浮游植物多样性指数的应用及评价

秦娇娇, 王 艳

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)

浮游植物多样性指数的应用及评价

秦娇娇, 王 艳

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)

浮游植物是水生生态系统的初级生产者,研究浮游植物多样性指数对于水体评价及水质监测有重要意义。目前,已有大量浮游植物多样性、丰度、均匀度等方面的研究,但国内学者较少评价各多样性指数的优劣以及适宜性。对国内学者较常用的3种多样性指数(Shannon指数、Margalef指数、Pielou均匀度指数)进行探讨,并从其计算复杂性、分辨能力、样本大小、测定指标的侧重点这几个方面阐述了各指标的优先选择程度。生物多样性指标在水体评价领域存在的问题也进行了讨论。

浮游植物; 多样性指数; 生物多样性评价; 指数应用

0 引 言

浮游植物是水生生态系统的初级生产者,它的生物量、多样性以及群落结构直接反映了河流、湖泊、海洋等生态环境的肥力和营养状态。生物多样性研究生物(动物、植物、微生物)和其所拥有基因的遗传变异、它们与其生存环境间的相互关系以及共同构成的生态环境[1],这说明水生生物与其生活的水生环境之间存在着密切联系,人工监测和评价浮游植物多样性可以得知生态系统的营养力,可以预报并及早处理水华、赤潮等环境污染,控制及解决水体富营养化等一系列问题。

物种多样性一词在20世纪40年代首次提出,随后有关物种多样性乃至生物多样性的研究得到广泛深入,从定性研究逐渐趋向于定量研究,到当前已出现了10多种度量物种、群落、生物多样性的指标和数量模型[2]。我国早从20世纪90年代之前已开始研究浮游生物多样性[3]。联合国教科文组织的浮游植物群落结构分析《浮游植物手册》[4]明确推荐使用Shannon指数(以e或以2为底)、Margalef指数、Pielou均匀度指数。Fisher应用α、β、v指数来研究群落的物种多样性,除特别说明,一般认为α多样性指数是常用的测度群落内部多样性的指标[5]。国内外学者应用了除此3种外的其他指数,如M.O. Hill[6],Harini Nagendra[7],Anne E. Magurran和Peter A. Henderson[8]使用了Simpson指数,Nivaldo Peroni等[9]、Irit Zohar等[10]、James F. Heltshe 等[11]和John Donaldson等[12]使用了Brillouin指数,W. J. Staddon等[13]使用了Mcintosh指数等。何芳良[14]等使用了Simpson等指数研究了生态模型及空间统计。各研究结果表明,各多样性指数都有其优缺点,本文在这些研究基础上对浮游植物群落结构研究中经常用到的3种多样性指数进行评价。

1 浮游植物多样性指数概念

1.1多样性指数概念

多样性指数是编排被检测生物的种类和数量分布2个因子信息,定量显示生物个体和生物种在群落中的关系[15],即通过实验数据的整理、编排、演算得到的关系函数。它既完整揭示了生物群落的结构组成,又体现了水质和生物群落的关系[16]。浮游植物多样性指数则主要研究浮游植物的种类、数量分布等各种生物指标,主要使用方法即是生物统计中的多样性指数方法。

1.2常用多样性指数计算方法、评价

本文以Shannon指数、Margalef指数、Pielou均匀度指数为例介绍其计算方法和水体环境质量评价标准[17-20](见表1、表2)。

表1 各指数计算方法

表2 各指数评价水体标准

2 浮游植物各多样性指数的应用比较

当前,国内针对浮游植物多样性的研究已取得了一些进展,如杨丽娜等对黄土高原水蚀区、水蚀风蚀交错区、风蚀区的生物结皮中蓝藻的多样性及优势种进行了研究,发现Shannon指数水蚀风蚀交错区最高,水蚀区次之,风蚀区最低[27]。唐文家对青海省黑河上游水生生物进行了调查,综合评价水体为贫营养型,发现 Pielou均匀度指数更接近丰富度指数,更能反映水体的实际营养状况[28]。但对于不同流速和水文状况的河流、湖泊、海口甚至水库的水质监测及环境污染预警的测定方法的使用并没有明确的、相对应的多样性指数测定方法。

2.1计算的复杂性

在3种指数中,计算最简单的是Margalef指数,而Shannon指数(多指以2为底)的计算适中[21]。Pielou均匀度指数较前两种指数计算略复杂,这也限制了该指数的应用,不过复杂的计算性问题在计算机和计算科学发达的今天,相对就不太重要了。

2.2分辨能力

分析群落结构的过程中,优先选择的指数可分辨出完全不同的两个或多个浮游植物群落[21]。Taylor[22]曾经对几个多样性指数的分辨能力进行了检验,得到Shannon指数在被检多样性指数中的分辨能力最高。而Kempton和Wedderburn[23]的研究则表明有比Shannon指数、Margalef指数各种形式都高的分辨率的其他指数。Magurran[24]的研究则发现以优势度、均匀度为基础而编排的方程式所得指数的分辨能力最小,如Pielou均匀度指数,以物种优势度为基础的Shannon指数的分辨能力居中,而以物种丰富度为基础的Margalef指数有很高的分辨能力。综合所述,分辨能力由强到弱依次为:Margalef指数、Shannon指数、Pielou均匀度指数[21]。

2.3样本大小

样方密度的大小对一个优先选择的多样性指数的影响应该是等于零或者接近于零,所以选择更加适宜的多样性指数首先要计算样方密度大小对其影响程度。Taylor[22]发现当群落总个体数大于1 000时,Shannon指数、Simpson指数对样本大小的敏感性居中,在此类型研究中表明样本大小会中等程度地影响Shannon指数,会最大程度地影响Margalef指数。所以,从对方密度大小的敏感程度来看就上述3种指数,优先选择程度为Shannon指数、Pielou 指数、Margalef指数。

2.4各多样性指数的侧重点

多样性指数的划分从最初研究到现在都存在不同的观点。孙军[21]根据产生原理将各多样性指数划分为四个类型,其中测度信息量的Shannon指数侧重于测定相对丰度分布、物种丰富度,故称为物种多样性指数;Margalef指数侧重于测定样方中所占密度、物种数目、物种丰富度估算等,故称为物种丰富度指数;Pielou指数则侧重于测定物种分布均匀程度,故称为物种均匀度指数。与孙军等人持不同观点的Peet[25]曾侧重于异质性测量方面,将各多样性指数划分为两个类型,其中一种指数类型较易对种群的优势程度即对丰度较敏感,如Pielou指数,而另外一种指数类型较易被群落中稀有种群即物种丰富度所影响,如Shannon指数。

2.5多样性指数的优先选择

国外学者Southwood分析了选择一个多样性指数的步骤[26]。根据对多种多样性指数的国内研究及实验分析结果,并结合Southwood的研究,孙军[21]也提出可由以下参考步骤分析浮游植物的生物多样性:1)通过研究样方大小计算浮游植物的物种矩阵;2)计算各指数可以得知侧重点数据;3)据研究方向侧重点选择各指数;4)在环境质量较差的水体(常符合几何级数分布)中需要先制定群落水平上的等级丰度图,得到物种的分布类型,所以需要谨慎选择Margalef指数作为测定多样性的指标。

3 多样性指数应用需与其他有效指标结合

越来越多的实验表明生物多样性指数不是水体环境质量监测中理想的指标。环境监测工作中已逐步开始广泛使用不同类型的生物多样性指数,但群落分析应用方面可能获得截然不同甚至完全相悖的结果,因此生物多样性与胁迫类型、胁迫强度之间不存在明确对应关系。根据目前的文献报道,Margalef指数与水体营养水平的相关性明显,而Shannon指数与其相关性不明显[29-31],国内学者发现一些异质性高的采集点浮游植物群落的Shannon指数较高且与其他指数相关性很差的现象[32-33],这种相互关系不稳定的现象说明多样性指数与水体环境质量之间关系复杂,往往需要考虑水体营养类型、鉴定操作规范程度定量操作等因素[33],营养水平并没有构成影响物种多样性的唯一因素[34]。鉴定水体环境质量的营养状态时,多样性指数有时仅仅可以作为参照指标。此外,通常环境发生变化就会引起生物多样性的改变,但是其生物(非生物)的改变或水体变好或变坏则无法判断,在营养水平及水质监测中并不单纯使用一种方法,有时需要综合多种多样性指数,还要参考其他的生物指标和理化指标,相互结合使用。在具体多样性测定中需综合考虑分类学相似性及等级丰度分布。可见,多样性指标只能用来从某些侧面进行分析,而不适合完全依据多样性指数来评价水体环境质量。

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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。

辽宁省教育厅重点实验室项目(2009S097); 沈阳师范大学生态与环境中心主任基金资助项目(EERC-G-201301); 凌河流域水生态监测及纳污能力计算横向课题。

秦娇娇(1990-),女,山西忻州人,沈阳师范大学硕士研究生。

1673-5862(2014)04-0502-04

Q948

: A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2014.04.010