（农业资源利用专业论文）三峡库区水体中营养盐与浮游生物量分布特征.pdf

西南农业大学博士学位论文 摘要 水体富营养化是普遍存在的生态问题 三峡水库于2 0 0 3 年6 片正式蓄水 坝前水位保持 在1 3 5 m 成库后 水体由河流变为典型的河道型水库 过水断面增大 在上游流量不变情 况下 流速自库尾至坝前逐渐减缓 当1 7 5 m 蓄水时 流速由2 m s 降至o 2 5 4 5 m s 水流对 污染物的输移扩散能力下降 在同样的排污方式 相同的排污负荷下污染混合区必将加大 成库后 水流速度减缓 大量泥沙沉积 水质变清 透明度增高 冬季水温升高 雾日减少 水面日照时间增加 有利于水生植物特别是藻类的光合作用 导致藻类的生长繁殖 增加了 三峡库区水体发生富营养化的可能性 由于水文条件的改变 水生生态系统结构 功能必然 受到一定程度的影响 三峡成库后 尚未见对水库蓄水后富营养化状况的相关报道 三峡水 库1 3 5 m 蓄水后 部分次级河流的回水区已经出现水体富营养化现象 表明水体流速减缓后 容易导致水体富营养化的发生 水库初期蓄水至1 3 5 m 后 营养盐含量 分布规律和浮游生 物变化对预测1 7 5 m 蓄水后水生生态变化具有重要借鉴意义 因此 分析三峡水库成库初期 营养元素和生物量的分布特征对于深入研究三峡水库成库过程中营养盐动态变化及其与浮游 生物的消长的关联规律 预测库区水体富营养化的发展趋势 保护库区水质具有重要理论和 实践意义 本文采用实地采样分析的方法 通过对三峡库区1 6 条主要次级河流和3 5 座大中型水库 富营养化研究 从大量数据中得到营养盐与叶绿紊a 含量的关系 预测了1 7 5 m 蓄水时 三 峡水库干流 主要次级河流河1 2 1 叶绿素a 含量状况 利用河道富营养化q u a l 2 e 模型 预测 了乌江1 7 5 m 蓄水后营养盐与叶绿素a 沿程分布特征 在此基础上 于2 0 0 4 年1 月 2 0 0 4 年 1 2 月 通过对三峡水库营养盐及有机物的大量监测分析 得到营养盐 有机物和叶绿素a 的 分布特征 三峡水库成库后 沿水库水流方向从上游朱沱至下游巫山 营养盐和有机物 除b o d 外 在水平分布上无明显差异 上游区 朱沱 寸滩 和回水变动区 涪陵 营养盐及有机 物垂直分布上也无明显差异 但通过对水库区 万州 多层次采样分析 b o d 垂直分布有显 著差异 三峡水库氮 磷浓度含量高 不同形态氮含量分别为 n h 3 n 浓度范围在 o 1 2 0 1 7 m g l n 0 2 一n 含量变动范围在0 0 1 8 0 0 3 6 r a g l n 0 3 n 浓度范围在1 1 9 1 4 2 m g l t n 变动范围在1 6 0 1 8 2 m g l t p 含量范围在o 1 1 o 1 5 m g 1 c o d 变动范围在2 6 4 0 m g l 之间 b o d 变动范围在o 8 0 1 2 8 m g l 总氮 总磷浓度值均超过水体发生富营养化的限制 值 总氮 总磷比值在适宜藻类生长比值的范围内 通过对所有测点聚类分析结果表明 三 峡水库营养盐 有机物有明显地域分布特征 即上游区和回水变动区相似 而与水库区有差 别 通过对不同蓄水期三峡水库入口处营养盐浓度及流量的监测 假设上游营养盐捧放保持 现状 预测了不同蓄水阶段上游来水的营养盐输入状况 其中 1 3 5 m 蓄水 上游来水t n 年 摘要 输入为7 8 8 0 1 0 吨 t p 年输入为8 9 0 8 8 吨 1 5 6 m 蓄水 上游来水t n 年输入负荷为6 9 6 6 3 0 吨 t p 年输入负荷为8 3 1 9 9 吨 1 7 5 m 蓄水 上游来水t n 年输入负荷为4 0 3 9 2 0 吨 t p 年 输入负荷为5 7 3 0 6 吨 2 0 0 4 年全年 水库干流叶绿素a 含量较低 范围为o 5 0 3 8 l m g m 3 叶绿素a 含量除个 别数据达到中营养水平外 绝大多数为贫营养水平 受水库蓄水影响的火宁河叶绿素a 含量 高 范围为7 5 3 2 7 3 m g m 3 绝大部分达到富营养化水平 本次调查发现三峡库区水体浮游 类植物共有8 门 4 3 科 9 9 属 3 0 1 种 含变种 种类组成以硅藻和绿藻种数最多 两者 之和达到约7 6 1 浮游动物由3 门 5 纲 1 6 目 3 5 科 7 6 属 1 0 6 种组成 通过浮游动 物 浮游植物两种不同生物评价方法进行评价 评价结果较为一致 既各测点水体受到轻微 污染 从1 6 条主要次级河流叶绿素a 浓度来看 3 9 个监测断面有1 2 个达到富营养化程度 次 级河流中 总磷浓度和透明度与叶绿素a 的相关性较差 乌江发生水体富营养化期间 叶绿 素a 变化范围为i1 1 2 9 6 p g l 参照o e c d 湖泊营养状态划分标准评价 各江段均属于富 营养型 3 5 座大中型水库中 达到富营养化状态的占6 2 9 其中达到重度富营养的水库有 5 座 占1 4 3 中度富营养的有1 0 座 占2 8 6 轻度富营养的有7 座 占2 0 中 营养的有1 2 座 占3 4 3 贫营养的水库l 座 占2 9 可见藿庆市的大中型水库富营 养化较次级河流严重 在3 5 座大中型水库中 叶绿素a 与营养盐总磷之间的相关关系十分显 著 次级河流 水库的叶绿素a 与营养盐相关性差异主要原因在于水流条件的差异 各大中型水库都分别是不同次级河流的一部分 水体具有大致相同的营养盐水平 光照 条件 三峡水库1 7 5 m 蓄水时 次级河流回水区段水流速度大大变缓 具有与水库相似的水 流条件 因此 通过对3 5 座大中型水库研究结果 即叶绿素a 与t p 关系 预测了水库干流 和次级河流河口回水区叶绿素a 浓度 并对比1 3 5 m 叶绿素a 变化的研究结果表明 由于受 水体流速和深度等条件的影响 水库干流不易发生大面积富营养化现象 次级河流河口发生 富营养化的可能性极大 调查的4 0 条次级河流河口叶绿素a 浓度 其中3 7 条将有可能达到 富营养化水平 通过对乌江富营养化q u a l 2 e 模型预测结果表明 1 7 5 m 成库后 保持营养 盐排放现状 乌江河口叶绿素a 浓度将达到富营养化水平 关键词 三峡水库 营养盐 叶绿素a 富营养化 a b s t r a c t a q u a t i ce u t r o p h i c a t i o ni sap r e v a l e n te c o l o g i c a lp r o b l e m t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r s t a r t e d w a t e rs t o r a g ei nj u n e2 0 0 3 a n dw a t e rl e v e lo ft h ed a mf l u c t u a t e da r o u n d1 3 5m e t e r s s i n c et h e n p a r to f t h ey a h g t z er i v e rb e c a m eat y p i c a lc h a n n e lr e s e r v o i lc o n s e q u e n t l y f l o wv e l o e i t yo fw a t e r i nt h i sa r e as h a r p l yd e c r e a s e da sh y d r a u l i cc o n d i t i o nc h a n g e d m o r e o v e r w a t e rl e v e lo ft h ed a m w o u l df i n a l l yr e a c hu pt o17 5m e t e r si n2 0 0 9 a n dw a t e rf l o wv e l o c i t yw o u l dd e c r e a s ef r o m2m s t oo 2 5 0 5m s w h i c hw o u l d s e r i o u s l yi m p a i ri t st r a n s p o r ta n dd i f f u s i o nc a p a c i t yf o rc o n t a m i n a n t s w i t ht h es a m el o a do f n i t r o g e na n dp h o s p h o ra sw e l la st h es a l n ed i s c h a r g em e t h o d w a t e rq u a l i t y o ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rw o u l dd e f i n i t e l yd e t e r i o r a t e a sa n o t h e rc o n s e q u e n c e as e r i e so f f a c t o r sr e s u l t e df r o md a m m i n g s u c ha sl o w e rw a t e rf l o wv e l o c i t y h i g h e rt r a n s p a r e n c e d e p o s i t o n o fs u s p e n d e ds o l i d h i g h e rw a t e rt e m p e r a t u r e f e w e rf o g g yd a ya n di n c r e a s e ds u n l i g h ti nw i n t e r w o u l db eo p t i m a lf o rp h o t o s y n t h e s i so f a q u a t i cp l a n t e s p e c i a l l ya l g a e w h i c hc o u l dp o t e n t i a l l yl e a d t o e u t r o p h i c a t i o n t h e r e f o r e t h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fl o c a l a q u a t i ce c o s y s t e mw o u l db e i n f l u e n c e db yc h a n g i n gh y d r a u l i cc o n d i t i o n h o w e v e r f e ws t u d i e so ne u t r o p h i c a t i o nh a v eb e e n r e p o a e ds i n c et h ew a t e rs t o r a g eo f t h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i r a sam a t t e ro ff a c t e u t r o p h i c a t i o n p h e n o m e n o nh a sa l r e a d yo c c u r r e di nb a c k w a t e r a r e ao fs o m et r i b u t a r i e s w h i c hi n d i c a t e dt h a tl o w v e l o e i t yo fw a t e rf l o wm i g h tl e a d t o e u t r o p h i c a t i o n t h e r e f o r e t oi n v e s t i g a t et h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fn u t r i e n ta n db i o m a s so ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra tt h ei n i t i a l s t a g eh a s s i g n i f i c a n tm e a n i n gt of u r t h e rs t u d yo an u t r i e n tc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ep r o c e s so fw a t e r s t o r a g ea n di t sc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eg r o w t ho fp h y t o p l a n k t o n f o r e c a s tt h ep o t e n t i a lt r e n do f e u t r o p h i c a t i o ni nr e s e r v o i ra r e a a sw e l la sp r o t e c tt h ew a t e rq u a l i t yo f t b et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r b ym e a n so ff i e l de x a m i n a t i o na n ds a m p l i n g 1 6m a j o rt r i b u t a r i e s i nt h et h r e eg o r g e s r e s e r v o i ra r e aa n d3 5l a r g er e s e r v o i r si nc h o n g q i n gw e r es t u d i e d a sar e s u l t t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc h l o r o p h y l l 口a n dp h o s p h o r u sw a so b t a i n e d a n dc o n c e n t r a t i o n so f c h l o r o p h y l la i nb o t h m a i ns t r e a mo ft h er e s e r v o i ra n de s t u a r yo fi t s m a j o rt r i b u t a r i e sw h e nw a t e rl e v e lr e a c h e s1 7 5 m e t e r sw e r ea l s op r e d i c t e d b a s e do nt h eq u a l 2 e m o d e l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn u t r i e n t s a n dc h l o r o p h y l l 口i nt h ew ur i v e ra f t e rt h e i m p l e m e n t a t i o no f17 5m e t e r sw a t e rl e v e lw e r e p r e d i c t e d m e a n w h i l e l a r g es c a l ei n v e s t i g a t i o no fn u t r i e n t sa n do r g a n i cp o l l u t a n t sw e r ec a r d e do u t a t6 m o n i t o r i n g s i t e s a l o n g t h e y a n g t z e r i v e rf r o m j a n u a r y 2 0 0 4t od e c e m b e r 2 0 0 4 c o n s e q u e n t i a l l y d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn u t r i e n t s o r g a n i cp o l l u t a n t sa n dc h l o r o p h y l l 口w e r e o b t a i n e d a f t e rt h ew a t e rl e v e lr e a c h e du pt ol3 5m e t e r s n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nn u t r i e n t s a b s i r a c l l a n do r g a n i cp o l l u t a n t si nt h eh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o nw e r ed e t e c t e de x c e p tb e d a n ds od i dn u t r i e n t s a n do r g a n i cp o l l u t a n t si nt h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o ni nu p r i v e r z h u t u o c u n t a n a n db a c k w a t e ra r e a f u l i n g w h i l e i nr e s e r v o i ra r e a w a n z h o u b o da p p e a r e dt ob es i g n i f i c a n t l yv a r i e da l o n g v e r t i c a ld i r e c t i o n h i g hc o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e na n dp h o s p h o rw e r ed e t e c t e di nt h et h r e eg o r g e s r e s e r v o ir f o ri n s t a n c e t h ec o n c e n t r a t i o no fn h r nr a n g e df r o m0 1 2t oo 1 7m g l a n dt h a to f n 0 2 n n 0 3 nr a n g e df r o m0 0 1 8t o0 0 3 6 1 1 9t o 1 4 2m g lr e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n t so f t n t o t a ln i t r o g e n a n dt p t o t a lp h o s p h o r v a r i e df r o m1 6 0t o1 8 2 0 1 l t o0 1 5m g l r e s p e c t i v e l y w h i l et h a to fc o da n db o d r a n g e df r o m2 6 0t o4 0 o 8 0t o 1 2 8m g l r e s p e c t i v e l y o b v i o u s l y c o n c e n t r a t i o n so f t pa n dt ne x c e e d e dt h ee u t r o p h i c a t i o nl i m i t s a n dt h er a t i ob e t w e e nt na n dt p w a sr i g h ti nt h er a n g ew h i c hc o u l db o o s ta l g a eg r o w t h s y s t e mc l u s t e r i n gi n d i c a t e ds i g n i f i c a n t r e g i o n a ld i s t r i b u t i o no fn u t r i e n t sa n do r g a n i cp o l l u t a n t s n a m e l yt h eu p r i v e ra r e aa n db a c k w a t e r a r e a w h i c hw e r ed i f f e r e n tf r o mt h e r e s e r v o i ra r e a b a s e do nc u r r e n t s i t u a t i o n p r o v i d e d t h e d i s c h a r g em e t h o do f n u t r i e n t si nt h eu p r i v e rs t a y st h es a m e n u t r i e n tl o a d sa td i f f e r e n tw a t e rl e v e l s w e r ep r e d i c t e d w h e nt h ew a t e rl e v e lr e a c h e s1 3 5m e t e r s t pl o a dw o u l db e7 8 8 0 1 0t o n sp e ry e a r a n dt h a to f t nw o u l db e8 9 0 8 8t o n s t h ea n n u a l l yi n p u tl o a d so f t p t nw o u l dd e c r e a s et o6 9 6 6 3 0 a n d8 31 9 9t o n sr e s p e c t i v e l yw h e nt h ew a t e rl e v e lr e a c h e s1 5 6m e t e r s w h e r e a s4 0 3 9 2 0 5 7 3 0 6t o n s r e s p e c t i v e l ya t t h ew a t e r l e v e lo f1 7 5m e t e r s r e l a t i v e l yl o wc o n c e n t r a t i o n s o fc h l o r o p h y l l 口 r a n g e df r o m0 5 0t o3 8 1 m g m 3 w e r e d e t e c t e di nt h em a i ns t r e a mt ot h er e s e r v o i r a c c o r d i n gt ot h eo e c da s s e s s m e n ts t a n d a r d m o s to f t h ed a t ai n d i c a t e d o l i g o t r o p h i cc o n d i t i o n h o w e v e r h i g hc h l o r o p h y l l 口c o n c e n t r a t i o n s i nt h e d a n i n gr i v e r r a n g e df r o m7 5 3t o2 7 3m g m e x c e e d e dt h el i m i tf o re u t r o p h i c a t i o n m e a n w h i l e 8c a t e g o r i e s 4 3f a m i l i e s 9 9g e n u s a n d3 0 1s p e c i e s i n c l u d i n gm u t a t i o n s o fp h y t o p l a n k t o nw e r e f o u n di nt h i sa r e a d i a t o ma n dg r e e n a l g a ew e r e t h em a j o rs p e c i e s w h i c hm a d e u pt o7 6 1 o f a l l b e s i d e s 3c a t e g o r i e s 3 5f a m i l i e s 7 6g e n u s a n d1 0 6s p e c i e so f z o o p l a n k t o nw e r ea l s od i s c o v e r e d s i m i l a rc o n c l u s i o n sf r o mt h ea b o v e2a s s e s s m e n tm e t h o ds u g g e s t e da l l m o n i t o r i n gs i t e sw e r e s l i g h t l yp o l l u t e d b a s e do nc h l o r o p h y l l 口c o n c e n t r a t i o n 1 2 m o n i t o r i n gs i t e s o fa l l3 9w e r ec l a s s i f i e da s e u t r o p h i c a t i o nc a t e g o r y a m o n gt h et r i b u t a r i e s n os i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n sb e t w e e np h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n t r a n s p a r e n c ea n dc h l o r o t h y l l 口w e r ee x h i b i t e d d u r i n gt h ee u t r o p h i c a t i o np e r i o d c o n c e n t r a t i o n so f c h l o r o p h y l l 口i nt h ew ur i v e rr a n g e df r o m11 1t o2 9 印g l e a c hp a r to f t h ew u r i v e rc o u l db ec l a s s i f i e da se u t r o p h i c a t i o na c c o r d i n gt ot h eo e c ds t a n d a r d o nt h eo t h e rs i d e 2 2 o u to f3 5l a r g er e s e r v o i r sw e r ei nt h es t a t eo fe u t r o p h i c a t i o n w h i c hc o n s i s t e do f6 2 9 o fa 1 1 m o r e o v e r 5r e s e r v o i r sw e r ec a t e g o r i z e d h y p e re u t r o p b e r t 4 3 o fa 1 1 1 0 m i d d l ee u t r o p h e r 2 8 6 0 7 a sl i g h te u t r o p h e r 2 0 a n da n o t h e r1 2a sm e s t r o p h e r 3 4 3 o n l y1 2 嘶 w a s 西南农业大学博士学位论文 c l a s s i f i e da so l i g o t r o p h i cl a k e t h e r e f o r e e u t r o p h i c a t i o nw a sm u c h m o r es e r i o u sf o rr e s e r v o i r st h a n t r i b u t a r i e si nc h o n g q i n g a n ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n sb e t w e e nt pa n dc h l o r o p h y l l 口c o n c e n t r a t i o n w e r ec o n f i r m e di na l lo f t h er e s e r v o i r s a sp a n so fd i f f e r e n tt r i b u t a r i e s r e s e r v o i r sh a ds i m i l a rn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n sa n ds u n l i g h t c o n d i t i o nt os e c o n d a r yr i v e r s a f t e rt h ew a t e rl e v e lr e a c h e du pt o1 7 5m e t e r s w a t e rf l o wv e l o c i t yi n b a c k w a t e ra r e ao fs o m et r i b u t a r i e sw o u l dd r a m a t i c a l l yd e c r e a s e w h i c hw o u l df o ms i m i l a r h y d r a u l i cc o n d i t i o n t ot h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r b a s e do nc o n c l u s i o n sf r o mt h es t u d yo f 3 5l a r g e r e s e r v o i r si nc h o n g q i n g c h l o m l p h y l l 口c o n c e n t r a t i o ni nt h em a i ns t r e a ma n de s t u a r i e so fm a i n t r i b u t a r i e sw e r ep r e d i c t e d r e s u l t ss h o w e d t h em a i ns t r e a ma n d3 7o u to f4 0t r i b u t a r i e sm i g h t e x p e r i e n c ee u t r o p h i c a t i o n i nt h e f u t u r e h o w e v e r c o n s i d e r e d f l o w v e l o c i t y a n d d e p t h e u t r o p h i c a t i o nw a s n o tl i k e l yt oo c c u ri nt h em a i ns t r e a m b u ti ne s t u a r i e so fs o m em a i nt r i b u t a r i e s a c c o r d i n gt oq u a l 2 em o d e l c h l o r o p h y l l 口c o n c e n t r a t i o ni ne s t u a r yo ft h ew u r i v e rw o u l d e x c e e dt h ee u t r o p h i c a t i o nl i m i ta tt h e17 5m e t e r sw a t e r1 e v e l k e y w o r d t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r n u t r i e n t c h l o r o p h y l lae u t r o p h i c a t i o n v 论文资助项目为 中国 意大利合作项目 三峡库区生态环境调查及评价 重庆市自然科学基金项目 三峡水库蓄水初期营养盐及浮游生物 量分布特征 c s t c 2 0 0 4 b b 7 0 7 5 西南农业大学博士学位论文 第1 章文献综述 第二次世界大战后 人类面临几个重大问题如自然资源过度开发 人口激增以及全球环 境问题包括水体富营养化问题1 1 4 1 水体富营养化问题逐渐引起生态学家 湖沼学家以及从事 水环境研究的专家 学者的注意 对富营养化研究进行国际性的合作研究 最早始于二十世 纪六十年代中后期 由 经济台作与开发组织 o r g a n i z a t i o nf o re c o n o m i cc o o p e r a t i o na n d d e v e l o p m e n t o e c d 资助 v o l l e n w e i d e r 领导的协作组对湖泊富营养化研究规模最大 先后 对美国 加拿大 澳大利亚 日本和1 4 个西欧国家湖泊水库富营养化与营养物质的关系进行 了一系列全面的基础研究h 经过研究 确定氮 磷营养物质的输入和富集 是水体发生富 营养化的最主要原因 同时 水体富营养化也可能与其它一些因素例如气候 湖泊形态等有 密切关系1 6 7 1 中国从二十世纪八十年代 对中国主要的湖泊水库进行了大规模的富营养化调 查h 通过对武汉东湖长期富营养化的研究 中国科学院水生生物研究所在浅水湖泊富营 养化产生机理 调查评价方法和富营养化防治研究方面取得了大量成果1 1 2 0 6 1 水体富营养化是指湖泊 水库和海湾等封闭或半封闭性水体 以及某些河流水体内的氨 磷营养元素的富集 水体生产力提高 某些特征性藻类 主要为蓝藻 绿藻 异常增殖 使 水质恶化的过程 水质呈富营养化状态时 水面藻类增殖 成片成团地覆盖在水体表面 发 生在湖面上称为 水华 或者 湖靛 而发生在海湾或者河口区域则称做 赤潮 富营养水体 的透明度明显下降 溶解氧降低 水质富营养化是营养物质在水体的富集 从而使水质发生 一系列生物的 物理的和化学的复杂变化的连续过程i l n a u m a n 最早 1 9 1 9 引入湖泊贫 营养和富营养的概念 贫营养浮游植物少 富营养浮游植物多1 1 在自然状态下 水质的富营养化过程是长期演化的过程 大多湖泊在形成的幼年时期 处于贫营养状态 随着时间的推移和环境变化 一方面水体从天然降水中接纳氮 磷等营养 物质 一方面土壤的自然淋溶 渗透 也使大量的营养元素进入水体 逐渐增加水体肥力 大量的浮游植物和其它水生生物的生长就有了可能 这就为草食性的甲壳纲动物 昆虫和鱼 类提供了丰富的食料 当这些植物和动物死亡后 它们的机体沉积在湖底 积累形成底泥沉 积物 残存的植物和动物机体不断分解 由此释放出的营养物质依照食物链的途径进入其它 生物机体内 从天然环境中获得的氮 磷营养物质一般数量都非常微小 水质演变的过程极 其缓慢 由贫营养变为富营养往往需要以地质年代来描述 随着人类对环境资源开发利用活动的日益增加 特别是二十世纪以来 工农业生产大规 模地迅速发展 工业化带来了 城市化 现象 使得不断增长的人1 2 1 集中在一些水源丰富的 特定地区 居住 城市化 使得大量含有氮 磷营养物质的生活污水排入附近的湖泊 水库 和河流 增加了这些水体的营养物质的负荷量 工业发展促进和带动了农业的进步 为了提 高农作物产量 施用的化学肥料和牲畜粪便逐年增加 经过雨水冲刷和渗透 有更多的营养 第1 章文献综述 物质流失而最终输送到水体中j j 在水产养殖方面 为了达到渔业高产 一些国家和地区有 采用投放饵粪养鱼的传统习惯 这样 投放饵料粪便也成为水体接纳氮 磷营养物质的主要 渠道之一 2 0 2 受人为因素的影响 水体在一定时间内 由原来营养物质浓度较低的贫营养 状态 逐渐演变成为具有较高浓度营养物质的富营养水体 天然水体富营养化和人为富营养化的共同点在于它们都是由于水体中氮 磷营养物质的 富集而使水质恶化的过程 表现出水体的生物生长繁殖能力提高 藻类异常增殖等现象 天 然富营养化是湖泊水体生长 发育 老化 消亡摧个生命史中必然经历的天然过程 这个过 程极其漫长 在富营养化过程中 伴有明显的湖泊形态学变化 例如湖泊由深变浅 面积逐 渐缩小 容积下降等 造成天然富营养化的氮 磷营养物质通常难以控制 因此 湖泊天然 富营养化的结果 标志着湖泊进入老年期 湖泊继续演变 湖底抬升 水革生长 变为沼泽 地 从而导致湖泊最终消亡 这个过程通常是不可逆的 人为富营养化演变速度快 往往只 要几十年或更短即可使水体由贫营养状态变为富营养状态 湖泊形态学方面往往变化较小 突出的变化主要表现为湖泊的生物具有很高的生长繁殖能力 人为富营养化过程并非不可逆 控制人类活动所产生的营养物质排放 采取有效的措施 对已输入水体营养物质进行治理 经过一段时间 通常可以恢复到原来状态 所以 人为富营养化水体并不意味着湖泊已经老 化或正在消亡 它主要表明水体受到了严重污染 1 1 水体营养盐与浮游生物量关系研究 l i e b i g 于i8 4 0 年提出 植物生长取决于外界供给它所需要的养料中数量最少的那一种 谢尔福德 1 9 11 提出 生物对各种环境因子的适应有一个生态学上的最小量和最大量 它 表1 i 藻樊分子组成及元素占分子量的百分比 t a b l e1 1 r a t eo f a l g a ef o r m se l e m e n t 们之间的幅度称为耐受限度或生态幅 超出了这个范围 就会影响生长和发育而成为限制因 子 2 对于浮游植物的营养盐限制因子来说 就是接近或超过浮游植物的耐受极限而妨碍 其生存 生长 繁殖和扩散的营养盐 s t u m m 对藻娄的化学成分进行过分析研究 提出藻类 的经验分子式 c l o j 1 2 6 3 0 o n l 6 p 根据经验分子式 计算出这些元素所占藻类分子量的重 2 西南农业大学博士学位论文 量百分比 从表 1 1 可知 磷在藻类分子量中所占的重量百分比最小 氦次之 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 j v a l l e n t y n e 研究了淡水湖泊植物的平均化学元素量的组成后发现 在有植物生长的水环境 中 氮 磷的含量最低 认为磷 氮是限制水生植物生长量的最主要元素 加拿大在湖泊实 验区证实了结果 在一些受到保护并且基本保持原始状态的湖泊被用来进行一系列控制性的 实验研究 在实验研究中 将一些不同的营养物质分别加入到接受实验的湖泊中 另外一些 湖泊则予以控制 不加入任何营养物质 实验结果证实 加入了无机磷盐和硝酸盐湖泊的水 体 水质由原来的贫营养状态很快演变为富营养状态 藻类生物量水平具有富营养化湖泊的 特征i 从s t u m m 藻类经验分子式的化学元素组成百分比计算和j v a l l e n t y n e 对淡水湖泊水 生植物化学元素量的比较以及加拿大湖泊实验结果 都说明 磷 氮 特别是磷控弗t 着湖泊 藻类的增殖 是藻类生长的主要限制因素 一般来说 氮 磷被认为是主要的营养限制元素 特别是磷对湖泊富营养化有特殊的作用 这是由于植物细胞里的磷直接参加光合作用的呼吸 酶系统的活性化 能量转化 以及氮 碳水化合物和脂类化合物的交换等过程 藻类多半利 用磷酸盐 磷酸氢盐和磷酸二氢盐等形式的溶解磷 也可吸收有机磷化物 大部分氮与水体 中的藻类 微生物 高等水生植物等的有机物质有关 水体中的一些藻类由于具有固氮能力 能够将大气中的氮转化成能被水生植物吸收和利用的硝酸盐氮形式 使得藻类能够获得充足 的氮营养物质 由于大气中含氮丰富 当水环境中的氮减少时 藻类可以通过固氮作用得到 氦元素 因此与磷相比 氮作为湖泊水库富营养化的限制因素 处于次要地位畔l 在富营养 湖泊中 藻类利用植物形式储存过量的营养物质 其繁殖能力的强化 是湖泊水生生态系统 对营养物质和有机物质富集反应的共同特征 根据生态学规律 可将水生生态系统的这种反 应视为生态系统力图使自身保存下去 使外源性作用不断被破坏的生物循环稳定下来的一种 适应性反应 n p 在湖泊生态系统的循环过程见图1 1 和图1 2 n k 岛j l 莩 卜眸下军岬 l 葛 t 羔卜一 围i 1湖泊生态系统中氮的镛环过程 f i g 1 1c y c l ep r o c e s so f n i nl a k ee c 6 s y s t e m 第1 章文献综述 麟庶 r 卜p 埘洫 膦水 l 图1 2湖泊生态系统中磷的循环过程 f i g 1 2c y c l ep r o c e s so f p i nl a k ee c o s y s t e m 在研究氮 磷营养物质与水体富营养过程中 大量事实证明 湖泊水体氮 磷浓度的比 值与藻类增殖有密切的关系 日本湖沼学者坂本曾经研究指出 当湖水中的总氮和总磷浓度 的比值在1 0 1 2 5 1 的范围时 最适宜于藻类增殖 若总氮与总磷浓度之比小于此值时 则藻 类增殖可能受到影响 丹麦捷尔吉森研究结果表明 当总氦与总磷的浓度比值低于4 以下时 氮可能成为湖泊水质富营养化决定性的限制因素 水体富营养化的实质是由于营养物质输入 输出的失衡 特别是在富营养化不断加剧的体系中 营养消耗量远低于营养供给量 从而造 成了藻类和其它水生植物大量生长 在这样的生态系统中 由于营养水平的失衡 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 循环 致使整个生态系统逐步走向消亡 时绿素存在于一切绿色植物中 水体中叶绿素a 禽量的多少 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 g l e r 在s a k a m o t o 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