水体富营养化的成因

水体富营养化的成因、危害及防治方法

摘要：水体富营养化防治是世界性的热点与难点问题，水体发生富营养化，其后果十分的严重。本文基于富营养化发生的机理，从氮、磷营养盐水平,铁、硅含量,光照强度,温度,等方面对水体富营养化成因及其危害进行分析，并从内、外两方面对水体富营养化的防治措施进行探讨。目的是为更好地维持水体生态平衡,控制水体污染,预防水体富营养化的发生提供参考。

关键词：水体富营养化，成因，危害，湖泊衰亡，外部控制，内部控制

水体富营养化是指在人类活动的影响下，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，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。

一、水体富营养化的成因

氮、磷等营养物质浓度升高，是藻类大量繁殖的原因，其中又以磷为关键因素。影响藻类生长的物理、化学和生物因素(如阳光、营养盐类、季节变化、水温、pH 值，以及生物本身的相互关系)是极为复杂的。因此，很难预测藻类生长的趋势，也难以定出表示富营养化的指标。目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过 0.2-0.3ppm，生化需氧量大于 10ppm，磷含量大于 0.01-0.02ppm，pH 值 7-9 的淡水中细菌总数每毫升超过 10 万个，表征藻类数量的叶绿素-a 含量大于 10μ mg/L。

（一）水体富营养化成因的两种理论

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,实质上是需要了解藻类生长繁衍的过程。

1.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。

2.生命周期理论

命周期理论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。

藻类光合作用的总反应式:

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量+微量元素→C106H263O110N16P(藻类原生质)+138O2

根据Leibig最小因子定律,植物的生长取决于外界供给它们养分最少的一种或两种,从藻类原生质C106H263O110N16P可以看出,生产1kg藻类,需要消耗碳358g,氢74g,氧496g,氮63g,磷9g,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。

（二）营养物质从何而来

水体中过量的氮、磷等营养物质主要来自未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水、有机垃圾和家畜家禽粪便以及农施化肥。

1.氮源

农田径流挟带的大量氨氮和硝酸盐氮进入水体后，改变了其中原有的氮平衡，促进某些适应新条件的藻类种属迅速增殖，在这些水生植物死亡后，细菌将其分解，从而使其所在水体中增加了有机物，导致其进一步耗氧，使大批鱼类死亡。含有尿素、氨氮为主要氮形态的生活污水和人畜粪便，排入水体后会使正常的氮循环变成“短路循环”，即尿素和氨氮的大量排入，破坏了正常的氮、磷比例，并且导致在这一水域生存的浮游植物群落完全改变，原来正常的浮游植物群落是由硅藻、鞭毛虫和腰鞭虫组成的，而这些种群几乎完全被蓝藻、红藻和小的鞭毛虫类所取代。

2.磷源

水体中的过量磷主要来源于肥料、农业废弃物和城市污水。进入水体的磷酸盐有 60％是来自城市污水。在城市污水中磷酸盐的主要来源是洗涤剂，它除了引起水体富营养化以外，还使许多水体产生大量泡沫。水体中过量的磷一方面来自外来的工业废水和生活污水。另方面还有其内源作用，即水体中的底泥在还原状态下会释放磷酸盐，从而增加磷的含量，特别是在一些因硝酸盐引起的富营养化的湖泊中，由于城市污水的排入使之更加复杂化，会使该系统迅速恶化，即使停止加入磷酸盐，问题也不会解决。这是因为多年来在底部沉积了大量的富含磷酸盐的沉淀物，它由于不溶性的铁盐保护层作用通常是不会参与混合的。但是，当底层水含氧量低而处于还原状态时(通常在夏季分层时出现)，保护层消失，从而使磷酸盐释入水中所致。

二、水体富营养化的危害

一谈到水体富营养化，人们首先想到就是总氮、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。如果水体发生富营养化现象，就会引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡等现象。富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。

（一）危害水域生态环境，影响栖息生物的生存，造成水产养殖业损失由于水华藻类的爆发性繁殖，特别是大量死亡的水华藻类被微生物分解时消耗了水中大量的溶解氧，使水体溶解氧大大降低，当降至很低时就会造成鱼、虾、贝等水生动物因缺氧窒息死亡。浮游的藻体充塞鱼、贝类鳃的空隙，阻碍了鱼、贝类鳃的气体交换功能，也会使鱼、贝等水生动物窒息而死。另外，密集的浮游藻类阻挡了光线的透射，底栖的水生植物因得不到充足的太阳能，光合速率降低，光合作用产物产量减少，其正常的生长发育会受到影

响。

（二）导致水生生态系统的失衡

由于水华的浮游藻类藻体高度密集，一些藻类还会产生藻毒素，这些均会使水生群落中的物种死亡，造成初级生产量下降，同时浮游藻类的分泌与排泄物和死亡的水生生物残体沉积于水底，使水体逐渐变浅，湖泊、沼泽陆地化；而且使原有的群落结构被破坏，水生生态系统内的物质循环和能流（能量按食物链顺序流转）发生障碍，导致整个生态系统平衡严重失调。

（三）破坏水域生态景观，影响旅游观光

浮游藻类的大量繁殖往往密集在水面，形成一层薄皮或泡沫，加之死亡的浮游生物和鱼类漂浮在其中，使原来清澈、透明的水体变得色泽混浊；浮游藻类死亡后沉入水底并堆积使水体变浅，加速了湖泊水库的沼泽化进程，破坏了原有的生态景观。同时，水体不断发出鱼虾腐烂分解时产生令人厌恶的硫化氢臭味和浮游藻类的鱼腥臭味，大大降低了景观的使用价值，影响旅游业的发展。

（四）影响自来水厂的生产和自来水的质量，威胁人类身体健康

影响自来水厂的生产和自来水的质量，威胁人类身体健康。位于江河上游的湖泊、水库等大型水体若发生有害水华，浮游藻类释放的毒素和死亡的浮游生物污染水源，导致水质下降，将直接影响以该水体作为水源的自来水厂的正常生产和自来水的质量，从而给下游城乡居民带来用水不便的困难。此外，浮游藻类产生的毒素还可以在鱼虾体内存留和富集，通过生态系统的食物链对人类的身体健康造成潜在的威胁。有学者认为蓝藻毒索是引起我国南方肝癌高发的主要危险因素之一。

目前，水体富营养化进一步加剧了世界水环境污染，严重制约了社会经济建设和社会发展，它已成为一个突出的、世界性的水环境污染问题，在生态、经济、生活等诸多方面给人们带来了不良影响。

三、水体富营养化的防治

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。水体富营养化的形成是受多种因素影响的，这其中既有自然因素的作用，也有人为因素的作用。提到水体富营养化的防治问题，首先应从分析其不同成因、影响及异同入手。除上文中所例举的氮、磷因素影响外，还存在以下几大影响因素：铁硅在水体富营养化中的作用。在营养盐氮的循环过程中是决定性因素，其原因是铁是硝酸盐(氮的固定)、硝酸盐—亚硝酸盐还原酶组成成分的重要因子。如果铁含量高,硝酸盐—亚硝酸盐还原酶活性增强,硝酸盐—亚硝酸盐氮被还原而损失。可能导致水体氮含量降低,使氮成为藻类生长的限制因素,水体发生富营养化的可能性减少。水体富营养化的产生是由鞭毛虫占主体还是硅藻属占主体来决定的,如果鞭毛虫占主体水体产生富营养化机率大。水体中硅含量的多少决定水体中浮游生物是鞭毛虫占优势还是硅藻属占优势。如果水体中氮:硅,磷:硅比例升高,则水体中的浮游生物以鞭毛虫为主,硅藻属含量减少,水体发生富营养化机率大。如果氮、硅比例降低,则水体中浮游生物以硅藻属占优势,水体产生富营养化机率小。

溶解氧、温度、光照对富营养化的影响。如果水体中表层溶解氧同氮磷的比率低,水体中氮磷过量富积,水体中营养盐增加,导致氮磷量相对过剩促进浮游藻类等水生植物增加,水体可能产生富营养化。水体中溶解氧含量降低,水生浮游动物(鱼类等)呼吸作用所需要的氧量减少,水生浮游动物因缺氧而死亡。水体中浮游动物数量减少,浮游动物所食的营养盐类(氮磷等)将会增加,水体生态平衡将遭到破坏,水质恶化。光照和温度对藻类生长的影响:光强和温

度在一定的范围内,藻类数量随光强及温度的增加而增加,并且温度的影响大于光强,在20℃-30℃的条件下,当光强从10001x增加到4000lx时,藻类数量增加较快,4000lx以后渐趋平衡,在5000lx基本上达到最大值。如果光照和温度都较适宜,则藻类过量生长,水体可能产生富营养化。

综上，可见富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。这是因为：污染源的复杂性，导致水质富营养化的氮、磷营养物质，既有天然源，又有人为源；既有外源性，又有内源性。这就给控制污染源带来了困难；营养物质去除的高难度，至今还没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除废水的氮、磷营养物质。

（一）控制外源性营养物质输入

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。

（二）减少内源性营养物质负荷

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。主要的方法有：

1．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。

2．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。还有一种方法是用杀藻剂杀死藻类。这种方法适合于水华严重的水体。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。

3．微生物投加方法

投加适当的适量的微生物（各类菌种），加速水中污染物的分解，起到水质净化的作用。微生物的繁殖速度惊人，呈几何级增长，微生物在繁殖的过程中分解水体中的有机物，吸收分解后的营养物质作为自身的个体的营养来源，其生长受环境的影响很大，例如PH值、温度、气压、水体中的溶解氧等等。

4．生物性措施

种养水生植物：挺水植物、浮叶植物、大型飘浮植物、着生藻类、浮游藻类、沉水植物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。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。这是目前国内外治理湖泊水体富营养化的重要措施。

投放水生动物：螺、蚌等底栖动物可过滤悬浮物质，摄食生物碎屑，其分泌物有絮凝作用，螺有刮食着生藻类功能，虾和若干种类鱼类可摄食藻类、碎屑、浮游动物等。这些动物，作为健康水生态系统的补充组成，也有重要作用。根据水体的特定环境，投放相适应的水生动物，如鱼类、底栖动物。

建立人工生态体系：人工生态系统利用种植水生植物、养鱼、养鸭、养鹅等形成多条食物链。其中不仅有分解者生物、生产者生物、还有消费者生物，三者分工协作，对污水中的污染物进行更有效的处理与利用，并由此可形成许多条食物链，构成纵横交错的食物网生态系统。如果在各营养级之间保持适宜的数量比和能量比，就可建立良好的生态平衡系统。当一定量的污水进入这种生态塘中，其中的有机污染物不仅被细菌和真菌降解净化，而其降解的最终产物，一些无机化合物作为碳源、氮源和磷源，以太阳能为初始能源，参与食物网中的新陈代谢过程，并从低营养级到高营养级逐级迁移转化，最后转变成水生作物、鱼、虾、蚌、鹅、鸭等产物,人们不仅可以不断的取走这些增殖的产品，而且通过人们的不断的取走和加入的措施来保持水体的综合生态平衡，达到防治水体的富营养化的目的。

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