山西省汾河流域大中型水库浮游植物监测与生物多样性分析

史伟生

（1.太原理工大学 山西太原 030024；2.山西省水环境监测中心 山西太原 030001）

1 浮游植物及其生物多样性

1.1 浮游植物（藻类）

藻类是原生生物界的一类真核生物（有些也为原核生物，如蓝藻门的藻类），又称叶状植物、裂殖植物或孢子植物等，是一群具有色素体、无真正根茎叶和生殖器官分化的单细胞的低等生物。主要为水生，无维管束，能进行光合作用，是浮游植物的最大类群，在本文中所说的浮游植物就是指藻类[2]。

1.2 生物多样性

生物多样性（biodiversity）是指在一定时间和一定地区所有生物物种及其遗传变异和生态系统的复杂性总称。它是生物进化的结果，是人类赖以持续生存的基础。一般认为生物多样性包括物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性三个层次。其中物种多样性是构成生态系统多样性的基本单位，是生物多样性的核心，也是本文研究的主要内容[1]。

物种多样性是指生态系统中动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。物种多样性包括两个方面，其一是指一定区域内的物种丰富程度，可称为区域物种多样性；其二是指生态学方面的物种分布的均匀程度，可称为生态多样性或群落物种多样性。物种多样性是衡量一定地区生物资源丰富程度的一个客观指标[3]。

2 汾河流域大中型水库现状及生物监测

汾河是黄河第二大支流，也是山西省最大的河流，干流全长694km。流域内的四座大中型水库：汾河水库、汾河二库、文峪河水库和浍河水库是汾河上的主要水库，也都是省内关系地方经济发展、生态保护和人民生产生活的重要水库之一。其中汾河水库是省内最大水库，库容为7亿m3，控制流域面积5268km2，也是我省最大的地表饮用水水源地。汾河二库位于汾河水库下游，是一座以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉和发电综合利用的大型水库。而文峪河水库位于汾河的一级支流文峪河上，是全河唯一的大型水库，也是全省六大水库之一。浍河水库系汾河一级支流浍河干流上的一座以防洪、灌溉为主，兼旅游等综合利用的中型水库，控制流域面积1301km2。

山西省水环境监测中心在2011年对流域内这4座大中型水库进行了叶绿素和浮游植物的生物监测，此项工作是汾河水生态监测监控系统建设工程的工作内容之一，也是我省历史上首次对汾河流域上的大中型水库进行浮游植物的监测。

3 采样与监测

根据各水库的流域特征、形态、地理位置和以往开展理化水质监测的经验，在各水库的坝前设置采样点一处，进行水质项目和浮游植物的采样分析。

汾河水库、汾河二库、文峪河水库和浍河水库自2011年8月至12月，对浮游植物进行每月一次的取样监测，由于浍河水库库干，只在10、11、12月份监测浮游植物。

4 浮游植物分析

4.1 种类

现今世界发现的浮游植物有3万多种，共11个门[4]。本次汾河流域的浮游植物监测按照《淡水微型生物图谱—系统、分类及生态》和《中国淡水藻类》的分类系统对浮游植物进行分类。在对四水库的监测中共发现6个门46个属的浮游植物。其中绿藻门最多有2个纲、5个目、12个科、23个属。其次是硅藻门，有2个纲、3个目、5个科、10个属。第三是蓝藻门1个纲、2个目、4个科、6个属。其余三个门的浮游植物都较少，其中甲藻门和隐藻门都各有1个纲、1个目、1个科、1个属，而裸藻门也只有1个纲、1个目、1个科、2个属。

4.2 细胞密度

（1）汾河水库

2011年的8月到12月浮游植物密度在3380.5～298.7万个/L之间，在8到10月浮游植物密度高于《全国重点湖库藻类试点监测技术规程》（暂行）中规定的浮游植物爆发的临界状态，即1000万个/L这一标准。

（2）汾河二库

浮游植物密度在3064.1～74.4万个/L之间，在8、9月浮游植物密度高于浮游植物爆发的临界状态。

（3）文峪河水库

浮游植物密度在2801.5～121.3万个/L，其中10月是四大水库中浮游植物密度最大的。8、9、10三个月份的浮游植物密度高于浮游植物爆发的临界状态。

（4）浍河水库

浍河水库由于前几月库干，10月份才有水，也才有水生浮游植物在其中生长，又赶上冬季到来，水温不高，所以10、11、12月份浮游植物密度都不大，在311.8～47.8万个/L。

5 浮游植物多样性分析

5.1 生物多样性指数

种类多样性指数不考虑种的指示意义，只考虑群落的结构特征。一般说来，多样性指数取决与三个因素，即种类多寡、个体丰度及均匀度。种类多样性受到生态环境的影响，特别与污染程度有关，所以可用多样性指数来反映污染的情况[2]。

目前使用比较多的几种多样性指数是Shannon-Weaver多样性指数（H’）、Cairns连续比较指数、Keefe-BergersenTU指数、Simpson氏多样性指数和Margalef氏多样性指数（D）。尚有它种多样性指数，本文不一一列举。不同的多样性指数的理论基础不同，侧重不一样，所以不是完全等价的。有时受资料性质的限制，只能选用较简单的指数。

本文使用Margalef氏多样性指数（D）法和目前美国主要使用的经Lloyd简化后的Shannon-Weaver多样性指数（H’）法对汾河流域四水库中的浮游植物进行多样化分析。

5.2 经Lloyd简化后的Shannon-Weaver多样性指数（ H’）

5.2.1 分析方法

式中：C——由log10转换为log2的系数，C=3.322；

N——浮游植物个体总数；

ni——第i属的浮游植物个体数。

Shannon-Weaver多样性指数（H’）越小表明水库中浮游植物的生物多样性越小，种类组成越单一，水体可能受到的污染越严重，而数值越大则说明浮游植物生物多样性较好，种类较多且分布均匀，水体污染较轻，爆发水华的风险不大。

5.2.2 分析结果

四水库在绝大多数时间的H’都在2～3之间，说明水库浮游植物的生物多样性和污染状况都处在中等水平。

汾河水库除10月外浮游植物的H’都在2.3以上，说明水库的富营养化程度和浮游植物生物多样性一般，但是变化幅度较大。10月份H’只有1.03，是由于这个月的浮游植物种类比较单一，只有9个属，远小于其余月份发现的14至19个属，优势种的优势度达到91.6%，第一优势种的优势度也达到了78.45%，说明水库中浮游植物的细胞密度都集中到少数几个属上，浮游植物的生物多样性也大幅下降。而11月份在水库中不仅发现了16个属的浮游植物，且优势种的优势度只有47.72%，说明浮游植物在不同属的数量分布上比较平均，浮游植物的生物多样性也较高，H’达到了3。

汾河二库浮游植物的H’都在2.6以上，且变化不大。其中汾河二库10月份浮游植物的H’达到了3.4，这和本月水库中发现了18个属的浮游植物，且浮游植物优势度分布比较平均相对应。

总体来看文峪河水库浮游植物的生物多样性是四个水库中最好的，每个月在水库中发现的浮游植物的属的数量都在13以上，浮游植物优势度的分布也比较平均。相应的浮游植物的H’都在2.6以上，且11和12月都达到了3以上。

浍河水库11月份的H’最低，小于1。这是由于本月水库中的浮游植物的种类很单一，仅有7个属被检出，且优势种脆杆藻的优势度达到91.37%，成为绝对优势种，水库中浮游植物的生物多样性非常低。四座水库多挥性指数H’值见表1。

表1 汾河流域大中型水库浮游植物Shannon-Weaver多样性指数（ H'）表

5.3 Margalef氏多样性指数（D）

5.3.1 分析方法

式中：S——浮游植物属数；

N——浮游植物个体总数。

Margalef氏多样性指数D主要是种类多少的一种反映，它假定种属数S与总个体数ln N具有线性关系，其实未必一定如此。D越大，水质越好。不过D受样方大小的影响明显，只有在两个区域的自然生态条件相当时，才有较好的可比性。

5.3.2 分析结果

理论上D越大反映出水库的水质越好，但是由于四水库的自然生态条件存在差异，所以它们的Margalef氏多样性指数D不存在可比性。

文峪河水库夏季浮游植物的D明显低于冬季，这是由于冬季气候寒冷时浮游植物的数量迅速下降，而种类数没有明显变化。这也反映出文峪河水库的浮游植物的生物多样性在冬季要好于夏季。

汾河水库浮游植物的D的变化趋势与文峪河水库相似，只是在10月份由于只监测出9个属的浮游植物，所以D最小只有0.49，这和Shannon-Weaver多样性指数（H’）的评价结论相呼应。

汾河二库的D普遍较小，其中10月份最高也只有1.08，这是由于在本月水库中共监测出18个属的浮游植物，种类较丰富。

浍河水库由于监测出浮游植物的数量较少，导致D都在1以上。

四座水库多挥性指数D值见表2。

6 结论

根据以上四水库富营养化和浮游植物的分析，可见水库的污染状况一般，富营养化程度不严重，全年未发现水华爆发现象，但水库依然存在进一步富营养化的趋势。

表2 汾河流域大中型水库浮游植物Margalef氏多样性指数（D）表

从使用argalef氏多样性指数（D）法和经Lloyd简化后的Shannon-Weaver多样性指数（H’）法对四水库浮游植物的生物多样性的分析结果看，水库浮游植物的生物多样性目前处在中等水平，这与水库的污染和富营养化的状况相对应。但是也偶然会有个别月份水库中浮游植物的生物多样性会下降，如汾河水库的10月份和浍河水库的11月份，这与水库水环境的变化有关，也和分析评价方法的选择有关。

[1]胡鸿钧，魏印心.中国淡水藻类-系统、分类及生态[m].北京：科学出版社，2006：1-903

[2]周凤霞，陈剑宏.淡水微型生物图谱[M].北京.化学工业出版社，2005：35-178

[3]广东省水文局，暨南大学.水库蓝藻和蓝藻毒素分布与检测[m].北京.中国环境科学出版社，2006：3-64

[4]韩博平，冯远船，刘正文.广东省大镜山水库生态学与水质管理研究[m].广州.广东科技出版社，2006：17-63

[5]王德铭，王明霞，罗森源.水生生物监测手册[m].南京.东南大学出版社，1993：157-190