河流硅藻指數(shù)在太子河水生態(tài)健康評價中的應(yīng)用研究

為了用硅藻指數(shù)評價太子河的水生態(tài)健康狀況，于2012年5月對太子河河岸不同土地利用方式（森林用地、森林耕作用地、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地）下的38個采樣點位進(jìn)行了調(diào)查研究，并應(yīng)用6項硅藻指數(shù) （硅藻生物指數(shù)IBD、硅藻屬指數(shù)IDG、特定污染敏感指數(shù)IPS、歐盟硅藻指數(shù)CEE、硅藻營養(yǎng)化指數(shù)TDI和戴斯指數(shù)DESCY）對太子河的水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行健康評估。結(jié)果表明：MRPP結(jié)果顯示，太子河流域4種土地利用類型具有顯著的空間異質(zhì)性 （P＜0.05）；太子河流域香農(nóng)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和物種豐富度的平均值分別為2.96、0.72和18，物種密度為7.83×106cells/cm2；根據(jù)相關(guān)分析顯示，硅藻指數(shù)之間、硅藻指數(shù)與水環(huán)境因子之間具有顯著的相關(guān)性 （P＜0.05）；根據(jù)K-S檢驗，6項硅藻指數(shù)均符合正態(tài)分布；根據(jù)線性回歸方程分析，D-IBI與IBD、IPS、IDG、CEE、TDI、DESCY均呈顯著的線性回歸關(guān)系（P＜0.05），表明6項硅藻指數(shù)在太子河流域具有較好的適用性；用硅藻指數(shù)評價太子河流域的結(jié)果顯示，太子河上游地區(qū)水生態(tài)健康狀況較好，中游地區(qū)水生態(tài)健康狀況一般，下游地區(qū)水生態(tài)健康狀況較差。

硅藻指數(shù)；硅藻完整性指數(shù)；土地利用方式；水環(huán)境因子

硅藻 （Diatom）廣泛分布于溪流和江河中，是河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分［1］。硅藻是河流生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級生產(chǎn)者，承擔(dān)著物質(zhì)循環(huán)和能量流動的功能，并且對河流的物理和化學(xué)變化有著迅速的響應(yīng)［2-3］，因而被作為指示生物廣泛應(yīng)用于河流生態(tài)系統(tǒng)的評價中［4-5］?，F(xiàn)階段，已建立的硅藻完整性指數(shù) （D-IBI）體系被廣泛運用于河流生態(tài)評價中［4，6］，但D-IBI評價體系的建立，需要通過復(fù)雜的計算過程和篩選生物參數(shù)來完成。因此，如何簡化計算難度和計算步驟，降低監(jiān)測河流的成本和時間，對監(jiān)測河流生態(tài)健康具有重要的意義。

Descy在1979年首先提出戴斯硅藻指數(shù) （Descy index，DESCY），隨后一些研究者利用統(tǒng)計學(xué)方法將硅藻與環(huán)境因子相結(jié)合，建立起一套辨別硅藻群落的函數(shù)和數(shù)學(xué)模型。目前，世界各地已經(jīng)發(fā)展了10多種硅藻指數(shù)，并經(jīng)常用來檢測和評價水域生態(tài)的健康質(zhì)量。每一項硅藻指數(shù)都是一項快速生物評價單因子指數(shù)，并通過計算得出硅藻指數(shù)數(shù)值，作為判定水生態(tài)健康的標(biāo)準(zhǔn)［7］。硅藻指數(shù)相比硅藻完整性指數(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點：（1）在進(jìn)行硅藻指數(shù)計算時，僅考慮物種出現(xiàn)與否，定性數(shù)據(jù)、半定量數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)均可以進(jìn)行比較；（2）計算相對簡單，將整理好的數(shù)據(jù)輸入到軟件中，即可得到相應(yīng)的數(shù)值；（3）利用打分表格的輔助，很快判斷出該點位的水生態(tài)健康狀況。近年來，硅藻指數(shù)在歐洲［8］、南非［9］、美國［10］、澳大利亞［11］、巴西［12］等地廣泛地被運用于河流生態(tài)評價中，在中國，已有學(xué)者利用硅藻指數(shù)對中國東江［13］和基隆河［14］進(jìn)行了河流生態(tài)健康的評價。

遼寧省的渾太河位于東經(jīng)122.00°～125.30°、北緯 40.45°～42.30°之間，流域面積 2.73萬km2，是國內(nèi)開展水生態(tài)健康評價研究較早的流域，曾基于生物完整性評價體系開展了大量的河流健康評價研究［4，15］。本研究中，以渾太河水系的太子河為例，選取河流評價中常用的6項硅藻指數(shù)：硅藻生物指數(shù) （Biological diatom index，IBD）［16］、硅藻屬指數(shù) （Generic diatom index，IDG）［14］、特定污染敏感指數(shù) （Specific polluosensitivity index，IPS）［17］、歐盟硅藻指數(shù) （European economic community index，CEE）［18］、硅藻營養(yǎng)化指數(shù) （Trophic diatom index，TDI）［2］和戴斯指數(shù) （Descy index，DESCY）［7，18］，檢驗硅藻指數(shù)在河流生態(tài)健康快速評價中的適用性，同時在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上將太子河流域劃分為4種土地利用類型，以檢驗河流硅藻指數(shù)對人類活動強度的響應(yīng)關(guān)系。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域

太子河 （122°30′～124°50′E、40°30′～41°40′N）的流域面積約為1.4萬km2，全長413 km，年平均徑流量為26.86億m3。于2012年5月對太子河河岸不同土地利用方式下的38個采樣點位進(jìn)行調(diào)查研究。由于人類活動的影響，太子河全流域河岸的土地利用類型表現(xiàn)出明顯的差異性，可初步劃分為4種類型，即森林用地、森林耕作用地、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地。采樣點位圖以及4種土地利用類型的劃分依據(jù)詳見李麗娟等［19］相關(guān)文獻(xiàn)。

1.2方法

1.2.1水環(huán)境理化指標(biāo)的測定及樣品的采集與處理 在太子河流域各個采樣點位共測定15項水環(huán)境理化指標(biāo)，分別為電導(dǎo)率 （Cond）、總?cè)芙夤腆w（TDS）、溶解氧 （DO）、pH、水深 （Depth）、懸浮物 （SS）、氯離子 （）、氨氮 （-N）、硝酸態(tài)氮 （-N）、總?cè)芙馓?（TC）、總氮 （TN）、有機磷 （ATP）、總磷 （TP）、硬度 （TD）和高錳酸鹽指數(shù) （CODMn）。測定水環(huán)境理化指標(biāo)的儀器和方法以及硅藻樣品的采集和處理詳見李麗娟等［19］相關(guān)文獻(xiàn)。

1.2.2著生硅藻群落結(jié)構(gòu)分析 應(yīng)用MRPP（多響應(yīng)置換過程）分析4種不同土地利用類型下硅藻群落結(jié)構(gòu)的差異性。香農(nóng)多樣性指數(shù) （H）［20］以及均勻度指數(shù) （J）［21］計算公式為

其中：Pi為第i個物種的個體數(shù)與所有種類個體數(shù)的比值；S為樣品中總種類數(shù)。運用箱型圖判定硅藻的密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和物種豐富度在4種土地利用類型下的差異性。

1.2.3利用硅藻指數(shù)評價太子河流域 對6項硅藻指數(shù)的描述見表1，IBD、IDG、IPS、DESCY、TDI的計算均基于Zelinka等［22］的經(jīng)典方程：

其中：aj為樣品中物種的豐度；vj為物種j的指示值；sj為物種j的污染敏感度，通過OMISN 7.0軟件計算6項硅藻指數(shù)，6項硅藻指數(shù)設(shè)定在0～20的數(shù)值范圍，數(shù)值越低說明采樣點水質(zhì)越差，反之則說明水質(zhì)越好。其中IBD指數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)［23-24］設(shè)定附分標(biāo)準(zhǔn)，即IBD＞17.0為健康點位，15.0＜IBD≤17.0為較好點位，12.0＜IBD≤15.0為一般點位，IBD≤12.0為較差點位。

表1　用于太子河健康評價的6項硅藻指數(shù)Tab.1 Six diatom indices used in the healthy assessment of Taizi River

運用箱型圖判定6項硅藻指數(shù)在4種土地利用類型下的差異性。將各點位水環(huán)境因子與硅藻指數(shù)數(shù)值之間以及各項硅藻指數(shù)之間進(jìn)行柯爾莫哥諾夫-斯米爾諾夫檢驗 （Kolmogorov-Smirnov test，KS檢驗），其P值均大于0.05，符合正態(tài)分布，則用Pearson相關(guān)性檢驗法分析硅藻指數(shù)之間以及硅藻指數(shù)與水環(huán)境因子之間的相關(guān)性。對6項硅藻指數(shù)的附分參考Wu等［25］的方法，若硅藻指數(shù)數(shù)值大于95th分位數(shù)，賦值為10分，若小于95th分位數(shù)，將硅藻指數(shù)分布范圍平均分成三等分，依次附分為7分、3分和1分，最終確立4個健康等級，分別為健康、較好、一般和較差。

1.2.4構(gòu)建太子河硅藻生物完整性 （D-IBI）評價體系 參考國內(nèi)外D-IBI評價體系指標(biāo)，一共篩選出12項硅藻候選參數(shù) （表2）。通過箱體圖分析，篩選出在參照點位和受損點位具有明顯差異性的參數(shù)，分析參照點位與受損點位的重疊狀況。對篩選出的參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗，若顯著相關(guān) （P＜0.05），則兩個參數(shù)選擇其一即可。對于參照點位的選擇，應(yīng)該選擇森林覆蓋率高、農(nóng)田覆蓋率低、人類干擾較少、水生態(tài)健康的區(qū)域［26］，但太子河極少有完全無人類干擾的區(qū)域，即使在太子河的源頭或支流也有人類活動的跡象。故采用Hughes等［27］的方法，根據(jù)硅藻群落結(jié)構(gòu)特征與水環(huán)境因子的特征等多種影響因素，選擇人類干擾最小的點位作為參照點位。

隨干擾增強得分值變小的參數(shù)，分值越高，附分值也越高；反之，隨干擾增強得分值變大的參數(shù)，分值越高，賦分值也越小。本研究中采用四分法［28］對核心參數(shù)進(jìn)行附分。隨干擾增強參數(shù)值減小的參數(shù)，采用以下附分原則：大于75th分位數(shù)，賦值為10分；75th～50th分位數(shù)范圍內(nèi)，賦值為7分；50th～25th分位數(shù)范圍內(nèi)，賦值為3分；小于25th分位數(shù)，賦值為1分。隨干擾增強參數(shù)值增加的參數(shù)，采用以下附分原則：大于25th分位數(shù)，賦值為10分；50th～25th分位數(shù)范圍內(nèi)，賦值為7分；75th～50th分位數(shù)范圍內(nèi)，賦值為3分；小于75th分位數(shù)，賦值為1分。對核心參數(shù)的附分，進(jìn)行累加，得到D-IBI得分，最終確定出4個等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)：健康、較好、一般和較差。

1.2.5硅藻指數(shù)與D-IBI的線性回歸分析 通過K-S分布檢驗，分析6項硅藻指數(shù)是否符合正態(tài)分布，如符合正態(tài)分布，則采用線性回歸擬合分析對6項硅藻指數(shù)和D-IBI評價體系間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

表2　太子河硅藻生物完整性 （D-IBI）評價指標(biāo)體系與參數(shù)的描述Tab.2 Attributes and description of candidate metrics of D-IBI in Taizi River basin

1.3數(shù)據(jù)處理

采用OMISN 7.0軟件計算［30］硅藻指數(shù) IBD、IDG、IPS、CEE、TDI、DESCY；使用 Biodiversity Professional 2.0計算硅藻香農(nóng)多樣性指數(shù)以及均勻度指數(shù)；運用PC-ORD 5.0分析MRPP；用Origin 7.5軟件制作箱型圖以及進(jìn)行線性回歸分析；用SPSS 17.0軟件分析水環(huán)境子與硅藻指數(shù)以及硅藻指數(shù)間的相關(guān)性；除pH外，要對所有的水環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ［lg（x+1）］［31］。

2　結(jié)果與分析

2.1不同土地利用類型下硅藻群落結(jié)構(gòu)的變化

本次調(diào)查中，太子河共鑒定出硅藻118種，其中以舟形藻屬Navicula、橋彎藻屬Cymbella、菱形藻屬Nitzschia、異極藻屬Gomphonema、針桿藻屬Synedra、小環(huán)藻屬Cyclotella種類最多，分別占總個體 數(shù) 的21.7%、20.2%、13.2%、6.2%、4.7%、3.9%。硅藻常見的種類包括：變異直鏈藻Melosira varians、肘狀針桿藻 S.ulna、鈍脆桿藻Fragilaria capucina、線形菱形藻N.linearis、小片菱形藻N.frustulum、小型舟形藻N.minuscula、簡單舟形藻N.simplex、膨大橋彎藻C.turgida、小型異極藻G.parvulum、纏結(jié)異極藻G.intricatum、普通等片藻Diatoma vulgare、彎棒桿藻Rhopalodia gibba等。

MRPP結(jié)果顯示，太子河流域4種土地利用類型下硅藻群落空間異質(zhì)性顯著 （P＜0.05），太子河流域硅藻群落結(jié)構(gòu)，香農(nóng)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和物種豐富度的平均值分別為2.96、0.72和18，物種密度的平均值為7.83×106cells/cm2。從圖1可見：森林耕作用地與耕地水域硅藻的香農(nóng)多樣性指數(shù)較高，二者雖無顯著性差異 （P＞0.05），但均顯著高于森林用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域的香農(nóng)多樣性指數(shù) （P＜0.05），而城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域的香農(nóng)多樣性指數(shù)最低；耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地和森林耕作用地水域的均勻度指數(shù)較高，三者間無顯著性差異（P＞0.05），而森林用地水域的均勻度指數(shù)最低，且顯著低于耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域的均勻度指數(shù)（P＞0.05）；4種土地利用類型水域的硅藻密度變化規(guī)律與物種豐富度變化規(guī)律一致，均為森林用地水域的硅藻密度和物種豐富度最高，城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域的硅藻密度和物種豐富度最低，且城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域的硅藻密度和物種豐富度均顯著低于其他土地利用類型水域的硅藻密度和物種豐富度 （P＜0.05），而其他土地利用類型水域的硅藻密度和物種豐富度均無顯著性差異 （P＞0.05）。香農(nóng)多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)的最高值出現(xiàn)在森林耕作用地和耕地水域，包括太子河北支、細(xì)河、蘭河、二道河、下達(dá)河和太子河干流的一些流域。硅藻密度與物種豐富度在城鎮(zhèn)用地水域相對較低，包括南沙河、楊柳河和海城河等人類活動較多的流域。

對15項水環(huán)境因子進(jìn)行分析，最后篩選出3項影響太子河硅藻群落結(jié)構(gòu)的水環(huán)境因子，分別為電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物。

圖1　4種土地利用類型下硅藻群落結(jié)構(gòu)的變化Fig.1 Community structure of diatom in four land use types

2.2太子河硅藻指數(shù)的特征

硅藻指數(shù)在4種土地利用類型水域中存在較大差異。從圖2可見：在IBD、TDI、IDG、IPS指數(shù)中，森林用地水域的各指數(shù)均顯著高于其他用地方式下的各指數(shù) （P＜0.05）；在CEE指數(shù)中，森林用地與森林耕作用地水域無顯著性差異 （P＞0.05），但均顯著高于耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域（P＜0.05）；在DESCY指數(shù)中，森林耕作用地水域顯著高于其他用地類型水域 （P＜0.05）；在6項指數(shù)中，森林用地水域的硅藻指數(shù)均較高，而耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地水域的硅藻指數(shù)相對較低。

將篩選出的3項水環(huán)境因子 （電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物）與硅藻指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。Pearson相關(guān)性分析顯示，除懸浮物與TDI指數(shù)不相關(guān) （P＞0.05）外，3項水環(huán)境因子與硅藻指數(shù)之間的相關(guān)性均顯著 （P＜0.05）。根據(jù)6項硅藻指數(shù)之間的相關(guān)性分析 （表4），IDG與 IBD，DESCY與 IBD顯著相關(guān) （P＜ 0.05），而 TDI與 CEE，TDI與 DESCY，CEE與IBD不相關(guān) （P＞0.05），其余指數(shù)之間均極顯著相關(guān) （P＜0.01）。

圖2　6項硅藻指數(shù)在4種土地利用類型下分布的箱型圖Fig.2 Box plots of the six diatom indices in four land use types

表3　利用Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣分析硅藻指數(shù)與水環(huán)境理化因子相關(guān)性的結(jié)果Tab.3 Pearson correlation tests between diatom indices and water environmental factors in Taizi River basin

表4　利用Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣分析6項硅藻指數(shù)相關(guān)性的結(jié)果Tab.4 Pearson correlation tests of the six diatom indices in Taizi River basin in the dry season

2.3應(yīng)用硅藻指數(shù)對太子河進(jìn)行健康評價

6項硅藻指數(shù)數(shù)值參數(shù)分布和太子河硅藻指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)如表5所示，硅藻指數(shù)評價結(jié)果如表6所示。IBD評價結(jié)果顯示：森林用地除了小湯河西支（T14）水生態(tài)較差外，其他點位均顯示健康；森林耕作用地水生態(tài)健康點位有2個，分別在太子河北支和細(xì)河上，較差的點位相對較多，共有7個；耕地的水生態(tài)狀況為一般和較差，主要為太子河干流；而城鎮(zhèn)建設(shè)用地水生態(tài)狀況全部為較差，主要在南沙河、楊柳河和海城河。IDG評價結(jié)果顯示：森林用地小湯河西支 （T12）和太子河南支 （T16）水生態(tài)顯示健康，其他點位也相對較好；森林耕作用地水生態(tài)無健康點位，多為較好和一般的點位，主要出現(xiàn)在細(xì)河、蘭河和太子河北支；耕地以及城鎮(zhèn)建設(shè)用地水生態(tài)無健康和較好的點位，水生態(tài)狀況為一般和較差，包括石里河、北沙河、南沙河、楊柳河、海城河和太子河下游。IPS評價結(jié)果顯示：森林用地水生態(tài)健康點位出現(xiàn)在小湯河西支以及太子河南支；森林耕作用地較好的水生態(tài)環(huán)境主要出現(xiàn)在蘭河和細(xì)河，較差的水生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)在二道河和下達(dá)河；耕地水生態(tài)環(huán)境多為一般和較差的點位；城鎮(zhèn)建設(shè)用地僅在楊柳河 （T35）有較好的水生態(tài)環(huán)境，其余點位均顯示較差。CEE評價結(jié)果顯示：森林用地水生態(tài)僅在太子河南支 （T16）為健康點位；森林耕作用地較好的水生態(tài)環(huán)境主要出現(xiàn)在蘭河和細(xì)河；耕地水生態(tài)環(huán)境僅在太子河中游 （T26）顯示為健康點位；城鎮(zhèn)建設(shè)用地水生態(tài)在楊柳河上 （T35）顯示為健康點位。DESCY評價結(jié)果顯示：森林用地水生態(tài)無健康點位；森林耕作用地水生態(tài)健康點位出現(xiàn)在太子河北支上 （T19、T21）；城鎮(zhèn)建設(shè)用地水生態(tài)多為一般和較差的點位。TDI評價結(jié)果顯示：森林用地水生態(tài)健康點位出現(xiàn)在小湯河西支 （T13）以及太子河南支上（T16、T17）；森林耕作用地水生態(tài)多為較好的點位，主要出現(xiàn)在細(xì)河、太子河北支、下達(dá)河和太子河中游；耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地水生態(tài)多為一般和較差的點位，主要出現(xiàn)在南沙河、楊柳河、海城河和太子河下游。

表5　太子河硅藻指數(shù)數(shù)值的描述以及健康評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Description of diatom index and criteria of the health in Taizi River basin

表6　太子河硅藻指數(shù)評價結(jié)果與D-IBI評價結(jié)果的對比Tab.6 Comparison of results of health assessment of diatom indices in Taizi River basin with those of DIBI

太子河流域D-IBI評價結(jié)果 （表6）顯示：森林用地水生態(tài)健康點位有3個，主要出現(xiàn)在太子河南支，較好點位為3個，主要出現(xiàn)在小湯河西支；森林耕作用地水生態(tài)健康點位主要出現(xiàn)在下達(dá)河、太子河中游、岔溝河和太子河北支；耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地水生態(tài)多為一般和較差點位，主要出現(xiàn)在南沙河、楊柳河、海城河和太子河下游。

2.46項硅藻指數(shù)評價太子河流域水生態(tài)健康的適用性分析

為了證明6項硅藻指數(shù)在太子河流域的適用性，分析研究D-IBI與6項硅藻指數(shù)之間的線性關(guān)系。通過K-S分布檢驗，得出6項硅藻指數(shù)均符合正態(tài)分布，因此，采用線性回歸擬合對6項硅藻指數(shù)與D-IBI評價體系間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析（圖3）。結(jié)果表明，6項硅藻指數(shù)與D-IBI指數(shù)的關(guān)系具有相同的趨勢變化，均呈顯著正相關(guān) （R2= 0.138～0.554，P＜0.05），IDG指數(shù)與D-IBI指數(shù)的回歸系數(shù)最高 （R2=0.554，P＜0.001）。上述結(jié)果顯示，6項硅藻指數(shù)與D-IBI指數(shù)具有較好的線性關(guān)系，說明6項硅藻指數(shù)可以很好地反映太子河流域水生態(tài)的健康狀況。

3　討論

3.1太子河的硅藻群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子

Stenger-Kovács等［32］研究表明，膨大橋彎藻、彎棒桿藻和纏結(jié)異極藻常在溶解氧高、水體貧營養(yǎng)狀態(tài)、有機污染程度低的水環(huán)境中占據(jù)絕對優(yōu)勢，本研究中，它們在森林用地地區(qū)水環(huán)境中占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，說明森林用地地區(qū)水生態(tài)質(zhì)量良好。本研究中發(fā)現(xiàn)，肘狀針桿藻、鈍脆桿藻、普通等片藻、線形菱形藻、小片菱形藻、小型舟形藻是耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地地區(qū)水環(huán)境的優(yōu)勢種。Salomoni等［33］研究發(fā)現(xiàn)，小型舟形藻常出現(xiàn)在富營養(yǎng)化的水體，本研究中，小型舟形藻是耕地地區(qū)水環(huán)境的優(yōu)勢物種，這是由于河流兩岸人類對耕地進(jìn)行施肥，導(dǎo)致河流中總氮、總磷不斷升高，從而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。Da Silva等［34］研究表明，肘狀針桿藻和鈍脆桿藻常作為Cu和Zn的指示種，本研究中，肘狀針桿藻和鈍脆桿藻為城鎮(zhèn)建設(shè)用地地區(qū)水環(huán)境的優(yōu)勢種，這可能是由于一些工廠將含有重金屬的廢水排到太子河中導(dǎo)致的。Karr等［35］認(rèn)為，城市跟農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展會改變河流的水生態(tài)環(huán)境，包括水體的化學(xué)物質(zhì)、河流底質(zhì)、自然環(huán)境等，這都會對著生硅藻的群落結(jié)構(gòu)造成一定影響。

MRPP結(jié)果表明，太子河流域4種土地利用類型除森林耕作用地與耕地之間硅藻群落空間異質(zhì)性的差異不顯著外，其余土地利用類型之間差異均顯著。這種空間上差異的形成原因可能是：太子河流域上游地區(qū) （觀音閣水庫以上）包括小湯河西支和太子河南支，受到人類干擾較小，森林覆蓋率高，河流底質(zhì)多為巨石和鵝卵石等，河流中的溶解氧較高，生物多樣性高；在太子河北支、細(xì)河、蘭河、二道河等支流，以及太子河中游的一些區(qū)域，出現(xiàn)了耕地，森林被破壞，尤其在太子河下游地區(qū)更為明顯，水土流失嚴(yán)重，河流底質(zhì)多為碎石、泥沙和細(xì)石等；而在楊柳河和南沙河的城鎮(zhèn)建設(shè)用地多，人口密度大，人為干擾比較嚴(yán)重，河道兩岸多為建筑物，無森林覆蓋，河流底質(zhì)多為淤泥，生物多樣性驟減。

本研究中，影響硅藻群落結(jié)構(gòu)的水環(huán)境因子主要為電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物，殷旭旺等［4］也曾對太子河進(jìn)行河流健康評價，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率是河流驅(qū)動因子，這與本研究結(jié)果相一致。在國內(nèi)外不同河流的驅(qū)動因子也并不相同［36-37］，這可能與土地利用狀況、人為干擾程度、采集樣品的時間與季節(jié)不同等有關(guān)，這些因素都會引起河流水生態(tài)環(huán)境的變化，從而改變硅藻群落的組成及其結(jié)構(gòu)。本研究中，電導(dǎo)率與6項硅藻指數(shù)具有極高的負(fù)相關(guān)性 （表3），說明電導(dǎo)率越高，硅藻指數(shù)的數(shù)值就越小，太子河的水生態(tài)健康狀況就越差。太子河上游地區(qū)人為干擾較少，森林覆蓋面積大，自然生境完整，其離子濃度和電導(dǎo)率相對較低；太子河干流地區(qū)人類活動頻繁，耕地面積大，一些區(qū)域盡管并未受到嚴(yán)重的化學(xué)污染，但由于人類過度的采礦、開挖河道，水中離子濃度逐漸偏高，導(dǎo)致硅藻指數(shù)和D-IBI的評分相對較低；而太子河下游地區(qū)受到人類活動的影響較大，水環(huán)境受到了嚴(yán)重的破壞，化學(xué)污染較為嚴(yán)重，水中離子濃度高，河道內(nèi)泥沙淤積，水生態(tài)健康狀況較差，硅藻指數(shù)和D-IBI的評分達(dá)到了最低值。

3.2太子河水生態(tài)健康狀況的評價

本研究中，運用6項硅藻指數(shù)對太子河的水生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評價，并在此基礎(chǔ)上與D-IBI指數(shù)進(jìn)行對比分析。李國忱等［6］研究表明，D-IBI評價體系可以對河流的生態(tài)質(zhì)量做出很好的評價，是一種高效的水生態(tài)健康評價方法。本研究中選用的6項硅藻指數(shù)是參照了國內(nèi)外普遍適用的硅藻指數(shù)，TDI指數(shù)是常用的水體富營養(yǎng)化指數(shù)［38-39］；IBD和IPS硅藻指數(shù)是基于充分考慮種群個體數(shù)量的具體差異而建立起來的，IPS指數(shù)應(yīng)用范圍廣泛，包含的硅藻種類數(shù)據(jù)量較大，IBD指數(shù)可以很好地引入水質(zhì)的等級［40］；CEE指數(shù)在歐洲地區(qū)被廣泛運用，具有很高的代表性；IDG指數(shù)在硅藻屬的水平上具有一定的代表性［41］；DESCY指數(shù)在河流生態(tài)中也具有很高的代表性。本研究中，D-IBI評價結(jié)果與硅藻指數(shù)評價結(jié)果相一致 （表6，圖3），且具有較高的相關(guān)性，表明河流硅藻指數(shù)適用于河流水生態(tài)健康評價。

D-IBI指標(biāo)和硅藻指數(shù)相比，D-IBI是評價主要硅藻群落完整性的，是比較全面而系統(tǒng)的，但是復(fù)雜的計算方法、生物參數(shù)的篩選和參照點位的選擇 （選擇森林覆蓋率高、人類活動少、耕地面積小、水生態(tài)健康的點位等），限制了D-IBI評價體系的發(fā)展。硅藻指數(shù)可以對整個流域進(jìn)行水生態(tài)的健康評價，而且對水體富營養(yǎng)化、硅藻豐富度、水質(zhì)等級劃分等都可以進(jìn)行判定，但硅藻指數(shù)也存在一些問題，例如，TDI指數(shù)很難區(qū)分有機污染以及水體富營養(yǎng)化對硅藻群落結(jié)構(gòu)的影響［38-39］，IPS指數(shù)數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)用比較繁瑣，CEE指數(shù)適用于歐洲河流，但對于其他地區(qū)的河流是否適用，還有待于進(jìn)一步研究。

Lenoir等［23］已將IBD指數(shù)制定出完整的評價標(biāo)準(zhǔn)。本研究中，IBD指數(shù)在太子河流域4種土地利用類型下呈現(xiàn)出明顯的趨勢，IBD指數(shù)在其他河流健康評價中也比較常見；TDI指數(shù)常用于富營養(yǎng)化的水體中，太子河流域耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地下可以使用TDI指數(shù)進(jìn)行水生態(tài)健康評價；CEE指數(shù)在4種土地利用類型下也呈現(xiàn)出明顯的趨勢，證明CEE指數(shù)不僅僅適用于歐洲河流，也適用于太子河流域；IDG指數(shù)和IPS指數(shù)在太子河流域4種土地利用類型下也呈現(xiàn)出明顯的趨勢，但I(xiàn)DG指數(shù)的局限性在于僅僅對硅藻屬水平上有一定的代表性，但是在硅藻種水平上還有待于進(jìn)一步研究；DESCY指數(shù)在本研究中并沒有呈現(xiàn)出明顯的趨勢，說明在太子河流域4種土地利用類型下DESCY指數(shù)并不能很好地指示太子河水生態(tài)健康狀況 （圖2）。因此，在評價太子河流域土地利用類型對水生態(tài)健康的影響時，IBD、IPS、TDI、CEE和IDG指數(shù)均可對不同土地利用類型下的太子河流域進(jìn)行水生態(tài)健康評價，但CEE指數(shù)與IDG指數(shù)雖然可以很好地評價太子河流域，但自身具有的局限性是否可以對其他河流進(jìn)行水生態(tài)健康評價，還有待于進(jìn)一步研究。

Feio等［41］研究發(fā)現(xiàn)，硅藻指數(shù)不僅可以對河流生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評價，還可以反映出土地利用狀況，這與本研究結(jié)果相符合。太子河上游地區(qū)，包括太子河南支、太子河北支和小湯河西支等河流人為干擾少，兩岸森林覆蓋率高，基本沒有開挖河道和化學(xué)污染，幾乎沒有對硅藻群落結(jié)構(gòu)的影響，但DESCY指數(shù)在森林用地的評價結(jié)果并不是很高，可能會出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象，這可能與河流的類型、生態(tài)的分區(qū)、硅藻豐富度等有關(guān)，但并不能說明DESCY指數(shù)不適用太子河森林用地水生態(tài)質(zhì)量的評價。太子河中、下游地區(qū)，包括南沙河、楊柳河和海城河人為干擾較大，城鎮(zhèn)化比較嚴(yán)重，這使得河流中的硅藻群落結(jié)構(gòu)受到一定的破壞，這對河流生態(tài)質(zhì)量等級影響的證明在國內(nèi)外都有報道［31，42］。季節(jié)的變化也會影響硅藻指數(shù)的穩(wěn)定性，季節(jié)的變更會使水體的物理因子發(fā)生改變，如水溫、水深、流速等發(fā)生變化都會影響硅藻的群落結(jié)構(gòu)，尤其太子河屬于溫帶地區(qū)，氣候的變化非常明顯，對用硅藻指數(shù)檢測的水生態(tài)健康評價結(jié)果具有一定的影響，也會造成一定的誤差，如何消除氣候帶來的不穩(wěn)定性，還有待于進(jìn)一步地研究。

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項珍龍1，陳海1，李晨1，殷旭旺1，徐宗學(xué)2，張遠(yuǎn)3
（1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點實驗室，遼寧 大連116023；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京100875；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京100012）

Application of diatom index in assessment of aquatic ecosystem health in Taizi River，China

XIANG Zhen-long1，CHEN Hai1，LI Chen1，YIN Xu-wang1，XU Zong-xue2，ZHANG Yuan3
（1.Key Laboratory of Hydrobiology in Liaoning Province，College of Fisheries and Life Science，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China；2. College of Water Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment （SKLECRA），CRAES，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China）

Diatom index as a rapid assessment indicator of ecological health condition in a river plays an important role in the research and protection of the water ecological health in a river.The water ecology environment was investigated in 38 sampling sites in Taizi River with six land use types including forest land，farmland，combination of forest land and farmland and urban land by six diatom indices including Biological Diatom Index（IBD），Generic Diatom Index（IDG），Specific Polluosensitivity Index（IPS），European Economic Community Index（CEE），Trophic Diatom Index（TDI），and Descy Index（DESCY）on May in 2012.The multi response permutation process （MRPP）analysis revealed that there was significant spatial heterogeneity in four land utilization types in Taizi River basin，with Shannon diversity index of 2.96，evenness index of 0.72，species density of 7.83×106cells/cm2and the mean species richness of 18.The correlation analysis showed that there was significant relationship between diatom indices，and between the diatom index and water environmental factors（P＜0.05）.The K-S test showed that all six diatom indices were confirmed to normal distribution.The linear regression equation analysis indicated that the relationship between diatom integrity index（D-IBI）and IBD，IPS，IDG，CEE，TDI，and DESCY was expressed as a significant linear regression relationship（P＜0.05），indicating that all six diatom indices had good applicability in assessment of aquatic ecosystem health in Taizi River，the worst in downstream，better in the midstream，and the best in the upstream.

diatom index；diatom integrity index（D-IBI）；land use type；water environmental factor

Q948.8

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.04.012

2095-1388（2016）04-0416-10

2016-04-18

國家自然科學(xué)基金資助項目 （51279005）；國家 “水體污染控制與治理”重大科技專項 （2012ZX07501-001）；遼寧省優(yōu)秀人才支持計劃項目 （LR2015009）；山東省水利廳、山東省財政廳 “水生態(tài)文明試點科技支撐計劃”（SSTWMZCJH-SD02）

項珍龍 （1991—），男，碩士研究生。E-mail：xiangzhenlong@163.com

殷旭旺 （1980—），男，博士，副教授。E-mail：yinxuwang@dlou.edu.cn