水体富营养化与赤潮

水体富营养化 l 一、什么是富营养化 ? l 二、富营养化的主要原因 l 1. 与富营养化有关的主要营养物质 l 2营养物的主要来源 l 三、富营养化的监测和评价 l 四、富营养化的危害 l 五、富营养化的防治 1.什么是富营养化 ? l 关于富营养化的第一个科学的观察应在 19世纪20年代。当时瑞士的莫尔登湖 (Murten see)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 Oscillatoria rubencens (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l 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。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。富营养化作为污染问题又与一般的污染不同。 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 ，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l “ 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 ” 。 二、富营养化的主要原因 l 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。 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。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。l (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。l (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 如食品、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。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：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) 10 10 20 20叶绿素 a(nlg m3) 4 4 10 10透明度 (m) 3 7 2.0一 3.7 20深水层溶解氧 (饱和度 ) 80 10 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)l 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。相对重要性可定义 为： Chl a SD TP, 对应的权重分配为： W(Chl a) = 0.540, W(SD) = 0.297, W(TP) = 0.163l 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(chl a) 106 - (2.04- 0.681nchl a) l .2， chl a一叶绿素 a（ g/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 (chl a)= 10 (2.46+ 1nchl a / ln2.5)l TSI计算结果为 0-100之间的数值，该方法的评价标准为：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)=3.05 f(CHLa)+0.95STSI(SD)=4.82 f(SD)+5.66式中： f(TP) =loglog(TP+0.025)+1.7f(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l 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。营养化严重后也带来了水的卫生学指标的下降。如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对渔业有有利的方面，如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，富营养化引起的缺氧常使鱼类大批死亡。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（ clean production） 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，但这种方法只有局部治标作用，而且还要考虑残毒问题；美国用得较多，每年要使用近万吨杀藻剂。 五、富营养化的防治l (7) 收藻利用 富营养化后藻类 “ 水华 ” 出现，能否直接利用，化害为利呢 ?非洲乍得人有食用蓝藻的习惯，目前有用作农肥、饲料、制沼气和提取有用物质的试验。但收集是一个问题。美国曾试验过机械的藻类收集船。原苏联曾试验研究过利用水库中蓝藻 “ 水华 ” 于农肥、饲料及其他方面，认为花钱少、收益大，并可改善水质。我们也曾实际测算了东湖内可利用的蓝藻 “ 水华 ” 量，表明数量相当可观，且含有很高氮、磷量，如果加以利用，可减少东湖氮负荷的 14.5和磷负荷的 9.1。 五、富营养化的防治l (8)生物防治 过去对富营养化防治的措施都集中在理化方法和工程措施，对利用生态学方法，即从生态系统结构和功能的调整来进行治理很少注意。 70年代有不少学者强调了生物的作用，提出了生物操纵(biomanipulation)这一名词，并举出了不少实际观察和试验事例，表明这是一个有潜力的、有生命力的措施。这种观点强调的是整个生态系统的管理，从营养环节来控制宫营养化，使营养物改变为人类需要的终产品 (鱼 )而不是 “ 水华 ” 。 鱼类的直接吞食 ； 浮游动物的作用 ； 高等植物的克藻效应 。 赤潮现象 一、赤潮和赤潮生物 1赤潮的基本概念所谓赤潮 (red tide)是海洋或近岸海水养殖水体中某些微小的浮游生物在一定条件下暴发性增殖而引起海水变色并使海洋动物受害的一种生态异常现象。和淡水中 “ 水华 ” 相近，但水华不一定有害。 2赤潮生物的类别 能形成赤潮的浮游生物称为赤潮生物 。据报道，全世界已记录的赤潮生物有 300种左右 (可能个别存在同种异名 )，隶属于 10个门类。我国海域分布的约有 127种，隶属于 8个门类 (国外已报道的 10个门类中的细菌和绿藻赤