氮磷營養鹽控制與湖泊藍藻水華治理研究進展

趙 華，張先智，肖 嫻

(云南省生態環境工程評估中心，云南 昆明 650032)

0 引言

近年來，湖泊藍藻水華成為湖泊問題研究的重點，很多研究者就藍藻水華的原因、暴發特點、控制方法等展開了細致的探討。大量的研究結果表明，氮磷營養鹽是導致湖泊藍藻水華的主要原因。氮磷營養鹽在人類生活中應用非常廣泛，與人類的工作、生活息息相關。故而，如何實現氮磷營養鹽的控制以及藍藻水華的治理是非常重要的。若要實現這一目的，就需要對氮磷來源、水華產生的原因等知識進行全面的了解，進而為后續的治理提供有效的保障。

1 湖泊富營養化中營養物的來源分析

1.1 外源氮磷污染

已有研究結果表明，外源氮磷污染是引起湖泊富營養化以及藍藻水華的主要原因。外源氮磷污染主要是指除自身水體以外形成的氮磷污染，例如工業廢水污染、化肥污染等。外源氮磷污染總體分為兩大類，分別為點源污染以及面源污染[1]。

點源污染主要是指污水排放等相對集中的污水排放點，其污染相對集中，污染性大，破壞性強。湖泊點源污染大多是由于工業體系的增加，致使大量的工業廢水以及生活廢水流入，最終造成湖泊水體富營養化。據統計，我國城市每年要排放的污水量多于200億m3，但處理率不足50%。相比較而言，農村的污水處理率更低。故而，大量的氮磷未經處理或者處理不完全流入湖中，致使湖中水體富營養化，造成藍藻水華。

在控制點源污染的前提下，面源污染是造成水體富營養化的關鍵原因。面源污染的污染面積較大，難以控制，且影響時間較長，后期破壞較為嚴重。面源污染是一個全面性污染，主要由土壤中的氮磷等營養物質、農藥、化肥等組成，這些污染物質按照既定軌道流入水體之中，引起水體富營養化，造成藍藻水華現象的產生。其中最關鍵的因素包含以下幾種：其一，養殖業污染。隨著我國的經濟發展，養殖業成為重點產業。但養殖動物產生的糞便中含有大量的氮磷等營養鹽，流入水體之后，會對水體造成嚴重影響。除此之外，養殖業的興起，會在一定程度上產生其他的污染物，進而造成水體富營養化。其二，化肥過量施加。化肥中含有大量的氮磷等營養物，過量施加化肥，會使過量的氮磷等營養鹽發生富集現象，進而對水體造成嚴重污染。其三，降雨影響。在降雨過程中，會有大量的氮磷等營養物質隨著雨水的流動，流入湖泊等水體之中，引起營養鹽含量增加，造成水體富營養化。

1.2 內源氮磷污染

內源氮磷污染，簡而言之，就是湖泊內的營養鹽以及其他營養物質，經由化學作用、物理作用以及生物作用，沉入湖泊底部，成為污染物的主要來源[2]。湖泊底泥經歷了無數的歷史時期，在世代更替中遺留下了大量的氮磷營養鹽，對湖泊產生一定程度的污染。根據相關研究，內源氮磷污染是水體富營養化的重要原因。湖底的沉積物能夠釋放大量的氮磷等營養鹽，在全年入湖氮磷污染負荷量中占有一定的比重。尤其是在天氣晴朗時期，湖底的氮磷營養鹽會發生一系列的化學反應，氮磷釋放速率加快。在營養物質的作用下，藍藻會大量繁殖，進而引起水華現象的產生。除此之外，氮磷的釋放速率與水溫、氧氣含量、酸堿度等多種環境因素有一定的聯系。當環境條件發生變化時，氮磷釋放在水體中的含量就會改變。

2 氮磷誘發湖泊藍藻水華的機理

研究表明，氮磷是水體污染、藍藻水華產生的關鍵原因。水體中氮磷等營養鹽含量過多，水體富營養化會更嚴重，藍藻水華問題也會更加突出。近年來，國內外關于藍藻水華產生的機理的研究有很多，但卻沒有統一的定論[3]。對于藍藻水華產生的原因，目前有多種學說，粗略的可分為單因子假說以及多因子假說。

2.1 單因子假說

根據相關研究可知，氮磷是造成藍藻水華現象產生的主要原因。但具體是哪種物質起到關鍵作用，還沒有具體的結論。單因子假說具體分為以下三種假說：其一，氨氮假說。為探究單一因素的影響，此學說把氮作為主要誘發原因進行探討。微囊藻實驗研究表明，氨氮是藻類生長優先利用的氮源；微囊藻的生長與否受到氮的影響極大。在微囊藻實驗的基礎上，研究者對這一學說進行了多方面的研究，氨氮引起藍藻水華這一假說有了一定的實驗依據。其二，溶解性反應磷假說。磷在富營養化的湖泊中含量均很高，無論是水體中自身存在的磷含量，還是由外源輸入的磷含量。故而，很多學者猜想，水體中的溶解磷是藍藻水華產生的關鍵原因。在太湖藍藻水華堿性磷酸酶的相關研究中，可以清楚地發現，藍藻水華暴發后，酶的活性、數量都會增加，磷的分解速率不斷加快，會產生大量的溶解性有機磷。其三，氮磷比假說。在20世紀前期，英美的一部分研究者提出了氮磷比假說，并通過實驗進行了合理的驗證。加拿大學者通過在湖中施加氮肥、磷肥的方法，探究氮磷比對藍藻生長的影響[4]。在全湖實驗的研究中，可以發現，氮磷比<10時，會產生藍藻；大于這個比值，藍藻就不會產生。隨后，又有無數研究者就這一學說進行了更深層次的探討，并得出了許多相關結論，讓這個假說在學界有了一定的依據。

2.2 多因子假說

藍藻水華產生的原因是一個存在爭議的問題，需要進行更深刻的研究。所謂的多因子假說，就是指在多種因子綜合作用下，致使水體污染產生的假說。誘發藍藻水華現象發生的多因子假說，具體指內因與外因的綜合作用，其中包括水藻自身的特性以及陽光、溫度等多種因素。

氮磷的產生途徑有很多，與多種環境因素息息相關。溫度、酸堿度、風力、雨水沖刷等都會對氮磷的產生以及釋放造成一定程度的影響。除此之外，湖泊中的顆粒物沉淀以及水生動植物的尸體堆積到底泥之中，會發生多種反應，釋放氮磷等營養鹽。此時，在給水中生物提供營養物質的同時，也會加速水體富營養化的進程，進而會加速藍藻水華現象的出現。

相關的研究表明，多種環境因子與氮磷的產生以及產生速率有著直接的聯系。例如：低光會抑制水藻的生長；缺氧環境能夠在一定程度上促進水體中氮磷的釋放。除此之外，微生物、化學反應、風力擾動也會引起氮磷的釋放。微生物在水體酸堿度增大的前提下，活性變強，與此同時會促進有機氮的大量釋放。通過化學反應，氮磷的濃度也會受到一定程度的影響。而風力擾動是一種物理過程，其通過風力影響，能夠將底泥中的磷釋放或者吸附到水體之中。

3 控制氮磷營養鹽治理湖泊藍藻水華的策略

3.1 物理控制

物理控制，簡而言之，就是通過物理學手段，結合物理學知識，控制水體中氮磷鹽的含量，治理由于富營養化引起的藍藻水華現象。物理控制包含多種控制手段，例如：調水沖稀、底泥疏浚、原位覆蓋等。

底泥疏浚是一種效果很好的物理控制方法，其不僅能夠有效地減少沉積物中的營養物，還能夠減少其他污染物的含量。在富營養化的湖泊中，湖泊底泥中含有大量的營養物，例如氮磷等多種營養鹽。底泥疏浚的工作原理主要是通過機械或者人工的手段，除去底泥，清除底泥表面上的懸浮物等物質，進而保證湖泊生態系統的穩定。不同的湖泊，運用的底泥疏浚的手段并不相同，產生的控制效果也有所差別。底泥疏浚能否徹底地解決這一問題，研究人員還沒有得出結論，還需要進一步進行探究。

調水沖稀，顧名思義，就是通過調取水質好的水，然后與需要治理的水體融合，進而降低營養鹽的濃度，改善富湖泊營養化的問題。此種方法在國內外已經廣泛投入應用，并取得了一定的成效，為藍藻水華的控制做出了巨大的貢獻。雖然調水沖稀對治理藍藻水華也有一定的作用，但與此同時，其也存在一定的問題。調水在短期內能夠起到很好的效果，但在大規模調水停止后，帶入治理湖泊中的營養鹽含量過多，水華現象可能再次發生。

原位覆蓋也是一種有效的物理控制手段，其與底泥疏浚原理相反，底泥疏浚是將底泥以及底泥中的污染物清除，而原位覆蓋是在底泥的基礎上用未污染底泥、粗砂等物質覆蓋。原位覆蓋可以通過覆蓋富含污染物的底泥，阻止底泥中的污染物進入水體之中，進而有效防止水體氮磷等營養鹽的含量過高，避免水華現象的產生。

3.2 化學控制

化學控制是一種有效的控制手段，其根據化學原理，通過添加化學試劑，與水體中的污染物相互反應，減少湖泊中的營養鹽含量，進而遏制水華現象的產生。此種方法要求工作人員在水體以及底泥中投入適量氧化劑、還原劑等化學試劑，與水體以及沉淀中的污染物發生化學反應，減少氮磷等營養鹽的含量[5]?；瘜W控制主要有兩種形式，分別為直接調控氮磷含量以及通過調節酸堿度控制氮磷含量。

直接調控氮磷營養鹽的含量，就是通過投入化學試劑，直接與水體以及底泥中的氮磷等營養鹽發生反應，抑制氮磷的含量。實驗表明，投入不同的化學物質，對營養鹽的控制效果也各不相同。例如：投入石膏類化學物質能夠抑制磷的釋放；投入氯化鋁等化學物質，可以有效控制氮磷的濃度。而調節酸堿度進行控制，就是通過調節水體環境中的酸堿度，減弱氮磷等營養鹽的釋放。研究結果表明，水體中的酸堿度與氮磷的釋放有直接的聯系。在一定范圍內，酸堿度越高，磷的釋放量就會越大。當酸堿度為中性時，磷的存在形式發生改變，磷的含量相對較低。而水體中的氮與磷受酸堿度影響的機理不同，氮隨著酸堿度的增高，釋放量會降低。由此可見，投入化學物質調節水體酸堿度，可以有效地將氮磷等含量控制在最低的狀態，進而避免水華現象的產生。

化學控制是一種短期有效的控制方法，雖然有一定的成效，但也存在著一定的問題。化學控制通過投放化學物質實現，但化學物質無法長期有效地抑制污染物的排放，只能起到短期的作用。除此之外，投入的化學物質的量需要合理地把握，如若投入過量，可能對水體造成其他的危害，進而影響湖泊生態系統的穩定性。

3.3 生物控制

生物控制，簡而言之，就是通過動物、植物以及微生物控制水體中氮磷營養鹽的含量，進而避免水體污染的產生。生物控制與其他方法不同，其不僅不會對水體環境造成二次污染，還能夠在一定程度增加生態系統的穩定性。生物控制的方法有很多，但都在水體生物的作用下進行，其常常以動物攝食、植物競爭以及微生物降解為重要手段，治理藍藻水華現象[6]。

首先，水生動物的控制。動物控制以攝食為主，通過食藻類的魚類以及浮游生物攝食藻類物質，減少湖中藻類物質的含量，進而調控湖泊中氮磷的含量。動物控制通過氮磷的轉移，將水體中的氮磷污染物轉移到生物體內，減少水體污染的侵害。水華治理工作人員通過在湖水中投放食藻魚以及其他大型的食藻浮游動物，吞食大量生長的水藻，恢復湖泊生態系統的穩定性。其次，水生植物控制。此種方法主要依靠植物間的競爭關系，達到控制藻類生長的目的。水生植物通過吸收水體中的氮磷營養鹽實現自身的生長，以使藻類生物生長受到一定的限制，避免水華現象的產生。除此之外，水生微生物控制。水生微生物控制適用于水華初期，在短時間內會產生良好的效果。但當處于水華中后期，微生物的降解作用就不是很明顯。微生物控制通過微生物吸收水體中的氮磷鹽等營養物質，并在這個過程中釋放多肽等溶藻類物質，進而在一定程度上減弱藻類的生長。微生物控制的方法廣泛應用于水華治理過程中，取得了一定的成效，得到了研究者的普遍認可。

4 結束語

湖泊富營養化以及藍藻水華不僅影響湖泊生態系統的健康，還會對人類的生活產生一定的影響。此問題是當今湖泊問題研究的重點，需要有效的措施去解決。這就要求在氮磷營養鹽控制與藍藻水華的治理過程中，要時刻秉持尊重自然的思想，結合物理控制、生物控制、化學控制等基本方法，恢復生態系統的生機，進而促進湖泊生態系統的穩定。