山西省汾河流域大中型水庫浮游植物監(jiān)測與生物多樣性分析

史偉生

（1.太原理工大學 山西太原 030024；2.山西省水環(huán)境監(jiān)測中心 山西太原 030001）

1 浮游植物及其生物多樣性

1.1 浮游植物（藻類）

藻類是原生生物界的一類真核生物（有些也為原核生物，如藍藻門的藻類），又稱葉狀植物、裂殖植物或孢子植物等，是一群具有色素體、無真正根莖葉和生殖器官分化的單細胞的低等生物。主要為水生，無維管束，能進行光合作用，是浮游植物的最大類群，在本文中所說的浮游植物就是指藻類[2]。

1.2 生物多樣性

生物多樣性（biodiversity）是指在一定時間和一定地區(qū)所有生物物種及其遺傳變異和生態(tài)系統(tǒng)的復雜性總稱。它是生物進化的結果，是人類賴以持續(xù)生存的基礎。一般認為生物多樣性包括物種多樣性、遺傳多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性三個層次。其中物種多樣性是構成生態(tài)系統(tǒng)多樣性的基本單位，是生物多樣性的核心，也是本文研究的主要內容[1]。

物種多樣性是指生態(tài)系統(tǒng)中動物、植物、微生物等生物種類的豐富程度。物種多樣性包括兩個方面，其一是指一定區(qū)域內的物種豐富程度，可稱為區(qū)域物種多樣性；其二是指生態(tài)學方面的物種分布的均勻程度，可稱為生態(tài)多樣性或群落物種多樣性。物種多樣性是衡量一定地區(qū)生物資源豐富程度的一個客觀指標[3]。

2 汾河流域大中型水庫現(xiàn)狀及生物監(jiān)測

汾河是黃河第二大支流，也是山西省最大的河流，干流全長694km。流域內的四座大中型水庫：汾河水庫、汾河二庫、文峪河水庫和澮河水庫是汾河上的主要水庫，也都是省內關系地方經濟發(fā)展、生態(tài)保護和人民生產生活的重要水庫之一。其中汾河水庫是省內最大水庫，庫容為7億m3，控制流域面積5268km2，也是我省最大的地表飲用水水源地。汾河二庫位于汾河水庫下游，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉和發(fā)電綜合利用的大型水庫。而文峪河水庫位于汾河的一級支流文峪河上，是全河唯一的大型水庫，也是全省六大水庫之一。澮河水庫系汾河一級支流澮河干流上的一座以防洪、灌溉為主，兼旅游等綜合利用的中型水庫，控制流域面積1301km2。

山西省水環(huán)境監(jiān)測中心在2011年對流域內這4座大中型水庫進行了葉綠素和浮游植物的生物監(jiān)測，此項工作是汾河水生態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設工程的工作內容之一，也是我省歷史上首次對汾河流域上的大中型水庫進行浮游植物的監(jiān)測。

3 采樣與監(jiān)測

根據(jù)各水庫的流域特征、形態(tài)、地理位置和以往開展理化水質監(jiān)測的經驗，在各水庫的壩前設置采樣點一處，進行水質項目和浮游植物的采樣分析。

汾河水庫、汾河二庫、文峪河水庫和澮河水庫自2011年8月至12月，對浮游植物進行每月一次的取樣監(jiān)測，由于澮河水庫庫干，只在10、11、12月份監(jiān)測浮游植物。

4 浮游植物分析

4.1 種類

現(xiàn)今世界發(fā)現(xiàn)的浮游植物有3萬多種，共11個門[4]。本次汾河流域的浮游植物監(jiān)測按照《淡水微型生物圖譜—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》和《中國淡水藻類》的分類系統(tǒng)對浮游植物進行分類。在對四水庫的監(jiān)測中共發(fā)現(xiàn)6個門46個屬的浮游植物。其中綠藻門最多有2個綱、5個目、12個科、23個屬。其次是硅藻門，有2個綱、3個目、5個科、10個屬。第三是藍藻門1個綱、2個目、4個科、6個屬。其余三個門的浮游植物都較少，其中甲藻門和隱藻門都各有1個綱、1個目、1個科、1個屬，而裸藻門也只有1個綱、1個目、1個科、2個屬。

4.2 細胞密度

（1）汾河水庫

2011年的8月到12月浮游植物密度在3380.5～298.7萬個/L之間，在8到10月浮游植物密度高于《全國重點湖庫藻類試點監(jiān)測技術規(guī)程》（暫行）中規(guī)定的浮游植物爆發(fā)的臨界狀態(tài)，即1000萬個/L這一標準。

（2）汾河二庫

浮游植物密度在3064.1～74.4萬個/L之間，在8、9月浮游植物密度高于浮游植物爆發(fā)的臨界狀態(tài)。

（3）文峪河水庫

浮游植物密度在2801.5～121.3萬個/L，其中10月是四大水庫中浮游植物密度最大的。8、9、10三個月份的浮游植物密度高于浮游植物爆發(fā)的臨界狀態(tài)。

（4）澮河水庫

澮河水庫由于前幾月庫干，10月份才有水，也才有水生浮游植物在其中生長，又趕上冬季到來，水溫不高，所以10、11、12月份浮游植物密度都不大，在311.8～47.8萬個/L。

5 浮游植物多樣性分析

5.1 生物多樣性指數(shù)

種類多樣性指數(shù)不考慮種的指示意義，只考慮群落的結構特征。一般說來，多樣性指數(shù)取決與三個因素，即種類多寡、個體豐度及均勻度。種類多樣性受到生態(tài)環(huán)境的影響，特別與污染程度有關，所以可用多樣性指數(shù)來反映污染的情況[2]。

目前使用比較多的幾種多樣性指數(shù)是Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（H’）、Cairns連續(xù)比較指數(shù)、Keefe-BergersenTU指數(shù)、Simpson氏多樣性指數(shù)和Margalef氏多樣性指數(shù)（D）。尚有它種多樣性指數(shù)，本文不一一列舉。不同的多樣性指數(shù)的理論基礎不同，側重不一樣，所以不是完全等價的。有時受資料性質的限制，只能選用較簡單的指數(shù)。

本文使用Margalef氏多樣性指數(shù)（D）法和目前美國主要使用的經Lloyd簡化后的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（H’）法對汾河流域四水庫中的浮游植物進行多樣化分析。

5.2 經Lloyd簡化后的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（ H’）

5.2.1 分析方法

式中：C——由log10轉換為log2的系數(shù)，C=3.322；

N——浮游植物個體總數(shù)；

ni——第i屬的浮游植物個體數(shù)。

Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（H’）越小表明水庫中浮游植物的生物多樣性越小，種類組成越單一，水體可能受到的污染越嚴重，而數(shù)值越大則說明浮游植物生物多樣性較好，種類較多且分布均勻，水體污染較輕，爆發(fā)水華的風險不大。

5.2.2 分析結果

四水庫在絕大多數(shù)時間的H’都在2～3之間，說明水庫浮游植物的生物多樣性和污染狀況都處在中等水平。

汾河水庫除10月外浮游植物的H’都在2.3以上，說明水庫的富營養(yǎng)化程度和浮游植物生物多樣性一般，但是變化幅度較大。10月份H’只有1.03，是由于這個月的浮游植物種類比較單一，只有9個屬，遠小于其余月份發(fā)現(xiàn)的14至19個屬，優(yōu)勢種的優(yōu)勢度達到91.6%，第一優(yōu)勢種的優(yōu)勢度也達到了78.45%，說明水庫中浮游植物的細胞密度都集中到少數(shù)幾個屬上，浮游植物的生物多樣性也大幅下降。而11月份在水庫中不僅發(fā)現(xiàn)了16個屬的浮游植物，且優(yōu)勢種的優(yōu)勢度只有47.72%，說明浮游植物在不同屬的數(shù)量分布上比較平均，浮游植物的生物多樣性也較高，H’達到了3。

汾河二庫浮游植物的H’都在2.6以上，且變化不大。其中汾河二庫10月份浮游植物的H’達到了3.4，這和本月水庫中發(fā)現(xiàn)了18個屬的浮游植物，且浮游植物優(yōu)勢度分布比較平均相對應。

總體來看文峪河水庫浮游植物的生物多樣性是四個水庫中最好的，每個月在水庫中發(fā)現(xiàn)的浮游植物的屬的數(shù)量都在13以上，浮游植物優(yōu)勢度的分布也比較平均。相應的浮游植物的H’都在2.6以上，且11和12月都達到了3以上。

澮河水庫11月份的H’最低，小于1。這是由于本月水庫中的浮游植物的種類很單一，僅有7個屬被檢出，且優(yōu)勢種脆桿藻的優(yōu)勢度達到91.37%，成為絕對優(yōu)勢種，水庫中浮游植物的生物多樣性非常低。四座水庫多揮性指數(shù)H’值見表1。

表1 汾河流域大中型水庫浮游植物Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（ H'）表

5.3 Margalef氏多樣性指數(shù)（D）

5.3.1 分析方法

式中：S——浮游植物屬數(shù)；

N——浮游植物個體總數(shù)。

Margalef氏多樣性指數(shù)D主要是種類多少的一種反映，它假定種屬數(shù)S與總個體數(shù)ln N具有線性關系，其實未必一定如此。D越大，水質越好。不過D受樣方大小的影響明顯，只有在兩個區(qū)域的自然生態(tài)條件相當時，才有較好的可比性。

5.3.2 分析結果

理論上D越大反映出水庫的水質越好，但是由于四水庫的自然生態(tài)條件存在差異，所以它們的Margalef氏多樣性指數(shù)D不存在可比性。

文峪河水庫夏季浮游植物的D明顯低于冬季，這是由于冬季氣候寒冷時浮游植物的數(shù)量迅速下降，而種類數(shù)沒有明顯變化。這也反映出文峪河水庫的浮游植物的生物多樣性在冬季要好于夏季。

汾河水庫浮游植物的D的變化趨勢與文峪河水庫相似，只是在10月份由于只監(jiān)測出9個屬的浮游植物，所以D最小只有0.49，這和Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（H’）的評價結論相呼應。

汾河二庫的D普遍較小，其中10月份最高也只有1.08，這是由于在本月水庫中共監(jiān)測出18個屬的浮游植物，種類較豐富。

澮河水庫由于監(jiān)測出浮游植物的數(shù)量較少，導致D都在1以上。

四座水庫多揮性指數(shù)D值見表2。

6 結論

根據(jù)以上四水庫富營養(yǎng)化和浮游植物的分析，可見水庫的污染狀況一般，富營養(yǎng)化程度不嚴重，全年未發(fā)現(xiàn)水華爆發(fā)現(xiàn)象，但水庫依然存在進一步富營養(yǎng)化的趨勢。

表2 汾河流域大中型水庫浮游植物Margalef氏多樣性指數(shù)（D）表

從使用argalef氏多樣性指數(shù)（D）法和經Lloyd簡化后的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（H’）法對四水庫浮游植物的生物多樣性的分析結果看，水庫浮游植物的生物多樣性目前處在中等水平，這與水庫的污染和富營養(yǎng)化的狀況相對應。但是也偶然會有個別月份水庫中浮游植物的生物多樣性會下降，如汾河水庫的10月份和澮河水庫的11月份，這與水庫水環(huán)境的變化有關，也和分析評價方法的選擇有關。

[1]胡鴻鈞，魏印心.中國淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)[m].北京：科學出版社，2006：1-903

[2]周鳳霞，陳劍宏.淡水微型生物圖譜[M].北京.化學工業(yè)出版社，2005：35-178

[3]廣東省水文局，暨南大學.水庫藍藻和藍藻毒素分布與檢測[m].北京.中國環(huán)境科學出版社，2006：3-64

[4]韓博平，馮遠船，劉正文.廣東省大鏡山水庫生態(tài)學與水質管理研究[m].廣州.廣東科技出版社，2006：17-63

[5]王德銘，王明霞，羅森源.水生生物監(jiān)測手冊[m].南京.東南大學出版社，1993：157-190