水體富營(yíng)養(yǎng)化成因分析

摘要:水體富營(yíng)養(yǎng)化防治是世界性的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題，水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，其后果十分的嚴(yán)重，因此有必要對(duì)水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的成因進(jìn)行討論。本文基于富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的機(jī)理，即比較廣泛提到的兩種機(jī)理—食a物鏈理論和生命周期理論，從氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平，鐵、硅含量，光照強(qiáng)度，溫度，水體動(dòng)力學(xué)(水體流態(tài)，風(fēng)力)和水體更新周期等方面對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化成因進(jìn)行分析。目的是為更好地維持水體生態(tài)平衡，控制水體污染，預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生提供參考。

關(guān)鍵詞:富營(yíng)養(yǎng)化;氮磷;鐵硅;光照;溫度;動(dòng)力學(xué)

水體富營(yíng)養(yǎng)化，是指由于大量的氮磷等植物性營(yíng)養(yǎng)元素排入到流速緩慢，更新周期長(zhǎng)的地表水體，使藻類(lèi)等水生生物大量地生長(zhǎng)繁殖，使有機(jī)物產(chǎn)生的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)消耗速度，水體中有機(jī)物積蓄，破壞水生生態(tài)平衡的過(guò)程[1]。水體富營(yíng)養(yǎng)化后，由于浮游生物大量繁殖，往往呈現(xiàn)藍(lán)色，紅色乳白色等，這種現(xiàn)象在江河湖泊等淡水中稱(chēng)為水華，而在海水中稱(chēng)為赤潮。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的形成過(guò)程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，但是都未達(dá)到預(yù)期的效果。這說(shuō)明水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際的需求。因此有必要對(duì)水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的成因進(jìn)行探討。

一、水體富營(yíng)養(yǎng)化成因的兩種理論

富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生和發(fā)展是水體的整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)出現(xiàn)失衡，導(dǎo)致某種優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)大量生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程。因此要研究富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生機(jī)理和發(fā)生條件，實(shí)質(zhì)上是需要了解藻類(lèi)生長(zhǎng)繁衍的過(guò)程。

1.1食物鏈理論

這是由荷蘭科學(xué)家馬丁#8226;肖頓于1997年6月在“磷酸鹽技術(shù)研討會(huì)”上提出的[2]。該理論認(rèn)為，自然水域中存在水生食物鏈。如果浮游生物的數(shù)量減少或捕食能力降低，將使水藻生長(zhǎng)量超過(guò)消耗量，平衡被打破，發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。該理論說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的增加不是導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的唯一原因。

1.2生命周期理論

生命周期理論認(rèn)為含氮和含磷的化合物過(guò)多排入水體，破壞了原有的生態(tài)平衡，引起藻類(lèi)大量繁殖，過(guò)多的消耗水中的氧，使魚(yú)類(lèi)、浮游生物缺氧死亡，它們的尸體腐爛又造成水質(zhì)污染。根據(jù)這一理論[3]，氮磷的過(guò)量排放是造成富營(yíng)養(yǎng)化的根本原因，藻類(lèi)是富營(yíng)養(yǎng)化的主體，它的生長(zhǎng)速度直接影響水質(zhì)狀態(tài)。

藻類(lèi)光合作用的總反應(yīng)式:

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量+微量元素→C106H263O110N16P(藻類(lèi)原生質(zhì))+138O2 式(1)

根據(jù)Leibig最小因子定律[4]，植物的生長(zhǎng)取決于外界供給它們養(yǎng)分最少的一種或兩種，從藻類(lèi)原生質(zhì)C106H263O110N16P可以看出，生產(chǎn)1kg藻類(lèi)，需要消耗碳358g，氫74g，氧496g，氮63g，磷9g，顯然氮磷是限制因子。因此，要想控制水體富營(yíng)養(yǎng)化，必須控制水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的含量及其比例。

食物鏈理論和生命周期理論爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于氮磷是否為引起富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，目前這兩種爭(zhēng)論尚未有最后的定論。但從目前我國(guó)水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀況來(lái)看，富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的原因主要是用后者(生命周期理論)來(lái)解釋。

二.富營(yíng)養(yǎng)化的影響因素

對(duì)于不同的水域，由于存在水域地理特性、自然氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等諸多差異，會(huì)出現(xiàn)不同的富營(yíng)養(yǎng)化表現(xiàn)癥狀，即出現(xiàn)不同的優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群，并連帶出現(xiàn)各種不同類(lèi)型的水生生物種類(lèi)的失衡。水體富營(yíng)養(yǎng)化的形成是受多種因素影響的，這其中既有自然因素的作用，也有人為因素的作用。

2.1氮磷的作用

氮、磷在水體生態(tài)系統(tǒng)中是生物生長(zhǎng)需要的重要元素。水體中氮的含量高不一定產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化，只有在藻類(lèi)大量生長(zhǎng)的條件下，富營(yíng)養(yǎng)化才有可能發(fā)生。一般認(rèn)為[5]，藻類(lèi)生長(zhǎng)需要的氮磷原子比為16∶1。氮和磷在水體循環(huán)過(guò)程中，由于反硝化作用而損失的氮占全球水體氮的含量的三分之一[6]，由于氮的這種損失，氮磷的比例可能降低，此時(shí)，氮可能會(huì)成為水體中浮游植物生長(zhǎng)限制因素。在氮磷循環(huán)的過(guò)程中，由于磷在有機(jī)質(zhì)中保持力較氮強(qiáng)，溶解性無(wú)機(jī)物質(zhì)對(duì)磷有較強(qiáng)的吸附力等原因?qū)е铝椎难h(huán)較氮慢，可能導(dǎo)致氮磷的比例較高，從而使磷成為藻類(lèi)生長(zhǎng)的限制因子。

2.2鐵硅在水體富營(yíng)養(yǎng)化中的作用

鐵在營(yíng)養(yǎng)鹽氮的循環(huán)過(guò)程中是決定性因素[7]，其原因是鐵是硝酸鹽(氮的固定)、硝酸鹽—亞硝酸鹽還原酶組成成分的重要因子。如果鐵含量高，硝酸鹽—亞硝酸鹽還原酶活性增強(qiáng)，硝酸鹽—亞硝酸鹽氮被還原而損失。可能導(dǎo)致水體氮含量降低，使氮成為藻類(lèi)生長(zhǎng)的限制因素，水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的可能性減少。

水體富營(yíng)養(yǎng)化的產(chǎn)生是由鞭毛蟲(chóng)占主體還是硅藻屬占主體來(lái)決定的，如果鞭毛蟲(chóng)占主體水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)率大[8]。水體中硅含量的多少?zèng)Q定水體中浮游生物是鞭毛蟲(chóng)占優(yōu)勢(shì)還是硅藻屬占優(yōu)勢(shì)。如果水體中氮:硅，磷:硅比例升高，則水體中的浮游生物以鞭毛蟲(chóng)為主，硅藻屬含量減少，水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)率大。如果氮、硅比例降低，則水體中浮游生物以硅藻屬占優(yōu)勢(shì)，水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)率小。

2.3實(shí)際可能營(yíng)養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn)

在具體環(huán)境條件下，營(yíng)養(yǎng)鹽的不同比例使它們中的某一種營(yíng)養(yǎng)鹽成為限制因素。一般認(rèn)為當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽水平足夠浮游植物生長(zhǎng)時(shí)，藻類(lèi)(硅藻)Si∶N∶P的原子比為16∶16∶1。在總結(jié)前人結(jié)果的基礎(chǔ)上，Justic(1995)等和Dortch等(1992)提出一個(gè)系統(tǒng)評(píng)估每一種營(yíng)養(yǎng)鹽的大致限制標(biāo)準(zhǔn)[9]，該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為:(1)若Si:P>22和DIN∶P>22;則磷酸鹽為限制因素;(2)若DIN∶P<10和Si∶DIN>1，則溶解無(wú)機(jī)氮為限制因素;(3)若Si∶P<10和Si∶DIN<1，溶解無(wú)機(jī)硅為限制因素。如果按照上述標(biāo)準(zhǔn)，每一種營(yíng)養(yǎng)鹽的理論限制因素成立，而在實(shí)際中限制因素不一定成立，可能限制因素只有通過(guò)比較水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和可能吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度之后才能確定。

2.4溶解氧、溫度、光照對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響

如果水體中表層溶解氧同氮磷的比率低，水體中氮磷過(guò)量富積，水體中營(yíng)養(yǎng)鹽增加，導(dǎo)致氮磷量相對(duì)過(guò)剩促進(jìn)浮游藻類(lèi)等水生植物增加，水體可能產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化。水體中溶解氧含量降低，水生浮游動(dòng)物(魚(yú)類(lèi)等)呼吸作用所需要的氧量減少，水生浮游動(dòng)物因缺氧而死亡。水體中浮游動(dòng)物數(shù)量減少，浮游動(dòng)物所食的營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)(氮磷等)將會(huì)增加，水體生態(tài)平衡將遭到破壞，水質(zhì)惡化。

光照和溫度對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響[10]:光強(qiáng)和溫度在一定的范圍內(nèi)，藻類(lèi)數(shù)量隨光強(qiáng)及溫度的增加而增加，并且溫度的影響大于光強(qiáng)，在20℃-30℃的條件下，當(dāng)光強(qiáng)從10001x增加到4000lx時(shí)，藻類(lèi)數(shù)量增加較快，4000lx以后漸趨平衡，在5000lx基本上達(dá)到最大值。如果光照和溫度都較適宜，則藻類(lèi)過(guò)量生長(zhǎng)，水體可能產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化。

2.5水體動(dòng)力學(xué)和更新周期對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響

我國(guó)大部分地區(qū)都屬大陸性季風(fēng)氣候，風(fēng)力對(duì)水體的流動(dòng)有很大的影響。在風(fēng)力較適中的季節(jié)，由于受風(fēng)力的作用水流將從水體下部向上流動(dòng)。在水體流動(dòng)的過(guò)程中，底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽被水流攪起隨水流進(jìn)入水體，水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加，為富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

水體的流態(tài)和水體更新周期與富營(yíng)養(yǎng)化有著密切的關(guān)系。如在長(zhǎng)江中上游的三峽庫(kù)區(qū)江段及其重要支流嘉陵江和烏江，總體水質(zhì)良好。但是，斷面平均總磷濃度普遍在0.1~0.2mg/L，總氮在3mg/L左右，同滇池外海總磷0.33mg/L、總氮2.13mg/L的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度相當(dāng)，接近湖泊和水庫(kù)V類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平巳經(jīng)達(dá)到了水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的條件。但目前在長(zhǎng)江干流尚未發(fā)生水體的富營(yíng)養(yǎng)化，而滇池已經(jīng)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化，分析其原因可能是長(zhǎng)江水流流速較快，水體更新周期短，某些藻類(lèi)在其它條件較適宜情況下，生長(zhǎng)尚未達(dá)到高峰時(shí)，可能被流速較急的水流帶到下游去，藻類(lèi)生長(zhǎng)的條件遭到破壞;與此相反滇池流域內(nèi)水體流動(dòng)速度及其他動(dòng)力學(xué)條件都適合藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)繁殖，使水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化。因此，水流流態(tài)和水體更新周期長(zhǎng)短是一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。

三、總結(jié)

水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生原因是多方面的。在水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重的今天，富營(yíng)養(yǎng)化成因的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對(duì)于該成因的研究還有待于進(jìn)一步深入。到目前為止，還沒(méi)有一套較成熟的理論能夠在實(shí)際水體中用來(lái)預(yù)測(cè)富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生;對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的各項(xiàng)指標(biāo)還沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的嚴(yán)格量化的界定。因此，系統(tǒng)深入地開(kāi)展水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生原因的研究，對(duì)于有效地開(kāi)展水體富營(yíng)養(yǎng)化綜合治理與防治具有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。