富營養化湖泊治理研究綜述

劉偉　晏娟

摘 要：湖泊富營養化是指湖泊生產力水平逐步由較低的貧營養狀態向較高的富營養狀態轉變的現象。控制營養鹽輸入是湖泊治理的關鍵，但對于削減外源污染物，是控磷還是控氮，學術界一直存在爭議。一是認為磷是藻類生長的主要限制因子，只需控磷。二是認為氮也是藻類主要生長限制因子，必須控氮。針對我國湖泊生態系統中氮磷含量具有顯著的時空異質性特點，藻類生長過程中的限制因子可能隨季節發生變化，因此建議富營養化湖泊治理在控磷的同時也要控氮，并且要加強外源和內源污染控制。

關鍵詞：富營養化；湖泊；控磷；控氮

中圖分類號 X52 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）08-121-03

Abstract：Eutrophication are lakes gradually from a low level of productivity oligotrophic eutrophic state to a high state. Controlling nutrient input is the key governance lake.But for the reduction of exogenous pollutants，is to control phosphorus or nitrogen control has been controversial. Some people believe control phosphorus emissions is critical，because phosphorus is the main limiting algae growth factor；other people believe that control nitrogen emissions is critical，because nitrogen is the limiting factor for the growth of algae.In our lake ecosystem，the content of nitrogen and phosphorus has a significant features - temporal and spatial heterogeneity. Algae growth process，limiting factors may vary with the seasons. Therefore，the proposed lake management is necessary to control the emission of phosphorus also control nitrogen emissions. Meanwhile，we should strengthen the exogenous and endogenous pollution control.

Key words：Eutrophication；Lake；Control emissions of phosphorus；Control emissions of nitrogen

湖泊富營養化是指湖泊水體在自然因素和人類活動的影響下，大量營養鹽輸入水體，使湖泊生產力水平逐步由較低的貧營養狀態向較高的富營養狀態轉變的現象。我國湖泊富營養化的發展趨勢十分嚴峻，截至20世紀90年代后期，富營養化湖泊占調查湖泊的比例已經高達77%。在26個國控重點湖泊中，水體中氮磷污染較高，相當一部分湖泊發生了水華災害。特別是銅綠微囊藻水華會釋放出微囊藻毒素，引起水生生物、鳥類、畜類死亡。2007年太湖藍藻水華事件，致使無錫市500萬人的飲用和生活用水嚴重短缺。因此，湖泊富營養化治理是我國面臨的重大水環境問題。

富營養化湖泊治理的關鍵是控制營養物的輸入，國際上一般認為湖水中總氮（TN）達0.2mg/L、總磷（TP）達0.02mg/L是富營養化發生的閾值[1]。氮是浮游植物生長過程中蛋白質合成的重要元素，而磷元素對于藻細胞合成DNA、RNA以及能量代謝過程具有重要作用。氮、磷、或者兩者共同影響浮游植物生長、生物量和群落結構。而基于限制性因子原理，以實驗室藻類生長瓶法測定結果為依據，可以確定藻類在生長過程中的主要限制性因子。水體中總氮與總磷之比（質量比）可以用來判別浮游藻類的營養鹽限制類型和評估水體營養結構。氮磷比較大時藻類生長受磷限制（TN/TP>17），氮磷比較小時受氮限（TN/TP<10）[2]。氮磷比中等時受二者共同限制。但是，對于富營養化湖泊治理削減外源污染物，是控磷還是控氮，學術界一直存在爭議。

1 磷是主要限制因子，只需控磷

早期的研究認為，在淡水生態系統中，磷是水體生產力的主要限制因子，通常認為磷的作用大于氮。通過對葉綠素與總氮總磷進行相關性分析，研究結果表明葉綠素與總磷具有較大正相關性，而與總氮相關性小，說明磷素是我國湖泊富營養化的主要限制因子[3]。其次，磷素的循環特點也決定其是湖泊中藻類生長的主要限制因子。磷循環屬于不完全循環或稱沉積型循環，磷主要儲藏在巖石和土壤中，循環周期長，且容易沉積[2]。

歐美幾個湖泊的治理實踐證實控磷可有效控制藻類水華，最典型的案例是對美國西雅圖華盛頓湖的治理。自20世紀30年代，因生活污水大量排入湖中，總磷濃度顯著上升，湖泊富營養化嚴重，藍藻水華持續發生。1936-1968年全面實施以控磷為主的截污工程，總磷濃度顯著降低，而硝態氮和凱氏氮變化不顯著。同時，浮游藻類總量顯著減少，藍藻優勢顯著削弱，1962-1968年占90%以上，而1976-1978年所占比例降低到20%以下[2]。由此可見，控磷是該湖富營養化得以控制的主要原因。此外，由于減氮工作的周期長、成效低且費用高，而控制磷污染的方法很多，比如投放明礬、鹽等物質再進行沉淀就能取得一定成效，且費用相對低廉。因此專家建議，解決水體富營養化問題，應該主要控磷，可放寬甚至取消對氮的排放限制，從而大大降低水體富營養化的治理成本。endprint

此外，國外科學家在加拿大安大略實驗湖區227湖，開展了37a的全湖施肥實驗，1967-1974年，施加的肥料中氮磷質量比為12∶1，以確保藻類正常生長需求；從1975-1989年，削減氮肥輸入量，使得水體中氮磷比值降低到5以下；1990-2005年，不再繼續施加氮肥，而只添加磷肥，結果發現，誘發了固氮藍藻水華形成。固氮藍藻通過生物固氮作用，可以釋放出具有較高生物可利用性的氮，如銨態氮和溶解性有機氮，這些氮能為非固氮藻類生長補充氮源。我國滇池、巢湖和洱海的水華發生順序與加拿大安大略實驗湖區有相似之處，在春季是固氮藍藻如魚腥藻和束絲藻形成水華，在夏季是沒有固氮能力的微囊藻形成水華，這種現象表明固氮藍藻水華的出現導致水體出現固氮脫氮過程，通過固氮作用釋放的充足氮源使得非固氮藍藻具有競爭優勢[2]。由此可見，氮控制所引發的固氮藍藻水華的形成會加劇湖泊富營養化狀況。

2 既要控磷也要控氮

有資料表明，單一控磷在中國太湖和東湖，以及美國喬治湖，并沒有取得顯著效果。在這些湖泊，磷可以在沉積物和上覆水界面迅速交換，浮游植物主要是以非固氮藻類藍藻，如顫藻和銅綠微囊藻為主，其中銅綠微囊藻具有偽空胞，能調節浮力上浮，可以利用泥水界面過量的磷，迅速增殖并在湖面上堆積形成水華。

我國湖泊系統氮變化具有顯著的空間異質性，總氮與緯度存在極顯著的相關關系，隨著緯度的升高，總氮含量極顯著減少[3]。在一些淡水生態系統中，尤其是熱帶和亞熱帶，海拔較高地區的大型湖泊生態系統中，氮是浮游植物生長的第一限制因子。在淀山湖，夏季水體中氮磷質量比<10，藻類生長的限制性營養元素也是氮。若此時水體中氮含量增加，則極有可能暴發大規模的藍藻水華。所以，夏季淀山湖富營養化治理應該嚴格控制氮含量[4]。

近年來，也有研究發現，氮在藻類產毒中具有重要作用。2004年美國的一項研究表明，微囊藻毒素的產生與總氮顯著正相關。氮元素不僅可以促進藻細胞生長而且是微囊藻毒素分子的主要構成元素，而磷元素只能促進藻細胞生長，但不能進入微囊藻毒素分子，微囊藻種群中有毒微囊藻所占比例與硝態氮濃度顯著正相關。曲久輝等通過氮穩定同位素示蹤，研究發現銨態氮有利于微囊藻毒素的形成，并且提出在富營養化水體藻毒素污染預防和富營養化控制中，不能只強調磷素的突出作用，氮控制應該引起足夠重視[5]。

氮循環屬于完全循環或氣體型循環，這種循環過程可以為湖泊藻類提供幾乎取之不盡的氮源。但受地表徑流、干濕沉降、降雨等多種因素影響，藻類生長的限制因子很可能隨季節發生變化。在太湖進行營養鹽添加的原位研究結果表明，太湖中氮、磷限制情況隨季節而異。冬春季節磷是第一限制因子，而夏季和秋季氮、磷存在協同作用，且氮的限制作用大于磷[2]。因此，浮游植物生長過程中，氮、磷均是重要的影響因子。控制湖泊富營養化和水華形成，氮、磷的作用均不可忽視。

3 氮、磷主要來源及如何防控

湖泊氮、磷污染源可以簡單分為外源污染和內源污染。目前，我國富營養化湖泊主要集中在長江中下游淺水湖泊，受風浪擾動影響，湖泊水體和沉積物間存在持續的物質交換。沉積物中不同形態的氮、磷在外界環境條件如擾動、光照、pH、溶解氧等改變的情況下會釋放出來，形成內源污染，加劇水體富營養化，在一定程度上會影響營養鹽控制策略。因此，在控制外源污染氮、磷輸入的同時，要防止內源污染。底泥疏浚是削減內源氮、磷負荷的有效技術手段。

外源污染包括點源污染和面源污染。我國污水處理廠主要針對工農業廢水和生活污水的點源污染，而且主要控制指標為有機物、重金屬等，對氮、磷的控制效果尚不理想。如果在生化處理中加入脫氮、除磷深度處理工藝，則投資和運行成本又相對較高。因此，加強點源控制，對城市污水處理廠的出水考慮采用生態處理，削減出水氮、磷含量。

城市面源污染也是湖泊水體富營養化的重要因素。面源污染在以往的城市建設和流域環境治理中未予重視。據統計，在巢湖流域（1995年），63%的總氮和73%的總磷來自于農業面源污染。而肥料流失是農業面源的主要形式。有資料報道，水稻田中約有12%～17%的氮素會隨徑流流失。因此，在流域范圍內要加強生態農業建設，科學施肥，控制氮、磷肥的使用量，提高其利用率，以減少農業面源污染引起的氮、磷污染物進入湖泊生態系統。

參考文獻

[1]金相燦，劉鴻亮，屠清瑛.中國湖泊富營養化[M].北京：中國環境科學出版社，1990.

[2]王海軍，王洪鑄.富營養化治理應該放寬控氮、集中控磷[J].自然科學進展，2009，19（6）：599-604.

[3]蔡龍炎，李穎，鄭子航.我國湖泊系統氮磷時空變化及對富營養化影響研究[J].地球與環境，2010，38（2）：235-241.

[4]王菲菲，李小平，程曦，等.基于NEB試驗的不同湖泊夏季營養物投入與藻類響應關系的比較：以淀山湖、小興凱湖和洱海為例[J].湖泊科學，2012，24（1）：51-58.

[5]史紅星，曲久輝，劉會娟，等.微囊藻毒素產生過程中氮素作用的同位素示蹤研究[J].科學通報，2008，53（4）：407-412.

（責編：施婷婷）endprint