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(dòng)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(dòng)水環(huán)境監(jiān)測評價(jià)體系的建設(shè)，強(qiáng)化水環(huán)境保護(hù)針對性，相關(guān)單位和部門應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識到硅藻在水環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)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(jià)的注意事項(xiàng)進(jìn)行梳理與分析，從而能夠靈活便捷地針對當(dāng)前水環(huán)境的表現(xiàn)狀態(tài)做出分析，實(shí)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(jià)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?zé)釒虻木哂猩伢w的單細(xì)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(shí)間的歷史變化進(jìn)程當(dāng)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(shí)期當(dāng)中pH值、鹽度、有機(jī)氮含量、溶解氧含量以及營養(yǎng)元素含量進(jìn)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(dāng)中可能存在的污染現(xiàn)象進(jìn)行全面溯源與追蹤，強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)控以及水環(huán)境保護(hù)工作的針對性。

1.2 監(jiān)測并評價(jià)當(dāng)前水質(zhì)狀態(tài)

硅藻在水環(huán)境當(dāng)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(dāng)中的硅藻指數(shù)進(jìn)行分析，能夠?qū)Ξ?dāng)前水體小環(huán)境狀態(tài)做出針對性評價(jià)。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(huì)對水環(huán)境當(dāng)中硅藻的多樣性造成一定的影響，一般來說，高流速水域當(dāng)中，硅藻生長多樣性指數(shù)較高，而低流速水域當(dāng)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(xiàng)重要因素，不同種屬的硅藻能夠適應(yīng)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(dāng)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(guān)，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(xiàng)重要代表，基于硅藻指數(shù)開展水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)工作具有反應(yīng)靈敏、成本低廉等優(yōu)勢和特點(diǎn)，因此通過對水環(huán)境內(nèi)部硅藻指數(shù)進(jìn)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(xì)致地了解到人類活動(dòng)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(shí)還能清晰感知水下污染的發(fā)展動(dòng)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(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，硅藻在水環(huán)境監(jiān)測評價(jià)工作當(dāng)中的應(yīng)用價(jià)值得到了充分體現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)針對硅藻在水環(huán)境當(dāng)中的一系列指示方法進(jìn)行深入探究和梳理，為后續(xù)工作的開展奠定基礎(chǔ)。

2.1 硅藻屬指數(shù)

基于上文能夠得知，水環(huán)境當(dāng)中生長的硅藻生物按照形態(tài)進(jìn)行劃分一般可分為中心硅藻綱以及羽紋硅藻綱等兩個(gè)主要類別，而中心硅藻綱當(dāng)中還涵蓋了圓篩藻目、根管藻目、盒型藻目等，羽紋硅藻綱當(dāng)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(dāng)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(jìn)行監(jiān)測和評估，監(jiān)測技術(shù)人員可采用硅藻屬指數(shù)（GI）針對當(dāng)下水環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)分析，從而掌握水環(huán)境內(nèi)部的污染發(fā)展?fàn)顟B(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(dāng)中的豐度比值，當(dāng)硅藻屬指數(shù)較高時(shí)，水體環(huán)境內(nèi)部的污染狀態(tài)則較為嚴(yán)重，而當(dāng)硅藻屬指數(shù)較低時(shí)，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(jià)實(shí)踐工作的開展過程當(dāng)中能夠發(fā)現(xiàn)，硅藻屬指數(shù)（GI）的應(yīng)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(jìn)行配合運(yùn)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(dāng)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(xiàng)元素相關(guān)聯(lián)，因此硅藻在不同地區(qū)水環(huán)境當(dāng)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(dāng)中硅藻生長情況也會(huì)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(jìn)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(jī)構(gòu)能夠?qū)⒗硐胫蹬c實(shí)際值進(jìn)行比對，進(jìn)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(yīng)用過程中，其數(shù)據(jù)指標(biāo)往往與水環(huán)境污染狀態(tài)呈反比，當(dāng)DMA指數(shù)較高時(shí)，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(dāng)前水環(huán)境污染狀態(tài)較輕，而當(dāng)DMA指數(shù)較低時(shí)，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(zhǔn)確。但在組織進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測工作之前，技術(shù)部門需要更加全面地針對水環(huán)境條件要素進(jìn)行歸納與整合，這給DMA監(jiān)測評價(jià)方法的推廣與應(yīng)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(dāng)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(jìn)行分析，能夠較為全面完整地了解當(dāng)下水環(huán)境污染與發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這一指示方法的環(huán)境適應(yīng)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(jìn)行測定與分析，能夠?qū)λh(huán)境當(dāng)中沉積的營養(yǎng)元素進(jìn)行充分研究和判斷，進(jìn)而掌握水環(huán)境當(dāng)中受污染情況。通常來說，TDIL指數(shù)與水環(huán)境當(dāng)中的污染狀態(tài)成正比，當(dāng)指數(shù)表現(xiàn)越高時(shí)，水環(huán)境當(dāng)中的污染現(xiàn)象越嚴(yán)重。具體指標(biāo)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(biāo)分級與對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，但其對于復(fù)雜水系環(huán)境的適應(yīng)能力較差，應(yīng)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(dāng)中，監(jiān)測機(jī)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行針對性監(jiān)控與評價(jià)。營養(yǎng)指數(shù)又稱DI指數(shù)，指的是水環(huán)境當(dāng)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(dāng)中營養(yǎng)元素的富集狀態(tài)成正比，具體對應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系

基于營養(yǎng)指數(shù)DI對水系環(huán)境當(dāng)中的營養(yǎng)元素富集狀態(tài)以及污染狀態(tài)進(jìn)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(guān)變化情況，但對于長時(shí)間的水環(huán)境變化情況監(jiān)測評價(jià)存在一定的難度，最終的評價(jià)結(jié)果也可能存在一定的偏差。

3 基于硅藻指數(shù)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測評價(jià)工作的注意事項(xiàng)

作為一項(xiàng)專業(yè)性與實(shí)踐性較強(qiáng)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(jià)工作具有較為復(fù)雜的流程和要求，因此相關(guān)監(jiān)測機(jī)構(gòu)及其技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)做好相關(guān)注意事項(xiàng)的研究和分析工作，盡可能規(guī)避硅藻指數(shù)監(jiān)測評價(jià)工作當(dāng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，使最終的監(jiān)測評價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)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(jià)工作當(dāng)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(xiàng)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(yīng)能力存在一定的差異，因此為了更好地實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測評價(jià)工作目標(biāo)以及工作要求，強(qiáng)化硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)中的應(yīng)用效果，監(jiān)測技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)針對性分析不同硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)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(zhǔn)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(hù)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(dāng)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(dāng)中的富營養(yǎng)狀態(tài)較為敏感，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在組織開展監(jiān)測評價(jià)工作之前，應(yīng)當(dāng)針對水系周邊環(huán)境條件進(jìn)行初步分析，并結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化對于硅藻指數(shù)的選定與運(yùn)用，使其能夠更好地在水環(huán)境監(jiān)測評價(jià)工作當(dāng)中發(fā)揮出針對性作用。

3.2 嚴(yán)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(jià)結(jié)果的一項(xiàng)關(guān)鍵性要素，強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)因素帶來的影響，盡可能保障監(jiān)測評價(jià)結(jié)果的合理性，提升硅藻指數(shù)應(yīng)用效果。

首先，需要針對樣品采集流程與要求進(jìn)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(jī)構(gòu)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行采樣的過程當(dāng)中，應(yīng)優(yōu)先將水下石塊、枯木或構(gòu)筑物等物體作為取樣目標(biāo)，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(chǔ)。在樣品采集過程當(dāng)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(jìn)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(jìn)行的水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)工作要求[4]。

其次，在進(jìn)行分析驗(yàn)證之前，需要針對硅藻樣品進(jìn)行預(yù)處理，強(qiáng)化樣品純凈度，減少樣品內(nèi)部雜質(zhì)造成的影響。分析團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)結(jié)合預(yù)期方案要求，將硅藻樣品分別進(jìn)行離心、消解、清洗、封片等工作，使硅藻樣品能夠滿足觀察計(jì)數(shù)技術(shù)流程的相關(guān)要求。

最后，需要針對樣品的表現(xiàn)情況進(jìn)行觀察和分析。技術(shù)團(tuán)隊(duì)可結(jié)合硅藻樣品的表現(xiàn)情況合理選擇BX-53光學(xué)顯微鏡或SU8010 SEM電子掃描顯微鏡針對樣品狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)與鑒定，從而更加細(xì)致準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)工作目標(biāo)提供支持。

3.3 測定環(huán)境因子

水環(huán)境當(dāng)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(dǎo)率等多項(xiàng)指標(biāo)內(nèi)容，技術(shù)團(tuán)隊(duì)同樣也需要基于目標(biāo)水域進(jìn)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(guān)技術(shù)策略對水環(huán)境條件當(dāng)中各項(xiàng)因子發(fā)展情況進(jìn)行測定，從而強(qiáng)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(xiàng)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(biāo)水域硅藻樣品的生長多樣性情況做出相應(yīng)評價(jià)，具體公式為：

式中，H為一定水環(huán)境當(dāng)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(biāo)點(diǎn)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(gè)體總量。

其次，需要針對水環(huán)境當(dāng)中目標(biāo)點(diǎn)位的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，具體公式為：

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

最后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還需要依托樹狀圖分類法、McQuity平均鏈接法等技術(shù)手段以及技術(shù)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(yīng)能力與耐受能力得到更加直觀可靠的分析與評價(jià)，有效提升評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度。

3.5 基于理化指標(biāo)進(jìn)行總體評價(jià)

當(dāng)數(shù)據(jù)分析完成后，監(jiān)測團(tuán)隊(duì)以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要基于理化指標(biāo)針對水環(huán)境當(dāng)中硅藻的生長分布情況以及水污染狀態(tài)進(jìn)行綜合分析以及總體評價(jià)，從而更加準(zhǔn)確地掌握水環(huán)境當(dāng)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(jī)構(gòu)能夠更加準(zhǔn)確地針對水系內(nèi)部可能產(chǎn)生的污染源頭進(jìn)行跟蹤追溯，有效提升污染監(jiān)測與評價(jià)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(jìn)行分析和驗(yàn)證，掌握不同樣品采集點(diǎn)位當(dāng)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(dāng)中，形成可視化的數(shù)據(jù)圖表，直觀展現(xiàn)各樣品采集點(diǎn)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(diǎn)位水環(huán)境化學(xué)需氧量的發(fā)展變化情況，進(jìn)而推導(dǎo)出水環(huán)境內(nèi)部發(fā)展?fàn)顟B(tài)及其對于污染現(xiàn)象的抵抗能力，強(qiáng)化監(jiān)測團(tuán)隊(duì)對于目標(biāo)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(biāo)水域的污染情況做出評價(jià)和分析，結(jié)合不同位置樣品總磷、總氮以及化學(xué)需氧量所表現(xiàn)出的差異性進(jìn)行綜合比對，使水環(huán)境當(dāng)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(dāng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)，針對不同種屬水生硅藻的分布和生長情況進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)，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(kuò)散發(fā)展情況，使水環(huán)境監(jiān)測和評價(jià)工作的開展獲取到更加科學(xué)的支持和助力，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境保護(hù)工作的發(fā)展目標(biāo)。