大型底栖动物污染指数_MPI_

第23卷第5期2003年9月

环 境 科 学 学 报

ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE

Vol. 23, No. 5Sep. , 2003

文章编号:0253-2468(2003)05-0625-05 中图分类号:P7145; Q9591192 文献标识码:A

大型底栖动物污染指数(MPI)

蔡立哲

(1. 厦门大学教育部海洋环境科学重点实验室, 厦门 361005; 2. 厦门大学环境科学研究中心, 厦门 361005)

摘要:根据2000年至2002年在深圳湾、厦门西海域、罗源湾、兴化湾潮间带和潮下带获得的85个取样站次大型底栖动物数据, 参考丰度生物量比较法(ABC) , 建立了评价海洋环境质量的大型底栖动物污染指数(MPI). MPI 的计算式是:MPI=10(2+

k )

[E (A i -B i ) ]P S 1+k , 式中A i 和B i 分别是密度和生物量优势度大小顺序的第i 个累积百分优势度的数值, S 为采集到的物种数, K 为常数, K =|E (A i -B i ) |P E (A i -B i ) , 当E (A i -B i ) 为正数时, K =1; E (A i -B i ) 为负数时, K =-1. MPI 越小, 沉积环境越清洁. 反之, 污染越严重. MPI 的优点是实现ABC 法的数字化, 而且反应灵敏, 评价结果比种类多样性指数(H ) 更符合实际.

关键词:大型底栖动物; 污染; 生物指数; 环境质量

Macrozoobenthos pollution index (MPI )

CAI Lizhe

(1. Key Lab oratory for Mari ne Environ mental Scien ce of Min istry of Edu cti on Xi amen Uni versity, Xiamen, 361005, China;

2. Environmental Science Re search Center, Xiamen Universi ty)

Abstract :Macroben thos pollu ti on in dex (MPI)was es tab li shed accordin g to the macrofaun al da ta collected on in tertid al z on e and su btid al z one in Shen zhen Bay, Western Xi amen Harb ou r, Luoyuan Bay, and Xinghu a Bay, and referri ng to Ab und ance Bi omass Comparison (ABC) meth od . The MPI formu la is, MPI =10(2+k ) [E (A i -B i ) ]P S (1+

k )

. Wh ere A i and B i are respectively the cu mu lative %d omin ance for

d ensi ty and bi omass in the i th sp ecies ran k, S =the n umber of species in the sample, K is a con stan t nu mber. K =|E (A i -B i ) |P E (A i -B i ) , When E (A i -B i ) is positive nu mber, K is 1. When E (A i -B i ) is negati ve n u mber, K i s -1. The bigger MPI is, the more se riou s pollu ti on is. The meri t of MPI i s d igital on ABC me thod an d sensi ti ve to p ollu tion situation. As sessin g re sults yet accord wi th fact than Shann on -Weaver p s s pecies diversity ind ex (H c ).

K ey words :macroz ooben thos, polluti on, biotic in dex, environ men tal qu ali ty

沉积环境集有/源0和/汇0的特征, 其潜在环境污染/二次效应0越来越受到地理学家、环境学家和生态学家的关注. 沉积环境生物评价的历史根源是水体的生物评价, 有关水质-沉积物-水生生物之间的相互关系方面的研究已经开展了很多用ABC 法评价海洋环境污染状况

[10, 11]

[1) 7]

. Warwick 在提出丰度生物量比较法

[8, 9]

ABC(Abundance biomass comparison) 法后, 在此基础上又作了些修正. 国内外有许多学者应

. 应用结果表明, 该方法存在一些不足. 例如, (1) ABC 法

仅分为3种污染程度, 即严重污染、中度污染和无污染, 它与种类多样性指数分为4种污染程度, 即严重污染、中度污染、轻度污染和无污染不一致, 因而两种方法同时应用时结果可能不同; (2) ABC 法是一种作图法, 在图中由于空间的限制, 无污染的尾部曲线因数据较接近而被认为是交叉或重叠, 常被误解为中度污染. 基于这种情况, 我们设想在ABC 法的基础上转化为指数法, 而且与种类多样性指数一样, 也分成4种污染状况

收稿日期:2002-08-13; 修订日期:2002-11-25资助项目:教育部骨干教师资助项目

:() ) , 男, 教授(博士) xmu. c n

[12]

.

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环 境 科 学 学 报23卷

1 大型底栖动物数据来源及其生态环境

大型底栖动物数据来源于深圳湾、厦门西海域、罗源湾、兴化湾潮间带和潮下带共85个取样站次. 潮间带和潮下带大型底栖生物取样按照1998年发布的5海洋监测规范6近海污染生态调查和生物监测的方法进行.

福田红树林潮间带位于深圳湾的东北部, 曲线长约9km, 宽约017km, 地理坐标为东经113b 45c 、北纬22b 32c . 与香港米埔红树林保护区隔水相望, 与深圳特区城市新中心相距212km. 2002年1月、4月、7月, 在深圳湾福田红树林潮间带底栖动物采集布设3条断面9个取样站, 即A1、A2、A3、D1、D2、D3、E1、E2、E3. A3取样站有24个季度数据(1996年1月至2001年10月). 厦门西海域面积50km , 长14km, 水深6m 至25m 不等, 岸线长2511km. 西海域是半日潮区, 平均潮差3199m, 潮余流较弱, 大致呈东进西出之势. 水体温、盐度分布较均匀. 底栖动物6个取样站, 即XS1-XS6, 取样时间2001年10月. 厦门象屿潮间带底栖动物8个取样站(X1) X8) , 取样时间为2002年4月. 厦门象屿潮间带东西向约800m, 南北向约1750m. 潮滩主要养殖缢蛏(Sinono vacula constricta ) 和泥蚶(Tegillarca granosa ). 厦门象屿潮间带位于高集海堤附近, 从高集海堤涵洞进入西海域的潮水首先到达该潮滩, 且部分区域形成养殖滩涂, 沉积环境相对较好.

罗源湾潮下带底栖动物12个取样站(LY2) LY13) , 取样时间为2000年5月. 兴化湾美澜潮间带底栖动物8个取样站(AH 、AM 、AL 、B H 、B M 、BL 、C H 、CL) , 取样时间为2001年4月. 2 大型底栖动物污染指数MPI 的建立及其论证211 大型底栖动物污染指数MPI 计算式的建立

Warwick 的丰度生物量比较法有设计的专用软件. 但应用普通的EXCEL 软件也可进行作图, 其过程是:原始数据y 数据大小排列y 计算累积%优势度y 作图. 为便于进行定量表述和比较, 我们将该方法的/作图0改为计算指数, 这个指数即大型底栖动物污染指数(macrozoo -benthos pollution index, MPI). 在上面的第三个步骤获得的丰度累积%优势度和生物量累积%优势度分别称为A i 和B i , 即密度优势度大小顺序是第i 个种, 其密度累积%优势度为A i ; 生物量优势度大小顺序是第i 个种, 其生物量累积%优势度为B i . 值得注意的是A i 与B i 并不一定是同一物种的密度和生物量. A i -B i 的差可能是正数, 也可能是负数. 设想一个式子当A i -B i 为正值时, 物种S 越少, MPI 越大, 反之, MPI 越小, 符合种类越少污染越严重的规律; 当A i -B i 为负值时, 物种S 越多, MPI 值越小(绝对值越大) , 表明丰度曲线与生物量曲线距离越远, 越清洁, 符合War wick 丰度生物量比较法的基本原理. 因此, 建立如下式子:

MPI =10

(2+k )

[3]

2

[13]

第7部分:

[

E (A

i

-B i ) ]P S

1+k

式中, K =|E (A i -B i ) P E (A i -B i ) , 当A i -B i 为正值时, K =1; 当A i -B i 为负值时, K =-1. 212 大型底栖动物污染指数MPI 值计算式的论证

以2002年4月深圳湾福田潮间带9个取样站底栖动物为例, 从A1取样站至E3取样站种类多样性指数H 、MPI 有减少趋势(表1) . 根据85个取样站次的底栖动物H 值与MPI 值进行相关分析表明, MPI 与H 的相关系数为018431(图1) . 可见, MPI 值与H 的相关系数与上述公,

5期蔡立哲:大型底栖动物污染指数(MPI)

627

域的环境质量.

表1 深圳湾福田潮滩各取样站的多样性指数(H ) 、ABC 比较和污染指数(M PI) (2002年4月)

Table 1 Species diversity index (H) , ABC and MPI at each sa mpli ng station on Futian mudflats in Shenzhen Bay (April,2002) 站号H ABC MPI

A121493中污-11692

A221575无污-91618

A321461无污-61134

D111689中污01211

D221062中污11944

D321036中污31723

E111126重污41068

E201947重污51194

E301598重污131

108

213 底栖动物污染指数MPI 与ABC 法结果及H 值的比较

根据公式的计算值, 将MPI 与AB C 污染程度比较可

以看出, 丰度曲线在生物量曲线上方(重污染) 的、底栖动物污染指数值>4的有28个取样站次(图2) ; 丰度曲线与生物量曲线交叉(中污染) 的、底栖动物污染指数值在4~-4的有21个取样站次; 丰度曲线在生物量曲线下方(无污染) 的、底栖动物污染指数值8范围的有13

图1 MPI 与H 的分布关系Fi g. 1 The dis tribution relations hip

between MPI and H

个取样站次(图3) ; H 属中度污染(1~2) 在MPI 为8~0

范围的有12个取样站次; 属轻度污染(2~3) 在MPI 为0~-12范围的有17个取样站次; 的H 属清洁(>3) 在MPI

3 讨论

311 大型底栖动物污染指数污染程度的界定

图2 底栖动物污染指数M PI 范围与ABC 法污染程度之间的比较

Fi g. 2 Compari son between MPI sc ope and ABC pollution degree

大型底栖动物污染指数值越大, 沉积环境污染越严重, 反之, 沉积环境越清洁. 为了与种类多样性指数H

一样划分为重污染、中度污染、轻污染、清洁4个污染程度, 需要界定底栖动物污染指数值MPI 上述4个范围. 根据War wick 丰度生物量比较法的原理, 首先将MPI 大于0的正数定为中度污染以上(即包含中度污染和重污染) , 小于0的负数定为轻度污染以下(即包含轻度污染和清洁). 然后根据一定AB C 和MPI 范围(图2) 某污

图3 底栖动物污染指数MPI 范围与种类多样性指数H 的比较

Fi g. 3 Comparis on bet ween MPI and H scopes

染程度站次所占其总站次的百分比, 累加百分比最高者为最佳范围(表2) , 得出的结果是MPI >4, 严重污染; MPI=4~0, 中度污染; MPI=0~-6, 轻度污染; MPI16, 严重污染; MPI=16~0, 中度污染-,

定的范围与以H 界定的范围有较大的差异. 考虑到MPI 是在ABC 法基础上建立的, 因而采用以ABC 界定的范围.

表2 不同MPI 和ABC 范围各污染站次占所在范围总站次的百分比

Table 2 Percent of each polluted s tation of all s ampli ng stations

withi n at different MPI and ABC s copes

MPI >4或6或8或4或4或6或8或

重污[***********]59517100

中污[***********]1361195119

轻污

[***********]0186514

清洁

[***********]15100100

%合计[***********][**************]13

312 深圳湾福田潮间带泥滩4种污染程度底栖动物群落特征在深圳湾福田潮间带清洁的泥滩中, 群落的生物量由1个或几个大型的种占优势, 且每个种有几个个体, 种内生物量的分布比密度分布显优势, 如A2取样站, 大个体的羽须鳃沙蚕(Dendroneris pinnaticir -ris ) , 中个体的尖刺缨虫(Potamilla acuminata ) 、莫顿长尾虾(Apseude mo rtoni ) 、腺带刺沙蚕(Neanthes glandicinca ) 均有较高的密度; 在受到轻度污染时, 生物量占优势的大个体数量减少, 如A1取样站, 羽须鳃沙蚕生物量仅占38140%(表4) , 比A2取样站少28164%; 在受到中度污染时, 生物量占优势的大个体几乎消失, 在数量上占优势的是中

表3 不同MPI 和H 范围各污染站次占所在范围总站次的百分比Table 3 Percent of eac h polluted station of allsampling stati ons within at

different MPI and H scopes

MPI ? 10? 12? 14? 16? 20? 24

重污[***********]100

中污[***********]103811

轻污[***********]165618

清洁[***********]100

合计[***********][1**********]9

%

个体的或较小的种, 如D1取样站, 中个体的尖刺缨虫取代大个体的羽须鳃沙蚕成为生物量优势种; 当严重污染时, 底栖生物群落的生物量由一个或几个个体非常小的种占优势, 种内密度的分布比生物量分布更显优势, 如E1取样站, 小个体的小头虫(Capitella capitata ) 成为生物量优势种.

313 大型栖动物污染指数MPI 的特点及不足

MPI 在ABC 法上有两点改进, 一是将图形数字化, 二是分为4种污染程度. 此外, MPI 结果比ABC 结果更符合实际, 如兴化湾美澜潮间带的AL 取样站, MPI 值为-81025, 属清洁; ABC 比

较是交叉, 属中度污染. 实际情况是, AL 取样站有大个体的泥螺(Bullacta exarata ) 、红带织纹螺(Nassarius succinctus ) 、鸭嘴蛤(Laternula anatina ) 等, 可以说是符合群落的生物量由1个或几个大型的种占优势, 且每个种有几个个体的无污染范畴. 出现丰度曲线与生物量曲线交叉是因为密度优势种光滑狭口螺(Stenothyra glabar ) 占该取样站密度的41138%, 而生物量优势种泥螺仅占AL 取样站生物量的39133%, 从而导致生物量曲线与丰度曲线交叉.

表4 深圳湾福田潮间带泥滩4种污染程度底栖动物群落特征(2002年4月)

Table 4 Macrofaunal community charac teri stics of four polluti on levels on Futian mudflat in Deep Bay (April2002) 污染程度清洁

轻污染中污染重污染

取样站A2A1D1E1

密度, i nd P m 2

[***********]83

生物量, g P m 2

[***********]35139

种类数1615118

生物量优势种羽须鳃沙蚕(69104%) 羽须鳃沙蚕(38140%) 尖刺缨虫(65122%) 小头虫(60171%)

H 指数常用来监测淡水、海水底栖生物群落结构的变化, 被认为是个较好的评价污染程

[12]

度的工具, 但H 指数有其局限性. 在有些污染情况下, H 反而增高, 如罗源湾L11取样站, H 值为31159, 但实际情况是该取样站位于网箱养殖区, 已采不到大个体的底栖动物, 小个体的多毛类如双形拟单指虫(Cossurella dimorpha ) 、独指虫(Aricidea fragilis ) 和膜囊尖锥虫(Scolo plos marsupialis ) 等密度较高. 双形拟单指虫被认为是矿山废水、陶瓷工业废水、填海、疏浚港湾等造

[14]

成淤泥沉积的无机污染的指标生物. 计算得出L11取样站MPI 为01053, 属中度污染, 与实际情况比较符合.

MPI 值考虑了密度、生物量和种类数3个参数, 但没有包含群落内种类的耐污和敏感特征, 因而个别取样站在种类数少时, 重污染与中污染、清洁与轻污染之间区分不清, 如2002年7月的E3取样站, 仅有沼蚓(Limnodriloides sp 1) 、小头虫、才女虫(Polydona sp 1) 和光滑狭口螺4种底栖动物, 均是小个体种类, 沼蚓成为密度和生物量绝对优势种, 应该属重污染, 但MPI 值为31615, 属中污染. 4 结论

(1)在丰度生物量比较法基础上建立了底栖动物污染指数MPI. MPI 越小, 沉积环境越清洁, 反之, 污染越严重. (2) 从清洁、轻污染、中污染至重污染的群落特征是:生物量占优势的大个体数量减少, 小个体的机会种成为生物量优势种. (3) MPI 的优点是实现ABC 法的数字化, 而且反应灵敏, 评价结果比种类多样性指数(H ) 更符合实际.

参考文献:

[1] 李永祺, 丁美丽. 海洋污染生物学[M], 北京:海洋出版社, 1991, 445) 449

[2] Gray J S. Detecting polluti on -induced changes in communities using the log -normal dis tributi on of individuals among s pecies[J]. Ma -ri ne Pollution Bulletin, 1981, 12:173) 176[3] Warwick R M. A new method for detecting polluti on effects on marine macrobenthic communities [J]. Mari ne Biology, 1986, 92:

557) 562[4] Vincent H R, Richard H N, M ichael T B. Des ign and implementation of rapid assess ment approac hes for water res ource monitoring

usi ng benthic macroi nvertebrates[J]. Australian Journal of Ecology, 1995, 20:108) 121[5] Weis berg S B, Ranasinghe J A, Dauer, et al . An es tuarine benthic index of biotic integrity (B -IBI) for Chesapeake Bay[J]. Estuar -ies, 1997, 20:(1), 149) 158

[6] Van D olah R F, Hyland J L, Holland A F, et al . A benthic index of bi ological integri ty for asses sing habitat quality in es tuaries of the s outheastern USA[J]. Mari ne Environmental Res earch, 1999, 48, 269) 283

[7] 方 圆、倪晋仁、蔡立哲. 湿地泥沙环境动态评估方法及其应用研究) ) ) (Ò) 应用, 环境科学学报, 2000, 20(6) :670) 675

[8] Warwick R M , Pearson T H, Ros wahyumi. Detecti on of polluti on effects on marine macrobenthos further evaluation of the s pecies abundance bi omass method[J]. Marine Biology, 1987, 95:193) 200

[9] Warwick R M , Clarke K R. Relearning the ABC:taxonomic changes and abundance P bi omass relations hip i n disturbed benthic com -munities[J]. M arine Biol ogy, 1994, 118:737) 744

[10] 李荣冠, 江锦祥. 应用丰度生物量比较法监测海洋污染对底栖生物群落的影响[J]. 海洋学报, 1992, 14(1) :108) 114[11] 蔡立哲, 洪华生, 黄玉山. 厦门西港和香港维多利亚港底栖生物群落及沉积环境对比研究[M]. 香港与厦门港湾污染

沉积物研究, 厦门大学出版社, 1997. 211) 218

[12] 蔡立哲, 马 丽, 高 阳, 等. 海洋底栖动物多样性指数污染程度评价标准的分析[J]. 厦门大学学报(自然科学版) , 2002, 41(5) :641) 646

[13] 国家质量技术监督局. 近海污染生态调查和生物监测[S]. GB 17378. 7) 1998

[14] 日本生态学会环境问题专门委员. 卢全章译. 环境和指示生物(水域分册) [M], 北京:中国环境科学出版社, 1987