（市政工程专业论文）嘉陵江重庆主城段藻类营养盐限制因子生态幅研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 举世瞩目的特大型水利枢纽工程，三峡工程将于2 0 0 9 年建成建成后，将在 我国防洪、发电、航运、灌溉和调节气候等方面发挥巨大作用，对国家经济建设 有着举足轻重的作用。嘉陵江重庆城区段位于嘉陵江与库尾的交界处，研究该段 水体的水质情况，对其富营养化进程进行监视和预测对于三峡水库的研究，以及 对于重庆这个西南工业重镇的经济发展都有着及其重要的意义 水体富营养化是一个复杂的生态学过程为了更加透彻的了解重庆嘉陵江主 城段营养盐限制因子与藻类的关系，探索富营养化发生的机理，本文运用生态学 中的生态幅原理对该段水体营养盐限制因子进行了系统而深入的分析，并得出了 以下主要结论： 在调查水域中，磷是水体中藻类生长的限制因子，藻类生长繁殖速度与磷 营养盐浓度密切相关 藻类对磷限制因子的生态幅表现为三基点单峰型特征，耐受限度为 0 0 0 5 m g l 1 0 0 m g l ，生态幅峰值为o t 5 0 m g l 将生态幅划分为三个区间：1 1 p 浓度为( 0 0 0 5 m g l 0 1 5 0 m g l ) 的藻类增长快速区：t p 浓度为( 0 1 5 0 m g l 1 0 0 m g l ) 的藻类增长减速区；t p 浓度大于1 0 0 m g l 为藻类增长稳定区而藻类 生长的高繁殖区是在t n t p 为( 1 9 2 1 s ) 范围内，和t p 浓度为( o 1 0 6 m g l 1 0 7 9 r a g l ) 范围内生态幅中，藻类生长的t p 浓度阀值为0 1 5 0 m s l ，t n t p 阈 值为1 3 5 在1 0 3 0 问，藻类磷生态幅峰值随温度的升高而增加 在调查水域中，当磷浓度增加到0 2 0 2 m g l 以上后，水体的营养盐限制因 子开始逐步由磷元素转化为氮元素；当氯磷比大于1 0 时，水体的限制因子为磷元 素，当氮磷比小于1 0 时，水体的限制因子逐渐由磷转化为氮元素 综合营养盐、水温及水文条件三个重要因素，确定4 月下旬、5 月、6 月 上旬和9 月是重庆市嘉陵江主城区段容易发生富营养化的时期。该时期内水体总 磷含量在0 0 8 9 m g l 0 1 1 2 m g l 之间，位于生态幅中藻类增长快速区，且6 月和 9 月的总磷浓度更处于藻类生长的高繁殖区 关键词：三峡库区，嘉陵江，富营养化，限制因子，生态幅，a g p 试验 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t 儆慨g o r g e s 州e d 3w h i c hw i l lb cc o m p l e t e db y2 0 0 9 , i saw o r l d - f a m o u s s u p e r - h u g ew a t o rc o n t r o lp r o j e c t i tw i l lp l a yag r e a tr o l ei nf l o o dc o n t r 0 1 g e n e r a t e e l e c t r i c i t y , s h i p p i n g i r r i g a t i o n 锄dr e g i l l t i n gc l i m l l 把a n d o n , a n dw i l lm ng r e a tt o i n t t u e n e co fe c o n o m i cc o n s l r u e t i o no fo l l tc o u i 姆a 5w e l l s i n c ej i a l i n gr i v e ri n c h o n g q i n gl i e si n1 h ci n t e a j t m e t i o no fj i a l i n gr i v e ra n t i1 h e do ft h et h r e eg o r g e s r e s e r v o i ra r e a , d or e s e a r e l ao fi 协w 蝴q u a l i t y , e x a m i n ea n dp r e d i c tt h ee u t r o p h i c a t i o n o f i tw i l lh a v ea g r i tm 醐n i n gn o to n l yt ot h er e s e a r c ho f n e 硼豫g o r g e sl r o j e e t sb u t a l s ot ot h ee c o n o m i cd e v d o l m a e n to fc h o n g q i n ga sm i m 聊t mi n d m l a i a lc i t yi nt h e s o u f l a w e s t 卸慨 t h ee u t r o p l a i e a t i o no fw a t e ri sac o m p l i c a t e de e o l o g yc o u i 氍i no r d e rt of i a - t l l e r u n d e r s t a n dr e l a t i o nb e t w e e nm a r i t i o nr e s l r i c t i v ef a e t ma n da l g ai n 1 u f f i n gr i v e ri n c h o n g q i n g , a n ds 鲫r e hf o rt h en a e d u m i s mo fh o we u l r o p l f i e a t i o nt a k e sp l a e e , t l a et a s k u 嘲t h ep r i n c i p l eo fe c o l o g i c a la m p l i t u d et or e s e a t e l at l a cm 1 1 z i t i o nr e s t r i c t i v e 蠡嵋t o i si n i td e 印l ya n d s y s t e m i e a l l y , t l a e nh a sg o tp r i m a r ye o n e l u s i o m 玛f o l l o w s ： f l l o s p h o r u sa c t s 鹳t h er e s l r i e l i v ef a c t o ro ft h oa l g ai nt h er e s e a r c h i 地w a t e r a r e a i th a si tg r e a tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r o w i n gr a t eo f t l a ea l g aa n dt h ec o n c o n l r a t o o f p h o s p h o r u s t h ec c o l o g i c a la m p l i t u d eo fp l a o s p l a o r u si su n i m o d a l i t yf o ra l g a , n l a d5 1 a o w e d c h a r a c t e r i s t i c 廿嘴b a s ep o i n t s , i t st o l e r a n c en l n l g ci st h ec o n c e n t r a t oo fp h o s p l a o m s o 0 0 5 l o o m g l , a n dp c a k v a l u eo fe c o l o g i c a lm p l i t u d c i s o 1 5 0 m 玑 c a p 锄由n a n a l i 裙t h ee c o l o g i c a la m p l i t u d ei n t ot h r l s n g l j ：f a s tg r o w i n ga l g a 啪g e w h o s ec o n c e l a l l l l t eo ft pi s ( o 0 0 5 m 扩o 1 5 0 r a g l ) ；s l o wg r o w i n ga l g ar a n g ew h o s e m 韧舡锄eo ft pi s ( o 1 5 0 m 班l o o m g l ) ；s t e a d yg r o w i n ga l g ar a n g ew h o s e c 加a 舶劬土co f t pi s1 1 1 0 1 暗t h a nl o o m g i _ b c s i d e s , t l a eh i g l a - i n e r e 缓g r o w i n ga l g ar a n g e o n q ，r pi s ( 1 9 2 1 5 ) ，a n di t s 地朗舡a 把o ft pi s ( o 1 0 6 m g l 1 0 7 9 m e , l ) i nt l a e e c o l o g i c a la m p l i t u d e , t h r e s h o l do fa l g ag r o w i n gt pc o n c e n t r a t i o ni s o t 5 0 m e c l , a n c l t h r e s h o l do f t n t pi s1 3 5 w h e n t h ea i rt e m p e x a t u r ei sd u r i n g1 0d e g r e ec c n t i g r a a ca n d 3 0d e g r e ee e n t i g r a d c , t l a ep e a l 【v a l u eo fa l g ap l a o s p h o r 璐e c o l o g i c a la m p l i t u d ew i l lg r o w t e m t m a n mg r o w s i n t h er o s e h i n tw a t e ra r e a , w h e nt h ec o n c e n t r a t eo f p h o s p h o r u sg r o w s1 1 1 0 1 陀 t h 趾0 2 0 2 m g l , n i t r o g e nw i l lr e p l a p h o s p h o r u ss t 印l ya c t s 勰t h er c s l z i e t i v ef a c t o r ；, n 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 w h e nt n ，i pi sl e s st h a n1 0 , p h o s p h o r u sw i l la c ta st h er 嘲r i c t i v ef a c t o r , w h e nt n t pi s m o r t ，t h a n1 0 , n i 智o g e nw i l l 积a st h er e s t r i c t i v ef a c t o r i n 把f a 主i n gt h et h r e ei m p o r t a n t 臼咖r so fn u t r i t i o n , w a t 髓t e m p e r a t u r ea n dt h e c o n d i t i o no fh y d r o l o g y , i t 锄b ec o n c l u d e dt h a tt h et i m ew h i c ht h ee u t r o p h i c a t i o no f w a t e ri nb a l i n gr i v e ri n 曲棚l 脚i sm o s tl i k e l yt ot a k ep l a c ei st h el a s tt e n - d a yo f a p r i l ，m a y , t h ef i r s tt e nd a y so f j u n ea n ds e p t e m b e r d u 她t h s ed a y s , o o n c e n t r a t eo f 即i nw a t e ri so o s g m g l o 1 1 2 m g l , w h i c hi si nt h ef a s tg r o w i n ga l g ar a n g eo f e c o l o g i c a la m p l i t u d e , w h a t sm o r c , 妇i ti sj u n eo rs e p t e m b e r , c o n c e n t r a t eo ft pi n w a t e ri si i g h ti nt h eh i g h - i n a 翱睇掣- o w i n ga l g a 舶n g e | ( e j w o r t b ：t l 弧aj i a l i 赡r i v e , e u t r o p h i c a t i o n , r e s t r i c t i v ef a c t o r , e c o i o g i c a la m p l i 加d ，a g pe x p e r i m e n t h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孙缱签字日期：勿加7 年细粥日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：专锄 i 签字日期：沙7 年肄月8 e t 导师签名： 扣诵 签字日期：砂7 年氍月多g e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 水体富营养化简介 1 1 1 富营养化及其危害 水体富营养化是由于过多的含植物营养物质( 主要是氮、磷) 的废水进入天 然水体引起的二次污染现象，属于有机污染类型，在湖泊、河口、海湾等水流较 缓慢的区域最易发生主要表现为水体中藻类及其它浮游植物迅速、大量繁殖， 嗣后沉积水底，微生物分解之而消耗水中大量的溶解氧，使水质恶化，导致鱼类 及其它水生生物由于缺氧大批死亡 富营养化的发生主要是由于水体中氮( n ) 、磷( p ) 等营养元素增多引起的。 在正常情况下，两者在个自的水系中含量是有限的，而一旦大量的含n 、p 的废水 进入相应水体中，消除了这一限制因素，在适宜的光照、温度、p h 值的条件下， 水生植物，尤其是藻类过度生长，反过来，死掉的藻类及其它浮游植物的残骸在 腐烂过程中，又把大量的n 、p 等释入水中因此，富营养化的水体较难自净和恢 复到正常状态【u 目前国内外许多湖泊水库等都发生了不同程度的富营养化据统计，亚太地 区富营养化湖泊占5 4 ，欧洲占5 3 ，非洲占2 8 ，北美占档，南美占4 l ， 如德国a x n d s e e 湖、匈牙利b a l a t o n 湖、日本k a s u m i g a u r a 湖、美国o k e e c h o b e e 水库等我国许多大型湖泊，如巢湖、太湖、滇池、东湖、杭州西湖等，都已处 于富营养或重富营养状态，水库如官厅水库而且一些河流在部分江段也出现了富 营养化现象，如黄浦江流域、珠江流域广州河段等2 0 0 1 年太湖和滇池外海域均 处中度富营养状态，滇池草海则处于重度富营养状态，巢湖处于轻度富营养状态田 2 0 0 2 年对全国中1 6 1 座水库营养状态进行评价埘，结果处于中营养状态的水库1 0 5 座，处于富营养状态的水库5 6 座对长江流域的2 7 座大型水库评价结果显示嗍： 贫营养水库占被评价水库的3 7 ，富营养型水库占3 9 3 ，中营养型水库占5 3 6 ， 主要影响指标为总磷；其中1 4 座河道型水库中2 1 4 处于富营养化状态，1 3 座湖 泊型水库中6 9 2 处于富营养化状态 富营养化会为整个环境带来相当大的危害，它会影响水体的水质，造成水的 透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成 溶解氧的过饱和状态溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害， 造成鱼类大量死亡同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为 优势藻种的大量水藻，形成一层。绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条 件分解产生的有害气体和一些浮游植物产生的生物毒素伤害鱼类。因富营养化水 重庆大学硕士学位论文1 绪论 体中含有硝酸和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会 中毒致病同 水体富营养化是许多湖泊、水库的主要环境问题n 嘲。国内外湖泊发生富营 养化的现象较为普遍，治理难度较大，是当今世界湖泊治理的最大难题。如北美 洲的伊利湖富营养化严重，面l 临。死亡”的危机；日本的漱户内海因频繁发生。赤 潮给渔业生产带来的经济损失巨大我国的情况也不容乐观，特别是国内外广 泛关注的云南滇池，十几年来国家投入了大量的人力物力进行重点研究和治理， 仅在“世博会”期间云南省和昆明市政府共投资了5 0 亿元巨额资金，采取包括打 通西园隧洞及疏挖草海底泥、投药杀藻等一系列措施，在昆明市已建成四座城市 污水处理厂，污水处理能力达到3 6 5 万吨厌，城市污水处理率已达6 0 以上，滇 池流域内的工业废水在9 9 9 年5 月1 日己实现达标摔放。但这些工作只取得了一些 短暂的效果，未能从根本上消除滇池的富营养化现象据调查，全国因受污染达 到畜营养化水平的湖泊已占全部湖泊的6 3 6 ，其中污染严重的有太湖、滨池、巢 湖等：天津附近的渤海湾也曾出现过多起“赤潮”。七五”研究结果表明，我国湖 泊属贫营养的只有5 5 6 ，中营养的占4 4 4 ，富营养的占5 0 【埘水质下降，不 仅加重了水资源的紧张，而且给渔业、农业及沿岸人民的生活健康带来危害，严 重制约我国社会经济持续与快速发展 1 9 9 2 年2 月一3 月，长达二百余公里的汉江武汉段水体颜色出现异常黄褐色 现象，分析得知造成汉江水色变化的直接原因是藻类的大量繁殖，藻类个体数达2 x 1 0 7 个几 1 1 , 1 习2 0 0 1 年3 月，乌江流域发生大规模的水体变黑，历时近2 个月 使乌江从贵州到重庆市涪陵乌江河口的河道水体呈墨绿色，经过研究表明，这种 现象的发生是由于水体中浮游藻类过多，引起水体变黑 1 3 , 1 4 1 f 1 从水文、水力条件分析，水库界于河流与湖泊之间一般流速比河流小比湖 泊大；换水周期因人为需要而改变对于河道型水库而言，泥沙淤积和富营养化 是最重要的环境阀题国内外富营养化发生的现象较为普遍北京密云水库、天 津于桥水库等长期研究表明水体近年来已经达到富营养化水平【坻m 位于三峡库 区重庆市长寿区的长寿湖水库曾作为中科院研究三峡水库流场预测的类比水库， 在水文等条件方面具有一定程度的相似性，由于营养盐输入、沉积，导致近年来 夏季连续发生富营养化【l 研 富营养化给水体的景观、生态、渔业、供水等功能带来极大的威胁主要体 现在以下几个方面： 使水味变得腥臭难闻 处于富营养化状态的水体会出现许多藻类( 蓝藻) 的过度繁殖，使饮用水产 生霉味和臭味如蓝藻门的柬丝藻属、鱼腥藻属、腔球藻属，绿藻门的空球藻属 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 及硅藻门的针杆藻属等都能发出难闻的腥臭味。在春末和夏季，秋天温度较高的 时期，水藻大量增殖，成团的藻类死亡分解对，经过放线菌等微生物的分解作用， 散发出更加浓烈的腥臭味，大大降低了水的质量 降低水体的透明度 城郊湖泊水体在现代城市生态系统中处于非常重要的地位水质优良的清洁 湖泊水体公园，是人们生活娱乐、游泳、观赏的最佳环境一旦这些湖泊水 体呈现富营养状态，水味、水色和透明度等感官性状恶化，湖泊水体的旅游、观 赏的美学价值将受到严重影响，其功能、用途和经济效益等将大大降低 消耗水体的溶解氧 首先，富营养化促进细菌类微生物繁殖，使水体耗氧量大大增加。其次，由 于表层藻类对阳光的阻隔，阳光在穿射水层的过程中被藻类吸收衰减，及藻类因 呼吸作用大量耗氧，所以深层水生生物因缺氧而死亡还有沉于水底的死亡藻类 厌氧分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，促使厌氧菌繁殖，需氧生物难以生 存这种厌氧状态可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养 物质的高负荷，形成富营养水体的恶性循环 氪水体释放有毒物质 许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物，而且对人类健康产 生严重影响蓝藻中的丝状藻类如微囊藻属、鱼腥藻属和束丝藻属等过度繁殖后， 产生内毒素进入供水中，使人和家畜出现胃肠炎和严重的病态反应某些藻类大 量繁殖能使鱼类和其他生物死亡，还有一些产生的毒素为贝壳类动物食后往往看 不出明显影响，但当人们食用这种贝壳类动物后就会引起严重的胃病，甚而死亡 影响供水水质并增加制水成本 由于水体富营养化问题日趋严重，富营养水体作为水源时，会给净水厂带来 一系列问题，不少水厂制水困难，水质不佳我国的太湖、巢湖和滇池等地尤为 严重夏日高温季节藻类增殖旺盛，过量的藻类会堵塞滤池影响过滤，这就要改 善或者增加过滤措旄其次，富营养水体在一定条件下由于厌氧作用产生i - 1 2 s 、 c h 4 和n h 3 等有毒有害气体，而且在制水过程中水藻本身及其产生的某些有毒物 质增加了水处理的技术难度这样既影响净水厂的产水率，又加大了制水费用。 对水生生态的影响 在正常情况下，湖泊、河流等水体中各种生物( 包括浮游植物、漂浮生物、 挺水植物、沉水植物、底栖动物及鱼类等) 都处于相对平衡状态，每个种群的个 体数量不会太多，但较为稳定，构成良好的水生生态系统一旦水体受到污染而 呈现富营养状态时，生物种群量就会出现剧烈波动，生物总个体数迅速增加而种 类却逐渐减少这种生物种类的演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破 重庆大学硕士学位论文i 绪论 坏水体生态平衡。 对渔业的影响 在贫营养水体中，浮游植物稀少，这对以吞食浮游植物为主的喜肥鱼类的生 长显然不利，但贫营养水体对某些需氧量高的冷水鱼生长是有利的。如果贫营养 水体演变成为富营养，鱼的种群结构发生变化，原来非常有价值的那些鱼类种群 可能被价值小得多的种群所替代，从而导致经济效益的明显下降。此外，多种蓝 藻含有胶质膜或有毒，不适于作鱼的饵料，藻类过度繁殖使水体中溶解氧急剧变 化，这就使鱼卵的孵化和鱼类的生存受到严重影响，从而不利于渔业生产 由于水体一旦进入富营养阶段会对人们的生活环境和用水安全带来很大负面 影响，且富营养化了的水体即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢 复到正常状态因此如何预防并治理富营养化的水体，减少其中营养物的含量， 恢复水体的综合功能，已成为当前环境问题研究的热点 1 1 2 富营养化的发生机理 富营养化过程是自养性生物( 浮游藻类) 在水体中建立优势的过程它包含 着一系列生物、化学和物理变化的过程，与水体化学物理性状、湖泊形态和底质 等众多因素有关湖泊富营养化的实质是由于营养物质输入输出的失衡，而造成 湖泊生态系统中物种分布的平衡被打破，导致单一物种( 如藻类) 的疯长，从而 进一步破坏了系统的能量流动和物质流动致使整个生态系统逐步走向消亡 关于水体富营养化问题的成因有不同的见解多数学者认为氮、磷等营养物 质浓度升高，是藻类大量繁殖的主要原因，其中又以磷为关键因素但近几年汉 江下游几次发生硅藻细胞量猛增，出现硅藻水华和水质恶化的。突发”性现象， 以及对有关硅藻大量增殖的室内研究表明，培养液中的氮、磷和硅随藻类细胞的 增长而降低，但磷变化幅度不大，当在培养液中氮浓度下降至最低点时补充氮源， 几乎停止增长的硅藻细胞又继续增长，所以控制氮输入量也可预防富营养化发生 此外，由于影响藻类生长的物理、化学和生物因素是极为复杂的，它们中的某些 微量元素，水温、光照、水深、流速等也会诱发富营养化 水体的流态和水体更新周期也与富营养化密切相关如在长江中上游的三峡 库区于流江段同滇池外海水体中的营养盐浓度均已达到了发生富营养化的条件， 但目前长江干流尚未出现富营养化，而滇池已经严重富营养化分析认为长江水 流快，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 时已被快速水流带到下游去，藻类生长条件遭破坏；与此相反滇池流域内水流速 度及其他动力学条件都适合藻类大量繁殖而产生富营养化。因此缓慢水流流态和 较长更新周期也是富营养化发生的关键原因 总的来说，富营养化发生的必备条件基本上是一样的：营养盐相对比较充 重庆大学硕士学位论文1 绪论 足；缓慢的水流条件( 以流速、水深等为要素的水流结构) ；适宜的温度条 件只有在上述三方面条件都比较适宜的情况下，才会出现某种优势藻类“疯狂 增长”现象，爆发言营养化d 】 1 1 3 富营养化限制因子研究的意义 限制因子的定义是：当一种生态因子，接近或超过某种藻种的耐受性极限而 抑制其生存、生长、繁殖、扩散或分布时，这些因子就称为限制因子由于富营 养化的实质是因为营养物质输入输出的失衡，而造成水体生态系统中物种分布的 平衡被打破，导致藻类疯长，从而进一步破坏了系统的能量流动和物质流动，致 使整个生态系统逐步走向消亡故而研究藻类的生长限制因子在水体富营养化研 究分析中就显得尤为重要通过研究藻类生长的限制因子，可以找出水体发生富 营养化的原因，以便对富营养化的发生进行预测，并通过化学物理方法控制藻类 生长繁殖，从而避免水体发生富营养化 1 2 富营养化中藻类限制因子国内外研究现状 藻类与水生高等植物共同组成湖泊水库的初级生产者，是水体中一些动物和 微生物所需食物的主要来源和基础网浮游植物的光合作用还是大多数封闭水体 0 2 的主要来源，所以要保持水质就得保持一定数量的浮游藻类但是藻类的过量 繁殖同样也会带来严重的富营养化问题浮游藻类作为水体生态系统的一个重要 组成部分，也是水环境状况的重要体现者 尽管影响浮游藻类生长的生态因子有许多，如营养盐含量、光照、水温、酸 碱度及水体自身的水文条件等但营养盐的含量对藻类生长有着最为明显的影响， 而对于水体富营养化的预测及防治的研究也多是围绕营养盐展开的 1 2 1 营养盐限制因子的水域特征 营养盐是生态系统的基础物质和能量来源，营养盐限制直接影响浮游植物的 初级生产力变化和生物资源的持续利用，因此营养盐同水体浮游藻类生长关系的 研究一直受到广大学者的重视特别是近几十年来由于海洋、湖泊等水体的富营 养化，引发了诸如赤潮等环境问题，原有的生态平衡被打破环境的可持续发展及 人类的自身健康受到了严重威胁，而几乎所有的水生环境问题都与营养盐有关。 s u m m a 对藻类的化学成分进行过分析研究，提出藻类的经验分子式由c 、h 、 o 、n 、p 五种元素组成( cl o d l 狮o l l o n l 6 1 ) 根据经验分子式，计算出这些元素 所占藻类分子量的重量比，见表1 1 这就是说：临界的氮磷比按元素计应为1 6 ： 1 ，按重量计应为7 2 ：i 从理论上讲，如果氮磷比小于该比值，氮将限制藻类的 增长；如果氮磷比大于该比值，则可认为磷是藻类增长的限制因素在实际应用 中，藻类增长所需的氮磷均为可溶性的n o z 、n 地一或p 0 4 ，按照。经验分子式” 重庆大学硕士学位论文l 绪论 计算出来的比值并不实际。 衷1 1 藻类分子组成及元素占分子量的百分比c ) t a b l ei ir a t eo f a l g a ef o r m se l e m e n t 不同水体中，由于营养盐组成不同，浮游藻类群落结构不同，生物地球化学 过程不同，对浮游藻类生长产生限制的营养盐也不尽相同有关如何判断营养盐 限制已有了很多研究：德国化学家( b a r o nj u s t u sl i c b i g ) 提出的最小因子定律指 出。植物的生长取决于处在最小量状况食物的量”s b e g o r d 于1 9 1 3 年提出了耐性 定律，他认为因子在最低量时可以成为限制因子，但如果因子过量超过生物体的 耐受程度时也可以成为限制因子，限制因子的最小量和最大量之间的幅度称为耐 受限度或生态幅。根据s t u m m 提出的藻类经验分子式，磷在藻类分子量中所占的 重量百分比最小，氮次之，氧所占的重量百分比最大其次是碳，氢介乎其中 按限制因子定律，藻类的生产量主要取决于水环境中磷的供应量。当水环境中的 磷供应充足时，藻类可以得到充分增殖；如果磷供应量受到限制，藻类的生产量 就将受到限制 在l i e b i g 之后，不少学着对最小因子定律进行了补充o d u m1 9 7 3 年建议对 l i e b i g 定律傲两点补充：这一定律只适用于稳定状态，即能量和物质的流入和流 出处于平稳的情况下才适用；要考虑生态因子之间的相互作用同一个生态因 子，由于伴随的其它因子不同，对生物所起的作用也不同b o e z i n s k i1 9 8 5 年利用 水体环境或浮游植物中营养元素的原子比是否偏离r e d f i e l d 值：p ：s i 1 6 ： 1 ：1 ) 判断潜在的限制因子；j u s t i c 等口日1 9 9 5 年通过计算水体环境中的各种营养 盐之间的原子比提出了一套系统的评价营养盐限制的化学计量标准；还有f i s h e r 1 9 9 2 年报道的营养盐加富集生物实验等评估方法历史上研究的水体大致可分为 湖泊、河口、近海、开放海域 湖泊中的营养盐限制因子 湖泊是营养盐限制研究的相对较多较深入的水体s c h i n d l e r l 9 7 4 年，d ，e h a 等 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 9 8 6 年，c a r a c o 等1 9 8 7 年就在不同规模上对其做过研究，包括：小尺度的营养盐 生物测试，中尺度水体生态系统相互比较，全湖营养盐富集实验等据l i k e n s l 9 7 2 年报道，6 0 年代后期人们对富营养淡水水域营养盐限制的观点还是碳限制的可能 性大于磷和氮：但是据s c h i n d l 盯1 9 7 4 年，s m i t h1 9 8 4 年，h e c k y 和k i l h m a1 9 8 8 年，b e r m a n l 9 9 5 年的报道，7 0 年代在加拿大安大略省西北的实验湖区a l l a ) 对整 个湖泊生态系统的营养盐加富试验之后，人们对湖泊中的营养盐限制一般都认为 是磷s c h i n d l e r1 9 7 4 年对加拿大安大略省试验湖区的长期试验发现只有在湖水中 添加含磷的营养盐才能明显激发浮游藻类的生长，生物量超过同一地区未加营养 盐的湖泊两个数量级湖泊中易于出现磷限制特征，学者们对此进行了很多研究 从湖泊天然理化条件的观点来看s c h i n d l e r l 9 7 4 年、c a r a 1 9 9 0 年认为，即使在缺 氧的环境下，湖泊沉积物的磷循环率也很低，而沉积物从水中移出和滞留磷的效 率却相当高，造成湖区中磷不能有效循环利用，是导致磷限制的一个重要因素。 h o w a r t h1 9 8 5 年报道湖泊中易于出现磷限制的原因之一是湖水中硫酸盐的含量低， 因此浮游植物能够比较顺利地进行固氮作用( 硫酸盐能够阻碍钼酸盐的同化，而后 者是浮游植物固氮的催化剂) 另据d i l l o n1 9 7 5 年、s m i t h1 9 8 4 年，吕兰军1 9 9 3 年的研究，由于湖泊尺度的不同，外来淡水的输入量不相同，导致水体更新周期 也不同；湖水中的物质输入率、水深等因素也会影响到氮、磷的有效供给及循环 过程s c h i n d l e r l 9 7 8 年对当时全球淡水浮游藻类初级生产力的数据进行了分析， 认为很大一部分的浮游藻类初级生产力与叶绿素的年际变化可由磷的输入来解 释f e e1 9 7 9 年曾提出不同的湖泊形态对氮、磷生物地球化学循环也有影响，从 而改变了有效氮、磷的供给，对湖泊中的初级生产力也会产生限制田】。 从人类干扰影响的角度来看：由于工业废水、生活污水、农田滤水通过各种 途径进入湖泊水体，它们的营养盐组成对湖泊水体的营养盐特征产生了巨大影响 网特别是农田滤水中氮、磷的比倒明显高于r e d f i e l d 值，从化学计量学来估计， 磷是浮游藻类生长潜在的限制因子嘲还有，对湖泊水体的不合理开发利用也是 导致湖泊营养盐结构发生变化的重要原因之一刚 虽然自1 9 7 4 年s c h i n d l e r 试验湖区的论文发表之后，学者们对淡水的生物地 球化学与生态学研究主要集中在磷方面，但是很多研究也表明氮可能是一个重要 的第二位的限制因素。据w h i t e 等1 9 8 2 年，h e k y 和k i l h a m1 9 8 8 年，j a n s s o n 等1 9 9 6 年报道，它能提高磷的加富生物试验效果甚至在一些湖中只加入氮也能 促进藻类的生长，e l s e r 和k i m m e l1 9 8 5 ，j a m e s 等1 9 9 0 年报道了有些短期的加富 试验通常显示氮、磷的联合添加比单独加入一种更能促进藻类的生长 在限制因素的问题上，s c h i n d l e r 和f e e1 9 7 3 年提醒研究中必须注意：即使是 同一水体，中等尺度上的实验结果与实验室的培养实验结果有较大的差异，前者 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 往往显示碳不会限制初级生产力，后者则会在午后显示碳限制s m i l h l 9 9 1 年， o v i a t t1 9 9 5 年的研究也认为由于室内培养实验与空气，沉积物等环境因素是分离 的，在体现生态系统功能方面严重不足，只能显示更大尺度水体潜在的限制因素。 因此，s m i t h1 9 8 4 年，h e c k y 和k i l h m a1 9 8 8 年强调从整个生态的尺度上来研究营 养盐限制因素是十分必要的，而不仅仅是基于恒温培养试验，或者其他把生态系 统局部孤立出来的研究；限制个别有机体增长率的因素应该有别于限制整个生态 系统净生产力的因素。 叶绿素存在于一切绿色植物中水体中叶绿素8 含量的多少，指示着藻类生 物量的水平大量的研究证实。湖泊水体叶绿素a 浓度与营养盐浓度有非常密切 的关系s a k a m o t o 曾在二十世纪六十年代中期调查过日本3 0 多个湖泊总磷浓度与 叶绿素a 的相互关系d i n o n 和r i s l e r 在s a k a m o t 的基础上，依据日本湖泊以及不 同作者所报告的北美、欧洲各种类型的湖泊资料，于七十年代初期推导出春季总 磷浓度和夏季叶绿素a 之间的关系口l 】： l o g l o c b l a = 1 4 5 l o g l o p - - i 1 4 上式通常适用于水体中氮、磷浓度比值大于1 2 时的情况若氮、磷浓度比值 低于1 2 时，则应根据水体的实际监测数据适当加以修正。b a c h n 盥和j o n e 曾测定 美国依阿华州1 6 个湖泊水体的叶绿素a 和总磷浓度，并且分析了1 4 3 个湖泊总磷 浓度和叶绿素8 的相互关系，发现两者问有很强的相关性，和d h l o n 等人的结论 接近不同的湖泊所处的地理位置不同，光照、气温等条件有差异各个水体的 春季总磷浓度和夏季叶绿素a 的水平之间相关模型也会出现一定的差异湖北省 环境保护研究所对武汉东湖各子湖的春季总磷和夏季叶绿素a 浓度进行了测定， 经过回归分析，推导出以下方程： l o g t 0 c h l a = 1 0 6 1 0 9 l o p - - 0 5 3 根据水体中总磷浓度与叶绿素a 的相关模型，可以通过测定水体中总磷浓度 估算夏季叶绿素a 的浓度水平营养盐与叶绿素a 的关系部分研究结果见表i 2 。 表1 2 叶绿素a 与营养盐的关系部分研究结果 t a b l e1 2 s t u d yr e s u l to nr e l a t i o no f n u t r i e n ta n dc h l a 0 重庆大学硕士学位论文l 绪论 河口的营养盐限制因子 河口是一个半封闭的沿岸水体，它与外海自由相通，并且其中的海水明显的 被来自陆地的淡水所稀释，从河口到外海形成很强的盐度梯度。据估计每年从陆 地进入到海洋的2 5 0 ) 氨氮 b o d s 挥发性酚 镉 由于嘉陵江水系河水补给主要以大气降水为主，河水污染不仅取决的于废水 的排放量、污染物的排放浓度，还取决于河流的水文特征着按枯水期( 1 1 - - 1 2 ， 1 - - 2 月) 、平水期( 3 - - 4 ，9 - - 1 0 月) 和丰水期( 5 8 月) 来看，主要污染物的超 标情况为： 平水期：c o d 、b o d s 、氨氮、亚硝酸盐氮 丰水期：c r 、h g 、c d 枯水期：缸、氰化物及挥发性酚 污染的出现既取决于污染物质及捧放量，又取决于河水的稀释能力嘉陵江 干流各江段主要是c o d 、b o d 5 污染 河水断面水质情况 表1 3 嘉陵江大溪沟断面月水质类别 t a b l e1 3t h es o r t so f w a t e rq u a l i t yi nd a x ic h a n n e lo f 燃r i v e r 1 5 课题提出及研究意义 举世瞩目的三峡工程已于2 0 0 3 年形成一期蓄水，2 0 0 9 年建成并二期蓄水三 峡成库后，库区水体的水流速度将减缓，各支流的流速也将减慢，水的更新周期 将大大延长，这将导致水中物质的扩散作用减弱、溶解氧减少、自净能力下降。 按现在的年排点源污水量1 6 亿m 3 计算，其中氮、磷含量按文献【5 习估计为3 0 m g l 和2 0 n 唱l ，则每年入库的氮、磷可达4 8 万t 和3 2 万t 按年径流量4 5 1 0 亿m 3 、 1 7 5 m 蓄水位和总库容3 9 3 亿m 3 计，水库中氮、磷年均浓度可达0 1 0 6 m g l 和 0 0 7 l m g l 以上此处还需考虑由于经济发展而导致的捧污量的增加，以及植被、 农灌等非点源污染所提供的氮、磷负荷所造成的积累。很显然，库区水体将受到 富营养化污染的威胁 据近年来三峡库区干、支流各断面常规水质监测结果统计表明，与干流相比， 1 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 支流和次级支流污染比较严重，水环境质量退化加剧，水质普遍较差，因而，有 关专家认为i 蚓：在营养物质来源丰富、具有富集条件的局部支流水域，出现富营 养化污染现象的可能性更大嘉陵江是库区的主要支流，嘉陵江重庆城区段位予 嘉陵江与库尾的交界处，水文和水流状况复杂，其水环境状况对于流影响较大 同时，嘉陵江也是重庆市的生活和工业用水的主要来源近年来该水域水污染严 重，嘉陵江临江门断面已为超类水因此对嘉陵江相应水体进行有富营养化研 究分析已经迫在眉睫 1 5 1 课题提出 浮游藻类作为水体生态结构的重要组成部分，其种类和数量的组成分布会对 水体及外界环境因素的改变做出反应，因而呈现出一定的特征和变化规律。浮游 藻类用于水体污染和营养状况的评价是切实可行的因此对藻类的生长限制因素 进行研究，对于控制和预防水体富营养化的发生有着及其重要的作用 但是，在富营养化的发生机理中，营养盐限制因子与富营养化的关系一直是 一个重要而复杂的研究内容，然而至今为止，对水体富营养化的营养盐限制因子 的研究大都还停留在单纯理化测试的简单认识分析方法上，研究内容表现出非系 统性、整体性，其研究结果表现出有限性，研究深度受到限制，因而不能解释诸 如为什么一般淡水水体是磷限制性水体，磷究竟在什么条件下成为限制因子，磷 的限制性作用有怎样变化等等问题 在1 9 1 3 年，美国生态学家v e s h e l f o r d 提出了耐受定律( 1 a w o f t o l e r a n c e ) s s i 他认为，生物不仅受生态因子最低量的限制，而且也受生态因子最高量的限制 这就是说生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上下限之间就是生物 对这种生态因子的耐受范围，称生态幅( e c o l o g i c a la m p l i t u d e ) 。任何一个生态因子 在数量或质量上的不足或过多，即当其接近或到达某种生物的耐受限度时，就会 使该生物衰退或不能生存s h e l f o r d 耐受性定律用一个钟形耐受曲线表示( 图1 1 ) 在富营养化研究中，大多数的学者对营养限制因子的研究都以l i b i g 最小因子 定律( f i b i g s l a w o f m i n i m m n ) 作为理论基础 4 4 1 l i b i g 最小因子定律( h b i g s l a w o fm i n i m u m ) 是：植物的生长受它所需要的，而存在量最