景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化模擬過(guò)程中藻類演替及多樣性指數(shù)研究-

1、第27卷第2期2007年2月環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)Acta Scientiae Circu m stantiaeVol .27,No .2Feb .,2007 基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973項(xiàng)目(No .2004CB418505;上海市優(yōu)秀教師科研基金(No . B.9920303062017Supported by the Nati onalBasic Research Pr ogra m of China (No .2004CB418505and Science research fund of excellence teacher in Shanghai university (No .

2、B.9920303062017作者簡(jiǎn)介:劉書宇(1979,女,博士研究生;3通訊作者(責(zé)任作者B i ography:L I U Shuyu (1979,female,Ph .D.candidate;3Correspond i n g authorL iu S Y,Ma F,Zhang J Q,et al .2007.Studies on bi odiversities in eutr ophicati on p r ocess of landscap ing water body in Northern China J .Acta Scientiae Circum stantiae,27(2

3、:337-341景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化模擬過(guò)程中藻類演替及多樣性指數(shù)研究劉書宇1,2,馬放1,3,張建祺31.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱1500902.上海大學(xué)射線應(yīng)用研究所,上海2018003.美國(guó)馬里蘭州立大學(xué)土木環(huán)境工程系,巴爾的摩21250收稿日期:2006204229修回日期:2006212201錄用日期:2006212220摘要:采用微宇宙培養(yǎng)法,模擬微污染景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程,研究其浮游藻類演替狀況及生物多樣性指數(shù).結(jié)果表明,最終優(yōu)勢(shì)藻種為黃藻門.通過(guò)計(jì)算9種生物多樣性指數(shù)(Margalef s 、P I E (種間相遇幾率、Menhinick s 、Shannon -W

4、iener 、Si m p s on s 、Mc Naught on s dom inance index 、Species 、OD (多樣性測(cè)度指數(shù)、Monk 對(duì)景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中浮游植物演替趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)其中僅2種多樣性指數(shù)適于靜態(tài)景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化研究,分別為Monk 多樣性指數(shù)及Menhinick s 多樣性指數(shù),而其它指數(shù)都不夠準(zhǔn)確.關(guān)鍵詞:景觀水體;生物多樣性指數(shù);富營(yíng)養(yǎng)化;演替文章編號(hào):025322468(2007022*中圖分類號(hào):X171文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStud i es on b i od i versiti es i n eutroph i ca ti on proc

5、ess of l andscap i n g wa ter body i n Northern Ch i n aL I U ShuYu1,2,MA Fang1,3,Z HANG J ianqi31.School of Munici pal and Envir onmental Engineering,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 1500902.Shanghai App lied Radiati on I nstitute,Shanghai University,Shanghai 2018003.Depart m ent of Civil an

6、d Envir onmental Engineering,University of Maryland,Balti m ore County,Balti m ore,MD 21250,U.S .A Rece i ved 29Ap ril 2006;rece i ved in revised for m 1December 2006;accepted 20Dece mber 2006Abstract:Tank m icr ocos m has been used t o si m ulate the eutr ophicati on p r ocess of static water body

7、in Northern China in landscap ing functi on .The phyt op lankt on changes with the devel opment of vari ous dom inant s pecies .It was found that the dom inant s pecies were Xanthophyta in the last stage .N ine bi odiversity indices calculated on the basis of phyt op lankt on data were studied for t

8、heir usefulness f or eutr ophicati on studies in landscap ing water body .A s foll ows:Margalef s ,P I E ,Menhinick s ,Shannon 2W iener,Si m p s on s,Mc Naught on s dom inance index,Species,OD ,Monk ,as a t ool f or eutr ophicati on assess ment in Landscape water body envir onment ,Monk index and Me

9、nhinick s index were the best suitable for t oken the contam inati on devel opment,others not .Keywords:landscap ing water body;bi odiversity indices;eutr ophicati on;successi on1引言(I ntr oducti on 在景觀水富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中,由于封閉緩流引起營(yíng)養(yǎng)狀況失衡,從而使藻類繁殖過(guò)剩.隨著水中物種組成、豐富度及浮游植物生產(chǎn)力的改變,水生生物群落將發(fā)生演替.水體浮游植物群落的改變對(duì)于評(píng)價(jià)富營(yíng)養(yǎng)化程度提供了重要依據(jù)(

10、I gnatiades L,1985;Pr oulx M ,1996;W ats on S,1997,其中藻類的群落構(gòu)成尤為重要.很多評(píng)價(jià)指數(shù)均涉及物種組成、多項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)及葉綠素a 濃度,計(jì)算復(fù)雜,環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)27卷而多樣性指數(shù)用浮游植物各種屬的個(gè)體數(shù)表征水體污染狀態(tài),無(wú)需大量數(shù)據(jù).但在許多研究中,某些多樣性指數(shù)基于其傳統(tǒng)用法而未經(jīng)推算就被直接引用,缺乏有效性的確定.本研究通過(guò)模擬微污染景觀水體污染過(guò)程進(jìn)行模擬分析,旨在揭示不同生物多樣性指數(shù)在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的有效性,尋找適于景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程研究的多樣性指數(shù).2材料與方法(Materials and methods 2.1水生微宇宙模型

11、的構(gòu)建本研究中采用有機(jī)玻璃水族箱(500mm 400mm 300mm 模擬封閉、靜止的微污染景觀水體.箱體底部均勻鋪設(shè)5c m 厚度干河泥,灌注25L 自來(lái)水與25L 湖水.將水族箱置于室外,大雨時(shí)將系統(tǒng)遮蔽,其余時(shí)間自然通風(fēng).于2005年6月中旬開始培養(yǎng),使其自然經(jīng)歷貧營(yíng)養(yǎng)至富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程.水族箱中河泥及湖水均取自黑龍江省太陽(yáng)島(4545N,12638E ,河泥和湖水內(nèi)含多種水生生物種子及孢子.實(shí)驗(yàn)期間,適當(dāng)添加少量自來(lái)水補(bǔ)充系統(tǒng)蒸發(fā)量. 圖1水生微宇宙模型Fig .1M icr ocos m tanks2.2分析方法培養(yǎng)1周后,于2005年6月23日開始數(shù)據(jù)采.圖2微宇宙水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中藻

12、類的演替(注:線條粗細(xì)表示該種類藻總個(gè)體數(shù)Fig .2Successi on of algae during the course of water body seutr ophicati on 3結(jié)果(Results 3.1優(yōu)勢(shì)種演替過(guò)程在微宇宙水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中,藻種鑒定到屬8332期劉書宇等:景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化模擬過(guò)程中藻類演替及多樣性指數(shù)研究?jī)?yōu)勢(shì)種,另外,其底泥的物理化學(xué)及生物學(xué)特性也是造成其優(yōu)勢(shì)藻類不同于其它水體的主要原因.所以,在景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中,藻類的大量爆發(fā)并非以最初的已有種類進(jìn)行數(shù)量上的簡(jiǎn)單擴(kuò)增,而是逐漸發(fā)生遷移,影響因素不僅包括水質(zhì)狀況與底泥特征,氣候與地理?xiàng)l件亦是主要

13、因素.3.2生物多樣性指數(shù)與TSI(P值的變化各生物多樣性指數(shù)分別為Margalefs(Margalef R,1958、P I E(種間相遇幾率、Menhinicks (Menhinick E P.1964、Shannon2W iener(Shannon C E,W eaver W.1949、Si m p s ons(Si m p s on E H, 1949、Mc Naught ons指數(shù)、Species、OD(多樣性測(cè)度指數(shù)、Monk多樣性指數(shù).其中Species直接計(jì)數(shù),其它指數(shù)計(jì)算公式見表1.根據(jù)所鑒定出藻類的種類數(shù)及個(gè)體數(shù)計(jì)算各時(shí)期水體藻類生物多樣性指數(shù),計(jì)算結(jié)果見表2.根據(jù)總磷濃度

14、值,研究以營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI (P表征的水體污染程度變化(式(1(A izaki M, 1981.TSI(P=106-ln(48/TPln2(1表1各多樣性指數(shù)計(jì)算公式Table1For mula of diversity indices多樣性指數(shù)計(jì)算公式Margalef(Margalef R,1958D=S-1ln NP I E(Hurlbert S H,1971D=NN-11-si=1P i2 Menhinicks(Menhinick,1964D=SN Shannon2W iener(Shannon,1949D=-si=1n inlnn inMonk(W hittaker,1972D=S/

15、NSi m p s ons(Si m p s on,1949D=si=1n i(n i- 1n(n-1Mc Naught ons(Mc Nanght on,1967D=n1+n2N100OD(Kvalseth,1991D=si=1P2i-1-1注:D為多樣性指數(shù),s為物種i的個(gè)體數(shù)數(shù),N為所有物種個(gè)數(shù),Pi為物種的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例,n1和n2為2個(gè)主要優(yōu)勢(shì)種的個(gè)體數(shù).表2微宇宙水體浮游藻類9種生物多樣性指數(shù)變化Table2N ine bi odiversities of phyt op lankt on in m icr ocos m in different peri odOD(多樣性

16、測(cè)度指數(shù) 2.650 2.356 2.636 2.445 1.941 1.070圖3各時(shí)期TS I(P值變化(2005Fig.3Variety of TSI(Pin each peri od(2005式中,TP為水中總磷濃度值;TSI(P為磷營(yíng)養(yǎng)污染指數(shù).各時(shí)期的TSI(P值計(jì)算結(jié)果見圖3.由圖3可見,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)基本上升高,這表明,微宇宙水體在無(wú)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的情況下,污染程度仍逐漸加大,由底泥向上覆水體釋放污染物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使水中磷濃度不斷升高,為藻類生長(zhǎng)提供了充分的磷源,促進(jìn)其生長(zhǎng)繁殖,并使水質(zhì)下降.最后一次檢測(cè)時(shí)TSI(P指數(shù)降低,是由于后期藻類大量生長(zhǎng)繁殖,吸收了水體中部分可溶性磷,使得基

17、于P濃度值所計(jì)算的TSI(P值有所降低.3.3多樣性指數(shù)與TSI(P值的擬合將TSI(P值與9種多樣性指數(shù)分別擬合,以找出與水體污染變化趨勢(shì)最符合的多樣性指數(shù).由圖4可以看出,只有Menhinicks及Monk多樣性指數(shù)與TSI(P間的擬和效果較好,R2值分別933環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)27卷為0.7606、0.7736,與水體污染變化最大趨近,其它指數(shù)與TSI (P 間擬合的R 2值都較小.Hurberts s P I E (Pr obability of inter 2s pecific encounters 指數(shù)主要建立在種間相遇幾率上,由圖4a 看出,Hurberts s 多樣性指數(shù)與TSI (

18、P 值間的R 2值為0.338,擬和效果差,即Hurberts s 指數(shù)對(duì)于隨時(shí)間發(fā)生變化的群落演替不靈敏,而靜態(tài)景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程主要源于時(shí)間變化導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加.此指數(shù)在用于海水富營(yíng)養(yǎng)化研究中也表現(xiàn)出時(shí)間上的延誤性(Karydis M ,1996.由圖4b 可以看出,Marglef s 指數(shù)與TSI (P 值變化擬和也不好,R 2值達(dá)0.7606,明顯高于前兩個(gè)值,此指數(shù)在時(shí)間上對(duì)群落間區(qū)分上具有靈敏性.Shannon s 與Si m p s on s 多樣性指數(shù)作為經(jīng)典的多樣性指數(shù),主要代表群落中的物種豐富度,對(duì)群落隨時(shí)間變化的研究并不靈敏. 圖4各生物多樣性指數(shù)與TS I(P值的

19、擬和Fig .4Regress of nine bi odiversity indices with TSI (P 從R 2值可以看出,Mc Naught on s 多樣性指數(shù)也不適用于描述富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程,在海水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中,Mc Naught on s 指數(shù)亦不準(zhǔn)確(Karydis M ,1996.Monk 指數(shù)與TSI (P 值擬和效果較好(圖4h ,其R 2為物種豐度研究的簡(jiǎn)單方式,與TSI (P 擬合的R 2綜上所述,在由9種生物多樣性指數(shù)與TSI (P 共同描述靜態(tài)水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中,只有Monk 多樣性指數(shù)與Menhinick s 多樣性指數(shù)與TSI (P 值所表征的水體污染程

20、度變化趨勢(shì)相符合,而P I E (種間相遇幾率、Marglef s 、Shannon s 、Si m p s on s 、Mc Naught on s 、OD (多樣性測(cè)度指數(shù)等經(jīng)典多樣性指數(shù)盡管在諸多文獻(xiàn)中被直接引用,但在靜態(tài)景觀水體污染過(guò)程中,由于其所反映群落信息變化的不確定性,未能準(zhǔn)確描述富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程.所以,在應(yīng)用生物多樣性指數(shù)進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)研究時(shí),應(yīng)首先根據(jù)水體污染特性和污染方式進(jìn)行計(jì)算,確定所要應(yīng)用的生物多樣性指數(shù)的有效性,再用于污染0432期劉書宇等:景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化模擬過(guò)程中藻類演替及多樣性指數(shù)研究趨勢(shì)評(píng)價(jià).4結(jié)論(Conclusi ons1在利用微宇宙模型模擬北方靜止景觀水體