城市河道浮游植物群落多样性指数对水质的指示作用

余海霞，来　勇，赵佳佳，周侣艳，何　平，张丽娜

(杭州市环境监测中心站，浙江 杭州 310007)



城市河道浮游植物群落多样性指数对水质的指示作用

余海霞，来勇，赵佳佳，周侣艳，何平，张丽娜

(杭州市环境监测中心站，浙江 杭州 310007)

以杭州市"五水共治"打造的生态示范河道为研究对象，同步监测其水质和浮游植物的种类及数量，并选用Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou指数表征5条河道的水质状况，将水质监测结果和浮游植物群落多样性指数表征的结果进行比较。结果表明，浮游植物群落多样性指数对河道水质具有一定的指示作用，但与实际水质存在差距。当河道水质状况较好(Ⅳ类以上)时，用Shannon-Wiener指数、Pielou指数表征水质状况较好；当河道水质污染较严重(Ⅴ类或劣Ⅴ类)时，用Margalef指数表征水质可获得比较理想的结果。

城市河道；浮游植物；多样性；水质

浮游植物不仅是水域生态系统中最重要的初级生产者，而且是水中溶解氧的主要供应者，其种类组成、群落结构和丰度变化，直接影响水体水质、系统内能量流、物质流和生物资源变动[1]。多样性指数是用来描述群落多样性的统计量。在生态学中，它被用来描述生态系统中的生物多样性[2]。利用浮游植物群落结构多样性来评价水体生态环境是一种有效的方法，且得到越来越广泛的应用[3-4]。用浮游植物群落结构多样性来表征水体水质状况一般都是采用多种多样性指数同时说明，但有时候得到的结果却不尽相同。因此，如何选择浮游植物群落多样性指数表征水体水质状况是一个值得研究的问题。

作者选择2014年杭州市“五水共治”(治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水)打造的5条生态示范河道作为研究对象，同步监测其水质和浮游植物的种类及数量，并选择使用频率相对较高的3种浮游植物群落多样性指数(Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou指数[5-8])来表征5条河道的水质状况，并将水质监测结果和浮游植物群落多样性指数表征结果进行比较，藉此对杭州市城区河道如何选取浮游植物群落多样性指数对水质进行评价提供参考。

1　实验

1.1监测对象和时间

以5条生态示范河道中河南段(上城区)、西环河(西湖区)、康桥新开河(拱墅区)、北大河(下城区)和东风港(江干区)作为监测对象，5条河道的基本情况见表1。

表15条河道的基本情况

Tab.1　Basic situation of 5 rivers

2015年4月至2015年12月共分四季对5条河道分别进行采样，用于水质及浮游植物的定性、定量分析。

1.2水质中理化因子的测定

与浮游植物样品同步采集并测定水质中主要理化因子，包括DO、CODMn、NH3-N、TN、TP，测定方法参照《水和废水监测分析方法》；同时参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)来评价水质状况和受污染的程度。水质类别判定参照表2。

表2　水质定性评价分级

1.3浮游植物样品的采集与处理方法

浮游植物的采样和观察方法按常规浮游生物调查方法进行。定量标本：每个水样用采水器采水1 L，立即加入15 mL鲁哥氏液固定，静置24 h以上。用虹吸法将上清液缓慢吸出，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，将样品置于0.1 mL计数框内，在显微镜400倍下观察计数，浮游植物鉴别到种。根据每种浮游生物的平均湿重，换算成每升水中的浮游生物量[9]。

定性标本：用 25号浮游生物网在水面下捞取，经甲醛固定后带回实验室进行鉴定。物种鉴定主要依据《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[10]、《藻类名词及名称》[11]、《淡水微型生物图谱》[12]和《浙江省主要常见淡水藻类图集》[13]。

1.4数据处理

采用Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou指数对5条河道浮游植物群落多样性进行评价。

(1)Shannon-Wiener指数(H′)

式中：S 为生物的种类数；N 为群落的个体总数；ni为i 种的个体数。

(2)Margalef指数(M)

(3)Pielou指数(E)

式中：H为实测多样性。

(4)评价方法

用浮游植物群落多样性指数对河道水质进行评价的标准见表3。一般来讲，多样性指数越高，表示水质状况越好[14-16]。

表3浮游植物群落多样性指数水质评价标准

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

2　结果与讨论

2.1水质状况

5条河道2015年四季水质状况见表4。

从表4可以看出，除中河南段水质状况一直保持Ⅱ类(优)外，其它4条河道四季水质状况不太稳定，康桥新开河四季水质状况变化范围为Ⅱ～Ⅴ类，西环河、北大河以及东风港四季水质变化范围基本为Ⅳ～劣Ⅴ类。主要污染因子为氨氮和总磷，偶有部分河道存在

表45条河道水质状况

Tab.4　The water quality of 5 rivers

溶氧、CODMn指标较差的情况。5条河道全年平均水质状况排序为：中河南段>康桥新开河>西环河=北大河=东风港。

2.2藻类的种类组成

5条河道藻类的种类组成见图1。

由图1可知，春季监测共检出藻类45种，隶属于6门，以绿藻门为主。其中，绿藻门有15种，占总种数的33%；硅藻门有13种，占总种数的29%；蓝藻门有7种，占总种数的16%；裸藻门有6种，占总种数的13%；隐藻门有2种，占总种数的4%；金藻门有2种，占总种数的4%。

夏季共检出藻类81种，隶属于7门，以绿藻门为主。其中，绿藻门有31种，总占种数的38%；硅藻门有18种，占总种数的22%；蓝藻门有15种，占总种数的19%；裸藻门有12种，占总种数的15%；甲藻门有3种，占总种数的4%；黄藻门和隐藻门均有1种，占总种数的1%。

秋季共检出藻类76种，隶属于6门，以绿藻门为主。其中，绿藻门有32种，总占种数的42%；硅藻门有18种，占总种数的24%；蓝藻门有13种，占总种数的17%；裸藻门有9种，占总种数的12%；甲藻门和隐藻门均有2种，占总种数的3%。

图1　5条河道浮游植物种类组成

冬季共检出藻类52种，隶属于6门，以硅藻门为主。其中，硅藻门有23种，占总种数的44%；绿藻门有19种，占总种数的37%；蓝藻门有4种，占总种数的8%；金藻门有3种，占总种数的6%；隐藻门有2种，占总种数的4%；裸藻门有1种，占总种数的2%。

2.3浮游植物群落多样性指数

对5条河道所检出的浮游植物种类及数量进行统计分析，得出浮游植物群落多样性指数如表5所示。

从表5可以看出， 3种浮游植物群落多样性指数四季并无明显的相关性。总的来讲，Shannon-Wiener指数和 Pielou指数有较好的一致性， Margalef指数和其它两种多样性指数四季表现差异较大。对于不同河道来讲，3种浮游植物群落多样性指数极值出现的季节也不相同。

表5浮游植物群落多样性指数季节性变化

Tab.5　Seasonal variation of phytoplankton

对5条河道的年均浮游植物群落多样性指数进行比较，结果见图2。

图25条河道年均浮游植物群落多样性指数比较

Fig.2Comparison of annual average phytoplankton community diversity index of 5 rivers

由图2可知，Shannon-Wiener指数平均值顺序表现为西环河>中河南段>康桥新开河>北大河>东风港；Margalef指数平均值顺序表现为西环河>东风港>北大河>中河南段>康桥新开河；Pielou指数平均值顺序表现为中河南段>西环河>康桥新开河=北大河>东风港，Shannon-Wiener指数和Pielou指数对河道水质的指示作用具有较好的一致性。

2.4水质状况和浮游植物群落多样性指数对水质指示作用的比较 (表6)

表6水质监测和浮游植物群落多样性指数对水质指示作用的比较

Tab.6　Comparison of water qualities of 5 rivers monitored and indicated by phytoplankton community diversity index

注：“优”指水质优，“良”指水质良好，“轻”指轻度污染，“中”指中度污染，“重”指重度污染。

由表6可知，Margalef指数对水质的指示作用与Shannon-Wiener、Pielou指数相比差别较大。Margalef指数表明，5条河道四季水质状况均较差，基本都是重度污染。Shannon-Wiener、Pielou指数对水质的指示作用具有较好的一致性。5条河道四季采样分析共计20个数据，显示水质状况相同的有12个，比例为60%。总的来讲，Margalef指数指示的水质状况较Shannon-Wiener、Pielou指数差。

河道水质监测结果和浮游植物群落多样性指数对水质指示的结果表明，水质监测所显示的水质状况和浮游植物群落多样性指数对水质指示的结果不尽相同，而且差异较大。以中河南段为例，由于钱塘江配水的结果，中河南段水质各项指标均能保持在地表水Ⅱ类水质标准以上，水质状况为优。而Shannon-Wiener指数、Pielou指数均显示其水质有轻度至中度污染，Margalef指数显示其水质为重度污染。康桥新开河水质在5条河道中仅次于中河南段水质，但Margalef指数同样显示其水质为重度污染。相比之下，Shannon-Wiener、Pielou指数显示水质状况与实际水质状况接近。而对于水质监测显示水质较差的北大河、东风港两条河道，结果正好相反。Margalef指数指示的水质状况与监测情况接近，而Shannon-Wiener、Pielou指数指示的水质污染状况相对较轻。

3　结论

通过比较杭州市5条经过生态整治河道实测水质结果和浮游植物群落多样性指数对水质的指示结果，可以得出如下结论：

(1)水质监测结果表明，中河南段全年水质优；康桥新开河全年水质变化较大，四季变化范围为Ⅱ～Ⅴ类，全年平均水质Ⅲ类；其它3条河道全年平均水质均为劣Ⅴ类。5条河道全年平均水质状况排序为：中河南段>康桥新开河>西环河=北大河=东风港。

(2)浮游植物群落多样性指数分析结果表明，5条河道Shannon-Wiener指数、Pielou指数具有较好的一致性，Margalef指数与前两者相关性较差。对5条河道的浮游植物群落多样性指数进行比较发现，Shannon-Wiener指数平均值顺序表现为西环河>中河南段>康桥新开河>北大河>东风港；Margalef指数平均值顺序表现为西环河>东风港>北大河>中河南段>康桥新开河；Pielou指数平均值顺序表现为中河南段>西环河>新开河=北大河>东风港。

(3)水质监测结果和浮游植物群落多样性指数对水质的指示结果比较表明，浮游植物群落多样性指数对河道水质具有一定的指示作用，但与实际水质存在差距，只能作为水质状况的补充说明或表明河道生态状况。当河道水质状况较好(Ⅳ类以上)时，用Shannon-Wiener指数、Pielou指数表征水质状况较好；当河道水质污染较严重(Ⅴ类或劣Ⅴ类)时，用Margalef指数表征河道水质可获得比较理想的结果。

[1]姜雪芹，禹娜，毛开云，等.冬季上海市城区河道中浮游植物群落结构与水质的生物评价[J].华东师范大学学报，2009(2)：78-87.

[2]张丹，丁爱中，林学钰，等.河流水质监测和评价的生物学方法[J].北京师范大学学报，2009(4):200-204.

[3]章宗涉，黄祥飞.淡水浮游生物研究方法[M].北京：科学出版社，1991:124-141.

[4]宋芬.海河流域浮游植物生物多样性研究[D].武汉：华中农业大学，2011.

[5]白明，张萍.海河干流浮游植物群落多样性研究[J].现代渔业信息，2010(11)：6-9.

[6]谭香，夏小玲，程晓莉，等.丹江口水库浮游植物群落时空动态及其多样性指数[J].环境科学，2011(10)：2875-2882.

[7]秦娇娇，王艳.浮游植物多样性指数的应用及评价[J].沈阳师范大学学报，2014(4)：502-505.

[8]王雨，林茂，卢昌义.深圳红树林湿地浮游植物多样性的组成与分布[J].生态学杂志，2009,28(6)：1067-1072.

[9]况琪军，胡征宇，周广杰，等.香溪河流域浮游植物调查与水质评价[J].武汉植物学研究，2004,22(6)：507-513.

[10]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.

[11]曾呈奎，毕列爵，陆保仁，等.藻类名词及名称[M].第二版，北京：科学出版社，2005.

[12]周风霞，陈剑虹.淡水微型生物图谱[M].北京：化学工业出版社，2010.

[13]陈茜，吴斌，邵卫伟，等.浙江省主要常见淡水藻类图集[M].北京：中国环境科学出版社，2010.

[14]王珊，于明，刘金儒，等.东江干流浮游植物的物种组成及多样性分析[J].资源科学，2013(3)：473-480.

[15]朱爱民，胡菊香，李嗣新，等. 三峡水库长江干流及其支流枯水期浮游植物多样性与水质[J].湖泊科学，2013(3)：378-385.

[16]周小愿，张星朗，韩亚慧，等.渭河流域典型水库浮游植物群落结构特征[J].生态学杂志，2013(10)：2772-2779.

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

杭州市科技局计划项目(20140533B08)

2016-06-24

余海霞(1977-)，女，湖北武汉人，高级工程师，主要从事环境监测及相关工作，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，来勇，赵佳佳，等.城市河道浮游植物群落多样性指数对水质的指示作用[J].化学与生物工程，2016，33(9)：32-36.