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)

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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(shí)際水質(zhì)存在差距。當(dāng)河道水質(zhì)狀況較好(Ⅳ類以上)時(shí)，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(shí)，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(dòng)[1]。多樣性指數(shù)是用來描述群落多樣性的統(tǒng)計(jì)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(jià)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(shí)說明，但有時(shí)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(gè)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(jià)提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1監(jiān)測對象和時(shí)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(shí)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)來評價(jià)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(jià)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(gè)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(jì)數(shù)框內(nèi)，在顯微鏡400倍下觀察計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jià)。

(1)Shannon-Wiener指數(shù)(H′)

式中：S 為生物的種類數(shù)；N 為群落的個(gè)體總數(shù)；ni為i 種的個(gè)體數(shù)。

(2)Margalef指數(shù)(M)

(3)Pielou指數(shù)(E)

式中：H為實(shí)測多樣性。

(4)評價(jià)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(jià)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Tab.3　The assessment standard of water quality with　phytoplankton community diversity index

2　結(jié)果與討論

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?yàn)椋褐泻幽隙?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(jì)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(jì)20個(gè)數(shù)據(jù)，顯示水質(zhì)狀況相同的有12個(gè)，比例為60%。總的來講，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(xiàng)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。康橋新開河水質(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(shí)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。

3　結(jié)論

通過比較杭州市5條經(jīng)過生態(tài)整治河道實(shí)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?yàn)椋褐泻幽隙?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(shí)際水質(zhì)存在差距，只能作為水質(zhì)狀況的補(bǔ)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(shí)，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(shí)，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(jì)劃項(xiàng)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.