(shù)。IDP在該研究中，對渾河流域的水生態(tài)評價得出了相對較好的結(jié)果。CEE指數(shù)曾經(jīng)對歐洲許多河流進行評價，都得到了很好的效果，在該研究中，同樣適用于渾河流域的水生態(tài)評價。IDG指數(shù)是比較實用的硅藻指數(shù)，在國內(nèi)外都曾對河流進行水生態(tài)評估[7]。IBD指數(shù)不僅在國外河流評價中有著重要的地位，在我國的太子河流域、渭河流域以及東江流域等河流也有著較高的評價地位[8]，IBD指數(shù)已經(jīng)發(fā)展為重要的水質(zhì)生物評價方法，但在該研究中，并不適用與渾河流域的水生態(tài)評價。

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2016-01-15