浮游植物多樣性指數(shù)在內陸水體污染類型評價中的應用簡述

董立新，周緒申

（1.天津市水利科學研究院，天津 300061；2.海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300170）

浮游植物多樣性指數(shù)在內陸水體污染類型評價中的應用簡述

董立新1，周緒申2

（1.天津市水利科學研究院，天津 300061；2.海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300170）

在對幾種常用的浮游植物多樣性指數(shù)進行綜合歸納的基礎上，簡要介紹了其優(yōu)缺點、應用范圍及應用頻度。以其作為浮游植物多樣性評價的常備工具，分析了其在海河流域地表水評價方面的應用。

浮游植物；多樣性指數(shù)；水體污染類型

1 生物多樣性簡介

生物多樣性（Biodiversity）是指一定空間范圍內多樣性有機體（動物、植物、微生物）有規(guī)律地結合在一起的總稱，它是對自然界生態(tài)平衡基本規(guī)律簡明的科學概括，也是衡量生產發(fā)展是否符合客觀規(guī)律的主要尺度，主要包括遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性[1]。隨著我國人口的迅速增長，人類經濟活動的不斷加劇，作為人類生存最重要的基礎生物多樣性受到嚴重威脅。“無法再現(xiàn)的基因、物種和生態(tài)系統(tǒng)”正以人類歷史上前所未有的速度消失[2]。我國于1988—1992年間加入《生物多樣性公約》，并由多個部委成立工作協(xié)調組，對生物多樣性進行保護和管理[3]。

內陸水域是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，由浮游植物、浮游動物、底棲動物、水生昆蟲、底生藻類、水生維管束植物、腐屑和細菌以及攝食各種生物的多種魚類構成[4]，浮游植物是內陸水域生態(tài)系統(tǒng)初級生產者，對水體環(huán)境污染較敏感，其種類組成、群落結構、生物量等指標是水體污染類型的重要指標，同時也為評價水體質量的重要指標，國內外學者把浮游植物多樣性作為指示生態(tài)環(huán)境實時參數(shù)。筆者把相關文獻和資料中常用的浮游植物多樣性指數(shù)作了綜合歸納，簡要介紹了其優(yōu)缺點、應用范圍及應用頻度等，作為浮游植物多樣性評價的常備工具。

2 內陸水域評價中常用生物多樣性指數(shù)

一般來講，多樣性指數(shù)取決于3個因素，即種類多寡、個體豐富度及均勻度，除個別多樣性指數(shù)外，不考慮種的指示意義，只考慮群落結構特征[5]。浮游植物在內陸水域常用的指數(shù)分別為Margalef多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、藻類綜合指數(shù)、硅藻生物指數(shù)、污生指數(shù)、Bip指數(shù)、Beck指數(shù)等，這里對其公式、污染類型評價等分別進行簡要概述。

2.1 Margalef Index

其計算公式為：

式中：D為多樣性指標；S為種數(shù)；N為總個體數(shù)。

當D值大于5時水體屬清潔類型，4～5時屬寡污帶，3～4時屬β－中污型，0～3時屬α－中污－重污型[6]。

此公式的優(yōu)點是簡單可行、易于計算，但只考慮了種類的數(shù)量與個體數(shù)之間的關系，沒有考慮個體數(shù)在各個種類間的分配情況，且受計數(shù)樣品大小的影響，誤差較大。

與Simpson多樣性指數(shù)相反，Margalef多樣性指數(shù)主要是反映種類多少的一種指數(shù)，它假定種類數(shù)S與總個體數(shù)的對數(shù)值lnN具有線性關系，其實未必一定如此[7]。D值越大，水質越好。不過D值受樣方大小的影響較為明顯。有人應用Margalef多樣性指數(shù)進行了魚類種群多樣性的比較，認為只有在2個區(qū)域的自然生態(tài)條件相當時才有較好的可比性[8]。

2.2 Shannon-Wiener Index

其計算公式為：

式中：H'（S）為多樣性指標；S為種類個數(shù)；N為同一樣品中的個體總數(shù)；ni為第i種的個體數(shù)。

當H'（S）值為0～1時水體屬多污帶，1～2時屬α－中污帶，2～3時屬β－中污帶，大于3時屬寡污帶[9]。

該指數(shù)是以種群落結構特征為考慮對象，將種類多寡、個體豐度及均勻性3個因素壓縮成一個信息來計算的。從理論上講，H'（S）值可用于任何一個生物類群，但實際應用中以底棲動物最多。本指數(shù)要求全部分類鑒定到種（不一定要有種名，只要確定為一個分類單元即可，或全部分類到屬或到科均可計算H'（S）值），但分類越細，靈敏度越好，H'（S）值越精確。有學者認為分類水平越細，H'（S）值也就越高，因而認為應分類到種[10]。

理論和實踐均表明H'（S）值對稀有種類反應不甚靈敏，由于污染特別是輕度毒性污染的影響，某些稀有種類已經消失，然而由于種的個體豐富度、均勻度的增加，H'（S）值并不一定降低，此時應同時考慮種類或優(yōu)勢種的優(yōu)勢度等群落參數(shù)。H'（S）值不僅對污染有反應，也對其它環(huán)境因素有反應，如水深、流速、食物多樣性、生境多樣性，有些小型冷水性河流雖無污染，但有時H'（S）值卻低于3。因此，在使用本參數(shù)時最好有3個以上平行樣品[8]

2.3 Simpson Index

Simpson多樣性指數(shù)有很多變形，筆者采用其中1種[9]，其計算公式為：

式中：D為多樣性指標；n為同一樣品中的個體總數(shù)；ni為第i種的個體數(shù)。

當D值小于2時水體屬嚴重污染，2～3時屬中度污染，4～6時屬輕度污染，大于6時清潔。

樣方大小對D值有一定影響，D值主要受個體豐度較大的種左右，而個體豐度較小的種對其影響不大，因而主要是優(yōu)勢度的一種反映，種類多樣性的意義不強，近年來Simpson多樣性指數(shù)應用越來越少[7]。

2.4 Evenness Index

由上述各種多樣性指數(shù)的計算公式可知，多樣性指數(shù)決定于種類數(shù)S、總個體數(shù)N和每種的個體數(shù)ni。每種的個體數(shù)越接近，即n1≈n2≈…≈ns時，則各種個體數(shù)分布的均勻度（Evenness Index）就越高，反之越低。若把實測的多樣性指數(shù)H'（S）值與一定的S值時較小或最大的H'（S）值相比較，并通過一定公式計算，則可以得到均勻度指數(shù)。

（1）Pielou均勻度指數(shù)計算公式為：

因H'max=lgS，則均勻度e計算公式為：

當e值為0～0.3時水體屬重污染，0.3～0.5時屬中污染，0.5～0.8時屬輕度污染或無污染。

（2）Lloyd-Gherlardi均勻度指數(shù)計算公式為：

式中：Si為第i個采樣點的生物種種數(shù)；S為樣品中的生物總種種數(shù)[8]。該值反映了物種個體數(shù)目分配的均勻程度。

當E值小于0.3時水體屬多污帶，0.3～0.4時屬α－中污帶，0.4～0.5時屬β－中污帶，大于0.5時屬寡污帶。

2.5 藻類綜合指數(shù)

藻類綜合指數(shù)計算公式為：

當K值小于1時水體屬貧營養(yǎng)，1～3時屬中營養(yǎng)，大于3時屬富營養(yǎng)[11]。

2.6 硅藻生物指數(shù)

硅藻生物指數(shù)計算公式為：

式中：DBI為硅藻生物指數(shù)；A為不耐有機污染的種類數(shù)；B為適應性廣的種類數(shù)；C為僅在一中污帶和多污帶中出現(xiàn)的種類數(shù)。

當DBI值為0時水體屬多污帶，0～100時屬α-中污帶，100～150時屬β-中污帶，大于150時屬寡污帶。

2.7 Saprobic Index

其計算公式為：

式中：S為群落的污生指數(shù)；si為不同種類的污生指數(shù)分值，從寡污種到多污種其分值為1—4，其中寡污帶=1、中污帶=2、中污帶=3、多污帶=4；h為該種生物的個體豐度，可用從1—5等級表示，其中1級種類極少、2級種類少、3級種類較多、4級種類多、5級種類極多[12]。

當S值為1.0～1.5時水體屬輕污帶，1.5～2.5時屬中污帶，2.5～3.5時屬重污染，3.5～4.0時屬嚴重污染[13]。

2.8 Bip指數(shù)

生物指數(shù)Bip值，主要以浮游植物為對象[14]。其Bip值計算公式為：

式中：A為含葉綠體個體數(shù)；B為不含葉綠體個體數(shù)。

當Bip值為0～8時水體屬天然凈水，8～20時屬弱污染，21～60時屬中污染，60～100時屬重污染。

2.9 Beck指數(shù)

Beck指數(shù)以浮游植物為對象，其計算公式為：

式中：A為污染敏感種數(shù)；B為耐污染種數(shù)。

當B1值為0～5時水體屬重污染，6～10時屬中污染，11～19時屬輕污染，20時屬清潔水[14]。

3 多樣性指數(shù)在水質評價中的應用

3.1 多樣性指數(shù)在內陸水域污染評價的應用

王鵬等[12]采用硅藻生物指數(shù)DBI和污生指數(shù)S對大伙房水庫源區(qū)3條河浮游植物進行了生物學評價。張鳴等[15]運用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對遼河三角洲區(qū)域進行了評價。王朝暉等[16]應用Shan?non-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Mc?Naughton優(yōu)勢度指數(shù)，對廣東省19座典型大中型水庫的浮游植物狀況進行了分析評價。王勇等[17]運用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對黃河干流浮游植物進行了評價。潘靜等[18]運用Margalef多樣性指數(shù)、Shan?non-Wiener多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)對草海浮游植物進行了評價。晏妮等[19]利用Margalef多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)對烏江沙砣水電站庫區(qū)浮游植物進行了評價。馬成學等[20]運用污生指數(shù)對牡丹江浮游植物進行了分析評價。

3.2 多樣性指數(shù)在海河流域水域的應用

流域內對多樣性指數(shù)的應用也較多。李源等[9]運用Margalef多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Lloyd-Gherlardi均勻度指數(shù)對白洋淀浮游植物進行了分析和評價。宋芬等[21]運用Margalef多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)對馬頰河與徒駭河浮游植物進行了分析研究。管越強等[22]運用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對拒馬河浮游植物進行了分析和評價。宋立鈞等[23]對洋河水庫浮游植物運用Mar?galef多樣性指數(shù)和Menkinick多樣性指數(shù)進行了多樣性評價。

3.3 海河干流浮游植物多樣性評價

筆者對2012年海河干流浮游植物進行了調查，經統(tǒng)計，其多樣性指數(shù)見表1。從數(shù)值結果來看，Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均較低，藻類綜合指數(shù)較高，顯示海河浮游植物多樣性狀況較差。

參照況琪軍等[11]方法評價，Margalef多樣性指數(shù)D為2.51，因＜3，屬α-中污帶；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H'（S）為2.52，因＜3，屬中污染；藻類綜合指數(shù)K為33，因≥3，屬富營養(yǎng)。綜合藻類多樣性指數(shù)評價結果來看，海河干流水體污染類型屬中污染；結合浮游植物生物量及細胞密度評價結果來看，海河干流水體營養(yǎng)類型屬富營養(yǎng)，且富營養(yǎng)化程度較高。

表1 海河干流浮游植物多樣性指數(shù)

3.4 官廳水庫浮游植物多樣性評價

筆者對2011年6—7月官廳水庫浮游植物進行了調查，經統(tǒng)計分析，其多樣性指數(shù)見表2。浮游植物 Shannon-Wiener多樣性指數(shù) H'（S）為 0.75，因位于0～1，根據李源等[9]的水質評價方法，樣點的水體類型為多污帶；Margalef指數(shù)D為1.1，根據詹玉濤等[6]評價方法，水庫為α－中污－重污型湖泊；Sim?poson多樣性指數(shù)D為2.95，根據李源等[9]的水質評價方法，因位于2～3，樣點的水體污染類型為中度污染。從官廳水庫浮游植物藻細胞密度和多樣性指數(shù)來看，藻細胞密度較大，種類較少，多樣性指數(shù)總體較小，說明浮游植物群落結構較簡單，穩(wěn)定性較差，參照水庫水體總磷、總氮等營養(yǎng)鹽濃度，說明官廳水庫水體富營養(yǎng)化程度較高。

表2 官廳水庫浮游植物多樣性指數(shù)

4 討論

通過各文獻分析可知，在河流和湖泊調查評價中，不論是浮游植物、浮游動物還是底棲動物，應用最廣泛的多樣性指數(shù)為Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；在河流水污染評價中硅藻指數(shù)應用廣泛，其次為Simpson多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)（Evenness Index）。

浮游植物Margalef多樣性指數(shù)、Shannon-Wie?ner多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、藻類綜合指數(shù)等在湖庫評價中應用較多，而在河流評價中硅藻生物指數(shù)、污生指數(shù)應用較多。

一般來講，浮游植物的多樣性指數(shù)越高，其群落結構越復雜，穩(wěn)定性越大，水質也越好，浮游植物多樣性指數(shù)與水質類型的相關性有待于進一步分析和研究。

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X824

A

1004-7328（2017）05-0057-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.019

2017—04—15

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07203-002）

董立新（1977—），男，高級工程師，主要從事水資源、水環(huán)境研究規(guī)劃工作。