第3章 溶解氧

第三章溶解气体,掌握气体在水中的溶解度概念及影响因素；掌握亨利定律的应用；理解影响气体在水中溶解速率的因素；了解双膜理论的基本要点。掌握水中溶氧的来源、消耗及影响因素，掌握养殖水体溶氧分布变化规律。掌握光合作用化学计量关系式及其应用，掌握补偿深度和初级生产力的概念及初级生产力的黑白瓶测定方法。掌握溶氧在水产养殖生产中的意义水化学与水产养殖生产的重点,本章要求：,溶解氧DO,溶解氧：氧气溶解于水中成为-溶解度：在一定的条件下，氧气在水中溶解达到平衡时，一定量水中溶解氧的含量，称为氧气在指定条件下的溶解度。（V溶解=V逸出）饱和量：天然水中溶解氧的饱和量指在天然水体表面所承受的大气压力下，空气中的氧在水中的溶解度。饱和度：溶解氧实际含量与其同温同盐条件下的饱和量的比。（充氧、水花、气泡病、上下水层）氧盈：溶氧超过饱和度100%以上的量值OS氧债：好气性微生物、有机物的中间产物和无机还原物在溶氧不足条件下池塘理论耗氧量受到抑制的部分OD,第三章溶解气体-1气体在水中的溶解度和溶解速率-2水中氧气的来源与消耗-3溶氧的分布和变化-4溶解氧在水生生态系中的作用-5气体的溶解逸出与气泡病的关系,一、影响气体在水中溶解度的因素：1、温度-水温的升高而降低，温度较低时，温度系数较大。,7.6,8.4,9.2,10.2,11.3,12.8,14.6,DOmg/L,30,25,20,15,10,5,0,温度,2、含盐量-温度、压力一定，含盐量增加，溶解度降低（？）离子的水合作用，空隙减少,6.7,7.2,7.6,8.0,8.4,25,11.3,12.1,13.0,13.8,14.6,0,20000,15000,10000,5000,0,cl-,DO,温度,-1气体在水中的溶解度和溶解速率,WarmerTemperaturesLowerDissolvedOxygen,3.气体的分压-在温度和含盐量一定时，气体在水中的溶解度随液面上该气体分压的增大而升高。亨利定律Cs=KstPCs氧在水中知道溶解度；P达到溶解平衡时，液面上气体的分压；Kst溶解度系数，其数值随温度、水的含盐量而变也与所采用的单位有关。对同一种气体在同一温度下有：式中的压力为P为该组分气体的分压力，与混合气体的总压力无关，气体B的分压力等于混合气体的总压力PT乘以气体B的分压系数B，这就是道尔顿分压定律：PB=PTB即：,4、气体本身的性质：如N2、H2、O2在水中的溶解度较小；而NH3、HCl、CO2在水中的溶解度较大。,通入空气增氧,二、溶解气体在水中的饱和度溶解气体在水中的饱和含量是指在一定的溶解条件下(温度、分压力、水的含盐量)气体达到溶解平衡以后，1L水中所含该气体的量，用ml/L或mg/L表示。饱和度是指溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比：饱和度为100%-溶解平衡当饱和度100%-过饱和，水中气体主要向大气逸出天然水中溶解氧气的饱和含量是指在天然水体表面所承受的大气压力下，空气中的氧气在水中的溶解度。任意大气压下的饱和含量(Cs)换算式：（纯水蒸气压通用，可作湿度饱和）,三、水体空气界面的交换速率当天然水体中氧的饱和度小于100%或大于100%时，空气中的氧将会溶解于水水中的氧却会逸出到空气中。据此，不应该出现水体缺氧现象，但为什么水体常常会出现缺氧现象呢？交换速率的影响。影响交换速率的因素有：1、氧在水中的不饱和程度，饱和程度越高，溶解速率越慢。2、水的温度，越高越快。3、扰动情况：水的运动，水面的风力，机械搅动4、（扩大）与气体本身的性质有关，例如N2、H2、O2在水中的溶解速率较小；而NH3、HCl、CO2在水中的较大。5、水的单位体积表面积（一桶水和一盆水相同的体积喂相同的鱼）dC/dtA/V,一桶水和一盆水同样的水量。不一样的效果,风有时候也决定水体的氧含量和渔产量,气体交换的双膜理论：,气膜,液膜,气相主体,液相主体,气膜顶面,气液界面,液膜底面,在气液界面两侧，分别存在相对温定的气膜和液膜，即使气相和液相呈湍流状态，这两层膜内仍呈层流状态。,流体质点的运动极其紊乱，流向随时改变,流体质点的迹线互相平行,气体主体中的分子溶入液体主体中的过程有四个步骤：1、靠湍流到达气膜。2、靠扩散作用穿过气膜到达气液界面。3、靠扩散穿过液膜。4、靠湍流离开液膜进入液膜内部。因而易溶于水的气体溶解速率的限制因子主要由气膜决定，而难溶于水的气体溶解速率主要由液膜决定。,dG,Adt,D(Cl1-Cl2),=,扩散定律：,其中：dG/Adt为单位时间内穿过扩散层单位面积的气体量或通量（A为总面积）Cl1和Cl2分别为液相界面膜顶面上和底面上气体的浓度D为在水中的扩散系数液相界面膜的厚度,由公式可知道：单位时间内穿过扩散层单位面积的气体量和液相界面膜的厚度成正比；一般情况下：的厚度在0.005到0.1cm，水的扰动会减少扩散层的有效厚度，渔业生产上，在新年的第一次放水清塘之后、水泥池的晴天午后、产卵及孵化池都会有较厚的双膜，较常用的解决办法是浇水，因其中还伴随有很多的底栖物，所以，可用拉网舀去的方法。,一、来源：（1）空气的溶解（开启增氧机）（见表）（2）光合作用：主要来源，与光照条件、水温、水生植物的种类和数量、营养元素的供应情况有关。（3）水流的补给：补水补氧，（静水池塘）效果不好三者的比例在不同的水域或不同的鱼池皆不同。,-2水中氧气的来源与消耗,（1）空气中氧气的溶解,若没有风力或人为搅动，空气溶解增氧速率很慢，远不能满足池塘对氧气的需求。因此，缺氧时需开动增氧机。,.,中午前后开动增氧机，不能促进氧气的溶解，只能加速水中溶氧的逸出，但能使上下水层混合而改善下午光合作用的产氧效率，从而改善晚上的溶氧状况。,空气中氧气溶解的速率与水中溶氧的不饱和程度成正比，还与水面扰动状况及单位体积的表面积有关，也就与风力和水深有关。氧气在水中的不饱和程度大，水面风力大和水较浅时，空气溶解的作用就大（见下表）。,美国的增氧机,美国井水补水补氧,在自然条件下通过单位界面由空气增氧的数量（g/m2.d-1）,（2）植物光合作用,水生植物进行光合作用释放氧气，是养殖水体氧气的重要来源。一般河流、湖泊表层水夏季光合作用产氧速率为：0.5-10g/m2d-1。,光合作用产氧速率与光照条件、水温、水生植物种类、数量、营养元素供给状况等因素有关。气温较高的夏季产氧速率较大，冬季温度较低产氧速率要低一些。,各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化。晴天，一般有光抑制现象，次表层水溶氧量最高，阴天则表层水为最高。适当数量的浮游植物，可增加水体产氧速率。但浮游植物量过大，透明度降低，植物自遮作用使光照不足反而使产氧速率下降。,藻类进行光合作用的最终结果是合成藻体的有机质，浮游植物的平均元素组成可用(CH2O)106(NH3)16H3PO4来表示，光合作用的各元素的计量关系可用下式表示：106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O=(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2,由上式可计算出浮游植物光合作用对P、N、C的需求及释放O2的比例：P：N：C：O2=1：16：106：138(摩尔比)或P：N：C：O2=1：7.2：41：142(质量比)由此得出：浮游植物光合作用释放1mgO2，产生有机碳的量为0.289mg，这对研究水体的初级生产力有重要的意义。,（3）补水、机械、化学药品的作用补水可以补充氧气,补水的同时，可增加缺氧水体氧气的含量。在工厂化流水养鱼中补水补氧是氧气的主要来源。在非流水养殖的池塘中，补水量较小，补水对鱼池的直接增氧作用不大。只有补充氧气含量较高的水，池塘水中氧气少时，补水增氧才具有明显的效果。注入井水一般不会起到增氧作用，因为地下水中氧气含量通常低于池塘。,增氧机增氧；化学增氧：借助一些化学制剂向水中供O2，如过氧化钙CaO2、活性沸石等。,过氧化钙CaO2是白色结晶粉末，与水发生化学反应：CaO2+H2O=Ca(OH)2+O2据研究，1千克过氧化钙可产氧气77800ml,在20纯水中可连续产氧200天以上，在鱼池内施用后1-2个月内均可不断放出氧气。,一般每月施用一次即可，初次每亩用6-12kg，第二次以后可以减半。过氧化钙不仅能增氧而且可增加水体的碱度和硬度，提高pH，保持水体呈微碱性，絮凝有机物及胶粒。能够起到改良水质和底质的作用。,活性沸石施用于池塘时，每千克可带入空气100000毫升，相当21000毫升氧气，并以微气泡放出，增氧效果较好，活性沸石也有吸附异物改良水质、底质的功效。过氧化氢也有一定的增氧效果。,通常水中氧气的来源以光合作用为主,不同研究者对不同类型鱼池氧气来源进行了估算：国外低产鱼池：89%源于光合作用、7%源于空气溶解、4%源于补水。国内高产鱼池：61%源于光合作用、39%源于空气溶解（开增氧机导致空气溶解比例增大)、补水增氧可忽略。,二、消耗（1）水生生物的消耗种类、规格、发育阶段、水温运输和袋装鱼等（2）水中微型生物的呼吸浮游植物（19.1%）、浮游动物（23.5%）、细菌（57.4%）及其他的有机物质。（3）底质耗氧化学耗氧H2S、H2、CH4、FeCO3、NH4+、FeS2。底泥中的有机物、底栖动物、细菌、还原态的无机物.（4）逸出：四项中，（2）占决大部分，（4）可忽略,图,（1）水呼吸耗氧,水呼吸指水中微型生物耗氧，主要包括：浮游动物、浮游植物、细菌呼吸耗氧以及有机物在细菌参与下的分解耗氧。,水呼吸耗氧与耗氧生物种类、个体大小、水温及水中有机物的数量有关。20.5-25.5时浮游动物耗氧的速率为721-932ml(O2)/kgh；原生动物耗氧速率为：1710-3-11103ml(O2)/kgh；据研究，处于迅速生长的浮游植物，每天的呼吸耗氧量占其产氧量的10-20%；有机物耗氧主要决定于有机物的数量和有机物的种类(在常温下是否易于分解)。,前苏联学者对十个湖泊水库的水呼吸组成研究指出：在水呼吸中浮游动物占5-34%，平均23.5%，浮游植物占4-32%，平均19.1%,细菌占44-73%，平均57.4%。可见细菌呼吸耗氧是水呼吸耗氧的主要组成部分。,024681012141618,0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0.,时间1，多云，产氧,时间2，小雨、阴,水呼吸,补偿深度,池塘不同深度水层光合作用日产氧量与水呼吸耗氧,思考题：1、一夏花鱼池2.5亩，放养寸片10万，整个鱼池被浮萍所密盖，某天早晨发现鱼苗全部死亡，现已排除鱼病和药物中毒，请分析原因。2、成鱼池淤泥较厚，三年来未清塘，开春放鱼后，经常缺氧浮头，问应采取那些措施？3、某鱼苗池，鱼苗生长良好，水体透明度10cm，某天早晨发生大量死鱼，同时，透明度变为80cm。现已排除鱼病和药物中毒，请分析原因。,合适的底泥厚度：水泥底池和常规土池的优劣,浮萍和水生高等植物不一定就总是有利,一、日变化（贫营养水体，多近饱和；富营养或受污染水体浓度很不稳定，大起大落，变化很大）,表层水溶氧量变化极大，最大值出现在下午日落之前，最小值则在早晨日出之前由于水中的P-R矛盾运动的必然结果。-利用是怎样防止浮头。,-3溶氧的分布和变化,规律,光合作用,日较差,溶解、补水、机械,无日变化,一般规律(1)其他条件相同时,水体越肥,水中的浮游生物密度越大,日较差较大;(2)在生物与肥料条件相同或近似时,水温高,光照强度大,光合作用进行强烈时日较差大夏季大，冬季小；(3)有上两点：水质肥沃、生物密度大光合作用强烈的鱼池，酷暑季节，表层水中溶氧日较差可变得极大，溶氧量可达饱和度的200%以上，最小溶氧量可在20%以下，严重时可引起鱼贝类死亡。*底层水的变化倾向和表层相似，但量小。,溶氧日变化最大值与最小值的差距，最大值与最小值出现的时间与光照、温度、季节水质、养殖状况相关,日变化规律,二、溶氧的垂直分布规律,夏季溶氧分布的垂直分布日变化,由图,溶氧垂直分布的规律：1、表层水含氧多，底层水少，可能存在跃变层光强在表水层和次表水层的变化，最高不一定在表水层；出现温跃层，影响水的流转混合，溶氧的传递靠扩散。PR运动的必然。深度相差不大的跃温层，温度下降很快，密度和浮力增大较快，表层下降的浮游生物残骸，有机碎屑在此层下降较慢得多，大量的细菌、浮游动物繁殖，耗氧。2、晚上，呼吸、水流、降温缺氧,浮游植物的升降，影响溶氧,三、溶氧的水平分布风向风力白天：下风处的浮游植物产氧和从空气中溶入的氧量都比上风处多。风力越大，差别越大。夜晚：相反。利用：清晨浮头时集中在下风处。判断浮头轻重的一个标准,一般认为：水较深，浮游植物多的鱼池，上风处水中的的溶氧较低，下风处水中溶氧较高。在水中溶氧底层高于表层的情况下，会出现相反的情况。对于较浅的水体（4050厘米）的水体，整个水体的溶氧都过饱和，表层水的溶氧低于底层水。水清见底，水中有大量的底栖藻类生长，也会出现底层高于表层的现象,7.47.26.86.66.0,5.6,7.87.6,8.4,45级风,四、溶氧极值出现的一般规律,1、溶氧最大值通常出现在夏季白天日落之前的表层水中。2、溶氧最小值通常出现：（1）黎明或日出前的表层更多为底层（2）夏季停滞期长期保持分层状态的底层及上风沿岸底层及中层水（3）水质过肥、放养太密、投饵施肥过密、水底淤泥很厚的鱼池、遇上夏季天气炎热、气压低、暴雨强风之后，表层水和地层水发生流转混合，带起淤泥；这时整个水体可能出现低值。死鱼常会发生。,一、溶氧动态对水质的影响最强的氧化剂、呼吸必备,1、决定水质及底质的氧化还原条件,变价元素存在形式由溶氧水平决定，随溶氧的动态变化而发生氧化还原反应,2、决定好气性微生物的活动与分布,3、推测其他非保守成分的含量与分布（变化及动态与生物关系密切的那些水化成分）,溶氧,多,少,好气微生物,嫌气性微生物,CO2、H2O、NO3-、SO42-、PO43-,还原性物质如H2S、NH3、CH4,-4溶解氧在水生生态系中的作用,基本变化,次级变化,表水层PR好气微生物区,（1）溶氧增多，电位升高（2）CO2减少升高，OH-，CO3浓度增大，析出CaCO3Fe（OH）3（3）有效N,P,Si,Fe等减少光呼吸增强，光合成效率下降，限制浮游植物继续增殖（4）浮游植物生物量增加水温升高，透明度下降,Fe2+Fe3+、Mn2+Mn4+、NH3NO2-NO3-,跃变层,底水层、底质PR兼性、厌气性生物区,容氧减少，电位下降,Fe2+Fe3+、Mn2+Mn4+、,SO4S、S2-，NO3-XICHUFS,CO2低级有机酸增多pH下降,H+、HCO3浓度增大CaCO3Fe（OH）3等溶解，NH4+、PO43-等解析，碱度硬度增大,有机物分解植物营养盐再生积累，同时，积累NH3、H2S、有机酸、胺类、CH4等有害物质，抑制生物生长,溶氧动态对水质影响图解,二、溶氧过量或不足对鱼呼吸的影响,MBAO,耗氧率,M,C,B,A,D,dabm,窒死区,生存区,即死区,依存区,自由区,运动量,L,I,S,G,PO2,水中溶氧分压PO2与鱼的耗氧率之间的关系图,（1）AG表示基础代谢耗氧情况：A基础耗氧速率。A为窒息点溶氧分压（2）当水中溶氧分压从a起不断增大，则鱼的耗氧率沿AM升高，活动能力随之加强。PO2大于mPO2