（环境工程专业论文）藻源性内负荷的估算方法及洱海水华发生模拟实验研究.pdf

- i - 摘 要 藻源性内负荷是指健康湖泊系统额外增殖的优势藻对水体内负荷的增加值， 可由 水体内负荷的衡量指标 cod、 tn、 tp 表示， 本研究首先提出了藻源性内负荷的概念， 对其进行分析后探索出计算藻源性内负荷的试验方法， 并且对所采用的衡量指标进行 分析，筛选适合的指标。 其次进行了针对洱海的水华模拟，分为室内和现场模拟两部分，室内模拟采用生 活污水为营养盐来源，配制从超贫到超富五个营养级别的藻类培养液，加入绿藻、蓝 藻、硅藻三个门的六种藻类（为洱海优势种和常见种）进行共培养，实验条件为湖泊 基地的人工环境室，设置为藻类最适生长条件，并且分为有菌和无菌两种条件，观察 不同级别的水体中藻类的生长演替情况，同时对各指标进行测定。现场模拟实验在洱 海当地进行，采用洱海原位湖水，滤去浮游动物，加入当地生活污水，观察藻类的生 长及水华爆发情况，试验周期为一个月。 研究目的为探索一种新的视角来认识水体负荷的来源与去处， 更深一步了解水华 爆发机理，为消减水体负荷提供理论依据，并且进一步了解洱海水华爆发的来源及种 类。实验得出的结论如下： 1. 实验选取 tn、tp、cod 三种指标来衡量藻源性内负荷，结果表明，水体总氮与 藻类生物量的关系不成明显正相关，而水体 tp 和 cod 变化与藻类生物量呈现良好 的相关性，所以总氮不适合作为衡量藻源性内负荷的指标，而总磷和 cod 则可以反 应藻源性内负荷的变化，故可以将其设定为内源负荷评价指标。 2. 室内水华模拟研究采用模拟的生活污水藻类培养液，结果表明其可以给藻类生长 提供必须的营养物质，实验所培养藻类单藻生物量可达到 106个/ml，混藻共培养实 验藻类总的生物量可达 109个/ml。设置无菌实验对照，结果表明自然水体中的微生 物含量会影响藻类生长与水体营养盐的关系。 3. 室内水华模拟实验添加六种混藻，藻类的生长竞争行为结果如下；铜绿微囊藻适 合生长在以生活污水作为营养源的有菌水体中，在生长初期能占据竞争优势，但是很 快死亡。四尾栅藻在低营养有菌组环境生长良好，在有无菌的超富营养组具备一定竞 争优势。水华束丝藻和螺旋鱼腥藻在有菌环境中均无竞争优势，在低营养组有无菌条 件下均可生长， 在富和超富营养组均很快衰亡。 在所有的营养级别的模拟自然水体中， 月牙藻均占据生长优势，生物量最大。月牙藻在超贫营养级别生长第十二天达到各营 养级别的最大值的 2106个/ml，在超富营养级别最大生物量只有 2105个/ml，为 各营养级别的最小值，表明有菌环境下月牙藻更适合在中低营养水平生长，但其占主 导优势的格局与有无菌无关。有无菌和营养盐的量对月牙藻的竞争地位影响不大。 - ii - 4. 现场模拟采用持续添加当地生活污水的方式，实验为非稳态实验，即生活污水是 随机变化的，其所含的营养盐是不同的。最终实验模拟出水体中的优势藻种由丝藻 惠氏微囊藻水华鱼腥藻变化的过程，与文献报道 1相符，且水体总氮值为 0.0015 mg/l 到 0.21mg/l，总磷值从 0.0045 mg/l 到 0.0325 mg/l，水体从贫-中-富的变化过 程也得到了体现。 5. 根据现场模拟实验结果，污染源来源只有生活污水时，水体中藻类生物量可以达 到 107个/ml，主要优势藻种为水华鱼腥藻，可以证实洱海的生活污水污染源为其水 华爆发的主要因素，水华鱼腥藻将是未来其水华的主要藻种。 关键字关键字：藻源性内负荷；水华模拟；混藻；共培养；生活污水；洱海 - iii - abstract algae-derived load within the health system load is the additional advantage of the proliferation of algae on the water body burden of the added value, may be the measure of body burden of water, cod, tn, tp, this study is the first proposed algae derived the concept of load, analysis to explore its algae-derived calculation of the load test method, that is, within the algae-derived estimate the system load, and on the measure used in the analysis, screening for indicators. secondly, the water carried out of china for the simulation of erhai lake is divided into two parts, laboratory and field simulation, laboratory simulation using domestic sewage as sources of nutrients, the preparation of super-rich from the ultra-poor to nutrient levels of the five algae culture medium, add green algae, cyanobacteria , three doors of the six diatom algae (the dominant species and common species of erhai lake) in co-culture experimental conditions for lake-based artificial environment room set to the optimum growth conditions for algae and bacteria and divided into two sterile kinds of conditions to observe the different levels of growth and succession of algae in water conditions, while the indexes were measured. bo and the local field simulation experiment conducted in situ by erhai lake, filtered zooplankton, join the local sewage, observe the growth of algae and algal bloom outbreaks, one month test period. the purpose of research is to explore a new perspective to understand the water load from the place, a deeper understanding of the mechanism of water bloom, for the reduction of water to provide a theoretical basis for the load, and further understanding of erhai lake and the source and type of bloom. experimental conclusions are as follows: 1. this study was prepared sewage algae algal growth medium can provide the necessary nutrients, algal laboratory cultures of algae biomass can be achieved single-106 / ml, were mixed algal culture experiments the total biomass of algae up to 109 cell / ml, opened up a new method for algae culture. 2. nitrogen is not suitable as a measure of algae-derived indicators of the load, and total phosphorus and cod can be a very good response to the load within the concept of algal origin. algae used in this study derived the load test method is feasible - iv - 3. according to the experimental design of comparative experiments are sterile, the presence of bacteria can be drawn will affect the relationship between algae and nutrients, so complicated. 4. microcystis aeruginosa suitable for growing in sewage as a nutrient source to have bacteria in water, in the early growth stage to take a competitive advantage, but soon died. four algal groups in the low nutrient environment, bacteria grow well there, in a sterile nutrient-rich group with a certain super competitive advantage. algal blooms and the spiral wire bundle anabaena strain environment were not in a competitive advantage in the low nutrition group could grow under sterile conditions, in the eutrophic groups were rich and super fast decline. nutrition at all levels of simulated natural water, crescent algae growth and take advantage of all the biomass maximum. crescent-level algal growth in the ultra-oligotrophic to the nutritional level of the twelfth day of the maximum value of 2 106 cell/ ml, the maximum biomass level over only a eutrophic of 2 105 cell/ ml, for the nutritional level of the minimum, bacteria under a crescent moon that is more suitable for algae in the growth of low nutrient levels, but the dominant pattern of advantage has nothing to do with a sterile. are sterile and nutrient content on the competitive position of crescent little effect on algae. 5. field simulation using the constant way to add the local sewage, nutrients from the same, but the experimental non-steady-state experiments, which are random changes in domestic sewage, which contains the nutrient is different. experiment simulated the end of the dominant species in water by the algal filaments - wyeth microcystis - anabaena blooms process of change, in line with the dominant species in lake erhai changes in recent years, and the total nitrogen in water is 0.0015 to 0.21mg / l, total phosphorus values from 0.0045 to 0.0325 mg / l, water from the poor - in - the rich process of change has been reflected. 6. according to field experimental results, can confirm that the domestic sewage pollution erhai water bloom for the main factors, anabaena bloom will be the future of its main algae blooms. keywords: algae derived within the load; algal bloom simulation; mixed algae; co-culture; domestic sewage; erhai - 1 - 文献综述 1.1 藻源性内负荷的研究 藻源性内负荷是金相灿老师提出的一个新概念， 涉及外源性水体负荷和水体内负 荷，对于藻源性内负荷的研究其实已经开展很多，比如对水体 tn、tp 等负荷1,2,3 的研究，随着富营养化程度的加剧，藻华频发，并且很多专家发现在藻华发生前后， 水体内负荷4,5,6都发生了很大变化，金老师创造性的提出藻源性内负荷的概念，让我 们从一个新的角度去认识水体内负荷的变化与藻类水华的关系， 探索藻华发生的内部 机理。本研究针对藻源性内负荷的估算体系进行了研究。 1.1.1 藻源性内负荷的由来 湖泊水体的污染负荷分为外源性污染负荷和内源性污染负荷，外源性负荷指通过 入湖河流， 干湿沉降或其他方式排入湖体的负荷10。 内负荷一般指底泥释放的氮磷营 养。现阶段，随着湖泊富营养进程的不断加速，一些优势藻类过度增殖，破坏了水生 生态系统食物网正常的营养动态平衡，并引发一系列环境甚至健康问题，逐渐成为湖 泊内部的 “肿瘤” ， 是湖泊健康的一个沉重负担， 金相灿老师创造性的把它称之为 “藻 源性内负荷” 。 根据这一指导思想，藻源性内负荷是指健康湖泊系统额外增殖的优势藻对水体内 负荷的增加值，可由水体内负荷的衡量指标 cod、tn、tp 表示。由于湖泊富营养化 的加剧，沉水植物逐渐消亡，对其有牧食能力的枝角类和桡足类受到强烈抑制，使进 入到湖体的营养逐步在浮游植物中异常累积。浮游植物异常增殖，即外源负荷转变为 藻源性内负荷，随着藻的衰亡沉积在底泥中，在微生物的分解后这些 cod、tn、tp 重新释放入湖体，成为湖泊内源污染。例如，洱海的 cod6由 1998 年前的 1mg/l 变 为现在的 3.5mg/l，新增的 2.5mg/l，成为洱海浮游植物的大量增殖的直接原因2。这 些负荷一部分转变为藻源性内负荷，一部分被底泥吸附，一部分被微生物利用，一部 分被水生植物利用，一部分挥发。在健康的生态系统中，这几者间的比例关系是协调 平衡的， 但由于藻类对营养负荷的特殊敏感性， 造成负荷在这一营养级别的异常累积。 不同营养级别的湖泊藻源性内负荷累积量不同。 1.1.2 藻源性内负荷的来源 藻类生长所需营养来自两个途径，一为水体直接营养；二为底泥释放营养。到底 多少来源于陆源，多少来源于底泥，是我们课题要搞清楚的问题。 湖泊污染的最终来源均来自流域，藻源性内负荷同样来自陆源污染负荷。根据近 两年全国生态安全及其他调查数据表明，太湖74,75超过 50%的部分来自于面源污染 （即上游的农业、生活污水和水产养殖业）来自工业污水的养分排放在过去十年中已 - 2 - 经有所缓解； 巢湖大多数来自化肥流失和生活排污； 滇池大约 40%来自化肥及生活污 水，过去十年中，来自工业废水的营养物污染有所减少，但是由于化肥流失和城市污 水的排放导致的养分过量却逐年上升，而且始终被忽视。珠江口养分过量问题的主要 原因是河流中下游地区的农田化肥流失，以及周边人口密集区域的废水排放，超过 70%以上的生活废水直接排入珠江或是沿海水域而未经任何处理；而在渤海海域，根 据官方引用的一位水生生态系统专家的话:每年五分之一的生活污水被排放入渤海7， 如果不采取任何措施来彻查污染的话，可能这里在十年之内就会成为死海区。 中国的化肥使用量14在过去的几年时间里显著增加，从 1960 年至今，氮肥的施 用量已经增长了 55 倍， 到 2005 年已经达到了 30004 吨。 在上一个十年中 （1995-2005） ， 氮肥和磷肥的施用量以每年 25%的增长速度持续增加， 但在近十年中， 水稻的产量只 增长了不到 4%，蔬菜产量增长不到 3%。也就是从中国拉开化学农业耕作序幕的时 候起，我国水华爆发事件有愈演愈烈的趋势，至今为止类似事件已经超过当年的 20 倍以上。太湖、巢湖等重要湖泊的蓝藻爆发事件也越来越多的进入人们的视线中。 2005 年中国的复合肥平均施用量为 321 公斤每公顷，有机肥的平均施用量为 125 公斤每公顷， 显然这些速效而廉价的肥料使土壤中的营养物质严重过剩。 在某些地区， 对蔬菜施加的氮肥和磷肥每年可达 1700 公斤每公顷，对鲜花作物施用的氮肥和磷肥 每年可达 2000 公斤每公顷。自 20 世纪 80 年代以来，滇池18中源自农田化肥施用的 氮负荷已经增长了 3 倍，占据了当前氮负荷总量的 58%，还有 35%的氮负荷来自动 物粪便造成的有机肥污染，也就是说，滇池中超过 90%氮负荷是由农业污染造成的， 而余下的 10%是农村废水排放所致， 自 20 世纪 80 年代以来， 源自化肥的磷负荷已经 增长了 15 倍，占据了当前滇池磷负荷总量的 64%。如果再加上另外 31%来自有机肥 中的磷，那么滇池中共有 95%的磷污染是由农业所引起，另外 5%的磷负荷则是由农 村废水排放造成的。据估算，太湖中超过 50%的氮和磷来自于这种面源污染，其中多 数源自农业。一些研究认为，在直接排入太湖74的氮中有 23%来自化肥，而且绝大 多数污染源自西部上游水域并与化学农业污染和生活污水排放直接相关。 最近有研究 显示，化肥中的硝酸盐是太湖氮污染的最主要源头，其余的则是来自生活污水和牲畜 粪便。 综上所述,未经处理的生活污水， 农田化肥的施用， 村落养殖废水日益成为湖泊藻 类异常增殖,即藻源性内负荷的主要来源。 1.2 洱海水华发生模拟实验 1.2.1 洱海概况 洱海是云贵高原第二大淡水湖泊，位于云南省大理白族自治州境内。流域面积 2 565 km2,地理坐标北纬 25252616,东经 993210027,跨大理市和洱 源县。湖泊容积 28.8108m3,南北长 42.5 km,最大湖宽 9.2 km,平均湖宽 5.8 km,平均 - 3 - 水深 11.2 m,属中深水型湖泊1-5。 湖泊面积 250 km2,最高水位海拔 1974 m(海防高程)。 1.2.2 洱海水华藻类历史演替概况 五十年代，洱海藻类优势种有单角盘星藻、水华束丝藻和小环藻，常见种还包括 云南飞燕角甲藻、暗丝藻、湖生鞘丝藻和球空星藻等。 到八十年代中期，清水种类云南飞燕角甲藻、暗丝藻消失，蓝隐藻和直链硅藻成 为常见种，小环藻、水华束丝藻在这这段时期也成为优势种属。 近年来，洱海全湖浮游植物种类1减少，蓝藻已经占据绝对优势。 从 94 年至今，我们对洱海的藻类进行了详细的统计，下面是 3、8、11 三个月份 洱海藻类数量随年代随地点的变化： （一） 洱海藻类一般在 8 月份数量达到最大值，历年最大值出现在 98 年 8 月份 的康朗，达到 6.4107个/l；98 年和 03 年为洱海生物量变化的两个转折 点，98 年之前，洱海的藻类数量一直处于 104-105个/l，98 年后，洱海藻 类数量增长迅速，以 11 月份最为明显，3 月份湖心 1 号点在 98 年数量达 到历年最大值。03 年 8 月份，除喜州点外，各个采样点藻类数量均达到 历年最大值。 （二） 洱海藻类数量各个采样点随年份的变化比较明显， 全年中尤以 8 月份变化 最大；在 8 月份和 11 月份，年代变化可以归结为以下几个周期：94-00 年，00 年-04 年，04-07，07 后，都为先上升后下降的过程（08 年-09 年 为上升） ，但是总体上藻类生物量是上升的。 （三） 洱海藻类全湖分布并不均匀，但是从历年统计结果来看，全湖的分布均匀 度在增加，其中 05 年全湖分布最为均匀。 洱海 94-09 年藻类优势种的演替过程： （一）优势种的种类减少，逐渐演变为绝对优势种，全湖的优势种类趋向一直，蓝藻 门渐渐占据绝对优势：94-97 年，优势种的种类为尖尾蓝隐藻、钝脆杆藻、小球藻、 小环藻、舟形藻，种类多，占据比例一般在 50%以下；97 年开始出现鱼腥藻，但占 据比例不大，98 年以后水华束丝藻、鱼腥藻、微囊藻逐渐占据优势，98 年暴发卷曲 鱼腥藻水华。99 年优势种演变为水华束丝藻、铜绿微囊藻和鱼腥藻，其中水华束丝 藻的优 占率最高达 90%；2000 年优势藻种为铜绿微囊藻、水华束丝藻、钝脆杆藻、 小颤藻、巨颤藻，其中铜绿微囊藻为绝对优势种；01 年铜绿微囊藻在全湖占据绝对 优势；02 和 03 年出现颗粒直链藻，优势种由铜绿微囊藻演变为鱼腥藻，并在 03 年 暴发螺旋鱼腥藻的水华；04 年出现肾形藻、惠氏微囊藻，主要优势种为铜绿微囊藻、 钝脆杆藻、颗粒直链藻、色球藻和肾形藻；07 年水华束丝藻在全湖占据优势，08 年 集星藻占据优势，09 年主要为惠氏微囊藻，优势藻种转变为绝对优势中，种类明显 减少，且多为蓝藻门，暴发水华的风险逐渐增大。 - 4 - （二）季节变化演替逐渐比较明显，藻的种类变化较大，97 年前，春季和冬季优势 藻种为尖尾蓝隐藻，夏季和秋季为钝脆杆藻；97 年后出现鱼腥藻和水华束丝藻，水 华束丝藻多出现在春季和冬季，鱼腥藻和铜绿微囊藻出现在夏季和秋季，具体变化如 下：94 和 95 年全年的变化为：尖尾蓝隐藻钝脆杆藻：96 年开始 1.2 月份开始出现 水华束丝藻，6.7.8 月份为尖尾蓝隐藻，11.12 月份出现小型色球藻；97 年尖尾蓝隐藻 钝脆杆藻多变鱼腥藻：98 年多变鱼腥藻球形藻卷曲鱼腥藻；99 年水华束丝 藻卷曲鱼腥藻铜绿微囊藻；2000 年水华束丝藻尖尾蓝隐藻铜绿微囊藻；01 年水华束丝藻、铜绿微囊藻美丽团藻铜绿微囊藻；02 年水华束丝藻铜绿微囊 藻；03 年钝脆杆藻球型鱼腥藻铜绿微囊藻；04 年铜绿微囊藻鞘丝藻颗粒直 链藻；05 年钝脆杆藻固氮鱼腥藻颗粒直链藻；06 年钝脆杆藻螺旋鱼腥藻颗 粒直链藻；07 年水华束丝藻铜绿微囊藻、颗粒直链藻水华束丝藻；08 年全湖逐 渐趋于一致：集星藻针杆藻铜绿微囊藻、颗粒直链藻、钝脆杆藻惠氏微囊藻； 09 年水华束丝藻针杆藻小环藻惠氏微囊藻。 1.2.3 洱海入湖污染负荷发展历史 从 1992 年到 2009 年的 17 年间，洱海水体总氮2呈较快增加趋势。92 年到 00 年，总氮值处于缓慢上升阶段，总体处于 ii 类水质；2001 年至 2006 年，tn 值明显 上升，为 iii 类水质，2007 年至 2008 年水体 tn 值虽有所下降为 ii 类水质，但 2009 年 5-12 月 tn 均值较高处于 iii 类水质水平。 将总氮与叶绿素综合考虑，可以得出: （1）总体看，总氮的变化和叶绿素的变化趋势一致，2003 年为转折点，03 年以前， 水体中的叶绿素总量总趋势是下降的，这与水体的优势藻种有关系，03 年之前，硅 藻门占据优势，而 03 年后，蓝藻门逐渐占据优势，随着总氮的增高，水体中优势藻 种发生变化，叶绿素与 tn 的变化趋势开始一致。 02 年-03 年，叶绿素上升 2.35%，tn 上升 42.5%，藻细胞的量增加远远高于水体中 营养盐的增加。 从 1992 年到 2010 年的 18 年间，洱海水体总磷含量呈持续增加趋势。tp 的变化 总体分为三个阶段。第一阶段是 90 年代初期至 1998 年，tp 值较快上升但总体处于 ii 类水平；第二阶段是 1999 年至 2006 年，tp 值升高使总体处于 iii 类水质水平，但 不同年份出现上下波动的变化，第三个阶段 2007-2008 年出现水质好转年平均 tp 处 于 ii 类水质。但 2009 年 5-12 月均值较高水质已接近 iii 类水质水平。 将总磷与叶绿素综合考虑，可以得出： （2）总体来看，以 03 年为转折点，前后叶绿素和总磷3的趋势均为相反的，即总磷 的量增加，而叶绿素的量是降低的。02 年以前，叶绿素的量变化较为平缓，而磷的 量缓慢上升，与藻类的优势种格局有很大关系，03 年磷值突然上升，叶绿素的量也 - 5 - 有一个较大增幅。03 年以后，磷值开始有所下降，叶绿素的变动较大。 从 1992 年到 2010 年的 18 年间，洱海水体 codmn含量4也呈现持续增加趋势。 1992-1997 年间，codmn 处于 i 类水质水平；1998 年 codmn升高超过 i 类水质水平， 之后不同年份虽有波动变化，但 1998 年至今 codmn总体处于 ii 类水质水平，其中 2003 至 2005 年 codmn 处于历史高值 3.46mg/l。 但 2009 年 5 月-12 月均值已经超过 iii 类水质水平。 结合藻类的生物量和优势种变化分析 tn、tp 的变化，我们可以得出以下结论： (一) 水质处于一个平缓的上升过程，而藻类的生物量则是一个突然上升的 过程，03 年为一个转折点，水体和藻类生物量均达到最大值，03 年过 后，水体营养盐能降到水华发生前的水平，而藻类生物量则难以降下 来。 (二) tn 和 cod 与藻类生物量之间的关系是相辅相成的，而磷在一定值范 围内是相反的，不稳定。 (三) 在水质缓慢变化的过程中，藻类的优势种也发生了较大变化，逐渐由 蓝藻门占据优势，03 年爆发蓝藻水华，之后水体营养盐缓慢下降，但 总体水平较高，水体中优势种仍为蓝藻门，合适的气象条件下，水华 发生的风险很高。 1.2.4 洱海污染源变化演替过程 洱海地跨洱源县、 大理市, 属于澜沧江水系, 流域面积达 2565km2 , 流域总人口多 达 60 万, 是大理人民的生命之源, 是大理白族自治州赖以生存和发展的基础。 随着湖 区人口的增加和区域经济实力的增强, 对湖泊和流域自然资源开发利用的深度和广 度增大，同时也呈现了日益增长的环境问题, 使得洱海水质逐步由贫营养化过渡到中 营养化5-9, 并向富营养化发展, 目前水质已由 90 年代的到类发展到到类。 洱海流域农村畜牧业比较发达，已经成为农民增收的重要支柱产业。而长期形成 的饲养习惯也使畜牧成为洱海面源污染的一个重要来源。据多年观测，来自于面源的 污染负荷量大约占洱海入湖污染物总量的 80%， 是该洱海污染的主要污染源， 尤其是 农村生活污水，是洱海流域面源污染控制的重点。农村生活污水和畜牧养殖废水成为 洱海最主要的污染源。 洱海北部地区耕地总面积 1168 万 hm2 ,平均施用化肥 240kg/ hm2 ;洱海西部地区 总耕地面积 1153 万 hm2 。施用有机肥 3150kg/ hm2 、尿素 375450kg/ hm2 、磷肥 308kg/hm2 、硫酸钾 58kg/ hm2 ;洱海南部和东部地区耕地面积 4443hm2 , 以施化肥为 主, 平均施用尿素 750kg/ hm2 、磷肥 300kg/ hm2 、钾肥 375kg/ hm2 。洱海湖区化肥 施用量与 1999 年全国化肥平均施用量 262kg/hm2 相当, 南部和东部地区偏高。但化 肥的流失量较大, 绝大部分是流进了洱海。 化肥利用率氮肥为 25-50 % , 磷肥为 10-15 - 6 - % , 钾肥为 40 -50 % , 氮肥和磷肥的流失量最大。每年由化肥流失进入洱海的总氮约 为 989t , 总磷约为 100t , 其中非点源污染分别占 97 %和 92 %。 大理的畜禽养殖同全国一样, 发展很迅速。 据统计2002 年马属动物存栏 9671 匹, 每匹产生粪尿 15kg/ d , 饲养周期 365 天, 马属动物年产生粪尿为 52949t ; 羊存栏 20633 只, 每只产生粪尿 2kg/d , 饲养周期 365 天, 存栏羊年产生粪尿 15062t ，全市 存栏猪261028 头, 按每头猪产生粪尿315kg/d (大小平均) , 饲养周期365 天计, 则存 栏猪年产生粪尿量 333463t ; 存栏牛 25416 头,每头牛产生粪尿 40kg/d , 饲养周期365 天计, 存栏牛产生粪尿量为 371074t ; 禽类存栏 906103 只, 每只产生粪尿 0113kg/d , 饲养周期 365 天计, 禽类年产生粪尿为 42995t 。 以上总计 2002 年全市畜禽粪尿产生 总量为 815543t 。 水土流失与农业面源污染是密不可分的, 不但由于水土流失带来的泥沙本身就 是一种污染物, 而且泥沙和地表径流是有机物、 金属、 磷酸盐等污染物的主要携带者。 洱海西岸苍山十八溪流域由于地质地貌、水文气象及人为活动等原因, 水土流失严 重。建国以来, 已发生不同规模的泥石流 50 余次,造成了不同程度的灾害, 直接间接 的经济损失达亿元以上。洱海流域年泥沙流失量为 2111104t , 其中, 山地泥沙流失 量为 2101104t , 占 95.5 % ,农田为 0.195104t , 占 4.15 %。流失氮 11500t/ a ,流失 磷 6934t/a 。 1.2.5 洱海周边污水排放途径与方式： 洱海流域村镇污水排放方式两种：直接泼洒和排入沟渠。直接泼洒多为村中无沟 渠或沟渠不完整， 且经济条件较差， 路面为土路的村落。 排入沟渠多为村镇沟渠完善， 经济水平高的村落。沟渠的类型有几种：按砌筑材料划分：土质，水泥砌筑，石板堆 砌；按有无盖板划分：分为明沟与暗沟，暗沟主要通过石板或铁丝格栅覆盖；按沟渠 级别划分：按照污水的流动途径，排污沟可以分为主渠、支渠，各家各户污水通过支 渠汇入主渠，洱海流域村落平均有 1-2 个主沟渠。 洱海流域排放污水的方式主要有三种：直接泼洒于地面；倒入村落沟渠中；直接 入洱海。直接泼洒于地面：村落村民的生活污水均直接泼洒于地面，污水依靠自然蒸 发等方法，污水水分消失，污染物沉积；雨天通过雨水携带污染物入沟渠或农田；倒 入村落沟渠中：村落中的沟渠有两种类型，一类是沟渠内常年有水流动，水沟穿村； 另一类沟渠为排污沟，污水流动性差或不流动，雨天形成径流；直接入洱海：以这类 方式排放污水的村落濒临洱海，污水直接从污水源排到洱海。 - 7 - 1 引言 1.1 总体思路 本研究有两条主线，一是针对藻源性内负荷问题进行探索，寻找藻源性内负荷的 估算方法，研究富营养化机理，找到控制富营养化的新途径。二是进行洱海室内和室 外水华模拟的研究，室内水华模拟为进行室外模拟提供一些理论基础，现场模拟则是 为洱海的水华发生时间、种类进行研究，从而预测洱海的水华发生风险。水体富营养 化导致的水华问题已经成为我国浅水湖泊亟待解决的问题， 国内外对水华优势种的形 成机理，尤其是针对蓝藻水华进行了大量深入的研究。金相灿等 8 、10、12、14.15通过氮 磷营养、ph、通气量等对螺旋鱼腥藻、铜绿微囊藻等单藻培养的研究，揭示了蓝藻的 生长特性及其与营养盐的关系。在混藻营养竞争研究方面，蓝藻与和绿藻竞争10.13 的报道较多，研究结果表明在较低氮磷浓度的水体中,蓝藻藻容易成为优势种,而在较 高的氮磷浓度的水体中,绿藻更容易成为优势种。杨苏文19对铜绿微囊囊藻、四尾栅 藻和小环藻三藻竞争的研究表明， 铜绿微囊藻在无 hco3-环境中对营养资源更具竞争 力，四尾栅藻在无 hco3-环境中竞争力弱于铜绿微囊藻强于小环藻，小环藻在竞争试 验中被淘汰。但上述混藻竞争实验中受试藻种均采用无菌的藻类专用培养液，其组分 由化学试剂准确配置而成，其各营养元素浓度高于自然水体几十到几百倍，实验结论 很难真实反映自然水体在有菌条件下水华优势藻的演替规律。针对这一问题，本研究 采用自配湖水的方式开展混藻在有菌无菌条件下的生长和竞争实验。资料表明，工业 废水对湖泊总氮、 总磷的贡献率率仅占少部分， 而生活污水16为湖泊富营养的主要来 源。 1.2 研究内容和意义 本研究首先提出了藻源性内负荷的概念， 对其进行分析后探索出计算藻源性内负 荷的试验方法，即藻源性内负荷估算体系，并且对所采用的衡量指标进行分析，得出 合适的衡量指标。其次进行了针对洱海的水华模拟，分为室内和现场模拟两部分，室 内模拟采用生活污水为营养盐来源，配制从超贫到超富五个营养级别的藻类培养液， 加入绿藻、蓝藻、硅藻三个门的六种藻类（为洱海优势种和常见种）进行共培养，实 验条件为湖泊基地的人工环境室，设置为藻类最适生长条件，并且分为有菌和无菌两 种条件，观察不同级别的水体中藻类的生长演替情况，同时对各指标进行测定。现场 模拟实验在洱海当地进行，采用洱海原位湖水，滤去浮游动物，加入当地生活污水， 观察藻类的生长及水华爆发情况，试验周期为一个月。研究进行的目的探索从一种新 的视角来认识水体负荷的来源于去处，更深一步了解水华爆发机理，为消减水体负荷 - 8 - 提供理论依据，并且进一步了解洱海水华爆发的来源及种类。 - 9 - 2 材料与方法 2.1 生活污水培养液的制备 （1）营养盐的选择：湖泊污染源的主要来源包括生活污水、农业污水（化肥） 、工业 污水，在农村，还包括养殖废水（畜禽类粪便） 。考虑洱海的实际状况，其周边工业 较少，故将重点放在生活污水和农业污水上，这两者中生活污水占据重要位置，本实 验将生活污水作为营养盐来源。 （2）营养级别的选择依据：为了反映湖泊的富营养化的总体进程，藻类在不同阶段 的分布格局，本实验设计的级别比较全，分别为：超富、富、中、贫、超贫，其中洱 海的级别属于中营养级别。 （3）生活污水原液的配制： 实验用生活污水根据城市生活污水的标准配置， 排水量按照用水量的 0.8 计算， 即 120 升/日每人计算，根据实验需要，将原料进行了浓缩，然后在进行实验时稀释， 配水采用的稀释用水为去氯的自来水配水用量如下： 表 2-1: 生活污水培养液的配制 table 2-1: preparation of sewage medium 原料 浓缩液 工作液 粪便 120g/l 4g/l 尿液 原液 4ml/l 厨余用水 原液 8ml/l 洗面奶 1.6g/l 0.016 g/l 洗手液 4.8ml/l 0.048 ml/l 洗衣粉 3.4g/l 0.034 g/l 洗发水 4.8ml/l 0.048 ml/l 沐浴液 2.4ml/l 0.024 ml/l 牙膏 1.6g/l 0.016 g/l （3）各个营养级别培养液的配制 根据实验设计，将工作液配好后进行稀释配制所需的营养级别的藻类培养液，配 制标准参照水体的标准，见表 2-2: - 10 - 表 2-2: 实验配制模拟自然水体与水体标准对比 table 2-2: experimental preparation simulated natural water compared with standard water 营养级别 稀 释 倍 数 tn(mg/l) 标准值(mg/l) tp(g/l) 标 准 值 (g/l) cod(mg/l) 标准值(mg/l) 超贫 2000 0.012 0.02 5.1 1 - 0.02 贫 1000 0.026 0.06 10.2 1 - 0.36 中 250 0.3 0.31 56 23 0.5 1.8 富 50 1.04 1.2 300 110 2.8 7.1 超富 10 5.8 4.6 550 660 9.8 27.1 2.2 藻种的选择 调查发现，洱海的藻类主要分三个门：绿藻门、蓝藻门、硅藻门。近年，洱海水 华现象渐渐凸显，主要水华藻种为：铜绿微囊藻、水华束丝藻、螺旋鱼腥藻等。故本 实验的藻种选取原则定为： （1）水华优势种：铜绿微囊藻、水华束丝藻、螺旋鱼腥藻等。 （2）常见种：四尾栅藻、谷皮菱形藻、月牙藻等。 （3）涵盖多个门及种：绿藻门、硅藻门、蓝藻门。 2.3 藻源性内负荷估算膜的选择 为测定藻源性内负荷的值，根据定义，藻源性内负荷为随着藻类的生长，水体负 荷转移到藻体，或者说因为藻类的生长，水体负荷增加，那么要想得出藻源性内负荷 的值，可以采用差减法，即：采用一种合适的膜将水体中藻类全部过滤掉，测定膜前 膜后的水体指标，笔者根据藻细胞的直径及各种膜的特性，选择了两种膜进行对比， 分别是常用的 0.45m 的混纤膜和 3m 的定量滤纸，选择了藻类含量不同的三种级别 的水体进行测定。 表 2-3 两种膜过滤水体后的膜前膜后 tn/tp 值的对比 table 2-3: two membrane filter water tn / tp values compared film and after film tn tp 不同级别的水体 不过膜 过 3m 过 0.45m 不过膜 过 3m 过 0.45m 贫 2.4 1.75 1.27 0.26 0.066 0.048 中 4.795 3.93 3.21 0.395 0.098 0.076 富 10.7 8.83 7.76 0.48 0.066 0.048 为选择两种膜哪种更为准确，选择了三种藻类生物量不同的水体，用两种膜进行 过滤，然后测定膜前膜后的 tn、tp 值，比较两种膜的差别，然后确定合适的膜。实 验数据见表 2-3 。 - 11 - 结合上表，我们可以看出两种膜是有很大差别的，过 3 微米的膜其数值明显高于 0.45 微米的膜的数值，这说明两者之间会有一些干扰颗粒，根据藻类的直径一般大于 3 微米，那么 0.45 微米的膜还滤去了水体中的颗粒物，得出的数据不是单纯的藻体的 数据，考虑到采用 0.45 的膜一般得借助抽滤，力度较大，会有藻细胞破碎，所以我 们选用 3 微米的定量滤纸，自然过滤（不借助外力） ，并且定量滤纸的吸附性不强， 不会吸附水体中的颗粒物。 2.4 实验测定指标及方法 2.4.1 仪器与试剂 仪器：光学显微镜（olympus bh-2） 、超净台（zhjh-1112） 、移液枪、移液管、酒 精灯、培养皿、灭菌锅（tomy ss-325） 、超声波仪、分光光度计、0.45 微米混纤膜、 慢速定量滤纸。 试剂：鲁哥试剂、氢氧化钠、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、硫酸、高锰酸钾、草酸 钠、酒石酸钾钠、酒石酸第氧钾、氨基磺酸、纳氏试剂等 2.4.2 测定指标与方法 实验测定的指标主要包括 tn、tp、srp 及氨氮、硝氮六种水质常见指标，同时 进行藻类计数， 水质测量采用的方法见表 2-4， 参照水和废水监测分析方法第四版13。 藻类计数使用 200l 移液枪移取 100l 藻体加入 0.1ml 浮游生物计数框，取三个平行 样，在光学显微镜下观察并计数。螺旋鱼腥藻记螺圈数，束丝藻按长度计数，然后换 算成单细胞个数，其他藻直接记单细胞个数。 表 2-4: 水体指标的测定方法 table 2-4: determination of water indicators 指标 方法 tn 碱性过硫酸钾消解法 tp 过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法 nh3-n 纳氏试剂光度法 no3-n 紫外分光光度法 srp 钼锑抗分光光度法 cod 高锰酸盐指数 2.4.3 藻源性内负荷 tn、tp、cod 的测定方法 实验中要得出藻源性内负荷的值，必须去掉藻类，然后测出滤液中水体的 tn、 tp、cod 的值，过滤时取大于 10ml 的藻液，将定量滤纸折叠后放入玻璃漏斗中， 将漏斗放于比色管中，过滤出 10ml 的滤液去测量。cod 所需藻液较多，采用 50ml 的比色管进行过滤，过滤两次，取藻液 100ml 进行测定。 2.5 实验设计 - 12 - 2.5.1 室内实验的设计 将生活污水饥培驯化后的