水体富营养化和赤潮

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(Murtensee)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[Oscillatoriarubencens(D．C．)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anthropogeniceutrophication)。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”。Vollenweider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13．3。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，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1．037kg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)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1．268mg/L,磷为0.087mg/L。三、富营养化的监测和评价1．物理学指标(1)AC／V指标，AC——总集水区：V——湖泊容积。(2)形态土壤指数MEI＝TDS／Z。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(n18／m3)＜1010—20＞20叶绿素a(nlg／m3)＜44—10＞10透明度(m)＞3．72.0一3.7＜20深水层溶解氧(饱和度％)＞8010—80＜10（2）Wetzel综合的湖泊营养类型划分标准(表13．12)。（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13．14。富营养化的监测和评价(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：ChlaSDTP,对应的权重分配为：W(Chla)=0.540,W(SD)=0.297,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(chla)＝10[6-(2.04-0.681nchla)／l.2]，chla一叶绿素a（μg/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(chla)=10(2.46+1nchla/ln2.5)TSI计算结果为0-100之间的数值，该方法的评价标准为：TSI37为贫营养型，37≤TSI≤54时为中营养型，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)+7.21STSI(CHLa)=3.05f(CHLa)+0.95STSI(SD)=4.82f(SD)+5.66式中：f(TP)=log[log(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；1～3贫营养型；2～5中营养型；4～7富营养型；6～10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2—3h，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(Aphanizomenon)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（Gonyaulaxpolygramma）、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（cleanproduction）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。挖除的底泥相当于去除了50t磷和450t氮。随之该湖恢复到接近贫营养湖的水平。杭州西湖每年挖泥3—6万吨，耗费比引水法高，但去除的氮、磷亦高于引水法。(5)泥水隔离也是为了减少内部负荷，但泥不挖出，而是就地处理。例如加入凝聚剂，塑料薄膜覆盖。这种方法只能用于小水体，而且费用也不低，在目前我国要采用不太现实。(6)杀藻除草用药剂来除藻类和水草。美国环保局批准使用的杀藻剂有27种，其中最常用的是硫酸铜，