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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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基于生物多样性保护的兴安落叶松与白桦最佳混交比例要要要以阿尔山林区为例
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中国能源消费碳排放的时空特征 舒娱琴 渊源怨缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子 姚雪玲袁傅伯杰袁吕一河 渊源怨远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素 王合玲袁张辉国袁秦摇 璐袁等 渊源怨远怨冤噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江山南宽谷风沙化土地土壤养分和粒度特征 李海东袁沈渭寿袁邹长新袁等 渊源怨愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
一株溶藻细菌对海洋原甲藻的溶藻效应 史荣君袁黄洪辉袁齐占会袁等 渊源怨怨猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
砷形态对黑藻和竹叶眼子菜有机酸含量的影响 钟正燕袁王宏镔袁王海娟袁等 渊缘园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估 邓培雁袁雷远达袁刘摇 威袁等 渊缘园员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杭州湾滨海湿地不同植被类型沉积物磷形态变化特征 梁摇 威袁邵学新袁吴摇 明袁等 渊缘园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
剪形臂尾轮虫形态的时空变化及其与生态因子间的关系 葛雅丽袁席贻龙袁马摇 杰袁等 渊缘园猿源冤噎噎噎噎噎噎噎
太湖流域河流水质状况对景观背景的响应 周摇 文袁刘茂松袁徐摇 驰袁等 渊缘园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
荒漠植物白刺属 源 个物种的生殖分配比较 李清河袁辛智鸣袁高婷婷袁等 渊缘园缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
臭氧浓度升高对香樟叶片光合色素及抗过氧化的影响及其氮素响应 牛俊峰袁张巍巍袁李摇 丽袁等 渊缘园远圆冤噎噎
不同密度下凤仙花重要形态性状与花朵数的关系 田旭平袁常摇 洁袁李娟娟袁等 渊缘园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五种高速公路边坡绿化植物的生理特性及抗旱性综合评价 谭雪红袁高艳鹏袁郭小平袁等 渊缘园苑远冤噎噎噎噎噎噎
散孔材与环孔材树种枝干尧叶水力学特性的比较研究 左力翔袁李俊辉袁李秧秧袁等 渊缘园愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区行道树国槐叶面尘分布及重金属污染特征 戴斯迪袁马克明袁宝摇 乐 渊缘园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南亚热带米老排人工林碳贮量及其分配特征 刘摇 恩袁 刘世荣 渊缘员园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
植物生活史型定量划分及其权重配置方法要要要以四棱豆生活史型划分为例 赵则海 渊缘员员园冤噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区湿地鄄干草原交错带边界判定及其变化 王摇 晓袁张克斌袁杨晓晖袁等 渊缘员圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响 吴光磊袁郭立月袁崔正勇袁等 渊缘员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎
氮肥形态对冬小麦根际土壤氮素生理群活性及无机氮含量的影响 熊淑萍袁车芳芳袁马新明袁等 渊缘员猿愿冤噎噎噎
基于数字相机的冬小麦物候和碳交换监测 周摇 磊袁何洪林袁孙晓敏袁等 渊缘员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原半湿润区气候变化对冬小麦生长发育及产量的影响 姚玉璧袁王润元袁杨金虎袁等 渊缘员缘源冤噎噎噎噎噎
基于土地破坏的矿区生态风险评价院理论与方法 常摇 青袁邱摇 瑶袁谢苗苗袁等 渊缘员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生态位的山地农村居民点适宜度评价 秦天天袁齐摇 伟袁李云强袁等 渊缘员苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氯虫苯甲酰胺对黑肩绿盲蝽实验种群的影响 杨摇 洪袁王摇 召袁金道超 渊缘员愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎远 种植物次生物质对斜纹夜蛾解毒酶活性的影响 王瑞龙袁孙玉林袁梁笑婷袁等 渊缘员怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
云南元江芒果园桔小实蝇成虫日活动规律及空间分布格局 叶文丰袁李摇 林袁孙来亮袁等 渊缘员怨怨冤噎噎噎噎噎噎
重庆市蝴蝶多样性环境健康指示作用和环境监测评价体系构建 邓合黎袁马摇 琦袁李爱民 渊缘圆园愿冤噎噎噎噎噎
专论与综述
生态系统服务竞争与协同研究进展 李摇 鹏袁姜鲁光袁封志明袁等 渊缘圆员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国沿海无柄蔓足类研究进展 严摇 涛袁黎祖福袁胡煜峰袁等 渊缘圆猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
冰雪灾害对森林的影响 郭淑红袁薛摇 立 渊缘圆源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同干扰因素对森林和湿地温室气体通量影响的研究进展 杨摇 平袁仝摇 川 渊缘圆缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采石场废弃地的生态重建研究进展 杨振意袁薛摇 立袁许建新 渊缘圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
基于地统计学和 悦云陨样地的浙江省森林碳空间分布研究 张摇 峰袁杜摇 群袁葛宏立袁等 渊缘圆苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿源源鄢扎澡鄢孕鄢 预 苑园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员圆鄄园愿
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封面图说院 秋色藏野驴群要要要秋天已经降临在海拔 源圆园园 多米的黄河源区袁红色的西伯利亚蓼渊生于盐碱荒地或砂质含盐碱土
壤冤铺满大地袁间有的高原苔草也泛出了金黄袁行走在上面的藏野驴们顾不上欣赏这美丽的秋色袁只是抓紧时间在严
冬到来之前取食袁添肥增膘以求渡过青藏高原即将到来的漫长冬天遥
彩图提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
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第 32 卷第 16 期
2012 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 16
Aug. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重大科技专项(2009ZX07211鄄009); 公益性行业科研专项(201001021); 水利部“948冶引进项目(201007); 国家自然科学基金资
助项目(30700111)
收稿日期:2011鄄12鄄07; 摇 摇 修订日期:2012鄄05鄄31
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: dpy213@ 126. com
DOI: 10. 5846 / stxb201112071867
邓培雁,雷远达, 刘威,王旭涛.七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估.生态学报,2012,32(16):5014鄄5024.
Deng P Y, Lei Y D, Liu W, Wang X T. Exploration of benthic diatom indices to evaluate water quality in rivers in the Dongjiang basin. Acta Ecologica
Sinica,2012,32(16):5014鄄5024.
七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估
邓培雁1,*,雷远达1, 刘摇 威2,王旭涛2
(1. 华南师范大学化学与环境学院, 广州摇 510631; 2. 珠江流域水环境监测中心, 广州摇 510611)
摘要:综合运用因子分析、聚类分析、箱型图分析等统计方法评估了河流附着硅藻生物指数(Biological Diatom Index,IBD)、硅藻
营养化指数(Trophic Diatom Index,TDI)、斯雷德切克指数(Sl佗dec姚 ek忆s Index,SLA)、特定污染敏感指数(Specific Polluosensitivity
Index,IPS)、硅藻属指数(Generic Diatom Index,IDG)、戴斯指数(Descy Index,DESCY)和欧盟硅藻指数( European Economic
Community Index,CEE)在东江流域河流水质评价中的适用性。 结果显示:SLA与 IPS, CEE 显著相关(P<0. 05),CEE 与 TDI 不
相关,其余指标间均极显著相关(P<0. 01)。 SLA与 13 项水质理化指标均无相关性,TDI 与含氯度(Cl)显著负相关,CEE 与溶
解氧(DO)、电导率(Cond. )、总氮(TN)显著正相关(P<0. 05),其余指标与氨氮(NH4 鄄N)、pH不存在线性相关,与五日生化需氧
量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODKMnO4)、亚硝氮(NO2 鄄N)、硝氮(NO3 鄄N),总磷(TP)具极显著相关性(P<0. 01)。 13 项水质理化
指标中主成分负荷贡献大于 50%的八项理化参数 DO、BOD5、CODKMnO4、TN、NO3 鄄N、NO2 鄄N、TP 和 SiO2将试验区水质分为四组。
IPS、IBD、IDG和 CEE与水质物化分类一致性较好。 IPS、IBD、IDG和 CEE的逐步判别分析(引入 P =0. 20,剔除 P = 0. 25)显示
IPS和 CEE都只选出了 NO2 鄄N,分类判别的正确率分别为 55. 6%和 48. 1% ;IBD引入了 NO2 鄄N, CODKMnO4和 DO 3 个解释变量,
判别正确率 74. 1% ;IDG引入 BOD5 和 NO3 鄄N两个变量,分组正确率 63. 0% 。 硅藻群落聚类显示,IBD和 IDG在水质物化分类
的箱型图中呈现出明显合理的趋势。 以上研究表明 IBD和 IDG硅藻指数最适合用于东江河流水质生物监测与评价。
关键词:附着硅藻;东江;水质评价
Exploration of benthic diatom indices to evaluate water quality in rivers in the
Dongjiang basin
DENG Peiyan1,*, LEI Yuanda1, LIU Wei2, WANG Xutao2
1 School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510631, China
2 Water Environment Monitoring Center of Pearl River Basin, Guangzhou 510611, China
Abstract: Benthic diatoms are considered one of the most suitable organisms in bioassessment of water quality because of
their high sensitivity to water temperature, nutrients, organic pollution and heavy metals. Since the 1970s, a number of
indicator indices have been developed and used for the assessment of river quality including the IBD (Biological Diatom
Index), TDI ( Trophic Diatom Index), SLA ( Sl佗de c姚 ek忆 s Index), IPS ( Specific Pollution Sensitivity Index), IDG
(Generic Diatom Index), DESCY (Descy Index) and CEE (European Economic Community Index) . However, it is still
not clear whether the ecologic signature of diatoms differs between these indicator indices. Moreover, in China, river water
quality monitoring is usually limited to physi鄄chemical variables, which provide a snapshot picture of chemical
characteristics at the time of sampling. Assessment of diatoms has the advantage that their observed status is a reflection of
water quality conditions over a period of time prior to sampling.
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The Dongjiang River basin, as one of the main river systems in the Pearl River Basin, provides significant ecosystem
services, such as drinking water, electricity supply, transport, irrigation water supply, fishery.
In this study, seven diatom indices (IBD, TDI, SLA, IPS, IDG, DESCY and CEE) were tested to evaluate the water
quality of rivers in the Dongjiang basin by means of correlation coefficient analysis, factor analysis, cluster analysis, box
plot analysis and discriminant analysis. Pearson correlation coefficient analysis showed that IPS, IBD and IDG were closely
related, and IPS, IBD, IDG and CEE had significant correlation with BOD5, CODKMnO4, NO2 鄄N, NO3 鄄N. IPS, IBD, IDG
and CEE gave better performance in comparison of the seven diatom indices characterized for different water quality groups
sorted by 8 key physicochemical variables (DO, BOD5, CODKMnO4, TN, NO3 鄄N, NO2 鄄N, TP and SiO2 ) indentified by
factor analysis. Results from stepwise discriminant analysis (P to entered = 0. 20, P to removed = 0. 25) were represented
as follows: for IPS and CEE, NO2 鄄N was the only selected variable, and the correction percent was low by 55. 6% and
48郾 1% . The discriminant analysis selected NO2 鄄N, CODKMnO4 and DO for IBD, and the correction percent was up to
74郾 1% , IDG was discriminated by two variables (BOD5 and NO3 鄄N), and the correction percent was 63. 0% . IBD and
IDG showed clear and reasonable trend in the box plots with water quality groups clustered from the diatom communities.
This study suggested that the diatom indices can be applied for monitoring rivers in the Dongjiang basin, especially IBD
and IDG.
Key Words: benthic diatom; Dongjiang river basin; water quality assessment
附着硅藻广泛存在于江河,湖泊,溪流等各种水体[1鄄2],对水体温度、酸碱度、营养物、有机污染,重金属等
非常敏感[3鄄6],被认为是河流水质以及生态质量评价中非常适合的指示生物[7鄄8]。 欧盟、美国、澳大利亚、南
非、台湾和巴西等国家和地区[8鄄17]从 20 世纪 70 年代开始至今,相继发展了 10 余种河流附着硅藻水质评价指
数,并得到广泛采纳与应用。 例如,美国环境保护署(EPA)1999 年发布的《河流和浅层河流适用的快速生物
评价议定书》 [18],欧盟的《水框架指令》 [19]都建立起从附着硅藻样品采集,预处理到指数计算与评价的一套标
准方法。 目前,常用指数包括硅藻生物指数 ( Biological Diatom Index, IBD) [20],硅藻营养化指数 ( Trophic
Diatom Index, TDI) [3,21鄄22],斯雷德切克指数 ( Sl佗de c姚 ek忆 s Index, SLA) [23],特定污染敏感指数 ( Specific
Polluosensitivity Index, IPS ) [24],硅藻属指数 ( Generic Diatom Index, IDG) [25],戴斯指数 ( Descy Index,
DESCY) [26]和欧盟硅藻指数(European Economic Community Index,CEE) [27]等。
在我国一般进行河流物化监测与评价,反映的是采样瞬时水环境物理和化学特征[28]。 尽管,河流附着硅
藻监测与评价能够反映各种污染物对河流长期、累积、综合的生态效应,但该方法还未在我国得到广泛应用与
推广。
东江是珠江流域三大水系之一,为香港、深圳、东莞等城市提供饮用水补给的同时,还担负发电、航运、灌
溉、渔业、防咸等多种功能,在该区域经济发展和人民生活中起着举足轻重的作用。
本文以东江流域为研究区域,利用主成分分析,聚类分析,箱型图分析等多种分析方法,研究了 IBD、TDI、
SLA、IPS、IDG、DESCY及 CEE国际上常用的 7 项附生硅藻指数在东江河流水质评价中的适用状况,以期为构
建适合我国河流特征的附着硅藻水质评价指数、划分水质硅藻评价等级、合理解释河流水生态状况,以及该技
术的大面积推广与应用奠定理论与实践基础。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区域概况与采样点
东江为珠江流域第三大水系,地跨广东、江西两省,面积 33200 km2,干流全长 523 km,多年平均气温为
20. 4毅C, 多年平均降雨量 1750 mm。
东江上游源头分为寻乌水和九曲河两支流,一级支流包括寻乌水、九曲河、浰江、新丰江、康禾河、公庄河、
秋香江、西枝江、淡水河、石马河和增江等。 研究中采样点覆盖东江的所有一级支流,全流域共设置 27 个采集
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图 1摇 采样点分布示意图
Fig. 1摇 Locations of the sampling sites
点,分布见图 1。
1. 2摇 硅藻样品采集、处理与分析
根据欧盟标准方法 EN 13946[29]和 EN 14407[30],
河流附着硅藻采样多在枯水季进行。 本文采样时间为
2011 年 1 月,附着硅藻采样基质选取能抵抗水流、地势
开阔处无树荫遮挡的石头,每个采集点至少采集 5 块石
头,用干净牙刷刷洗石头向阳面硅藻,甲醛(3%—4%)
固定。 样品经过氧化氢(35% )和浓盐酸(98% )消解,
Naphrax(RI = 1. 74)封片胶封片,光学显微镜 ( LM)
1000 倍油镜镜头下检出,视野内所有完整及破损面积
不超过 1 / 4 的硅藻细胞都要鉴定和计数,每个样片计数
超过 400 个细胞,硅藻种类的鉴定主要根据 Krammer
and Lange鄄Bertalot鉴定体系(1986—1991) [31]。
1. 3摇 水样采集与理化指标测定
同步采集河水样品,水样采集,保存以及测定参照
《水和废水监测分析方法(第四版)》 [32],现场测定 pH
值、电导率(Cond. ),实验室测得溶解氧(DO)、五日生
化需氧量 ( BOD5 )、高锰酸盐指数 ( COD KMnO4 )、总氮
(TN)、氨氮(NH4 鄄N)、硝氮(NO3 鄄N)、亚硝氮(NO2 鄄N)、
总磷(TP)、磷酸盐(PO4 鄄P)、硅酸盐(SiO2) 和氯化物(Cl)13 项指标。
1. 4摇 数据分析
硅藻指数 IPS、IBD、IDG、TDI、SLA、DESCY均基于 Zelinka和 Marvan经典方程[33]:
Index =
移
n
j = 1
a js jvj
移
n
j = 1
a jvj
式中,倩 j为样品中物种的丰度; vj为物种 j的指示值; s j为物种 j 的污染敏感度。 CEE 指数的计算采用双重网
格法,7 项硅藻指数通过软件 Omnidia 5. 3 算出[34]。
除了 TDI(数值范围 0—100)外,其他 6 项指数均转换为 0 到 20 的数值范围。 其中 TDI指数数值越低,表
明样点富营养程度越低,数值越高则说明样点越趋向于富营养化;其他 6 项指数,数值越低表明样点污染程度
越高,数值越高则说明样点水质越洁净。
为了研究 7 项硅藻评价指数的适用性,进行以下分析:
1)利用皮尔逊相关系数矩阵分析 7 项指数之间,7 项指数与 13 项理化指标之间的相关程度。
2)对 13 项理化指标进行标准化处理后,通过相关系数分析剔除极显著相关一组变量中的一个(P<
0郾 01),以确保变量的独立代表性。 剩下的变量进入因子分析:利用 KMO和 Bartlett球形检验法检验理化变量
进行因子分析的可行性[35];然后利用主成分分析和方差极大正交旋转提取因子和旋转因子,保留特征根大于
1 的主成分因子,对主成分因子负荷贡献大于 50%的理化变量保留作为主要水质参数。 采用组间联接法,以
欧氏距离作为类间距离,对主要水质参数进行层次聚类(简称类别 A)。
3)作 7 项硅藻指数分布在类别 A的箱型图,箱型图中箱子下端和上端为样本容量的 25%和 75% ,中横线
为样本中位数,箱子长度为 50%的样本容量,虚状线延伸距离不超过箱子长度的 1. 5 倍。 圆圈代表远离中位
数的离异点。 具有相同字母的箱子间差异不显著,显著水平 P = 0. 05。
4)步骤 3 选出的指数将 27 个样点分出水质类别(简称类别 B),利用逐步判别分析类别 B 的分组效果:
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设定引入变量的显著性水平为 0. 10,剔除变量的显著性水平为 0. 15,从理化指标步骤(2)中筛选出可以引入
判别式的指标(若选出的指标较少,即提高引入的显著性水平到 0. 20,剔除的显著性水平到 0. 25),同时得出
各指数的回归性误判分组正确率和交叉验证分组正确率。 用于判别分析的理化变量均进行标准化处理。
5)利用步骤 4 筛选出的理化指标,作出其在类别 B 的箱型图,分析其分布趋势,筛选指数进行下一步的
分析。
6)通过硅藻群落结构数据进行层次聚类,得类别 C。 以各组优势种组合的指示作用评价分组情况,硅藻
种群指示作用根据 van Dam[5]和 Hofmann[36]体系确定,于 Omnidia 5. 3[34]中完成。
7)利用步骤 5 选出的指数,作出在类别 C分布的箱型图。 分析箱型图,选出最合适的硅藻评价指数。
2摇 结果
2. 1摇 硅藻指数之间以及与水质理化指标的相关性分析
结果显示 SLA与其余 5 项硅藻指数相关性较低,仅与 IPS, CEE显著相关(P<0. 05),CEE与 TDI不相关,
其余指数间均存在极显著相关(P<0. 01)。 SLA与所有水质理化指标均无相关性,TDI 只与 Cl显著负相关(P
<0. 05),CEE与 DO、Cond. 、TN显著相关,其余指数与 NH4 鄄N、pH 不存在线性相关,与 BOD5、CODKMnO4、NO2 鄄
N、NO3 鄄N、TP具有较强的相关性。
2. 2摇 水质理化指标分类
剔除水质极显著相关的 Cl、NH4 鄄N、PO4 鄄P、Cond. (表 1,P<0. 01),确保理化指标的独立代表性。 其余 9 项
理化指标经检验:KMO值 0. 769,Bartlett球形检验显著水平 P<0. 05(表 2),可以进行因子分析。 主成分分析,
第一、第二主成分累积解释总方差的 72. 680% ,特征根均大于 1(表 3),前 2 个成分已反映原始数据所提供的
大部分信息。 剔除贡献较低的 pH 值,保留其余对主成分负荷贡献大于 50%的 8 项理化参数(DO、BOD5、
COD KMnO4、TN、NO3 鄄N、NO2 鄄N、TP、SiO2)作为主要水质参数(表 4)。 以上 8 项水质参数的层次聚类将试验区水
质分为四组(A1,A2,A3,A4)。
表 1摇 理化指标极显著相关系数
Table 1摇 Significant correlations among physiochemical variables
变量 1 Variable 1 变量 2 Variable 2 相关系数 Corelation coefficients
电导率 Conductivity 氯化物 Chloride 0. 926**
总氮 Total nitrogen(TN) 氨氮 NH4 鄄N 0. 986**
总氮 Total nitrogen(TN) 电导率 Conductivity 0. 968**
总磷 Total phosphorus(TP) 磷酸盐 PO4 鄄P 0. 978**
摇 摇 **P< 0. 01
表 2摇 KMO和 Bartlett检验
Table 2摇 KMO and Bartlett忆s tests
取样足够度的 Kaiser鄄Meyer鄄Olkin 度量摇 Kaiser鄄Meyer鄄Olkin Measure of Sampling Adequacy 0. 769
Bartlett 球形检验 近似卡方 Approx. Chi鄄Square 185. 871
Bartlett忆s Test of Sphericity 自由度 df. 26
显著性 Sig. 0. 000
表 3摇 因子分析
Table 3摇 Total variance explained by factor analysis
成分 Component
旋转平方和载入 Rotation Sums of Squared Loadings
合计 Total 方差贡献率 Percent of variance / % 累积贡献率 Cumulative percent / %
1 4. 434 49. 270 49. 270
2 2. 107 23. 410 72. 680
7105摇 16 期 摇 摇 摇 邓培雁摇 等:七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估 摇
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表 4摇 因子负荷矩阵(负荷贡献大于 0. 5)
Table 4摇 Component matrix
成分 Component
1 2
五日生化需氧量 Biochemical
oxygen demand(BOD5)
0. 933
总磷 Total phosphorus(TP) 0. 904
溶解氧 Dissolved oxygen(DO) -0. 844
亚硝氮 NO2 鄄N 0. 828
总氮 Total nitrogen(TN) 0. 755
高锰酸盐指数 Chemical oxygen
damand(CODKMnO4)
0. 753 0. 562
硅酸盐 SiO2 -0. 887
硝氮 NO3 鄄N 0. 761
2. 3摇 硅藻指数对比分析
图 2 显示,7 项硅藻指数在 A1 至 A4 水质类别箱
型图中无显著差异(P<0. 05),IPS、IBD、IDG 和 CEE
随着水质分类等级的增加而呈下降趋势。 DECSY,
TDI和 SLA 3 个指数则呈现波动的趋势。 选择 IPS、
IBD、IDG和 CEE 4 项指数进入下一步评价工作。
2. 4摇 IPS, IBD, IDG和 CEE指数分类评价
利用 IPS、IBD、IDG 和 CEE4 个指数进行水质分
类,得类别 B(B1,B2,B3,B4)。 类别 B中分组标准如
下:B1逸13;13>B2逸10;10>B3逸7;B4<7。
分组后,进行逐步判别分析。 当引入及剔除变量
显著水平分别为 P=0. 10 和 P = 0. 15 时,图 3 显示类
别 B中引入的水质因子较少,IPS 和 CEE 都只选出了
NO2 鄄N,IBD选出了 NO2 鄄N、COD KMnO4, IDG 选出了 BOD5、NO3 鄄N。 BOD5在箱型图趋势表现出随机波动,而
NO3 鄄N随 B1 至 B4 水质类别变化呈现阶梯上升趋势。
调整引入及剔除变量显著水平分别为 P = 0. 20 和 P = 0. 25 时,表 5 显示 IPS 和 CEE 指数依然只选出
NO2 鄄N指标,判别正确率较低,为 55. 6%和 48. 1% ;IBD指数引入了 NO2 鄄N,COD KMnO4和 DO 3 个解释变量,判
别正确率为 74. 1% ,交叉检验正确率达到 63. 0% ;IDG指数引入了 BOD5和 NO3 鄄N两个变量,回归性判别和交
叉检验的分组正确率为 63. 0%和 51. 9% 。 选择 IBD和 IDG指数进行下一步分析。
表 5摇 逐步判别分析(引入的 P = 0. 20,剔除的 P = 0. 25)
Table 5摇 Results from the stepwise discriminant analysis (Selected and remove variables at P = 0. 20 and P = 0. 25, respectively)
指数
Indices
引入的变量
Selected Variables
要删除
变量的 F值
F鄄to鄄remove
回顾性判别的分组正确率 / %
Percent of original
correct classifications
交叉检验的分组正确率 / %
Percent of correct classifications
after jackknifed cross鄄validation
特定污染敏感指数 Specific
Pollution Sensitivity Index(IPS)
NO2 鄄N <0. 001 55. 6% 55. 6%
硅藻生物指数
Biological Diatom Index(IBD)
NO2 鄄N 0. 003 74. 1% 63. 0%
CODKMnO4 0. 213
DO 0. 173
硅藻属指数 BOD5 0. 004 63. 0% 51. 9%
Generic Diatom Index(IDG) NO3 鄄N 0. 068
欧盟硅藻指数 European
Economic Community Index(CEE)
NO2 鄄N 0. 006 48. 1% 48. 1%
2. 5摇 硅藻群落结构分类评价
全流域共鉴定出硅藻 98 个种和亚种,分属 8 科 30 属, 以舟形藻属(Navicula),菱形藻属(Nitzschia)和曲
壳藻属(Achnanthes)种类数最多,分别为 14,13 和 11 种。 其中 30 种所占比例为 1% 以上,比例 5% 以上的有
Ni. palea,9. 24% ; Gomphonema minutum,7. 63% ;G. parvulum,6. 78% ;A. catenata,6. 43% ;Eolimna minima,
6. 23% 。
利用皮尔逊相关系数的组内联接聚类方法将 27 个样点的硅藻群落数据进行水质分类(图 4),得类别 C
(C1,C2,C3,C4)。 各组优势种的指示作用参照 Van Dam 和 Hofmann 的硅藻生态指示值名录。 C1:Eunotia
minor 和 Achnanthes helvetica为贫污染性种,组内主要为 Achnanthes属,van Dam认为 Achnanthes属具较宽的生
态范围,但平均来说 Achnanthes属种类指示较低的无机营养盐水平;C2:Gomphonema productum为洁净到中等
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图 2摇 7 项硅藻指数在类别 A中分布的箱型图
Fig. 2摇 Box plots of the seven diatom indices in Category A
污染水体的指示种,Cymbella turgidula为贫到中等营养水体的指示种,而 G. parvulum为中等到强有机污染性
和富营养化种类;C3:Eo. minima 为指示水质中等有机污染程度和富营养化的种类,G. minutum,Diadesmis
confervacea 和 Luticola mutica均为富营养化水体的常见指示种;C4:Nitzschia palea 和 Eo. subminuscula 为强有
机污染性和极富营养化的种类,Ni. inconspicua 和 Cocconeis placentula var. euglypta 为富营养化的指示种。 因
此类别 C中,水质污染程度随着 C1 到 C4 递加。
图 5 展示 IBD和 IDG指数在类别 C箱型图中的分布。 IBD 和 IDG 指数均呈现随着 C1 到 C4(水质污染
程度递加)逐渐下降的趋势,说明通过硅藻群落结构分类后,IBD 和 IDG 指数也能很好的评价东江河流的水
9105摇 16 期 摇 摇 摇 邓培雁摇 等:七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估 摇
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图 3摇 引入的理化变量在类别 B中分布的箱型图 (引入的 P = 0. 10,剔除的 P = 0. 15)
Fig. 3摇 Box plots of the selected physiochemical variables in Category B ( Selected and remove variables at P = 0. 10 and P = 0. 15,
respectively)
质状况。
3摇 讨论
本文分析了 7 项硅藻指数( IBD、TDI、SLA、IPS、IDG、 DESCY、CEE)在东江河流水质评价中的适用性。
Taylor[17]认为欧洲硅藻评价指数适用于世界多个国家和地区的河流水质评价,原因在于硅藻在世界范围内广
泛分布。 更多学者认为硅藻评价指数具有最佳适用区域[17,37鄄38]。 例如 IPS,IBD和 IDG根植于法国河流监测
数据,能很好地评价法国河流水质状态;TDI 适用于英格兰和苏格兰地区水体富营养化评价,EPI鄄D(Diatom鄄
Based Eutrophication Pollution Index,富营养化污染硅藻指数) [39]被认为是意大利地中海沿岸河流水质的最合
适的硅藻指数。 IDP指数(The Pampean Diatom Index,南美大草原硅藻指数) [40]则能够有效运用于阿根廷南
美大草原河流水质评价。 Watanabe 开发的 DAIpo 指数在日本广泛应用于河流有机污染评价,但在欧洲河流
中却缺乏适用性[37]。
SLA由 Sl佗dec姚ek于 1986 年提出,指数计算包含 323 个硅藻种,用于指示水中有机污染程度。 本研究发现
SLA指数不仅与有机指标 BOD5和 CODKMnO4无显著相关性,与其余理化指标也无明显联系,在不同的水质类别
A箱型图中随机波动。 因此,SLA对东江水质评价不适应。 Kwandrans[10]利用 SLA 指数评价波兰南部河流时
也有与本文一致的结果。
DESCY由 Descy于 1979 年首次提出,该指数计算包括 106 个硅藻常见种。 Vibaste[41]在爱沙尼亚河流水
质研究中发现 DESCY指数与其它指数相关性较弱,只与 pH存在较弱的联系,而与其他理化参数均无相关关
系。 本研究,DESCY在类别 A的箱型图中没有明显分布趋势。 由于 DESCY 指数计算覆盖的硅藻种类较少,
加之开发年代久远而又缺乏后续修订,容易导致 DESCY指数评价的不准确性。
TDI指数由 Kelly 和 Whitton 于 1995 年首次提出,共有三版,已被验证能够有效评价英国河流营养状
态[3,21鄄22,42]。 本研究中,TDI在类别 A的箱型图分布中没有表现出合理的变化趋势。 Kelly等[3]在开发 TDI 指
数时发现 TDI很难区分有机污染及水体富营养化对硅藻群落结构的影响,从而影响评价结果的准确性。 本次
研究结果可能也与有机污染影响有关。 在第二版[21]中 TDI指数范围由 0 到 5 改变为 0 到 100,对一些种类的
指示值作了修订,还引入污染耐受种百分数(Percentage pollution rolerant valves,% PTV)的概念,即计算硅藻耐
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图 4摇 硅藻种群聚类图(包括类别 C各组和各样点优势种)
Fig. 4摇 Dendrogram based on the cluster analysis of the diatom communities(also groups of Category C and main dominant diatom taxa at each
station are shown)
AAMB: Aulacoseira ambigua; AUGR: A. granulata; AAMO: Achnanthes amoena; ACTT: A. catenata; AEXI: A. exilis; AHEL: A. helvetica;
AIMP: A. imperfecta; ADCT, Achnanthidium catenatum; ADMI: A. minutissimum; AMMO: Amphora montana; CPLE: Cocconeis placentula var.
euglypta; CTGL: Cymbella turgidula; DCOF: Diadesmis confervacea; DCOT: D. contenta; EMIN: Eunotia minor; ENMI: Encyonema minutum;
EOMI: Eolimna minima; ESBM: E. subminuscula; FSAX: Frustulia saxonica; GCLE: Gomphonema clevei; GMIN: G. minutum; GPAR: G.
parvulum; GPRO: G. productum; LMUT: Luticola mutica; NCRY: Navicula cryptocephala; NCTE: N. cryptotenella; NVRO: N. viridula var.
rostellata; NINC: Nitzschia inconspicua; NPAL: N. palea; PSCA: Pinnularia subcapitata; SBRE: Surirella brebissonii; SPUP: Sellaphora pupula)
受有机污染种的百分比,作为 TDI指数评价水体富营养化的补充说明。 据著者经验,% PTV小于 20%可以看
做有机污染对于 TDI指数评价营养状况的影响很小或无影响。 在本文评价中,27 个样点中有 16 个%PTV大
于 20% ,样点 16 和 20 分别达到 86. 9%和 89. 9% 。 TDI指数对于我国南方河流营养化评价的适用性有待于
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图 5摇 IBD和 IDG指数在类别 C中分布的箱型图
Fig. 5摇 Box plots of IBD and IDG in Category C
进一步的验证。
本文通过相关性分析和类别 A的箱型图分析检验,4 项硅藻指数(IBD,IPS,IDG,CEE)均为东江水系河流
水质适用的评价指数。 IPS 指数无疑为应用范围最广的硅藻指数,于 1982 年法国农业与环境工程研究院
(CEMAGREF)Coste首先提出,经过后续更新和修正,2006 版 IPS 指数包括 4590 个硅藻单位(包括变种和同
种异名)。 相对于其它硅藻指数,IPS指数包含的种类广泛,准确性较高,但不同鉴定者的鉴定差异也会被放
大,而且迅速发展的硅藻分类学也使 IPS指数发展遇到瓶颈,无休止地将新的种类引入指数会带来庞大的鉴
定工作量。 因此一个基于完整采样网络和包含有限的硅藻种类的评价指数 IBD 诞生了,IBD 指数建立于法
国,根植于从 1977—1994 年 949 个采集断面的 1332 个样品的数据上,联合分析 14 项理化参数,同时将其在 7
个水质等级出现的概率纳入计算范畴。 IBD指数继而发展为包括采样,预处理和计算分析等标准化的水质生
物评价方法[43]。 本文研究发现 IBD和 IPS指数有很强的相关关系,刘威[44]以漓江为研究区域,也发现 IPS和
IBD联系密切,并且确认 IPS和 IBD适用于漓江的水质评估。 与 IPS和 IBD有显著相关性的 IDG指数为属水
平的指数,本文研究中发现 IDG指数的评价表现较好,但有些研究发现 IDG指数指示作用较弱[45]。 Taylor[17]
提出要注意现在硅藻分类学的快速发展带来大量的新硅藻种类的产生,特别是属水平下的细分对于 IDG 指
数得分的影响。 Prygiel[46]认为要区别对待不同属对于 IDG 的贡献,例如 Navicula(舟形藻属)和 Nitzschia(菱
形藻属)含有很宽的生态指示值范围,而 Eunotia(短缝藻属)和 Achnanthes(曲壳藻属)的指示值范围则相对较
窄。 Feio[45]建议引入新的硅藻属名录来计算 IDG指数,认为虽然这会对鉴定工作带来难度,但能使 IDG成为
更实际可用的水质评价指数。 总的来说,IDG指数为简单而又实用的硅藻指数,但实际应用时需要进行必要
的调整和修正。 CEE指数为欧盟范围内的硅藻指数,曾有效评价欧洲 300 多条河流水质。 不同于由 Zelinka
and Marvan经典方程发展出来的其他六项指数,CEE指数的计算采用双重网格法。 即将计算的 208 个硅藻种
分为 8 个组和 4 个亚组,8 个组包括拥有较低指示值的种类,通过耐污程度的递增依次排列于 8 个组;4 个亚
组包括指示值较高的种类,也通过耐污程度的递增依次排列于 4 个亚组,最后 CEE 指数值为组与亚组交叉网
格的数值。 虽然方法差异性较大,但在本文研究中,CEE 指数与 IBD,IDG 和 IPS 指数有较密切的联系,同时
也适用于东江河流的水质评价。
通过判别分析,进入群落结构分类评价检验的 IBD 和 IDG 为东江最适用的评价指数。 评价指数的适用
性时还需要考虑一些问题,例如硅藻评价指数除了对理化参数有必要的响应外,也与其他的参数,如海拔,河
流等级,坡度,流速,流域面积,土地利用状况等有联系。 Leira[45]提出进行水质评估时很难确定硅藻种群结构
的变化中哪一部分是由于人为干扰,哪一部分是自然因素所导致。 Feio[45]的研究发现硅藻指数不仅能指示
水体的有机污染程度和富营养化,还能反映土地利用状况和河道形态。 因此,利用分析手段证明硅藻指数的
变化主要来源于水质因素而非地质因素对于硅藻指数评价的准确性非常重要。
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许 可 证摇 京海工商广字第 愿园员猿 号
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