（环境科学专业论文）三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究.pdf

西南大学理学硕士学位论文 t h es t u d i e so nt h ee f f e c t so fs u s p e n d e d s a n do nt h ea l g a lg r o w t hi nt h ee u t r o p h i cw a t e r o ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r p o s t g r a d u a t e o f t h ee n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ：g o n gl i n g s u p e r v i s o ez h o n gc h e n - h u ad e n gc h u n - g u a n g a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o nw a sn a m e d e c o l o g i c a lc a n c e r u s l l a l l yi nw a t e r b o d y , f r o mw h i c h w ec o u l ds t h ed e a dh a r mo fe u t r o p h i c a t i o n b e c a u s eo ft h en e g l i g e n c eo f m a n a g e m e n t , i na d d i t i o n , t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a sd e s t r o y e dg r a d u a l l y al a r g e n u m b e ro fl a k e sa n dr i v e r sa l lo v f f ft h ew o r l dc a m ei n t oe u t r o p h i c a t i o n i ti n t i m i d a t e d n a t u r a lh a r m o n ya n dh u m a n sh e a l t h r h e l law a t e r b o d yg o ti n t ot h es t a t eo f e u t r o p h i c a , t h en u t r i t i o n a le l e m e n t sw e l ea b s o r b e db yh y d r o p h y t i cb i o l o g y t h e a e r o b i ca l g a ei n c r e a s e dr a p i d l y , a n dc r e a t e dd o m i n a n ts p e c i e si nw a t e r b o d y t h i si ss o c a l l e d w a t e rb l o o m o r a l g a lb l o o m t h e1 1 l 脱g o r g e sr e s e r v o i r ( t g r ) w a ss e a s o n - a d j u s t e da n db e l o n g st ot h em o d e o f r i v e r w a y , w h i c hh a st h ec h a r a c t e r so fr i v e ra n dr e s e r v o i r t h ew a t e r b o d yh a d c h a n g e dm a r k e d l yw h e nw a t e rs t o r a g e ，s oi tb r o u g h tt h eh i d d e nt r o u b l eo f w a t e r b l o o m i nt h et g r t h ea l g a ew e r ea f f e c t e db yt h ec o r e l a t i o n so f s e v e r a lf a c t o r s ，s u c h a sh y d r a u l i c s ，w e a t h e r s ot h ea l g a lg r o w t hw a sc o m p l e x a tp r e s e n t , p e o p l ep a i d m o r ea t t e n t i o n so nt h e s ea s p e c t sg r a d u a l l y , t h em e t h o d so nr e s e a r c h e sa n da n a l y s e s w l e l em a n i f o l d t h e r ea r ef e wr e s e a r c h e so nt h ei n f l u e n c e so ft h es u s p e n d e dm a t t e r so nt h ea l g a l g r o w t h , h o w e v e r , t h e i re f f e c t sw e t ei m p o r t a n ta n du n n e g l e c t e d w ec o u l dc o n c l u d e f r o mt h r e ea s p e c t sa sf o l l o w e d ：( 1 ) t h eo b s t r u c t i o nf o rl i g h te n t e r e di n t ow a t e r ；( 2 ) r e l e a s eo ra d s o r p t i o no fn u t r i t i o n a lm a t t e ri n w a t e r b o d y ；( 3 ) p r o v i d eb e t t e r e n v i r o n m e n tf o ra l # g r o w t ha sa a r r i e r w ec h o s et h es a n da st h es u s p e n d e dm a t t e rt o i v 西南大学理学硕士学位论文 s t u d yt h ee f f e c t so f t h e mo nt h ea l g a lg r o w t h i no r d e r t ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo f a l g a lg r o w t hf r o mn e wp o i n t s ，t h e np r o v i d en e w m e t h o d sr e s t r i c t i n gt h ea l g a lg r o w t h a n db a s i ci n f o r m a t i o n sc o n t r o l l i n gt h e w a t e rb l o o m ，as e r i e so fe x p e r i m e n tw e r e s t a r t e di nt h el a b a f t e rt h ei n d o o re x p e r i m e n t s ，w eo b v e r s e dt h ec h a n g e so f p ha n dd ov a l u ei nt h e g r o w t ho f a l g a ei nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r w ea l s os u m m a r i z e dt h ee f f e c to f l i g h t o nt h ea l g a e ，s t u d i e dt h e s ee f f e c t sf r o mp a r t i c l es i z e sa n dc o n c e n t r a t i o n so f s a n d , a n d a s s e m b l e daf u n c t i o nf r o mt h r e e a s p e c t s w eb r o u g h tf t od e n o t et h er e s t r i c t i o n , p u t f o r w a r dah a l f - r a t i o nat ob et h et h r e s h o l do ft h ea l g a lg r o w t h a n dt h ep a r a m e t e r s c o u l db ec a l l e dt h ec r i t i c a lp a r a m e t e r sw h e nf = a t h ec r i t i c a l p a r t i c l e ss i z e sa n d c o n c e n t r a t i o n sw e r e3 6 0 m g la n do 1 9 m mr e s p e c t i v e l yi no u re x p e r i m e n t an e w f o r m a tw a sg o tw h e nt h ef i m c t i o no fs u s p e n d e dm a t t e r sa d d e di nt h ef o r m e rm o d e lo f a l g a lg r o w t h i nt h el l e wf o r m a t , as e r i e so f p a r a m e t e r sw a su n d e c i d e d k e yw o r d s ：w a t e rb l o o m i nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , s u s p e n d e ds a n d ，a l g a l g r o w t h , r e s t r i c te f f e c t , c r i t i c a lp a r a m e t e r v 峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 独创性声明 学位论文题目：三蛙崖匡宣萱差毡盔焦生悬显涅迦 盟蘧差生篮燮喧鲍受壅 本人声明所呈交的学位论文足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，论文中刁i 包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。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：龚玲签字日期：2 0 0 6 年8 月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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 授权西南大学研究生院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，本论文：口 不保密，口保密期限 至年月止) 。 学位论文作者签名：龚玲 签字日期：2 0 0 6 年8 月1 8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：2 0 0 6 年8 月2 6 日 电话： 邮编： i i 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 1 引言 在人类正欣喜于自己改造自然、征服自然而创造了无数个奇迹，社会经济突飞猛进，人类生 活水平比过去有了翻天覆地变化的时候，自然正无声无息地向人们进行着不断的回击。由于在工 业化过程中，人类过度开发活动而引起全球富营养化现象频繁发生，给人们的健康带来了很大的 威胁。 从上个世纪6 0 年代起，全球出现海洋和淡水水体富营养化不断加剧之势【1 1 。水体富营养化 已成为人类普遍关注的水质污染问题，并积极进行研究。 维多利亚湖【2 】是全世界具有重要生态和经济价值的淡水资源之一。但目前由于自然与人类 活动的影响在汇水区和湖体本身发生了巨大的变化。藻类疯长，消耗了大量的溶解氧，鱼类大规 模死亡，区域性鱼类的衰减，其他生物种群组分的改变，对人类健康产生巨大威胁。t z o h a r y 3 等测得夏威夷群岛的a g m o n 湖呈现富营养到重富营养程度。希腊的p a m v o t i s 4 湖过去 4 0 年的营养积累已经达到富营养化水平，藻类疯长。日本琵琶湖是日本最大的湖泊，也是日本 近畿地区的主要饮用水源。上世纪五六十年代日本经济高速发展，污水排入琵琶湖，导致富营养 化，严重威胁着当地人民的身体健康。1 9 9 1 1 9 9 3 年，澳大利亚新南威尔士州由于水体富营养 化共发生1 6 2 次“水华”。 中国五大淡水湖水体中的营养盐均大大超过氮磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度高达l o 倍以上，目前太湖和巢湖已进入富营养化状态，部分水体已达严重富营养化水平。其他三湖只要 某些条件一出现，水体的富营养化的现象就会显露出来。城市湖泊由于地处城区，被街区包围， 大量城市废水入湖，造成水体严重富营养化。中型湖泊的氮磷己接近或超过富营养化发生浓度， 同时这些湖泊水体滞留时间较长，水体浅，所以大部分湖泊己进入富营养化状态，部分水体已达 严重富营养化水平，如滇池、洱海等【5 】。 以上各例使人们对富营养化的危害有了深刻了解，各国纷纷通过各种角度和方法展开研究， 以期有效的减轻其造成的危害。 1 1 文献综述 1 1 1 水体富营养化及其危害 水体富营养化【e u t r o p h i c a t i o n ，虽是一个自然过程，但人为干扰会加速这个过程。在人类 活动的影响下，生物所需的氮和磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，水体毒素化，鱼类及其他生物大量 死亡。 水体富营养化是湖泊、水库的主要环境问题【6 ，7 】，被人形象地称为“生态癌”【8 】，它的 存在已经严重妨碍了这些水体作为资源的利用，造成了环境和经济的重大损失。其危害主要表 现在以下几方面：( 1 ) 散发出腥味异臭：在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些 藻类能够散发出腥味异臭。藻类散发出的这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响人们的 正常生活，给人不舒适的感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水体质量。 ( 2 ) 降低水体的透明度：在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻 浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”，使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养严重的水 体透明度仅有o 2 米，湖水感官性状大大下降。( 3 ) 影响水体的溶解氧：富营养水体的表层， 藻类可以获得充足的阳光，从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气，因此表层 水体有充足的溶解氧。但是，表层的密集藻类使阳光难以透射至水体深层，而且阳光在穿射过 程中因被藻类吸收而衰减，深层水体的光合作用受到限制，使溶解氧来源减少。藻类死亡后不 断向底部沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，严重时可能使深层水体的 溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。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。( 4 ) 向 水体释放有毒物质：某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜 饮入体内，可引起牲畜肠胃道疾病。研究表明，2 0 0 0 多种蓝绿藻中有4 0 余种可产生毒素，主 要产毒藻有微囊藻、鱼腥藻、颤藻及束丝藻【9 ，l o 】。不同的藻株可能产生相同的毒素，而同一 藻株也可产生多种不同的毒素【l i 】，产生的毒素包括：多肽肝毒素、生物碱类神经毒素、脂多糖 内毒素、叶碟呤类毒素等，其中又以微囊藻肝毒素 m i c r o c y s t i n ，m c 最为常见 1 2 1 。在适宜的 环境条件下，蓝绿藻在水中容易形成水华，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康 1 3 1 5 】，水中蓝绿藻毒素与肝癌的关系尤其受到关注。目前，在西方国家，富营养水体已经被禁止 作为饮用水源。( 5 ) 对水生生态的影响：在正常情况下，水体中各种生物都处于相对平衡的状 态。但是，一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，正常的生态平衡就会被扰乱，某些种类的 生物明显减少，而另外一些生物种类显著增加，物种丰富度显著减少。这种生物种类演替会导 致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏其生态平衡。( 6 ) 影响水产养殖：由于藻类的大量繁 殖，引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临窒息死亡的威胁。南京玄武湖就曾发生过藻类疯长， 鱼类因缺氧而大量死亡的事故。同时一些资料表明，在富营养化的水体中，水生生物的群落、 2 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 种类结构发生变化，一些耐污种的个体数猛增，相反，一些非耐污种数量减少甚至消失，一些 优质鱼类等经济水产种类也会大量减少甚至消失，而低劣种类会有所增加，使得水产养殖的经 济效益大幅度下降。( 7 ) 影响旅游和航运：水体一旦发生富营养化，藻类大量繁殖，水体透明 度下降，水质浑浊，水面藻类聚集，臭味弥漫，严重影响了湖库的旅游观光，甚至丧失旅游价 值。此外，富营养化水体中生长的大量浮游生物，还会堵塞航道，影响航运。 1 1 2 。水华”形成及研究成果 “水华”又称“水花”或“藻花”，英文名：“w a t e rb l o o m ”。“p l a n k t o nb l o o m ”或“a l g a l b l o o m ”，国外常将有害藻“水华”称之为“h a b ”( h a r m f u la l g a lb l o o m s ) 。一般认为，当水 体处于富营养状态时，只要具备适当的温度、光照、风浪等有利于藻类滋生的气象、水文等自 然地理条件，“水华”就产生了。在淡水中可能产生“水华”的种类有蓝藻门的微囊藻属、鱼 腥藻属、束丝藻属、胶刺藻属等，除此之外，还有绿藻门和硅藻门的一些种类。不同藻类形成 “水华”的颜色因藻种不同而不尽相同，主要的颜色有绿色、红色和褐色等。 藻的种类和数量分布具有明显的区域性和季节性【16 】，这是因为水体中浮游藻类组成与水体 理化性质有密切关系，不同藻类所适应的水体理化性质不同，如嗜暖性藻种喜好水温较高的水 体，耐酸性种喜好p h 值较低的水体等等，故而随着外界条件的不同，发生“水华”的藻种就 不同【1 7 】。 “水华”的过程和机理目前还不明确。多数专家认为“水华”是藻类短时间的大量繁殖和生 长，并把“水华”的发生过程分为潜伏期( 开始快速繁殖) 、高峰期( 数量达到高峰) 和消散 期( 数量显著下降) ；最近中科院有关专家提出蓝藻“水华”的爆发只是藻类在一定时间内飘 浮与积聚，即因空间位置改变而造成的表观现象，而不是生物量的巨变 1 9 】。 藻类本为水体中普遍存在的生物，是水生生态构成不可缺少的一环，但过量的藻类生长则 会产生危害【1 9 】。藻类释放的毒性和其他负面影响并不限于单一藻类之间，而是在多种相互联 系的生物之间传播。不同藻类的生态需求和藻类生长的动力学也不同；相同条件下，不同藻类 生长率不同，而且有的藻类有毒【2 0 。“水华”多产生于夏季，尤其是蓝藻“水华”。春末夏 初之时，随着天气转暖、水温升高、风浪加大等因素，沉积于水体底泥中的营养盐和底泥表面 的藻休眠体开始上浮进入水体。由于水文和气象的优越条件，此时藻类生长的决定因子是营养 物质，当水体具有充足的营养物质时，藻类就会快速生长繁殖并最终导致“水华”产生。但这 种“水华”的产生往往取决于藻类自然生长的过程，它的形成往往比较缓慢，有时可能需要几 个月的时间。当营养物质不足时，藻类的增殖会受到遏制，“水华”一般不能形成。但某些特 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 殊的条件下还是可能出现，如当水体流速比较缓慢时，风浪有可能将不同区域低密度的藻类聚 集起来而形成，漂浮聚集作用造成“水华”。这种过程进行得极快，有可能在几天甚至几小时 之内发生，但也比较容易消失。三峡库区蓄水后，长江支流大宁河等在回水段附近水面出现的 轻微“水华”现象便可能是上述原因造成的。然而大多数情况下，“水华”是藻类自身生长和 各种外界条件共同作用的结果，这就使“水华”的产生过程显得极为复杂。 国内外很多研究“水华”的文献，但多数针对海藻【2 1 。l e i f 2 2 等在1 9 9 2 1 9 9 4 年观测 了瑞典西海岸的浅滩中生命周期较短的巨藻分布及生长动力学，发现优势藻为c l a d o p h o e a 和 e n t e r o m o r p h a ，在5 月中旬增长率变大，6 周后达到峰值。s o n j a 2 3 1 等发现波罗的海由于富营养 化问题每年都形成丝状藻“水华”，并探讨了其中海深、底泥和食草动物对丝状藻生长的影响 ，浮游藻脱附底泥的性质有助于预测他们对水体的破坏程度。h t a s u e h 2 4 1 等发现碱溶液中 c 0 2 迁移转换加快，有利于h a b 藻类生长，且k o h 溶液较铵溶液效果更好，因为前者减少了 很多羧基化反应的副产物的出现。j o h n 2 5 等根据湖泊富营养化的演替过程研究河流，发现水 流滞留时间的长短控制着藻类的生长：时间长的可当作湖泊分析，优势藻从大型水草变为浮游 藻类；而时问短的则由水草变成沉入河底的丝状藻。其中光照和水力负荷是制约因素，藻类的 传播速率大于其生长时间，所以藻类不可能增殖到很高水平。在大而深的河流中水体滞留时间 长，巨藻和附着藻占优势。l r i n a 2 6 等研究了藻体内油脂及其新陈代谢。s a k a e 2 7 等分析了日 本泻湖中海洋冰期环境的适当改变对其中冰藻生物量和光合作用的影响，观测了藻类从开始生 长、达到峰值、逐渐消退、稳定一个周期交替过程中气温、光照和c h l a 浓度的变化情况。 r i c h a r d 2 8 等在1 9 9 5 年4 月到1 9 9 7 年7 月间测量了英国特伦特及其支流中浮游植物c h l a 浓度 的变化：春季浓度沿着河流水流方向逐渐增大，净增长率每千米0 0 0 4 0 0 4 4 ，加入流速进行 计算相当于每天生长率为0 0 4 0 5 7 。干流中c h l a 浓度在季节更替过程中也存在很大差异，可 以从物理、化学和生物等多种因素的影响分别讨论。 1 1 3 水华控制措施 湖泊、水库水域中，藻类等生产性有机体( 除藻类之外，还有一些光能和化学能微生物， 有色原生动物等) 利用太阳能和化学能，把简单的无机物合成为复杂的有机物的生物过程，可 概括地用下式来表达： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 ；+ h p 0 4 + 1 2 2 2 0 + 1 8 h + + 微量元素+ 能量- c 1 0 6 日d 1 1 0 n 1 6 p + 1 3 8 0 2t 上式表明：每增加1 克藻类，大约需要消耗p0 0 0 9 克，0 0 6 3 克n ，0 。0 7 4 克h ，0 3 5 8 克 c 和0 4 9 6 克0 。在通常情况下，自然界水体中c 、h 、o 等元素的来源较为丰富，一般均能满 4 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 足水体中藻类生长的需要。而n 、p 营养盐的多寡，往往成为水体中藻类能否大量增殖的限制 因子 2 9 1 。 上式可以看出藻类生长受到很多因素交错复杂的影响，而气候条件( 光照、温度等) 和水 文条件等自然因素都很难控制。防治措施主要集中在防止人类各种不合理的干扰，减少和切断 营养盐来源和通道，并主动采取各种生态协调技术等方面。 富营养化了的水体，生源物质累积与循环失调，水化学特性发生变化，同时初级生产力大 大失去稳定关系，藻类大量爆发形成“水华”。针对“水华”，可以从以下几方面加以控制。 a 营养盐水平控制 普遍认为，如果减少或者截断外界输入的营养物，就基本使藻类失去了营养物质的来源。 监测排入水体的废水和污水中的氮磷浓度，控制人为污染源。但由于我国营养盐来源比较广， 短时间内难以控制。水污染处理我国只以有机污染指标c o d m 。和b o d 5 去除效果作为水质处理 效果的评价指标，甚至有些地方由于经济的落后，以上指标不合格就进行排放。王国祥【3 0 】等 就曾指出南京玄武湖完成了西家大塘的截污工程后，尽管库区水体氮磷有所下降，但叶绿素a 反呈上升趋势。说明单纯依靠这种方法无法有效控制“水华”。 另有一种关于藻类营养的观点，就是沉积物中营养盐的内负荷的存在成为“水华”主导因 子。内营养的问题首先由国外学者提出【3 1 1 ，之后对内源释放的研究迅速发展 3 2 - 4 0 1 ，内源释 放受动力条件影响很大。疏浚可去除底部表面有机碎屑，但无法除去水体中悬浮的有机碎屑， 也就无法有效控制富营养化。大规模疏浚可能产生负面效应，使原有的沉水植物和底栖动物大 量毁灭，生态系统遭到破坏，同时水深增加，还将增加水体滞留时间，给浮游植物生长繁殖带 来有利条件 4 1 ，4 2 1 。 b 水化学指标控制 根据“水华”爆发的最佳酸碱度范围，严格控制水体中的p u 值不在此范围之内，使“水 华”藻类生长受到限制；对营养程度高的水体，有机质降解是导致水体溶解氧跌落的主要过程 上层的气体交换和浮游植物的光合作用为上层水体提供了溶解氧，而底层接近沉积物表面有 机质的矿化降解消耗大量水体中溶解氧。在气候温和的西南地区具有较大水深的水库，尽管河 流补给可能较大，仍可以在夏季出现一定的水体温度分层结构，并导致显著的溶解氧分层，进 而影响水库水环境条件。因此，有效控制水体中的溶解氧浓度也是防止“水华”爆发的一项措 施。 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 荷- , z - - 5 0 在n a a r d e r m e e r 自然保护区对富营养化的湖泊供给不含磷酸盐的水来降低外来营养 负荷的办法有效地控制了富营养化。澳大利亚 5 1 1 新南威尔士州采用调节河流水量、机械搅动， 曝气和虹吸作用增加水体的流动性，并利用杀藻剂和除藻剂( 如明矶和石膏) 抑制“水华”的发 生，取得较好效果。日本 5 2 1 研制了一种人工布帘来控制藻类生长，将两条布帘垂直固定在水体 中，阻止水流携带的大量营养再输入下游，布帘高度恰为表层水的深度。该方法经证实能够抑 制藻类的生长，适用于封闭的湖库系统。r e n a t a 5 3 1 对7 种藻类的毒性敏感性做了对比分析，选 用3 种金属化合物( k 2 c r 2 q 、c u s 0 4 5 h 2 0 和z n s 0 4 ) 和3 种合成除草剂作为抑制率实验试剂。 m d f e r r i e r 5 4 等用大麦杆汁抑制淡水藻类的生长，选取了1 2 种进行实验研究，发现只有 s y m o ap e t e r s e n i i , d i n o b y r o ns p 和m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a 受到抑制，s e l e n a s t r u mc a p r i c o r m u t u m ， s p i r o g y r as p ，o s c i l l a t o r i al u t e av a t c o n t o r t a 和n a v i c u l as p 反而增强，u o t h r i xf i m b r i a t a ， s c e n e d e s m u sq u a d r i c a u d a ，c h l o r e l l av u l g a r i s , a n a b a e n a f l o s - a q u a e 和s y n e d r as p 没有显著变化。 在6 个实验池种，4 个种植了大麦，观测其中藻类一个生长周期的e h l a 浓度变化。仲夏时当所有 池中浮游藻数量均减少，在加与不加大麦的实验池中生物量无显著差异，说明大麦在此控制系 统中未起作用。 c 水动力学控制 水坝对河流水量的拦截调蓄，极大改变了河流原有的自然过程，包括水量、水动力、水化 学、水生生物、物质地球化学循环等重要过程。河流筑坝拦截后，水动力强度降低，河流“急 流生态环境”逐渐向湖泊的“静水环境”方向演化；水库水深的大幅增加，使水环境可能发生 类似天然湖泊的“湖沼学反应”。但是水库在水文过程( 人为调蓄) 、水体滞留时间、来水方 式( 异重流影响) 等方面与自然湖泊有较大差异，因此水库内的“湖沼学反应”可能又具有自 身的特殊性；也由于人为扰动的差异，水库过程可能在很大范围内变化。从目前情况看，尽管 筑坝拦截的“河流水库化”对陆地水文系统的影响如此广泛，但是对水库“湖沼学过程”的研 究在深度和广度上仍然十分不足，限制了我们对“水库一河流一流域”系统一些重要生态环境 演化问题的深入理解。 d 生态修复 生态修复是从溶解氧控制、鱼类群落控制、湖滨带生态控制等方面恢复一个功能良好的生 态系统，常见的有陆生生态修复、湖滨带生态修复和沉水植物修复。对于湖滨带生态修复技术 ，应首先了解地形地貌与类型，搞清生态系统与演变规律，然后因地制宜的选择局部水体水质 改善、湖滨区物理基底修复、植物优化配置修复、湖滨消浪技术( 水上或水下) 、多自然型植 6 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 被净化技术等措施。其次是入湖河流生态修复技术，有自然型河床曝气技术、河流湿地净化技 术、洱海生态堤岸修复技术等。再次是小湖水质改善与生态修复技术，有土壤净化槽生活污水 处理技术、生态混凝土技术、水库水华藻类控制技术等，董苑湖推流曝气工程就属此类。陆开 宏等利用明矾浆和鱼类控制桥墩水库蓝藻水华 4 3 】。高等水生植物的恢复作为浅水湖泊水华防 治的一种生物治理技术和有效途径，很多报道在此方面有了良好效果 4 4 4 9 。 1 1 4 。水华”模型简介 自从人们认识“水华”以来，开始设法建立数学模型来管理和认识。通过对其中主要表征 要素的变化态势进行模拟预测，综合分析“水华”的发展及其与主要影响因子之间的关系，有 针对性的对影响因子进行控制和调整，最终达到防治“水华”的目的。水环境中污染物浓度的 预测是不可缺少的基础工作。根据研究需要人们多采用物理模型和数学模型的综合技术来模拟 水质变化的规律。物理模型要涉及到数学模型的应用，数学模型的建立和参数识别往往也要用 到物理模型或现场实测的结果。数学模型的好坏取决于模型是否与河流的实际情况相符合。也 就是说在数学模型中变量是否反映了污染物在河流中的变化行为。 研究。水华”的模型比较多，按照模型的推导方式有经验模型、理论模型和半经验模型。 理论模型是把河流系统中所包含的现象过程，根据物理、化学和生物学各种定律，以及污染物 迁移转化原理，按照数学知识和边界条件而推演出来的数学方程。经验模型不考系统内部的现 象过程，而直接按系统的排污和水质实测数据，通过统计回归建立起定量关系。由于环境系统 的复杂性，要完全弄清楚水中污染物的物理、化学和生物转化过程是不太现实的。因此目前用 得较多的既不是理论模型也不是经验模型，而是采用一种介于两者之间的半经验模型。半经验 模型是对理论模型按实用目的作了各种简化和近似，并引入某种实测数据经统计得到的经验式 合并而成。也就是说，要用模型来预测河流的富营养化状态或程度，必须根据问题的需要，污 染物排入江河的形式以及污染物在河流内的变化过程建立或者选用合适的数学方程，只有当这 个方程反映了河流水质系统的基本问题和基本特性，预测结果才具有足够的可靠性。 j l z r g e n s e n 为丹麦g l u m s o 湖建立了一个非常典型的严重富营养化浅湖生态模型 5 5 1 。该模 型有1 7 个状态变量，描述了整个食物链内的营养物( n 、p 、c 、s i ) 循环，同时还考虑了藻类细 胞内的营养物。该模型已经用于2 5 个不同的实验研究中，包括1 3 个丹麦湖泊。n y h o l m 5 6 建 立了用于浅水湖泊的l a v s o e 生态模型，对水藻生长、透明度和两种营养物( n 、p ) 循环进行季节 描述，模型考虑了细胞内营养物的内部变化，并将特定的生长速率描述为细胞间营养物水平的 函数。y o s h i h i r o 5 7 等对加拿大北极的冰藻聚体在低光照条件下的光合及呼吸作用进行为期1 个 7 峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 月的观测，计算了藻类各阶段的生物量及生长率，并用数学模型进行推论。同时发现在晚春和 夏季藻类虽然维持在较大的生物量水平，但其光合作用仍为正值。eo u a r t e 5 8 等提出了将光函 数与温度函数结合的一种藻类生产力模型，并将不同环境下的生产力数值带入验证。其中，以 生产力一光强作图的曲线斜率与温度有关，但最佳光强却与温度无关。j o r d i 5 9 等运用植物相 克的概念于海藻上，将两种单细胞藻混合培养，建立起有关藻类数量动力学模型，将此实验数 据用一种简单的l o t k a - v o i t e r r a 模型并加以分析。a r t u r o 6 0 提出模拟光散射的方法用于藻聚体 ，经验模型基于均匀的球形颗粒，藻聚体则由外附着的非球形藻类单体结合而成，其散射系数 低于后向散射的反射系数，故要用折算指数和后向散射修正。经过实验推断出结合分层球体几 何学和a d e n k e r k e r 理论，甚至推测后向散射系数等与形状密切联系的参数。2 0 0 0 年s w a n 河 发生历时3 周的大规模降雨，河口回水区发生单一藻属微囊藻“水华”，峰值据称达到1 0 0 0 0 0 个m l 。b - j r o b s o n 6 1 等用一种三维水动力学一生态模型e l c o m c a e d y m ，表征藻类生长 与衰亡的过程。盐度和温度是控制此次“水华”的主要因素，并描述了该模型如何体现物理与 生物地化环境因素的复杂作用，暗示了该模型可作为预测管理工具。m d y a n g 6 2 1 等从营养链 观点入手，在浅的河流重建立了一种包括所有营养物种相互作用的营养动力学模型。藻类、昆 虫和鱼类三者之间依靠生长、呼吸和掠食维持平衡，其中掠食最主要。 1 1 5 泥沙研究概况 湖泊的沉积物粒径分为粘粒( 1 0 m ) 。不同粒径 的沉积物因为不同的比表面积和直径而具有不同的特征，较细的粘粒和粉砂粒对污染物有较强 的吸附能力，同时也有较强的再悬浮能力。所以较细的粘粒和粉砂粒占比例较高的沉积物的污 染程度一般较高。由于泥沙颗粒具有巨大的比表面积，而其表面存在多种活性位置，因此对水 体中的离子有强烈的结合能力，成为他们在水体中进行扩散和迁移的主要载体，决定它们的去 向和归宿。同时在泥沙颗粒的表面还可能发生多种反应和转换，很大程度上影响水体的质量状 况。水体中泥沙颗粒与溶解物质的相互作用实际上是溶质在液一固两相问的分配，通常称为吸 附过程。泥沙颗粒与污染物之间的相互作用主要发生在颗粒表面。天然水体中的吸附过程与泥 沙的表面特征密切相关。 藻类进行光合作用需要一定的光能，才能生长繁殖。在水体中悬浮泥沙的存在，必定阻挡 进入水体的部分光强，从而抑制藻类生长。泥沙对藻类的影响是多方面综合的结果，虽然人们 对泥沙的研究已有很长的历史，但是很多都是针对泥沙的水文水力学。 3 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 波浪对泥沙运动有重要影响，由于水体中波浪的运动存在流速和压力的周期性变化，使泥 沙颗粒的惯性作用相对显著，其运动不仅依赖于水流运动的状态，更重要的与其运动的过程有 关。泥沙对营养盐、重金属等的吸附、携带、解吸作用可以改变浮游生物的生长环境【6 3 】。大 多数细颗粒泥沙表面带有负电荷，它们表面吸附异电离子而形成双电层。粘性细颗粒泥沙区别 于粗颗粒泥沙的最大特点是：随着粒径减小，颗粒间粘结力的相对作用显著增大，甚至超过重 力的影响，成为抗拒水流剪切的汉宾力的主要因素。对粘结力的认识成为粘性细颗粒泥沙起动 研究的关键。 针对泥沙在水体中的运动形式、迁移轨迹等方面也有大量研究。大部分河道下泄的固体颗 粒是悬移质。其运动的研究主要有扩散理论体系和重力理论体系，前者较符合我国河流的实际 情况。陈建华【6 4 】从挟沙水流的运动特征出发，分析得到泥沙在均匀水体中的扩散是以床面为 连续面源的向上一维连续扩散，服从费克第二定理。王圣瑞【6 5 】等研究了不同营养水平的沉积 物在不同p h 下对磷酸盐的等温吸附特征，发现在酸性或碱性条件下吸附量都减小，接近中性 时最大。污染严重的沉积物对磷酸盐吸附程度受p h 影响比污染轻的大。m o o 6 6 等从理论上分 析了藻类随着泥沙的迁移运动，弄清了泥沙传输途径，并针对泥沙与藻细胞的碰撞效果进行了 系列实验，得出粒径藻细胞的比值和( 电位是最大的制约传输过程的因素。泥沙粒径和藻细胞 大小相近时，迁移率最大。虽然该结论在海水中很适用，但由于离子强度因素在湖水中不符合 。张志忠 6 7 1 、陈邦林【6 8 】等用电化学理论对长江口泥沙絮凝机理进行分析，在内河由于粒子间 静电斥力阻碍粒子间接近和絮凝，使其能稳定存在；相反在河口则易发生絮凝现象。根据多年 河口海岸野外观测资料的分析成果，粒径小于0 0 3 m m 的泥沙具有明显絮凝现象 6 9 】。关许为 【7 0 1 等通过对不同粒径范围泥沙沉降规律分析证实长江口泥沙絮凝临界粒径约为0 0 3 m m ，对粒 径小于0 0 1 6 m m 的泥沙较为明显，大于0 0 3 m m 后则不明显。梁志勇1 7 1 1 等分析了黄河干支流泥 沙粒径与含沙量的不同资料，提出较大含沙量情况下泥沙粒径与含沙量的统计关系，并讨论了 推导出的关系式。黄岁梁【7 2 】等从吸附动力学方程和质量守恒方程出发，导出重金属离子的泥沙 平衡吸附量和水相平衡浓度随泥沙吸附特征、水相初始浓度和泥沙浓度变化的计算公式。练继 建 7 3 1 等从水流和淤泥质床面的相互作用的动态角度探讨粘性泥沙悬扬机理。 还有一些针对水体中底泥的研究。付春平【7 4 】等通过对三峡库区底泥总氮、总磷( t n 、t p ) 释 放特性进行研究，分析了p h 对三峡库区底泥t n 、t p 释放的影响及其原因，结果表明水溶液的 p h 在3 9 8 1 1 0 5 范围内，t n 、t p 在3 d 内最大释放量达到最大值，p h 在1 1 0 5 1 1 9 4 范围内 ，t n3 d 内最大释放量达到最大值，而t pl d 内最大释放量就达到最大值；p h 越低t n 的最大释 9 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 放量越大，p h 在3 9 8 1 0 0 7 范围内，t p 的最大释放量基本相同，p h 在1 0 0 7 1 1 9 4 范围内， t p 的最大释放量急剧增加。 1 2 本研究的目的与意义 三峡水库是季调节河道型水库，同时兼有着河流与水库的共同特点。在枯水期，其水流流 速缓慢，推流作用变小，呈现水库特性；在洪水期，流速加大，紊动扩散增强，部分水域恢复 天然河流的特性。在水库的支流河段，随着三峡水库调度引起的坝前水位的升高和下降，各水 期的水库回水线也有很大变化。三峡库区次级河流已有大量“水华”爆发的报道，今后干流是 否有可能发生无法断定。综合现在的实际情况，控制水体爆发“水华”迫在眉睫。人们对此的 关注日益增强，从各个方面展开了研究。针对藻类生长的影响因素也已有很多文献报道，但很 少涉及水体中悬浮物对藻类生长影响的。它们能产生抑制作用勿庸置疑，只是其中的作用机理 还不清楚。本实验以此为目的，以泥沙作为悬浮物构成，研究泥沙从不同方面对藻类生长作用 的影响。将实验结论作为三峡库区水体藻类生长的基础资料，为库区“水华”研究和管理提供 一些参考价值。 2 研究区域概况 2 1 研究区域自然环境 2 1 1 三峡库区概况 长江三峡水利枢纽工程是一项举世瞩目的宏伟工程，具有防洪、发电、供水和改善航运交 通的巨大综合效益，它的建成将极大地推进中国经济的发展 7 5 1 。但是，水库的建成蓄水也和 其它水库一样必将对库区的生态环境带来深远的影响。国务院三峡工程生态与环境专题论证专 家组对此作了高度概括：有利影响主要在中游，不利影响主要在库区。重庆库段占三峡库区范 围的8 5 ，生态环境受到的不利影响很大【7 6 】。三峡水库地理位置为东经1 0 6 。l l r 5 0 ，北纬 2 9 。1 6 7 3 r 2 57 之间，东起湖北省宜昌，西迄重庆江津市。三峡水库涉及湖北省宜昌、秭归、兴 山、巴东，重庆市巫山、巫溪、奉节、云阳、开县、万州区、忠县、石柱、丰都、涪陵区、武 隆、长寿区、渝北区、巴南区、以及重庆市主城七区、江津市共2 5 个( 市、区) 。库区幅员面 积5 7 9 k m 2 。三峡库区属湿润亚热带季风气候，具有冬暖春早，夏热伏旱，秋雨连绵，湿度大 和云雾多、风力小等特征。年平均气温1 7 1 9 ，无霜期3 0 0 3 4 0 天，年平均降雨量1 1 4 0 1 2 0 0 r a m ，地区分布相对均匀，4 1 0 月降水量占全年8 0 以上，5 9 月常有暴雨出现，形成三 峡区间洪水，但7 8 月也常有伏旱发生。库区土壤共有7 个土类1 6 个亚类。主要土壤类型有 1 0 三峡库区富营养化水体中悬浮泥沙对藻类生长影响的研究 黄壤、山地黄棕壤、山地棕壤、紫色土、石灰土、潮土和水稻土。在土壤类型中，紫色土占土 地总面积4 7 8 ，富含磷钾元素，松软易耕，适宜多种作物，目前是库区重要柑桔产区；石灰 土占3 4 1 ，低山丘陵有