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1、养殖水域生态学,第十四章 水体富营养化和赤潮,第一节 水体富营养化,一、富营养化问题的历史与现状 1. 什么是富营养化? 2富营养化研究的现状 二、富营养化的主要原因 1. 与富营养化有关的主要营养物质 2营养物的主要来源 三、富营养化的监测和评价 四、富营养化的危害 五、富营养化的防治,1. 什么是富营养化?,富营养化现象很早就有，我们可以从古代书藉中找到一些线索。关于富营养化的第 一个确实的、科学的观察应在19世纪20年代。当时瑞士的莫尔登湖(Murten see)湖水变成红褐色。周围居民认为是二百多年前德瑞战争中法国土兵血迹的回溯。经过植物学家的观察，发现是由于大量红色颤藻Oscilla
2、toria rubencens (DC)Gom.的生长，而它的大量出现可能与畜牧业中大量施用肥料有关。,概念的理解,因此，目前认为湖泊中营养物的缓慢增加不应称为富营养化，或者可称之为天然富营养化；而只有突然的、迅速的营养物增加(而这种增加都是由予人为的原因)，才可称为真正的富营养化，或人为富营养化(cultural 或anthropogenic eutrophication)。对于人为富营养化在湖泊演替中的地位，过去大都认为是加速了演替过程，使湖泊走向衰老但现在有人认为从生态系统发展过程中一些主要趋势来考虑，把它看作是演替过程的逆转，使湖泊由衰老走向“年青化”。是一个属于环境污染范畴的问题也就
3、是专指“人为富营养化”。富营养化作为污染问题又与一级的污染不同。一般的污染大多导致生物生产力的降低，而富营养化却是营养物质的增加，往往提高了初级生产力(但也非总是如此)，甚至提高了终产品(鱼)的生产量，但严重时也导致鱼产量的下降以及引起其他的环境问题。因而，作为环境问题来讨论富营养化问题，我们考虑的是它的危害方面。,水体富营养化的定义,“由于人类活动，水体中营养物质增加，引起植物过量生长和整个水体生态平衡的改变，因而造成危害的一种污染现象”。,2富营养化研究的现状,上世纪下叶和本世纪上叶水体的主要污染是有机物污染，为此建立了一级和二级 污水处理场。但有机物的生物降解带来了无机营养物质的增加，引
4、起了广泛的水体富营 养化。特别是60年代后，已成为一个突出的、全球性的问题。 (1) 对湖泊进行富营养化程度及原因的调查 美国、日本、意大利、原苏联、北欧、东欧等均进行过，我国也有调查和统计。 (2)召开了各种国际会议和进行合作研究。如美国、欧洲共同体、加拿大、日本、原苏联。我国也已召开过专门的国际学术讨论会。 (3)出现了一些专门的、有关富营养化的著作。,二、富营养化的主要原因,水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。是哪些营养物质呢?一般认为：主要磷，其次是氮。可能还有碳、微量元素或维生素等。Schindler受控生态系统装置和试验湖区的研究结果，表明磷是主要“限制因子”。Vollenwe
5、ider等关于磷负荷和初级生产关系的研究，也表明磷的重要性。用藻类生长潜力(AGP)方法来判断湖泊中藻类繁殖的限制物质，结果也表明受磷限制的湖泊至少占一半以上，见表133。在氮磷比低于10：1时，或在某个季节，氮也有可能成为限制因子。,2营养物的主要来源,可分为“天然源”和“人为源”，但这种分法在实际工作中难以区分。一般分为点源和非点源(散在源、面源)。前者指排放量集中，位置固定的污染源，都属“人为源”如通过管道排放的生活污水和工业废水。点源污染较易测量。非点源污染系通过地表径流、降水、地下水等进入水体。它可以是天然来源，也可以是人为来源，较难测定和控制。 (1)地表径流：富营养化现象的加速，
6、大量施用肥料是重要的原因。 (2)畜牧业、渔业 在一些畜牧业发达的国家，因畜牧业而产生的营养物质量超过了由人口产生的量。渔业的污染源主要是强化养殖时，由于投喂各种肥料、饲料而产生。有资料报道，在网箱养鱼时每生产一吨鱼每年要产生15kg的磷和1037kg的BOD，因而引起水体富营养化。北欧国家因此对网箱养鱼加以控制，需经批准。,营养物的主要来源,（3) 生活污水： 生活污水可以是点源排放，也可以非点源排放。它是主要的营养物来源。 (4) 工业废水 有些工业废水有较高的氮、磷含量。其中排污量较高的是食品、化工和毛皮。 （5）大气降水 雨水中含有氮、磷与气候带及地区有关。氨态氮大于硝酸态氮。 (6)
7、地下水 地下水将岩石或土壤中的氮、磷物质溶解后带入水体。日本琵琶湖资料表明地下水中氮的浓度为1268mg/L,磷为0.087mg/L。,三、富营养化的监测和评价,1物理学指标 (1)ACV指标，AC总集水区： V湖泊容积。 (2)形态土壤指数 MEITDSZ。 TDS总溶解固体(mg/L)； Z平均水深(m)。 (3)透明度 由于测定简单，较为常用的指标。 2水化学指标 (1)溶解氧：由于严重富营养化时易造成缺氧特别在深水湖泊，因此也是一常用指标。 (2)营养物质：这是最重要的指标。过去都以氮、磷(各种状态)的浓度为指标，现则更多应用年单位面积负荷。,富营养化的监测和评价,3生物学指标：包括指
8、示种类(蓝藻中几个种类)，种类组成，生物现存量(数量、生物量、叶绿素量等)，初级生产量，细菌等。 4综合性指标 （1)美国环保局标准 贫营养 中营养 富营养 总磷(n18m3) 10 1020 20 叶绿素a(nlgm3) 4 410 10 透明度(m) 37 2.0一3.7 20 深水层溶解氧(饱和度) 80 1080 10 （2）Wetzel综合的湖泊营养类型划分标准(表1312)。 （3）饶钦止、章宗涉根据东湖数十年工作提出的标准主要以藻类的数量、种类组成、初级生产力、透明度等为指标，见表13.13。 （4）太湖、西湖、大伙房水库等也都提出了评价的指标和标准，见表1314。,富营养化的监
9、测和评价,(5)Carlson营养状态指数(TSI) 根据透明度、叶绿素a、总磷、COD等单项指标间的相关性建立的综合指标。有Carlson的TSI法和Aizaki修正的TSIm法。其中TSI法的基础是假定水中的悬浮物全部为浮游植物，即湖水透明度主要受浮游植物丰度的影响，这一方法忽略了浮游植物以外的其他因子（如水色、水中溶解物及其他悬浮物）对透明度的影响，因而具有一定的局限性，而TSIm则是以叶绿素a含量为基准，较好地解决了这一问题。对Carlson指标中的三个因子，相对重要性可定义为：Chl a SD TP, 对应的权重分配为： W(Chl a) = 0.540, W(SD) = 0.297
10、, W(TP) = 0.163 将其与TSI及TSIm指数结合起来，便可得到水体营养状况的综合评价公式。例如： TSI(SD)10(6- 1nSD/ln2)，SD-透明度（m）。TSI(chl a)106 - (2.04- 0.681nchl a)l .2，chl a一叶绿素a（g/L）。修正的TSI是将上述以透明度为基准的TSI改为以叶绿素a含量为基准。即TSIM (chl a)= 10 (2.46+ 1nchl a / ln2.5) TSI计算结果为0-100之间的数值，该方法的评价标准为：TSI54为富营养型。,富营养化的监测和评价,（6）综合营养状态指数MTSI 利用总磷(TP)、叶绿
11、素a（Chl.a）、透明度（SD）反映湖泊营养状态，公式如下： MTSI=STSI(TP)+STSI(CHLa)+STSI(SD)/3 其中：STSI(TP)=6.67f(TP)+7.21 STSI(CHLa)=3.05 f(CHLa)+0.95 STSI(SD)=4.82 f(SD)+5.66 式中： f(TP) =loglog(TP+0.025)+1.7 f(CHLa) =log(CHLa+0.5) f(SD) =log(SD) MTSI值与总磷相关系数为0.98,与叶绿素a相关系数为0.80，与透明度相关系数为0.95。评价标准为：MTSI1极贫营养型；13贫营养型；25中营养型；47富
12、营养型；610极富营养型。 (7)还有层次分析主成分分析营养度法(AHP- PCA)，相关加权营养状态指数法。,四、富营养化的危害,从水产养殖来说，富营养化意味着水肥、饲料丰富，有其有利的方面。但从环境保护角度来看，富营养化会给水和水体的利用带来多方面的问题。,1. 供水方面,富营养化后、藻类、特别是大型群体藻类的大量生长，使水厂在过滤水时效率降低。如东湖水厂，原来滤池12h反冲洗一次，现缩短至23h，冲洗水量最高可达出水量的20。增加新的处理装置，又使成本提高。同时，还影响水质。许多形成“水华”的藻类能产生不好的气味。如鱼腥藻(Anabaena)、微囊藻(Microcystis)、束丝藻(A
13、phanizomenon)均可产生腐臭味；腔球藻(Coelosphaerium)可产生草腥味；小球藻(Chlorella)和直链藻(Melosira)能产生霉腐味等。还有报道说，藻类的溶解性有机物在自来水加氯后可氯化产生弱的致癌物质。,2. 旅游方面,藻类的大量生长，使水的透明度下降，水色不好，有臭味等，从而使水体的旅游价值降低或消失，这是国外对富营养化问题感到危害严重的一个主要方面。我国的一些有名的风景游览湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、长春南湖等也都已面临这样一个问题。宫营养化严重后也带来了水的卫生学指标的下降。东湖已有几个天然游泳场为此而关闭。,3. 渔业方面,水体富营养化虽然对
14、渔业有有利的方面，如水体富营养化直接引起浮游植物数量增加，提高水域的初级生产力，从而使一些渔业品种的产量增加。但也同样有不利的方面，国外因湖泊较深，养殖鱼类又以对氧要求高的冷水性鱼类为主，因此，富营养化引起的缺氧常使鱼类大批死亡，并使鱼类组成变为他们不喜欢食用而称之为野杂鱼的鲤科鱼类。我国类似的问题也有。如浮游植物，尤其是微囊藻、夜光藻、有毒裸甲藻(Gimnodinium)、漆沟藻（Gonyaulax polygramma）、褐胞藻和小三毛金藻等能形成有毒有害赤潮，对淡水、半咸水和海洋渔业都有不利影响。氮磷在近海的大量增加，大幅度近海水中N:Si和P：Si的比例。使海洋生态系统从需要硅的硅藻主
15、导群落向不需要硅的鞭毛藻、小型蓝藻等主导群落转移，最终导致整个海洋生态系统结构和功能的本质改变。,4其他方面,不少蓝藻在某种条件下能产生毒素。澳大利亚、南非、美国等曾报道因藻毒引起家畜、家禽、水鸟等的大批死亡事件。赤潮藻类产生的贝毒可直接危害人类生命。,五、富营养化的防治,（1）清洁生产 清洁生产（clean production）是指在生产过程中采用清洁的能源，无或少废料以及生产无公害产品等。如生产过程中减少废水中磷的含量。洗涤剂中把支链型烷基苯磺酸钠改为直链型。改用磷酸盐的代用品。农业上合理控制施肥。 (2)深海排污 华盛顿湖用五年时间修建管道，把经过两级处理后的出水不排人湖中而改为排人海
16、中。 7年后完全恢复，表现在磷量下降，浮游植物数量下降，种类改变。这是一个成功的典型。 (3)深层排水 深水湖泊或水库中，底层水中营养物含量高于表层水，当水流转时进入湖上层，往往引起“水华”现象。而一般流出水均是表层水，为此设法将深层水排出，可降低富营养化程度。如波兰一湖中，用此法得到较好效果。奥地利一湖中采用一“虹吸装置”进行深层排水。,五、富营养化的防治,(4)挖除底泥 截流和其他措施，用以减少外部营养物负荷。但富营养型湖泊中的底部沉积物常是一个营养库，在一定条件下可不断释放磷。这称为内部负荷。当外部负荷减少后，内部负荷可补偿，使宫营养化现象继续存在。例如瑞典的Trumman湖、因生活污水严重污染而出现蓝藻水华，采取截流措施后10年仍未恢复。主要原因是底泥释放营养物。经研究后决定挖去底泥。挖除的底泥相当于
