富营养化

 　　1概念

　　富营养化是指生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，鱼类及其它生物大量死亡的现象。大量 死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量急剧降低，水质恶化，以致影响到鱼类的生存，大大加速了水体的富营养化过程。水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华(水花)，在海中叫赤潮。在发生赤潮的水域里，一些浮游生物暴 发性繁殖，使水变成红色，因此叫“赤潮”。这些藻类有恶臭、有毒，鱼不能食用。藻类遮蔽阳光，使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去，腐败后放出氮、磷等植物的营养物质，再供藻类利用。这样年深月久，造成恶性循环，藻类大量繁殖，水质恶化而又腥臭，水中缺氧,造成鱼类窒息死亡。

　　2水体富营养化

　　水体富营养化过程与氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相关。反映营养盐水平的指标总氮、总磷，反映生物类别及数量的指标叶绿素a和反映水中悬浮物及 胶体物质多少的指标透明度作为控制湖泊富营养化的一组指标。有文献报道，当总磷浓度超过0.1mg/l(如果磷是限制因素)或总氮浓度超过0.3mg/l(如果氮是限制因素)时，藻类会过量繁殖。经济合作与发展组织(OECD)提出富营养湖的几项指标量为：平均总磷浓度大于0.035mg/l;平均叶绿素浓度大于0.008mg/l;平均透明度小于3m。

　　3评价与分级

　　湖泊富营养化评价，就是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系，对湖泊的营养状态作出准确的判断。目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TII))、营养度指数法和评分法。

　　富营养化评价

　　卡尔森指数法是美国科学家卡尔森在l977年提出来的，这一评价方法克服了单一因子评价富营养化的片面性，而是综合各项参数，力图将单变量的简易与多变量综合判断的准确性相结合。卡尔森指数是以湖水透明发( D)为基准的

　　营养状态评价指数。其表达式为：

　　式中：TSI为卡尔森营养状态指数;SD 为湖水透明度值(m);chla为湖水中叶绿素口含量(mg/m3);TP为湖水中总磷浓度(mg/m3)。

　　综合营养状态指数公式为[1]：

　　式中，TLI(Σ)表示综合营养状态指数;TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数; wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

　　以chla作为基准参数，则第J种参数的归一化的相关权重计算公式为：

　　为第j种参数与基准参数chla的相关系数; 为评价参数的个数。

　　中国湖泊的chla与其它参数之问的相关关系

　　及

　　见表1。

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

　　富营养化分级

　　营养状态分级为了说明湖泊富营养状态情况，采用O～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级：

　　TLI(Σ)< 30 贫营养(Oligotropher)

　　30≤TLI(Σ)≤50 中营养(Mesotropher)

　　TLI(Σ)> 50 富营养(Eutropher)

　　50

　　60< TLI(Σ)≤70 中度富营养(Middle eutropher)

　　TLI(Σ)> 70 重度富营养(Hyper eutropher)

　　在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。

　　4预防

　　防止富营养化，首先应控制营养物质进入水体。治理富营养化水体，可采取疏浚底泥，去除水草和藻类，引入低营养水稀释和实行人工曝气等措施。还有生物防治，如引入大型挺水植物与藻类竞争、养殖捕食藻类的鱼等抑制藻类繁殖生长。还可在污染水域投放河蚌、鲢鱼等，净化水体。

　　1、绝大多数水体富营养化主要是外界输入的营养物质在水体中富集造成的。如果减少或者截断外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性。为此，首先应该着重减少或者截断外部营养物质的输入，控制外源性营养物质，应从控制人为污染源着手，应准确调查清楚排入水体营养物质的主要排放源，监测排入水体的废水和污水中的氮、磷浓度，计算出年排放的氮、磷总量，为实施控制外源性营养物质的措施提供可靠的科学依据。

　　2、输入到湖泊等水体的营养物质在时空分布上是非常复杂的。氮、磷元素在水体中可能被水生生物吸收利用，或者以溶解性盐类形式溶于水中，或者经过复杂的物理化学反应和生物作用而沉降，并在底泥中不断积累，或者从底泥中释放进入水中。减少内源性营养物负荷，有效地控制湖泊内部磷富集，应视不同情况，采用不同的方法。

　　3、工程性措施：包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等。挖掘底泥，可减少以至消除潜在性内部污染源;深层曝气，可定期或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，有利于抑制底泥磷释放。此外，在有条件的地方，用含磷和氮浓度低的水注入湖泊，可起到稀释营养物质浓度的作用。

　　4、化学方法：这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，例如有许多种阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝和钙，它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。例如美国华盛顿州西部的长湖是一个富营养水体，1980年10月用向湖中投加铝盐的办法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓度则由原来的65μg/L降到30μg/L，湖泊水质有较明显的改善。在化学法中，还有一种方法是用杀藻剂杀死藻类。这种方法适合于水华盈湖的水体。杀藻剂将藻杀死后，水藻腐烂分解仍旧会释放出磷，因此，应该将被杀死的藻类及时捞出，或者再投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。

　　5、 生物性措施：利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法。目前，有些国家开始试验用大型水生植物污水处理系统净化富营养化的水体。大型水生植物包括凤眼莲、芦苇、狭叶香蒲、加拿大海罗地、多穗尾藻、丽藻、破铜钱等许多种类，可根据不同的气候条件和污染物的性质进行适宜的选栽。水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，净化污水。经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属分子也有降解效果。水生植物一般生长快，收割后经处理可作为燃料、饲料，或经发酵产生沼气。

　　5危害

　　水体富营养化的危害主要表现在三个方面。

　　(1)富营养化造成水的透明度降低，阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足，而水面植物的光合作用，则可能造成局部溶解氧的过饱和。溶解氧过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物(主要是鱼类)有害，造成鱼类大量死亡。(2)富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，以及一些浮游生物产生的生物毒素(如石房蛤毒素)也会伤害水生动物。

　　(2)富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，会中毒致病等等。

　　(3)水体富营养化，常导致水生生态系统紊乱，水生生物种类减少，多样性受到破坏。昆明滇池水质在20世纪50年代处于贫营养状态，到80年代则处于富营养化状态，大型水生植物种数由50年代的44种降至20种，浮游植物属数由87属降至45属，土著鱼种数由15种降至4种;武汉汉江在1992年发生水华时，藻类种群的多样性指数也呈下降趋势。普遍的重富营养造成多种用水功能的严重损害，甚至完全丧失。武汉汉江下游因出现水华现象而导致汉川自来水厂被迫关闭，宗关自来水厂的净化工序困难，反冲增加，制水成本增加。此外，由于藻类带有明显的鱼腥味，从而影响饮用水质。而藻类产生的毒素则会危害人类和动物的健康。

　　6产生原因

　　一谈到水体的富营养化，使人们常常想到总氮、总磷超标。诚然，总氮、总磷等营养盐是发生富营养化的必要条件。如果水体中总氮、总磷浓度很低，不可能发生富营养化。反之则不然，水体中总氮、总磷浓度的升高并不一定发生富营养化。富营养化的发生和发展是水体的整个环境系统出现失衡，导致某种优势藻类大量生长繁殖的过程。因此要研究富营养化的发生机理和发生条件，实质上需了解藻类生物诸多差异，会出现不同的富营养化表现症状，即出现不同的优势藻类种群，并连带出现各种不同类型的水生生物种类的失衡。但富营养化发生所必备的条件基本上是一样的，最主要的影响因素可以归纳为以下几个方面：

　　①总氮总磷等营养盐相对比较充足;

　　②铁，硅等含量比较适度;

　　③适宜的温度，光照条件和溶解氧含量;

　　④缓慢的水流流态，水体更新周期长。

　　只有在上述四方面条件都比较适宜的情况下，才会出现某种优势藻类“疯狂增长” 现象，发生富营养化。

　　食物链理论

　　这是由荷兰科学家马丁·肖顿于1997年6月在“磷酸盐技术研讨会”上提出的。

　　该理论认为，自然水域中存在水生食物链。如果浮游生物的数量减少或捕食能力降低，将使水藻生长量超过消耗量，平衡被打破，发生富营养化。该理论说明营养负荷的增加不是导致富营养化的唯一原因。

　　生命周期理论

　　这是近年来普遍为人们所接受的一种理论。

　　它认为，含氮和含磷的化合物过多排入水体，破坏了原有的生态平衡，引起藻类大量繁殖，过多的消耗水中的氧，使鱼类、浮游生物缺氧死亡，它们的尸体腐烂又造成水质污染。根据这一理论，氮磷的过量排放是造成富营养化的根本原因，藻类是富营养化的主体，它的生长速度直接影响水质状态。在合适的光照、温度、pH值、硅以及其它营养物质充分的条件下，植物的生长取决于外界供给它们养分最少的一种或两种，从藻类原C1o6H~0110N16P可以看出，生产1 kg藻类，需要消耗碳358 g，氢74 g，氧496 g，氮63g，磷9 g，显然氮磷是限制因子。因此，要想控制水体富营养化，必须控制水体中氮磷等营养盐的含量及其比例。

　　食物链理论和生命周期理论争论的焦点在于氮磷是否为引起富营养化的主要原因，目前这两种争论尚未有最后的定论。但从目前我国水体的富营养化状况来看，富营养化产生的原因主要是用后者(生命周期理论)来解释。

　　水体富营养化发生原因是多方面的。在水体富营养化日益严重的今天，富营养化成因的研究已经取得了一定的成果，但是对于该成因的研究还有待于进一步深入。到目前为止，还没有一套较成熟的理论能够在实际水体中用来预测富营养化发生;对于富营养化发生的各项指标还没有一个被广泛接受的严格量化的界定。因此，系统深入地开展水体富营养化发生原因的研究，对于有效地开展水体富营养化综合治理与防治具有重大的理论意义和实用价值。

　　长繁衍的过程。对于不同的水域，由于存在水域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等。

　　农田化肥

　　为促进植物生长，提高农产品的产量，人们常施用较多的氮肥和磷肥，它们极易在降雨或灌溉时发生流失。氮磷营养物的流失方式有：(1)随地表径流进入地面水体中;(2)下渗形成亚表面流(壤中流)，通过土壤进行横向运动，然后排入地表水体中;(3)通过土壤层下渗到地下水中。前2种是导致地表水富营养化的主要原因。近年来的研究表明，磷能以溶解或吸附于土壤上的颗粒态形式通过土壤微孔结构运动下渗至亚表面流中，然后进入江、河、湖泊或海湾，而氮(硝酸盐氮)的渗透能力较强，能够下渗到地下水中污染地下水[3]。氮和磷在被土壤吸附与解吸过程中，其中一部分溶解于水中，另一部分则继续保持吸附态，在运动中甚至会随土壤颗粒沉积下来，成为湖、河或海底沉积物的一部分。沉淀在底泥中的污染物在流量、水温及微生物结构发生变化的情况下，可以通过再悬浮、溶解的方式返回水中，构成水源的二次污染。据调查，太湖底泥每年释放的总氮和总磷约占总负荷的25% ～35%[4]。

　　牲畜粪便

　　圈养家禽、家畜尤其是猪会产生大量富含营养物和细菌的排泄物，极易随地表径流、亚表面流流入江河、湖泊而污染水体。此外，农田中过量施用家畜粪便，也会引起粪便中的营养物随地表径流、亚表面流流失，从而污染水体。草原过度放牧，产生大量牲畜粪便滞留于草原上，造成营养物过剩，并破坏草原的植被覆盖;当降雨产生地表径流时，植被覆盖的破坏会加剧土壤、粪便的侵蚀，致使更多的营养物流失，加重污染。

　　污水灌溉

　　污水作为一种可靠的水源和廉价的肥料被用于灌溉农田，是污水农业利用的一种提倡方式，目的是通过土壤的净化作用和农作物对营养元素的吸收来净化污水。但由于一些污水中的营养物含量较高或技术原因，常常造成土壤和地表水的污染。据对37个污水灌区调查发现，有32个灌区水质不符合要求。

　　城镇地表径流

　　城镇路面大部分是不透水地面，氮磷营养物主要随地表径流进入地表水中。城镇中的氮磷营养物主要来自人类的生活垃圾、生活污水及和某些工商业废水(如屠宰、食品、造纸、停车场等)。美国环保局把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[5]。

　　矿区地表径流

　　在磷矿区，由于人类活动，破坏了原来的土壤结构和植被面貌，使得土壤表层裸露，在降雨条件下，散落在矿区的矿渣、泥沙、磷酸盐等污染物将随地表径流进入湖泊、水库、江河、海湾，污染水体。

　　大气沉降

　　大气沉降不仅是悬浮颗粒物、有害气体的来源之一，也是氮的来源之一。燃料燃烧时，氮元素以氮氧化物的形式进入空气，随雨雪降落在土壤或水体表面，污染地表水源。

　　水体人工养殖

　　许多水体既是水源地，又是人工养殖的场所。随着养殖业的发展，人工投放的饵料以及鱼类的排泄物给水体带来了大量的氮磷。目前，国内湖库区人工养殖的饵料系数达3.0～4.0，成为水体富营养化的又一来源。

　　7治理方法

　　对于河湖水体富营养化治理，各个国家和地区采用不同的物理、化学、生物方法对其进行预防、控制和修复，并且取得了一定的成效。现在主要的物理处理方法有底泥疏浚、引水冲洗、机械曝气等，一方面工程量巨大、运行成本高，另一方面对污染严重的河湖进行底泥疏浚，易导致底层的沉积物发生悬浮和扩散，促进了沉积物中的氮、磷营养盐及其所吸附的金属离子的释放，从而使水体环境面临受沉积物中释放的重金属离子及氮、磷营养盐二次污染的风险;化学方法有投加混凝剂和除藻剂等，虽然能在短期内取得一定效果，但也存在着治理不彻底、成本高的问题，特别是会产生二次污染，引发新的生态问题;现流行的生物和生态修复，通过微生物降解和水生植物的吸收、转移或生态浮床、滤床的过滤、吸附等措施来消减水体中的氨氮。此类方法虽避免了二次污染问题，但受自然环境影响大，要求条件苛刻，同时相对于其它处理技术而言，更有周期长、见效慢的缺点。 氨氮的富集是造成水体富营养化的主要原因之一。因此，采用合适的工艺方法快速消减水体中的氨氮，将这些污染物质带离河湖系统，彻底消除产生河湖富营养化问题的根源，使河湖从整体上得到快速净化，是今后治理河湖富营养化问题的重要方向，目前在日本等少数发达国家已经开始这方面的应用研究。