全 文 ：硅藻在河流健康评价中的应用研究进展*
李国忱1,2 摇 刘录三1**摇 汪摇 星1 摇 李摇 黎1
( 1 中国环境科学研究院, 北京 100012; 2辽宁大学环境学院, 沈阳 110036)
摘摇 要摇 硅藻作为一种光合自养真核藻类,是水生态系统中重要的初级生产者,反映了水环
境的平均状况.作为环境的指示生物,普通菱形藻、小舟形藻、极小异极藻均能指示水体富营
养化状况, 窄异极藻、结膜窗纹藻、念珠等片藻能反映出水体的贫营养状况;广缘小环藻、细
纹长蓖藻、短缝藻能反映水体的酸度;肿节曲壳藻能指示水体中的 Cu 含量,肘状针杆藻能反
映水体中的 Zn浓度;其他硅藻种类亦能反映水体的受污染程度.本文综述了国内外对硅藻及
硅藻指数的应用研究进展,指出了硅藻及硅藻指数在河流健康评价中所存在的问题,并提出
了今后的研究方向:进一步完善硅藻的分类与鉴定;广泛开展不同地区及不同条件下硅藻水
质监测与评价研究;注重筛选硅藻生物完整性指数并建立适宜的水质评价基准.
关键词摇 硅藻摇 硅藻指数摇 河流健康摇 生物评价
文章编号摇 1001-9332(2012)09-2617-08摇 中图分类号摇 X826摇 文献标识码摇 A
Applications of diatom in river health assessment: A review. LI Guo鄄chen1,2, LIU Lu鄄san1,
WANG Xing1, LI Li1 ( 1Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, Chi鄄
na; 2College of Environmental Sciences, Liaoning University, Shenyang 110036, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2012,23(9): 2617-2624.
Abstract: Diatom, as a kind of autotrophic photosynthetic eukaryotic algae, is an important primary
producer in aquatic ecosystem, and can reflect the average status of water environment. As the bio鄄
indicators of the environment, Nitzschia communis, Navicula minuscula, and Gomphonema parvulum
can indicate the eutrophication of waters, whereas Gomphonema angustum, Epithemia adnata, and
Diatoma moniliformis can indicate the oligotrophication of waters. Cyclotella bodanica, Neidium af鄄
fine, and Eunotia exigua are all the eosinophilic species that can indicate waters acidity, Aminutis鄄
simum nodusa can indicate water爷 s Cu concentration, and Synedra ulna can indicate the Zn con鄄
centration in waters. Some other diatoms can also indicate water爷 s contamination. This paper re鄄
viewed the research progress on the applications of diatom and diatom indices in river health assess鄄
ment, pointed out the related existing problems, and put forward some future research directions,
e. g. , further perfect the classification and identification of diatoms, broadly carry out the resear鄄
ches of diatom indices upon different areas and conditions, pay more attention to the screening of
diatom bio鄄integrality indices, and establish a benchmark which suits for the assessment of water
quality.
Key words: diatoms; diatom indices; river health; bio鄄assessment.
*国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07528鄄002)资
助.
**通讯作者. E鄄mail: liuls@ craes. org. cn
2011鄄11鄄19 收稿,2012鄄06鄄30 接受.
摇 摇 河流系统在维系地球水循环、能量平衡、气候变
化和生态发展中具有极其重要的作用,同时也为人
类提供了生产、生活和生态用水. 20 世纪后期以来,
人口的快速增长以及人类活动的日益加剧,导致局
部的、地区性的乃至全球范围内的水生态与环境问
题,如河道断流、生物多样性丧失以及水质污染等,
严重破坏了河流的结构功能[1] . 自从河流被列入全
球范围内最危险的生态系统以来[2],人们急切地需
要通过综合方法来评估这些生态系统的真实状况以
及监测其变更速率[3] . 物理的、化学的和生物学的
方法常被认为是基础性监测手段,因为这些方法为
正确的水管理提供了详尽的信息[4] . 但在流动的水
体中,水文变化迅速,从而很难进行评估,理化指标
不能综合反映众多的环境因子,存在瞬时性、片面性
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 9 月摇 第 23 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2012,23(9): 2617-2624
和单一性等缺点.生物监测为那些传统的理化监测
技术提供了必要的补充[5] .
硅藻,作为生态系统中的水生生物,能反映水环
境在某段时期内的平均状况,是有效的环境指示生
物[6] .本文综述了硅藻在河流水质监测中的指示作
用,着重阐述了国内外使用硅藻进行水质生物评价
方面的应用现状,并在分析国内现有硅藻生物评价
研究所存在问题的基础上,提出了硅藻在我国河流
健康评价中的发展方向.
1摇 硅藻在水质监测中的指示作用
藻类处于河流生态系统食物链的始端.作为初
级生产者,其生活周期短,对污染物反应灵敏,不同
水体具有特定的种类组成,其群落的性质和数量会
随着水化学成分而改变,因此,常被用作水质监测和
评价的重要参数.硅藻是光合自养真核藻类,为天然
水体的重要成分,可以存活在绝大多数水环境生态
条件下,具有种类多、分布广等的特点,且对水环境
条件如水体温度、pH值、电导率、营养盐浓度等的变
化极其敏感[7] . 目前,硅藻已被广泛应用于水体营
养状况、水体酸化以及污染物等水质监测问题的研
究.表 1 中列举了部分用于指示水质状况的硅藻.
1郾 1摇 营养状况
水体中氮、磷浓度及氮磷比对硅藻种类及丰度
有显著影响.过多的氮或过多的磷都不利于藻类生
长.对佛罗里达沼泽富营养化的研究表明,着生硅藻
的生物量和多样性变化可以反映水体中氮、磷浓度
的变化[20] . Kingsley等[21]研究河流底栖硅藻的生物
量和物种组成与环境因子相关性的结果显示,硅藻
群落的结构变化及溶解性磷含量与水体流速密切相
关. Ponader等[22]对新泽西河流的研究发现,硅藻能
作为一项常规的监测项目来对河流中的氮、磷浓度进
行监测和评估. Bellinger 等[7]研究发现,极小异极藻
(Gomphonema parvulum)和小舟形藻(Navicula minus鄄
cula)能作为热带河流的富营养化指示种.由此看来,
硅藻能够较好地指示水体的营养状况.
1郾 2摇 水体酸化
酸雨、酸性废水是河流水体酸化的主要来源.硅
藻对水体 pH值的反应敏感,pH 值的改变会对硅藻
组成产生很大影响. Carpenter和 Waite[23]指出,在水
流平缓的河流中,水体 pH 是影响硅藻生存的重要
因素. Hustedt[24]据此将硅藻分为碱性、嗜碱性、中间
型、嗜酸性和酸性生物型. Harrison 等[25]研究证实,
短缝藻属是嗜酸性硅藻,多分布于美国东南部 pH
值较低的河流中. Psener 和 Schmidt[11]研究表明,分
布于酸雨地区的硅藻群落可指示水体 pH 值的变
化,广缘小环藻(Cyclotella bodanica)生态习性喜酸,
其生长最佳 pH 值为 5,是酸化水体常见的硅藻类
型 . Birks等[26]研究证明 ,水体 pH能通过底栖硅
表 1摇 部分用于指示水质状况的硅藻
Table 1摇 Diatoms used to indicate the status of water quali鄄
ty
指示指标
Indication
index
指示种类
Species
作用
Function
文献
Reference
营养状况
Trophic status
窄异极藻
Gomphonema angustum
指示水体贫营
养状态
[8]
圆瘤棒杆藻
Rhopalodia gibba
指示水体贫营
养状态
结膜窗纹藻
Epithemia adnata
指示水体贫营
养状态
念珠等片藻
Diatoma moniliformis
指示水体贫营
养状态
淡栗色桥弯藻
Cymbella helvetica
指示水体贫营
养状态
蔚蓝色双眉藻
Aulacoseira alpigea
指示水体富营
养状态
普通菱形藻
Nitzschia communis
指示水体富营
养状态
梅尼小环藻
Cyclotella meneghiniana
指示水体富营
养状态
[9]
极小异极藻
Gomphonema parvulum
指示水体富营
养状态
[10]
小舟形藻
Navicula sub. minuscula
指示水体富营
养状态
水体酸化
Acidified water
广缘小环藻
Cyclotella bodanica Eul
酸化水体常见
种
[11]
细纹长蓖藻
Neidium affine
嗜酸性物种 [12]
短缝藻
Eunotia exigua
嗜酸性物种 [13]
近小头羽纹藻
Pinnularia subcapitata
对酸性废水耐
污性强
[14]
梅尼小环藻
Cyclotella meneghiniana
对水体 pH 敏
感
[15]
污染物
Pollutant
钝脆杆藻
Fragilaria capucina
Cu的指示种 [16]
肿节曲壳藻
Aminutissimum nodusa
Cu的指示种
肘状针杆藻
Synedra ulna
Zn的指示种
草鞋形波缘藻
Cymatopleura solea
酚污染指示种 [17]
普通等片藻
Diatoma vulgare
废水指示种 [18]
箱形桥弯藻
Cembellaam phicephla
茁鄄中污带指示
种
尖针杆藻
Synedraacus acus
清洁带指示种
冬季等片藻
Diatoma hiemale
琢鄄中污带指示
种
亚平滑曲壳藻
Achnanthes sublaevis
中污带指示种 [19]
极小异极藻
Gomphonema parvulum
多污带指示种
谷皮菱形藻
Nitzschia palea
多污带指示种
8162 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
藻进行定量重组. 贾兴焕等[14]认为,近小头羽纹藻
(Pinnularia subcapitata)对酸性矿山废水的污染具
有较强的耐受性,可用来作为指示种,其自养指数与
pH存在显著差异.可见,硅藻对河流水体的酸化有
很好的指示作用.
1郾 3摇 污染物
重金属污染会对硅藻的生长产生影响.对许多
受金属污染河流的研究表明,硅藻对环境退化的响
应不仅只表现在群落水平上,使硅藻在优势种和物
种多样性上发生变化,也表现在其个体水平上[16],
如硅藻的细胞膜在形态上的变化、硅藻个体的缩
减[27-28]和细胞膜的变形[29-30]均与水体中高浓度的
重金属相关. Jonge 等[31]对重金属污染引起的生物
群落变化进行多元化分析,比较了硅藻和无脊椎动
物对重金属污染的反应,结果表明,硅藻群落能够很
好地反映水体受重金属污染状况. Cunningham等[32]
对重金属污染与底栖硅藻群落关系的研究表明,底
栖硅藻群落组成能够较好地指示受重金属污染的河
流. Gold等[29]在人工基质上转移着生硅藻群落,进
而评价了重金属污染对河流产生的短期影响. Lamai
等[33]研究表明,藻类对镉和铅的生物积累具有一定
的剂量和时间效应, 利用藻类不仅可以综合反映重
金属污染状况,还可以实现对重金属污染的在线监
测.
导致硅藻个体细胞膜变形的因素不仅仅只有重
金属污染,其他一些理化因子也能使硅藻形态发生
改变,如光照强度、紫外线 UV 以及氰化物、多环芳
烃和杀虫剂等有毒化合物[16] . 长久以来,人们认为
污染物能改变自然藻类(特别是硅藻)的结构和功
能.有研究证明,水体中有机污染物浓度的增加,能
够导致硅藻物种数减少、细胞密度增加、多样性和均
匀度指数值降低[34] . Denys[35]在研究硅藻的垂直分
布与水质变化的关系时发现,有机质含量与硅藻丰
度有关.
2摇 硅藻在国内外河流健康评价中的应用
随着对硅藻研究工作的深入,研究者利用统计
学方法将硅藻与环境因子结合起来,建立了一系列
辨别硅藻群落的函数和数学模型,使硅藻在监测水
体水质变化方面的准确性大大提高.近年来,研究者
们在全球范围内利用硅藻指数建立综合评价体系,
并广泛应用于河流健康评价. 表 2 中列举了部分用
于河流健康评价的硅藻指数.
表 2摇 部分用于河流健康评价的硅藻指数
Table 2摇 Diatom indices used in the healthy assessment of
rivers
硅藻指数
Diatom index
描述
Discription
文献
Reference
Descy 指数
Descy index (DI)
由 Descy在 1979 年开发的第
一个硅藻生物指数
[36]
特殊污染敏感指数
Specific pollution sersitivity in鄄
dex (SPI)
通过对硅藻特殊污染敏感种
的耐污值计算,评价水体质量
[37]
水生环境腐殖度指数
Saprobity index (SI)
通过计算各硅藻种类的腐殖
度值来评价水体质量
[38]
生物硅藻指数
Biological diatom index (BDI)
通过计算各硅藻种类在 7 级
水质梯度中出现的概率推导
指数值来评价水体质量
[39]
硅藻模型相似性指数
Diatom model affinity (DMA)
通过模拟自然状态下的硅藻
群落组成,计算现实水体的硅
藻群落组成与模拟群落之间
的相似程度,来评价水体质量
[40]
硅藻属指数
Generic index of diatom assem鄄
blage (GDI)
指数值越高说明水体受污染
程度越轻,反之水体污染越严
重
[41]
硅藻组合有机污染指数
Diatom assemblage index for or鄄
ganic pollution (DAIpo)
通过对硅藻适腐种和广腐种
的相对丰度来评价水体受污
染程度
[42]
富营养化硅藻指数
Trophic diatom index (TDI)
通过统计硅藻种对富营养化
的敏感程度来评价水体富营
养状态
[43]
个体生态学指数
Simple autecological
index (SAI)
按照环境(胁迫因子)梯度描
述不同硅藻的生态偏好特点,
指示环境条件(EC)及其对着
生藻类类群的影响
[44]
活体硅藻百分比
Percent live diatoms (PID)
作为指示硅藻类群健康的度
量,可以指示底质的沉降程度
以及底质上藻类生物量高低
[45]
Leclercq & Maquet指数
Index of Leclercq & Maquat
(ILM)
污水生物指数,用于指示有机
污染,评价水体质量
[46]
极小曲壳藻百分比
Percent Achnanthes minutissima.
与距离最后一次洪水冲刷或
毒性污染物的时间呈正比
[47]
异常硅藻百分比
Percent aberrant
diatoms (PAD)
是样品中沟纹样式或细胞膜
形状异常(如长细胞弯曲或
细胞凹陷)的硅藻百分比,这
个度量与溪流的重金属污染
呈正比
[48]
澳大利亚河流硅藻物种指数
Diatom species index for Aus鄄
tralian rivers (DSIAR)
一种适用于澳大利亚河流的
硅藻种类指数,能够揭示人类
活动,特别是农业和城市用地
对澳大利亚河流产生的影响
[49]
南美大草原硅藻指数
Pampean diatom index (IDP)
整合了有机污染与超营养化,
用于监测南美平原河流与溪
流的水质及生物学质量
[50]
硅藻的群落相似性百分比
Percent community similarity of
diatoms (PSc)
体现了基于相对丰度的群落
相似性,用于比较参照位点和
受试位点,或者比较参照位点
群和受试位点群的平均群落
[51]
硅藻的污染耐受指数
Pollution tolerance index for dia鄄
toms (PTI)
通过不同硅藻种类对污染的
耐受值来计算,体现水体受污
染程度
[52]
敏感性硅藻百分比
Percent sensitive diatoms (PSD)
是所有敏感性种类相对丰度
的总和,较小等级的溪流本身
初级生产力较低,这项度量对
其尤为重要
[47]
运动性硅藻百分比
Percent motile diatoms (PMD)
是一项淤积指数,以舟形藻属
( Navicula ) + 菱 形 藻 属
(Nitzschia)+双菱藻属(Surirel鄄
la)的相对丰度来表示
[53]
91629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李国忱等: 硅藻在河流健康评价中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
2郾 1摇 硅藻在国外河流健康评价中的应用
2郾 1郾 1 美国摇 在美国,使用硅藻进行河流健康评价
已经有很长一段历史[54] .作为生物评价的重要组成
部分,美国已将硅藻采样纳入到生物监测的例行评
估工作中.早期,费城自然科学院的学者们调查了美
国东部的流域,利用硅藻作为水质评价的监测项目
之一,结果显示,硅藻对河流健康评价具有良好的适
用性[55] .但是在北美,使用多元分析方法进行监测
却要追溯到 20 世纪后期[56] . Stevenson[57]应用动态
理论,研究了桑杜斯基河在污染影响下硅藻群落相
对丰度、物种多样性的变化,通过长期的调查分析表
明,硅藻群落在河流非特定功能区域是较理想的溪
流生态质量评价指标. Hill[58]在收集美国东部 272
条溪流基本生态环境参数基础上,对硅藻物种丰富
度、优势种、叶绿素含量、生物量和碱性磷酸酶等进
行系统分析,用于计算着生硅藻的生物完整性指数
(P鄄IBI),并对该指数进行了适用性对比分析. 肯塔
基州环境保护部[59]开发了一项硅藻生物评价指数
(DBI)来评价肯塔基州的地表水生物完整性. 该评
价指数由 6 个度量组成:硅藻丰度、Shannon 多样性
指数、硅藻污染耐受值(PTI)、Siltation 沉积指数、脆
杆藻丰富度和桥弯藻丰富度. 美国硅藻学家 Sophi鄄
a[60]经过大量调查研究,发现了一种新的评价河流
健康的生物指数 DMA(diatom model affinity) . 作为
一项参考指标,它通过计算硅藻群落相似性百分比
来评价水质. Potapova和 Charles[61]通过美国地质勘
测的水质评价项目数据来开发硅藻指数,以此监测
美国河流的富营养化状况,结果显示,所开发的这些
硅藻指数在美国的评价结果优于在欧洲的评价结
果.在爱达荷州,相关学者通过对着生藻类的数据收
集,发现硅藻在该地区的藻类群落中占据重要地位,
由此逐步建立并完善了包括硅藻生态指标在内的多
度量指数,并用于爱达荷州的河流健康评估,从而使
硅藻同鱼类和大型底栖无脊椎动物一样,成为评估
河流健康状况的重要依据[62] .
2郾 1郾 2 欧洲摇 着生硅藻也被广泛用于评价欧洲溪流
的健康状况,研究者使用不同的方法进行采样调查
和数据分析[47] . 2000 年,欧盟水框架指导委员会将
硅藻推荐为水环境整治决策中确定营养水平的生物
指标[39] .随后,硅藻成为一些国家例行生物监测的
常规项目,并被用来支持环境方面的立法与规范制
定.随着对硅藻环境指示作用的不断研究,有学者开
发使用 Zelinka 和 Marvan 公式,充分考虑到抽样误
差和群落各分类单元的变化,用于监测水体的富营
养化状况.在此基础上,人们提出了一种标准化的方
法,即生物硅藻指数(BDI),并开发了河流硅藻监测
的指导手册与相应标准,描述了现场采样、实验室分
析、分类鉴定和计算方法等,利用物种群落组成、相
对丰度和物理化学参数等来计算 BDI 分数值.利用
BDI指数可以评价一个水域的生态质量状况并监测
其时空变化.该指数目前已被纳入欧盟的水框架指
令,经过研究人员的不断实践,改进的 BDI鄄2006 比
最初版本更适合水框架指令的要求,适用性也更广
泛[39] .法国以硅藻生物指数为标准方法评价河流水
体健康状况[39] . Prygiel 和 Coste[63]利用特殊污染敏
感指数(SPI)、硅藻属指数(GDI)等 6 种硅藻指数对
阿尔图瓦鄄皮卡底流域的水质进行健康评估,发现所
使用的硅藻指数能很好地对该水域水质退化的有机
污染程度进行评估. Hering[64]建立了着生藻类评估
标准,并利用硅藻更客观地对丹麦水域生态环境质
量进行评估. Rott 等[65]指出,在利用硅藻指数进行
水质评价时,应考虑评价指数的适用性,根据水体污
染状况来选择评价指数. Fr佴d佴ric 等[66]研究了 9 种
硅藻指数对水体污染状态变化的敏感度,发现欧洲
指数(European index)、硅藻富营养化污染指数(eu鄄
trophication pollution index using diatoms)、腐殖度指
数(Rott saprobic index)、特殊污染敏感指数( speci鄄
fic pollution sensitivity index)、硅藻营养指数( trophic
diatom index)是监测水质变迁的敏感性指数,硅藻
生物指数(biological diatom index)、硅藻属指数(ge鄄
neric diatom index)、Leclercq & Maquet指数(index of
Leclercq & Maquet)、Sl觓de仵ek 指数(Sl觓de仵ek index)
是中度敏感性指数,并指出这 9 种硅藻指数并不是
对任何污染类型的水体都广泛适用,它们都拥有各
自的污染指示适用范围,在这些适用范围内才能使
这些硅藻指数发挥最好的评价效果,应根据这些指
数的敏感性选择应用,进行水质评价.
2郾 1郾 3 澳大利亚及其他摇 硅藻在澳大利亚的研究起
步较晚. 20 世纪末,澳大利亚进行了有史以来最大
范围的硅藻调查,包括溪流众多、相对原始的西南澳
大利亚地区以及水生态系统破坏相对严重的珀斯城
市区,通过系统地取样与分析表明,硅藻的群落分布
与 pH值、电导率、河岸宽度、水深、流速和河岸退化
等环境因素显著相关,在河流健康评价中体现了很
好的适用性.硅藻指数作为河流监测的重要方法,有
助于说明河流健康状况,是当前生物监测澳大利亚
河流评估系统(AusRIVAS)很好的补充.有研究者开
发了类似河流无脊椎动物预测和分类系统(RIV鄄
0262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
PACS)的硅藻群落预测模型,用于河流生态健康监
测与评价,并编制了澳大利亚利用硅藻评估河流健
康的全国性方案[67] . Chessman[49]使用澳大利亚河
流硅藻物种指数(DSIAR)对河流进行生物评价的结
果显示,DSIAR 能揭示人类活动,特别是农业和城
市用地对澳大利亚河流产生的影响.
其他国家对硅藻在河流健康评价方面的应用也
越来越广泛.如 Bate 等[68]对南非河流的研究发现,
硅藻是河流中总溶解固体的良好指示生物;Rott
等[54]对加拿大的大河研究发现,使用硅藻能较好地
监测水体中的有机污染和富营养化;G仵mez 和 Li鄄
cursi[50]对阿根廷南美大草原河流的研究发现,底栖
硅藻适合河流中有机污染物的监测,并开发出南美
大草原硅藻指数(Pampean diatom index)对阿根廷
境内的河流进行生物评价.
综上所述,硅藻及硅藻指数在国外河流健康评
价中的作用日趋显著.随着科学技术的发展,使用硅
藻进行河流水质监测与评价将会成为全球范围内的
一种规范性生物评价手段.
2郾 2摇 硅藻在我国河流健康评价中的应用
20 世纪 70 年代后,我国开始对各种水体环境
质量进行广泛的藻类生物学调查与评价. 从我国目
前对硅藻的使用现状来看,研究者大多利用硅藻群
落性特征变量如多样性、丰度、种群优势度等进行河
流健康评价.如董旭辉等[9]研究表明,沟链藻(Aula鄄
coseira alpigea)、梅尼小环藻 (Cyclotella meneghini鄄
ana)、可疑环冠藻(Cyclostephanos dubius)和小冠盘
藻(Stephanodiscus parvus)常出现在长江中下游的富
营养化湖泊中,是良好的指数物种,且颗粒直链藻
(Aulacoseira granulata)在整个水体营养梯度上分布
广泛.尤庆敏等[69]在新疆喀纳斯地区的研究发现,
小菱形藻(Nitzschia parvula)是一种典型的贫营养种
类,弧形蛾眉藻(Ceratoneis arcus)能充分反映当地水
体为高山积雪、冰川融水的地理环境特点. 王敏
等[70]通过分析嘉陵江出口段的硅藻优势种和种群
优势度,总结出该河段水华的发生规律. 此外,在与
环境参数的耦合方面,凌旌瑾等[71]对黄浦江和苏州
河的研究表明,硅藻优势种及其相应群落参数的季
节变化明显,化学需氧量(CODCr)、溶解氧(DO)和
总磷(TP)等因子对着生藻类密度的影响较显著,藻
类密度可作为指示河流水质状况的重要群落指标.
栾卓等[72]通过研究环境因子与硅藻种类多样性和
丰度之间的关系认为,可利用特定硅藻种类的出现
频率来预测水体的环境变化.顾咏洁和吕亚红[17]对
苏州河沉积物中硅藻的垂直分布研究表明,硅藻的
优势种类以梅尼小环藻为主,数量居其次的有舟形
藻属、异极藻属以及在大多数样品中出现的草鞋形
波缘藻(Cymatopleura solea),它们都是苏州河代表
性污染物五日生化需氧量 ( BOD5 )、 CODCr、氨氮
(NH4 鄄NH)、石油类和酚等的有效指示生物. 郭云
等[73]对乌江中上游底栖硅藻和水环境因子间关系
进行了系统定量研究,并进行主成分分析和相关分
析,结果表明,总磷是影响该区域底栖硅藻种属分布
的第一显著因子.
在硅藻指数的利用方面,国内研究者大多直接
引用国外已建立的生物指数及评价方法. 辛晓云
等[74]采用硅藻群集指数(DAIpo)和硅藻生物指数
(BDI)评价了内蒙古岱海水体的环境状况,认为该
水域已受到轻微污染,同时,通过计算硅藻的多样性
指数和均匀度指数分析了南湾水库的污染状况. 赵
湘桂和蔡德所[75]采用硅藻生物指数(BDI)和污染
敏感指数(SPI),通过与理化方法的评价结果进行
比较,分析了硅藻在漓江水质评价中的适用性.齐雨
藻等[76]使用硅藻群集指数(DAIpo)对珠江广州河
段进行了水质评价,并划分出寡污带和中污带.
硅藻及硅藻指数正逐步进入我国河流的水质生
物评价当中,但国内关于硅藻指数的适用性、评价方
法的指示性与稳定性方面的报道较少. 正如邓迪勇
等[77]所述,以国外特征硅藻建立起来的硅藻指数是
否适合于我国特殊地理条件下生长的硅藻群落仍存
在争论.将国外成熟的评价体系运用到国内河流健
康评价时,研究者需要对所选用的硅藻种类及硅藻
指数进行逐层筛选,最后得出适宜该区域水体健康
评价的硅藻类群和生物指数.近年来,国内研究者正
广泛利用不同的硅藻类群和指数评价不同区域水体
的健康状况,但尚未建立适合我国内陆河流健康的
统一监测和评价标准. 丁蕾和支崇远[78]研究认为,
不同的硅藻类群对水质的适应能力各不相同,当水
体属性改变时,生活在这些水体中的硅藻群落会产
生相应的变化;刘俊琢和张成君[79]指出,目前硅藻
的鉴定体系不够完善并且不同区域的季节性变化也
威胁着硅藻指数方法的稳定性. 要在国内建立统一
的河流健康评价标准,有待进行更深入的研究.
3摇 研究展望
从硅藻在全球范围内的广泛应用可以看出,硅
藻在河流健康评价中占有显著地位. 国外关于硅藻
在河流健康评价中的应用研究很多且日趋成熟,而
12629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李国忱等: 硅藻在河流健康评价中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
我国的相关研究尚处于初级阶段,应用范围相对较
窄,在硅藻指数的应用方面尚处于初级的引用水平.
我国未来使用硅藻进行河流健康评价方面的研究应
重点开展以下几个方面的工作:1)进一步完善硅藻
的分类与鉴定.世界范围内硅藻的种类繁多,且消失
种类与新生种类所占的比例也不小,为了使用硅藻
进行长期的水质监测与评价,在完善硅藻种库的同
时,还需要对硅藻的生长与繁殖趋势进行更深入的
研究,将这种发展趋势与水质现状有效地结合起来,
为我国的河流健康评价工作打下坚实的理论基础.
2)在全国范围内推广并实行硅藻在水质监测与评
价方面的应用.各地区的环境管理与监测部门应对
藻类生物评价引起足够重视,特别是使用硅藻进行
水质监测和评价.各地区应根据当地的气候及环境
特征选用合适的硅藻进行水质评价,并对当地的硅
藻发展趋势与理化指标的演变趋势进行辨别函数分
析与模型预测,实现硅藻对水质的连续性在线监测.
3)注重筛选硅藻生物完整性指数并建立适宜的水
质评价基准.研究者需考虑所用指数在研究区域的
适用性,并对候选指数进行参照与受损位点间的辨
别力分析以及指数间的相关性分析,筛选出适合研
究区域的硅藻指数并构成硅藻完整性指数,然后通
过四分位法或其他赋分法将所筛选出的硅藻指数进
行量纲的统一,通过硅藻完整性指数的综合得分对
研究区域的水体进行水质状况分级,以此作为研究
区域的水质评价基准.
参考文献
[1]摇 Poff NLR, Allan JD, Bain MB, et al. The natural flow
regime: A paradigm for river conservation and restora鄄
tion. BioScience, 1997, 47: 769-784
[2]摇 Saunders DL, Meeuwig JJ, Vincent ACJ. Freshwater
protected areas: Strategies for conservation. Conserva鄄
tion Biology, 2002, 16: 30-41
[3]摇 Rosenberg DM, Resh VH. Freshwater Biomonitoring
and Benthic Macroinvertebrates. New York: Chapman
and Hall, 1993
[4]摇 Metcalfe JL. Biological water quality assessment of run鄄
ning waters based on macroinvertebrate communities:
History and present status in Europe. Environmental
Pollution, 1989, 60: 101-139
[5]摇 Soininen J, K觟n觟nen K. Comparative study of monito鄄
ring South鄄Finnish rivers and streams using macroinver鄄
tebrates and benthic diatom community structure. Aquat鄄
ic Ecology, 2004, 38: 63-75
[6]摇 Worf DL. Biological Monitoring for Environmental
Effects. Toronto: Lexington Books, 1980
[7]摇 Bellinger BJ, Cocquyt C, O爷 Reilly CM. Benthic dia鄄
toms as indicators of eutrophication in tropical streams.
Hydrobiologia, 2006, 573: 75-87
[8]摇 Kovacs CS, Buczko K, Hajnal E. Epiphytic, littoral di鄄
atoms as bioindicators of shallow lake trophic status:
Trophic diatom index for lakes ( TDIL) developed in
Hungary. Hydrobiologia, 2007, 589: 141-154
[9]摇 Dong X鄄H (董旭辉), Yang X鄄D (羊向东), Wang R
(王摇 荣). Diatom indicative species of eutrophication
of the lakes in the middle and lower reach regions of
Yangtze River. China Environmental Science (中国环境
科学), 2006, 26(5): 570-574 (in Chinese)
[10]摇 Salomoni SE, Rocha O, Callegaro VL, et al. Epilithic
diatoms as indicators of water quality in the Gravatai
River, Rio Grande do Sul, Brazil. Hydrobiologia,
2006, 559: 233-246
[11]摇 Psenner R, Schmidt R. Chimate鄄driven pH: Control of
remote alpine lakes and effects of acid deposition. Na鄄
ture, 1992, 356: 781-783
[12] 摇 Chen SH, Wu JT. Paleolimnological environment indi鄄
cated by the diatom and pollen assemblages in an alpine
lake in Taiwan. Journal of Paleolimnology, 1999, 22:
149-158
[13]摇 Niyogi DK, McKnight DM, Lewis WM. Influences of
water and substrate quality for periphyton in a montane
stream affected by acid mine drainage. Limnology and
Oceanography, 1999, 44: 804-809
[14]摇 Jia X鄄H (贾兴焕), Jiang W鄄X (蒋万祥), Li F鄄Q (李
凤清), et al. The response of benthic algae to the im鄄
pact of acid mine drainage. Acta Ecologica Sinica (生态
学报), 2009, 29(7): 4620-4629 (in Chinese)
[15]摇 Yang H鄄M (杨海明), Yin S鄄W (尹绍武), Wu Z鄄H
(吴朝晖), et al. On artificial cultivation and utilization
of Cyclotella meneghiniana. Journal of Natural Science
of Hunan Normal University (湖南师范大学学报·自
然科学版), 1997, 20(3): 56-61 (in Chinese)
[16]摇 daSilva EF, Almeida SFP, Nunes ML, et al. Heavy
metal pollution downstream the abandoned Coval da M佼
mine (Portugal) and associated effects on epilithic dia鄄
tom communities. Science of the Total Environment,
2009, 407: 5620-5636
[17]摇 Gu Y鄄J (顾咏洁), L俟 Y鄄H (吕亚红). The vertical
distribution of diatoms in the sediments and water quality
change of Suzhou Creek. Acta Ecologica Sinica (生态学
报), 2006, 26(11): 3617-3623 (in Chinese)
[18]摇 Brown BJ, Olive JH. Diatom communities in the Cuya鄄
hoga River (USA): Changes in species composition be鄄
tween 1974 and 1992 following renovations in wastewater
management. Ohio Journal of Science, 1995, 95: 254-
260
[19]摇 Wang C鄄H (王翠红), Zhang J鄄T (张金屯). Studies
on DCCA of the attached diatom community in headwater
rivers of Fenhe Reservoir. China Environmental Science
(中国环境科学), 2004, 24(1): 28-31 (in Chinese)
[20]摇 Gaiser EE, Childrens DL, Jones RD, et al. Periphyton
responses to eutrophication in the Florida Everglades:
Cross鄄system patterns of structural and compositional
change. Limnology and Oceanography, 2006, 51: 617-
630
[21]摇 Kingsley M, Pick FR, Hamilton PB. Periphyton bio鄄
mass and composition of British Columbia salmonid riv鄄
ers in relation to nutrient and discharge levels. Proceed鄄
ings of the International Association of Theoretical and
2262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
Applied Limnology, 2006, 29: 1389-1398
[22]摇 Ponader KC, Charles DF, Belton TJ. Diatom鄄based TP
and TN inference models and indices for monitoring nu鄄
trient enrichment of New Jersey streams. Ecological In鄄
dicators, 2007, 7: 79-93
[23]摇 Carpenter KD, Waite IR. Relations of habitatspecific al鄄
gal assemblages to land鄄use and water chemistry in the
Willamette basin, Oregon. Environmental Monitoring
and Assessment, 2000, 64: 247-257
[24]摇 Hustedt SH. The non鄄concept of species diversity: A
critique and alternative parameters. Ecology, 1971, 52:
577-586
[25]摇 Harrison PJ, Mu MH, Yang YP, et al. Phosphate limi鄄
tation in estuarine and coastal waters of China. Journal
of Experimental Marine Biology and Ecology, 1990,
140: 79-87
[26]摇 Birks HJB, Line JM, Juggins S, et al. Diatoms and pH
reconstruction. Philosophical Transactions of the Royal
Society London, 1990, B327: 263-278
[27]摇 Gensemer RW. Role of aluminium and growth rate on
changes in cell size and silica content of silica鄄limited
populations of Asterionella ralfsii var. americana (Bacil鄄
lariophyceae). Journal of Phycology, 1990, 26: 250-
258
[28]摇 Cattaneo A, Asioli A, Comoli P. Organisms response in
a chronically polluted lake supports hypothesized link
between stress and size. Limnology and Oceanography,
1998, 43: 1938-1943
[29]摇 Gold C, Feurtet鄄Mazel A, Coste M, et al. Impacts of
Cd and Zn on the development of periphytic diatom com鄄
munities in artificial streams located along a river pollu鄄
tion gradient. Archives of Environmental Contamination
and Toxicology, 2003, 44: 189-197
[30]摇 Cattaneo A, Couillard Y, Wunsam S, et al. Diatom tax鄄
onomic and morphological changes as indicators of metal
pollution and recovery in Lac Dufault (Qu佴bec, Cana鄄
da). Journal of Paleolimnology, 2004, 32: 163-175
[31]摇 Jonge MD, Vijver VB, Blust R, et al. Responses of
aquatic organisms to metal pollution in a lowland river in
Flanders: A comparison of diatoms and macroinverte鄄
brates. Science of the Total Environment, 2008, 407:
615-629
[32]摇 Cunningham L, Raymond B, Snape I, et al. Benthic di鄄
atom communities as indicators of anthropogenic metal
contamination at Casey Station, Antarctica. Journal of
Paleolimnology, 2005, 33: 499-513
[33]摇 Lamai C, Kruatrachue M, Pokethitiyook P, et al. Toxic鄄
ity and accumulation of lead and cadmium in the fila鄄
mentous green alga Cladophora fracta (O. F. M俟ller ex
Vahl) K俟tzing: A laboratory study. Science Asia, 2005,
31: 121-127
[34]摇 Chen F (陈 摇 锋), Wang M鄄S (王明书), Deng H鄄P
(邓洪平), et al. The influence of organic pollution on
diversity of diatom in Nanchong Section of Jialing River.
Journal of Southwest China Normal University (Natural
Science)(西南师范大学学报·自然科学版), 2008,
33(6): 44-47 (in Chinese)
[35]摇 Denys L. Environmental changes in man鄄made coastal
dune pools since 1850 as indicated by sedimentary and
epiphytic diatom assemblages (Belgium). Aquatic Con鄄
servation, 2003, 13: 191-211
[36]摇 Descy JP. A new approach to water quality estimation
using diatoms. Nova Hedwigia, 1979, 64: 305-323
[37]摇 Coste M. Etude des M佴thodes Biologiques Quantitatives
D爷 appr佴ciation de la Dualit佴 dex Eaux. Rapport Divi鄄
sion Qualit佴 dex Eaux Lyon鄄Aqence de I爷 Eau Rh觝ne鄄
M佴diterram佴e鄄Corse, Pierre鄄B佴nite, 1982
[38]摇 Sl觃decek V. Diatoms as indicators of organic pollution.
Acta Hydrochimica et Hydrobiologica, 1986, 14: 555 -
566
[39]摇 Coste M, Boutry S, Rosebery JT, et al. Improvements
of the biological diatom index (BDI): Description and
efficiency of the new version ( BDI鄄2006). Ecological
Indicators, 2009, 9: 621-650
[40]摇 Passy SI, Bode RW. Diatom model affiniity (DMA): A
new index for water quality assessment. Hydrobiologia,
2004, 524: 241-251
[41]摇 Wu JT. A generic index of diatom assemblages as
bioindicator of pollution in the Keelung River of Taiwan.
Hydrobiologia, 1999, 397: 79-87
[42]摇 Watanabe T, Asai K, Houki A. Numerical estimation to
organic pollution of flowing water by using the epilithic
diatom assemblage鄄diatom assemblage index (DAIpo).
Science of the Total Environment, 1986, 55: 209-218
[43]摇 Kellym G, Whitton BA. The trophic diatom index: A
new index for monitoring eutrophication in rivers. Jour鄄
nal of Applied Phycology, 1995, 7: 433-444
[44]摇 Lowe RL. Environmental Requirements and Pollution
Tolerance of Freshwater Diatoms. Cincinnati, Ohio: US
Environmental Protection Agency, 1974
[45] 摇 Hill BH. The use of periphyton assemblage data in an
index of biotic integrity. Bulletin of the North American
Benthological Society, 1997, 14: 158
[46]摇 Lecleroq L, Maguet B. Deux noaxveaux indices
chimique et diatomique de qualite d爷eau courunte, Ap鄄
plication all Samson et a sesaffuents. Comparaison avec
d爷 autres indices Chimiques, biocenotiques et diato鄄
miques, Insttul Royal des Sciences Nature: Belgium
Documents de Travail, 1987, 38: 113
[47]摇 Barbour MT, Gerritsen J, Snyder BD, et al. Rapid Bio鄄
assessment Protocols for Use in Streams and Wadeable
Rivers. Washington: US EPA, 1999
[48]摇 McFarland BH, Hill BH, Willingham WT. Abnormal
Fragilaria sp. (Bacillariophyceae) in streams impacted
by mine drainage. Journal of Freshwater Ecology, 1997,
12: 141-149
[49]摇 Chessman BC, Bate N, Gell PA, et al. A diatom spe鄄
cies index for bioassessment of Australian rivers. Marine
and Freshwater Research, 2007, 58: 542-557
[50]摇 G仵mez N, Licursi M. The Pampean diatom index
(IDP) for assessment of rivers and streams in Argenti鄄
na. Aquatic Ecology, 2001, 35: 173-181
[51]摇 Whittaker RH, Fairbanks CW. A study of plankton co鄄
pepod communities in the Columbia basin, southeastern
Washington. Ecology, 1958, 39: 46-65
[52]摇 Lange鄄Bertalot H. Pollution tolerance of diatoms as a
criterion for water quality estimation. Nova Hedwigia,
1979, 64: 285-304
[53] 摇 Bahls LL. Periphyton Bioassessment Methods for Mon鄄
tana streams. Helena, Montana: Montana Water Quality
32629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李国忱等: 硅藻在河流健康评价中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
Bureau, Department of Health and Environmental Sci鄄
ence, 1993
[54]摇 Rott E, Duthie HC, Pipp E. Monitoring organic pollu鄄
tion and eutrophication in the Grand River, Ontario, by
means of diatoms. Canadian Journal Fisheries and
Aquatic Sciences, 1998, 55: 1443-1453
[55]摇 Potapova MG. Benthic diatoms in USA rivers: Distribu鄄
tions along spatial and environmental gradients. Journal
of Biogeography, 2002, 29: 167-187
[56]摇 Charles D. Use of algae for monitoring rivers in the
United States: Some examples / / Institute of Botany,
University of Innsbruck, ed. Use of Algae for Monitoring
Rivers II. Innsbruck, Austria: Institute of Botany,
University of Innsbruck, 1996: 109-118
[57]摇 Stevenson RJ. Epilithic and epipelic diatoms in the San鄄
dusky River, with emphasis on species diversity and wa鄄
ter pollution. Hydrobiologia, 1984, 114: 161-175
[58]摇 Hill BH. Assessment of streams of the eastern United
States using a periphyton index of biotic integrity. Eco鄄
logical Indicators, 2003, 2: 325-338
[59]摇 Kentucky DOW. Methods for Assessing Biological Integ鄄
rity of Surface Waters in Kentucky. Frankfort,
Kentucky: Division of Water, Water Quality Branch,
Natural Resource and Environmental Protection Cabinet,
2002
[60]摇 Sophia IP. Spatial paradigms of lotic diatom distribu鄄
tion: A landscape ecology perspective. Journal of Phy鄄
cology, 2001, 37: 370-378
[61]摇 Potapova M, Charles DF. Diatom metrics for monitoring
eutrophication in rivers of the United States. Ecological
Indicators, 2007, 7: 48-70
[62]摇 Fore LS, Grafe C. Using diatoms to assess the biological
condition of large rivers in Idaho (U. S. A. ) . Freshwa鄄
ter Biology, 2002, 47: 2015-2037
[63]摇 Prygiel J, Coste M. The assessment of water quality in
the Artois鄄Picardie water basin (France) by the use of
diatom indices. Hydrobiologia, 1993, 269: 343-349
[64]摇 Hering A. Assessment of European streams with dia鄄
toms, macrophytes, macroinvertebrates and fish: A
comparative metric鄄based analysis of organism response
to stress. Freshwater Biology, 2006, 51: 1757-1785
[65]摇 Rott E, Pipp E, Pfister P. Diatom methods developed
for river quality assessment in Austria and across鄄check
against numerical trophic indication methods used in Eu鄄
rope. Algological Studies, 2003, 110: 91-115
[66]摇 Fr佴d佴ric R, Michel HM, Lucien H, et al. Response of
diatom indices to simulated water quality improvements
in a river. Journal of Applied Phycology, 2005, 17:
119-128
[67]摇 John J. Assessment of river health in Australia by dia鄄
tom assemblages: A review. International Journal of
Oceanography and Hydrobiology, 2004, 33: 95-104
[68]摇 Bate G, Smailes P, Adams J. A water quality index for
use with diatoms in the assessment of rivers. Water SA,
2004, 30: 493-498
[69]摇 You Q鄄M (尤庆敏), Li H鄄L (李海玲), Wang Q鄄X
(王全喜). Preliminary studies on diatoms from Kanasi
in Xinjiang Uighur Autonomous. Journal of Wuhan Bo鄄
tanical Research (武汉植物学研究), 2005, 23(3):
247-256 (in Chinese)
[70] 摇 Wang M (王 摇 敏), Zhang Z (张 摇 智), Guo W鄄H
(郭蔚华), et al. Occurrence regularity of diatom bloom
in the confluence section of Jialing River. Research of
Environmental Sciences (环境科学研究), 2011, 24
(2): 191-198 (in Chinese)
[71]摇 Ling J鄄J (凌旌瑾), Gu Y鄄J (顾咏洁), Xu C鄄M (许
春梅), et al. Multivariate analysis of relationship be鄄
tween periphyton community and water quality factors in
Huangpu River and Suzhou Creek. Research of Environ鄄
mental Sciences (环境科学研究), 2008, 21(5): 185-
189 (in Chinese)
[72]摇 Luan Z (栾摇 卓), Fan Y鄄W (范亚文), Ma Y (马摇
跃). Multiple regression and prediction between diatoms
and environmental factors in Songhua River, Harbin.
Bulletin of Botanical Research (植物研究), 2010, 30
(3): 349-354 (in Chinese)
[73]摇 Guo Y (郭摇 云), Zhao Y鄄Z (赵宇中), Zhang B (张
波), et al. Study on the diatom indicative species of
eutrophication of water body in the middle and upper of
Wujiang River. Environmental Monitoring in China (中
国环境监测), 2010, 26(6): 80-84 (in Chinese)
[74]摇 Xin X鄄Y (辛晓云), Yang W鄄J (杨文杰), Zhang H
(张摇 红), et al. Diatom evaluation of water pollution
in the Daihai Lake, Inner Mongolia. Journal of Shanxi
University (Natural Science) (山西大学学报·自然科
学版), 2000, 23(3): 263-266 (in Chinese)
[75]摇 Zhao X鄄G (赵湘桂), Cai D鄄S (蔡德所). Diatom bio鄄
monitorin method study on water quality in Lijiang
River. Journal of Guangxi Normal University (Natural
Science) (广西师范大学学报·自然科学版), 2009,
27(2): 142-147 (in Chinese)
[76]摇 Qi Y鄄Z (齐雨藻), Huang W鄄J (黄伟建), Luo Y鄄M
(骆育敏). Evaluation of water quality of the Pearl
River by using diatom assemblage index (DAIpo) and
river pollution index (RPId). Journal of Tropical and
Subtropical Botany (热带亚热带植物学报), 1998, 6
(4): 329-335 (in Chinese)
[77]摇 Deng D鄄Y (邓迪勇), Lu W (卢摇 伟), Tao M (陶摇
敏). Recent advances and indicative role of diatoms in
water environment monitoring. Environmental Science &
Technology (环境科学与技术), 2009, 32 (12D):
222-225 (in Chinese)
[78]摇 Ding L (丁摇 蕾), Zhi C鄄Y (支崇远). Environmental
effects on diatom and its monitor of environment. Jour鄄
nal of Guizhou Normal University (Natural Science)(贵
州师范大学学报·自然科学版), 2006, 24(3): 13-
16 (in Chinese)
[79]摇 Liu J鄄Z (刘俊琢), Zhang C鄄J (张成君). The applica鄄
tion of diatom indices in aquatic environment biomonitor鄄
ing and water quality assessment. Environmental Monito鄄
ring Management & Technology (环境监测管理与技
术), 2009, 21(5): 12-16 (in Chinese)
作者简介摇 李国忱,男,1985 年生,硕士研究生.主要从事水
生生物评价研究. E鄄mail: liguochen1001@ 126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
4262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷