硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測與評價中的應用分析

吳 宇

（江西省景德鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

引言

人類的廣泛活動以及經(jīng)濟社會的快速發(fā)展給水環(huán)境帶來了極大的壓力與挑戰(zhàn)，為了更加完善地推動水環(huán)境監(jiān)測評價體系的建設，強化水環(huán)境保護針對性，相關單位和部門應當充分認識到硅藻在水環(huán)境監(jiān)測工作當中所發(fā)揮出的指示性作用，并針對硅藻指數(shù)監(jiān)測評價的注意事項進行梳理與分析，從而能夠靈活便捷地針對當前水環(huán)境的表現(xiàn)狀態(tài)做出分析，實現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測的高質(zhì)量發(fā)展。

1 硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測評價工作中的作用

1.1 分析水體水質(zhì)變化歷史

硅藻是一種生長于溫熱帶水域的具有色素體的單細胞植物，其形態(tài)較為豐富，可分為中心硅藻綱以及羽紋硅藻綱等類別。在某一水體長時間的歷史變化進程當中，硅藻的沉積狀態(tài)能夠較為直觀地展現(xiàn)出水體內(nèi)部的水質(zhì)變化情況，針對水體在不同歷史時期當中pH值、鹽度、有機氮含量、溶解氧含量以及營養(yǎng)元素含量進行全面掌握，使監(jiān)測部門能夠借助硅藻指數(shù)構(gòu)建水體水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)庫，針對水環(huán)境當中可能存在的污染現(xiàn)象進行全面溯源與追蹤，強化水質(zhì)監(jiān)控以及水環(huán)境保護工作的針對性。

1.2 監(jiān)測并評價當前水質(zhì)狀態(tài)

硅藻在水環(huán)境當中的生長狀態(tài)受水質(zhì)小環(huán)境的影響較為顯著，因此依托水體當中的硅藻指數(shù)進行分析，能夠?qū)Ξ斍八w小環(huán)境狀態(tài)做出針對性評價。第一，通過硅藻指數(shù)能夠?qū)λw流速情況做出評估和判斷。水體流速狀態(tài)的變化會對水環(huán)境當中硅藻的多樣性造成一定的影響，一般來說，高流速水域當中，硅藻生長多樣性指數(shù)較高，而低流速水域當中硅藻生長多樣性指數(shù)則較低；第二，依托硅藻指數(shù)能夠掌握水環(huán)境的平均溫度狀態(tài)。作為影響硅藻生長沉積的另一項重要因素，不同種屬的硅藻能夠適應的溫度狀態(tài)也存在一定的差異，例如新月菱形藻的生長適宜水溫在35 ℃以下，而鏟狀菱形藻的生長適宜水溫則在30 ℃以下[1]；第三，通過對水環(huán)境當中的硅藻指數(shù)展開分析，還有助于監(jiān)測部門掌握水環(huán)境內(nèi)部pH值的變化情況以及鹽度值的變化情況，并為水環(huán)境評估治理工作的開展提供參考數(shù)據(jù)；第四，硅藻指數(shù)還與水環(huán)境內(nèi)部的營養(yǎng)狀態(tài)息息相關，通常來說，水環(huán)境營養(yǎng)含量越高，其內(nèi)部硅藻生長多樣化指數(shù)越高，而水體營養(yǎng)含量越低，硅藻生長多樣化指數(shù)則越低。

1.3 掌握水環(huán)境內(nèi)部生物分布情況

作為水環(huán)境微生物的一項重要代表，基于硅藻指數(shù)開展水環(huán)境監(jiān)測與評價工作具有反應靈敏、成本低廉等優(yōu)勢和特點，因此通過對水環(huán)境內(nèi)部硅藻指數(shù)進行分析，能夠更加直觀全面地掌握水環(huán)境內(nèi)部的生物生長狀態(tài)及其分布情況，更加細致地了解到人類活動以及日常生產(chǎn)生活對于水下生物造成的一系列影響，同時還能清晰感知水下污染的發(fā)展動向以及發(fā)展趨勢，有效提升污染治理效果。

2 硅藻在水環(huán)境中的指示方法

隨著技術的不斷發(fā)展和進步，硅藻在水環(huán)境監(jiān)測評價工作當中的應用價值得到了充分體現(xiàn)，相關技術人員應當針對硅藻在水環(huán)境當中的一系列指示方法進行深入探究和梳理，為后續(xù)工作的開展奠定基礎。

2.1 硅藻屬指數(shù)

基于上文能夠得知，水環(huán)境當中生長的硅藻生物按照形態(tài)進行劃分一般可分為中心硅藻綱以及羽紋硅藻綱等兩個主要類別，而中心硅藻綱當中還涵蓋了圓篩藻目、根管藻目、盒型藻目等，羽紋硅藻綱當中則下轄無殼藻目、單殼藻目、短殼藻目、雙殼藻目等目類，這些硅藻目類適宜的生長環(huán)境各不相同，在水環(huán)境當中的表現(xiàn)也形成了一定的差異。為了更好地針對水體水質(zhì)進行監(jiān)測和評估，監(jiān)測技術人員可采用硅藻屬指數(shù)（GI）針對當下水環(huán)境狀態(tài)進行相應分析，從而掌握水環(huán)境內(nèi)部的污染發(fā)展狀態(tài)。所謂硅藻屬指數(shù)（GI），主要指的是不同種屬硅藻生物在水環(huán)境當中的豐度比值，當硅藻屬指數(shù)較高時，水體環(huán)境內(nèi)部的污染狀態(tài)則較為嚴重，而當硅藻屬指數(shù)較低時，水環(huán)境內(nèi)部的環(huán)境保持狀態(tài)則較為良好。在水環(huán)境監(jiān)測評價實踐工作的開展過程當中能夠發(fā)現(xiàn)，硅藻屬指數(shù)（GI）的應用具有成本低廉，測定便捷等優(yōu)勢，但對于水環(huán)境特性則提出了一定的要求，一般可與其他硅藻指數(shù)進行配合運用。

2.2 硅藻模型相似性指數(shù)

基于上文能夠得知，在水環(huán)境的發(fā)展變化過程當中，其內(nèi)部硅藻生物的生長分布狀態(tài)與水體流速、水環(huán)境溫度、水體pH值、水體鹽度以及水環(huán)境營養(yǎng)元素含量等多項元素相關聯(lián)，因此硅藻在不同地區(qū)水環(huán)境當中所呈現(xiàn)出的生長分布情況與理想狀態(tài)下水環(huán)境當中硅藻生長情況也會展現(xiàn)出一定的差異?；诠柙迥Ｐ拖嗨菩灾笖?shù)，能夠?qū)λh(huán)境周邊自然狀態(tài)以及自然條件進行全面整合，并結(jié)合DMA模型針對理想情況下水環(huán)境變化情況以及硅藻的生長情況做出模擬和分析，使監(jiān)測機構(gòu)能夠?qū)⒗硐胫蹬c實際值進行比對，進而掌握水環(huán)境的變化狀態(tài)以及變化情況，從而為水環(huán)境治理與評估工作提供便利。硅藻模型相似性指數(shù)（DMA）監(jiān)測應用過程中，其數(shù)據(jù)指標往往與水環(huán)境污染狀態(tài)呈反比，當DMA指數(shù)較高時，理想狀態(tài)下的硅藻生長分布情況與樣本狀態(tài)之間的相似度較高，當前水環(huán)境污染狀態(tài)較輕，而當DMA指數(shù)較低時，理想狀態(tài)下硅藻生長分布情況與樣本狀態(tài)之間的相似度較低，水污染現(xiàn)象較為明顯。這一監(jiān)測指示方法較為靈敏，最終的監(jiān)測結(jié)果較為客觀準確。但在組織進行環(huán)境監(jiān)測工作之前，技術部門需要更加全面地針對水環(huán)境條件要素進行歸納與整合，這給DMA監(jiān)測評價方法的推廣與應用帶來了一定的難度和挑戰(zhàn)[2]。

2.3 生物硅藻指數(shù)

生物硅藻指數(shù)又稱BDI指數(shù)，指的是一定水環(huán)境當中不同類別硅藻生物的分布情況以及出現(xiàn)頻次，通過針對BDI指數(shù)進行分析，能夠較為全面完整地了解當下水環(huán)境污染與發(fā)展狀態(tài)，這一指示方法的環(huán)境適應能力較為充分，涵蓋范圍較為廣泛，但具體的測定流程與測定方式較為繁瑣，成本支出較大。

2.4 湖泊富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)

對富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)（TDIL）進行測定與分析，能夠?qū)λh(huán)境當中沉積的營養(yǎng)元素進行充分研究和判斷，進而掌握水環(huán)境當中受污染情況。通常來說，TDIL指數(shù)與水環(huán)境當中的污染狀態(tài)成正比，當指數(shù)表現(xiàn)越高時，水環(huán)境當中的污染現(xiàn)象越嚴重。具體指標分級以及狀態(tài)分析情況如表1所示。

表1 湖泊富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)（TDIL）的指標分級與對應狀態(tài)

雖然湖泊富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)的研究和分析具備較為完善的量化標準，但其對于復雜水系環(huán)境的適應能力較差，應用范圍也較為狹小。

2.5 營養(yǎng)指數(shù)

在一些規(guī)模較小的湖泊水系當中，監(jiān)測機構(gòu)還可以采用營養(yǎng)指數(shù)對水環(huán)境面臨的污染威脅以及污染風險進行針對性監(jiān)控與評價。營養(yǎng)指數(shù)又稱DI指數(shù)，指的是水環(huán)境當中營養(yǎng)元素的富集程度，指數(shù)分布于1.00～5.00之間，且與水環(huán)境當中營養(yǎng)元素的富集狀態(tài)成正比，具體對應關系如表2所示。

表2 營養(yǎng)指數(shù)（DI）與水環(huán)境營養(yǎng)元素富集狀態(tài)的對應關系

基于營養(yǎng)指數(shù)DI對水系環(huán)境當中的營養(yǎng)元素富集狀態(tài)以及污染狀態(tài)進行評估和分析，能夠直觀掌握較短周期內(nèi)水環(huán)境的相關變化情況，但對于長時間的水環(huán)境變化情況監(jiān)測評價存在一定的難度，最終的評價結(jié)果也可能存在一定的偏差。

3 基于硅藻指數(shù)進行水環(huán)境監(jiān)測評價工作的注意事項

作為一項專業(yè)性與實踐性較強的科研工作，基于硅藻指數(shù)針對特定水域開展水環(huán)境監(jiān)測與評價工作具有較為復雜的流程和要求，因此相關監(jiān)測機構(gòu)及其技術人員應當做好相關注意事項的研究和分析工作，盡可能規(guī)避硅藻指數(shù)監(jiān)測評價工作當中存在的風險與挑戰(zhàn)，使最終的監(jiān)測評價結(jié)果更加準確可靠[3]。

3.1 分析硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作中的適用性

基于上文能夠得知，在水環(huán)境監(jiān)測評價工作當中常用的硅藻指數(shù)包括硅藻屬指數(shù)（GI）、硅藻模型相似性指數(shù)（DMA）、生物硅藻指數(shù)（BDI）、湖泊富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)（TDIL）以及營養(yǎng)指數(shù)（DI）等多項不同類別，這些類別對于水環(huán)境及其周邊環(huán)境條件的適應能力存在一定的差異，因此為了更好地實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測評價工作目標以及工作要求，強化硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作當中的應用效果，監(jiān)測技術團隊應當針對性分析不同硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作當中的適用性，從而使最終獲取到的指數(shù)數(shù)據(jù)能夠較為準確客觀地反映出現(xiàn)階段水環(huán)境的污染情況，為水環(huán)境的治理與保護工作提供支持。經(jīng)研究表明，以膨大橋彎藻、弧形峨眉藻等為代表的硅藻類別對于水環(huán)境當中中等營養(yǎng)富集程度以下的狀態(tài)較為敏感，而以小片菱形藻為代表的硅藻類別則對于水環(huán)境當中的富營養(yǎng)狀態(tài)較為敏感，相關技術團隊在組織開展監(jiān)測評價工作之前，應當針對水系周邊環(huán)境條件進行初步分析，并結(jié)合實際情況優(yōu)化對于硅藻指數(shù)的選定與運用，使其能夠更好地在水環(huán)境監(jiān)測評價工作當中發(fā)揮出針對性作用。

3.2 嚴格控制取樣研究流程與方法

作為直接影響硅藻指數(shù)監(jiān)測評價結(jié)果的一項關鍵性要素，強化對取樣研究流程以及取樣方法的控制，能夠針對性減少風險因素帶來的影響，盡可能保障監(jiān)測評價結(jié)果的合理性，提升硅藻指數(shù)應用效果。

首先，需要針對樣品采集流程與要求進行規(guī)范。一般來說，水生硅藻的著生基質(zhì)以天然基質(zhì)為主，因此監(jiān)測機構(gòu)技術團隊在進行采樣的過程當中，應優(yōu)先將水下石塊、枯木或構(gòu)筑物等物體作為取樣目標，從而保障樣品采集的規(guī)范有序，為接下來的分析處理工作奠定基礎。在樣品采集過程當中，為了提升樣品質(zhì)量，研究人員還需要采用福爾馬林等試劑對硅藻樣品進行保存，減少樣品氧化或干燥等情況的發(fā)生，更好地滿足基于硅藻指數(shù)進行的水環(huán)境監(jiān)測與評價工作要求[4]。

其次，在進行分析驗證之前，需要針對硅藻樣品進行預處理，強化樣品純凈度，減少樣品內(nèi)部雜質(zhì)造成的影響。分析團隊應當結(jié)合預期方案要求，將硅藻樣品分別進行離心、消解、清洗、封片等工作，使硅藻樣品能夠滿足觀察計數(shù)技術流程的相關要求。

最后，需要針對樣品的表現(xiàn)情況進行觀察和分析。技術團隊可結(jié)合硅藻樣品的表現(xiàn)情況合理選擇BX-53光學顯微鏡或SU8010 SEM電子掃描顯微鏡針對樣品狀態(tài)進行計數(shù)與鑒定，從而更加細致準確地掌握硅藻樣品的種類及其在單位環(huán)境條件下的生長與分布情況，為實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測與評價工作目標提供支持。

3.3 測定環(huán)境因子

水環(huán)境當中影響硅藻生長分布的因子和要素較為豐富，其中涵蓋了水環(huán)境流速、溫度、pH值、溶解氧、電導率等多項指標內(nèi)容，技術團隊同樣也需要基于目標水域進行水資源樣品的采集和使用工作，并分別通過分光光度測定法以及高錳酸鉀指數(shù)法等相關技術策略對水環(huán)境條件當中各項因子發(fā)展情況進行測定，從而強化水污染治理方案的針對性。

3.4 開展數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，涵蓋了硅藻多樣性指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、聚類分析、加權(quán)回歸分析等多項內(nèi)容。

首先，需要借助香農(nóng)多樣性指數(shù)算法以及辛普森指數(shù)算法針對目標水域硅藻樣品的生長多樣性情況做出相應評價，具體公式為：

式中，H為一定水環(huán)境當中硅藻樣品的香農(nóng)多樣性指數(shù)，ni為第i種硅藻類別的殼面數(shù)目，N為水環(huán)境內(nèi)部樣品采集目標點位硅藻殼面總數(shù)。D為硅藻樣品的辛普森多樣性指數(shù)，P為樣品采集的硅藻個體總量。

其次，需要針對水環(huán)境當中目標點位的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行計算和分析，具體公式為：

式中，TLI代表目標水域基于硅藻指數(shù)進行判斷的綜合營養(yǎng)狀態(tài)，Wi代表第i項指標的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)權(quán)重，rij代表樣品指標與理想狀態(tài)參數(shù)之間的聯(lián)系系數(shù)，m表示指標總數(shù)量。

最后，技術團隊還需要依托樹狀圖分類法、McQuity平均鏈接法等技術手段以及技術方式針對樣品分析結(jié)果展開聚類分析以及加權(quán)回歸分析，使硅藻樣品對于水環(huán)境的適應能力與耐受能力得到更加直觀可靠的分析與評價，有效提升評價結(jié)果準確度。

3.5 基于理化指標進行總體評價

當數(shù)據(jù)分析完成后，監(jiān)測團隊以及技術團隊需要基于理化指標針對水環(huán)境當中硅藻的生長分布情況以及水污染狀態(tài)進行綜合分析以及總體評價，從而更加準確地掌握水環(huán)境當中氮、磷、鉀等不同類別營養(yǎng)元素的富集狀態(tài)，使監(jiān)測機構(gòu)能夠更加準確地針對水系內(nèi)部可能產(chǎn)生的污染源頭進行跟蹤追溯，有效提升污染監(jiān)測與評價工作水平[5]。

第一，需要基于樣品總磷濃度情況對水域內(nèi)部營養(yǎng)富集情況進行分析和驗證，掌握不同樣品采集點位當中的水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)，并將其納入統(tǒng)一的監(jiān)測平臺當中，形成可視化的數(shù)據(jù)圖表，直觀展現(xiàn)各樣品采集點位總磷濃度等級以及綜合營養(yǎng)分布狀態(tài)。

第二，需要借助硅藻樣品監(jiān)測分析結(jié)果得到不同點位水環(huán)境化學需氧量的發(fā)展變化情況，進而推導出水環(huán)境內(nèi)部發(fā)展狀態(tài)及其對于污染現(xiàn)象的抵抗能力，強化監(jiān)測團隊對于目標水域的總體分析水平。

第三，需借助TLI（綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)）針對目標水域的污染情況做出評價和分析，結(jié)合不同位置樣品總磷、總氮以及化學需氧量所表現(xiàn)出的差異性進行綜合比對，使水環(huán)境當中各類營養(yǎng)元素的富集現(xiàn)象得到更加有效的梳理和分析，保障控制工作的針對性。

4 結(jié)論

綜上所述，作為水環(huán)境發(fā)展過程當中的一項關鍵點，針對不同種屬水生硅藻的分布和生長情況進行監(jiān)測和評價，能夠有效掌握水環(huán)境的營養(yǎng)元素富集情況及其污染擴散發(fā)展情況，使水環(huán)境監(jiān)測和評價工作的開展獲取到更加科學的支持和助力，實現(xiàn)水環(huán)境保護工作的發(fā)展目標。