第五章-海洋营养盐污染

主讲人：张曼霞大连海事大学环境科学与工程学院DMU第五章海洋营养盐污染2营养盐的污染概况5.5海水营养化5.6赤潮5.1营养盐的定义5.4营养盐的迁移转化5.3营养盐的危害5.2营养盐的来源与分布3营养盐的研究进程海洋中磷和氮循环和营养盐季节变化、细菌和浮游植物活动有关20世纪初期——德国人布兰特英吉利海峡的营养盐在海水中的分布和季节变化与水文状况的关系对海水肥度的影响。1923年-(英)哈维和阿特金斯测定南大西洋和南大洋一些海域某些营养盐含量。1920s-德“流星”号和英“发现”号对海水营养盐的含量进行过观测。长期研究营养盐与海洋生物生产力关系。1930s-(中)伍献文,唐世凤/朱树屏5.1营养盐的定义海洋植物与动物生长所必需的元素（1）不称为营养盐：CO2、SO42-、HBO3-、Mg2+、Cl-、K+、Ca2+等（含量高，不会限制生物生长）。（2）痕量营养盐：如Fe、Mn、Co、Zn、Se等（在海水中含量很低）。（3）主要营养盐：N、P、Si•海洋初级生产过程和食物链的基础•含量会影响海洋生物生产力与生态系统结构•生物活动对其在海水中的含量、分布产生明显影响5.1营养盐的定义传统定义的海水中营养盐一般指氮、磷、硅元素的盐类，也称为生源要素或生物制约要素。但广义地说，海水中的主要成分和微量金属也是营养成分，5.1营养盐定义7氮、磷、硅元素氮——藻细胞体内蛋白质、磷脂和叶绿素等基本元素，没有氮源的供给，藻细胞就不能生长。磷——藻细胞核酸与膜的主要成份，同时又是三磷酸腺苷（ATP）的基本元素。硅——藻细胞壳的主要成份，也是绝大多数海洋硅藻光合作用所必需的主要营养元素。8海洋中营养盐不同的存在形态从结合形式可以大致分为：溶解态、颗粒态和吸附态从化合物性质：有机态和无机态海洋富营养化中研究较多、对浮游植物生长影响最直接的——溶解无机态的营养盐9海洋中营养盐不同的存在形态溶解无机氮（DIN）：具有多种存在形态（包括NO3-N，NO2-N，NH4-N等）不同海域或同一海域不同季节各种形态氮在海水中的含量、组成有很大差异对浮游植物的生理生化特征、赤潮发生的种群及规模有着重要的影响。10海水中磷的存在形态溶解态无机磷酸盐（DIP)HPO43-、H2PO43-、PO43-形式存在以HPO42-形式为主。水中可溶解的磷有限、海水本身的弱碱性、钙等金属离子浓度较高以及生物作用等因素，容易与Ca2+、Fe3+、Al3+等生成难溶性沉淀物沉积于底质中。所以通常认为，海洋环境中的磷酸盐循环是一种螺旋向下的循环过程。11海水中硅的存在形态海洋中溶解态无机硅形态相对稳定单一——硅酸盐(SiO3-Si)存在多数情况下硅酸盐的含量较丰富，可能会影响藻类组成的变化，很少被认为能对浮游植物生长形成限制因素（Dortchetal.,1992）。但近年来，也有研究发现在硅藻赤潮后期硅酸盐浓度低于其最低阈值而成为硅藻赤潮限制因子的情况。主要：大陆径流带来的岩石风化物质、有机物腐解的产物及排入河川中的废弃物。其次：海洋生物的腐败与分解、海中风化、极区冰川作用、火山及海底热泉，甚至大气中的灰尘，都为海水提供营养元素。5.2.1营养盐的来源135.2.1营养物质的来源(一）天然来源：大陆径流带来的岩石风化物质海洋生物腐解的产物海中风化极区冰川作用火山及海底热泉地下水将岩石或土壤中的氮、磷物质带入水体。日本琵琶湖地下水中：氮的浓度为1.268mg/L磷的浓度为0.087mg/L145.2.1营养物质的来源(二）人为源：(1)地表径流带来的污染物质：土壤中大量施用肥料是重要的原因。1516175.2.1营养物质的来源(2)畜禽养殖：一些畜牧业发达的国家，畜牧业产生的营养物质量超过了由人口产生的量。•（美）处理1吨活牲畜需用水4~16吨。全国55.4亿头家畜和家禽，其排泄量相当于20亿人口，约为美国总人口的10倍。•全世界动物每年的排泄物中含15万吨磷和80万吨氮。18195.2.1营养物质的来源(3)水产养殖：强化养殖时投喂各种肥料、饲料产生。网箱养鱼时。每生产一吨鱼每年要产生15kg的磷和1.037kg的BOD。北欧国家因此对网箱养鱼加以控制，需经批准。5.2.1营养物质的来源（4)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。美国——1/3人口居住沿海城市，每年预计9万吨磷通过粪便排海。德国基尔市——每个居民每日排出污水中含3克磷，10克氮。我国沿海地区——每年十几亿吨生活污水排海上海——每天就有7500余吨粪便排入江海。2021225.2.1营养物质的来源(5)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。23245.2.1营养物质的来源（6）大气降水带来的污染物质雨水中含有氮、磷与气候带及地区有关。氨态氮大于硝酸态氮。2526各营养盐的主要来源硝酸盐——陆源输入、大气干/湿沉降等。磷酸盐——陆源输入、大气干/湿沉降以及沉积物释放等。传统观点：磷酸盐的补充主要来自于陆源（Pierrou,1976），绝大部分沉积层的磷酸盐往往难以再回到循环过程中。只有沉积层表面的一些磷酸盐可以通过某些途径返回水中，但有关机制尚不清楚。硅酸盐——河流输送及海洋中矿物的溶解和硅质生物的分解释放。营养盐垂直分布规律对于大洋水来说，营养盐的分布可分成四层：①表层：营养盐含量低，分布比较均匀②次层：营养盐含量随深度的增加而迅速增加5.2.2营养盐的分布营养盐垂直分布规律③次深层：500-1500m，营养盐含量出现最大值④深层：磷酸盐和硝酸盐的含量变化很小，硅酸盐含量随深度的增加而略为增加。5.2.2营养盐的分布30营养盐在主要大洋中的垂直分布31海洋中的营养盐在营养盐含量充足的情况下，浮游植物有选择性的、以一定需求比例吸收利用各种营养盐。海水中营养盐摩尔比值（Redfiled系数）——N:Si:P的原子比≈16:16:1营养盐比例结构变化直接影响生物生长和种群结构利用DIN/P、Si/DIN、Si/P比值衡量——①营养状况②浮游植物受何种营养物质限制32营养盐限制因子Justic等(1995)提出一个系统地评估每一种营养盐化学计量限制标准：(1)若Si/P22和DIN/P22，则磷酸盐为浮游植物生长的限制因子；(2)若DIN/P10和Si/DIN1，则溶解无机氮为浮游植物生长的限制因子；(3)若Si/P10和Si/DIN1，则溶解无机硅为浮游植物生长的限制因子。33营养盐限制因子许多研究者认为：Si＝2μmol/L，N=1μmol/L，P=0.1μmol/L可作为浮游植物生长的最低阈值(Brownetal.,1979；Nelsonetal.,1990)案例——罗源湾营养盐和初级生产力的季节变化34浮游生物(1986年11月至1987年9月)•氮磷比大都落在5～30内•藻类生长受氮、磷共同作用•氮磷平均比值为17.54•近大洋海水的Redfield比值•基本适于浮游植物生长•夏季氮磷比小于5•初级生产力明显受氮供应不足的限制5.3营养盐的危害(p63)联合国的一份调查报告就曾这样写道：“营养物质对海洋的污染是一个普遍存在的问题。对成员国进行的一次调查表明，49个国家中有32个提到了这个问题，其中既有发达国家，也有发展中国家。35营养盐的危害①促使某些生物急剧繁殖②大量消耗海水中的氧气——海水缺氧（主要危害）鱼、贝等海洋生物大批死亡，甚至使局部海区变成“死海”或爆发“赤潮”。③过量的营养物质进入海洋后，成为各种细菌和病毒的良好养料，因而促使它们大量繁殖，毒害海洋生物，或者直接传染人体。36营养盐的危害——案例1971年夏季，美国马萨诸塞州的利斯河口，突然发生几万尾鱿鱼和50万尾对虾死亡的事件；美洲鳗和白鲈等活动能力差的鱼类也大批死亡原因——利斯河上游的城市和工业将大量有机污水排入河口造成的。37营养盐的危害——案例波罗的海由于它的特殊地理位置和形态，深部海水中的氧气本来就比表层少，由于进入波罗的海的有机物和营养物质逐年增多，50年代末期，竟有几次氧的含量为零。波罗的海深水区已有相当大的范围成为无氧区，各种底栖动物全部死亡，成为“死海”。就连海表面也常出现蓝藻开花的现象。38青岛海滨蓝藻泛滥395.4营养盐的迁移转化p6340排海氮、磷营养盐：•在相邻外海外边界——水物理迁移过程•在浮游生物内边界——生物迁移过程、生物转化过程•在海底沉积物内边界——地球化学迁移过程等41氮、磷营养盐在海洋环境中的迁移转化过程a.浮游植物生长过程；b.浮游植物代谢过程；c.浮游植物死亡过程；d.浮游动物生长过程；e,f.浮游动物代谢过程；生物碎屑浮游植物浮游动物g.浮游动物对生物碎屑摄食、死亡、粪便排泄过程；h.生物碎屑通过微生物降解作用转化为DIN、PO4-P过程；i.生物碎屑通过微生物降解转化为溶解有机态营养盐过程；j.溶解有机态营养盐微生物降解过程。5.4营养盐的迁移转化p63水物理迁移、生物迁移及相伴随的生物转化过程——共同决定了DIN和PO4-P营养盐的自净过程。生物碎屑微生物降解和浮游动物代谢，特别是溶解有机态营养盐微生物降解——最终实现生物转化的重要过程。海水温度和光合有效辐射是影响氮、磷营养盐的自净过程的重要环境因子，可能在很大程度上决定了自净容量的季节变化规律。4243浮游植物生长吸收氨和硝酸盐，并合成浮游植物有机氮。（受浮游植物浓度及可利用的总的无机氮(氨和硝酸盐)影响）通过内生的呼吸作用和正常的死亡、代谢：有机氮转换（受温度影响）为氨。氨硝化（受温度和氧含量影响）转换为硝酸盐。有氧条件下：硝酸盐可被细菌作用而还原为亚硝酸盐，可进一步转化成铵盐，也可由脱氮作用被还原成N2O或N2。无氧条件下，反硝化作用使硝酸盐又转化为氮气（受温度和氧含量影响）。海水中氮的迁移转化在氮的循环中,生物过程起主导作用。44有氧：(CH2O)106(NH3)16H3PO4(水生生物体的有机物)＋138O2→106CO2+122H2O+16HNO3+H3PO4缺氧：(CH2O)106(NH3)16H3PO4＋84.8HNO3→106CO2+42.4N2+145.4H2O+6NH3+H3PO4缺氧(NO3-、NO2-已耗尽)：(CH2O)106(NH3)16H3PO4＋53SO42-→106CO2+53H2S+106H2O+H3PO4+16NH3不同氧化—还原条件下的有机氮降解方程式脱氧菌还原菌45海水中磷的迁移转化溶解的无机磷(DIP)和微粒无机磷通过吸附一反吸附机制互相作用。浮游植物生长取DIP——合成浮游植物生物有机磷。生物体碎屑和排泄物中的无机磷——化学分解和水的溶解——可溶磷酸盐——迅速返回上部水层。浮生物有机磷——降解成微粒有机磷——降解为无机磷。（有机磷降解为溶解的无机磷受到温度影响。）46海水中硅的迁移转化含硅碎屑经过海洋生物摄取后消化而排泄出来，溶解速度会较快。硅酸盐的含量随深度而增大,无明显的最大值。深海盆地和海沟水域中,硅酸盐的含量的垂直分布往往出现最大值。硅的再生过程不依赖于细菌的分解作用475.5海水富营养化5.5.1富营养化定义5.5.2近海营养化的成因和机理5.5.3近海水体富营养化指标体系及评价方法5.5.4富营养化的危害5.5.5近海富营养化的对策485.5.1富营养化定义富营养化（eutrophication）是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象，是水体衰老的一种现象，它既可以发生在湖泊、水库，也可以发生在河口和近海水域。在水体中氮、磷等营养盐输入或积累量十分丰富的条件下，导致某些生物生长繁殖异常发展，进而引起水生生态系统结构和功能的异常。49概念的理解目前认为：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；只有突然的、迅速的营养物增加(而这种增加都是由于人为的原因)，才可称为真正的富营养化，或人为富营养化。50概念的理解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