水体富营养化过程中营养物质相互作用分析.pdf

第五部分水环境水生态分析评价与质量 管理洲3淀河流的水质普遍较差,多数河流主要接纳上游工业和生活废水,变成了纳污河根据白洋淀生态恶化原因分析结果,结合白洋淀客观条件,作者提出如下几个防止对策:(l )通过跨流域调水补充水量;(2 )合理养殖模式,实现生态养殖;(3)加强 源头控制,减少点源 和 面 源污染;(4 )采用生物技术,进行原位生态修复,恢复白洋淀湿地功能参考文献[1]张笑归,刘树庆,窦铁岭,等.白洋淀水环境污染防治对策[J〕.中国生态农业学报,200 6,14(2):2 7~2 9[2]肖国华.白洋淀水产养殖环境现状及生 态渔业发展思路仁J皿.河北渔业,20 11,214(1 0):4 7一4 9[3〕程朝立,赵军庆,韩晓东.白洋淀湿地近 1 0年水质水量变化规律分析[J口.海河水利,2011,3:1 0一1 2[4〕金送笛,李永函,倪彩虹,等.范草对水中氮磷的吸收及若干影响因素[J〕.生态学报,1 99 4,14(2):16 8一17 3[5]林秋奇,王朝晖,祀桑.水网藻治理水体富营养化 的可行性研究[J〕.生态学报,20 01,21(5 ):81 4 一81 9[6]门谏石,赵芳,崔秀丽.白洋淀水生维管束植物综合利用和净化水质的探讨〔J习.环境科学,19 95,16(S 1):3 2一3 4[7]昊小兰,李巍,马小能微生态制剂 在水 产健康养殖中的应用[J〕.水产科技情报,200 6,33(3):13 0一1 33第五部分水环境水生态分析评价与质 量 管理洲52.1氮物质的来源及氮循环过程氮在 自然界中的循环转化过程,是生物圈内基本的物质循环之一。

如大气中的氮经微生物等作用进人土壤,为动植物所利用,最终又在微生物的参与下返回大气中,如此反覆循环构成陆地生态系统氮循环的主要环节是:生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和 固氮作用川空气中含有大约7 8%的氮气,占有绝大部分的氮元素氮是许多生物过程的基本元素,它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中,是构成诸如D NA等的核酸的4种基本元素之一在植物 中,大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子人为的固氮作用,即化学氮肥的生产和应用如大规模种植豆科植物等有生物固氮能力的作物,以及燃烧矿物燃料生成NO和NO:人为的固氮量很大,估计约占年总固氮量的2 0%一3 0 %随着世界人口的增多,这一 比例将会继续上升农田大量施用氮肥,使排人大气中的N:O不断增多在没有人为干预的自然条件下,反硝化作用产生并排人大气的N:和NZO,与生物固氮作用吸收的N:和平流层中被破坏的N:O是相平衡的N20是一种惰性气体,在大气中可存留数年之久它进入平流层大气 中以后,会消耗其中的臭氧,从而导致到达地面的紫外线辐射量增加施用氮肥的农田排出的地面径流,以及城市和农村的生 活 污水,把大量的氮排人河流、湖泊和海洋,常常造成这些水体的富营养化现象。

2.2磷物质的来源及磷循环过程陆地生态系统的磷循环:岩石的风化向土壤提供了磷植物通过根系从土壤中吸收磷酸盐,动物以植物为食物而得到磷动、植物死亡后,残体分解,磷又回到土壤中在未受人为干扰的陆地生态系统中,土壤和有机体之间几乎是一个封闭循环系统,磷的损失量很少水生生态系统的磷循环:陆地生态系统中的磷,有一小部分由于降雨冲洗等作用而进人河流、湖泊 中,然后归人海洋在水生 生态系统中,磷首先被藻类和水生植物吸收,然后通过食物链逐级传递水生动、植物死亡后,残体分散,磷又进人循环进人水体中的磷,有一部分可能直接沉积于深水底泥,从此不再参加这一 生态循环另外,人类渔捞和鸟类捕食水生生物的活动,也使磷回到陆地生态系统的循环中川人类活动的干预:人类种植的农作物和牧草,吸收土壤 中的磷在 自然经济的农村中,一方面从土地上收获农作物,另一方面把废物和排泄物送回土壤,维持着磷的平衡但商品经济发展 后,人们不断地把农作物和农牧产品运 入城市,城市垃圾和人畜排泄物往往不能返回农田,而 是排人河道,输往海洋这样,农田中的磷含量便逐渐减少贬几飞为补偿磷的损失,必须向农田施加磷肥在大量使用含磷洗涤剂后,城市生活污水中含有较多的磷,某些工业废水也含有丰富的磷,这些废水排人河流、湖泊或海湾,使水中含磷量增高。

磷是一切植物和藻类生 长所必需的营养元素,但天 然水中缺磷现象较为普遍,因为 自然界中存在的含磷化合物的溶解性和迁移能力相对于氮元素等较低,补给量及补给速率也比较小,因此,磷对水体初级生产力的限制性作用比氮等元素更强,所以磷是植物和藻类的限制性元素现代社会由于人类因素的影响,尤其是含磷洗衣粉的大量应用,导致大量水体出现了人为富营养化现象,造成了环境的破坏通过科学研究,一般认为磷是限制藻类增殖的最重要因素,水体中磷的 含量现在通常被人们认为是富营养化的标志性元素2.3氮磷循环的特点决定富营养形成过程中磷是 关键因子生物圈的氮循环是完全循环或称气体型循环大气是最大的氮库,N:高达 7 8%生物可利用氮是化合态氮,均直接或间接地来 自大气固氮途径包括生物固氮(如藻类及细菌作用形成有机氮)(占总量的53%)、闪电固氮(N:和():化合形成NO、) (2%)、化石燃料燃烧(产生N()、)(10%)和工业固氮(如N:与H:合成氨肥)(3 6%)等过 程困而在厌氧条件下,化合态氮又可被脱氮菌还原成N:回归到大气中这个循环过 程为湖泊藻类提供了几乎取之不尽的氮源富营养化湖泊藻类固氮洲6中国水文科技新发展量平均占全部氮输入的2 8%( 6%一8 2%)。

因此,即使有效地控制了氮输人,湖泊藻类最终也不会因缺氮而受到限制磷循环是不完全循环或沉积型循环磷主要储藏在岩石和 土壤中,经天然侵蚀或人为开采流人水域,短期循环后大部分磷流失到海洋沉积层,直到经过地质活动才又被利用起来,周期往往长达数万年在此过程中,部分磷经由地表径流和废污水排放等途径流入湖泊,或被生物吸收,或沉入湖底由于来源有限,且容易沉积,磷对湖泊初级生产的限制作用必然比氮更强4氮、磷营养物质在富营养化形成过程中的作用4.1最小作用因子定律德国农业化学家J.Li eb ig在184年研究营养元素与植物生长的关系时发现:植物生长并非经常受到大量需要的自然界中丰富的营养物质如水和C〔 ):的限制,而是受到一些需要量小的微量元素如硼的影响例如,当土壤中的氮可以维持250kg产量,钾可以维持50 0kg,磷可以维持35 0kg,则实际产量只有25 0kg;如果多施1倍的氮,产量将停留在35 0kg左 右,因为这时产量为钾所限制IJi eb ig指 出“植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养元素”,后人称之为IJi ebig最小因子定律最小因子法则是:每一种植物都需要一定数量、一定种类的营养物质,如果这种营养物质完全缺失,那么植物就无法正常生长,如果这种营养物质数量极微少,那么植物的生长就会受到不良影响。

Li eb ig在184 0年提出“植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养元素”其基本 内容是:低于某种生物需要的最小量的任何特定因子,是决定该种生物生存和分布的根本因素进一步研究表明,这个理论也适用于其他生物种类或生态因子因因此,后人称此理论为利比希最小因子法则4.2氮、磷营养物质对富营养化形成的作用国际经济合作与开发组织对水质富营养化的研究表明:氮、磷等营养物质的输人和富集是水体发生富营养化的最主要原因根据对 藻类化学成分进行分析研究,提出 了藻类的“经验 分子式”为Clo6H2 3 6011、 N16P,利比希最小作用因子定律指 出,植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最小的一种囚由此可见,在藻类分子式中所 占的重量百分比最小的两种元素氮和磷,特别是磷,是控制水体藻类生长的主要因素在研究氮、磷物质与水质富营养化过程中,氮、磷浓度的比值与藻类增殖有密切关系日本湖泊科学家研究指 出,当湖水的总氮和总磷浓度的比值在10,1~15,1的范围内时,藻类生长与氮、磷浓度存在直线相关关系L’随着研究的深人,确定出湖水的总氮和总磷浓度的比值在12,1一13,1时最适宜于藻类增殖若总氮和总磷浓度之比大于或小于此值时,则藻类增殖可能受到影响。

根据河北省1 2座大型水库2009一2 0H年水质监测资料,分析了水库富营养物质总氮和总磷的比值表1是河北省大型水库2009一2 0n年水体中总氮和总磷含量比例表l河北省大型水库氮、磷含t监测结果设计总库容/l()8m3年平均氮磷比(总氮:总磷) 水库名称流域面积/kmZ20 0 9年2010年2(川年3 17 01 1 36 22 8 01 1 82 91 7 71 6 91 4 53 8 :1 3 13 5 4. ... ⋯⋯. ⋯凸凸冷731 4 劝疙们自†,.上,OJn 乙†曰-qŽ, 1 .l]‘1J . .l阴8 9 3 70 23 .1 3l lL东武仕水库岳城水库朱庄水库临城水库岗南水库黄壁庄水库安各庄水库王快水库西大洋水库云州水 库34 018 1001 2 203 8 415 90 02340046 737704 42D1 1 70、片 :{!几. 军3 5:112 5,12 84,16 2:l28 6:1248:l25,l19 7,l15 5:l201:l第 五部分水环境水 生态分析评 价与质 量管理洲7续表设计 总库 容/108m3年平均氮磷比(总氮,总磷) 水库名称流域面积/km艺20 09年2010年201 1年9 22 4 71 4 42 01 2 26 98 01 71 8 01 0 47 2 3 4友谊水库桃林口洋河水库邱庄水库2 2505 0 6075 552 51.168. 593.862.04从监测资料结果可以看出,各水库的氮磷比变化幅度较大,最小的为邱庄水库2010年计算结果,为17:1;最大者为朱庄水库Zon年计算结果,为41 3,1,相差2 4倍。

而且同一水库的检测结果,年际之间变化也很大,如友谊水库29年的氮磷比为1 81,而ZOn年则为9 2,1,相差一倍多通过实测资料分析,各水库中总磷的监测结果大于或等于该监测方法的检出限(国家标准GB11893一1989中,总磷最低检出限为0.01mg/IJ);地表水环境质量标准(G B38 38一20 02)中,总氮的环境质量标准目标准限值分别为:工类毛2 mg/L、n类毛5mg/ IJ、m类镇1.0mg/ IJ、W类镇1.5mg/ IJ、V类镇2.0mg/L,水库中总氮监测结果,最高达6.8 7mg/ IJ(朱庄水库ZOn年9月监测结果)从分析结果可以看出,河北省各水库水体中总氮的含量较高,而总磷的含量相对较低,大部分在该监测方法的最低检出浓度附近根据最小作用因子定律,结合河北省水体中氮、磷含量比例得出:水体中总磷是形成富营养化的关键因子以总磷的含量决定形成富营养化的程度从ZOn年部分水库开展的叶绿素监测来看,以黄壁庄水库为例,总氮监测结果范围在1.一3.5mg/IJ之间,总磷范围在一0.0 6mg/I、之间,叶绿素范围在一1.6mg/L之间水体中高含量的总氮,对叶绿素的生成并不成正比例关系,而是总磷的含量控制着叶绿素的形成。

综合中外最新研究和氮、磷循环分析,归纳出一个普适性规律,即在数月至数年的尺度上,消减氮负荷并不能控制浮游藻类的总量,只有控制磷含量才能长期有效地治理富营养化及蓝藻水华6结论通过对氮循环、磷循环及其来源分析,自然界中总氮的来源丰富,而总磷的来源相对少得 多通过河北省各水库监测资料分析,水体中总氮的含量比总磷的含量高上百倍,甚至高达100 0倍根据最小作用因子定律,氮、磷等营养物质的输人和富集是水体发生富营养化的最主要原因而总氮含量大,总磷含量小,则总磷作为控制因子,控制水体富营养化的形成和发展因此,在治理水体富营养化过程中,控制总磷的输人量效果最佳参考文献[1]鲁杰,王丽燕.湖泊富营养化模型研究现状及其发展趋。