（环境工程专业论文）营养盐对藻类生长上行影响的实验研究.pdf

ab s t r a c t y u q i a o r e s e r v o i r i s t h e m a i n s o u r ce o f d r i n ld n g w a t e r i n t i 咧i n a n d t h e i m p o r t a n t t e m p e r i n g r e s e r v o i r o f l u a n h e w a t e r h o w e v e r a cert a i n e x t e n t e u t r o p h i c a t i o n c a u s e d b y a m a s s o f a l g a e i n e a c h s u m m e r a n d a u t u m n b r i n g s m a n y p r o b l e m s t o c o n v e n ti o n a l w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s e s b y i n v e s t i g a t i o n t h e e x c e s s e m i s s i o n o f n it r o g e n a n d p h o s p h o r u s i s o n e o f t h e m a i n c o u r s e s t h e r e f o r e t h i s r e s e a r c h s t u d y a n d d is c u s s t h e i n fl u e n ce o f g ro w i n g a l g a e u n d e r t h e l e v e l o f n u t r i e n t a c c o r d i n g t o t h e w a t e r o f y u q i a o r e s e r v o i r i n s u m m e r a n d a u t u m n c o n c r e t e l y i t s r e v i e w e d w h i c h o n e i s t h e b e s t c o n d i t i o n f o r t h e g ro w i n g o f t h e a l g a e 勿c h a n g i n g t h e n t r a t i o a n d w a t e r c n n n t r a t i o n f i r s t fi v e n t r a t i o s a r e s e t w h i c h r e s p e c t i v e l y a r e 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 r e s p e c ti v e l y e x p r e s s e d a s n i n 2 n 3 n 4 n 5 t o t h e g ro w i n g o f a l g a e t h e t e s t i n d i c a t e s t h a t i n a cer ta i n c o n d i t i o n s s u c h a s w a t e r t e m p e r a t u r e a n d i ll u m i n a t i o n e v e ry d i s p o s a l h a s d i ff e r e n t d i v e r s i fi c a t i o n s n 5 i s t h e m o s t a t p h d o a n d t o c w h e n n 3 i s t h e m o s t a t c h l o r o p h y ll a a n d b i o m a s s t h e p r e p o n d e r a n t a l g a e a r e g r e e n a l g a e a n d b l u e a l g a e h o w e v e r n 3 i s b e t t e r t h a n n 5 i n b i o d i v e r s i t y s o a s a w h o l e v a r i o u s i n d e x e s 加n 3 s y n t h e t i c a l l y a r e b e tt e r t h a n i n n 5 i t s h o w s t h a t t h e n p o f 3 0 1 w h i c h i s t h e b e s t r a t io f o r t h e g ro w i n g o f a l g a e a t l a s t a c c o r d i n g t h a t p h o s p h o r u s i s t h e r e s t r i c t i n g f a c t o r f o r t h e g r o w i n g o f a l g a e f o u r c o n cen t r a t i o n l e v e l s o f t p a r e s e t w h ic h re s p e c ti v e l y a r e 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 m r l w i th a ll o f t h e t n a r e 2 0 m g i r e s p e c ti v e l y e x p r e s s e d a s a b c d t o r e v i e w t h e g ro w i n g o f a l g a e t h e t e s t in d i c a t e s t h a t i n a ce r t a i n c o n d i t i o n s s u c h a s w a t e r t e m p e r a t u r e a n d i ll u m i n a t i o n e v e ry d i s p o s a l a l s o h a s d i ff e r e n t d i v e r s i fi c a t i o n d o p h c h l o ro p h y ll a b i o m a s s a n d b i o d i v e r s i t y w h a t s o e v e r c i s t h e b e s t s o i t s h o w s t h is c o n d it io n w it h t p o f 0 1 5 m g i a n d t n o f 2 0 m g l is th e b e s t n u t r i e n t c o n cen t r a ti o n f o r t h e gr o w i n g o f a l g a e k e 少 w o r d s e u t r o p h i c a t io n n u t r i e n t a l g a e n t r a ti o c o n ce n t r a t i o n b i o m a s s b i o d i v e r s i t y i i 南 开 大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议 请将此协议书装订于论文首页 论 文 省 素 丝 诫 海 扣省 少 好 影 喃 的 众 聪 1 4 系 本 人 在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品 并己通过论文答辩 本人系本作品的唯一作者 第一作者 即著作权人 现本人同意将本作品收 录于 南开大学博硕士学位论文全文数据库 本人承诺 已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致 如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负 本人完全了 解 同惫 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版 本作品呈交当年 在校园网上提供论文目 录检索 文摘浏览以 及论文全文部分 浏览服务 论文前i s 页 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后 在校园网上允 许读者浏览并下载全文 注 本协议书对于 非公开学位论文 在保密期限过后同样适用 院 系 所 名 称 1 硅 介 介z y u 作 者 签 名 戴41 4 学号 日期 o 0 1 3 1 i v 刃年j月了 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学 位 论 文 作 者 签 名 箭 冬 滚 z d q 年 了 月 3 0 日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 众妙 学位论文作者签名 芬 派 解密时间 年月日 内部5 年 最长5 年 可少于5 年 秘密 1 o 年 最长1 o 年 机密 2 0 年 最长2 o 年 可少于i o 年 可少于2 0 年 二 添孔戚一 吮 或 敌 扮 争 舀 教乙 一 琳气 骊 瑞 黔 蠢 燕 兹洁 汹少滋黔 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 学 位 论 文 作 者 签 名 或奋 康 z w 年 了月弓 口 日 第一章概论 第一节 国内湖泊 水库的污染现状 我国是一个水资源丰富的国家 水资源总量在世界上名列前茅 然而我国 却也是一个水资源相对匾乏的国家 水资源的时空分布不均匀 使得在我国广 大的华北和西北地区缺水问 题变得非常严重 江河 湖泊和水库是我国主要的 淡水来源 在一些水资源极其匾乏的地区如甘肃 宁夏等 水库蓄水成为饮用 水的最主要来源 湖泊是陆地上低洼的地方 终年积蓄大量水分 湖泊分为天然湖泊和人造 湖泊或者池塘 我国 是 一 个多 湖泊的国 家 面积在l k m 2 以 上的湖泊 全国 共有 2 3 0 0 个 湖泊总 面积 约为7 1 7 8 7 k m 2 约占 全国 总 面 积的 8 湖泊贮水总量 约7 0 8 8 x 1 0 m 3 其中 淡水 贮量2 2 6 1 8 x 1 0 m 3 占 湖泊 贮水总量的3 1 9 随着现代经济的迅速发展 农业技术的进步 城镇的排污量和人口 不断增加 使污染湖泊水体的因素日 益增多 大量的营养物质 如氮 磷等 不断流入湖 泊 湖泊富营养化日 趋严重 根据我国对3 7 个主要湖泊的调查资料 以及根据 国内外评价湖泊富营养化的经验制定的指标 3 7个湖泊的富营养状况 具有中 营养型和中一富营养型的占5 5 8 富营养型的占1 4 7 重富营养型的占8 8 表 1 1 特别值得重视的是 近十几年来 我国 湖泊富营养化的 趋势发展 很快 到上世纪末 大多数湖泊的富营养化都有加重 从发展趋势 表1 2 来 看 情况是相当 严重的 应引 起充 分的重视 川 表1 1 我国3 7 个湖泊营养状态分类统计表 湖泊营养类型 贫一中营 养 中营养 中一富营 养 富营养重富营养 湖泊数 个 占 评价数比 例 湖泊面积 k iw 占 评价面积比 例 7 2 0 6 5 8 7 0 8 2 4 1 6 2 3 5 8 9 1 2 5 3 6 7 1 1 3 2 3 9 4 3 4 1 3 8 8 5 1 4 7 6 6 9 5 0 2 1 8 8 8 7 3 1 0 0 3 第一章概论 表1 2 我国部分湖泊富营养化发展趋势 湖泊名称8 0 年代9 0 年代2 0 0 0 年 南京玄武湖 昆明滇池 武汉东湖 太湖 局部水域 巢湖 富营养 富营养 富营养 中一富营养 中一富营养 富营养 富营养 富营养 中一富营养 中一富营养 重富营养 富一重富营养 富一重富营养 富营养 富营养 不仅湖泊的富营养化不断的加剧 水库的现状也不容乐观 水库分为湖泊 型水库和河床型水库 后者是由水坝拦截形成 水面与河床形态类似 调蓄能 力差 我国 湖泊型 水库有8 万余 座 一般 将蓄 水量大于1 亿扩的 划为 大型水库 蓄水量界于1 0 0 1 万扩至1 亿扩的 属于中 型水 库 而 库容小 于1 0 0 1 万扩的为 小型水库 我国湖泊水库污染日 趋严重 主要表现是 富营养化 湖泊水库 的污染不仅影响到水体的功能 危害水生生物 而且正在导致湖泊本身的消亡 根据国家环保总局 1 9 9 3 年对 1 3 1 个湖泊水库的监测 其中8 9 个湖泊受到不同 程度的污染 占 调查总数的6 8 有6 7 个湖泊水库达到富营养程度 占5 0 以 上 水质超过v类的 严重污染的 湖泊水库 有2 8 个 占2 1 以 上 121 官厅水库 是我国解放后修建的第一座大型水库 是北京是重要的供水水源地之一 但由 于水库遭受污染日 益严重 1 9 9 7年退出了饮用水水源体系 导致首都水供需矛 盾 越来越突出 官 厅水库的 污 染问 题主 要为 有机污染和富 营养 化 ei 可见 解决 富营养化问题已经迫在眉睫了 第二节 干桥水库的水质评价 1 2 1 于桥水库简介及水质状况 于桥水库是天津市一座大型湖泊型水库 位于蓟县城东4 k m蓟运河左支流 州河上 游出山口 处 流域面 积2 0 6 0 k m z 总库容1 5 5 9 亿扩 是以 防 洪 城市供 水为主 兼顾灌溉 发电等综合利用的大型水利工程 1 98 3 年经过加固增容并 第一章概论 纳入引 滦入 津工程以 后 成为 天津市唯一的 生活饮 用水和工 农业用水 水源地 q i 然而 由于人口 的增长和经济的不断发展 水库上游及库周地区的污染剧 增 由此带来了一系列问题 近年来 由于流域内大量的污染物向库区排放 使得水库水质 水体生态 状况不断恶化 并且富营养化程度进一步加重 随之而来的是藻类的疯狂增长 水华连年爆发 严重威胁着天津市的供水安全 水污染的严峻现实进一步加剧 了水资源短缺的 紧张局势 水危机的危险迫在眉睫 水危机及其所衍生的水质 和生态问题不仅将束缚和制约我国经济发展第三步战略目 标的实现 而且将可 能引发重大的社会和政治危机 因此 保护好现有的水资源 消除污染 解决 水资源短 缺的问 题已 成为 关系 到国 计民 生的 重大问 题摆在人的 面前 0 然而 通过比 较于桥水库水质资料发现 于桥水库水质和营养状态由引滦 通水前期 1 9 8 8年以 前 的中 营养 水 质为1 1 i ii 类 以 及1 9 9 年后的富 营养 体质为 i n w 类 状态 已 发展到目 前的 重富 营养 水 质为w v a 状态 由此可见 引滦通水1 0 多年以来 于桥水库营养状态上升了2 个等级 水质下 降了 2个等级 其水质恶化和富营养化发展速度相当 惊人 于桥水库富营养状 态主要指标及水质发展趋势见表1 3 0回 表1 3于桥水库水质发展趋势比 较 年份 总 磷 总 氮 水质级别p 类备注 1 9 8 7 1 9 8 8 1 9 9 7 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 ii 1 1 m m w 11 m m v v v v ii i ii ii i ii w v n v v n v 特枯水年 输水后污染加重 枯水年 2 0 世纪7 0 年代以 来 各国的科学家做了 大量的 研究工作 不断揭示富营养 化与水中氮磷浓度的 关系 提出了 许多通过氮磷浓度等项目 评价水体富营养化 程 度的标准 美国 陆 地研究所湖泊专家r f c a i s o n 于1 9 7 7 年提出了 营养状态 指数 t s i 评价标准 实践证明 该分析标准除被工业 生活污水严重污染的 第一章概论 水库和湖泊外 世界上多种类型的大型湖泊和水库都适用 c a l s o n营养状态指数可反映湖泊水库富营养化的连续过程 也可确定在某 一时期的营养状态 一般认为 i s i 小于3 5为贫营养状态 在3 5 5 0 之间为 中营养状态 在5 0 6 5 之间为富营养状态 大于6 5 为超 重 营养状态 其 实这只是一种人为的划分 事实上并不存在如此明显的界限 表1 4 为近几年于桥水库的水质参数 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 年为枯水年 1 9 9 6 年 为 丰 水 年 1 9 9 7 年 为 平 水 年一 般 情 况 下 总 磷 总 氮 分 别 超 过0 0 0 7 m g l 1 和0 2 m g l 就 容 易 引 起 水 体 富 营 养 化 由 表3 可 知 于 桥 水 库 水 体 中 总 磷 无 机氮的浓度一直居高不下 夏季总磷可达 0 0 6 0 0 7 m g 1 1 最高可达 0 1 0 8 m g 1 1 无 机 氮 可 达2 5 m g l 1 据c a l s o n 的 评 价 标 准 利 用 高 锰 酸 盐 指 数 总磷 无机氮 溶解氧 悬浮物来评价 于桥水库水质富营养化指数在5 5 6 5 之间 水体接近重度营养化的边缘 表1 4于 桥 水 库 水 质 参 数单 位 m g 1 飞 佘 嫂之 溶解氧 高锰酸盐 指数 总磷无机氮悬浮物 1 9 9 6 年 1 明 1 2 4 1 3 2 0 0 3 4 2 3 7 7 a 1 7 5 4 30 0 4 4 i 0 6 8 11 2 a 1 3 1 r 3 2 i 0 0 2 6 2 8 7 1 9 9 7 年 1 月 1 2 9 3 4 0 0 4 52 5 4 7 0 3 a 1 11 1 61 3 3 i 0 0 7 2 2 6 45 5 6 a 8 2 7 7 1 0 0 4 7 1 5 0 1 0 月8 4 4 3 0 0 6 7 5 4 1 9 9 8 年 3 q 巧 8 3 2 0 0 3 6 2 0 7 3 4 7 a 1 1 6 5 80 0 1 8 0 2 7 1 3 1 8 a 8 73 90 0 3 5 0 8 1 1 3 4 1 2 f 1 1 5 64 7 0 0 3 4 2 1 54 4 1 9 9 9 年 3 a 1 1 4 4 3 0 0 1 42 7 01 4 7 a 9 37 6 0 0 7 5 1 7 6 8 月 7 4 6 8 0 0 6 2 3 0 11 2 a 1 1 4 3 7 0 0 2 6 1 6 7 5 0 2 0 0 0 年 1 月1 1 7 3 80 0 2 0 1 7 4 2 2 2 9 11 5 4 1 3 8 1 0 0 1 22 1 0 1 3 0 9 月1 9 05 2 0 0 9 52 2 9 4 0 1 2 月1 1 3 4 20 0 8 5 3 0 2 第一章 概论 通过表层水监测 夏季溶解氧几乎全部呈过饱和状态 过饱和度约1 2 0 其主要原因是藻类在生长过程中要吸收二氧化碳 放出 氧气 所以 表层溶解 氧过饱和从另一侧面反映了 水体的富营养化程度 一般评价标准中很少用硝酸盐氮来评价水体的富营养化程度 但是通过多 年的监测发现 于桥水库的富营养化程度与硝氮含量是密不可分的 于桥水库 中 硝氮约占总氮的 8 0 以上 随着季节和气候的变化 水体中硝氮浓度呈明 显 的 周 期 性 变 化 每 年1 2 月 份 达 到 顶 峰 一 般 超 过2 o m g 1 1 每 年7 8 月份降至低谷 近乎于未检出 见表1 5 0 表i s 于 桥 水 库水 体中 硝 氮的 含量单 位 m g口 欲 134 5678 91 11 2 1 9 9 6 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 2 3 1 6 8 1 9 1 1 5 0 2 9 1 1 2 4 2 2 4 1 3 7 2 9 1 1 1 0 2 1 3 2 3 0 2 2 5 1 2 1 1 8 6 0 9 6 0 9 3 0 7 1 0 7 6 0 6 3 0 5 3 0 1 5 0 0 3 0 4 5 1 2 5 0 5 6 0 0 9 0 1 6 2 8 6 1 5 6 0 7 0 1 3 4 2 6 3 1 2 4 0 9 0 2 0 2 2 6 7 1 7 2 1 4 1 1 1 1 从表1 5 可以 看出 一般年份水体中硝氮含量变化很有规律 十几年来 于 桥水库的营养盐纳入量稳中 有升 没有忽高忽低的 现象 水体中硝氮含量高低 虽然受多种因素的影响 但主要还是随着气候的变化受藻类 水草 动物生长 的影响 每年 4月份气温回升 各种水生动植物开始繁殖生长 硝氮含量随之 降低 1 9 9 6 年 于桥水库上 游流域发生较大洪水 7 月1 9 日 8 月1 1 日 水位一直 在2 2 0 0 m以 上 最高水位达2 2 6 2 m 而一般平水年水位均在2 0 0 0 m左右 蓄 水 量近3 亿扩 与 一 般年 份比 较 1 9 9 6 年光线差 水 位高 从而影响了 水草 水藻等水生植物的生长 水体清澈透明 1 9 9 6 年水体中硝氮浓度较为平稳 第一章 概论 1 2 2 宫曹养化趋势评价 七五 期间 天津市 于桥水库富营养化治理对策 课题对于桥水库水 体及周边环境进行了 深入的调查 研究 研究数据主要来自1 9 8 6 1 9 8 7 年 其 主要结论是 在非结冰期 于桥水库呈中 度营养化向富营养化过渡 已 接近富 营养化的边缘 近1 0 多年来 于桥水库各种营养盐浓度及富营养化响应参数一直呈上升趋 势 见表1 6 从表5 可以 看出 1 9 9 1 年和2 0 0 0 年相比 总磷上升1 0 5 无 机氮上升1 7 4 高锰酸盐指数上升了1 7 1 按c a ls o n 营养状态指数 t s ll 分级标准评价 于桥水库水质己 处于富营养化向重度营养化过渡的状态 接近 重度营养化的边缘 表 1 6 于桥水库水质参数 极值 单位 m g 1 年份高锰酸盐指数总磷无机氮悬浮物 1 9 9 1 1 9 9 4 1 9 9 7 1 9 9 9 2 0 0 0 5 6 5 6 7 2 7 6 1 5 2 0 0 5 5 0 0 7 0 0 0 6 8 0 0 8 3 0 1 1 3 1 9 5 2 1 6 2 7 1 2 7 0 2 2 9 6 3 6 4 7 2 7 0 4 0 近几年 每到夏季 于桥水库就出现藻类大面积爆发 p h值升高 表层溶 解氧浓度过饱和 高锰酸盐指数增高等现象 充分说明了 于桥水库富营养化程 度之高 网 可见 于桥水库水质污染严重 富营养化发展迅速 水库水质变差对天津 市的供水影响十分严重 因此于桥水库的富营养化己 成为当前急需解决的重要 环境问题之一 第二章 富营养化概述 第二章 富营养化概述 水体富 营养化 c u t r o p h i c a t io n 是 指在人类活 动的影响 下 生 物所 需的 氮 磷 等营养物质大量进入湖泊 河口 海湾等缓流水体 引起藻类及其他浮游生物 迅速繁殖 水体溶解氧量下降 水质恶化 鱼类及其他生物大量死亡的现象 第一节 富营养化的发生机制 导致富 营养化的物质 往往是自 然水体中含量有限的营养物质 主要指磷 氮 它 们含量的高 低 是限制植物的生 长以 及总的生 产量的 控制因 素 在正 常 的淡水系统中磷含量通常是有限的 因农田 施肥 农业废弃物 城市生活污水 和某些工业废水渗入或排入水体 使自 然水体中消除这两项限制因素 从而出 现植物的 过度生长 8 1 2 1 1 湖泊沉积物的营养盐释放与内派污染 湖泊富营养化实际上是氮 磷等生源要素增加 积累的过程 而湖泊沉积 物实际 上就是营 养盐的 蓄存库 如美国 威斯 康星州的w i n g r a 湖 表层1 0 c m沉 积物中的氮占 系统总氮的 2 3 表层 1 0 c m 以下 3 0 c m 以上沉积物中的氮占 7 a n 而且绝大部分为 有 机氮19 1 武汉东 湖的 研究显示 水体中 的 磷 大部 分来自 城市生 活污水的 排放 约6 0 v 滞留 在 湖内 导 致沉积物中 磷的 含量快 速 上 升 1 0 1 磷在湖泊中的浓度的高低常常被用来衡量一个湖泊生产力高低及富营养化 水平的 重要指 标 1 1 1 在天然湖泊中 大部分 磷以 有机态方式 存在 而在 有机 磷 中 约7 0 以 上是以 颗粒态磷存在 1 2 1 磷的 这种颗粒态特性使得其进入水体后 绝大多数容易沉降在湖底 使得湖底沉积物中营养盐的含量远高于上覆水 在 一定的条件下 这些营养物质就会释放进入上覆水而形成内 源负荷 沉积物中 营 养盐 释 放 进入 上 覆 水 的 途 径主 要 有 分 子 扩散 主 要依 靠从 沉 积 物 孔隙 水中 营 养 盐浓度与 上 覆水的 浓度梯度差 风浪 等动力 扰动 底栖生 物的 扰动 气 泡溢出 浮游植物的 上 浮及水生植物根部的 传递等 1 2 1 影响沉积物内 源释放的 外 部因 素 很 多 主 要 有 温 度 p h 氧 化 还 原 电 位 铁 和 锰 含 量 等 1 13 16 1温 度 的 影 响 主 要 通过影响分子运动进而影响分子扩散 以及通过影响微生物的活性来影响营养 盐 的 状态 和 析出 p h对于 营 养盐 释 放 有 影 响 当p h很 低 呱于2 时 沉积 物 第二章 富营养化概述 释放将明 显增加 而当声 大于9 时 其营养盐 释放也 会明 显 增加 1 4 1 6 1 研究 发现 在富营养化的 水域 当夏季蓝藻水华暴发时 由于蓝藻的光合作用 致 使 水 体p h升高 使 得 沉 积 物 营 养 盐 释 放 增 加 1 7 1 水 土 界 面 上 的 氧 化 还原 环 境 对磷的释放有很大影响 还原条件下 沉积物中营养盐的释放速率甚至比 氧化 环 境 下 高 一 个 数 量 11 3 1 在 太 湖的 研究中 也 发 现 沉 积 物 中 的p h 和 氧 化 还 原 电 位 e h 对元素的 释放 迁移 吸附 和富 集有重要的影 响 1 s 对于浅水湖泊而言 沉积物中的磷的 释放除了 受上述因素影响之外 还有 风浪的影响 由 于浅水湖泊较浅 动力作用对于湖泊沉积物中营养盐赋存 降 解和释放等环节都有 影响 风浪 过程漪别是波浪 过程 在浅 水湖泊的底泥悬浮 过程中 约7 0 的 动 力 作用 来自 风浪 过程 导 致 底泥的 悬 浮 大量的 营养盐也由 于沉积 物的 悬浮而导 致释放 1 9 2 3 1 日 本琵琶 湖 在一次台 风过程前后 其浅 水水 域 的 悬 浮 物 浓 度 从4 5 m g 1 1 增 加 到1 7 0 m g 0 而 磷 的 浓 度 从1 0 u g l 1 增 加 到2 5 u g l 1 24 1 位 于 美 国 佛 罗 里 达 州 的a p o p k a 湖 是 一 个 浅 水 糊 泊 面 积 1 2 5 k m 2 平 均 水 深1 7 m 也 是 一 个 超 富 营 养 化 的 湖 泊 尸 达0 1 8 6 m g t n达 4 4 8 8 m g 1 1 c h i 一为0 1 0 6 m g 1 1 2 1 研 究 发 现 动 力 作 用 在 湖 泊 内 源 磷 循 环中 扮演 着非 常 重 要 的 作 用 2 2 1 风浪 将沉降 在 湖 底的 浮 游 植 物悬 浮 起来 2 1 1 也 将位于沉积物最顶 部的8 m 的 底泥中的 可 溶性磷 s r p 放出 来 同 样地 位于 顶部s c m 的底泥中的 有机物质也常常被氧化 在美国 佛罗里达州的另一个浅水 湖泊 k e e c h o b e e 中 也 获 得了 相 类 似的 研 究 结 果 2 5 1 丹 麦 的a a e s o 湖 面 积 4 1 k m 2 平 均 水 深2 9 m 的 野 外 调 查 也 发 现 动 力 悬 浮 产 生 的 营 养 盐 浓 度 增 加 可 以达到原先的 2 0 3 0倍的数量级 统计显示 悬浮颗粒浓度与 t p 风速相关 程 度 较 好 2 31 进一步的研究发现 虽然动力扰动将大幅度增加总磷浓度 但是对于水柱 中 的溶解 性磷或反 应 性 磷 s r p 浓度在再 悬浮发生的 初期 有所增加 随时间的 延 长而逐步减少增加的幅度 在太湖的野外调查也发现 动力扰动将大幅度增加 水柱中的总 磷浓度 2 0 1 但是 溶解性磷及反 应活性磷增 加并不显著 2 6 这可能 与沉积物悬浮的同时 由于水体复氧而导致有些颗粒物质如铁 锰等结合物氧 化 增强了 其吸附溶解性磷的能力并最终沉降带入沉积物中有关 但是 由于 这样的风浪过程导致的沉积物悬浮和营养盐释放是如此的频繁 其累积效应将 是非常可观的 正是由 于浅水湖泊这一特性 使得富营养化浅水湖泊在外源性 营养盐得到控制的情况下 其水体中的营养盐浓度减少并不明显 一个非常鲜 第二章 富营养化概述 明的 对比 是位于德国和瑞士交界的深水湖泊 o n s t a n ce 湖和位于丹麦的浅水湖 泊s o b y g w 湖 c o n s t a n 湖 的 总 磷 浓 度 从8 0 u g l 降 到2 0 u g l 1 仅 用 了 十 几 年 时 间 相 应 的 浮 游 植 物 的 生 物 量 也 显 著 下 降 1z7 29 1 s o b y g a r d 湖 通 过 几 十年的治理 其外源营养盐虽然已 经完全控制 但是水体中的营养盐浓度和浮 游植物的生物量依然很高 根据测算 其恢复到富营养化前的水平可能还需要 十多 年 远远高 于深 水湖泊 所需 要的时间 13 0 3 1 1 因 此 对于浅 水湖泊的 治理 由 于在外源控制的同时 还须控制湖内 沉积物的内 源释放 其难度就更大 有关不同形态和不同性状的营养盐在湖泊沉积物和水体中的转化机理 目 前仍然是一个工作难点 困难之处在于对生物参与的机制 特别是微生物作用 下的营养盐转化机制了解不够 随着分子生物学的技术 如基因 探针等13 2 1在湖 沼学中的应用 该领域必将成为营养盐循环 转化研究的 个发展方向 2 1 2 盲营养化湖泊蓝藻水华发生机制 蓝藻水华的暴发是水体富营养化特征之一 蓝藻水华的发生可以是由于水 体中营养物质增加导致的上行效应的结果 也可能是由 于控制浮游植物的浮游 动物缺失导 致的 下行效应的结果 但在绝大多数 情况下 蓝藻水华的 暴发是营 养盐增加的结果 因此 控制蓝藻水华和湖泊富营养化发展 控制营养负荷是 第一位的 形成蓝藻水华的藻类包括微囊藻 m i c r o c y s t i s 鱼腥藻 a n a b a e n a 颤藻 o s c il la t o r ia 和束 丝 藻 a q h a n iz o m e n o n 等 有时 直 链硅 藻 m e lo s ir a 也 伴随 蓝 藻 大量 滋生 中国己 有很多水体暴发蓝藻 水华 如太 湖 巢湖和滇池等 3 3 1 国 外 也有很多记 载13 4 1 绝大部分水体的 水华是微囊藻 水华 虽然有关蓝藻水华暴发 原因的探讨已有很多 但至今没有弄清其形成的确切机理 对蓝藻水华暴发原 因的探讨主要包括三个方面 一是物理因素 主要包括水深 温度 光照和动 力悬浮等 由于中国绝大部分发生蓝藻水华的水体都是浅水水体 在浅水湖泊 中 频繁的动力扰动导致沉积物悬浮并进一步影响底泥中营养盐的释放和水体 透明 度 使得其水中的 光照与营 养盐 浓度在时间 和空间 的 分布 上很 不均匀1 1 9 3 5 这种不均匀而且多变的外部环境 使得微囊藻由于其特有的上浮和下沉功能可 以 顺应其环 境变化而迁移阅 加上浅 水湖泊水柱中 悬浮 物浓度较高 光合作用 只能 在 表层几十厘 米深的 水柱中 进行13 7 1 而在这样的 深度 紫 外辐 射影响 较大 由于微囊藻具有抗紫外辐射的能力 使得它在竞争中具有优势 因此微囊藻在 第二章 富营养化概述 这样的浅水环境中出 现暴发性的生长就不是偶然的 二是化学因素 主要涉及 n p问 题 虽 然s m i t h早 在1 9 8 3 年就提出n p 2 9 易形成蓝藻水 华的 观点 139 1 但 此后这个观点受到许多质疑 新近的研究表明n p l 2 9 只是蓝藻水华暴发的结果 而 非 原 因 3 9 1 唐 汇 娟 比 较了 国 内3 5 个 湖 泊 23个 发 生 蓝 藻 水 华 后 发 现 发 生 蓝 藻水华的湖泊中n p在1 3 3 5 之间 而没有发生蓝藻水华的湖泊中n p 则小于 1 3 1 a 0 l e 第二节 富营养化的危害 藻类繁殖迅速 生长周期短 在藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物 分解 不断消耗水中的溶解氧 或被厌氧微生物分解 不断产生硫化氢等气体 从两个方面使水质恶化 造成鱼类和其他水生生物大量死亡 藻类及其他浮游 生物残体在腐烂过程中 又把大量的氮 磷等营养物质释放入水中 重新供新 的一代藻类等生物利用 因此 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 另外富营养化水中含有硝酸盐和亚 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 两 对于于桥水库而言 由富营养化造成的水体中 悬浮物和有机物浓度增加 色度 臭味增加 给自来水厂的水处理造成极大影响 水中藻类产生的毒素 尤其是蓝绿藻产生的对健康有潜在威胁的微囊藻毒素 仅通过自 来水厂的一般 工艺处理不仅不能去除 反而经过加抓消毒后 其致突变活性有可能增加 藻 类的稳定性使其难于混凝 其代谢产物与铝盐 铁盐混凝剂作用使棍凝效果下 降 藻类在沉淀池中的沉淀效果差 进入滤池后会粘附在滤料表面 缩短滤池 过滤周期 增加反 冲频率 提高制水成 本14 1 1 某些 藻类尺寸很小 可以 穿 过滤 池进入给水管道 消耗管网内余氛 使水中有机物增加 污染管道 藻类也是 典型的抓 化消毒副 产物的 前驱 物 在氛 消毒时生 成 三卤甲 烷等有害副 产物14 2 1 增加水的致突变性 使得出 水水质降低 直接影响到人民 群众的身体健康 水 库的藻类控制问 题己迫在眉睫 第三章营养盐对藻类生长的上行影响 第三章 营养盐对藻类生长的上行影响 生态学上的 所谓上 行 b o tt o m u p 效应是 指非顶 级营养级生物的 下一营养 级食物供给或营养盐供给 海洋生态学中 通常所说的 上行效 应主要指的是营养 盐供给对浮 游植物 种群 数量 变动的 影响 3 第一节 营养盐限制的定义 营养盐是浮游植物生长 繁衍所必需的营养物质 水体中的大部分浮游植 物 是 按 一 定 比 例自 水 中 吸 收 营 养 盐 的 这一 比 例 被 称 为r e d f ie l d 系 数 c n p 1 0 6 1 6 1 水中 营 养盐比 例 过高 或 过 低 地 偏 离r e d fi e ld系数 均可 使浮 游植物的生长受到某一相对低浓度营养元素的限制 并显著影响浮游植物的生 长及种类组成 4 4 4 5 1浮 游植物生长的限 制元素 是 那种在量上 最接近于 维持其生 长所需的最小量的物质 由于水体中拥有丰富的碳 因此有机物的骨架 碳 不会成为水体中浮游植物生长的限制因子 而限制因子往往是浮游植物生命活 动中同 样不可缺少的 氮 磷 硅或铁等营养元素 4 6 营养盐的 浓度及 其比 例 共 同限 制了 浮游植物的 生长 j u s t i c d等14 7 1 通过对营养盐 吸收动力学的 研究 提 出了d in 为1 l m o l l 1 d i p 为0 1 l m o l l l 活性硅为2 l m o l亡是浮游植 物生长所需的最低闽值 这称为营养盐浓度的绝对限制法则 并提出了一个系 统评估何种营养盐为限 制性元素的计量标准 即 若s i d i p 2 2 且d in d i p 2 2 时 则磷为限制性营养元素 若s i d i n 1 且d in d i p 1 0 则氮为 限制性营养元素 若s i d i p 1 0且s i d i n n 2 n 3 n 4 n l e 一 00 1 4 0 09 8 0 1 2 1 泊 9 6 0 1 0 0 0 9 4 0 8 0 0 9 2 0 e 6 0 0 9 00 七 退 0 4 0 0 2 0 0 8 8 0 0 0 08 6 0 n 1 n 2 n 3 处理 祝n 5 图5 4各处理p n 以及d o 的水平比较 第五章 氮磷比 对藻类生长的影响研究 第四节t o c和叶绿素a 的变化 总有机碳 t o c 是以 碳的 含量表示水体中 有机物质总量的综合指标 通 过它可以间接反映水体中的藻类数量 t o c随时间的变化曲 线如图5 5 从图中 可以看出 从试验一开始 各水族箱的t o c一直呈上升趋势 直到3 月2 5日 左右出 现峰值 随后又继续呈现明显的下降趋势 这与藻类的一个完整的生命 周期基本吻合 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 00oo 86 公 日0日 4 0 0 2 oo 0 0 0 峨 幽 r 8 肠扛 心 n 1 1 2 1 1 a r 1 6 m a r 2 0 m a r 2 4 y a r 2 8 m a r 1 a p r 5 a p r 时间 t n 2 心 n 4 袱 n 5 图s j 各处理t o c随时间的变化 藻类都含有丰富的叶绿素 叶绿素包括叶绿素a 叶绿素b 胡萝卜 素等 其中以叶绿素a 的含量最丰富而且最具代表性 藻类的生长依赖于光合作用的进 行不断合成有机物供自 身生命活动的需要 而光合作用离不开叶绿素 图5 6是叶绿素 a随时间的 变化曲 线 从图中可以 看出 叶绿素的 变化与 t o c 基本上是一致的 在实验开始时 原水中的 藻类含量相当 低 因 此叶 绿素a 的含量也维持在一个较低的水平上 随着试验的进行 在合适的温度和光照条 件下 藻类进入了 对数增长期 在试验的第五天左右开始叶绿素a 出现了 直线增 长 一直到3 月2 5日 左右出 现峰值 证明此时藻类的分裂繁殖活动最活跃 随 后随着藻类逐渐进入内源呼吸阶段 死亡率大于繁殖率 水体中的叶绿素a 含量 第五章 氮磷比对藻类生长的影响研究 出 现了显著的下滑 最终一直维持在一个比 较稳定的数量上 3 加r 口 eeee 一 一 250200 1 50oo 的冬 公0 1 m a r 8 m a r 1 3 m a r1 7 i l a r 2 1 m a r 2 5 m a r 2 9 m a r 4 a p r 时间 t n l a n 2ee a ee n 3 洲 n 4 翎 n 5 图5 6各处理c h l a 随时间的变化 图5 7 是不同处理间t o c以及叶绿素a 的水平比 较 从中可以看出 t o c 的大小顺序是 n l n 5 n 3 n 2 n 4 而叶绿素a的大小顺序则为n 3 n 5 n l n 4 n 2 说明n 3 和n 5 的藻类生物量最大 其余三个比 较小 7 2 0 7 0 0 1袖 的要 1月v 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 6 6 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 甲的遏 母 6 0 0 5 8 0 2 0 0 0 5 6 00 0 0 倪 1 n z n 3 处理 n 4 n 5 第五章 氮磷比对藻类生长的影响研究 圈5 7 不同处理t o c以 及叶绿素a 的水平比 较 第五节 叶绿素a 与p h d o以及t o c的相关性分析 相关分析是对自 然界和社会中的两种或多种现象是否相关进行分析的方 法 相关系数是描述两个变量间的线性关系程度和方向的统计量 涉及相关系 数的数学工具是线性相关分析 又称直线相关分析 它研究两个变量间的线性 程度 相关系数通常用r 表示 它没有单位 其值在 1 1 之间 r 等于 1 或一 1 时 其中一个变量记为y可以 确切地用另一变量记为x的线性函数来表示 的绝对值越接近1 则变量xy间线性相关的程度就越大 若变量y随着变量 x 的增减而增减 即两变量变化的方向一致 则这种相关称为正向相关 r大 于零 若变量y随着变量x的增加而减少 变化方向 相反 则称为负相关 r 小 于零 若r等于零 则可认为变量xy不是线性相关 由于我们通常是通过抽样方法 利用样本研究总体的特性 但是由实际情 况抽样而得到的数据总存在抽样误差 即样本中两变量间相关系数不为 0 不 能说明总体中两个变量间的相关系数不是 0 同样样本中两变量间相关系数为 0 也不能保证实际中这两个变量不相关 因此相关分析必须通过检验 检验 的假设是总体中两个变量间的相关系数为0 s p s s 软件的相关分析过程给出该 假设 成立的 概率 一 般的 我们给出 假设成 立概率p的 域值为5 当 概率p小 于5 时则认为原假设不成立 否则接受原假设认为总体两变量相关系数为0 表5 2 是利用s p s s软件计算出来的叶绿素a 分别与p h d o以 及t o c的 相关性分析 表5 2 叶绿素a 分别与p h d c 以 及t o 的 相关性分析 处理 c b l a t o cch l a do c h l a p h n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 r 0 1 8 9 r 0 1 8 7 r 0 5 9 0 r 0 4 1 6 r 0 6 7 7 p 0 4 8 2 p 0 5 0 5 p 0 0 2 0 p 0 1 3 9 p 0 0 0 6 r 0 7 1 9 r 0 6 6 5 r 0 6 6 1 r 0 6 8 7 r 0 5 5 5 p 0 0 0 2 p 0 0 0 7 p 0 0 0 7 p 0 0 0 7 p 0 0 3 2 r 0 7 3 7 r 0 6 7 5 r 0 5 6 8 r 0 6 0 3 r 0 5 1 3 p 0 0 0 1 p 0 0 0 6 p 0 0 2 7 p 0 0 2 2 p er 0 5 1 第五章 氮磷比 对藻类生长的影响研究 注 r 为相关性系数 p 为 假设 两个 变量间的 相关 系数为 的 概率 当p 小 于5 时 认为 原 假设 不成立 两个变量是相关的 从表中可以看出 五个水族箱的叶绿素 a 与d o p h都存在着较强的正相 关性 表明d o p h都随着叶绿素a 的增加而增加 叶绿素a 的增加是藻类大 量增长繁殖的标志 藻类的大量增长 光合作用不断增强 放出大量的氧气 导致溶解氧的增加 同时 随着藻类进行光合作用不断的从水中吸收二氧化碳 影响了 水中