水体富营养化论文Word文档格式.docx

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随着工农业生产大规模地迅速发展，“城市化”现象愈加明显，使得不断增加的人口，集中在一些水源丰富的特定地区。

人口集中的城市排放出的大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业污废水流入湖泊、河流和水库，增加了这些水体的营养物质的负荷量。

同时，在农村，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，使一定数量的植物营养物质以面源的形式最终输送到水体中.据估计，农业地区输出的总磷可达森林地区输出量的10倍以上，而城市径流中的总磷量又可以是农业集水区径流量的7倍左右，城市农业森林地带的地表径流都可能是某种水体富营养化的重要因素。

天然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，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，最终导致鱼类或其他生物大量死亡,水质恶化。

天然富营养化是湖泊水体生长、发育、老化、消亡整个生命史中必经的天然过程，这个过程极其漫长,常常需要以地质年代或世纪来描述其过程。

人为富营养化则是因人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象，它演变的速度非常快，可以在短时期内使水体由贫营养状态变为富营养状态。

水体出现富营养化现象时主要表现为浮游生物大量繁殖，因占优势的浮游生物的颜色不同水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河、湖泊中称为“水华"

，在海洋则称为“赤潮”。

当藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量会下降，水质将恶化，水体味觉和嗅觉变坏,鱼类及其它生物大量死亡,甚至会出现人和动物中毒现象。

研究富营养化的发生发展过程，在某种意义上就是研究某种优势藻类的生长过程。

藻类和某些光合细菌能利用无机盐制造有机质，称为自养型生物.一般认为缓流水体中的自养型生物主要是藻类，通过光合作用利用太阳光能和无机物合成本身的原生质，这就是富营养化过程：

106CO2+16NO3－+HPO42－+122H2O+18H++能量+微量元素——（CH2O）106（NH3）16（H3PO4）+138O2

富营养化状态一旦形成,水体中营养素被水生生物吸收，成为其机体的组成部分，水生生物死亡腐烂过程中，营养素又释放进入水体，再次被生物利用，形成植物营养物质的循环。

因此，富营养化的水体即使切断外界营养物质来源，也很难自净和恢复，因而有时也称之为生态癌症。

理论上，水体富营养化是指水中营养物富集的过程，水体富营养化程度和水体富营养是指状态。

习惯上把处于富营养以上的状态称为水体富营养化。

水体出现严重富营养化现象时,水体中溶解氧下降，水质恶化，水发腥发臭，鱼类及其他生物大量死亡.由于浮游生物大量繁殖，水面往往根据占优势的浮游生物的颜色而呈蓝色、红色、棕色或乳白色等颜色,这种现象在内陆水体中称为“水华”（waterbloom）。

水华爆发是生态系统对富营养化的响应。

二、水体富营养化的危害

水体富营养化是许多湖泊、水库的主要环境问题，被人形象地称为“生态癌”，它的存在已经严重妨碍了对这些水体作为资源的利用,造成了环境和经济的重大损失。

水体富营养化的主要表现特征是：

（1）藻种减少，水体中的蓝藻和绿藻大量繁殖，浮游生物个体数巨增；

（2）由于浮游生物、细菌的大量增加导致水中的悬浮物大量增加，透明度降低；

（3）产生有异味的有机物质;

（4）死亡的藻类残体分解释放使水体维持较高的TN、TP；

水体pH值上升；

（5）水体的氧平衡被破坏。

在富营养化水体中，白天水体表层水可以因藻类的光合作用而获得超过正常水体几倍的氧。

但因表层藻类的遮盖隔离,阳光很难投射到下层水体，因此，下层水体中的光合作用很弱，水体中的氧源很不充足，只能由表层水体中的氧经过对流扩散作用,得到一部分补充，其量有限。

当夜晚表层水体的光合作用停止后，水体中生物的呼吸及分解仍在进行，导致水体中的溶解氧大幅度下降，甚至呈厌氧状态。

当底层水的溶解降低到零时,底部沉积物附近形成还原状态，会引起一系列不良后果,如有机物质无机化不完全,产生甲烷气体:

硝酸盐还原，发生脱氮反应；

硫酸盐还原，产生H2S气体：

底泥中铁、锰、磷等溶出等等:

这些都会影响湖库水质.

（6）在富营养化比较严重的水体中，会频发水华。

在我国五大淡水湖之一的巢湖，几乎每年都发生以铜绿微囊藻为主的水华，犹如水面上流动的绿漆，被风次到沿岸水域后,有时会形成数公分厚的水华层，腐败分解后,发出恶臭，严重破坏湖库的水体功能及周围环境.

湖库环境中，富营养化的危害主要表现在以下几个方面:

（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0.2米，湖水感官性状大大下降。

（3）影响水体的溶解氧

富营养湖泊的表层，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，在富营养湖泊深层，情况就不同,首先是表层的密集藻类使阳光难以透射至湖泊深层,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。

其次，湖泊藻类死亡后不断向湖底沉积，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

富营养化对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、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，2000多种蓝绿藻中有40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。

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，产生的毒素包括：

多肤肝毒素、生物碱类神经毒素、脂多糖内毒素、叶碟吟类毒素等,其中又以微囊藻肝毒素（microcystin，MC）最为常见.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，水中蓝绿藻毒素与肝癌的关系尤其受到关注。

（5）影响供水水质并增加制水成本

湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。

富营养水体在作为供给水源时,会给制水厂带来一系列问题。

首先是在夏日高温藻类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，造成自来水厂过滤池的堵塞和过滤效率降低,需要改善或增加过滤措施。

其次，富营养水体由于缺氧而产生铁、硫化氢、甲烷和氨等有毒有害物质,同时水藻也产生一些有毒物质,在制水过程中，引起饮用水水质下降，更增加了水处理的技术难度,加大了制水成本.这种富含铁的自来水往往会散发出一种令人不快的气味，同时还会在水管内形成铁锈，产生所谓“红水”，使自来水完全丧失功能。

目前，在西方国家，富营养水体已经被禁止作为饮用水源。

（6）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,这种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则显著增加,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。

（7）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、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。

（8）影响旅游和航运

水体一旦发生富营养化，因藻类大量繁殖，水体透明度下降，水质浑浊，水面藻华聚集，臭味弥漫,严重影响湖库的旅游观光，甚至丧失旅游价值.此外，富营养水体中生长的大量浮游生物,还会堵塞航道，影响航运。

三、氮磷营养盐与富营养化的关系

氮、磷与藻类增殖关系

水生生态系统由生物群落和环境条件两部分组成。

按照物种在生态系统中的功能分类，生物群落包括生产者（藻类和水生植物、消费者（鱼类等捕食生物）和分解者（指细菌和一部分原生动物）3部分。

在不受人工影响的湖泊生态系统里,生产者、消费者和分解者各司其职，在太阳能的驱动下，上述三者进行着规模与环境条件的平衡。

但人类的活动打破了这种天然的平衡，使大量的营养盐进入水体，超过了藻类自然生长需求量，在合适条件下使藻类大量繁殖。

丹麦著名生态学家Jorgensen（1983年）指出浮游藻类的生长是富营养化的关键过程。

根据OECD研究的结果，80%的湖泊富营养化受磷元素的制约，大约10%的湖泊与氮元素有关，余下10％的湖泊与其它因素有关，因此着重研究氮、磷负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系，是揭示湖泊富营养化形成机理的主要途径。

根据对藻类化学成分进行的分析研究，提出了藻类的“经验分子式”为C106H2630110N16P，同时，利贝希最小值定律（Liebiglawoftheminimum）指出，植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最少的一种.由此可知，在藻类分子量中所占的重量百分比最小的两种元素氮和磷,特别是磷是控制湖泊藻类生长的主要因素。

大量的实验结果也证实了这一结论。

一般来说，氮和磷被认为是主要的营养元素，特别是磷对湖泊的富营养化具有特殊的作用。

这是由于植物细胞里的磷直接参加光合作用和呼吸、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。

藻类多半利用以磷酸盐、磷酸氢盐和磷酸二氢盐等溶解形式的磷，但也可以吸收有机磷化合物。

大部分氮则是与水体中的生物如藻类、微生物、水中真菌类、动物区系代表种类及高等水生植物等的有机物有关。

有机体死亡时，含氮的有机物质部分被矿质化，然后进入水体深层，或集聚在水底沉积物中。

颇大一部分含氮有机物质沉降到水底，形成营养碎屑，促使淤泥沉积物的生成。

还有一部分有机物质参加循环，从而改变了水域中水生生物群落的营养水平.

在一个富营养化湖泊中，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，乃是湖泊水生生态系统对营养物质和有机物质的富集反应的共同

特征。

根据生态学原理，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。

磷与水体富营养化

磷是生命活动绝对必须的元素。

自然界中的磷主要来源于磷酸盐矿、动物粪便以及化石等天然磷酸盐沉积物.由于过度的矿山开采,大量储藏在地球表面的磷被挖掘出来作为原料制造成化肥,这些化肥在世界范围内被过度地使用.此外,还有大量的磷是施加饲养动物的粪便进入土地的,在很多地区，这些以化肥或动物粪便形式施加到土地中的磷远远超过了土地中产出的磷,因此，这些多余的磷年复一年地累积在土壤中，然后再通过地表径流进入地表水中。

经过调查发现，从土壤中通过地表径流进入到地表水中的磷的总量与土壤中的磷的含量呈线增长的关系。

例如，在爱尔兰，过去的50年里土壤中的磷含量以每年每平方公里100kg的速度增长，伴随着土壤中磷含量增长的同时,地表径流中的无机磷以每年2mg/m3的速度增长.

总之,由于人类的行为使得大量的磷通过各种方式进入水循环,这是水体中的磷负荷增高的主要原因。

而由于环境因素造成水体磷浓度的变化又通过藻类生物量表现出来，当环境中供给的磷总量减少时，水体中的磷浓度降低,影响藻类的生长率,相反，当环境中连续不断地增加磷的供给时藻类便大量迅速地增殖.

氮与水体富营养化

氮是生物生长必需的营养元素。

自然界中的氮主要是以氮气的形式储藏在大气中。

大气圈中的氮气为具有固氮能力的植物与藻类提供了丰富的来源。

水体中的一些藻类由于具有固氮能力，能够把大气中的氮转化为能被水生植物吸收和利用的硝酸盐形式，因而使得藻类能够获得充足的氮营养物质.人类的行为也同样深刻地改变了自然界中的氮循环。

工业的发展导致了化肥与农药的增长，大量的化肥都是由合成胺工业利用大气中的氮气制造出来的。

由于人为原因被固定到陆地生态系统中的氮的总量是其它各种自然原因固定的氮的总量之和。

有统计表明，1950年全球的氮肥产量小于1千万吨，而

到了1990年，这个数字增加到8千万吨，预测到2030年则有可能超过1亿3千5百万吨。

此外,还有大量的氮以动物粪便的形式被施加到耕地中,所有被应用到土地中的氮,只要很少一部分就可以满足植物生长的需要，剩余的氮可能积累在土壤中，或从土地中转移到地表水中，或迁移到地下水中，或通过氨的挥发作用生成NO2进入到大气中.汽油、煤等化石燃料的燃烧也使大量的氮进入到大气中，而它们中的很大一部分最终以降水的形式又回到水体中。

值得注意的是，由于水体中的某些藻类具有固氮能力，当环境中的氮减少时，它们可以自己把大气中的氮通过固氮作用转化为硝酸盐。

因此，与磷元素相比，氮作为湖泊富营养化的限制因素,处于次要地位.

氮、磷比值与藻类增殖

在研究氮磷物质与水质富营养化的过程中,大量事实还表明，氮、磷浓度的比值与藻类增殖有着密切关系。

日本湖泊学家板本曾经研究指出，当湖水的总氮和总磷浓度的比值在10一25：

1的范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在着直线相关关系.日本另一位湖泊学家合田健进而提出,湖水的总氮和总磷浓度的比值在12一13:

1时，最适宜于藻类增殖。

若总氮和总磷浓度之比小于此值时，则藻类增殖可能受到影响。

总之，湖泊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水体系中，营养消费量远远低于营养供给量，从而造成了藻类和其它水生植物的大量生长。

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流动，使整个生态系统逐步走向消亡.

四、富营养化水体的特征

水体富营养化不仅表现为水中藻类或大型水生植物的过度生长，同时引起水体一系列的理化特征变化。

1pH值

水华大多暴发在pH值为弱碱性或碱性的水体中。

在天然水体中，氢离子的浓度并不取决于水分子的离解,而主要取决于水中CO32－、HC03－、CO2的对比关系。

在富营养化水体中，随着富营养化的发展，水的pH值呈现随藻类生长而显著增高的趋势。

这是由于藻类光合作用消耗水中的CO2，致使水中氢离子减少，pH值升高。

2透明度（SD）

使用塞氏盘（SecchiDisc）观测水体透明度己有很长历史。

水体透明度是描述水体光学的一个重要参数，同时也是评价水体富营养化的一个重要指标，能直观反映水体清澈和混浊程度。

水体透明度与光学衰减系数、漫射衰减系数之间存在密切关系。

生物学家经常利用SD来估算真光层深度，用于计算湖泊初级生产力.透明度与太阳辐射、水体的理化性质、悬浮物组成与含量以及气象状况等有密切关系，它受到多种环境因素的影响.

通常情况下，深水的透明度比浅水的透明度大。

在同一湖泊中，对于中小型湖泊来说,一般是湖心透明度大，边缘小。

由于大部分湖泊的透明度呈现随藻类繁殖而明显下降的趋势，所以在富营养化水体中，水体的透明度一般都与反映藻类生长的叶绿素a指标呈现相反的变化趋势。

国际上通常认为透明度小于0.5m是富营养化湖泊的重要特征。

3颜色

严重富营养化水体由于藻类的大量增殖，而带有颜色，如褐色、绿色、黄绿色、红色、乳白色、蓝色、蓝绿色等，因优势藻种不同而使水体具有不同的颜色。

带色藻类飘浮在水面象油漆一样,影响景观。

4气味

富营养化的水体中会因藻类散发出阵阵腥臭，由于底层严重缺氧，厌氧微生物繁殖分解产生H2S,所以常常伴有臭皮蛋味的恶臭.

5溶解氛（DO）

溶解氧是湖泊水体与大气交换平衡以及经化学和生物化学反应后，溶解在水中的氧.洁净水体中的DO一般接近饱和，如果水体受到有机物质和还原性物质污染时,DO会低于饱和值,尤其当藻类在水面形成遮光阻气层时，影响大气氧和水中氧的正常平衡以及水生植物的光合作用受阻，会使深层DO大幅度降低,甚至趋于零值，于是厌氧微生物繁殖,水质恶化，鱼虾等水生生物会因缺氧而死亡。

在藻类大量繁殖季节，水体表层因水生植物光合作用所造成的DO过饱和，而深层水因藻类死亡耗氧所致的缺氧状态是富营养化水体的典型征兆。

研究结果还表明，在浅水湖泊中，平均深度小于2m的情况下,由于易受风的混合作用，表底层水交换强烈,故不呈现明显的DO分层及底层缺氧状态。

6叶绿素a（chla）

根据对湖泊调查的结果发现,所有处于富营养化状态中的湖泊或水库，其表征藻类生长的指标Chla的年均值都处于较高的水平。

例如，中国的滇池（内海）的Chla年均值在1989年就达到了138。

64mg/L,而同年处于贫营养状态的四川邛海的Chla年均只有0。

70mg/L.因此，世界经济合作与开发组织（OECD）就规定了湖泊营养状态的Chla划分标准,大于78mg/L为重富营型。

大量研究表明，叶绿素a含量随季节变化较为明显，其年均变化动态大致可划分为峰形、台型和峰台形。

在富营养化程度较低的水体中，其Chla年变化幅度很小,仅在夏秋生长季内出现一个小高峰.而对重富营养水体,Chla的年变化幅度则较大，在一年中有两个高峰.对于温带地区的富营养湖泊,Chla的变化峰值集中出现在夏、秋生长季节内，在同一数量上波动，秋末开始下降，冬天甚至到初春的Chla值都处于明显的低值水平，其年变动曲线呈现夏、秋为高台形和冬季为低谷形.对于亚热带地区的富营养化湖泊，一年四季中Chla的峰值交替出现，其年变动曲线呈多峰形。

7CODMn

富营养化水体中浮游植物强烈的光合作用生成了大量的有机体，使水体的化学耗氧量明显增高。

杨晓珊通过对滇池外海chla与CODM。

关系研究，认为二者线性相关。

此外，一般情况下湖泊水域的CODMn。

年变化趋势还与藻类的生长相呼应，在夏季达到峰值。

。

五、水体富营养化防治

水体发生富营养化是由过量的营养盐汇入水体并在适宜的气象、水文条件下植物性浮游生物迅速增长而造成的，一般情况下,气象、水文等自然因素难以控制，防治措施主要集中在防止人类各种不合理的活动,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。

从60年代起,全球五大洲的国家不断在湖泊富营养化控制恢复领域进行了广泛深入的研究，发表了大量的研究报告和论文。

取得了以下几个方面的研究

成果：

1980一1996年期间荷兰通过国家和国际合作项目对境内231个湖泊进行了营养负荷削减和改变富营养化状况的研究。

自1980年代初期起，荷兰即采取措施减少磷排放和有限降低氮排放，使TP和TN呈负增长趋势。

从叶绿素a的负增长趋势和SecchiDisk透明度正增长趋势也可部分证明降低营养物质浓度的效果。

对于包括平均浓度、表面面积、水力停留时间和土壤类型所有子集的水质因素得到改善。

荷兰在Naardemeer自然保护区采用对富营养化的湖泊供给无磷酸盐水降低外来营养负荷的办法有效地控制了富营养化。

法国科学家在研究Bart—les-Orgnes水库时发现,外源磷负荷虽然很大，但是内源量也是必须考虑的,去除底泥可有效地防治水体富营养化.

美国威斯康星大学等单位的科学家，曾用检验对两类具有大不相同食物网的湖泊施肥后效果，来说明生物学方法是否能控制湖泊富营养化。

德国采用联合生态技术以减少藻类的增长，在1996—1997年5~8月的两个季节中，用此新技术进行了实验，此种技术主要是将内源的磷沉淀与把富含游离C氏的湖下层水输送到上层结合起来，使整个水体中磷的浓度大幅度地下降。

英格兰在1997年制定了环境问题的全面管理对策，把解决富营养化列为淡水的十大重要问题。

澳大利亚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（如明矾和石膏）抑制水华的发生，取得较好效果。

国内对湖泊富营养化研究的工作起步较晚，且主要集中在湖泊富营养化形成机理和评价体系方面，对富营养化防治技术是近几年才开始的。

国内所采用的方法归纳起来主要包括内、外源的控制、生态工程技术和管理技术:

A、控制氮、磷等营养物的流入

通过工艺改革、产品改进，减少废水中磷的含量。

把洗涤剂中支链型烷基苯磺钠改为磷酸盐的代用品，农业生产上合理控制施肥量，污水分流，投饵养殖时,做好养殖规划，兼顾经济效益和生态效益，把生态效益放在首位。

B、物理方法治理

池塘、水库加强水的交换,当有合适水源时可引入，以起到稀释的作用，带出氮、磷物质以及藻类;

深水湖泊或水库中，设法将深层水排出，降低富营养化程度;

湖泊中采用机械方法进行曝气和促进水的流动，可起到底泥释放磷，改善氧气状况,加强矿化作用，降低浮游植物光合作用等效果;

一般情况下藻类密度较小，因而其絮体不易沉淀，采用气浮可以取得较好的除藻效果.富营养化后蓝藻类“水华”氮含量很高，可收集用于化肥、饲料，减少水体氮、磷负荷.

C、化学方法防治

常用的除草剂有硫酸铜、二氧化抓等。

二氧化氛除草效果较好，但成本较高。

化学药济法应用较为灵活,但使水体增加了新的对鱼健康不利的化学物质。

改善养殖水体环境，增加水中溶解氧含量，可防治养殖过程中藻类的生产。

D、生物防治

生物处理是利用微生物的作用改善水质。

微生物是降解废水、废物的主力军,利用经过遗传工程改造的微生物将成为治理环境污染、保持生态平衡的最有效的方法。

如硝化细菌可去氮去碳,杀灭病毒,降解农药，絮凝水体重金属及有机残物、降解污泥等。

E、生态防治

生态学方法即从生态系统结构和功能进行调整，从营养环节来控制富营养化，使营养物质变为人类需要的终极产品（如鱼等水产品）而不是“水华”。

利用滤食性鱼类直接吞食蓝藻可以作为一种生