淡水生态系统的营养循环与调控

淡水生态系统的营养循环与调控水是生命之源，淡水资源总量有限，随着工农业的发展，水的污染也越来越严重，其中水体富营养化就是很明显的水污染现象之一[1]。它是因水体中所含的氮、磷等营养物质过多而导致的一种水体效应，主要表现有水中某些藻类和大型水生植物异常增殖，水生生物种群单一化及水质变坏等，水生生态系统受到严重破坏,严重时某些藻类恶性繁殖，通常是蓝绿藻的暴发，水中溶解氧被消耗，营养盐和其他有机物浓度增加,出现所谓的“水华’’[2-4]。我国水体已经普遍面临富营养化的问题，富营养化已经成为中国水环境最为重要的问题之一[5]。一营养物质在水体中的循环转化1.1氮在水体中的循环N是生物生长必需的元素，是生命有机体中蛋白质、DNA、RNA等重要组分中必不可少的一种元素，总重量占生物重量的10％左右。同时，N也是导致水体富营养化的罪魁祸首之一。大量含N的工农业废水、生活污水排入河流湖泊，使水体中的N浓度超标，导致水生高等植物衰退，浮游植物大量繁殖，造成水体严重缺氧，水生生态系统遭到破坏。N在水体中的存在形式是多种多样的。地表水体和地下水中的N主要是离子态氮.此外，N还以有机氮形式存在于水中的有机质里.水体中各种含氮物质之间的转化是通过氨化、消化、反消化、同化等作用和在特定的生物参与下完成的[6]。氨化作用(有机氨转化为氨氮)：水体中各种蛋白质化合物在好气性和嫌气性件下，被腐生性的各种氨化细菌分解，首先产生氨。硝化作用(氨氮转化为硝酸盐氮)：氨氮在水中不稳定，除被生物吸收同化外，其余在溶解氧充足条件下，被各种消化细菌氧化为亚盐氮，最后转化为硝酸盐氮。反硝化作用(硝酸盐氮转化为气态氮)：硝酸盐在J犬氧条件下，逐步被各种反消化细菌作用，还原硝酸盐氮为气态氨，使水体失去氮素。同化作用：藻类几种无机氮都能利用，在光合过程以及随后的同化过程中，逐步形成各种含氮有机物。水体氮的转化由6个过程相连接而成[7]：1)氮在沉积物的厌氧环境下，作为电子接受者，被固氮生物(蓝绿藻、固氮菌等)转化为铵根离子；2)水体中的硝酸根离子和铵根离子被生物(主要是植物)吸收利用，并在水体及界面之间按浓梯度自由扩散；3)在水体和水土界面有氧环境下，来源于植物尸体的有机氮被微生物分解可溶性有机氮，进一步矿化和氮化为铵根离子，该离子或被生物吸收利用，或在消化细菌的参与下进行消化作用形成亚硝酸根离子，直至硝酸根离子；4)在沉积层的厌氧环境下，来源于植物尸体的有机氮微生物分解为可溶性有机氮，进一步矿化和氮化为铵根离子，该离子被生物吸收利用，同时，可溶性有机氮和铵根离子从高浓度的沉积层向低浓度的水体扩散；5)在沉积层的厌氧环境下，硝酸根在反消化细菌的参与下，经过反消化作用转化为氮和氧化二氮，该惰性气体大部分通过水体逸散到大气中，水体中的硝酸根离子经常向沉积层扩散，以弥补沉积层中该离子的不足；6)水体中的铵根离子、亚硝酸根离子和硝酸根离子被浮游藻类吸收利用。当pH8时，铵根离子转化为氨，逃逸到大气中。水库水体中的氮随外界环境和条件在不停地进行着转换或循环，有的使水质变劣，有的有利于水质质量，例如水中的反硝化作用，使硝酸盐氮受到脱氮作用变成氮气，回到大气中，由于微生物的脱氮作用而使生成的氮气被除掉，减少了水库水体中的氮，对限制富营养化是有利的。1.2磷在水体中的循环在几十年前人们就已经知道P是水体富营养化进程中的限制性营养元素[8]，水体中P的浓度直接影响水质[9－11].水体中的各种含磷化合物主要通过有机磷矿化、无机磷同化和不溶性有机磷有效化途径进行循环.有机磷的矿化作用：有机物中的磷，在其生物降解过程中，生成无机磷和磷化物，许多细菌和真菌都参与这个矿化过程。无机磷的同化作用：水中的溶解性无机磷首先为上层水中的浮游植物所吸收，其中一部分用于本身生长的需要，大部分积累在植物细胞中以备磷源不足时使用。水生高等植物能从沉积物中大量吸收无机磷，经代谢转变为有机磷化合物。不溶性磷转化为可溶性磷：沉积物中不溶性磷不能为水中生产者所利用，当水中PH值向酸性转变时，可使沉积物中的磷成为可溶性的，如加入酸性物质或水中某些自养的细菌活动所生成的酸类，可使磷的溶解过程加快。磷的转化包含4个主要过程[12]：1)来源于生物的颗粒有机磷在微生物作用下，形成可溶性有机磷，并进一步矿质化形成正磷酸根离子；2)水体和水体界面的磷酸根离子与无机离子(铁、钙、铝等)结合形成颗粒无机磷的螯合物，不能被植物利用；3)颗粒无机磷在沉积层的厌氧环境中被释放形成正磷酸根离子；4)沉积层的磷酸根离子被植物吸收。正磷酸根包括磷酸根、磷酸氢根和磷酸二氢根，三者相互之间可以转化，其转化和平衡受水体pH值的控制。1.3水体沉积物中的N、P及其形态转化水体沉积物，也称底质或底泥，是水体营养物质的主要宿体。来自各种途径的营养物，即各种自然过程和人类经济活动下的产物，尤其是城市水体沉积物，经过一系列物理、化学及生物作用，其中一部分沉积于水体底部，日积月累形成水体营养盐的内负荷。水体沉积物中的N一般可分为有机形态氮和无机形态氮，以前者为主。有机态氮可以分为半分解的有机质、微生物躯体和腐殖质，其中以腐殖质为主。有机形态的氮大部分必须经过土壤微生物的转化作用，变成无机形态的氮，才能为水生生物吸收利用。有机态氮的转化作用随季节而变化。无机态氮主要是铵态氮和硝态氮，还有一部分N固定在矿物晶格内，称为固定态氮。这种固定态氮一般不能为水或盐溶液提取。底质N的消长主要取决于生物累积、分解作用的强弱，底质环境特征和水热条件。通常认为N元素在泥一水界面之间的转换是以不同氮化合物形态的形式进行的，底泥对于不同的氮化合物形态，其释放量不同，释放量主要取决于上覆水体中溶解氧的含量水平，同时还与TN的浓度能量、水动力条件等因素有关。N易挥发损失，并且空气中的可能进入水体，易造成体系中收支不平衡，给研究带来一定的难度。研究沉积物P形态的一个目的是定量生物可获得P，从而来评价沉积物P的内负荷。生物可获得P包括沉积物可以释放并参与水中再循环的P。生物可获得P的数量影响着水体的营养状态和初级生产力，与沉积物一水界面P的交换有很大的关系。沉积物对上覆水中P的含量起缓冲作用；而沉积物中可参与界面交换及生物可利用P的量则取决于沉积物中P的形态，不同形态的P有其特定的活性参数。一些学者已经对P潜在的生物有效性做了大量研究[13-16].Ruban[17]对泥水界面P释的研究结果表明，不是所有形态的P都易释放，约80％的P是活性的，其中大部分以Fe结合态存在，Ca结合态的P不到20％。P被认为是易变的成分，主要是pH或既改变会使P溶解嗍。而有机磷P的研究进展不大，形态上一般不细分，主要以核酸、核素及膦酯等为主，此外还有少量吸附态和交换态的P。有机磷一般只作为一个P的整体考虑。有机磷可以通过有机质的硫化分解释放出溶解性的磷酸盐而转化为生物可利用的P.1.4营养盐在沉积物一水界面的循环在水体沉积物与水体两相界面之间进行着一系列的迁移转化过程，如吸附一解吸作用、沉淀一溶解作用、分配一溶解作用、络合一解络作用、离子交换作用、氧化还原作用等。其他过程还包括生物降解、生物富集等[18-19]。因此，在一定条件下，部分营养元素又可从沉积物中向上层水体释放，释放出的营养盐首先进入沉积物的间隙水中，逐步扩散封沉积物的表面，再向沉积物的上层水混合扩散，成为水体营养盐的一部分，从而对水体的富营养化发生作用，使水体营养负荷增加。不少湖泊调查资料表明，当入湖营养盐减少或完全截断后，水体仍处于富营养化状态，甚至出现“水华”。由此可见，在一定条件下，沉积物中的营养盐可能成为水体富营养化的主导因子。因此，了解水体沉积物中的N、P及其他营养物质的特征、水土界面问的行为及沉积物释放的规律，对研究湖泊的营养化和生产力是非常重要的。二综合治理措施2.1削减外源外源污染分为点源和面源，其中面源污染日益成为水体富营养化的主要来源[20-26]。外源的削减与控制是治理水体富营养化的先决条件。削减营养负荷的技术有以下几种：1）废水分流以减少营养物质的入湖量，生产无磷洗涤剂以降低磷的入湖负荷2）使用化学方法或生物技术进行废水脱磷3）利用稳定塘、人工或自然湿地等进行非点源营养物质的截流4）湖水稀释5）应用生态技术改变常规农业种植方法。2.2消除内源一些水体，只削减外源就可使水体恢复到以前的状态，但在富营养化程度严重的情况下，由于整个湖的情况已经发生了变化，只控制外源还不能从根本上治理富营养化，内源足以延缓甚至阻止湖泊停止外源输人后的恢复进程，因此还需采用湖内恢复技术消除内源。国外在消除内源方面做了很多探索[27-29]：1）向湖中投加铝盐加速磷惰性化，从而减少内源磷的释放率2）底泥疏浚3）底泥氧化4）均温层曝气5）选择性地去除均温层的水以降低均温层的体积，减少水体的营养物质浓度6）降低水位使一些或者全部的底部沉淀物暴露于大气中。2.3生态治理控制外源和内源的技术会使营养物浓度长期的减少。但对于恢复水体的生态功能往往还不够。各国经过长期的和大规模的研究[30-33]，发明了许多技术用于富营养化水体的恢复：1）石岩等人研究了草食性浮游动物净化富营养化水体的效果2）有学者研究水网藻在生长过程中吸收水体中的氨氮、硝氮及无机磷等藻类营养素，从而限制藻类的生长3）通过生物操纵法改变水体生物群落结构，减少水体内的氮磷等营养物质的量从而抑制藻类的生长4）通过人工循环使湖水达到和维持等温状态#通过毒性效应来控制藻类。2.4综合防治富营养化是多种原因、综合作用的结果。且污染源复杂，营养物质去除难度大，防治上只用一种方法很难奏效。实践中通常是多种方法同时使用，既控制外源性营养物质输入，又减少内源性营养物质负荷。如池塘常见的由蓝藻形成的“铜绿水”，只用0．7g／mL浓度的CuS04，FeS04合剂((5t2)效果并不理想，但结合生态学管理可降低药量又可提高疗效，然后注入其它池水引进新藻类种，防止蓝藻成为池水优势种，然后施无机肥进行肥水，效果较好。在今后的防治研究中应注重利用生态工程的方法恢复、建立完善的水生生态系统，促进其良性循环，真正实现对富营养化的控制[34]。三展望防止富营养化趋势的发展，必须以防为主，采取综合防治措施，因地制宜。要加强管理，特别使要加强水系环境监测力积极推进污染源控制与生态修复相结合、治理与管理相结合以及教育与管理相结合；应以可持续发展的理念实施预防和控制，坚持标本兼治的方针[35]。在流域内社会经济能力所能承受的前提下，从控制污染源出发，重点开展生态修复，并完善管理，优化规划。同时，完善有关富营养化的法规体系，以保证各项管理工作能够做到有法可依。在执行法规的过程中，要做到执法必严、违法必严。