浮游植物多樣性指數(shù)的應(yīng)用及評價(jià)

秦嬌嬌, 王 艷

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

浮游植物多樣性指數(shù)的應(yīng)用及評價(jià)

秦嬌嬌, 王 艷

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者,研究浮游植物多樣性指數(shù)對于水體評價(jià)及水質(zhì)監(jiān)測有重要意義。目前,已有大量浮游植物多樣性、豐度、均勻度等方面的研究,但國內(nèi)學(xué)者較少評價(jià)各多樣性指數(shù)的優(yōu)劣以及適宜性。對國內(nèi)學(xué)者較常用的3種多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù))進(jìn)行探討,并從其計(jì)算復(fù)雜性、分辨能力、樣本大小、測定指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)這幾個(gè)方面闡述了各指標(biāo)的優(yōu)先選擇程度。生物多樣性指標(biāo)在水體評價(jià)領(lǐng)域存在的問題也進(jìn)行了討論。

浮游植物; 多樣性指數(shù); 生物多樣性評價(jià); 指數(shù)應(yīng)用

0 引 言

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者,它的生物量、多樣性以及群落結(jié)構(gòu)直接反映了河流、湖泊、海洋等生態(tài)環(huán)境的肥力和營養(yǎng)狀態(tài)。生物多樣性研究生物(動(dòng)物、植物、微生物)和其所擁有基因的遺傳變異、它們與其生存環(huán)境間的相互關(guān)系以及共同構(gòu)成的生態(tài)環(huán)境[1],這說明水生生物與其生活的水生環(huán)境之間存在著密切聯(lián)系,人工監(jiān)測和評價(jià)浮游植物多樣性可以得知生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)力,可以預(yù)報(bào)并及早處理水華、赤潮等環(huán)境污染,控制及解決水體富營養(yǎng)化等一系列問題。

物種多樣性一詞在20世紀(jì)40年代首次提出,隨后有關(guān)物種多樣性乃至生物多樣性的研究得到廣泛深入,從定性研究逐漸趨向于定量研究,到當(dāng)前已出現(xiàn)了10多種度量物種、群落、生物多樣性的指標(biāo)和數(shù)量模型[2]。我國早從20世紀(jì)90年代之前已開始研究浮游生物多樣性[3]。聯(lián)合國教科文組織的浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析《浮游植物手冊》[4]明確推薦使用Shannon指數(shù)(以e或以2為底)、Margalef指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)。Fisher應(yīng)用α、β、v指數(shù)來研究群落的物種多樣性,除特別說明,一般認(rèn)為α多樣性指數(shù)是常用的測度群落內(nèi)部多樣性的指標(biāo)[5]。國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用了除此3種外的其他指數(shù),如M.O. Hill[6],Harini Nagendra[7],Anne E. Magurran和Peter A. Henderson[8]使用了Simpson指數(shù),Nivaldo Peroni等[9]、Irit Zohar等[10]、James F. Heltshe 等[11]和John Donaldson等[12]使用了Brillouin指數(shù),W. J. Staddon等[13]使用了Mcintosh指數(shù)等。何芳良[14]等使用了Simpson等指數(shù)研究了生態(tài)模型及空間統(tǒng)計(jì)。各研究結(jié)果表明,各多樣性指數(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn),本文在這些研究基礎(chǔ)上對浮游植物群落結(jié)構(gòu)研究中經(jīng)常用到的3種多樣性指數(shù)進(jìn)行評價(jià)。

1 浮游植物多樣性指數(shù)概念

1.1多樣性指數(shù)概念

多樣性指數(shù)是編排被檢測生物的種類和數(shù)量分布2個(gè)因子信息,定量顯示生物個(gè)體和生物種在群落中的關(guān)系[15],即通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理、編排、演算得到的關(guān)系函數(shù)。它既完整揭示了生物群落的結(jié)構(gòu)組成,又體現(xiàn)了水質(zhì)和生物群落的關(guān)系[16]。浮游植物多樣性指數(shù)則主要研究浮游植物的種類、數(shù)量分布等各種生物指標(biāo),主要使用方法即是生物統(tǒng)計(jì)中的多樣性指數(shù)方法。

1.2常用多樣性指數(shù)計(jì)算方法、評價(jià)

本文以Shannon指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)為例介紹其計(jì)算方法和水體環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[17-20](見表1、表2)。

表1 各指數(shù)計(jì)算方法

表2 各指數(shù)評價(jià)水體標(biāo)準(zhǔn)

2 浮游植物各多樣性指數(shù)的應(yīng)用比較

當(dāng)前,國內(nèi)針對浮游植物多樣性的研究已取得了一些進(jìn)展,如楊麗娜等對黃土高原水蝕區(qū)、水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)、風(fēng)蝕區(qū)的生物結(jié)皮中藍(lán)藻的多樣性及優(yōu)勢種進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)Shannon指數(shù)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)最高,水蝕區(qū)次之,風(fēng)蝕區(qū)最低[27]。唐文家對青海省黑河上游水生生物進(jìn)行了調(diào)查,綜合評價(jià)水體為貧營養(yǎng)型,發(fā)現(xiàn) Pielou均勻度指數(shù)更接近豐富度指數(shù),更能反映水體的實(shí)際營養(yǎng)狀況[28]。但對于不同流速和水文狀況的河流、湖泊、?？谏踔了畮斓乃|(zhì)監(jiān)測及環(huán)境污染預(yù)警的測定方法的使用并沒有明確的、相對應(yīng)的多樣性指數(shù)測定方法。

2.1計(jì)算的復(fù)雜性

在3種指數(shù)中,計(jì)算最簡單的是Margalef指數(shù),而Shannon指數(shù)(多指以2為底)的計(jì)算適中[21]。Pielou均勻度指數(shù)較前兩種指數(shù)計(jì)算略復(fù)雜,這也限制了該指數(shù)的應(yīng)用,不過復(fù)雜的計(jì)算性問題在計(jì)算機(jī)和計(jì)算科學(xué)發(fā)達(dá)的今天,相對就不太重要了。

2.2分辨能力

分析群落結(jié)構(gòu)的過程中,優(yōu)先選擇的指數(shù)可分辨出完全不同的兩個(gè)或多個(gè)浮游植物群落[21]。Taylor[22]曾經(jīng)對幾個(gè)多樣性指數(shù)的分辨能力進(jìn)行了檢驗(yàn),得到Shannon指數(shù)在被檢多樣性指數(shù)中的分辨能力最高。而Kempton和Wedderburn[23]的研究則表明有比Shannon指數(shù)、Margalef指數(shù)各種形式都高的分辨率的其他指數(shù)。Magurran[24]的研究則發(fā)現(xiàn)以優(yōu)勢度、均勻度為基礎(chǔ)而編排的方程式所得指數(shù)的分辨能力最小,如Pielou均勻度指數(shù),以物種優(yōu)勢度為基礎(chǔ)的Shannon指數(shù)的分辨能力居中,而以物種豐富度為基礎(chǔ)的Margalef指數(shù)有很高的分辨能力。綜合所述,分辨能力由強(qiáng)到弱依次為:Margalef指數(shù)、Shannon指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)[21]。

2.3樣本大小

樣方密度的大小對一個(gè)優(yōu)先選擇的多樣性指數(shù)的影響應(yīng)該是等于零或者接近于零,所以選擇更加適宜的多樣性指數(shù)首先要計(jì)算樣方密度大小對其影響程度。Taylor[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)群落總個(gè)體數(shù)大于1 000時(shí),Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)對樣本大小的敏感性居中,在此類型研究中表明樣本大小會中等程度地影響Shannon指數(shù),會最大程度地影響Margalef指數(shù)。所以,從對方密度大小的敏感程度來看就上述3種指數(shù),優(yōu)先選擇程度為Shannon指數(shù)、Pielou 指數(shù)、Margalef指數(shù)。

2.4各多樣性指數(shù)的側(cè)重點(diǎn)

多樣性指數(shù)的劃分從最初研究到現(xiàn)在都存在不同的觀點(diǎn)。孫軍[21]根據(jù)產(chǎn)生原理將各多樣性指數(shù)劃分為四個(gè)類型,其中測度信息量的Shannon指數(shù)側(cè)重于測定相對豐度分布、物種豐富度,故稱為物種多樣性指數(shù);Margalef指數(shù)側(cè)重于測定樣方中所占密度、物種數(shù)目、物種豐富度估算等,故稱為物種豐富度指數(shù);Pielou指數(shù)則側(cè)重于測定物種分布均勻程度,故稱為物種均勻度指數(shù)。與孫軍等人持不同觀點(diǎn)的Peet[25]曾側(cè)重于異質(zhì)性測量方面,將各多樣性指數(shù)劃分為兩個(gè)類型,其中一種指數(shù)類型較易對種群的優(yōu)勢程度即對豐度較敏感,如Pielou指數(shù),而另外一種指數(shù)類型較易被群落中稀有種群即物種豐富度所影響,如Shannon指數(shù)。

2.5多樣性指數(shù)的優(yōu)先選擇

國外學(xué)者Southwood分析了選擇一個(gè)多樣性指數(shù)的步驟[26]。根據(jù)對多種多樣性指數(shù)的國內(nèi)研究及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,并結(jié)合Southwood的研究,孫軍[21]也提出可由以下參考步驟分析浮游植物的生物多樣性:1)通過研究樣方大小計(jì)算浮游植物的物種矩陣;2)計(jì)算各指數(shù)可以得知側(cè)重點(diǎn)數(shù)據(jù);3)據(jù)研究方向側(cè)重點(diǎn)選擇各指數(shù);4)在環(huán)境質(zhì)量較差的水體(常符合幾何級數(shù)分布)中需要先制定群落水平上的等級豐度圖,得到物種的分布類型,所以需要謹(jǐn)慎選擇Margalef指數(shù)作為測定多樣性的指標(biāo)。

3 多樣性指數(shù)應(yīng)用需與其他有效指標(biāo)結(jié)合

越來越多的實(shí)驗(yàn)表明生物多樣性指數(shù)不是水體環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測中理想的指標(biāo)。環(huán)境監(jiān)測工作中已逐步開始廣泛使用不同類型的生物多樣性指數(shù),但群落分析應(yīng)用方面可能獲得截然不同甚至完全相悖的結(jié)果,因此生物多樣性與脅迫類型、脅迫強(qiáng)度之間不存在明確對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)目前的文獻(xiàn)報(bào)道,Margalef指數(shù)與水體營養(yǎng)水平的相關(guān)性明顯,而Shannon指數(shù)與其相關(guān)性不明顯[29-31],國內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)一些異質(zhì)性高的采集點(diǎn)浮游植物群落的Shannon指數(shù)較高且與其他指數(shù)相關(guān)性很差的現(xiàn)象[32-33],這種相互關(guān)系不穩(wěn)定的現(xiàn)象說明多樣性指數(shù)與水體環(huán)境質(zhì)量之間關(guān)系復(fù)雜,往往需要考慮水體營養(yǎng)類型、鑒定操作規(guī)范程度定量操作等因素[33],營養(yǎng)水平并沒有構(gòu)成影響物種多樣性的唯一因素[34]。鑒定水體環(huán)境質(zhì)量的營養(yǎng)狀態(tài)時(shí),多樣性指數(shù)有時(shí)僅僅可以作為參照指標(biāo)。此外,通常環(huán)境發(fā)生變化就會引起生物多樣性的改變,但是其生物(非生物)的改變或水體變好或變壞則無法判斷,在營養(yǎng)水平及水質(zhì)監(jiān)測中并不單純使用一種方法,有時(shí)需要綜合多種多樣性指數(shù),還要參考其他的生物指標(biāo)和理化指標(biāo),相互結(jié)合使用。在具體多樣性測定中需綜合考慮分類學(xué)相似性及等級豐度分布。可見,多樣性指標(biāo)只能用來從某些側(cè)面進(jìn)行分析,而不適合完全依據(jù)多樣性指數(shù)來評價(jià)水體環(huán)境質(zhì)量。

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Applicationandevaluationofphytoplanktondiversityindexes

QINJiaojiao,WANGYan

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Phytoplankton are the primary producers of aquatic ecosystem, and it is important to study the phytoplankon diversity indexes for water quality evaluation and monitoring. At present, many studies have reported the plant diversity, abundance and evenness of phytoplankton, but little information on the advantagement and suitability of diversity indexes was shown. Common diversity indexes, such as Shannon index, Margalef index(base 2 or e) and Pielou evenness index, were investigated. Priority selection level of every index was evaluated from computational complexity, resolution, sample size, emphasis of index determination. The problems of the diversity indexes in the field of water quality evaluation were discussed as well.

phytoplankton; diversity index; biodiversity assessment; index application

2014-04-14。

遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2009S097); 沈陽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境中心主任基金資助項(xiàng)目(EERC-G-201301); 凌河流域水生態(tài)監(jiān)測及納污能力計(jì)算橫向課題。

秦嬌嬌(1990-),女,山西忻州人,沈陽師范大學(xué)碩士研究生。

1673-5862(2014)04-0502-04

Q948

: A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2014.04.010