余海霞,來 勇,趙佳佳,周侶艷,何 平,張麗娜
(杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站,浙江 杭州 310007)
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城市河道浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)的指示作用
余海霞,來勇,趙佳佳,周侶艷,何平,張麗娜
(杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站,浙江 杭州 310007)
以杭州市"五水共治"打造的生態(tài)示范河道為研究對象,同步監(jiān)測其水質(zhì)和浮游植物的種類及數(shù)量,并選用Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)表征5條河道的水質(zhì)狀況,將水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和浮游植物群落多樣性指數(shù)表征的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明,浮游植物群落多樣性指數(shù)對河道水質(zhì)具有一定的指示作用,但與實際水質(zhì)存在差距。當(dāng)河道水質(zhì)狀況較好(Ⅳ類以上)時,用Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)表征水質(zhì)狀況較好;當(dāng)河道水質(zhì)污染較嚴(yán)重(Ⅴ類或劣Ⅴ類)時,用Margalef指數(shù)表征水質(zhì)可獲得比較理想的結(jié)果。
城市河道;浮游植物;多樣性;水質(zhì)
浮游植物不僅是水域生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)者,而且是水中溶解氧的主要供應(yīng)者,其種類組成、群落結(jié)構(gòu)和豐度變化,直接影響水體水質(zhì)、系統(tǒng)內(nèi)能量流、物質(zhì)流和生物資源變動[1]。多樣性指數(shù)是用來描述群落多樣性的統(tǒng)計量。在生態(tài)學(xué)中,它被用來描述生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性[2]。利用浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性來評價水體生態(tài)環(huán)境是一種有效的方法,且得到越來越廣泛的應(yīng)用[3-4]。用浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性來表征水體水質(zhì)狀況一般都是采用多種多樣性指數(shù)同時說明,但有時候得到的結(jié)果卻不盡相同。因此,如何選擇浮游植物群落多樣性指數(shù)表征水體水質(zhì)狀況是一個值得研究的問題。
作者選擇2014年杭州市“五水共治”(治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水)打造的5條生態(tài)示范河道作為研究對象,同步監(jiān)測其水質(zhì)和浮游植物的種類及數(shù)量,并選擇使用頻率相對較高的3種浮游植物群落多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)[5-8])來表征5條河道的水質(zhì)狀況,并將水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和浮游植物群落多樣性指數(shù)表征結(jié)果進(jìn)行比較,藉此對杭州市城區(qū)河道如何選取浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)進(jìn)行評價提供參考。
1.1監(jiān)測對象和時間
以5條生態(tài)示范河道中河南段(上城區(qū))、西環(huán)河(西湖區(qū))、康橋新開河(拱墅區(qū))、北大河(下城區(qū))和東風(fēng)港(江干區(qū))作為監(jiān)測對象,5條河道的基本情況見表1。
表15條河道的基本情況
Tab.1 Basic situation of 5 rivers
2015年4月至2015年12月共分四季對5條河道分別進(jìn)行采樣,用于水質(zhì)及浮游植物的定性、定量分析。
1.2水質(zhì)中理化因子的測定
與浮游植物樣品同步采集并測定水質(zhì)中主要理化因子,包括DO、CODMn、NH3-N、TN、TP,測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》;同時參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)來評價水質(zhì)狀況和受污染的程度。水質(zhì)類別判定參照表2。
表2 水質(zhì)定性評價分級
1.3浮游植物樣品的采集與處理方法
浮游植物的采樣和觀察方法按常規(guī)浮游生物調(diào)查方法進(jìn)行。定量標(biāo)本:每個水樣用采水器采水1 L,立即加入15 mL魯哥氏液固定,靜置24 h以上。用虹吸法將上清液緩慢吸出,剩下30~50 mL沉淀液倒入定量瓶中,加入1~2 mL甲醛固定液,定量至10 mL,將樣品置于0.1 mL計數(shù)框內(nèi),在顯微鏡400倍下觀察計數(shù),浮游植物鑒別到種。根據(jù)每種浮游生物的平均濕重,換算成每升水中的浮游生物量[9]。
定性標(biāo)本:用 25號浮游生物網(wǎng)在水面下?lián)迫?,?jīng)甲醛固定后帶回實驗室進(jìn)行鑒定。物種鑒定主要依據(jù)《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[10]、《藻類名詞及名稱》[11]、《淡水微型生物圖譜》[12]和《浙江省主要常見淡水藻類圖集》[13]。
1.4數(shù)據(jù)處理
采用Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)對5條河道浮游植物群落多樣性進(jìn)行評價。
(1)Shannon-Wiener指數(shù)(H′)
式中:S 為生物的種類數(shù);N 為群落的個體總數(shù);ni為i 種的個體數(shù)。
(2)Margalef指數(shù)(M)
(3)Pielou指數(shù)(E)
式中:H為實測多樣性。
(4)評價方法
用浮游植物群落多樣性指數(shù)對河道水質(zhì)進(jìn)行評價的標(biāo)準(zhǔn)見表3。一般來講,多樣性指數(shù)越高,表示水質(zhì)狀況越好[14-16]。
表3浮游植物群落多樣性指數(shù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)
Tab.3 The assessment standard of water quality with phytoplankton community diversity index
2.1水質(zhì)狀況
5條河道2015年四季水質(zhì)狀況見表4。
從表4可以看出,除中河南段水質(zhì)狀況一直保持Ⅱ類(優(yōu))外,其它4條河道四季水質(zhì)狀況不太穩(wěn)定,康橋新開河四季水質(zhì)狀況變化范圍為Ⅱ~Ⅴ類,西環(huán)河、北大河以及東風(fēng)港四季水質(zhì)變化范圍基本為Ⅳ~劣Ⅴ類。主要污染因子為氨氮和總磷,偶有部分河道存在
表45條河道水質(zhì)狀況
Tab.4 The water quality of 5 rivers
溶氧、CODMn指標(biāo)較差的情況。5條河道全年平均水質(zhì)狀況排序為:中河南段>康橋新開河>西環(huán)河=北大河=東風(fēng)港。
2.2藻類的種類組成
5條河道藻類的種類組成見圖1。
由圖1可知,春季監(jiān)測共檢出藻類45種,隸屬于6門,以綠藻門為主。其中,綠藻門有15種,占總種數(shù)的33%;硅藻門有13種,占總種數(shù)的29%;藍(lán)藻門有7種,占總種數(shù)的16%;裸藻門有6種,占總種數(shù)的13%;隱藻門有2種,占總種數(shù)的4%;金藻門有2種,占總種數(shù)的4%。
夏季共檢出藻類81種,隸屬于7門,以綠藻門為主。其中,綠藻門有31種,總占種數(shù)的38%;硅藻門有18種,占總種數(shù)的22%;藍(lán)藻門有15種,占總種數(shù)的19%;裸藻門有12種,占總種數(shù)的15%;甲藻門有3種,占總種數(shù)的4%;黃藻門和隱藻門均有1種,占總種數(shù)的1%。
秋季共檢出藻類76種,隸屬于6門,以綠藻門為主。其中,綠藻門有32種,總占種數(shù)的42%;硅藻門有18種,占總種數(shù)的24%;藍(lán)藻門有13種,占總種數(shù)的17%;裸藻門有9種,占總種數(shù)的12%;甲藻門和隱藻門均有2種,占總種數(shù)的3%。
圖1 5條河道浮游植物種類組成
冬季共檢出藻類52種,隸屬于6門,以硅藻門為主。其中,硅藻門有23種,占總種數(shù)的44%;綠藻門有19種,占總種數(shù)的37%;藍(lán)藻門有4種,占總種數(shù)的8%;金藻門有3種,占總種數(shù)的6%;隱藻門有2種,占總種數(shù)的4%;裸藻門有1種,占總種數(shù)的2%。
2.3浮游植物群落多樣性指數(shù)
對5條河道所檢出的浮游植物種類及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析,得出浮游植物群落多樣性指數(shù)如表5所示。
從表5可以看出, 3種浮游植物群落多樣性指數(shù)四季并無明顯的相關(guān)性。總的來講,Shannon-Wiener指數(shù)和 Pielou指數(shù)有較好的一致性, Margalef指數(shù)和其它兩種多樣性指數(shù)四季表現(xiàn)差異較大。對于不同河道來講,3種浮游植物群落多樣性指數(shù)極值出現(xiàn)的季節(jié)也不相同。
表5浮游植物群落多樣性指數(shù)季節(jié)性變化
Tab.5 Seasonal variation of phytoplankton
對5條河道的年均浮游植物群落多樣性指數(shù)進(jìn)行比較,結(jié)果見圖2。
圖25條河道年均浮游植物群落多樣性指數(shù)比較
Fig.2Comparison of annual average phytoplankton community diversity index of 5 rivers
由圖2可知,Shannon-Wiener指數(shù)平均值順序表現(xiàn)為西環(huán)河>中河南段>康橋新開河>北大河>東風(fēng)港;Margalef指數(shù)平均值順序表現(xiàn)為西環(huán)河>東風(fēng)港>北大河>中河南段>康橋新開河;Pielou指數(shù)平均值順序表現(xiàn)為中河南段>西環(huán)河>康橋新開河=北大河>東風(fēng)港,Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)對河道水質(zhì)的指示作用具有較好的一致性。
2.4水質(zhì)狀況和浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)指示作用的比較 (表6)
表6水質(zhì)監(jiān)測和浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)指示作用的比較
Tab.6 Comparison of water qualities of 5 rivers monitored and indicated by phytoplankton community diversity index
注:“優(yōu)”指水質(zhì)優(yōu),“良”指水質(zhì)良好,“輕”指輕度污染,“中”指中度污染,“重”指重度污染。
由表6可知,Margalef指數(shù)對水質(zhì)的指示作用與Shannon-Wiener、Pielou指數(shù)相比差別較大。Margalef指數(shù)表明,5條河道四季水質(zhì)狀況均較差,基本都是重度污染。Shannon-Wiener、Pielou指數(shù)對水質(zhì)的指示作用具有較好的一致性。5條河道四季采樣分析共計20個數(shù)據(jù),顯示水質(zhì)狀況相同的有12個,比例為60%??偟膩碇v,Margalef指數(shù)指示的水質(zhì)狀況較Shannon-Wiener、Pielou指數(shù)差。
河道水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)指示的結(jié)果表明,水質(zhì)監(jiān)測所顯示的水質(zhì)狀況和浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)指示的結(jié)果不盡相同,而且差異較大。以中河南段為例,由于錢塘江配水的結(jié)果,中河南段水質(zhì)各項指標(biāo)均能保持在地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以上,水質(zhì)狀況為優(yōu)。而Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)均顯示其水質(zhì)有輕度至中度污染,Margalef指數(shù)顯示其水質(zhì)為重度污染??禈蛐麻_河水質(zhì)在5條河道中僅次于中河南段水質(zhì),但Margalef指數(shù)同樣顯示其水質(zhì)為重度污染。相比之下,Shannon-Wiener、Pielou指數(shù)顯示水質(zhì)狀況與實際水質(zhì)狀況接近。而對于水質(zhì)監(jiān)測顯示水質(zhì)較差的北大河、東風(fēng)港兩條河道,結(jié)果正好相反。Margalef指數(shù)指示的水質(zhì)狀況與監(jiān)測情況接近,而Shannon-Wiener、Pielou指數(shù)指示的水質(zhì)污染狀況相對較輕。
通過比較杭州市5條經(jīng)過生態(tài)整治河道實測水質(zhì)結(jié)果和浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)的指示結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:
(1)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明,中河南段全年水質(zhì)優(yōu);康橋新開河全年水質(zhì)變化較大,四季變化范圍為Ⅱ~Ⅴ類,全年平均水質(zhì)Ⅲ類;其它3條河道全年平均水質(zhì)均為劣Ⅴ類。5條河道全年平均水質(zhì)狀況排序為:中河南段>康橋新開河>西環(huán)河=北大河=東風(fēng)港。
(2)浮游植物群落多樣性指數(shù)分析結(jié)果表明,5條河道Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)具有較好的一致性,Margalef指數(shù)與前兩者相關(guān)性較差。對5條河道的浮游植物群落多樣性指數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),Shannon-Wiener指數(shù)平均值順序表現(xiàn)為西環(huán)河>中河南段>康橋新開河>北大河>東風(fēng)港;Margalef指數(shù)平均值順序表現(xiàn)為西環(huán)河>東風(fēng)港>北大河>中河南段>康橋新開河;Pielou指數(shù)平均值順序表現(xiàn)為中河南段>西環(huán)河>新開河=北大河>東風(fēng)港。
(3)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)的指示結(jié)果比較表明,浮游植物群落多樣性指數(shù)對河道水質(zhì)具有一定的指示作用,但與實際水質(zhì)存在差距,只能作為水質(zhì)狀況的補充說明或表明河道生態(tài)狀況。當(dāng)河道水質(zhì)狀況較好(Ⅳ類以上)時,用Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)表征水質(zhì)狀況較好;當(dāng)河道水質(zhì)污染較嚴(yán)重(Ⅴ類或劣Ⅴ類)時,用Margalef指數(shù)表征河道水質(zhì)可獲得比較理想的結(jié)果。
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Water Quality Indication of Phytoplankton Community Diversity Index in Urban Rivers
YU Hai-xia,LAI Yong,ZHAO Jia-jia,ZHOU Lü-yan,HE Ping,ZHANG Li-na
(HangzhouEnvironmentalMonitoringCenter,Hangzhou310007,China)
TakingtheecologicaldemonstrationriversconstructedinHangzhouunderthebackgroundof"Five-waterGovernance"astheresearchobject.Thewaterquality,thespeciescompositionanddistributionofphytoplanktonweresynchronouslymonitored.Thewaterqualitiesof5riversmonitoredandindicatedbyphytoplanktoncommunitydiversitywithShannon-Wienerindex,MargalefindexandPielouindexwerecompared.Theresultsshowedthatphytoplanktoncommunitydiversityindexhadacertainindicationfunctionofwaterquality.Buttherewasadifferencebetweentheresultsmonitoredandindicated.Shannon-WienerindexandPielouindexshouldbechosentoindicatethewaterqualityofurbanriverwhenthewaterqualitywasgood(ClassⅣorabove),whereasMargalefindexshouldbeinvolvedwhenthewaterwasseriouspolluted(ClassⅤorbelow).
urbanriver;phytoplankton;diversity;waterquality
杭州市科技局計劃項目(20140533B08)
2016-06-24
余海霞(1977-),女,湖北武漢人,高級工程師,主要從事環(huán)境監(jiān)測及相關(guān)工作,E-mail:yuhx46@126.com。
10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.008
Q 948.155
A
1672-5425(2016)09-0032-05
余海霞,來勇,趙佳佳,等.城市河道浮游植物群落多樣性指數(shù)對水質(zhì)的指示作用[J].化學(xué)與生物工程,2016,33(9):32-36.