（环境科学专业论文）营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响.pdf

营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 比后两种情况低。中肋骨条藻波动的周期和营养盐输入的周期大致相等。中肋骨 条藻在三种脉冲输入营养盐的模式下，对于营养盐的吸收要求有所不同。三种模 式下n ：p 的比值范围为1 4 1 7 ：1 基本符合中肋骨条藻生长的要求，但是对于s i 的需求却低于r e d f i e l d 比值，三种输入方式下s i ：p 比值范围为4 8 - 7 4 ：l 。对 于三种营养盐的吸收速率而言，每1 0 天输入一次的中肋骨条藻的吸收速率都是 最大的，其次是每1 天输入一次的营养盐，最少的是每5 天输入一次的营养盐。 关键词：营养盐；富营养化；微藻群落；脉冲输入； 2 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 i n f i u e r c eo fn u t r i e n t si n p u to nm ir c o p h y t o p i a n k t o ni n e u t r o p h ie de s t u a r ya n db a y a b s t r a c t。 h a r m f u la l g a eb l o o m s ( h a b s lo c c u ri ns e aa r e a sa l lo v e rt h ew o r l d p o s i n g i n c r e a s i n gi m p a c t so nm a r i n ee c o s y s t e r na n dh u m a nh e a l t h a sar e s u l t ，t h er e s e a r c h o np r e v e n t i o na n dc u r eo fh a b sh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n te c o l o g i c a la n d e n v i r o n m e n t a li s s u ew h i c hs h o u l db er e s o l v e d u r g e n t l y e u t r o p h i c a t i o n , t h e m a n i f e s t a t i o no fn u t r i e n t se n h a n c i n ga q u a t i cp r i m a r yp r o d u c t i v i t y , i so f t e ni n d i c a t e d b yt h ep r e s e n c eo fh a b i nr i v e r - d o m i n a t e dc o a s t a le c o s y s t e m s ，r i v e r sa r ep l a y i n g m a i nr o l e si nt r a n s p o r t i n gn u t r i e n t sf r o mt h el a n dt ot h es e a n u t r i e n t si n p u tv i ar i v e r i st h em o s ti m p o r t a n tr e a s o nf o re u t r o f i c a t i o na n dh a b so c c u r 】锄c e i nt h i st h e s i s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nn u t r i e n t si n p u ta n dp h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t y s t r u c t u r ei ne u t r i p h i e de s t u a r ya n db a yi ss t u d i e d b a s eo nt h ed a t ao b t a i n e dd u r i n g f i e l do b s e r v a t i o n si nt h ec h a n g i i a n ge s t u a r yi ns p r i n go f1 9 8 6a n d2 0 0 2 ，t h eh i s t o r i c a l a n dp r e s e n ts t a t e so fe u t r o p h i c a t i o na r ee v a l u a t e db ye u t r o p h i c a t i o ni n d e xf ev a l u e ) n ei n f l u e n c eo f n u t r i e n t si n p u tv i ar i v e ro nt h eg r o w t ho f s k e l e t o n e m ac o s t a t u ma n d p r o c e n t r u md o n g h a i s e n s ei ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h es e ao f t h ec h a n g j i a n g e s t u a r yi sp o l l u t e dm o r es e r i o u s l yi n2 0 0 2t h a nt h a t i n1 9 8 6 t h ea v e r a g eo f e u t r o p h i c a t i o ni n d e x ( ev a l u e ) i nt h ec h a n g j i a n ge s t u a r yi n2 0 0 2i s9 3 1 ，a n dt h ee v a l u ei n1 9 8 6i s1 5 1 t h ea v e r a g ed e n s i t yo f p d o n g h a i s e n s ei n2 0 0 2i s3 4 5t i m e s m o r et h a nt h a ti n1 9 8 6 d u r i n gt h i sp e r i o d ( 1 9 8 6 2 0 0 2 ) ，t h ep r o p o r t i o no f s k e l e t o n e m a c o s t a l u mi nt h a tp h y t o p l a n k t o nd e c r e a s e df r o m2 1 7 t o2 8 t h ei m p a c to fn u t r i e n t si n p u to nt h es t r u c t u r eo fh a bp h y t o p l a n k t o ni s s t u d i e db ym e s o c o s me x p e r i m e n ti ns e p t e m b e r2 0 0 5i nj i a o z h o ub a y q i n g d a o 1 1 1 e r e s u l ts h o wt h a tt h ed o m i n a n ts p e c i e so fp h y t o p l a n k t o na r ee u e a m p i az o o d i a c u s 、 s k e l e t o n e m ac o s t a t u m 、c h a e t o c e r o sc u r v i s e t u a s i l i c a t ei st h em a i nl i m i t i n gn u t r i e n t f a c t o ro fp h y t o p l a n k t o n 鲫w 也h e r e t h ed i a t o mw i l lb l o o m f i r s t l y , a n d d i n o f l a g e l l a t em a y b eb l o o ml a t e ra f t e rd i a t o m t h es c a l eo fb l o o mc a u s e db yp u l s e d n u t r i e n t ss u p p l yi ss m a l l e rt h a no n e - o f fn u t r i e n ts u p p l y , a n df u r t h e rm o r e ，t h et i m eo f 3 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 h a bb l o o mc a u s e db yp u l s e dn u t r i e n t ss u p p l yi s1d a yl a t e rt h a nt h a tc a u s e db y o n e - o f f n u t r i e n ts u p p l y ah a bd i a t o ms k e l e t o n e m ac o s t a t u mw a si n t r o d u c e di n t ot h em o d e lt h a ti st o e l u c i d a t ew h e t h e rp h y t o p l a n k t o ng r o w t hc o u l db ei n f l u e n c e db ya l le n v i r o n m e n t a l f l u c t u a t i o ns u c h 弱ap u l s e dn u t r i e n ts u p p l y rs h o w e dc h a r a c t e r i s t i cr e s p o n s e st o d i f f e r e n ti n t e r v a l so fn u t r i e n ts u p p l y & c o s t a t u ms h o w e dl a r g ef l u c t u a t i o n si nc e l l d e n s i t yi nr e s p o n s et op u l s e so fn u t r i e n t s ，a n dt h ef r e q u e n c yo ff l u c t u a t i o ni nc e l l d e n s i t ye q u a lt ot h ef r e q u e n c yo fn u t r i e n t sp u l s e ds u p p l y t h em a x i m u mo fc e l l d e n s i t yo fs c o s t a t u mu n d e r1d a yn u t r i e n t sp u l s e di sl o w e rt h a nc e l ld e n s i t yu n d e r5 d a y sn u t r i e n t sp u l s e d0 1 1 0d a y sn u t r i e n t sp u l s e d a n dt h et i m et h a tg e tt ot h em a xc e l l d e n s i t yu n d e r1d a yn u t r i e n t sp u l s ei sl a t e rt h a nt h et i m eu n d e r5d a y sn u t r i e n t sp u l s e d o r10d a y sn u t r i e n t sp u l s e d f u r t h e r m o r e ，t h ea v e r a g eu p t a k er a t eo nn u t r i e n t su n d e r 1 0d a y sn u t r i e n t sp u l s e di st h el a r g e s ta m o n g3d i f f e r e n tn u t r i e n tp u l s e ds u p p l ym o d e s ， a n dt h ea v e r a g eu p t a k er a t eo nn u t r i e n mu n d e r5d a y sn u t r i e n t sp u l s e di st h el e a s t a m o n gt h e s e ，e s p e c i a l l yo i lt h en i t r a t ea n ds i l i c a t e k e y w o r d s ： n u t ri e n t s ； e u t r o p h i c a t i o n ；m i c r o - 0 h y t o p 、i a n k t o nc u n i t y p u l $ e ds u p p i y 4 独创声明 本人声明历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，也不包含其他教育机构的学位或证书使用过 的材料。与我一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：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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 授权学校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。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 导师签字：匀 签字日期前年莎月，矽日 电话： 邮编 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 前言 有害赤潮肆虐我国和世界各国沿海，是国际社会共同关注的重大海洋环境问 题和生态灾害。自2 0 世纪7 0 年代以来，我国有记录的赤潮发生了5 0 0 多次，发 生次数以每1 0 年增加3 倍的速度上升( 周名江，2 0 0 1 ；周名江，2 0 0 3 ；邹景忠， 2 0 0 1 ；) 。赤潮频发不仅会破坏生态平衡，危害资源环境，而且赤潮毒素还会通过 食物链导致人体中毒，危害人体健康，因此赤潮的预防和治理研究成为世界邻海 各国急需解决的生态环境问题。为此联合国政府间海洋学委员会( i o c ) 和海洋 科学研究委员会( s c o r ) 于1 9 9 8 年专门制定了一项“全球有害赤潮生态学和 海洋学研究规划”( g e o h a b ) ( s c o r , 2 0 0 1 ) 。 2 0 世纪末，我国三分之二的近海海域受到营养盐的污染，其中长江口海域 污染较为严重。长江口海域已经成为我国有害赤潮的高发区之一。目前，有记录 的赤潮时间约四分之一发生在这个海域( 周名江，2 0 0 3 ) 近年来，国内外学者对 于长江口海域营养盐来源、分布、行为、浮游植物生物量的时空分布及其可能原 因进行了研究。沈志良( 1 9 9 1 ，2 0 0 1 ) 研究表明，长江口营养盐的输出量及长江 口邻近海域的营养盐分布与长江径流量有密切的关系。吴玉霖( 2 0 0 4 ) 研究了长 江口浮游植物的分布特点以及和径流量的关系。长江口海域叶绿素a 具有明显的 周日变化、季节变化、年际变化，叶绿素a 含量从长江口外向东构成低、高、最 低的分布趋势( 沈新强，胡方西，1 9 9 9 ) 。长江口大量营养盐的入海是长江口外 海区赤潮爆发的主要原因。 总体上，对长江口水域营养盐和浮游植物生物量的浓度和分布特征的研究比 较多，营养盐输入和浮游植物之间的相互关系的研究比较少。本论文在国家重点 研究发展规划资助项目“我国近海有害赤潮发生的生态学、海洋学机制和预测防 治”( 2 0 0 l c b 4 0 9 7 1 0 ) 和国家自然科学基金资助项目“富营养化海湾微藻群落结 构演替机制及生物学判据研究”( 4 0 3 7 6 0 4 0 ) 的资助下，以前人的研究结果为基 础，针对长江口的陆源营养盐输入和赤潮微藻群落之间的关系特征，根据历史数 据和现场调查资料，结合海上围隔实验和实验室模拟生态实验，三种研究方法相 互结合，对营养盐输入对富营养化河口微藻群落的影响进行了综合分析研究，旨 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 在为长江口的科学管理、规划和开发提供科学依据，尤其是对合理调控营养盐入 海通量、控制富营养化和预防赤潮的发生提供科技支持，为海洋环境的可持续发 展，生物资源的可持续利用作出贡献。 2 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 第一章文献综述 长江，发源于唐古拉山脉主峰各拉丹冬，曲折东流，干流流经1 1 个省、自 治区、直辖市，最后注入东海，全长6 3 0 0 公里，长度居世界第三位。长江支流 众多，主要支流有雅砻江、岷江、嘉陵江、汉江、乌江、湘江和赣江等。流域面 积达1 8 0 多万平方公里，占全国总面积的1 8 8 ，年径流量9 5 1 3 亿立方米，占全 国河流年径流量的约5 2 ( 张经，1 9 9 9 ；沈焕庭，2 0 0 1 ) ，是中国第一大河。 长江流域是中国重要的经济发达地区。1 9 9 2 年底，拥有人 3 3 9 8 亿人( 占 全国3 4 ) ，耕地3 4 8 亿亩( 占全国2 4 ) ，粮食产量1 5 5 亿吨( 占全国3 5 ) ，水稻 产量占全国7 0 ；棉花产量占全国1 3 以上，农业产值占全国3 2 。成都平原、 江汉平原、洞庭湖区、鄱阳湖区、太湖地区是全国重要商品粮基地。长江流域有 城市1 8 5 座，非农业人口在1 0 0 万以上的大城市有上海、南京、武汉、重庆、成都、 昆明、长沙、杭州、南昌、贵阳等。以上海浦东为“龙头”的长江产业带在逐步 形成。1 9 9 2 年工业产值占全国3 4 5 ，钢铁、机械、有色、石油化工、电子、 轻纺等工业均占全国重要地位。长江水系有通航河道3 6 0 0 余条，通航总里程5 7 万余公里，占全国内河通航总里程的5 2 6 。 长江口及邻近水域主要包括长江口、杭州湾和舟山群岛水域，由于受长江和 钱塘江径流影响，使该水域温、盐度变化大，营养盐丰富，饵料生物基础雄厚， 成为我国重要的传统渔场。但随着沿江经济快速发展，人口剧增，城市生活污水 和工农业废水大量排放，使得该水域n 、p 含量不断增加，富营养化程度加重，导 致长江口赤潮发生频繁，生态环境质量日趋恶化。 资料表明，1 9 9 7 年溶解无机氮的入海通量e p 1 9 6 8 年增加7 倍( 胡敦欣，2 0 0 1 ) ， 2 0 0 2 年随长江河流排放人海的无机氮为1 7 7 6 7 j r ，磷酸盐为3 1 5 万t ，居全国 沿海河流之首富营养化的加剧导致长江口外海区赤潮发生频率增加、规模扩大、 危害程度加重( 朱建荣，2 0 0 5 ) 长江口邻近水域已经成为我国有害赤潮的高发 区之一，有记录赤潮事件的约1 4 发生在这个海域( 周名江，2 0 0 3 ) 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 1 1 赤潮的定义和危害 1 1 1 赤潮的定义 赤潮是一种自然现象，也是人为因素引起的。人类早就有相关记载，如旧 约出埃及记中就有关于赤潮的描述：“河里的水，都变作血，河也腥臭了，埃 及人就不能喝这里的水了”。在日本，早在腾原时代和镰时代就有赤潮方面的记 载。1 8 0 3 年法国人马克莱斯卡波特记载了美洲罗亚尔湾地区的印第安人根据月 黑之夜观察海水发光现象来判别贻贝是否可以食用。1 8 3 1 - - 1 8 3 6 年，达尔文在 贝格尔航海记录中记载了在巴西和智利近海面发生的束毛藻引发的赤潮事 件。据载，中国早在2 0 0 0 多年前就发现赤潮现象，一些古书文献或文艺作品里 已有一些有关赤潮方面的记载。如清代的蒲松龄在聊斋志异中就形象地记载 了与赤潮有关的发光现象。 赤潮是在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性 增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。赤潮是一个历史沿用名， 它并不一定都是红色，实际上是许多赤潮的统称。赤潮发生的原因、种类、和数 量的不同，水体会呈现不同的颜色，有红颜色或砖红颜色、绿色、黄色、棕色等。 值得指出的是，某些赤潮生物( 如膝沟藻、裸甲藻、梨甲藻等) 引起赤潮有时并 不引起海水呈现任何特别的颜色。 随着现代化工农业生产的迅猛发展，沿海地区人口的增多，大量工农业废水 和生活污水排入海洋，其中相当一部分未经处理就直接排入海洋，导致近海、港 湾富营养化程度日趋严重。同时，由于沿海开发程度的增高和海水养殖业的扩大， 也带来了海洋生态环境和养殖业自身污染问题；海运业的发展导致外来有害赤潮 种类的引入；全球气候的变化也导致了赤潮的频繁发生。 目前，赤潮已成为一种世界性的公害，美国、日本、中国、加拿大、法国、 瑞典、挪威、菲律宾、印度、印度尼西亚、马来西亚、韩国、香港等3 0 多个国 家和地区赤潮发生都很频繁。 赤潮是一种复杂的生态异常现象，发生的原因也比较复杂。关于赤潮发生的 机理虽然至今尚无定论，但是赤潮发生的首要条件是赤潮生物增殖要达到一定的 密度，否则，尽管其他因子都适宣，也不会发生赤潮，在正常的理化环境条件下， 4 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，有些鞭毛虫类( 或者甲藻类) 还是一 些鱼虾的食物。但是由于特殊的环境条件，使某些赤潮生物过量繁殖，便形成赤 潮。大多数学者认为，赤潮发生与下列环境因素密切相关。 一、海水富营养化是赤潮发生的物质基础和首要条件 由于城市工业废水和生活污水大量排入海中，使营养物质在水体中富集，造 成海域富营养化。此时，水域中氮、磷等营养盐类；铁、锰等微量元素以及有机 化合物的含量大大增加，促进赤潮生物的大量繁殖。赤潮监测表明，赤潮发生海 域的水体大多已遭到严重污染，氮磷等营养盐物质大大超标。据研究表明，工业 废水中含有某些金属可以刺激赤潮生物的增殖。其次一些有机物质也会促使赤潮 生物急剧增殖。如用无机营养盐培养简裸甲藻，生长不明显，但加入酵母提取液 时，则生长显著，加入土壤浸出液和维生素b 1 2 时，光亮裸甲藻生长特别好。 二、水文气象和海水理化因子的变化是赤潮发生的重要原因 海水的温度是赤潮发生的重要环境因子，2 0 3 0 是赤潮发生的适宜温度 范围。科学家发现一周内水温突然升高大于2 是赤潮发生的先兆。海水的化 学因子如盐度变化也是促使生物因子一赤潮生物大量繁殖的原因之一。盐度在 2 6 - - 3 7 的范围内均有发生赤潮的可能，但是海水盐度在1 5 _ 吨1 6 时，容易形成 温跃层和盐跃层。温、盐跃层的存在为赤潮生物的聚集提供了条件，易诱发赤潮。 由于径流、涌升流、水团或海流的交汇作用，使海底层营养盐上升到水上层，造 成沿海水域高度富营养化。营养盐类含量急剧上升，引起硅藻的大量繁殖。这些 硅藻过盛，特别是骨条硅藻的密集常常引起赤潮。这些硅藻类又为夜光藻提供了 丰富的饵料，促使夜光藻急剧增殖，从而又形成粉红色的夜光藻赤潮。据监测资 料表明，在赤潮发生时，水域多为干旱少雨，天气闷热，水温偏高，风力较弱， 或者潮流缓慢等水域环境。 三、海水养殖的自身污染亦是诱发赤潮的因素之一 随着全国沿海养殖业的大发展，尤其是对虾养殖业的蓬勃发展，也产生了严 重的自身污染问题。在对虾养殖中，人工投喂大量配合饲料和鲜活饵料。由于养 殖技术陈旧和不完善，往往造成投饵量偏大，池内残存饵料增多，严重污染了养 殖水质。另一方面，由于虾池每天需要排换水，所以每天都有大量污水排入海中， 这些带有大量残饵、粪便的水中含有氨氮、尿素、尿酸及其它形式的含氮化合物 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 物，加快了海水的富营养化，这样为赤潮生物提供了适宜的生物环境，使其增殖 加快，特别是在高温、闷热、无风的条件下最易发生赤潮。由此可见，海水养殖 业的自身污染也使赤潮发生的频率增加。 1 1 2 赤潮的危害和防治 一、赤潮对海洋生态平衡的破坏 海洋是一种生物与环境、生物与生物之间相互依存，相互制约的复杂生态系 统。系统中的物质循环、能量流动都是处于相对稳定，动态平衡的。当赤潮发生 时这种平衡遭到干扰和破坏。在植物性赤潮发生初期，由于植物的光合作用，水 体会出现高叶绿素a 、低溶解氧、高化学耗氧量。这种环境因素的改变，致使一 些海洋生物不能正常生长、发育、繁殖，导致一些生物逃避甚至死亡，破坏了原 有的生态平衡。 二、赤潮对海洋渔业和水产资源的破坏 赤潮破坏鱼、虾、贝类等资源的主要原因是： 1 、破坏渔场的铒料基础，造成渔业减产。 2 、赤潮生物的异常发制繁殖，可引起鱼、虾、贝等经济生物瓣机械堵塞，造成 这些生物窒息而死。 3 、赤潮后期，赤潮生物大量死亡，在细菌分解作用下，可造成环境严重缺氧或 者产生硫化氢等有害物质，使海洋生物缺氧或中毒死亡。 4 、有些赤潮的体内或代谢产物中含有生物毒素，能直接毒死鱼、虾、贝类等生 物。 三、赤潮对人类健康的危害 有些赤潮生物分泌赤潮毒素，当鱼、贝类处于有毒赤潮区域内，摄食这些有 毒生物，虽不能被毒死，但生物毒素可在体内积累，其含量大大超过食用时人体 可接受的水平。这些鱼虾、贝类如果不慎被人食用，就引起人体中毒，严重时可 导致死亡。 赤潮，对水生生物最大的威胁是引起水中缺氧。由于赤潮生物大量繁殖， 覆盖整个海面，而且死亡了的赤潮生物极易为微生物分解，从而消耗了水中溶解 氧，使海水缺氧甚至无氧，导致海洋生物的大量死亡。因海水缺氧而产生的硫化 6 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 氢和甲烷对海洋生物也有致死的作用。有些海洋生物，如许多涡鞭毛藻，能将大 量的粘性物质排于细胞外，这种粘性物质以及浮游生物死后所排出的粘性物质， 能附着于贝类和鱼类腮上，使其窒息死亡。一些微细的浮游生物大量繁殖，也会 粘住动物的腮，使其呼吸困难，严重者也可致其死亡。另外，赤潮生物所产生的 毒素排入水中还会对海洋生物产生毒素作用。赤潮生物的死亡，还会促使细菌繁 殖。有些种类的细菌或由这些细菌产生的有毒物质能将鱼、虾、贝毒死。 当某一海域发生赤潮，对水产业的危害是显而易见的。从近几年海洋环境监 测情况来看，由于海洋生态环境遭到破坏，某些海域水污染加剧，导致了海洋污 染日益严重，赤潮的发生次数和范围日益扩大，不得不引起人们的关注。但就目 前的技术手段来看，人们还只能以防为主。做好赤潮监测防治，搞好防灾减灾工 作，保护海洋生态，是减少赤潮发生的次数，减少其所带来的损失的最好办法。 1 。2 富营养化的定义和评价 1 2 1 富营养化的定义 人类对富营养化现象的认识已经有一百多年的历史，不同的学者基于不同的 着眼点，对富营养化有着不同的理解和定义。欧盟的城市废水处理指导中( e c u r b a nw a s t ew a t e rt r e a t m e n td i r e c t i v e ) ，富营养化的定义是；营养盐特别是 氮和磷，使水体丰富，引起藻类和其它更高级的植物加速生长，对水体有机体的 平衡和水质产生令人不快的干扰。n i x o n ( 1 9 9 5 ) 指出，富营养化是指水域中有 机质的积累速度加快。这一定义较为短小，强调富营养化是一个过程而不是静止 的状态，是目前使用较广的定义，n i x o n ( 1 9 9 5 ) 还指出，多种因素可能导致沿 海水域输入的有机质增多，其中常见的因素是营养盐增多。在该定义中，“有机 质”不只局限于浮游植物的初级生产力，还包括更高级的植物和底栖微藻的初级 生产力和来自邻近水域、陆地或点源输送的有机质。 邹景忠( 2 0 0 1 ) 在海洋环境科学中，对富营养化的定义，是这样表述的： 富营养化是指在水体中氮、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。这是个 水环境恶化、水生生态系统异常的复杂过程。富营养化的衡量指标包括理化因子， 7 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 如d i n 、d i p 、t n 、t p 、透明度、p h 值，也包括生物因子，如浮游植物生物量、 c h l a 等。广义的讲，富营养化过程应该包括从贫营养型、中营养型、富营养型 到超富营养型。狭义的富营养化往往只是指超富营养型。 引起富营养化的原因可分为自然因素和人为因素。从生态学考虑，这两种富 营养化过程所需的时间不同，最终表现的影响有极大的差别。自然富营养化是一 个相对较慢的过程，使得生态系统中的物种有足够的时间适应这种变化，整个生 态系统不遭受破坏；人为富营养化是一个突变性的过程，使得生态系统得不到补 偿平衡，造成极大的环境影响或损害。现在人们所指的富营养化，几乎都是指由 人类活动造成的富营养化。 由于氮、磷等限制营养盐的增加是导致水域富营养化的最常见的原因，而水 域营养盐的负荷是随着流域内人类活动的增加而增加的( d ej o n g ee ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。随着工业的发展，大量工业废水和生活污水随着河流径流和地下水进入 到沿岸水域：流域内化肥使用量上升，使大量的硝酸盐进入到地下水，并随着河 流径流进入到沿海水域；农业生产活动释放的氨气进入到大气，通过干、湿沉降 进入到水域；运输业的发展和发电站使氮氧化物气体进入大气，也通过干、湿沉 降进入河流和沿海水域。因此，人类活动通过多种途径造成水体氮、磷等限制营 养盐的增加。 影响营养盐收支的过程主要包括物理过程、生物过程、营养盐不同形态的化 学转化和吸附过程，另外水体的更新、光照和温度对富营养化也会产生影响。其 中生物过程包括： ( 1 ) 生物吸收 浮游植物通过光合作用把海水中的无机离子转化为初级生产力，形成海洋生 态系统中食物链和能量流的基础，生源要素c ：n ：p ：s i 等以r e d f i e l d 比例被浮游 植物所摄食( r e d f i e l de ta 1 ，1 9 6 3 ) 。在英国h u m b e r 河口的研究发现，浮游 植物是d i n 最大的汇，占d i n 被生物利用量的8 0 ( a l l e a ，1 9 9 7 ) 。关于浮游 植物对营养盐吸收的的研究，d u g d a l e 等人首先利用米氏方程来描述浮游植物对 氮营养盐的吸收( d u g d a l ee ta 1 ，1 9 6 7 ；e p p l e ye ta 1 ，1 9 6 8 ) 。随着对细胞 生长研究的深入，研究者认为浮游植物对营养盐的吸收，除了与周围环境的营养 盐浓度有关外，还与植物细胞内的营养盐含量有关( a l l e n ，1 9 9 7 ) 。此外，光照 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 和温度对浮游植物吸收营养盐也有很大影响。 ( 2 ) 营养盐的再生 营养盐再生过程主要包括：浮游植物的呼吸释出和胞外溶出，浮游动物的溶 出和排泄，以及有机碎屑的分解。赵亮等( 2 0 0 2 ) 和w e i ( 2 0 0 3 ) 研究者发现浮 游植物呼吸释放对营养盐的再生起着重要作用，可以补偿光合作用消耗的营养盐 的6 2 ，是营养盐收支中最大的源。在河口和沿岸区域，大约3 0 的净初级生 产力被浮游植物溶出，可见该过程也是不容忽视的。浮游植物溶出产物包括氨氮、 蛋白质以及少量的亚硝酸盐等( m e f f e r te ta 1 ，1 9 7 9 ) 。浮游动物溶出和排泄 的主要产物是氨氮，还包括脲、氨基酸等( s c h a u se ta 1 ，1 9 9 7 ；v i d e le ta 1 ， 1 9 9 7 ) 。有机碎屑来源于生物的排泄物和死亡后的组织和个体等，它们可以被细 菌分解成氨等溶解态营养盐。这些过程产生的氮可以被浮游植物再次利用，构成 再生生产力，构成营养盐的来源之一。 1 2 2 富营养化的评价方法 水体富营养化是赤潮发生的主要诱因。要了解水体所处的富营养化程度，必 须有一定的评价标准。几十年来国内外许多学者对此进行了大量研究，提出了评 价海水水体富营养化程度的几十种方法，其中大部分是从淡水水体的富营养化评 价中移植过来的。但是迄今为止国际上尚未有一个统一的近海富营养化评价标准 或模型。 从评价参数的选择方面，现有的评价方法可分为单因子法和综合指数法。 ( 一) 单因子法 单因子法包括物理参数法、化学参数法和生物参数法。 1 、物理参数法主要包括气温、水温、色度、透明度、照度、辐射量等。其 中，经常使用的指标是透明度。由于富营养化现象主要是藻类形成的初级生产力 增大的现象，所以通常使用测定藻类现存量的方法来代表水中的透明度。藻类量 和透明度的关系可表示为 l = i oe x p 一( 七。+ k b ) z 】 j 是和透明度( m ) 相对应的水深照度； 9 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 厶为水表面照度 丸为由水及溶解物质而产生的吸光系数 屯为悬浮物所产生的吸光系数 z 为于水深度相对应的透明度，和悬浮物的浓度成比例。 c a r l s o n ( 1 9 7 7 ) 根据加拿大透明度高的湖泊中观测到的数据，得出如下营养状 态指数： 营养状态指数= 1 0 ( 6 - - l o g ：2 ) 其中，z 是用塞氏圆盘法测得的透明度。由于水体中悬浮物也影响透明度，所以 本方法不适合于悬浮物含量高的河口地区( 林荣根等，1 9 9 6 ) 2 、化学参数法 化学参数主要包括与藻类增殖有直接关系的溶解氧、c o 。、氮、磷等化学物 质量，以及与藻类现存量有关的化学需要量( c o d u ) 。 3 、生物学参数法 生物学的富营养化指标主要包括藻类现存量( 叶绿素a ) ，浮游植物类，多 样性指数，藻类增殖潜力等。 ( 二)综合指数法 由于富营养化现象是复杂的，用单一的物理、化学和生物学指标很难确定的 表示富营养化现象，所以，评价指标从单一的因素研究过渡到多因素的复合研究。 1 营养状态指数法 邹景忠等( 1 9 8 3 ) 研究渤海湾富营养化问题时提出评价富营养化的公式： e = c o d x d i n x d i p x l 0 6 4 5 0 0 e 1 ，为富营养化。 2 营养状态质量法 n q i = c o d i c o d s + t n i t n s + r p r p s + c h l a c h l a s n q i 值大于3 为富营养水平，2 3 为中营养水平，小于2 为贫营养水平； 3 溶解氧饱和度法 利用表层和底层水体的溶解氧饱和度来评价富营养化的程度。 1 0 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 此外，富营养化评价方法还包括正态分布法，以模糊理论为基础的模糊评 判法等等( 熊德琪，2 0 0 3 ) 。彭云辉等( 1 9 9 1 ) 首次将模糊数学理论应用到近海 水体富营养化评价，使用了四个评价指标，包括化学耗氧量、总氮、磷和叶绿素 a 。 上述评价方法主要受湖沼学家开展的湖泊富营养化研究的影响，但近海生 态系统与湖泊系统对营养盐丰富的响应存在较大的差异。因此，产生了以富营养 化症状为基础的河口与沿岸海域富营养化多参数评价模型，其中最著名的有美国 的“国家河口富营养化评价法”( n e e a ) 和欧盟的“综合评价法”( o s p a r ) ( b r i c k e r e ta 1 ，1 9 9 9 ；王保栋，2 0 0 5 ) 。 综合评价法由欧盟于2 0 0 1 年提出并应用于大多数欧盟国家沿岸海域的富 营养化评价。其评价因子包括：营养盐过富程度、富营养化的直接效应、富营养 化的间接效应，富营养化可能产生的其它效应等4 类。综合分级为问题海域、潜 在问题海域和无问题海域。 n e e a 的评价因子包括：压力、状态和响应。系统致害压力用人为的d i n 浓 度比率来表示：系统的状态包括初级症状( 叶绿素a 、附生植物和大型藻类) 、 次级症状( 缺氧情况、水下植被损失、有害和有毒赤潮) ；人类活动的响应为预 期的营养盐压力和系统的敏感性分析等。 n e e a 的评价标准是压力评价只使用人为的d i n 浓度与预期的总浓度的比值 来衡量。 叶绿素a 的评价使用藻华期叶绿素a 的最大浓度： c h l a 6 0 m g 研- 3 过度富营养化 2 0 r a g m 4 c h l a 6 0 r a g 脚_ 3 高度富营养化 5 m g m - 3 c h l a 2 0 m g 小4 中度富营养化 c h l a 5 m g 研。低度富营养化 溶解氧评价利用底层溶解氧浓度 d o = o m g l ：缺氧 o m g l 5 0 ：高。 其它指示种如大型藻类、大型植物、有害和有毒藻华的评价的标准则根据 是否观测到表达为“问题无问题”。 预期未来营养盐压力则根据预期的营养盐排放表示为：减少、不变、增加。 河口敏感度分析主要依据河口水动力系统状况( 冲刷和稀释扩散能力) 表达为高、 中、低3 个级别。 n e e a 已被应用于美国的1 3 8 个河口、葡萄牙的1 0 个河口及德国沿岸海域的富 营养化评价。但我国的河口和富营养化评价模型和方法尚停留在以营养盐为基础 的阶段，根据无机氮、无机磷和c o d 浓度来计算富营养化指数的各种数学公式。 由于我国缺少关于大型藻类。附生植被和沉水植被的资料，因此尚缺乏适合我国 河口和沿岸海域特点的富营养化评价模型和方法。 1 3 围隔实验概述 1 3 1 围隔实验概述 围隔实验是研究海洋富营养化、以及有害赤潮动力学和海洋污染物迁移的 一种有效手段( k u i p e re ta l ，1 9 8 3 d a h l & b r o c k m a n n ，1 9 8 5 ；l a l l i ，1 9 9 0 ： r o k e b y ，1 9 9 1 ；w o n g & h a r r i s o n ，1 9 9 2 ) 围隔试验生态系统是用人工方法把自然 海水围起来的相对封闭的生态系，水体体积介于l 1 0 0 0 m 3 ，与周围海水没有水 交换。按水体积大小可分为3 类，小尺度围隔( m i c r o c o s m ，1 1 0 m 3 ) ，中尺 度围隔( m e s o c o s m ，1 0 1 0 0 ) 、大尺度围隔( m a c r o c o s m ，1 0 0 1 0 0 0 m 3 。按 生态系统类型可分为：浮游生态系围隔、浮游一底栖生态系围隔和底栖生态系围 隔，按照研究地点可分为室内围隔和现场围隔。根据所用的材料和结构，有3 种 类型，水箱围隔、水泥围隔，聚乙烯塑料围隔。 1 2 营养盐输入对富营养河口、海湾微藻群落的影响 围隔生态系统可以在接近自然的条件下，开展可重复、可控制的实验，并 进行高频率的取样和多参数测定( t a k a h a s h ie ta l ，1 9 9 0 ，b r o c k m a n ne ta l ， 1 9 7 7 ，1 9 7 9 ) 。开展围隔实验，可以提供生态系统尺度的信息，同时，与室内实 验相比，围隔实验是在非常接近自然的条件下进行的；与现场观察相比，由于围 隔内外没有水交换，不受外界干扰，生化和生态条件相似，生态动力学的过程的 研究就相对简单，容易取得量化的结果( t a k a h a s h t ，1 9 9 0 ：h a r a d a ，1 9 9 6 ) 同 时也可以反映营养盐输入等人为活动对海洋生态系统的影响，因此现场围隔实验 已发展为很好的海洋生态学研究的主要工具。 1 3 2 围隔实验的研究历史与现状 自从1 9 6 1 年s t r i c k l a n d 和t e r h u n e 在加拿大首次利用6 m 直径的围隔实验装 置研究了浮游植物大量繁殖期间的生物和化学变化以来，现场围隔实验成为海洋 浮游生物实验生态学的重要工具之一( m c a l l i s t e re ta l ，1 9 6 1 ) 7 0 年代发展的群落效应研究，应用“微宇宙( m i c r o c o s m ) ”，“中宇宙 ( m e s o c o s m ) ”和“受控实验生态系统( c o n t r o l l e de x p e r i m e n t a le c o s y s t e m ) ” 来研究化学品在生态系统中的迁移、转化、降解和归宿。1 9 7 3 年，美国自然科学 基金委( n s f ) 在加拿大的s a a n i c hi n l e t 资助了为期6 年的受控生态系污染实验 ( c e p e x ) 计划，采用的围隔材料为聚乙烯塑料袋，深3 0 m ，直径为l o m ，获得了 各种污染物对浮游生态系营养动力学影响的大量资料。1 9 8 0 年，在美国自然科学 基金委、加拿大研究基金和国际生物海洋学会的资助下，在加拿大的s i d n e y 海洋 科学研究所，召开了“围隔式海洋实验生态系学术讨论会”；国际科联组织海洋 学研究委员会( s c o r ) 成了第8 5 工作组，该工作组出版了国际实验生态系统手 册和围隔实验海洋生态系统两本书( l a l l i ，1 9 9 0 ；r o k e b y ，1 9 9 1 ) 。为以 后的围隔生态实验提供了值得借鉴的经验和一些规范化的方法。 我国从8 0 年代开始，引进了围隔和受控生态系( c e p e x ) 研究方法，并在1 9 8 3 1 9 8 7 年，和加拿大合作在厦门湾进行了海洋生态系围隔实验( m e e e ) 计划。1 9 9 7 年1 0 月和1 9 9 8 年5 月国家海洋局第一海洋研究所与日本国立环境研究所等单位合 作在长江口富营养化海区进行了富磷和加油围隔实验，研究了营养盐大量输入造 成