水體富營養化成因分析

摘要:水體富營養化防治是世界性的熱點與難點問題，水體發生富營養化，其后果十分的嚴重，因此有必要對水體發生富營養化的成因進行討論。本文基于富營養化發生的機理，即比較廣泛提到的兩種機理—食a物鏈理論和生命周期理論，從氮、磷營養鹽水平，鐵、硅含量，光照強度，溫度，水體動力學(水體流態，風力)和水體更新周期等方面對水體富營養化成因進行分析。目的是為更好地維持水體生態平衡，控制水體污染，預防水體富營養化的發生提供參考。

關鍵詞:富營養化;氮磷;鐵硅;光照;溫度;動力學

水體富營養化，是指由于大量的氮磷等植物性營養元素排入到流速緩慢，更新周期長的地表水體，使藻類等水生生物大量地生長繁殖，使有機物產生的速度遠遠超過消耗速度，水體中有機物積蓄，破壞水生生態平衡的過程[1]。水體富營養化后，由于浮游生物大量繁殖，往往呈現藍色，紅色乳白色等，這種現象在江河湖泊等淡水中稱為水華，而在海水中稱為赤潮。目前，國內外對水體富營養化的形成過程進行了大量的試驗，但是都未達到預期的效果。這說明水體富營養化的研究遠遠落后于實際的需求。因此有必要對水體發生富營養化的成因進行探討。

一、水體富營養化成因的兩種理論

富營養化的發生和發展是水體的整個環境系統出現失衡，導致某種優勢藻類大量生長繁殖的過程。因此要研究富營養化的發生機理和發生條件，實質上是需要了解藻類生長繁衍的過程。

1.1食物鏈理論

這是由荷蘭科學家馬丁#8226;肖頓于1997年6月在“磷酸鹽技術研討會”上提出的[2]。該理論認為，自然水域中存在水生食物鏈。如果浮游生物的數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，發生富營養化。該理論說明營養負荷的增加不是導致富營養化的唯一原因。

1.2生命周期理論

生命周期理論認為含氮和含磷的化合物過多排入水體，破壞了原有的生態平衡，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污染。根據這一理論[3]，氮磷的過量排放是造成富營養化的根本原因，藻類是富營養化的主體，它的生長速度直接影響水質狀態。

藻類光合作用的總反應式:

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量+微量元素→C106H263O110N16P(藻類原生質)+138O2 式(1)

根據Leibig最小因子定律[4]，植物的生長取決于外界供給它們養分最少的一種或兩種，從藻類原生質C106H263O110N16P可以看出，生產1kg藻類，需要消耗碳358g，氫74g，氧496g，氮63g，磷9g，顯然氮磷是限制因子。因此，要想控制水體富營養化，必須控制水體中氮磷等營養鹽的含量及其比例。

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化狀況來看，富營養化產生的原因主要是用后者(生命周期理論)來解釋。

二.富營養化的影響因素

對于不同的水域，由于存在水域地理特性、自然氣候條件、水生生態系統和污染特性等諸多差異，會出現不同的富營養化表現癥狀，即出現不同的優勢藻類種群，并連帶出現各種不同類型的水生生物種類的失衡。水體富營養化的形成是受多種因素影響的，這其中既有自然因素的作用，也有人為因素的作用。

2.1氮磷的作用

氮、磷在水體生態系統中是生物生長需要的重要元素。水體中氮的含量高不一定產生富營養化，只有在藻類大量生長的條件下，富營養化才有可能發生。一般認為[5]，藻類生長需要的氮磷原子比為16∶1。氮和磷在水體循環過程中，由于反硝化作用而損失的氮占全球水體氮的含量的三分之一[6]，由于氮的這種損失，氮磷的比例可能降低，此時，氮可能會成為水體中浮游植物生長限制因素。在氮磷循環的過程中，由于磷在有機質中保持力較氮強，溶解性無機物質對磷有較強的吸附力等原因導致磷的循環較氮慢，可能導致氮磷的比例較高，從而使磷成為藻類生長的限制因子。

2.2鐵硅在水體富營養化中的作用

鐵在營養鹽氮的循環過程中是決定性因素[7]，其原因是鐵是硝酸鹽(氮的固定)、硝酸鹽—亞硝酸鹽還原酶組成成分的重要因子。如果鐵含量高，硝酸鹽—亞硝酸鹽還原酶活性增強，硝酸鹽—亞硝酸鹽氮被還原而損失。可能導致水體氮含量降低，使氮成為藻類生長的限制因素，水體發生富營養化的可能性減少。

水體富營養化的產生是由鞭毛蟲占主體還是硅藻屬占主體來決定的，如果鞭毛蟲占主體水體產生富營養化機率大[8]。水體中硅含量的多少決定水體中浮游生物是鞭毛蟲占優勢還是硅藻屬占優勢。如果水體中氮:硅，磷:硅比例升高，則水體中的浮游生物以鞭毛蟲為主，硅藻屬含量減少，水體發生富營養化機率大。如果氮、硅比例降低，則水體中浮游生物以硅藻屬占優勢，水體產生富營養化機率小。

2.3實際可能營養鹽限制標準

在具體環境條件下，營養鹽的不同比例使它們中的某一種營養鹽成為限制因素。一般認為當營養鹽水平足夠浮游植物生長時，藻類(硅藻)Si∶N∶P的原子比為16∶16∶1。在總結前人結果的基礎上，Justic(1995)等和Dortch等(1992)提出一個系統評估每一種營養鹽的大致限制標準[9]，該標準認為:(1)若Si:P>22和DIN∶P>22;則磷酸鹽為限制因素;(2)若DIN∶P<10和Si∶DIN>1，則溶解無機氮為限制因素;(3)若Si∶P<10和Si∶DIN<1，溶解無機硅為限制因素。如果按照上述標準，每一種營養鹽的理論限制因素成立，而在實際中限制因素不一定成立，可能限制因素只有通過比較水環境營養鹽濃度和可能吸收營養鹽的濃度之后才能確定。

2.4溶解氧、溫度、光照對富營養化的影響

如果水體中表層溶解氧同氮磷的比率低，水體中氮磷過量富積，水體中營養鹽增加，導致氮磷量相對過剩促進浮游藻類等水生植物增加，水體可能產生富營養化。水體中溶解氧含量降低，水生浮游動物(魚類等)呼吸作用所需要的氧量減少，水生浮游動物因缺氧而死亡。水體中浮游動物數量減少，浮游動物所食的營養鹽類(氮磷等)將會增加，水體生態平衡將遭到破壞，水質惡化。

光照和溫度對藻類生長的影響[10]:光強和溫度在一定的范圍內，藻類數量隨光強及溫度的增加而增加，并且溫度的影響大于光強，在20℃-30℃的條件下，當光強從10001x增加到4000lx時，藻類數量增加較快，4000lx以后漸趨平衡，在5000lx基本上達到最大值。如果光照和溫度都較適宜，則藻類過量生長，水體可能產生富營養化。

2.5水體動力學和更新周期對富營養化的影響

我國大部分地區都屬大陸性季風氣候，風力對水體的流動有很大的影響。在風力較適中的季節，由于受風力的作用水流將從水體下部向上流動。在水體流動的過程中，底泥中的營養鹽被水流攪起隨水流進入水體，水體中營養鹽含量增加，為富營養化的發生創造了條件。

水體的流態和水體更新周期與富營養化有著密切的關系。如在長江中上游的三峽庫區江段及其重要支流嘉陵江和烏江，總體水質良好。但是，斷面平均總磷濃度普遍在0.1~0.2mg/L，總氮在3mg/L左右，同滇池外海總磷0.33mg/L、總氮2.13mg/L的營養鹽濃度相當，接近湖泊和水庫V類水質標準。也就是說，水體中的營養鹽濃度水平巳經達到了水體發生富營養化的條件。但目前在長江干流尚未發生水體的富營養化，而滇池已經嚴重的富營養化，分析其原因可能是長江水流流速較快，水體更新周期短，某些藻類在其它條件較適宜情況下，生長尚未達到高峰時，可能被流速較急的水流帶到下游去，藻類生長的條件遭到破壞;與此相反滇池流域內水體流動速度及其他動力學條件都適合藻類的大量生長繁殖，使水體產生富營養化。因此，水流流態和水體更新周期長短是一個十分關鍵的因素。

三、總結

水體富營養化發生原因是多方面的。在水體富營養化日益嚴重的今天，富營養化成因的研究已經取得了一定的成果，但是對于該成因的研究還有待于進一步深入。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測富營養化發生;對于富營養化發生的各項指標還沒有一個被廣泛接受的嚴格量化的界定。因此，系統深入地開展水體富營養化發生原因的研究，對于有效地開展水體富營養化綜合治理與防治具有重大的理論意義和實用價值。