硅藻指數在水環境監測與評價中的應用分析

吳 宇

（江西省景德鎮生態環境監測中心，江西 景德鎮 333000）

引言

人類的廣泛活動以及經濟社會的快速發展給水環境帶來了極大的壓力與挑戰，為了更加完善地推動水環境監測評價體系的建設，強化水環境保護針對性，相關單位和部門應當充分認識到硅藻在水環境監測工作當中所發揮出的指示性作用，并針對硅藻指數監測評價的注意事項進行梳理與分析，從而能夠靈活便捷地針對當前水環境的表現狀態做出分析，實現生態監測的高質量發展。

1 硅藻指數在水環境監測評價工作中的作用

1.1 分析水體水質變化歷史

硅藻是一種生長于溫熱帶水域的具有色素體的單細胞植物，其形態較為豐富，可分為中心硅藻綱以及羽紋硅藻綱等類別。在某一水體長時間的歷史變化進程當中，硅藻的沉積狀態能夠較為直觀地展現出水體內部的水質變化情況，針對水體在不同歷史時期當中pH值、鹽度、有機氮含量、溶解氧含量以及營養元素含量進行全面掌握，使監測部門能夠借助硅藻指數構建水體水質歷史數據庫，針對水環境當中可能存在的污染現象進行全面溯源與追蹤，強化水質監控以及水環境保護工作的針對性。

1.2 監測并評價當前水質狀態

硅藻在水環境當中的生長狀態受水質小環境的影響較為顯著，因此依托水體當中的硅藻指數進行分析，能夠對當前水體小環境狀態做出針對性評價。第一，通過硅藻指數能夠對水體流速情況做出評估和判斷。水體流速狀態的變化會對水環境當中硅藻的多樣性造成一定的影響，一般來說，高流速水域當中，硅藻生長多樣性指數較高，而低流速水域當中硅藻生長多樣性指數則較低；第二，依托硅藻指數能夠掌握水環境的平均溫度狀態。作為影響硅藻生長沉積的另一項重要因素，不同種屬的硅藻能夠適應的溫度狀態也存在一定的差異，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，通過對水環境當中的硅藻指數展開分析，還有助于監測部門掌握水環境內部pH值的變化情況以及鹽度值的變化情況，并為水環境評估治理工作的開展提供參考數據；第四，硅藻指數還與水環境內部的營養狀態息息相關，通常來說，水環境營養含量越高，其內部硅藻生長多樣化指數越高，而水體營養含量越低，硅藻生長多樣化指數則越低。

1.3 掌握水環境內部生物分布情況

作為水環境微生物的一項重要代表，基于硅藻指數開展水環境監測與評價工作具有反應靈敏、成本低廉等優勢和特點，因此通過對水環境內部硅藻指數進行分析，能夠更加直觀全面地掌握水環境內部的生物生長狀態及其分布情況，更加細致地了解到人類活動以及日常生產生活對于水下生物造成的一系列影響，同時還能清晰感知水下污染的發展動向以及發展趨勢，有效提升污染治理效果。

2 硅藻在水環境中的指示方法

隨著技術的不斷發展和進步，硅藻在水環境監測評價工作當中的應用價值得到了充分體現，相關技術人員應當針對硅藻在水環境當中的一系列指示方法進行深入探究和梳理，為后續工作的開展奠定基礎。

2.1 硅藻屬指數

基于上文能夠得知，水環境當中生長的硅藻生物按照形態進行劃分一般可分為中心硅藻綱以及羽紋硅藻綱等兩個主要類別，而中心硅藻綱當中還涵蓋了圓篩藻目、根管藻目、盒型藻目等，羽紋硅藻綱當中則下轄無殼藻目、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境各不相同，在水環境當中的表現也形成了一定的差異。為了更好地針對水體水質進行監測和評估，監測技術人員可采用硅藻屬指數（GI）針對當下水環境狀態進行相應分析，從而掌握水環境內部的污染發展狀態。所謂硅藻屬指數（GI），主要指的是不同種屬硅藻生物在水環境當中的豐度比值，當硅藻屬指數較高時，水體環境內部的污染狀態則較為嚴重，而當硅藻屬指數較低時，水環境內部的環境保持狀態則較為良好。在水環境監測評價實踐工作的開展過程當中能夠發現，硅藻屬指數（GI）的應用具有成本低廉，測定便捷等優勢，但對于水環境特性則提出了一定的要求，一般可與其他硅藻指數進行配合運用。

2.2 硅藻模型相似性指數

基于上文能夠得知，在水環境的發展變化過程當中，其內部硅藻生物的生長分布狀態與水體流速、水環境溫度、水體pH值、水體鹽度以及水環境營養元素含量等多項元素相關聯，因此硅藻在不同地區水環境當中所呈現出的生長分布情況與理想狀態下水環境當中硅藻生長情況也會展現出一定的差異?；诠柙迥Ｐ拖嗨菩灾笖担軌驅λh境周邊自然狀態以及自然條件進行全面整合，并結合DMA模型針對理想情況下水環境變化情況以及硅藻的生長情況做出模擬和分析，使監測機構能夠將理想值與實際值進行比對，進而掌握水環境的變化狀態以及變化情況，從而為水環境治理與評估工作提供便利。硅藻模型相似性指數（DMA）監測應用過程中，其數據指標往往與水環境污染狀態呈反比，當DMA指數較高時，理想狀態下的硅藻生長分布情況與樣本狀態之間的相似度較高，當前水環境污染狀態較輕，而當DMA指數較低時，理想狀態下硅藻生長分布情況與樣本狀態之間的相似度較低，水污染現象較為明顯。這一監測指示方法較為靈敏，最終的監測結果較為客觀準確。但在組織進行環境監測工作之前，技術部門需要更加全面地針對水環境條件要素進行歸納與整合，這給DMA監測評價方法的推廣與應用帶來了一定的難度和挑戰[2]。

2.3 生物硅藻指數

生物硅藻指數又稱BDI指數，指的是一定水環境當中不同類別硅藻生物的分布情況以及出現頻次，通過針對BDI指數進行分析，能夠較為全面完整地了解當下水環境污染與發展狀態，這一指示方法的環境適應能力較為充分，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 湖泊富營養化硅藻指數

對富營養化硅藻指數（TDIL）進行測定與分析，能夠對水環境當中沉積的營養元素進行充分研究和判斷，進而掌握水環境當中受污染情況。通常來說，TDIL指數與水環境當中的污染狀態成正比，當指數表現越高時，水環境當中的污染現象越嚴重。具體指標分級以及狀態分析情況如表1所示。

表1 湖泊富營養化硅藻指數（TDIL）的指標分級與對應狀態

雖然湖泊富營養化硅藻指數的研究和分析具備較為完善的量化標準，但其對于復雜水系環境的適應能力較差，應用范圍也較為狹小。

2.5 營養指數

在一些規模較小的湖泊水系當中，監測機構還可以采用營養指數對水環境面臨的污染威脅以及污染風險進行針對性監控與評價。營養指數又稱DI指數，指的是水環境當中營養元素的富集程度，指數分布于1.00～5.00之間，且與水環境當中營養元素的富集狀態成正比，具體對應關系如表2所示。

表2 營養指數（DI）與水環境營養元素富集狀態的對應關系

基于營養指數DI對水系環境當中的營養元素富集狀態以及污染狀態進行評估和分析，能夠直觀掌握較短周期內水環境的相關變化情況，但對于長時間的水環境變化情況監測評價存在一定的難度，最終的評價結果也可能存在一定的偏差。

3 基于硅藻指數進行水環境監測評價工作的注意事項

作為一項專業性與實踐性較強的科研工作，基于硅藻指數針對特定水域開展水環境監測與評價工作具有較為復雜的流程和要求，因此相關監測機構及其技術人員應當做好相關注意事項的研究和分析工作，盡可能規避硅藻指數監測評價工作當中存在的風險與挑戰，使最終的監測評價結果更加準確可靠[3]。

3.1 分析硅藻指數在水環境監測工作中的適用性

基于上文能夠得知，在水環境監測評價工作當中常用的硅藻指數包括硅藻屬指數（GI）、硅藻模型相似性指數（DMA）、生物硅藻指數（BDI）、湖泊富營養化硅藻指數（TDIL）以及營養指數（DI）等多項不同類別，這些類別對于水環境及其周邊環境條件的適應能力存在一定的差異，因此為了更好地實現水環境監測評價工作目標以及工作要求，強化硅藻指數在水環境監測工作當中的應用效果，監測技術團隊應當針對性分析不同硅藻指數在水環境監測工作當中的適用性，從而使最終獲取到的指數數據能夠較為準確客觀地反映出現階段水環境的污染情況，為水環境的治理與保護工作提供支持。經研究表明，以膨大橋彎藻、弧形峨眉藻等為代表的硅藻類別對于水環境當中中等營養富集程度以下的狀態較為敏感，而以小片菱形藻為代表的硅藻類別則對于水環境當中的富營養狀態較為敏感，相關技術團隊在組織開展監測評價工作之前，應當針對水系周邊環境條件進行初步分析，并結合實際情況優化對于硅藻指數的選定與運用，使其能夠更好地在水環境監測評價工作當中發揮出針對性作用。

3.2 嚴格控制取樣研究流程與方法

作為直接影響硅藻指數監測評價結果的一項關鍵性要素，強化對取樣研究流程以及取樣方法的控制，能夠針對性減少風險因素帶來的影響，盡可能保障監測評價結果的合理性，提升硅藻指數應用效果。

首先，需要針對樣品采集流程與要求進行規范。一般來說，水生硅藻的著生基質以天然基質為主，因此監測機構技術團隊在進行采樣的過程當中，應優先將水下石塊、枯木或構筑物等物體作為取樣目標，從而保障樣品采集的規范有序，為接下來的分析處理工作奠定基礎。在樣品采集過程當中，為了提升樣品質量，研究人員還需要采用福爾馬林等試劑對硅藻樣品進行保存，減少樣品氧化或干燥等情況的發生，更好地滿足基于硅藻指數進行的水環境監測與評價工作要求[4]。

其次，在進行分析驗證之前，需要針對硅藻樣品進行預處理，強化樣品純凈度，減少樣品內部雜質造成的影響。分析團隊應當結合預期方案要求，將硅藻樣品分別進行離心、消解、清洗、封片等工作，使硅藻樣品能夠滿足觀察計數技術流程的相關要求。

最后，需要針對樣品的表現情況進行觀察和分析。技術團隊可結合硅藻樣品的表現情況合理選擇BX-53光學顯微鏡或SU8010 SEM電子掃描顯微鏡針對樣品狀態進行計數與鑒定，從而更加細致準確地掌握硅藻樣品的種類及其在單位環境條件下的生長與分布情況，為實現水環境監測與評價工作目標提供支持。

3.3 測定環境因子

水環境當中影響硅藻生長分布的因子和要素較為豐富，其中涵蓋了水環境流速、溫度、pH值、溶解氧、電導率等多項指標內容，技術團隊同樣也需要基于目標水域進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法等相關技術策略對水環境條件當中各項因子發展情況進行測定，從而強化水污染治理方案的針對性。

3.4 開展數據分析

在數據分析環節，涵蓋了硅藻多樣性指數、綜合營養狀態指數、聚類分析、加權回歸分析等多項內容。

首先，需要借助香農多樣性指數算法以及辛普森指數算法針對目標水域硅藻樣品的生長多樣性情況做出相應評價，具體公式為：

式中，H為一定水環境當中硅藻樣品的香農多樣性指數，ni為第i種硅藻類別的殼面數目，N為水環境內部樣品采集目標點位硅藻殼面總數。D為硅藻樣品的辛普森多樣性指數，P為樣品采集的硅藻個體總量。

其次，需要針對水環境當中目標點位的綜合營養狀態指數進行計算和分析，具體公式為：

式中，TLI代表目標水域基于硅藻指數進行判斷的綜合營養狀態，Wi代表第i項指標的營養狀態指數權重，rij代表樣品指標與理想狀態參數之間的聯系系數，m表示指標總數量。

最后，技術團隊還需要依托樹狀圖分類法、McQuity平均鏈接法等技術手段以及技術方式針對樣品分析結果展開聚類分析以及加權回歸分析，使硅藻樣品對于水環境的適應能力與耐受能力得到更加直觀可靠的分析與評價，有效提升評價結果準確度。

3.5 基于理化指標進行總體評價

當數據分析完成后，監測團隊以及技術團隊需要基于理化指標針對水環境當中硅藻的生長分布情況以及水污染狀態進行綜合分析以及總體評價，從而更加準確地掌握水環境當中氮、磷、鉀等不同類別營養元素的富集狀態，使監測機構能夠更加準確地針對水系內部可能產生的污染源頭進行跟蹤追溯，有效提升污染監測與評價工作水平[5]。

第一，需要基于樣品總磷濃度情況對水域內部營養富集情況進行分析和驗證，掌握不同樣品采集點位當中的水環境營養狀態，并將其納入統一的監測平臺當中，形成可視化的數據圖表，直觀展現各樣品采集點位總磷濃度等級以及綜合營養分布狀態。

第二，需要借助硅藻樣品監測分析結果得到不同點位水環境化學需氧量的發展變化情況，進而推導出水環境內部發展狀態及其對于污染現象的抵抗能力，強化監測團隊對于目標水域的總體分析水平。

第三，需借助TLI（綜合營養狀態指數）針對目標水域的污染情況做出評價和分析，結合不同位置樣品總磷、總氮以及化學需氧量所表現出的差異性進行綜合比對，使水環境當中各類營養元素的富集現象得到更加有效的梳理和分析，保障控制工作的針對性。

4 結論

綜上所述，作為水環境發展過程當中的一項關鍵點，針對不同種屬水生硅藻的分布和生長情況進行監測和評價，能夠有效掌握水環境的營養元素富集情況及其污染擴散發展情況，使水環境監測和評價工作的開展獲取到更加科學的支持和助力，實現水環境保護工作的發展目標。