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浮游植物多样性指数在内陆水体污染类型评价中的应用简述

文档作者：董立新1 周绪申2 文档来源： 1. 天津市水利科学研究院 2.海河流域水环境监测中心		点击数：	更新时间： 2025年03月03日
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2017.No.5
收稿日期：2017—04—15
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07203
-002）
作者简介：董立新（1977—），男，高级工程师，主要从事水资源、
水环境研究规划工作。
DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.019
浮游植物多样性指数
在内陆水体污染类型评价中的应用简述
董立新1，周绪申2
（1. 天津市水利科学研究院，天津300061；2.海河流域水环境监测中心，天津300170）
摘要：在对几种常用的浮游植物多样性指数进行综合归纳的基础上，简要介绍了其优缺点、应用范围及应用频
度。以其作为浮游植物多样性评价的常备工具，分析了其在海河流域地表水评价方面的应用。
关键词：浮游植物；多样性指数；水体污染类型
中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：1004-7328（2017）05-0057-04
1 生物多样性简介
生物多样性（Biodiversity）是指一定空间范围内
多样性有机体（动物、植物、微生物）有规律地结合在
一起的总称，它是对自然界生态平衡基本规律简明
的科学概括，也是衡量生产发展是否符合客观规律
的主要尺度，主要包括遗传多样性、物种多样性、生
态系统多样性和景观多样性[1]。随着我国人口的迅
速增长，人类经济活动的不断加剧，作为人类生存最
重要的基础生物多样性受到严重威胁。“无法再现的
基因、物种和生态系统”正以人类历史上前所未有的
速度消失[2]。我国于1988—1992年间加入《生物多
样性公约》，并由多个部委成立工作协调组，对生物
多样性进行保护和管理[3]。
内陆水域是一个完整的生态系统，由浮游植物、
浮游动物、底栖动物、水生昆虫、底生藻类、水生维管
束植物、腐屑和细菌以及摄食各种生物的多种鱼类
构成[4]，浮游植物是内陆水域生态系统初级生产者，
对水体环境污染较敏感，其种类组成、群落结构、生
物量等指标是水体污染类型的重要指标，同时也为
评价水体质量的重要指标，国内外学者把浮游植物
多样性作为指示生态环境实时参数。笔者把相关文
献和资料中常用的浮游植物多样性指数作了综合归
纳，简要介绍了其优缺点、应用范围及应用频度等，
作为浮游植物多样性评价的常备工具。
2 内陆水域评价中常用生物多样性指数
一般来讲，多样性指数取决于3个因素，即种类
多寡、个体丰富度及均匀度，除个别多样性指数外，
不考虑种的指示意义，只考虑群落结构特征[5]。浮
游植物在内陆水域常用的指数分别为Margalef多样
性指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson多样
性指数、均匀度指数、藻类综合指数、硅藻生物指数、
污生指数、Bip指数、Beck指数等，这里对其公式、污
染类型评价等分别进行简要概述。
2.1 Margalef Index
其计算公式为：
D= Sln-N1 （1）
式中：D 为多样性指标；S 为种数；N 为总个体数。
当D 值大于5时水体属清洁类型，4~5时属寡污
带，3~4 时属β－中污型，0~3 时属α－中污－重污
型[6]。
此公式的优点是简单可行、易于计算，但只考虑
了种类的数量与个体数之间的关系，没有考虑个体
数在各个种类间的分配情况，且受计数样品大小的
影响，误差较大。
与Simpson多样性指数相反，Margalef多样性指
数主要是反映种类多少的一种指数，它假定种类数
S 与总个体数的对数值lnN具有线性关系，其实未必
一定如此[7]。D 值越大，水质越好。不过D 值受样方
大小的影响较为明显。有人应用Margalef多样性指
数进行了鱼类种群多样性的比较，认为只有在2个
海 河 水 利 ·57·
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2017年10月
区域的自然生态条件相当时才有较好的可比性[8]。
2.2 Shannon-Wiener Index
其计算公式为：
H（' S）= -Σi =1
S ni
N log2
ni
N （2）
式中：H'（S）为多样性指标；S 为种类个数；N 为同一
样品中的个体总数；ni为第i种的个体数。
当H'（S）值为0~1 时水体属多污带，1~2 时属
α－中污带，2~3 时属β－中污带，大于3 时属寡污
带[9]。
该指数是以种群落结构特征为考虑对象，将种
类多寡、个体丰度及均匀性3个因素压缩成一个信
息来计算的。从理论上讲，H'（S）值可用于任何一个
生物类群，但实际应用中以底栖动物最多。本指数
要求全部分类鉴定到种（不一定要有种名，只要确定
为一个分类单元即可，或全部分类到属或到科均可
计算H'（S）值），但分类越细，灵敏度越好，H'（S）值
越精确。有学者认为分类水平越细，H'（S）值也就越
高，因而认为应分类到种[10]。
理论和实践均表明H'（S）值对稀有种类反应不
甚灵敏，由于污染特别是轻度毒性污染的影响，某些
稀有种类已经消失，然而由于种的个体丰富度、均匀
度的增加，H'（S）值并不一定降低，此时应同时考虑
种类或优势种的优势度等群落参数。H'（S）值不仅
对污染有反应，也对其它环境因素有反应，如水深、
流速、食物多样性、生境多样性，有些小型冷水性河
流虽无污染，但有时H'（S）值却低于3。因此，在使
用本参数时最好有3个以上平行样品[8]
2.3 Simpson Index
Simpson多样性指数有很多变形，笔者采用其中
1种[9]，其计算公式为：
D=
N(N -1)
Σi
S
ni(ni -1) （3）
式中：D 为多样性指标；n 为同一样品中的个体总数；
ni 为第i 种的个体数。
当D值小于2时水体属严重污染，2~3时属中度
污染，4~6时属轻度污染，大于6时清洁。
样方大小对D值有一定影响，D值主要受个体丰
度较大的种左右，而个体丰度较小的种对其影响不
大，因而主要是优势度的一种反映，种类多样性的意
义不强，近年来Simpson多样性指数应用越来越少[7]。
2.4 Evenness Index
由上述各种多样性指数的计算公式可知，多样
性指数决定于种类数S、总个体数N 和每种的个体
数ni。每种的个体数越接近，即n1≈n2≈…≈ns时，则
各种个体数分布的均匀度（Evenness Index）就越高，
反之越低。若把实测的多样性指数H'（S）值与一定
的S 值时较小或最大的H'（S）值相比较，并通过一定
公式计算，则可以得到均匀度指数。
（1）Pielou均匀度指数计算公式为：
e= H'(S)
H'max （4）
因H'max =lgS，则均匀度e 计算公式为：
e= H'(S)
lgS （5）
当e 值为0~0.3时水体属重污染，0.3~0.5时属中
污染，0.5~0.8时属轻度污染或无污染。
（2）Lloyd-Gherlardi均匀度指数计算公式为：
E= Si
S
（6）
式中：Si为第i 个采样点的生物种种数；S 为样品中的
生物总种种数[8]。该值反映了物种个体数目分配的
均匀程度。
当E值小于0.3时水体属多污带，0.3~0.4时属α－
中污带，0.4~0.5时属β－中污带，大于0.5时属寡污带。
2.5 藻类综合指数
藻类综合指数计算公式为：
K=（蓝藻门+绿球藻目+中心纲硅藻+裸藻） ×种类数
鼓藻目种数
（7）
当K 值小于1 时水体属贫营养，1~3 时属中营
养，大于3时属富营养[11]。
2.6 硅藻生物指数
硅藻生物指数计算公式为：
DBI= 2A +B -2C
A +B -C ×100 （8）
式中：DBI 为硅藻生物指数；A 为不耐有机污染的种
类数；B 为适应性广的种类数；C 为仅在一中污带和
多污带中出现的种类数。
当DBI 值为0时水体属多污带，0~100时属α-中
污带，100~150时属β-中污带，大于150时属寡污带。
2.7 Saprobic Index
其计算公式为：
S=Σh ×si
Σh
（9）
式中：S 为群落的污生指数；si 为不同种类的污生指
数分值，从寡污种到多污种其分值为1—4，其中寡
污带=1、中污带=2、中污带=3、多污带=4；h 为该种生
物的个体丰度，可用从1—5等级表示，其中1级种类
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极少、2级种类少、3级种类较多、4级种类多、5级种
类极多[12]。
当S 值为1.0~1.5时水体属轻污带，1.5~2.5时属
中污带，2.5~3.5时属重污染，3.5~4.0时属严重污染[13]。
2.8 Bip指数
生物指数Bip值，主要以浮游植物为对象[14]。其
Bip值计算公式为：
Bip= B +100 A +B （10）
式中：A 为含叶绿体个体数；B 为不含叶绿体个体数。
当Bip值为0~8时水体属天然净水，8~20时属
弱污染，21~60时属中污染，60~100时属重污染。
2.9 Beck指数
Beck指数以浮游植物为对象，其计算公式为：
Bl=2A+B （11）
式中：A 为污染敏感种数；B 为耐污染种数。
当B1值为0~5时水体属重污染，6~10时属中污
染，11~19时属轻污染，20时属清洁水[14]。
3 多样性指数在水质评价中的应用
3.1 多样性指数在内陆水域污染评价的应用
王鹏等[12]采用硅藻生物指数DBI和污生指数S
对大伙房水库源区3条河浮游植物进行了生物学评
价。张鸣等[15]运用Shannon-Wiener多样性指数对辽
河三角洲区域进行了评价。王朝晖等[16]应用Shannon-
Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数和Mc-
Naughton优势度指数，对广东省19座典型大中型水
库的浮游植物状况进行了分析评价。王勇等[17]运用
Shannon-Wiener多样性指数对黄河干流浮游植物进
行了评价。潘静等[18]运用Margalef多样性指数、Shannon-
Wiener多样性指数和均匀度指数对草海浮游植
物进行了评价。晏妮等[19]利用Margalef多样性指数、
Shannon-Wiener多样性指数和均匀度指数对乌江沙
砣水电站库区浮游植物进行了评价。马成学等[20]运用
污生指数对牡丹江浮游植物进行了分析评价。
3.2 多样性指数在海河流域水域的应用
流域内对多样性指数的应用也较多。李源等[9]
运用Margalef 多样性指数、Shannon-Wiener 多样性
指数、Simpson多样性指数和Lloyd-Gherlardi均匀度
指数对白洋淀浮游植物进行了分析和评价。宋芬
等[21]运用Margalef多样性指数、Shannon-Wiener多样
性指数和Pielou均匀度指数对马颊河与徒骇河浮游
植物进行了分析研究。管越强等[22]运用Shannon-
Wiener多样性指数对拒马河浮游植物进行了分析
和评价。宋立钧等[23]对洋河水库浮游植物运用Margalef
多样性指数和Menkinick多样性指数进行了多
样性评价。
3.3 海河干流浮游植物多样性评价
笔者对2012年海河干流浮游植物进行了调查，
经统计，其多样性指数见表1。从数值结果来看，
Margalef多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数
均较低，藻类综合指数较高，显示海河浮游植物多样
性状况较差。
参照况琪军等[11]方法评价，Margalef多样性指数
D 为2.51，因<3，属α-中污带；Shannon-Wiener多样
性指数H（' S）为2.52，因<3，属中污染；藻类综合指数
K 为33，因≥3，属富营养。综合藻类多样性指数评
价结果来看，海河干流水体污染类型属中污染；结合
浮游植物生物量及细胞密度评价结果来看，海河干
流水体营养类型属富营养，且富营养化程度较高。
3.4 官厅水库浮游植物多样性评价
笔者对2011年6—7月官厅水库浮游植物进行
了调查，经统计分析，其多样性指数见表2。浮游植
物Shannon-Wiener 多样性指数H'（S）为0.75，因位
于0~1，根据李源等[9]的水质评价方法，样点的水体
类型为多污带；Margalef 指数D 为1.1，根据詹玉涛
等[6]评价方法，水库为α－中污－重污型湖泊；Simposon
多样性指数D 为2.95，根据李源等[9]的水质评
价方法，因位于2~3，样点的水体污染类型为中度污
染。从官厅水库浮游植物藻细胞密度和多样性指数
来看，藻细胞密度较大，种类较少，多样性指数总体
较小，说明浮游植物群落结构较简单，稳定性较差，
参照水库水体总磷、总氮等营养盐浓度，说明官厅水
库水体富营养化程度较高。
4 讨论
通过各文献分析可知，在河流和湖泊调查评价
中，不论是浮游植物、浮游动物还是底栖动物，应用
最广泛的多样性指数为Margalef 多样性指数和
Shannon-Wiener多样性指数；在河流水污染评价中
硅藻指数应用广泛，其次为Simpson多样性指数和
均匀度指数（Evenness Index）。
表1 海河干流浮游植物多样性指数
类型
指数赋值
Margalef多样性
指数
2.51
Shannon-Wiener多样性
指数
2.52
藻类综合
指数
33
类型
指数赋值
Shannon-Wiener
多样性指数
0.75
Margalef
多样性指数
1.10
Simposon
多样性指数
2.95
表2 官厅水库浮游植物多样性指数
海 河 水 利 ·59·
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2017年10月
浮游植物Margalef 多样性指数、Shannon-Wiener
多样性指数、Simpson多样性指数、均匀度指数、
藻类综合指数等在湖库评价中应用较多，而在河流
评价中硅藻生物指数、污生指数应用较多。
一般来讲，浮游植物的多样性指数越高，其群落
结构越复杂，稳定性越大，水质也越好，浮游植物多
样性指数与水质类型的相关性有待于进一步分析和
研究。
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4 结论与建议
本项目是在对山西禹门口提水工程输水渡槽全
面检测评估基础上，针对该工程混凝土缺陷问题，使
用了多种先进仪器设备进行检测，除常规项目外还
进行了专项检测，检测技术规范、方法合理。同时，
对检查中发现的主要缺陷，结合工程现场实际情况，
提出了切实可行的修复处理方案。从通水运行的情
况来看，实施处理后渡槽渗漏问题得到了彻底解决，
混凝土耐久性大幅度提高，保证了禹门口黄河提水
工程的正常运行，为今后类似工程检测评估和缺陷
处理提供了借鉴和参考。
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