王玉智

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000）

硅藻在江河、溪流中分布廣泛，是河流生態(tài)系統(tǒng)主要構(gòu)成部分。硅藻為河流生態(tài)系統(tǒng)主要初級生產(chǎn)者，具有能量流動與物質(zhì)循環(huán)的功能，并且能夠迅速的響應(yīng)河流物理與化學的變化。目前，硅藻完整性指數(shù)體系（D-IBI）已經(jīng)應(yīng)用到河流生態(tài)評價中。在創(chuàng)建D-IBI 評價體系時，要利用復雜計算過程與篩選生物參數(shù)生成[1]。所以，如何降低計算難度，簡化計算步驟，使監(jiān)測河流成本與時間得到降低，對于河流生態(tài)健康的監(jiān)測具有重要意義。

1 硅藻在水環(huán)境監(jiān)測中的優(yōu)勢

硅藻為硅藻門棕色維生藻類，為具備硅質(zhì)骨架的單細胞藻類，主要特點為數(shù)量大、種類多、分布廣，為河流生態(tài)系統(tǒng)藻類植物主要優(yōu)勢類群。硅藻直徑大小不同，生命周期比較短，方便收集。水體中的磷、氮濃度和氮磷的比值會影響到硅藻種類，過多的氮、磷對于藻類的生長是非常不利的。Kingsley 等人對河流底棲硅藻生物量、物種構(gòu)成和環(huán)境因子相關(guān)性結(jié)果進行研究，硅藻群落結(jié)構(gòu)的變化和溶解性磷含量具有密切關(guān)系。Ponader等人在研究新澤西河流中表示，硅藻屬于常規(guī)監(jiān)測項目監(jiān)測河流中的氮磷濃度。Belling 等人在研究中表示，極小異極藻與小舟行藻為熱帶河流富營養(yǎng)化指示種[1]。以此表示，硅藻能夠?qū)λw營養(yǎng)情況良好指示[2]。

硅藻對于河流中的酸堿度、營養(yǎng)鹽類和重金屬污染等反應(yīng)比較靈敏，被歐盟水框架委員會推薦成為整治水環(huán)境中對污染水確定的有效指示生物。硅藻生態(tài)類群和水體污染的情況具有對應(yīng)關(guān)系，從20 世紀70 年代，硅藻就被應(yīng)用到河流水質(zhì)評價中，并且構(gòu)成眾多河流硅藻生物評價指標與體系，硅藻生物指數(shù)IBD 與特定污染敏感指數(shù)IPS 為使用較為廣泛的硅藻評價指數(shù)，此指標都能夠?qū)λ蛏镔|(zhì)量進行評價，實現(xiàn)河流水質(zhì)變化的監(jiān)測。水質(zhì)監(jiān)測指示生物優(yōu)勢：①淡水和微咸水體區(qū)域物種比較豐富；②目前的優(yōu)秀指示生物，都已經(jīng)開發(fā)了指數(shù)計算和標準化的方法；③在其他生物檢測方法無法使用的地區(qū)中也能夠使用；④采樣比較簡單、快速且便宜；⑤除了顯微鏡設(shè)備之外，投資比較低；⑥能夠在各淡水水體中使用，即便是重度污染與極端條件環(huán)境中也能夠使用；⑦淡水和微咸水體區(qū)域的物種比較豐富。

重金屬污染會影響硅藻生長，對于受到金屬污染的河流進行研究表示，硅藻所影響到環(huán)境退化不只是群落水平，改變硅藻在優(yōu)勢種、物種等多樣性，還包括硅藻個體縮減、細胞膜形態(tài)的變化、細胞膜的變形等。Jonge 等人實現(xiàn)了重金屬污染導致的生物群落變化多元化分析，對比無脊柱動物與硅藻對于重金屬污染的反應(yīng)。通過對比結(jié)果表示，硅藻群落能夠?qū)⑺w受到重金屬的污染情況充分反應(yīng)出來。Gold 等人研究表示，在人工基質(zhì)轉(zhuǎn)移硅藻群落中，對重金屬污染對于河流短期影響進行評價。Lamai 等人研究結(jié)果表示，藻類對于鉛、鎘等生物積累存在時間與劑量效應(yīng)，通過藻類能夠?qū)⒅亟饘傥廴镜那闆r充分反應(yīng)出來，并且在線監(jiān)測重金屬污染[3]。使硅藻個體細胞膜變形的主要原因并不只是重金屬污染，其他理化因子也會改變硅藻形態(tài)，比如紫外線UV、光照強度、殺蟲劑、多環(huán)芳烴等有毒化合物。人們一直以為污染物能夠?qū)ψ匀辉孱惖慕Y(jié)構(gòu)與功能改變，相關(guān)研究表示，水體有機污染物濃度持續(xù)增加，會降低硅藻物種數(shù)量，增加細胞密度，降低多樣性指數(shù)[4]。

2 硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測與評價中的使用

2.1 采樣點和時間

本研究在2019 年1 月～2019 年12 月采集硅藻樣品，取樣地為漳衛(wèi)南運河，主要受到生活污染、工業(yè)廢水等污染。

2.2 采樣方法

硅藻采集方法以法國AFNOR（2000）T90-354 與歐洲NF NE 13946 硅藻常規(guī)采樣與預處理指導標準。硅藻采樣基質(zhì)指的是地勢開闊處沒有樹蔭遮擋活水區(qū)和硅藻生物膜浸沒且可見的石塊，樣品使用一次性牙刷放置到樣品瓶中，每個樣品要收集5 塊石塊，混合樣使用甲醛固定?，F(xiàn)場測定水體pH、電導率、溶解氧等物理參數(shù)，并且將水樣帶到實驗室測定化學參數(shù)，監(jiān)測方法根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL 219-1998）。

2.3 結(jié)果討論

2.3.1 硅藻屬指數(shù)（GI）

硅藻指數(shù)是將指示物種概念作為基礎(chǔ)，根據(jù)藻類生態(tài)習性和耐污性能夠展現(xiàn)環(huán)境污染程度，使其劃分成為寡污- 中污-耐污，從而指示環(huán)境有機污染程度。VanDam 以藻類鹽度、腐殖度、需氧情況、鹽度等使56 屬的776 種常見硅藻評分與劃分，后期有大量方法根據(jù)此文獻計算硅藻指數(shù)。比如，在部分國家中都已經(jīng)創(chuàng)建監(jiān)測不同問題的底棲硅藻指數(shù)，在世界各地河流水質(zhì)、生態(tài)評價中使用。目前，歐洲與北美洲已經(jīng)創(chuàng)建了一系列硅藻指數(shù)，對水體營養(yǎng)水平和污染情況評價。英國研究人員使河流硅藻指數(shù)理論在湖泊研究中使用，在此要注意在同個地區(qū)有時只需要一種或者幾種硅藻指數(shù)。比如，在對澳大利亞亞熱帶河流研究過程中，只需要使用TID 評價外界環(huán)境干擾比。在我國漢江上游流域河流研究中，此硅藻大部分都屬于有效生態(tài)評價指數(shù)，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的等級包括極好、好、中等、差、極差[5]。

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)的健康指標等級體系

GI 需要對卵形藻屬、曲殼藻屬、菱形藻屬、小環(huán)藻屬等進行鑒定，并且對各自豐度值計算，GI 值也就是優(yōu)勢屬的豐度比。指數(shù)值越高，表示水體受到污染程度越清。GI 只能夠在熱帶、亞熱帶地區(qū)的河流水質(zhì)綜合評價中使用，地域限制較為明顯。GI 只需要使硅藻鑒定屬級別，鑒定較為便捷、簡單，并且和其他硅藻水質(zhì)的指數(shù)具有顯著相關(guān)性，數(shù)據(jù)存在較高可信度[6]。

2.3.2 硅藻模型相似性指數(shù)（DMA）

DMA 利用對自然狀態(tài)下硅藻群落進行模擬構(gòu)成，對現(xiàn)實水體硅藻群落進行計算，并且模擬群落的相似程度，對水體質(zhì)量進行評價，計算公式為：

式中：m 指的是模擬群落百分比；n 指的是硅藻種數(shù)目；r 指的是顯示群落同種百分比。相似百分比越高，說明水體受到的污染越輕。

DMA 并沒有地域限制，但是只能夠在具有穩(wěn)定氣候條件的地區(qū)中使用，實現(xiàn)點源排放有機污染物與營養(yǎng)物的監(jiān)測，在指數(shù)中創(chuàng)建模擬硅藻群落只能夠在指定地區(qū)中使用。在DMA使用之前要對地區(qū)沒有受到人類活動干擾時候的水體存活硅藻種類進行調(diào)查，具有較大的難度，此方法存在使用不足。和其他生物指數(shù)對比，DMA 能夠在多變量分析中使用，并且應(yīng)用到不同等級尺度中，對人類活動干擾水環(huán)境的程度進行評價。對其硅藻生物類群分布進行分析，前三個斷面優(yōu)勢硅藻種都為喜好高氧飽和度，大部分斷面沒有檢測出喜好低氧飽和度的硅藻種群，表示前三個斷面的水質(zhì)良好，水體溶解氧含量比較高，所以硅藻以喜好很高氧飽和度種群占據(jù)優(yōu)勢。

2.3.3 生物硅藻指數(shù)（BDI）

Cpste 等人提出了生物硅藻指數(shù)，將838 種不同污染敏感度的關(guān)鍵種作為基礎(chǔ)，利用各種類豐度和7 級水質(zhì)梯度中的概率進行計算，實現(xiàn)指數(shù)值的推導，對水體質(zhì)量進行評價，計算過程為：

公式中的F（i）指的是給定種x 在i 級水質(zhì)中的概率，通過以下公式實現(xiàn)計算：

式中：Ax指的是種x 豐度；Px（i）指的是i 級水體中的種x 存在概率；Vx指的是種x 生態(tài)幅大小；n 指的是豐都＞0.75%的屬種數(shù)量。

Px（i）的計算公式為：

式中：Pclass（i）指的是i 級水質(zhì)環(huán)境的概率；N（i）指的是i 級水質(zhì)的水量；A（i）指的是堆積豐度，Nsites（i）指的是i 級水質(zhì)采樣點數(shù)目[7]。

漳衛(wèi)南運河的生物硅藻分布情況可知，全年水體均以堿性和中性硅藻類群為主。

2.3.4 湖泊富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)（TDIL）

TDIL 為將浮游硅藻作為基礎(chǔ)的，對于總磷濃度生態(tài)忍耐值、最佳值特征的指數(shù)方法，利用水體生態(tài)位置的計算，對湖泊富營養(yǎng)化程度進行評價，計算公式為：

式中：ak、sk、vk分別指的是k 的豐度、敏感度、營養(yǎng)指數(shù)。TDIL 值的變化范圍為0～5。值越高，表示水體情況越好，富營養(yǎng)化程度比較輕。

表2 為TDIL 值的分級和營養(yǎng)化程度。

表2 TDIL 值的分級和營養(yǎng)化程度

TDIL 只能夠在高鹽度、水淺、低海拔和高營養(yǎng)物的湖泊中使用，無法在淡水湖泊中使用，目前只是在小范圍中使用，方法的可靠性需要在更大范圍中驗證[8]。通過硅藻生物類型的分布可知，都是以自養(yǎng)硅藻為主。

3 結(jié)語

硅藻能夠通過不同層次將環(huán)境變化與脅迫反應(yīng)出來，河流生態(tài)系統(tǒng)中的底棲硅藻能夠改變不同尺度干擾產(chǎn)生的影響。此特點也是通過硅藻在河流水環(huán)境和生態(tài)健康評價中使用的前提，所以逐漸成為環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、評價生物指標。但是，在世界范圍中使用硅藻指數(shù)的適用性硅藻指數(shù)，在使用其他流域前要對其進行驗證。通過本文研究表示，硅藻指數(shù)法作為水環(huán)境生物監(jiān)測過程中的全新方法，其應(yīng)用前景較為廣闊，但是還存在部分的問題，比如硅藻分類和鑒定體系不完善、季節(jié)變化對硅藻指數(shù)方法穩(wěn)定性造成威脅等。所以，在今后研究中就要對此方面進行深度分析。