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1、水体富营养化摘 要: 水体富营养化现象，是水体中含有过多的溶解性营养盐类(主要是NH3-N、NO3-N、NO2-N、PO4-P)，使水中藻类等浮游生物大量生长繁殖，而引起异养微生物旺盛的代谢活动，耗尽了水体中的溶解氧，使水体变质，从而破坏了水体中的生态平衡现象。关键词：营养盐类、浮游生物、生态平衡绪 论一、富营养化的成因水体富营养化可分为自然富营养化和人为富营养化。天然的湖泊都有一个从贫营养向富营养的发展过程，从贫营养过渡到富营养，进而发展到沼泽，直至死亡，是湖泊的自然发展规律，这是一个漫长的历史进程，但是人类活动会大大加速这个进程。1.天然富营养化的成因 自然界的许多湖泊，在数千年前，或者更
2、远年代的幼年时期，处于贫营养状态。然而，随着时间的推移和环境的变化，湖泊一方面从天然降水中接纳氮、磷等营养物质；一方面因地表土壤的侵蚀和淋溶，使大量的营养元素进入湖内，湖泊水体的肥力增加，大量的浮游植物和其他水生植物生长繁殖，为草食性的甲壳纲动物、昆虫和鱼类提供了丰富的食料。当这些动植物死亡后，它们的机体沉积在湖底，积累形成底泥沉积物。残存的动植物残体不断分解，由此释放出的营养物质又被新的生物体所吸收。 按照这样的方式和途径，经过千百年的天然演化过程，原来的贫营养湖泊就逐渐演变成为富营养湖泊。湖泊营养物质的这种天然富集，湖水营养物质浓度逐渐增高而发生水质营养变化的过程就是通常所称的天然富营养化
3、。2.人为富营养化的成因随着工农业生产大规模地迅速发展，“城市化”现象愈加明显，使得不断增加的人口，集中在一些水源丰富的特定地区。人口集中的城市排放出的大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业污废水流入湖泊、河流和水库，增加了这些水体的营养物质的负荷量。同时，在农村，为了提高农作物产量，施用的化学肥料和牲畜粪便逐年增加，经过雨水冲刷和渗透，使一定数量的植物营养物质以面源的形式最终输送到水体中。据估计，农业地区输出的总磷可达森林地区输出量的10倍以上，而城市径流中的总磷量又可以是农业集水区径流量的7倍左右，城市农业森林地带的地表径流都可能是某种水体富营养化的重要因素。天然富营养化和人为富营养化的共
4、同点在于它们都是由于水体中氮、磷营养物质的富集，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，最终导致鱼类或其他生物大量死亡，水质恶化。天然富营养化是湖泊水体生长、发育、老化、消亡整个生命史中必经的天然过程，这个过程极其漫长，常常需要以地质年代或世纪来描述其过程。人为富营养化则是因人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象，它演变的速度非常快，可以在短时期内使水体由贫营养状态变为富营养状态。水体出现富营养化现象时主要表现为浮游生物大量繁殖，因占优势的浮游生物的颜色不同水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河、湖泊中称为“水华”，在海洋则称为“赤潮”。当藻类
5、及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量会下降，水质将恶化，水体味觉和嗅觉变坏，鱼类及其它生物大量死亡，甚至会出现人和动物中毒现象。研究富营养化的发生发展过程，在某种意义上就是研究某种优势藻类的生长过程。藻类和某些光合细菌能利用无机盐制造有机质，称为自养型生物。一般认为缓流水体中的自养型生物主要是藻类，通过光合作用利用太阳光能和无机物合成本身的原生质，这就是富营养化过程：106CO2+ 16NO3+ HPO42+122H2O+18H+能量+微量元素(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+138O2富营养化状态一旦形成，水体中营养素被水生生物吸收，成为其机体的组成部分，水生生物死亡腐烂过程中
6、，营养素又释放进入水体，再次被生物利用，形成植物营养物质的循环。因此，富营养化的水体即使切断外界营养物质来源，也很难自净和恢复，因而有时也称之为生态癌症。 理论上，水体富营养化是指水中营养物富集的过程，水体富营养化程度和水体富营养是指状态。习惯上把处于富营养以上的状态称为水体富营养化。水体出现严重富营养化现象时，水体中溶解氧下降，水质恶化，水发腥发臭，鱼类及其他生物大量死亡。由于浮游生物大量繁殖，水面往往根据占优势的浮游生物的颜色而呈蓝色、红色、棕色或乳白色等颜色，这种现象在内陆水体中称为“水华”(waterbloom)。水华爆发是生态系统对富营养化的响应。二、水体富营养化的危害水体富营养化是
7、许多湖泊、水库的主要环境问题，被人形象地称为“生态癌”，它的存在已经严重妨碍了对这些水体作为资源的利用，造成了环境和经济的重大损失。水体富营养化的主要表现特征是: (1)藻种减少，水体中的蓝藻和绿藻大量繁殖，浮游生物个体数巨增; (2)由于浮游生物、细菌的大量增加导致水中的悬浮物大量增加，透明度降低; (3)产生有异味的有机物质; (4)死亡的藻类残体分解释放使水体维持较高的TN、TP;水体pH值上升; (5)水体的氧平衡被破坏。在富营养化水体中，白天水体表层水可以因藻类的光合作用而获得超过正常水体几倍的氧。但因表层藻类的遮盖隔离，阳光很难投射到下层水体，因此，下层水体中的光合作用很弱，水体中
8、的氧源很不充足，只能由表层水体中的氧经过对流扩散作用，得到一部分补充，其量有限。当夜晚表层水体的光合作用停止后，水体中生物的呼吸及分解仍在进行，导致水体中的溶解氧大幅度下降，甚至呈厌氧状态。当底层水的溶解降低到零时，底部沉积物附近形成还原状态，会引起一系列不良后果，如有机物质无机化不完全，产生甲烷气体:硝酸盐还原，发生脱氮反应;硫酸盐还原，产生H2S气体:底泥中铁、锰、磷等溶出等等:这些都会影响湖库水质。 (6)在富营养化比较严重的水体中，会频发水华。在我国五大淡水湖之一的巢湖，几乎每年都发生以铜绿微囊藻为主的水华，犹如水面上流动的绿漆，被风次到沿岸水域后，有时会形成数公分厚的水华层，腐败分解
9、后，发出恶臭，严重破坏湖库的水体功能及周围环境。 湖库环境中，富营养化的危害主要表现在以下几个方面: (1)散发出腥味异臭在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些藻类能够散发出腥异臭。藻类散发出的这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响人们的正常生活，给人不舒适的感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水体质量。 (2)降低水体的透明度 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”，使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养严重的水体透明度仅有0.2米，湖水感官性状大大下降。 (3)影响水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充
10、足的阳光，从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。但是，在富营养湖泊深层，情况就不同，首先是表层的密集藻类使阳光难以透射至湖泊深层，而且阳光在穿射过程中因被藻类吸收而衰减，深层水体的光合作用受到限制，使溶解氧来源减少。其次，湖泊藻类死亡后不断向湖底沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养水体的恶性循环。 (4)向水体释放有毒物质 富营养化对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒
11、性的物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃道疾病。研究表明，2000多种蓝绿藻中有40余种可产生毒素，主要产毒藻有微囊藻、鱼腥藻、颤藻及束丝藻。不同的藻株可能产生相同的毒素，而同一藻株也可产生多种不同的毒素，产生的毒素包括:多肤肝毒素、生物碱类神经毒素、脂多糖内毒素、叶碟吟类毒素等，其中又以微囊藻肝毒素(microcystin，MC)最为常见。在适宜的环境条件下，蓝绿藻在水中容易形成水华，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康，水中蓝绿藻毒素与肝癌的关系尤其受到关注。 (5)影响供水水质并增加制水成本 湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养水体在作为供给水源时，
12、会给制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，造成自来水厂过滤池的堵塞和过滤效率降低，需要改善或增加过滤措施。其次，富营养水体由于缺氧而产生铁、硫化氢、甲烷和氨等有毒有害物质，同时水藻也产生一些有毒物质，在制水过程中，引起饮用水水质下降，更增加了水处理的技术难度，加大了制水成本。这种富含铁的自来水往往会散发出一种令人不快的气味，同时还会在水管内形成铁锈，产生所谓“红水”，使自来水完全丧失功能。目前，在西方国家，富营养水体已经被禁止作为饮用水源。 (6)对水生生态的影响 在正常情况下，水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是，一旦水体受到
13、污染而呈现富营养状态时，这种正常的生态平衡就会被扰乱，某些种类的生物明显减少，而另外一些生物种类则显著增加，物种丰富度显著减少。这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏其生态平衡。 (7)影响水产养殖 由于藻类的大量繁殖，引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临窒息死亡的威胁。南京玄武湖就曾发生过藻类疯长，鱼类因缺氧而大量死亡的事故。同时一些资料表明，在富营养化的水体中，水生生物的群落、种类结构发生变化，一些耐污种的个体数猛增，相反，一些非耐污种数量减少甚至消失，一些优质鱼类等经济水产种类也会大量减少甚至消失，而低劣种类会有所增加，使得水产养殖的经济效益大幅度下降。 (8)影响旅游和航
14、运 水体一旦发生富营养化，因藻类大量繁殖，水体透明度下降，水质浑浊，水面藻华聚集，臭味弥漫，严重影响湖库的旅游观光，甚至丧失旅游价值。此外，富营养水体中生长的大量浮游生物，还会堵塞航道，影响航运。三、氮磷营养盐与富营养化的关系氮、磷与藻类增殖关系 水生生态系统由生物群落和环境条件两部分组成.按照物种在生态系统中的功能分类，生物群落包括生产者(藻类和水生植物、消费者(鱼类等捕食生物)和分解者(指细菌和一部分原生动物)3部分。 在不受人工影响的湖泊生态系统里，生产者、消费者和分解者各司其职，在太阳能的驱动下，上述三者进行着规模与环境条件的平衡。但人类的活动打破了这种天然的平衡，使大量的营养盐进入水
15、体，超过了藻类自然生长需求量，在合适条件下使藻类大量繁殖。 丹麦著名生态学家Jorgensen(1983年)指出浮游藻类的生长是富营养化的关键过程。根据OECD研究的结果，80%的湖泊富营养化受磷元素的制约，大约10%的湖泊与氮元素有关，余下10%的湖泊与其它因素有关，因此着重研究氮、磷负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系，是揭示湖泊富营养化形成机理的主要途径。根据对藻类化学成分进行的分析研究，提出了藻类的“经验分子式”为C106H2630110N16P，同时，利贝希最小值定律(Liebig law of the minimum)指出，植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最少的一种。由此
16、可知，在藻类分子量中所占的重量百分比最小的两种元素氮和磷，特别是磷是控制湖泊藻类生长的主要因素。大量的实验结果也证实了这一结论。 一般来说，氮和磷被认为是主要的营养元素，特别是磷对湖泊的富营养化具有特殊的作用。这是由于植物细胞里的磷直接参加光合作用和呼吸、酶系统的活性化、能量转化，以及氮、碳水化合物和脂类化合物的交换等过程。藻类多半利用以磷酸盐、磷酸氢盐和磷酸二氢盐等溶解形式的磷，但也可以吸收有机磷化合物。 大部分氮则是与水体中的生物如藻类、微生物、水中真菌类、动物区系代表种类及高等水生植物等的有机物有关。有机体死亡时，含氮的有机物质部分被矿质化，然后进入水体深层，或集聚在水底沉积物中。颇大一部分含氮有机物质沉降到水底，形成营养碎屑，促
