江蘇省淡水水體富營養(yǎng)化的威脅：成因、影響及解決方案

董家華

（南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

江蘇省是我國淡水湖泊分布最為集中的省區(qū)，河網(wǎng)密布，境內(nèi)共有大小湖泊200余個(gè)，湖泊分布率為6%，居全國之首。然而，由于經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的急速增長、工業(yè)生活污水的排放、土地的過度利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的損耗，江蘇淡水系統(tǒng)逐步遭到污染，并發(fā)生水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1]，江蘇省重要湖泊營養(yǎng)程度如表1所示。淡水水體富營養(yǎng)化和藻華現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響河流湖泊的生態(tài)功能和水質(zhì)。后期，隨著富營養(yǎng)化的持續(xù)發(fā)展，整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生生物多樣性減少、生物群落結(jié)構(gòu)簡化、生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定等嚴(yán)重的生態(tài)污染現(xiàn)象，并最終由清水、大型植物為主的生態(tài)系統(tǒng)逐漸過渡到濁水、藻類為主的生態(tài)系統(tǒng)[2]。

表1 江蘇省內(nèi)重要湖泊的營養(yǎng)程度

20世紀(jì)80年代以前，除了少數(shù)幾個(gè)靠近城市中心的應(yīng)用型小湖泊，江蘇省內(nèi)大部分湖泊的水質(zhì)都很高。然而，受經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展影響，大部分淡水水體已成為中度甚至高度富營養(yǎng)化水體，其中太湖受影響最為嚴(yán)重。1990年和2007年，太湖發(fā)生了最具破壞性的藻華事件，對周邊地區(qū)的自然和建筑環(huán)境造成了極其嚴(yán)重的負(fù)面影響[3]。直到現(xiàn)在，江蘇省飛速推進(jìn)的城市化進(jìn)程仍然會(huì)影響區(qū)域內(nèi)淡水富營養(yǎng)化的狀況。一項(xiàng)針對長江中下游區(qū)域內(nèi)的50個(gè)湖泊的研究表明，大部分湖泊仍然處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[4]。無錫市2007年飲用水危機(jī)出現(xiàn)的原因是藍(lán)藻的大量繁殖，原因是富營養(yǎng)化導(dǎo)致自來水廠取水口受到污染。許多建設(shè)項(xiàng)目（如大壩）降低了河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，改變了水動(dòng)力條件和相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)[5]。在今天的研究中，富營養(yǎng)化一般是指氮、磷輸入的增加所引起的營養(yǎng)過剩狀態(tài)，具體地說，是指工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和城市化過程中植物養(yǎng)分（主要是氮、磷）的排放增加引起的水體生態(tài)現(xiàn)象。圖1為長江中下游地區(qū)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的匯總，由此可見，很大一部分長江中下游湖泊正處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。

圖1 長江中下游地區(qū)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)

湖泊營養(yǎng)狀況的監(jiān)測對于預(yù)測未來趨勢、制定適當(dāng)?shù)母粻I養(yǎng)化法規(guī)和管理方法有至關(guān)重要的作用。因此，中國國家環(huán)境監(jiān)測中心提出了基于營養(yǎng)水平指數(shù)（TLI）的湖泊營養(yǎng)狀況標(biāo)準(zhǔn)測量方法，對湖泊的營養(yǎng)狀況進(jìn)行了有效的監(jiān)測和判斷。另一項(xiàng)關(guān)于淡水水體的指標(biāo)稱為水質(zhì)指數(shù)（WQI），也可以用于淡水水質(zhì)的分類和未來水質(zhì)變化趨勢的預(yù)測。

上文重點(diǎn)介紹了江蘇省湖泊富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀，下面探討淡水水體富營養(yǎng)化的成因和影響，然后進(jìn)行采樣分析，最后提出解決水體富營養(yǎng)化問題的對策，以控制水體富營養(yǎng)化的負(fù)面影響。

1 淡水水體富營養(yǎng)化的成因

氮、磷是植物生長所必需的元素。然而，如果水體吸收的氮和磷過量，生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生變化，可能引發(fā)藻華現(xiàn)象。富營養(yǎng)化的主要影響元素是氮和磷。總氮（TN）和總磷（TP）一直是衡量淡水富營養(yǎng)化水平的指標(biāo)，而淡水富營養(yǎng)化的成因各異，包括地理因素、污染物類型以及自然生態(tài)系統(tǒng)特性（氣候或水生物）[6]。

1.1 地理特征

大部分富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生于湖泊系統(tǒng)中，其原因在于湖泊的特殊地理特征。湖泊生態(tài)系統(tǒng)有一個(gè)河流和湖泊的過渡區(qū)域。相關(guān)研究表明，該區(qū)域?qū)λw運(yùn)動(dòng)趨勢的變化、人類活動(dòng)影響的增加等環(huán)境因素的改變十分敏感。例如，由于河口水流急速且不規(guī)律，一些野生動(dòng)物不在河口地區(qū)棲息。此外，由于湖泊的空間地理特征，各種陸源污染物、廢水、泥沙、地表徑流等容易在湖泊系統(tǒng)中大量積累。與其他水體系統(tǒng)相比，湖泊的自恢復(fù)能力較差?？偠灾?，湖泊系統(tǒng)的地理特征是造成嚴(yán)重富營養(yǎng)化的重要原因。

1.2 人類活動(dòng)

20世紀(jì)70年代以來，隨著工業(yè)的蓬勃發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，江蘇省湖泊流域附近出現(xiàn)了大量的工業(yè)和城市群。雖然這些工業(yè)項(xiàng)目為江蘇省創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但大部分工程并不重視污水處理，導(dǎo)致大量污水被直接排入淡水水體中。另外，隨著城市化的飛速發(fā)展及城市人口的急速增加，生活污水的排放量顯著增長。農(nóng)業(yè)方面，為了提高產(chǎn)量，農(nóng)民過度使用化肥和農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤中氮磷元素的極速增長和積累，其隨地表徑流進(jìn)入淡水水體，導(dǎo)致其富營養(yǎng)化[7]。

湖泊中營養(yǎng)物質(zhì)的外部注入可以分為兩類，即點(diǎn)源排放和非點(diǎn)源排放。點(diǎn)源排放是指污水來自一個(gè)或者多個(gè)固定地點(diǎn)，而非點(diǎn)源排放是指污染源廣泛、范圍不同。點(diǎn)源排放相對容易控制和解決，但非點(diǎn)源排放較難處理，因此非點(diǎn)源排放成為影響淡水水體水質(zhì)的主要因素。以巢湖為例，約68%的總磷和74%的總氮源自非點(diǎn)源排放[8]。

2 江蘇淡水水體富營養(yǎng)化影響

湖泊水體富營養(yǎng)化對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生許多負(fù)面影響，包括生態(tài)系統(tǒng)退化和水質(zhì)惡化等。

2.1 飲用水供應(yīng)

湖泊是江蘇省主要的飲用水源。一旦湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化，湖中的藻類會(huì)散發(fā)出難聞的氣味，導(dǎo)致其不能再成為飲用水的水源。因此，富營養(yǎng)化將對水資源的利用產(chǎn)生不利影響。例如，2007年，太湖出現(xiàn)藍(lán)藻污染事件，許多沿湖城市受到影響，無錫市被迫關(guān)閉供水系統(tǒng)，導(dǎo)致城市進(jìn)入大面積缺水狀態(tài)[9]。

2.2 自然環(huán)境

湖泊生活著各種各樣的水生物，而藻類的快速生長會(huì)抑制動(dòng)植物的呼吸作用，消耗其他正常生命活動(dòng)所需的溶解氧等營養(yǎng)物質(zhì)。與此同時(shí)，藻華下的水體呈厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致許多厭氧微生物繁衍生息，受缺氧和缺少光照影響，許多水生物死亡[10]。例如，20世紀(jì)90年代發(fā)生在江蘇各湖泊附近的藻華曾導(dǎo)致了大規(guī)模的魚類窒息。

2.3 工業(yè)、農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)

水華會(huì)影響工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市居民的生活。漁業(yè)是江蘇省湖區(qū)的重要產(chǎn)業(yè)，水質(zhì)下降導(dǎo)致漁業(yè)受到影響，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。此外，水華也會(huì)影響湖區(qū)旅游業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。水華現(xiàn)象大面積蔓延，會(huì)嚴(yán)重污染周邊農(nóng)業(yè)用地，造成作物產(chǎn)量大幅度減少[9]。

3 南京眼、秦淮河、玄武湖的水質(zhì)采樣分析

3.1 采樣地點(diǎn)

本次試驗(yàn)采樣地點(diǎn)設(shè)置在南京市內(nèi)部分淡水水體中，包括長江南京段南京眼、秦淮河及玄武湖。采樣位置為南京眼（31°59′67″N，118°41′87″E）、秦淮河（32°0′49″N，118°46′32″E）及玄武湖（32°4′27"N，118°47′0"E）。本次試驗(yàn)在三個(gè)取樣點(diǎn)共取水樣6個(gè)。

3.2 采樣點(diǎn)現(xiàn)場測定

在采樣地采樣的同時(shí)，利用儀器測定6個(gè)水樣的基本特征，包括水體能見度、溫度、溶解氧含量以及pH值。具體測定結(jié)果如表2所示。

表2 采樣點(diǎn)水體基本特征匯總

3.3 實(shí)驗(yàn)室測定

試驗(yàn)期間，在實(shí)驗(yàn)室對不同地點(diǎn)的6個(gè)水樣進(jìn)行總氮、總磷的測定，從而通過水樣判定水體富營養(yǎng)化狀態(tài)及特征

3.3.1 總磷含量測定方法

總磷測定采用鉬酸銨分光光度法，以硫酸鉀（K2S2O8）為氧化劑，然后消化未經(jīng)過濾的水樣。首先，用不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用分光光度計(jì)測定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。取0.0、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0、15.0、20.0 mL磷標(biāo)準(zhǔn)溶液分別放入50 mL比色管中，用蒸餾水稀釋到25 mL。然后，在每根比色管中加入4 mL 5%過硫酸鉀溶液，用紗布和橡皮筋擰緊塞子，防止液體濺出。將比色管放入高壓蒸汽滅菌鍋中加熱，設(shè)置溫度為120℃，定時(shí)30 min。之后關(guān)閉殺菌鍋，打開閥門放氣。然后取出比色管，待其冷卻至室溫。用蒸餾水稀釋至50 mL，加1 mL 10%抗壞血酸溶液，然后加入2 mL鉬酸銨溶液，充分混合30 s后，再靜置15 min。最后，將部分溶液移至10 mm石英試管中，以蒸餾水為標(biāo)準(zhǔn)，用分光光度計(jì)測量700 nm波長處的吸光度。用20 mL的吸管取20 mL的水樣，通過以上步驟，測定樣品的吸光度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上找到相應(yīng)的總磷含量，并通過式（1）計(jì)算總磷含量。

式中，CP為總磷含量，mg/L；m為總磷質(zhì)量，mg；V為溶液體積，L。

3.3.2 總氮含量測定方法

總氮的測定采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法。除標(biāo)準(zhǔn)溶液用量不同以外，其他步驟與總氮測定相似。本試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液用量與氮?dú)猓?.00、0.50、1.00、2.00、3.00、5.00、7.00、8.00 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液）不同。最后，用10 mL移液管取1 000 mL水樣，按以上步驟操作。然后基于修正后的吸光度，找到相應(yīng)的氮含量校準(zhǔn)曲線，然后計(jì)算總氮（TN），最后，基于標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以確定總氮的含量。

基于總氮和總磷的含量結(jié)果，通過式（2）和式（3）計(jì)算營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）的值，最終確定水體富營養(yǎng)化水平。

根據(jù)規(guī)定，湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級采用0～100（TLI值）的數(shù)字，湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

表4 水樣總氮總磷含量匯總

水樣總氮總磷含量匯總結(jié)果如表4所示，測量結(jié)果表明，秦淮河及玄武湖采樣點(diǎn)處于輕度至中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，而位于長江的采樣點(diǎn)則處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。這與長江附近污染源眾多，長江流域面積廣闊，控制和治理富營養(yǎng)化難度大，長江運(yùn)輸業(yè)及漁業(yè)飽和發(fā)展有密切關(guān)系。近年來，南京市制定了強(qiáng)有力的法規(guī)和處理方法，使得當(dāng)?shù)卮蟛糠值w的富營養(yǎng)化程得到緩解，水環(huán)境也得到極大的改善。

4 富營養(yǎng)化解決方法

富營養(yǎng)化湖泊的治理方法一般可以分為三個(gè)部分：修復(fù)受損的湖泊生態(tài)系統(tǒng)、控制污水排放以及對周邊地區(qū)進(jìn)行重新規(guī)劃和管理。

4.1 湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和水質(zhì)恢復(fù)的首要原則是減少藻類的生長，方法較多。首先是利用特殊的水生植物和微生物，它們具有吸收養(yǎng)分的特殊能力，不僅可以減少藻類的生長，也能夠充分吸收湖泊系統(tǒng)中的游離養(yǎng)分。為有效提取養(yǎng)分，這些水生植物和微生物會(huì)釋放特別的化學(xué)物質(zhì)，降低湖泊藻類的爆發(fā)性增長和富營養(yǎng)化水平，達(dá)到恢復(fù)湖泊原有水質(zhì)的目的[11-12]。另外，人們可以運(yùn)用化學(xué)和物理方法去除底泥，控制水體富營養(yǎng)化程度[13]。

4.2 控制污水排放

湖泊系統(tǒng)吸納的污水來源廣泛，包括工業(yè)污水和生活污水。地方政府要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰落后產(chǎn)能，大力發(fā)展高科技制造業(yè)和服務(wù)業(yè)。這樣可以減輕污染，為社會(huì)創(chuàng)造新崗位，滿足居民基本需求。

4.3 周邊地區(qū)規(guī)劃與管理

土地利用格局和規(guī)劃是影響湖泊系統(tǒng)水質(zhì)的重要因素之一。研究表明，在蘇州、無錫、常州等快速發(fā)展的城市，城市化進(jìn)程導(dǎo)致地表徑流顯著增長[14]。土地利用的變化會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)、水的遷移和循環(huán)模式[15]。為了減緩這些影響，湖泊和工廠、居民區(qū)的中間要建立緩沖區(qū)，建設(shè)沿湖濕地保護(hù)區(qū)，并與恢復(fù)植被相結(jié)合，以吸收富營養(yǎng)化物質(zhì)（氮和磷）[16]。另外，人們要調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)用地規(guī)劃，既保護(hù)農(nóng)田，又降低進(jìn)入湖泊的氮磷量[17-18]。

5 結(jié)語

江蘇省的淡水水體富營養(yǎng)化水平仍然相對較高，但與嚴(yán)重時(shí)期比較，目前已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，這得益于政府和個(gè)人的治理行動(dòng)。TLI和WQI指標(biāo)的應(yīng)用對水質(zhì)監(jiān)測具有重要的影響，有助于未來實(shí)施有關(guān)法規(guī)。今后要結(jié)合物理、化學(xué)和生物技術(shù)，實(shí)施淡水水體富營養(yǎng)化防治，以便控制水體富營養(yǎng)化，保護(hù)水環(huán)境。