薛 浩, 孟凡生, 鄭丙輝*, 王業(yè)耀, 姚志鵬， 張鈴松

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012 2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875 3.中國環(huán)境監(jiān)測總站, 北京 100012

大量研究表明，在我國廣泛應(yīng)用硅藻指數(shù)進行水生態(tài)健康評價是可行的[11-13]，但是在實際應(yīng)用過程中，引用的硅藻生物評價方法經(jīng)常會受到限制[14]. 鄧培雁等[15]研究表明，SLA和TDI在東江流域沒有表現(xiàn)出合理的變化趨勢. 項珍龍等[16]研究表明，Descy指數(shù)并不能很好地指示太子河水生態(tài)健康狀況. 國外相關(guān)研究[17]也表明，歐洲某些地區(qū)開發(fā)的硅藻指數(shù)在其他地區(qū)使用時并不一定有效. Kelly等[18]認為，這不僅是因為不同地區(qū)的植物區(qū)系存在差異，還因為環(huán)境差異改變了物種對水質(zhì)特征的響應(yīng). 目前，相關(guān)研究主要聚焦于不同硅藻指數(shù)在各流域是否適用[12,15,19]，關(guān)于硅藻指數(shù)適用性的影響因素研究較為鮮見.

該研究基于甘河水質(zhì)、生境和著生硅藻的調(diào)查數(shù)據(jù)，綜合運用箱體圖分析、Spearman相關(guān)分析和MLR (multiple linear regression,多元線性回歸分析)等方法，對21個硅藻指數(shù)在甘河的適用性進行研究，篩選適合甘河水質(zhì)評價的硅藻指數(shù). 同時，從物種覆蓋度以及硅藻指數(shù)對環(huán)境污染因子的響應(yīng)關(guān)系方面探討硅藻指數(shù)適用性的主要影響因素，以期為硅藻指數(shù)的選用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與點位設(shè)置

甘河發(fā)源于大興安嶺山脈東側(cè)沃其山麓，是嫩江的主要一級支流，于黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處附近匯入嫩江. 河長490 km，流域面積1.97×104km2，多年平均流量130 m3s. 該研究共設(shè)置19個采樣點(見圖1)，于2018年8月對甘河干流及其主要支流進行采樣調(diào)查.

1.2 著生藻類樣品采集、處理與分析

在采樣點河流上下游100 m范圍內(nèi)，依據(jù)河流生境的不同，挑選3個石塊(石塊上表面積<200 cm2)，用底面直徑2.8 cm鐘形塑料蓋劃定取樣范圍，用硬毛刷刮取該范圍內(nèi)著生藻類，用純凈水沖刷至不銹鋼托盤中，加5%甲醛溶液固定后轉(zhuǎn)移到廣口塑料瓶中保存，作為著生藻類的定量樣品. 對于沒有石頭的點位，刷取枯枝、落葉等基質(zhì)的著生藻類樣品[20].

樣品運回實驗室后，靜置沉淀48 h后，取部分樣品進行酸化處理(濃硝酸和濃硫酸)，并制成硅藻封片，在 1 000 倍光學(xué)顯微鏡(OLMPUS BX51，日本)下進行鑒定計數(shù)，每張封片觀察到的硅藻細胞個數(shù)不少于400個[21]，硅藻樣品全部鑒定到種.

1.3 水質(zhì)和生境指標測定

Cond (電導(dǎo)率)、DO和pH使用便攜式水質(zhì)分析儀(YSI Professional Plus, YSI Inc., 美國)現(xiàn)場測定. 各采樣點位同步采集河水樣品，預(yù)處理后帶回實驗室，測定CODCr、CODMn、NH3-N、NO3-N、TN和TP的濃度. 水樣采集、預(yù)處理、保存及測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[22]. 按照遼河流域河流棲息地評價指標與評價標準[23]，現(xiàn)場打分，獲取Bott (底質(zhì)得分)和QHEI (生境得分).

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1參照點和受損點篩選

不同地區(qū)土地利用強度不同，導(dǎo)致目前仍未有統(tǒng)一的參照點選取方法[24]. 該研究根據(jù)渠曉東等[25]在渾太河流域使用的標準化方法，結(jié)合甘河實際情況稍作修改，進行參照點、受損點的篩選. 由于松花江支流源頭CODMn普遍偏高[26]，該研究根據(jù)DO、pH、CODCr、TN、NH3-N和TP共6項指標，參照GB 3838—2002《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準》劃定水體水質(zhì)等級. 按照鄭丙輝等[23]在遼河流域提出的河流棲息地評價指標與評價標準，計算各點位QHEI. Ligeiro等[27]認為，參照點的選取應(yīng)嚴格依據(jù)最低限度暴露于人類活動影響這一標準，因此人類活動強度也作為參照點和受損點選取的標準之一，具體篩選標準參照渠曉東等[25]在渾太河流域使用的標準化方法.

1.4.2硅藻指數(shù)評價及相關(guān)性分析

通過文獻[19,28-30]調(diào)研，共選取21個硅藻指數(shù)對甘河進行水生態(tài)健康評價，各硅藻指數(shù)簡介如表1所示. 其中，編號為1～18的硅藻指數(shù)得分計算在OMNIDIA 6.0軟件中完成，編號為19～21的硅藻指數(shù)得分根據(jù)文獻[8,10,29]提供的計算方法獲得. 采用箱體圖法[31]判斷硅藻指數(shù)的判別能力，篩選出適合在甘河應(yīng)用的硅藻指數(shù). 對21個硅藻指數(shù)和10項環(huán)境因子進行Spearman相關(guān)分析，研究各硅藻指數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性.

使用MLR分析硅藻指數(shù)物種覆蓋度以及硅藻指數(shù)與CODCr、TN和QHEI的相關(guān)性等4個因素對硅藻指數(shù)評價正確率的影響. 該研究從5個不同角度描述了各硅藻指數(shù)在甘河及各點位的物種覆蓋度，具體參數(shù)描述及計算方法見表2.

評價正確率綜合考慮各硅藻指數(shù)對參照點及受損點的正確識別率. 以IBD為例，各點位按IBD得分由低到高依次賦予1～19的秩得分，然后分別計算參照點與受損點秩得分之和. 對21個硅藻指數(shù)的參照點秩得分之和由低到高排序，依次賦予1～21的分值，記為a；對21個硅藻指數(shù)的受損點秩得分之和由高到低排序，依次賦予1～21的分值，記為b；各硅藻指數(shù)評價正確率得分通過(a+b)/2轉(zhuǎn)換為1～21之間的數(shù)值，數(shù)值越大，代表該硅藻指數(shù)正確識別參照點與受損點的能力越強.

以上分析均通過R 3.5.2完成，箱體圖分析通過ggplot2程序包實現(xiàn)，Spearman相關(guān)分析通過vegan程序包實現(xiàn)，MLR通過car程序包實現(xiàn).

表1 硅藻指數(shù)簡介

表2 物種覆蓋度的描述與計算方法

注：1) 對19個采樣點分別計算后取平均值； 2) 對19個采樣點分別計算后取最小值.

2 結(jié)果與分析

2.1 硅藻指數(shù)評價結(jié)果分析

根據(jù)參照點和受損點的篩選標準，19個采樣點位被劃分為3組，第1組為參照組(G01～G05)，第2組為輕度受損組(G06～G13)，第3組為受損組(G14～G19)，參照點與受損點的QHEI和水質(zhì)如表3所示. 硅藻指數(shù)計算完成后均轉(zhuǎn)換成0～20內(nèi)的數(shù)值，按照上述3個分組，使用箱體圖法分析硅藻物種數(shù) (簡稱“種數(shù)量”)、硅藻屬數(shù)量(簡稱“屬數(shù)量”)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(簡稱“多樣性”)、Pielou均勻度指數(shù)(簡稱“均勻度”)和21個硅藻指數(shù)的辨別能力.

表3 參照點和受損點QHEI和水質(zhì)指標

注： 表中數(shù)值為平均值±標準差.

圖2 硅藻指數(shù)箱體圖分析結(jié)果Fig.2 Boxplot analysis of eight diatom indexes

由圖2可見：代表硅藻多樣性的4個參數(shù)(種數(shù)量、屬數(shù)量、多樣性和均勻度)均呈先升后降的趨勢，箱體圖得分較低，判別能力較差，不能合理地區(qū)分參照組與受損組. 21項硅藻指數(shù)中，LOBO判別能力最差，不能合理地區(qū)分參照組與受損組；其余20項硅藻指數(shù)均能合理地區(qū)分參照組與受損組，其中，IBD、CEE、EPI-D、IPS、Rott SI和DI-CH可以有效區(qū)分參照組與輕度受損組，表現(xiàn)最好. 以Eloranta使用的IPS評價健康狀況劃分標準[32]為依據(jù)，根據(jù)以上6項硅藻指數(shù)的得分結(jié)果，對所有采樣點的健康狀況進行評價，硅藻指數(shù)評價結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見：6個硅藻指數(shù)中，Rott SI評價結(jié)果區(qū)分度較低，評價結(jié)果主要為一般，沒有出現(xiàn)健康和極差的點位；CEE與DI-CH評分結(jié)果相對嚴格，沒有健康點位出現(xiàn)，并且極差點位占比最高；IBD、EPI-D和IPS評價結(jié)果區(qū)分度最好，相似性較高，五類評價結(jié)果均有出現(xiàn).

2.2 硅藻指數(shù)與環(huán)境因子相關(guān)分析

對21個硅藻指數(shù)和10項環(huán)境因子進行Spearman相關(guān)分析，結(jié)果如表4所示. 由表4可見：除LOBO外，其余硅藻指數(shù)與CODCr、CODMn、TP、NH3-N、NO3-N和TN均呈負相關(guān)，與DO、Bott和QHEI均呈正相關(guān). LOBO、WAT和DSIAR與環(huán)境因子間相關(guān)性均較弱，均僅與1或2個環(huán)境因子呈顯著相關(guān)；其次是SLA、TDI、PTI，均與3或4個環(huán)境因子呈顯著相關(guān)；其余硅藻指數(shù)與環(huán)境因子間相關(guān)性均較強，均與多個(≥5個)環(huán)境因子顯著相關(guān). 10項環(huán)境因子中，CODCr、NO3-N、TN、DO、Bott、QHEI均與多個(≥6個)硅藻指數(shù)呈極顯著相關(guān)；CODMn和NH3-N均與IPS呈極顯著相關(guān)，但與其他硅藻指數(shù)相關(guān)性均較弱；TP與RRDI呈極顯著相關(guān)，但與其他硅藻指數(shù)相關(guān)性均較弱；Cond與所有硅藻指數(shù)相關(guān)性均較弱.

圖3 硅藻指數(shù)評價結(jié)果Fig.3 Scores of seven diatom indexes

表4 環(huán)境因子與硅藻指數(shù)相關(guān)分析

注：*代表P< 0.05；** 代表P<0.01.

2.3 硅藻指數(shù)評價影響分析

該研究對比了5種覆蓋度與評價正確率的相關(guān)性，結(jié)果表明各點位最小物種覆蓋度與評價正確率的相關(guān)性最強，因此選擇各點位最小物種覆蓋度進行MLR分析. 各項環(huán)境因子中，CODCr和CODMn主要指示甘河有機污染狀況，其中CODCr與多數(shù)硅藻指數(shù)相關(guān)性較強；Cond、TP、NH3-N、NO3-N、TN主要指示甘河營養(yǎng)化程度，其中TN與多數(shù)硅藻指數(shù)相關(guān)性較強；DO、Bott、QHEI主要指示甘河生境質(zhì)量，其中QHEI指標更加綜合全面. 因此，挑選CODCr、TN和QHEI三項指標，使用MLR探討硅藻指數(shù)與環(huán)境因子相關(guān)性對硅藻指數(shù)評價正確率的影響.

由圖4可見，硅藻指數(shù)評價正確率隨物種覆蓋度以及硅藻指數(shù)與CODCr、TN和QHEI相關(guān)性的增加而升高. 對回歸模型進行擬合，結(jié)果表明所有預(yù)測變量解釋了94%的方差，硅藻指數(shù)與CODCr的相關(guān)性和評價正確率線性關(guān)系最強(P<0.01) (見表5).

注： 回歸分析過程中，所有數(shù)據(jù)進行秩轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)由小到大依次轉(zhuǎn)化為1～21的數(shù)值. 圖4 多元線性回歸散點圖矩陣Fig.4 Scatterplot matrix of MLR

項目估值標準差t值P值截距-0.204 880.962 64-0.2130.834 76覆蓋度0.111 320.103 411.0770.301 26CODCr0.773 670.186 734.1430.001 16??TN0.156 540.195 650.8000.438 05QHEI-0.018 010.146 13-0.1230.903 79

注：*代表P< 0.05; ** 代表P< 0.01.

3 討論

甘河水質(zhì)及生境質(zhì)量由上游到下游明顯逐漸變差. 甘河上游人類活動強度較小，水質(zhì)及生境質(zhì)量總體較好，所有上游點位均被劃分到參照組；中游人類活動強度增加，水質(zhì)及生境質(zhì)量較上游差，中游點位均被劃分到輕度受損組；下游及庫魯齊河支流區(qū)域因大量的農(nóng)業(yè)活動，導(dǎo)致N、P等營養(yǎng)鹽濃度升高，自然生境遭到一定程度的破壞，絕大部分下游點位被劃分到受損組.

箱體圖分析(見圖2)表明，與硅藻指數(shù)相比，代表硅藻多樣性的4個參數(shù)(種數(shù)量、屬數(shù)量、多樣性和均勻度)均未能表現(xiàn)出足夠的判別能力，箱體圖得分較低，不適用于評價甘河水生態(tài)健康狀況. 輕度受損組種數(shù)量和多樣性均比參照組高，這是因為在群落演替過程中，外界輕度干擾會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性的增加[33]. 與輕度受損組相比，受損組生物多樣性有所下降，這是因為群落演替過程中，物種多樣性會隨外界干擾強度的增加呈先升后降的變化特征，即駝峰效應(yīng)(hump-shaped effect)[34]. 國外相關(guān)研究也表明，物種豐富度、均勻度和多樣性3個指標與采礦活動污染河流水體的化學(xué)特征[35]及重金屬負荷[36]之間相關(guān)性均不顯著. Ricciardi等[37]研究表明，多樣性與化學(xué)污染之間的關(guān)系并不總是簡單的線性關(guān)系，多樣性結(jié)果往往不能作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價的有效依據(jù).

該研究選用的21個硅藻指數(shù)，除LOBO外均能有效區(qū)分參照組與受損組，其中IBD、CEE、EPI-D、IPS、RottSI和DI-CH可以高效區(qū)分參照組與輕度受損組，在甘河流域的評價效果較好. 對比IBD等6項硅藻指數(shù)評價結(jié)果(見圖3)發(fā)現(xiàn)，IBD、EPI-D和IPS評價結(jié)果最為相似，且這3個硅藻指數(shù)評價結(jié)果區(qū)分度較好，評價最為合理. 根據(jù)IBD、EPI-D和IPS評價結(jié)果，甘河豐水期約70%的點位水生態(tài)健康狀況為健康、較好和一般，健康的點位均位于上游區(qū)域；約30%的點位水生態(tài)健康狀況為較差和極差，極差的點位全部位于甘河下游區(qū)域. 硅藻指數(shù)評價結(jié)果表明，甘河上游及中游水生態(tài)健康狀況較好，下游水生態(tài)健康狀況較差，與水質(zhì)和生境質(zhì)量結(jié)果一致.

QU等[38]在太子河流域的研究結(jié)果表明，IBD、IPS和Rott SI均適用于太子河的河流健康評價，并且和富營養(yǎng)梯度、有機污染梯度顯著相關(guān). 項珍龍等[16]在太子河流域研究結(jié)果表明，IBD和IPS等6項硅藻指數(shù)在太子河流域具有較好的適用性，但Descy對太子河水生態(tài)健康狀況的指示作用低于其他5項硅藻指數(shù). 該研究中，Descy對甘河水生態(tài)健康狀況的指示作用也較差，與項珍龍等[16]研究結(jié)論一致. 黎征武等[19]在北江流域研究結(jié)果也表明，與IDG和IDAP相比，IBD能更好地區(qū)分不同水質(zhì)類別，更適用于北江河流的水質(zhì)評價，與該研究結(jié)論相似. TAN等[39]對漢江流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價過程中，從16項硅藻指數(shù)中篩選出EPI-D作為評價參數(shù)，EPI-D可以有效判別參照點與受損點，與該研究結(jié)論一致.

LOBO與環(huán)境因子的相關(guān)性較弱，這與黎征武等[19]在北江流域的結(jié)論一致. 所有硅藻指數(shù)中，DSIAR與環(huán)境因子相關(guān)性最弱. 研究[21]表明，DSIAR與梧桐河流域水環(huán)境因子相關(guān)性也較弱，可能是由于DSIAR的建立區(qū)域與松花江流域環(huán)境差異較大導(dǎo)致. 國外相關(guān)研究[40]也表明，硅藻指數(shù)評價具有最佳適用區(qū)域，當評價區(qū)域與該指數(shù)的最初創(chuàng)建區(qū)域存在較大的氣候、環(huán)境差異時，硅藻指數(shù)會出現(xiàn)適用性較差的情況. 與其他硅藻指數(shù)相比，SLA和TDI與環(huán)境因子相關(guān)性較弱，鄧培雁等[15]在東江流域也得出了相同結(jié)論. 10項環(huán)境因子中，Cond與多數(shù)硅藻指數(shù)相關(guān)性較差，這與殷旭旺等[41]在太子河流域得出的結(jié)論有所不同，可能是因為甘河上、中游電導(dǎo)率波動幅度較小，沒有明顯的梯度變化. Bere[42]研究了IBD等17項硅藻指數(shù)在津巴布韋的適用性，結(jié)果也表明SLA和WAT等硅藻指數(shù)得分與水質(zhì)變量的相關(guān)性較差.

該研究選擇了3個環(huán)境因子進行回歸分析，CODCr反映了甘河有機污染狀況，TN反映了甘河水體營養(yǎng)富集程度，QHEI反映了甘河的生境質(zhì)量. 回歸分析顯著性檢驗結(jié)果表明，硅藻指數(shù)和CODCr的相關(guān)性對硅藻指數(shù)評價正確率有顯著影響(P<0.01)，硅藻指數(shù)與CODCr相關(guān)性越強，評價正確率越高. 這可能是因為有機污染是甘河中游著生硅藻群落結(jié)構(gòu)變化的主要影響因子，與CODCr相關(guān)性強的硅藻指數(shù)可以有效區(qū)分輕度受損點與參照點，獲得合理的評價效果. 硅藻指數(shù)與TN、QHEI的相關(guān)性也會影響硅藻指數(shù)的評價正確率，但不顯著.

硅藻指數(shù)評價正確率與物種覆蓋度的線性擬合結(jié)果表明，物種覆蓋度的增加可以提高硅藻指數(shù)的評價正確率. 各點位最小物種覆蓋度低于65%時，物種覆蓋度對硅藻指數(shù)評價正確率的影響不明顯，這可能是由于物種覆蓋度太低時評價結(jié)果意外性較強；各點位最小物種覆蓋度高于65%時，物種覆蓋度對硅藻指數(shù)評價正確率的影響較為明顯. 以RRDI為例，雖然RRDI與CODCr、TN等多項環(huán)境因子均呈極顯著相關(guān)，但由于RRDI包含硅藻物種數(shù)量較少，在甘河物種覆蓋度極低，各點位最小物種覆蓋度僅為18.75%，導(dǎo)致RRDI評價結(jié)果較差，無法合理區(qū)分參照組與輕度受損組. Lavoie等[43]認為，硅藻指數(shù)物種覆蓋度較低可能會導(dǎo)致指標計算中遺漏一些關(guān)鍵的指標類群，造成信息的丟失，限制了評價群落生態(tài)完整性的能力.

4 結(jié)論

a) 甘河豐水期水生態(tài)健康狀況評價過程中，除LOBO以外的20個硅藻指數(shù)均能有效區(qū)分參照組與受損組；所有硅藻指數(shù)中，IBD、EPI-D和IPS的評價結(jié)果區(qū)分度較好，最為合理，適用于甘河水生態(tài)健康狀況評價.

b) 甘河豐水期水生態(tài)健康狀況總體較好，約70%的點位水生態(tài)健康狀況為健康、較好和一般，約30%的點位水生態(tài)健康狀況為較差和極差，極差的點位全部位于甘河下游.

c) 硅藻指數(shù)與CODCr的相關(guān)性對硅藻指數(shù)評價正確率有顯著影響(P<0.01)，硅藻指數(shù)與CODCr的相關(guān)性越強，評價正確率越高；物種覆蓋度的增加可以提高硅藻指數(shù)的評價正確率，各點位最小物種覆蓋度高于65%時，物種覆蓋度對硅藻指數(shù)的評價正確率影響較為明顯.

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