水体富营养化成因分析

摘要:水体富营养化防治是世界性的热点与难点问题,水体发生富营养化,其后果十分的严重,因此有必要对水体发生富营养化的成因进行讨论。本文基于富营养化发生的机理,即比较广泛提到的两种机理―食a物链理论和生命周期理论,从氮、磷营养盐水平,铁、硅含量,光照强度,温度,水体动力学(水体流态,风力)和水体更新周期等方面对水体富营养化成因进行分析。目的是为更好地维持水体生态平衡,控制水体污染,预防水体富营养化的发生提供参考。

关键词:富营养化;氮磷;铁硅;光照;温度;动力学

水体富营养化,是指由于大量的氮磷等植物性营养元素排入到流速缓慢,更新周期长的地表水体,使藻类等水生生物大量地生长繁殖,使有机物产生的速度远远超过消耗速度,水体中有机物积蓄,破坏水生生态平衡的过程[1]。水体富营养化后,由于浮游生物大量繁殖,往往呈现蓝色,红色乳白色等,这种现象在江河湖泊等淡水中称为水华,而在海水中称为赤潮。目前,国内外对水体富营养化的形成过程进行了大量的试验,但是都未达到预期的效果。这说明水体富营养化的研究远远落后于实际的需求。因此有必要对水体发生富营养化的成因进行探讨。

一、水体富营养化成因的两种理论

富营养化的发生和发展是水体的整个环境系统出现失衡,导致某种优势藻类大量生长繁殖的过程。因此要研究富营养化的发生机理和发生条件,实质上是需要了解藻类生长繁衍的过程。

1.1食物链理论

这是由荷兰科学家马丁•肖顿于1997年6月在“磷酸盐技术研讨会”上提出的[2]。该理论认为,自然水域中存在水生食物链。如果浮游生物的数量减少或捕食能力降低,将使水藻生长量超过消耗量,平衡被打破,发生富营养化。该理论说明营养负荷的增加不是导致富营养化的唯一原因。

1.2生命周期理论

生命周期理论认为含氮和含磷的化合物过多排入水体,破坏了原有的生态平衡,引起藻类大量繁殖,过多的消耗水中的氧,使鱼类、浮游生物缺氧死亡,它们的尸体腐烂又造成水质污染。根据这一理论[3],氮磷的过量排放是造成富营养化的根本原因,藻类是富营养化的主体,它的生长速度直接影响水质状态。

藻类光合作用的总反应式:

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量+微量元素C106H263O110N16P(藻类原生质)+138O2 式(1)

根据Leibig最小因子定律[4],植物的生长取决于外界供给它们养分最少的一种或两种,从藻类原生质C106H263O110N16P可以看出,生产1kg藻类,需要消耗碳358g,氢74g,氧496g,氮63g,磷9g,显然氮磷是限制因子。因此,要想控制水体富营养化,必须控制水体中氮磷等营养盐的含量及其比例。

食物链理论和生命周期理论争论的焦点在于氮磷是否为引起富营养化的主要原因,目前这两种争论尚未有最后的定论。但从目前我国水体的富营养化状况来看,富营养化产生的原因主要是用后者(生命周期理论)来解释。

二.富营养化的影响因素

对于不同的水域,由于存在水域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异,会出现不同的富营养化表现症状,即出现不同的优势藻类种群,并连带出现各种不同类型的水生生物种类的失衡。水体富营养化的形成是受多种因素影响的,这其中既有自然因素的作用,也有人为因素的作用。

2.1氮磷的作用

氮、磷在水体生态系统中是生物生长需要的重要元素。水体中氮的含量高不一定产生富营养化,只有在藻类大量生长的条件下,富营养化才有可能发生。一般认为[5],藻类生长需要的氮磷原子比为16∶1。氮和磷在水体循环过程中,由于反硝化作用而损失的氮占全球水体氮的含量的三分之一[6],由于氮的这种损失,氮磷的比例可能降低,此时,氮可能会成为水体中浮游植物生长限制因素。在氮磷循环的过程中,由于磷在有机质中保持力较氮强,溶解性无机物质对磷有较强的吸附力等原因导致磷的循环较氮慢,可能导致氮磷的比例较高,从而使磷成为藻类生长的限制因子。

2.2铁硅在水体富营养化中的作用

铁在营养盐氮的循环过程中是决定性因素[7],其原因是铁是硝酸盐(氮的固定)、硝酸盐―亚硝酸盐还原酶组成成分的重要因子。如果铁含量高,硝酸盐―亚硝酸盐还原酶活性增强,硝酸盐―亚硝酸盐氮被还原而损失。可能导致水体氮含量降低,使氮成为藻类生长的限制因素,水体发生富营养化的可能性减少。

水体富营养化的产生是由鞭毛虫占主体还是硅藻属占主体来决定的,如果鞭毛虫占主体水体产生富营养化机率大[8]。水体中硅含量的多少决定水体中浮游生物是鞭毛虫占优势还是硅藻属占优势。如果水体中氮:硅,磷:硅比例升高,则水体中的浮游生物以鞭毛虫为主,硅藻属含量减少,水体发生富营养化机率大。如果氮、硅比例降低,则水体中浮游生物以硅藻属占优势,水体产生富营养化机率小。

2.3实际可能营养盐限制标准

在具体环境条件下,营养盐的不同比例使它们中的某一种营养盐成为限制因素。一般认为当营养盐水平足够浮游植物生长时,藻类(硅藻)Si∶N∶P的原子比为16∶16∶1。在总结前人结果的基础上,Justic(1995)等和Dortch等(1992)提出一个系统评估每一种营养盐的大致限制标准[9],该标准认为:(1)若Si:P>22和DIN∶P>22;则磷酸盐为限制因素;(2)若DIN∶P1,则溶解无机氮为限制因素;(3)若Si∶P

2.4溶解氧、温度、光照对富营养化的影响

如果水体中表层溶解氧同氮磷的比率低,水体中氮磷过量富积,水体中营养盐增加,导致氮磷量相对过剩促进浮游藻类等水生植物增加,水体可能产生富营养化。水体中溶解氧含量降低,水生浮游动物(鱼类等)呼吸作用所需要的氧量减少,水生浮游动物因缺氧而死亡。水体中浮游动物数量减少,浮游动物所食的营养盐类(氮磷等)将会增加,水体生态平衡将遭到破坏,水质恶化。

光照和温度对藻类生长的影响[10]:光强和温度在一定的范围内,藻类数量随光强及温度的增加而增加,并且温度的影响大于光强,在20℃-30℃的条件下,当光强从10001x增加到4000lx时,藻类数量增加较快,4000lx以后渐趋平衡,在5000lx基本上达到最大值。如果光照和温度都较适宜,则藻类过量生长,水体可能产生富营养化。

2.5水体动力学和更新周期对富营养化的影响

我国大部分地区都属大陆性季风气候,风力对水体的流动有很大的影响。在风力较适中的季节,由于受风力的作用水流将从水体下部向上流动。在水体流动的过程中,底泥中的营养盐被水流搅起随水流进入水体,水体中营养盐含量增加,为富营养化的发生创造了条件。

水体的流态和水体更新周期与富营养化有着密切的关系。如在长江中上游的三峡库区江段及其重要支流嘉陵江和乌江,总体水质良好。但是,断面平均总磷浓度普遍在0.1~0.2mg/L,总氮在3mg/L左右,同滇池外海总磷0.33mg/L、总氮2.13mg/L的营养盐浓度相当,接近湖泊和水库V类水质标准。也就是说,水体中的营养盐浓度水平巳经达到了水体发生富营养化的条件。但目前在长江干流尚未发生水体的富营养化,而滇池已经严重的富营养化,分析其原因可能是长江水流流速较快,水体更新周期短,某些藻类在其它条件较适宜情况下,生长尚未达到高峰时,可能被流速较急的水流带到下游去,藻类生长的条件遭到破坏;与此相反滇池流域内水体流动速度及其他动力学条件都适合藻类的大量生长繁殖,使水体产生富营养化。因此,水流流态和水体更新周期长短是一个十分关键的因素。

三、总结

水体富营养化发生原因是多方面的。在水体富营养化日益严重的今天,富营养化成因的研究已经取得了一定的成果,但是对于该成因的研究还有待于进一步深入。到目前为止,还没有一套较成熟的理论能够在实际水体中用来预测富营养化发生;对于富营养化发生的各项指标还没有一个被广泛接受的严格量化的界定。因此,系统深入地开展水体富营养化发生原因的研究,对于有效地开展水体富营养化综合治理与防治具有重大的理论意义和实用价值。