富營養(yǎng)化

 　　1概念

　　富營養(yǎng)化是指生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其它浮游生物迅速繁殖，水體溶氧量下降，魚類及其它生物大量死亡的現(xiàn)象。大量 死亡的水生生物沉積到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水體溶解氧含量急劇降低，水質(zhì)惡化，以致影響到魚類的生存，大大加速了水體的富營養(yǎng)化過程。水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時，由于浮游生物大量繁殖，往往使水體呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等，這種現(xiàn)象在江河湖泊中叫水華(水花)，在海中叫赤潮。在發(fā)生赤潮的水域里，一些浮游生物暴 發(fā)性繁殖，使水變成紅色，因此叫“赤潮”。這些藻類有惡臭、有毒，魚不能食用。藻類遮蔽陽光，使水底生植物因光合作用受到阻礙而死去，腐敗后放出氮、磷等植物的營養(yǎng)物質(zhì)，再供藻類利用。這樣年深月久，造成惡性循環(huán)，藻類大量繁殖，水質(zhì)惡化而又腥臭，水中缺氧,造成魚類窒息死亡。

　　2水體富營養(yǎng)化

　　水體富營養(yǎng)化過程與氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相關(guān)。反映營養(yǎng)鹽水平的指標(biāo)總氮、總磷，反映生物類別及數(shù)量的指標(biāo)葉綠素a和反映水中懸浮物及 膠體物質(zhì)多少的指標(biāo)透明度作為控制湖泊富營養(yǎng)化的一組指標(biāo)。有文獻(xiàn)報道，當(dāng)總磷濃度超過0.1mg/l(如果磷是限制因素)或總氮濃度超過0.3mg/l(如果氮是限制因素)時，藻類會過量繁殖。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)提出富營養(yǎng)湖的幾項指標(biāo)量為：平均總磷濃度大于0.035mg/l;平均葉綠素濃度大于0.008mg/l;平均透明度小于3m。

　　3評價與分級

　　湖泊富營養(yǎng)化評價，就是通過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)的一系列指標(biāo)及指標(biāo)間的相互關(guān)系，對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)作出準(zhǔn)確的判斷。目前我國湖泊富營養(yǎng)化評價的基本方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TII))、營養(yǎng)度指數(shù)法和評分法。

　　富營養(yǎng)化評價

　　卡爾森指數(shù)法是美國科學(xué)家卡爾森在l977年提出來的，這一評價方法克服了單一因子評價富營養(yǎng)化的片面性，而是綜合各項參數(shù)，力圖將單變量的簡易與多變量綜合判斷的準(zhǔn)確性相結(jié)合。卡爾森指數(shù)是以湖水透明發(fā)( D)為基準(zhǔn)的

　　營養(yǎng)狀態(tài)評價指數(shù)。其表達(dá)式為：

　　式中：TSI為卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);SD 為湖水透明度值(m);chla為湖水中葉綠素口含量(mg/m3);TP為湖水中總磷濃度(mg/m3)。

　　綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式為[1]：

　　式中，TLI(Σ)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù); wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

　　以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第J種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為：

　　為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù); 為評價參數(shù)的個數(shù)。

　　中國湖泊的chla與其它參數(shù)之問的相關(guān)關(guān)系

　　及

　　見表1。

idth="96" align="left" sizset="460" sizcache07470315591723733="104"> 參數(shù)	chla	TP	TN	SD
	1	0.84	0.82	-0.83	0.83
	1	0.7056	0.6724	0.6889	0.6889

　　富營養(yǎng)化分級

　　營養(yǎng)狀態(tài)分級為了說明湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)情況，采用O～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級：

　　TLI(Σ)< 30 貧營養(yǎng)(Oligotropher)

　　30≤TLI(Σ)≤50 中營養(yǎng)(Mesotropher)

　　TLI(Σ)> 50 富營養(yǎng)(Eutropher)

　　50

　　60< TLI(Σ)≤70 中度富營養(yǎng)(Middle eutropher)

　　TLI(Σ)> 70 重度富營養(yǎng)(Hyper eutropher)

　　在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重。

　　4預(yù)防

　　防止富營養(yǎng)化，首先應(yīng)控制營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體。治理富營養(yǎng)化水體，可采取疏浚底泥，去除水草和藻類，引入低營養(yǎng)水稀釋和實行人工曝氣等措施。還有生物防治，如引入大型挺水植物與藻類競爭、養(yǎng)殖捕食藻類的魚等抑制藻類繁殖生長。還可在污染水域投放河蚌、鰱魚等，凈化水體。

　　1、絕大多數(shù)水體富營養(yǎng)化主要是外界輸入的營養(yǎng)物質(zhì)在水體中富集造成的。如果減少或者截斷外部輸入的營養(yǎng)物質(zhì)，就使水體失去了營養(yǎng)物質(zhì)富集的可能性。為此，首先應(yīng)該著重減少或者截斷外部營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)，應(yīng)從控制人為污染源著手，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)查清楚排入水體營養(yǎng)物質(zhì)的主要排放源，監(jiān)測排入水體的廢水和污水中的氮、磷濃度，計算出年排放的氮、磷總量，為實施控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的措施提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

　　2、輸入到湖泊等水體的營養(yǎng)物質(zhì)在時空分布上是非常復(fù)雜的。氮、磷元素在水體中可能被水生生物吸收利用，或者以溶解性鹽類形式溶于水中，或者經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)和生物作用而沉降，并在底泥中不斷積累，或者從底泥中釋放進(jìn)入水中。減少內(nèi)源性營養(yǎng)物負(fù)荷，有效地控制湖泊內(nèi)部磷富集，應(yīng)視不同情況，采用不同的方法。

　　3、工程性措施：包括挖掘底泥沉積物、進(jìn)行水體深層曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設(shè)塑料等。挖掘底泥，可減少以至消除潛在性內(nèi)部污染源;深層曝氣，可定期或不定期采取人為湖底深層曝氣而補充氧，使水與底泥界面之間不出現(xiàn)厭氧層，經(jīng)常保持有氧狀態(tài)，有利于抑制底泥磷釋放。此外，在有條件的地方，用含磷和氮濃度低的水注入湖泊，可起到稀釋營養(yǎng)物質(zhì)濃度的作用。

　　4、化學(xué)方法：這是一類包括凝聚沉降和用化學(xué)藥劑殺藻的方法，例如有許多種陽離子可以使磷有效地從水溶液中沉淀出來，其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣，它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物而沉降下來。例如美國華盛頓州西部的長湖是一個富營養(yǎng)水體，1980年10月用向湖中投加鋁鹽的辦法來沉淀湖中的磷酸鹽。在投加鋁鹽后的第四年夏天，湖水中的磷濃度則由原來的65μg/L降到30μg/L，湖泊水質(zhì)有較明顯的改善。在化學(xué)法中，還有一種方法是用殺藻劑殺死藻類。這種方法適合于水華盈湖的水體。殺藻劑將藻殺死后，水藻腐爛分解仍舊會釋放出磷，因此，應(yīng)該將被殺死的藻類及時撈出，或者再投加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥品，將藻類腐爛分解釋放出的磷酸鹽沉降。

　　5、 生物性措施：利用水生生物吸收利用氮、磷元素進(jìn)行代謝活動以去除水體中氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的方法。目前，有些國家開始試驗用大型水生植物污水處理系統(tǒng)凈化富營養(yǎng)化的水體。大型水生植物包括鳳眼蓮、蘆葦、狹葉香蒲、加拿大海羅地、多穗尾藻、麗藻、破銅錢等許多種類，可根據(jù)不同的氣候條件和污染物的性質(zhì)進(jìn)行適宜的選栽。水生植物凈化水體的特點是以大型水生植物為主體，植物和根區(qū)微生物共生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，凈化污水。經(jīng)過植物直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒，同時對重金屬分子也有降解效果。水生植物一般生長快，收割后經(jīng)處理可作為燃料、飼料，或經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣。

　　5危害

　　水體富營養(yǎng)化的危害主要表現(xiàn)在三個方面。

　　(1)富營養(yǎng)化造成水的透明度降低，陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用和氧氣的釋放，同時浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧嚴(yán)重不足，而水面植物的光合作用，則可能造成局部溶解氧的過飽和。溶解氧過飽和以及水中溶解氧少，都對水生動物(主要是魚類)有害，造成魚類大量死亡。(2)富營養(yǎng)化水體底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體，以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素(如石房蛤毒素)也會傷害水生動物。

　　(2)富營養(yǎng)化水中含有亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，會中毒致病等等。

　　(3)水體富營養(yǎng)化，常導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)紊亂，水生生物種類減少，多樣性受到破壞。昆明滇池水質(zhì)在20世紀(jì)50年代處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，到80年代則處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，大型水生植物種數(shù)由50年代的44種降至20種，浮游植物屬數(shù)由87屬降至45屬，土著魚種數(shù)由15種降至4種;武漢漢江在1992年發(fā)生水華時，藻類種群的多樣性指數(shù)也呈下降趨勢。普遍的重富營養(yǎng)造成多種用水功能的嚴(yán)重?fù)p害，甚至完全喪失。武漢漢江下游因出現(xiàn)水華現(xiàn)象而導(dǎo)致漢川自來水廠被迫關(guān)閉，宗關(guān)自來水廠的凈化工序困難，反沖增加，制水成本增加。此外，由于藻類帶有明顯的魚腥味，從而影響飲用水質(zhì)。而藻類產(chǎn)生的毒素則會危害人類和動物的健康。

　　6產(chǎn)生原因

　　一談到水體的富營養(yǎng)化，使人們常常想到總氮、總磷超標(biāo)。誠然，總氮、總磷等營養(yǎng)鹽是發(fā)生富營養(yǎng)化的必要條件。如果水體中總氮、總磷濃度很低，不可能發(fā)生富營養(yǎng)化。反之則不然，水體中總氮、總磷濃度的升高并不一定發(fā)生富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化的發(fā)生和發(fā)展是水體的整個環(huán)境系統(tǒng)出現(xiàn)失衡，導(dǎo)致某種優(yōu)勢藻類大量生長繁殖的過程。因此要研究富營養(yǎng)化的發(fā)生機(jī)理和發(fā)生條件，實質(zhì)上需了解藻類生物諸多差異，會出現(xiàn)不同的富營養(yǎng)化表現(xiàn)癥狀，即出現(xiàn)不同的優(yōu)勢藻類種群，并連帶出現(xiàn)各種不同類型的水生生物種類的失衡。但富營養(yǎng)化發(fā)生所必備的條件基本上是一樣的，最主要的影響因素可以歸納為以下幾個方面：

　?、倏偟偭椎葼I養(yǎng)鹽相對比較充足;

　　②鐵，硅等含量比較適度;

　?、圻m宜的溫度，光照條件和溶解氧含量;

　?、芫徛乃髁鲬B(tài)，水體更新周期長。

　　只有在上述四方面條件都比較適宜的情況下，才會出現(xiàn)某種優(yōu)勢藻類“瘋狂增長” 現(xiàn)象，發(fā)生富營養(yǎng)化。

　　食物鏈理論

　　這是由荷蘭科學(xué)家馬丁·肖頓于1997年6月在“磷酸鹽技術(shù)研討會”上提出的。

　　該理論認(rèn)為，自然水域中存在水生食物鏈。如果浮游生物的數(shù)量減少或捕食能力降低，將使水藻生長量超過消耗量，平衡被打破，發(fā)生富營養(yǎng)化。該理論說明營養(yǎng)負(fù)荷的增加不是導(dǎo)致富營養(yǎng)化的唯一原因。

　　生命周期理論

　　這是近年來普遍為人們所接受的一種理論。

　　它認(rèn)為，含氮和含磷的化合物過多排入水體，破壞了原有的生態(tài)平衡，引起藻類大量繁殖，過多的消耗水中的氧，使魚類、浮游生物缺氧死亡，它們的尸體腐爛又造成水質(zhì)污染。根據(jù)這一理論，氮磷的過量排放是造成富營養(yǎng)化的根本原因，藻類是富營養(yǎng)化的主體，它的生長速度直接影響水質(zhì)狀態(tài)。在合適的光照、溫度、pH值、硅以及其它營養(yǎng)物質(zhì)充分的條件下，植物的生長取決于外界供給它們養(yǎng)分最少的一種或兩種，從藻類原C1o6H~0110N16P可以看出，生產(chǎn)1 kg藻類，需要消耗碳358 g，氫74 g，氧496 g，氮63g，磷9 g，顯然氮磷是限制因子。因此，要想控制水體富營養(yǎng)化，必須控制水體中氮磷等營養(yǎng)鹽的含量及其比例。

　　食物鏈理論和生命周期理論爭論的焦點在于氮磷是否為引起富營養(yǎng)化的主要原因，目前這兩種爭論尚未有最后的定論。但從目前我國水體的富營養(yǎng)化狀況來看，富營養(yǎng)化產(chǎn)生的原因主要是用后者(生命周期理論)來解釋。

　　水體富營養(yǎng)化發(fā)生原因是多方面的。在水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重的今天，富營養(yǎng)化成因的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對于該成因的研究還有待于進(jìn)一步深入。到目前為止，還沒有一套較成熟的理論能夠在實際水體中用來預(yù)測富營養(yǎng)化發(fā)生;對于富營養(yǎng)化發(fā)生的各項指標(biāo)還沒有一個被廣泛接受的嚴(yán)格量化的界定。因此，系統(tǒng)深入地開展水體富營養(yǎng)化發(fā)生原因的研究，對于有效地開展水體富營養(yǎng)化綜合治理與防治具有重大的理論意義和實用價值。

　　長繁衍的過程。對于不同的水域，由于存在水域地理特性、自然氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等。

　　農(nóng)田化肥

　　為促進(jìn)植物生長，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，人們常施用較多的氮肥和磷肥，它們極易在降雨或灌溉時發(fā)生流失。氮磷營養(yǎng)物的流失方式有：(1)隨地表徑流進(jìn)入地面水體中;(2)下滲形成亞表面流(壤中流)，通過土壤進(jìn)行橫向運動，然后排入地表水體中;(3)通過土壤層下滲到地下水中。前2種是導(dǎo)致地表水富營養(yǎng)化的主要原因。近年來的研究表明，磷能以溶解或吸附于土壤上的顆粒態(tài)形式通過土壤微孔結(jié)構(gòu)運動下滲至亞表面流中，然后進(jìn)入江、河、湖泊或海灣，而氮(硝酸鹽氮)的滲透能力較強，能夠下滲到地下水中污染地下水[3]。氮和磷在被土壤吸附與解吸過程中，其中一部分溶解于水中，另一部分則繼續(xù)保持吸附態(tài)，在運動中甚至?xí)S土壤顆粒沉積下來，成為湖、河或海底沉積物的一部分。沉淀在底泥中的污染物在流量、水溫及微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下，可以通過再懸浮、溶解的方式返回水中，構(gòu)成水源的二次污染。據(jù)調(diào)查，太湖底泥每年釋放的總氮和總磷約占總負(fù)荷的25% ～35%[4]。

　　牲畜糞便

　　圈養(yǎng)家禽、家畜尤其是豬會產(chǎn)生大量富含營養(yǎng)物和細(xì)菌的排泄物，極易隨地表徑流、亞表面流流入江河、湖泊而污染水體。此外，農(nóng)田中過量施用家畜糞便，也會引起糞便中的營養(yǎng)物隨地表徑流、亞表面流流失，從而污染水體。草原過度放牧，產(chǎn)生大量牲畜糞便滯留于草原上，造成營養(yǎng)物過剩，并破壞草原的植被覆蓋;當(dāng)降雨產(chǎn)生地表徑流時，植被覆蓋的破壞會加劇土壤、糞便的侵蝕，致使更多的營養(yǎng)物流失，加重污染。

　　污水灌溉

　　污水作為一種可靠的水源和廉價的肥料被用于灌溉農(nóng)田，是污水農(nóng)業(yè)利用的一種提倡方式，目的是通過土壤的凈化作用和農(nóng)作物對營養(yǎng)元素的吸收來凈化污水。但由于一些污水中的營養(yǎng)物含量較高或技術(shù)原因，常常造成土壤和地表水的污染。據(jù)對37個污水灌區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有32個灌區(qū)水質(zhì)不符合要求。

　　城鎮(zhèn)地表徑流

　　城鎮(zhèn)路面大部分是不透水地面，氮磷營養(yǎng)物主要隨地表徑流進(jìn)入地表水中。城鎮(zhèn)中的氮磷營養(yǎng)物主要來自人類的生活垃圾、生活污水及和某些工商業(yè)廢水(如屠宰、食品、造紙、停車場等)。美國環(huán)保局把城市地表徑流列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[5]。

　　礦區(qū)地表徑流

　　在磷礦區(qū)，由于人類活動，破壞了原來的土壤結(jié)構(gòu)和植被面貌，使得土壤表層裸露，在降雨條件下，散落在礦區(qū)的礦渣、泥沙、磷酸鹽等污染物將隨地表徑流進(jìn)入湖泊、水庫、江河、海灣，污染水體。

　　大氣沉降

　　大氣沉降不僅是懸浮顆粒物、有害氣體的來源之一，也是氮的來源之一。燃料燃燒時，氮元素以氮氧化物的形式進(jìn)入空氣，隨雨雪降落在土壤或水體表面，污染地表水源。

　　水體人工養(yǎng)殖

　　許多水體既是水源地，又是人工養(yǎng)殖的場所。隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，人工投放的餌料以及魚類的排泄物給水體帶來了大量的氮磷。目前，國內(nèi)湖庫區(qū)人工養(yǎng)殖的餌料系數(shù)達(dá)3.0～4.0，成為水體富營養(yǎng)化的又一來源。

　　7治理方法

　　對于河湖水體富營養(yǎng)化治理，各個國家和地區(qū)采用不同的物理、化學(xué)、生物方法對其進(jìn)行預(yù)防、控制和修復(fù)，并且取得了一定的成效。現(xiàn)在主要的物理處理方法有底泥疏浚、引水沖洗、機(jī)械曝氣等，一方面工程量巨大、運行成本高，另一方面對污染嚴(yán)重的河湖進(jìn)行底泥疏浚，易導(dǎo)致底層的沉積物發(fā)生懸浮和擴(kuò)散，促進(jìn)了沉積物中的氮、磷營養(yǎng)鹽及其所吸附的金屬離子的釋放，從而使水體環(huán)境面臨受沉積物中釋放的重金屬離子及氮、磷營養(yǎng)鹽二次污染的風(fēng)險;化學(xué)方法有投加混凝劑和除藻劑等，雖然能在短期內(nèi)取得一定效果，但也存在著治理不徹底、成本高的問題，特別是會產(chǎn)生二次污染，引發(fā)新的生態(tài)問題;現(xiàn)流行的生物和生態(tài)修復(fù)，通過微生物降解和水生植物的吸收、轉(zhuǎn)移或生態(tài)浮床、濾床的過濾、吸附等措施來消減水體中的氨氮。此類方法雖避免了二次污染問題，但受自然環(huán)境影響大，要求條件苛刻，同時相對于其它處理技術(shù)而言，更有周期長、見效慢的缺點。 氨氮的富集是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。因此，采用合適的工藝方法快速消減水體中的氨氮，將這些污染物質(zhì)帶離河湖系統(tǒng)，徹底消除產(chǎn)生河湖富營養(yǎng)化問題的根源，使河湖從整體上得到快速凈化，是今后治理河湖富營養(yǎng)化問題的重要方向，目前在日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始這方面的應(yīng)用研究。