董立新，周緒申

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

浮游植物多樣性指數(shù)在內(nèi)陸水體污染類型評(píng)價(jià)中的應(yīng)用簡(jiǎn)述

董立新1，周緒申2

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

在對(duì)幾種常用的浮游植物多樣性指數(shù)進(jìn)行綜合歸納的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹了其優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍及應(yīng)用頻度。以其作為浮游植物多樣性評(píng)價(jià)的常備工具，分析了其在海河流域地表水評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用。

浮游植物；多樣性指數(shù)；水體污染類型

1 生物多樣性簡(jiǎn)介

生物多樣性（Biodiversity）是指一定空間范圍內(nèi)多樣性有機(jī)體（動(dòng)物、植物、微生物）有規(guī)律地結(jié)合在一起的總稱，它是對(duì)自然界生態(tài)平衡基本規(guī)律簡(jiǎn)明的科學(xué)概括，也是衡量生產(chǎn)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(guó)人口的迅速增長(zhǎng)，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷加劇，作為人類生存最重要的基礎(chǔ)生物多樣性受到嚴(yán)重威脅?！盁o(wú)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(guó)于1988—1992年間加入《生物多樣性公約》，并由多個(gè)部委成立工作協(xié)調(diào)組，對(duì)生物多樣性進(jìn)行保護(hù)和管理[3]。

內(nèi)陸水域是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，由浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、水生昆蟲、底生藻類、水生維管束植物、腐屑和細(xì)菌以及攝食各種生物的多種魚類構(gòu)成[4]，浮游植物是內(nèi)陸水域生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)水體環(huán)境污染較敏感，其種類組成、群落結(jié)構(gòu)、生物量等指標(biāo)是水體污染類型的重要指標(biāo)，同時(shí)也為評(píng)價(jià)水體質(zhì)量的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者把浮游植物多樣性作為指示生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)。筆者把相關(guān)文獻(xiàn)和資料中常用的浮游植物多樣性指數(shù)作了綜合歸納，簡(jiǎn)要介紹了其優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍及應(yīng)用頻度等，作為浮游植物多樣性評(píng)價(jià)的常備工具。

2 內(nèi)陸水域評(píng)價(jià)中常用生物多樣性指數(shù)

一般來(lái)講，多樣性指數(shù)取決于3個(gè)因素，即種類多寡、個(gè)體豐富度及均勻度，除個(gè)別多樣性指數(shù)外，不考慮種的指示意義，只考慮群落結(jié)構(gòu)特征[5]。浮游植物在內(nèi)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(duì)其公式、污染類型評(píng)價(jià)等分別進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

2.1 Margalef Index

其計(jì)算公式為：

式中：D為多樣性指標(biāo)；S為種數(shù)；N為總個(gè)體數(shù)。

當(dāng)D值大于5時(shí)水體屬清潔類型，4～5時(shí)屬寡污帶，3～4時(shí)屬β－中污型，0～3時(shí)屬α－中污－重污型[6]。

此公式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可行、易于計(jì)算，但只考慮了種類的數(shù)量與個(gè)體數(shù)之間的關(guān)系，沒有考慮個(gè)體數(shù)在各個(gè)種類間的分配情況，且受計(jì)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(gè)體數(shù)的對(duì)數(shù)值lnN具有線性關(guān)系，其實(shí)未必一定如此[7]。D值越大，水質(zhì)越好。不過D值受樣方大小的影響較為明顯。有人應(yīng)用Margalef多樣性指數(shù)進(jìn)行了魚類種群多樣性的比較，認(rèn)為只有在2個(gè)區(qū)域的自然生態(tài)條件相當(dāng)時(shí)才有較好的可比性[8]。

2.2 Shannon-Wiener Index

其計(jì)算公式為：

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

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

該指數(shù)是以種群落結(jié)構(gòu)特征為考慮對(duì)象，將種類多寡、個(gè)體豐度及均勻性3個(gè)因素壓縮成一個(gè)信息來(lái)計(jì)算的。從理論上講，H'（S）值可用于任何一個(gè)生物類群，但實(shí)際應(yīng)用中以底棲動(dòng)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(gè)分類單元即可，或全部分類到屬或到科均可計(jì)算H'（S）值），但分類越細(xì)，靈敏度越好，H'（S）值越精確。有學(xué)者認(rèn)為分類水平越細(xì)，H'（S）值也就越高，因而認(rèn)為應(yīng)分類到種[10]。

理論和實(shí)踐均表明H'（S）值對(duì)稀有種類反應(yīng)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(jīng)消失，然而由于種的個(gè)體豐富度、均勻度的增加，H'（S）值并不一定降低，此時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮種類或優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度等群落參數(shù)。H'（S）值不僅對(duì)污染有反應(yīng)，也對(duì)其它環(huán)境因素有反應(yīng)，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(wú)污染，但有時(shí)H'（S）值卻低于3。因此，在使用本參數(shù)時(shí)最好有3個(gè)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(jì)算公式為：

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

當(dāng)D值小于2時(shí)水體屬嚴(yán)重污染，2～3時(shí)屬中度污染，4～6時(shí)屬輕度污染，大于6時(shí)清潔。

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

2.4 Evenness Index

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

（1）Pielou均勻度指數(shù)計(jì)算公式為：

因H'max=lgS，則均勻度e計(jì)算公式為：

當(dāng)e值為0～0.3時(shí)水體屬重污染，0.3～0.5時(shí)屬中污染，0.5～0.8時(shí)屬輕度污染或無(wú)污染。

（2）Lloyd-Gherlardi均勻度指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Si為第i個(gè)采樣點(diǎn)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(gè)體數(shù)目分配的均勻程度。

當(dāng)E值小于0.3時(shí)水體屬多污帶，0.3～0.4時(shí)屬α－中污帶，0.4～0.5時(shí)屬β－中污帶，大于0.5時(shí)屬寡污帶。

2.5 藻類綜合指數(shù)

藻類綜合指數(shù)計(jì)算公式為：

當(dāng)K值小于1時(shí)水體屬貧營(yíng)養(yǎng)，1～3時(shí)屬中營(yíng)養(yǎng)，大于3時(shí)屬富營(yíng)養(yǎng)[11]。

2.6 硅藻生物指數(shù)

硅藻生物指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：DBI為硅藻生物指數(shù)；A為不耐有機(jī)污染的種類數(shù)；B為適應(yīng)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(dāng)DBI值為0時(shí)水體屬多污帶，0～100時(shí)屬α-中污帶，100～150時(shí)屬β-中污帶，大于150時(shí)屬寡污帶。

2.7 Saprobic Index

其計(jì)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(gè)體豐度，可用從1—5等級(jí)表示，其中1級(jí)種類極少、2級(jí)種類少、3級(jí)種類較多、4級(jí)種類多、5級(jí)種類極多[12]。

當(dāng)S值為1.0～1.5時(shí)水體屬輕污帶，1.5～2.5時(shí)屬中污帶，2.5～3.5時(shí)屬重污染，3.5～4.0時(shí)屬嚴(yán)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(duì)象[14]。其Bip值計(jì)算公式為：

式中：A為含葉綠體個(gè)體數(shù)；B為不含葉綠體個(gè)體數(shù)。

當(dāng)Bip值為0～8時(shí)水體屬天然凈水，8～20時(shí)屬弱污染，21～60時(shí)屬中污染，60～100時(shí)屬重污染。

2.9 Beck指數(shù)

Beck指數(shù)以浮游植物為對(duì)象，其計(jì)算公式為：

式中：A為污染敏感種數(shù)；B為耐污染種數(shù)。

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

3 多樣性指數(shù)在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

3.1 多樣性指數(shù)在內(nèi)陸水域污染評(píng)價(jià)的應(yīng)用

王鵬等[12]采用硅藻生物指數(shù)DBI和污生指數(shù)S對(duì)大伙房水庫(kù)源區(qū)3條河浮游植物進(jìn)行了生物學(xué)評(píng)價(jià)。張鳴等[15]運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對(duì)遼河三角洲區(qū)域進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王朝暉等[16]應(yīng)用Shan?non-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Mc?Naughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，對(duì)廣東省19座典型大中型水庫(kù)的浮游植物狀況進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。王勇等[17]運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對(duì)黃河干流浮游植物進(jìn)行了評(píng)價(jià)。潘靜等[18]運(yùn)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(duì)草海浮游植物進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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(duì)烏江沙砣水電站庫(kù)區(qū)浮游植物進(jìn)行了評(píng)價(jià)。馬成學(xué)等[20]運(yùn)用污生指數(shù)對(duì)牡丹江浮游植物進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

3.2 多樣性指數(shù)在海河流域水域的應(yīng)用

流域內(nèi)對(duì)多樣性指數(shù)的應(yīng)用也較多。李源等[9]運(yùn)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(duì)白洋淀浮游植物進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。宋芬等[21]運(yùn)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(duì)馬頰河與徒駭河浮游植物進(jìn)行了分析研究。管越強(qiáng)等[22]運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對(duì)拒馬河浮游植物進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。宋立鈞等[23]對(duì)洋河水庫(kù)浮游植物運(yùn)用Mar?galef多樣性指數(shù)和Menkinick多樣性指數(shù)進(jìn)行了多樣性評(píng)價(jià)。

3.3 海河干流浮游植物多樣性評(píng)價(jià)

筆者對(duì)2012年海河干流浮游植物進(jìn)行了調(diào)查，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其多樣性指數(shù)見表1。從數(shù)值結(jié)果來(lái)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(píng)價(jià)，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(yíng)養(yǎng)。綜合藻類多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，海河干流水體污染類型屬中污染；結(jié)合浮游植物生物量及細(xì)胞密度評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，海河干流水體營(yíng)養(yǎng)類型屬富營(yíng)養(yǎng)，且富營(yíng)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?gòu)d水庫(kù)浮游植物多樣性評(píng)價(jià)

筆者對(duì)2011年6—7月官?gòu)d水庫(kù)浮游植物進(jìn)行了調(diào)查，經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(jù)李源等[9]的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，樣點(diǎn)的水體類型為多污帶；Margalef指數(shù)D為1.1，根據(jù)詹玉濤等[6]評(píng)價(jià)方法，水庫(kù)為α－中污－重污型湖泊；Sim?poson多樣性指數(shù)D為2.95，根據(jù)李源等[9]的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，因位于2～3，樣點(diǎn)的水體污染類型為中度污染。從官?gòu)d水庫(kù)浮游植物藻細(xì)胞密度和多樣性指數(shù)來(lái)看，藻細(xì)胞密度較大，種類較少，多樣性指數(shù)總體較小，說(shuō)明浮游植物群落結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較差，參照水庫(kù)水體總磷、總氮等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，說(shuō)明官?gòu)d水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高。

表2 官?gòu)d水庫(kù)浮游植物多樣性指數(shù)

4 討論

通過各文獻(xiàn)分析可知，在河流和湖泊調(diào)查評(píng)價(jià)中，不論是浮游植物、浮游動(dòng)物還是底棲動(dòng)物，應(yīng)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(píng)價(jià)中硅藻指數(shù)應(yīng)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(kù)評(píng)價(jià)中應(yīng)用較多，而在河流評(píng)價(jià)中硅藻生物指數(shù)、污生指數(shù)應(yīng)用較多。

一般來(lái)講，浮游植物的多樣性指數(shù)越高，其群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，穩(wěn)定性越大，水質(zhì)也越好，浮游植物多樣性指數(shù)與水質(zhì)類型的相關(guān)性有待于進(jìn)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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07203-002）

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