二、水体的富营养化

1. 水体富营养化概述

水体富营养化是指在人类活动的影响下，为生物所需的氮、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。富营养化可分为天然富营养化和人为富营养化。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，沉积物不断增多，不过这种自然过程非常缓慢，常需几千年甚至上万年。而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现象，可以在短时期内出现。

水体出现富营养化现象时，浮游生物大量繁殖，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、浮白色等，视占优势的浮游生物的颜色而异。这种现象在江河湖泊中称为“水华”，在海中则叫作“赤潮”。

富营养化的指标，从测定的项目上分，大致可分为物理、化学和生物学三种指标。这些指标是衡量富营养化的一个尺度，但富营养化现象是复杂的，必须把这些因子的复杂性交织在一起才能表示富营养化状态，目前判断水体富营养化一般采用的指标是：氮含量超过0.2～0.3mg/L，磷含量大于0.01～0.02mg/L，BOD大于10mg/L，pH值7～9的淡水中细菌总数超过10万个/mL，叶绿素a含量大于10μg/L。

2. 水体富营养化的形成

（1）引起富营养化的物质

引起富营养化的物质，主要是浮游生物增殖所必需的碳、氮、磷、硫、镁、钾等20多种元素，以及维生素、腐殖质等有机物。

①营养盐类　对于生物的生长、繁殖，碳、氮、磷、硫、钙、镁、钾等是不可缺少的营养元素，而其中特别是以碳、氮、磷最为重要。碳来源于与大气的交流，比较恒定，变化不大，而氮、磷在水中的含量一般情况下比较少，成为水体营养状态的制约因子。氮以硝酸盐、亚硝酸盐、氨、尿素等形式存在于水中，作为氮源而被有效地利用，特别是硝酸盐，作为浮游生物的氮源是最好的。以无机物或有机物形式存在于水中的磷源都能被有效地利用，尤以无机物形式的磷源利用率更高，但有时以有机物形式存在的磷源也能显著地促进浮游生物的繁殖。

②微量元素　如铁、锌、锰、铜、硼、钼、钴、碘、钒等是植物生长、繁殖不可缺少的元素，研究表明，在这些微量元素中，特别是铁和锰具有促进浮游生物繁殖的作用。一般情况下，铁多来自自然界的河流及底泥，在河水中的含量很高，锰主要来自电镀厂、冶炼厂、钢铁厂等工业废水。海水中铁、锰的溶解度很低，大部分与有机物生成螯合物而存在。

③维生素类　维生素对浮游生物的生长、繁殖起着重要的作用，其中维生素B₁₂是多数浮游生物生长和繁殖不可缺少的要素，是限制其繁殖和分布的重要生理生态要素。

④有机物　有机物具有与铁、锰等微量元素螯合及作为维生素补给源的作用，某些特殊的有机物对浮游生物的增殖有显著的促进作用，如据报道，酵母、谷氨酸等能使鞭毛藻类增殖5～40倍。

（2）水体富营养化的形成过程

藻类和一些光合细菌能利用无机盐类制造有机质，称为自养型生物。自然水体中的磷和氮（特别是磷）在一定程度上是浮游生物数量的控制因素。生活污水、化肥和食品等工业的废水以及农田排水中都含有大量氮、磷及其他无机盐类。纳入这些废水后，水体中营养物质增多，促使自养型生物——大型绿色植物和微型藻类旺盛生长。藻类主要分布于水体上层，随着水体富营养化的发展，藻类的个体数量迅速增加，而种类逐渐减少。

水体中本来以硅藻和绿藻为主，红色颤藻的出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。藻类繁殖迅速，生长周期短，有限的营养物质在短期内一再被重复利用，一遇适宜环境就暴发性地繁殖，以致出现“水华”现象。死亡的水生生物在微生物作用下分解，消耗氧；或在厌氧条件下分解，产生硫化氢臭气，使水质不断恶化。同时湖泊逐渐变浅，直到成为沼泽。

富营养化状态一旦形成，水体中营养素被水生生物吸收，成为其机体的组成部分。在水生生物死亡后的腐烂过程中，营养素又释放入水中，再次被生物利用，形成植物营养物质的循环。因此，富营养化的水体，即使切断外界营养物质的来源，也很难自净和恢复。

（3）水体富营养化的成因分析

①水体中氮、磷的主要来源　进入水体的氮、磷营养物，来源是多方面的。据估计，全球河流溶解氮和磷年自然排放量（根据对未受污染河流的测量）分别为1500万吨和1000万吨。全球每年向河流的人为排放量估计为：溶解氮700万～3500万吨，溶解磷60万～375万吨。这些营养物中仅有约44万吨的氮和30万吨的磷进入深海的悬浮沉积物中。

a.生活污水　生活污水中常含有一定数量的氮、磷等营养物，大部分是来自人类的排泄物和洗涤剂。

生活污水中的氮，主要来自人体食物中蛋白质代谢的废弃产物。新鲜生活污水中的有机氮约占60%，氨态氮约占40%，硝酸态氮仅微量，陈旧生活污水中有机氮转变成氨态氮而使其比例上升。

人体代谢废物中还含有磷，特别是20世纪50年代以来含磷合成洗涤剂的大量使用，使生活污水中的磷含量急剧上升。

b.工业废水　工业废水也是水中氮、磷的重要来源，不少工厂在生产过程中会产生含氮、磷的废水。如焦化厂、化肥厂、石油化工厂、纺织印染厂、制药厂等废水中均含有大量氮，而食品加工、发酵、鱼品加工、化肥、洗涤剂生产、金属抛光等工厂的废水中含有大量的磷。

生活污水和工业废水经生化处理后，剩余的大部分氮、磷随出水排入河道，这是城市附近河道中氮、磷的主要来源。

c.农业排水　农田中施用的氮、磷肥料，除一部分真正被农作物吸收利用外，其余的被土壤吸附、残留和溶于水中，相当部分通过雨水冲淋入江河湖泊。据统计，农田中施用的氮肥的30%、磷肥的5%因此流失。近年来，化肥的大量使用，以及可耕地土壤质量的降低，导致肥料成分容易流失，氮和磷大量进入水体。

d.家畜排泄　大量饲养的家畜家禽，其废弃物和排泄物中含有大量氮、磷，如以单位个体计，牛排泄物的污染量约为人体排泄物污染量的4倍，随着雨水的冲刷，大量地进入水体。

e.水产养殖　随着水产养殖业的发展，由于残饵、悬浮物以及鱼类的排泄物、粪便的污染，引起了养殖场和其周围水域的水质、底泥的环境恶化及水中氮、磷含量的增加。

f.大气　来自大气的氮和磷，与人类活动有着密切的关系，通过雨水而进入水体。大气中的氮以硝酸盐态为主，其次为亚硝酸盐及氨态氮，磷酸盐也有一定的浓度。

g.底泥　在底泥表层或其上面的新生沉积物中所含的氮、磷，直接或通过底泥粒子间的间隙水等，溶入水中，形成二次污染源。湖泊和海域底质中所含氮和磷的量，几乎没有什么差别，氮为1000～10000μg/L，磷为每升数百至数千微克。

氮、磷的溶出，机理上有所不同，氮依靠细菌的作用，在间隙水中溶出，溶出的溶解态无机氮在底泥表面的水层中进行扩散，在贫氧水中，以氨态氮溶出为主，在富氧水中，则以硝酸态氮为主，其溶出速率以前者为快。底泥中的磷，主要是无机态的正磷酸盐占大部分，形成钙、铝、铁等不溶性盐类，在接近底泥表面的水中有充分的溶解氧时，正磷酸盐不溶出，反之，溶解氧不充分时，磷就溶出，底泥中磷酸盐的减少和磷的溶出量成比例。

②氮、磷在水体中的存在形态

由于氮元素具有多变的价态，因此在天然水体中的存在形态与水体的电位E条件有关。

在天然水中主要无机氮化物有N、N和N，下面讨论中性天然水电位对它们互变的影响。

上述化合物在溶液中存在以下氧化还原平衡：

从上述氧化还原平衡可以看出，中性天然水中铵盐是主要存在价态，无机氮的低价态的转化占优势；在高电位时，硝酸盐是主要存在价态，无机氮高价态的转化占优势；而在两者之间，已是还原环境，主要存在价态为亚硝酸盐，氮中间价态的转化占优势。

在天然水体的E条件下，磷元素一般不发生氧化还原变化，天然水体中的磷除了主要以无机磷酸盐存在外，还以种种有机磷的形式溶解于水中。浮游生物以磷酸盐的磷作为营养盐，除此之外，鞭毛藻类也有摄取有机态磷的。

浮游生物把可摄取的磷吸入体内，不断分裂、增殖，新产生的浮游生物依次被高一级的营养者所捕食，生物体内的磷进行了传递，新产生的各级营养者以分泌物、排泄物等形式释放出磷，死亡后产生遗骸和分解产物，在细菌分解它们的同时，磷又回复到水中及沉积物中。溶出磷的底泥，仅限于表面1cm左右极薄的一层，但由于底栖生物的活动以及外来的扰动，使原来沉积在底泥中的磷移动到底泥的表面，有可能溶解于底层水中，再参与水体中磷的循环。

3. 水体富营养化的评价和分级

（1）水体富营养化的评价

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（TLI）］、营养度指数法和评分法。以综合营养状态指数（TLI）为例，其公式为：

式中，TLI（）表示综合营养状态指数；TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数；w_j为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

若以chla（湖水中叶绿素a含量，mg/m³）作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

式中，r_ij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；i为评价参数的个数。

根据金相灿等研究，中国湖泊部分参数与chla的关系如表2-3所示。

（2）水体富营养化的分级

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（）<30贫营养；30≤TLI（）≤50中营养；TLI（）>50富营养；50<TLI（）<60轻度富营养；60<TLI（）≤70中度富营养；TLI（）>70重度富营养。

在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。