2022-02-01 18:29:44

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生态学
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水体富营养化又称作水华是指湖泊、河流、水库等水体中氮磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。

由于水体中氮磷营养物质的富集,引起藻类及其他浮游生物的迅速繁殖,使水体溶解氧含量下降,造成藻类、浮游生物、植物、水生物和鱼类衰亡甚至绝迹的污染现象。

基本信息

  • 中文名

    富营养化

  • 外文名

    eutrophication

  • 拼 音

    fù yíng yǎng huà

  • 注 音

    ㄈㄨˋ ㄧㄥˊ ㄧㄤˇ ㄏㄨㄚˋ

  • 解 释

    营养物质过多而导致水质恶化现象

折叠 编辑本段 基本简介

富营养化富营养化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、湖、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。[1]

大量死亡的水生生物沉积到湖底,被微生物分解,消耗大量的溶解氧,使水体溶解氧含量急剧降低,水质恶化,以致影响到鱼类的生存,大大加速了水体的富营养化过程。水体出现富营养化现象时,由于浮游生物大量繁殖,往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等,这种现象在江河湖泊中叫水华(水花),在海中叫赤潮。在发生赤潮的水域里,一些浮游生物暴发性繁殖,使水变成红色,因此叫“赤潮”。这些藻类有恶臭、有毒,鱼不能食用。藻类遮蔽阳光,使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去,腐败后放出氮、磷等植物的营养物质,再供藻类利用。这样年深月久,造成恶性循环,藻类大量繁殖,水质恶化而又腥臭,水中缺氧,造成鱼类窒息死亡。

折叠 编辑本段 产生原因

折叠 农田化肥

为促进植物生长,提高农产品的产量,人们常施用较多的氮肥和磷肥,它们极易在降雨或灌溉时发生流失。

折叠 牲畜粪便

圈养家禽、家畜尤其是猪会产生大量富含营养物和细菌的排泄物,极易随地表径流、亚表面流流入江河、湖泊而污染水体。此外,农田中过量施用家畜粪便,也会引起粪便中的营养物随地表径流、亚表面流流失,从而污染水体。草原过度放牧,产生大量牲畜粪便滞留于草原上,造成营养物过剩,并破坏草原的植被覆盖;当降雨产生地表径流时,植被覆盖的破坏会加剧土壤、粪便的侵蚀,致使更多的营养物流失,加重污染。

折叠 污水灌溉

污水作为一种可靠的水源和廉价的肥料被用于灌溉农田,是污水农业利用的一种提倡方式,目的是通过土壤的净化作用和农作物对营养元素的吸收来净化污水。但由于一些污水中的营养物含量较高或技术原因,常常造成土壤和地表水的污染。

折叠 城镇地表径流

城镇路面大部分是不透水地面,氮磷营养物主要随地表径流进入地表水中。城镇中的氮磷营养物主要来自人类的生活垃圾、生活污水及和某些工商业废水(如屠宰、食品、造纸、停车场等)。美国环保局把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。

折叠 矿区地表径流

在磷矿区,由于人类活动,破坏了原来的土壤结构和植被面貌,使得土壤表层裸露,在降雨条件下,散落在矿区的矿渣、泥沙、磷酸盐等污染物将随地表径流进入湖泊、水库、江河、海湾,污染水体。

折叠 大气沉降

大气沉降不仅是悬浮颗粒物、有害气体的来源之一,也是氮的来源之一。燃料燃烧时,氮元素以氮氧化物的形式进入空气,随雨雪降落在土壤或水体表面,污染地表水源。

折叠 水体人工养殖

许多水体既是水源地,又是人工养殖的场所。随着养殖业的发展,人工投放的饵料以及鱼类的排泄物给水体带来了大量的氮磷。

折叠 编辑本段 评价与分级

湖泊富营养化评价,就是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系,对湖泊的营养状态作出准确的判断。目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TII))、营养度指数法和评分法。

折叠 富营养化评价

卡尔森指数法是美国科学家卡尔森在l977年提出来的,这一评价方法克服了单一因子评价富营养化的片面性,而是综合各项参数,力图将单变量的简易与多变量综合判断的准确性相结合。卡尔森指数是以湖水透明度( SD)为基准的营养状态评价指数。其表达式为:

式中:TSI为卡尔森营养状态指数;SD 为湖水透明度值(m);chla为湖水中叶绿素口含量(mg/m3);TP为湖水中总磷浓度(mg/m3)。

折叠 富营养化分级

根据水体营养物质的污染程度,通常分成贫营养、中营养和富营养三种水平。营养状态分级为了说明湖泊富营养状态情况,采用0~100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级:

TLI(Σ)< 30 贫营养(Oligotropher)

30≤TLI(Σ)≤50 中营养(Mesotropher)

TLI(Σ)> 50 富营养(Eutropher)

50<TLI(Σ)< 60 轻度富营养(light eutropher)

60< TLI(Σ)≤70 中度富营养(Middle eutropher)

TLI(Σ)> 70 重度富营养(Hyper eutropher)

在同一营养状态下,指数值越高,其营养程度越重。

折叠 编辑本段 相关危害

1.促进细菌类微生物的繁殖,一系列异养生物的食物链都会有所发展,水体中耗氧量将大大增加。

2.藻类只在水体表层能接受阳光的范围内生长,并排出氧气,在深层的水中就无法进行光合作用而出现耗氧,在夜间或阴天也耗氧。藻类的死亡和沉淀都把有机物转入深层或底层水中,那里将聚集大量待分解的有机物,但却没有足够的溶解氧供应,则变为厌氧分解状态,使大量的厌氧细菌繁殖起来。富营养化富营养化

3.无机氮的富集,开始使硝化细菌繁殖,大量消耗溶解氧,在缺氧状态下,又会转为反硝化过程。这样在底层将出现呼吸消耗有机物速度远远快于光合作用生成有机物速度的腐化污染状态,并逐步向表层发展,严重时可使一部分水体完全变为腐化区。

4.一片水域所涵容的养分,随着时间逐渐增加的一种现象和过程。

5.水华本来是水域自然生态系必然的演替过程:一片水域在形成后,随着岁月的增长,水域中的养分会越来越多,而且水会越变越浅,到最终变成沼泽或陆地,像这种自然消长过程,即属水华。

6.水域的污染加速了水华现象:优氧化的营养源,大多来自于施肥过度的农地,或都市污水中的清洁剂或有机物产生的。家庭废水.抽水马桶的排放水与非肥皂及合成肥料都含有很高的磷化物和硝酸盐类,当水中氮化物和磷酸盐类的浓度增高时,藻类就可以大量繁殖,造成所谓的“藻华”。因为藻类大量繁殖,也会因而大量死亡,这些藻类的尸体,在腐烂分解的过程会用尽水中的氧气,使得栖息在那儿的鱼族,会因窒息而死亡,再者,形成藻花的蓝绿藻,往往是群体状或丝状,这些不是滤食性鱼类的食物,因此,表面上看来,鱼类的食物很丰富,事实上有不少鱼类,却因饥饿而死亡,这就是所谓的“红潮”,也是“藻华”的后遗症。

7.优氧化带来的问题:有藻类的大量死亡,湖泊内的氧气降低,水中的鱼虾无法生存,破坏了自然生态的平衡。水质会因氧气的缺少而发臭。若是将湖泊内的水做为饮用水,则将提高处理成本,增加消毒用量,同时造成饮用水质的安全危害人体健康。

折叠 编辑本段 预防措施

1、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。富营养化富营养化

2、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。

3、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。

4、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。例如美国华盛顿州西部的长湖是一个富营养水体,1980年10月用向湖中投加铝盐的办法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天,湖水中的磷浓度则由原来的65μg/L降到30μg/L,湖泊水质有较明显的改善。在化学法中,还有一种方法是用杀藻剂杀死藻类。这种方法适合于水华盈湖的水体。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。

5、 生物性措施: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。目前,有些国家开始试验用大型水生植物污水处理系统净化富营养化的水体。大型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

折叠 编辑本段 治理措施

水体富营养化的形成原因包括无机营养盐和有机物大量输入,水交换能力减弱,水滞留时间延长,摄食压力下降以及二氧化碳等温室气体排放等。其根本原因是营养物质的增加。一般认为主要是,其次是氮,可能还有、微量元素或维生素等。受控生态系统装置和试验湖区的研究结果表明磷是主要“限制因子”。等关于磷负荷和初级生产关系的研究也表明磷的重要性。在氮磷比低于时,或在某个季节,氮也可能成为限制因子。

人们在对富营养化的治理上采取了很多措施,明确了这些措施对改善水质的作用,但对其作用的程度以及对湖泊利用的影响等方面差异较大。主要有废水处理、排水改道、土地利用、工业产品改进、疏浚、凝聚沉淀处理、深层排水、底泥曝晒与干燥、湖底覆盖、曝气循环、物理方法水位升降、土壤改良、化学方法杀藻剂、除草剂、生物学方法生态系统控制、生物利用等。这些技术措施,可归纳为以下几大类:

折叠 控制水体中的营养盐

控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施。对于外源性污染物采取截污、污水改道、污水除磷等措施,而对于内源性污染物可采取清淤挖泥、营养盐钝化、底层暴气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等措施,控制包括含营养盐、有毒有害化学品等污染物的各类废水进入水体,是水体富营养化防治和管理的重要措施,尤其是有毒有害化学品,根据湖泊水体的功能以及湖泊生态系统的生态学特征,制订切实可行的污染控制方案是富营养化防治的重要措施。

折叠 除藻

用化学药品如硫酸铜控制藻类可能是最古老原始的方法。化学药品可快速杀死藻类,但死亡藻类所产生二次污染及化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统的负面影响较大,而且长期使用还会产生抗药性。这种方法只有局部治标作用,而且还要考虑残毒问题,因此除非应急和健康安全许可,化学杀藻一般不宜采用。

折叠 生物调控和生物修复

由于过去对富营养化的防治措施都集中在理化方法和工程措施,对利用生态学方法,即从生态系统结构和功能的调整来进行治理很少引人注意。20世纪70年代以来,不少学者强调了生物的作用,还提出了生物调控这一名词,或称生物操纵,这种观点强调的是整个生态系统的管理,从营养物质循环环节来控制富营养化。生物调控是通过重建生物群落以得到一个有利的响应,常用于减少藻类生物量,保持水质清澈并提高生物多样性。主要是采用鱼类种群的下行调控,如增加食鱼性鱼类或减少食浮游动物或食底栖动物鱼类,以保证有充分的浮游动物等来控制藻类,也有直接利用食藻鱼控制蓝藻水华。

折叠 生态工程和生态修复

越来越多的研究显示位于水体和陆地生态系统之间的生态交错带具有过滤功能、缓冲器功能,它不仅可吸附和转移来自面源的污染物、营养物,改善水质,而且可截留固定颗粒物,减少水体中的颗粒物和沉积率,同时湿地可以提供生物繁育生长栖息地,对于保护生物多样性、减少洪水危害、保持水土等具有重要意义,而且在湖泊周边建立和修复水陆交错带,是整个湖泊生态系统恢复的重要组成部分。

生态工程是修复富营养化湖泊生态系统的重要工具,用生态工程可以改善富营养化湖泊的局部水质,修复局部生态系统。但是全湖治理富营养化、控制藻类爆发、恢复健康的湖泊生态系统,仍然是一个世界性难题,尤其是对于大湖,全面恢复健康的生态系统需要相当长的时间。

折叠 综合处理

对污水进行三级处理(包括物理学、化学和生物学方法)的效果也不错,但其费用较高,在发展中国家广泛采用还有困难;而对于非点源污染,采用土地利用(包括氧化塘处理、土地处理等)是一个比较经济的方法,但要求有土地条件。当水源比较充足有合理水源可利用时,可进行换水、稀释,带出氮磷物质以及藻类,但这种方法只是转移了污染源,而没有进行实质性治理。在这些技术措施中,还可以结合工艺改革、改进产品等,减少废水中磷的含量。如改用磷酸盐的代用品,农业上合理控制施肥。

参考资料

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