第2讲 富营养化与赤潮

富营养化与赤潮●定义：指浮游生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、水库、河口、海湾等相对封闭、水流缓慢的水体，在适宜的外界环境（水域的理化环境）因素综合作用下，引起藻类等浮游生物迅速繁殖、水体透明度和溶解氧含量下降、水质恶化、鱼类及其它水生生物大量死亡的现象（齐雨藻等，2003）。●氮、磷等营养盐的主要来源–农业面源污染–城镇生活污水–水产养殖自身污染–沉积物中有机质的分解–大气沉降富营养化营养盐的主要来源不同来源氮向海洋的输送通量海水中溶解态氮磷的存在形态●溶解态氮◆溶解无机氮：NO3--N、NO2--N、NH4+-N◆溶解有机氮：如尿素、尿酸、氨基酸、嘌呤、腐殖质、多聚胺、尸胺、腐胺、亚精胺等，多边舌甲藻（Lingulodiniumpolyedrum)和Aureococcusanophagefferens能优先选择尿素作为氮源。●溶解态磷◆溶解无机磷：PO43--P◆溶解有机磷：6-磷酸葡萄糖、ATP●天然胶体含有微藻生长所必需的氮、磷、铁等营养元素，对微藻的生长有显著促进作用。●雨水和气溶胶中的溶解有机氮（DON）至少占总溶解氮（TDN）的1/3以上（Cornell等，1995，2001，2003）。大气沉降输入的外源氮支持着世界近海8～70%的新生产力（Duce，1986；Paerl等，1990）。●在北卡罗莱纳州沿海地区，浮游植物可在短时间内迅速吸收雨水中大约20～30%的DON（Peierls和Paerlh，1997）。●DON和NH4+都容易被细菌和浮游植物利用，雨水中的DON更有利于甲藻和硅藻生长（Seitzinger和Sanders，1999）。●海洋降水中的氨基酸、尿素等容易被生物直接利用的有机氮化合物含量较高，可显著促进海洋初级生产力（Mopper和Zikar，1987；Cornell等，1998；Zhang，2002）。溶解有机氮网箱养殖的氮磷排放量●每生产1t鲑鱼产生N为52kg/a（Folke等，1992）~104kg/a（Phillips等，1998）；溶失到环境中的N为92～102kg（占总输入N量的72%～79%，其中DIN占总输入N的58%～78%），加上鱼类分泌的N，生产1t鱼可直接向养殖水体中分泌40kg溶解态N（Hall等，2001）。●在网箱养鱼中，仅24.7%的N和30%的P用于鱼体生长，其余N、P主要因排泄而损失，饲料中约75%的TN和TP进入水中（刘家寿，1997）；每产出1t鱼，环境中的P负荷增加19.6~22.4kg/a（Holby和Hall，1991）。●在海水网箱养殖鲑鱼中，投喂的干湿饲料有20%未被食用（Phillips等，1998）；鲑鳟鱼类每消化100g饲料将排出粪便约20～30g（Beveridge，1991）。●海水网箱养殖，每养成1t鱼，将向环境排放161kgN、32kgP。●每年投喂小杂鱼300万t。•有氧：(CH2O)106(NH3)16H3PO4＋138O2—→106CO2+122H2O+16HNO3+H3PO4•缺氧：脱氧菌(CH2O)106(NH3)16H3PO4＋84.8HNO3—→106CO2+42.4N2+148.4H2O+6NH3+H3PO4•缺氧(NO3-、NO2-已耗尽)：还原菌(CH2O)106(NH3)16H3PO4＋53SO42-——→106CO2+53H2S+106H2O+H3PO4不同氧化还原条件下的有机氮降解海洋中磷的循环全球人口及氮磷消耗富营养化指标体系●物理指标：水色●化学指标：COD、TOC、TIN、NH4+-N、NO3--N、TIP、PO43--P、DO、SD、BOD5●生物学指标：Chl.a、初级生产力、藻类生长潜力（AGP）、生物多样性指数（DI）富营养化评价因子及标准富营养化评价方法●单项指标法（阈值法）◆COD=1~3mg/L◆DIP=0.015~0.02mg/L◆DIN=0.2~0.3mg/L◆Chl.a=1~10mg/L◆PP=1~10mg/L.h◆浮游植物细胞数：150×104ind/m3◆H=1.0、J=0.2●综合指标法（营养状态指数法）：EI≥1●营养状态质量指数法：NQI≥3●欧盟综合评价法（OSPAR-COMPP）●美国河口营养状况评价（ASSETS）富营养化评价模型王保栋.河口和沿岸海域的富营养化评价模型.海洋科学进展,2005,23(1):82~86.特征腐水域过营养水域富营养水域贫营养水域深域浅域透明度水色3以下带臭味呈黄色赤褐色3＜黄绿色3～10短时间局部着色＞10不着色COD(mg/L)＞103～101～3＜1BOD(mg/L)＞103～101～3＜1无机氮化物(mgat·N/L)＞10010～1002～10＜2溶氧饱和度直至近表层0～30%表层过饱和，底层0～30%直至中层为饱和状态数米以下为30～80%直至底层为饱和状态H2S接近表层可检出底层可检出检不出检不出初级生产力(mgC/m2·h)10～2001～10＜1底质黑色、表层无褐色的氧化层黑色无氧化层略带臭味有氧化层有时有带黑色的氧化层无臭味有氧化层硫化物1.0＜0.3～3.00.03～0.30.3COD(mg/g)30＜5～30＜5海域营养状况的划分海域营养状况的区分及其特征海水潜在性富营养化评价海水潜在性富营养化评价浮游植物的光合作用106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+(重金属、维生素)+122kcal(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+138O2海洋浮游生物的矿化作用方程(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2106CO2+16HNO3+H3PO4+122H2O即O2/C/N/P=138/106/16/1，相当于每消耗138mol氧气可产生1mol磷酸盐、16mol硝酸盐和106mol二氧化碳，这一元素比值被称为Redfield比值（Redfield等，1963）。Redfield比值赤潮指海洋中某些微小的浮游生物在一定条件下暴发性增殖或聚集而引起海水变色的一种有害的生态异常现象，是各种色潮的统称。日本濑户内海的赤潮截止2003年，我国共记录赤潮647起，其中2001~2003年共记录275起，占已记录赤潮总数的40%；1970s至今，有害藻华的发生次数以每十年约增加3倍的速率上升。我国赤潮的发展趋势1992~1998年，我国沿海记载的赤潮事件。我国赤潮多发区赤潮生物种类数目在海洋浮游植物中，能引起赤潮的种类约占浮游植物总数的7%，能形成有毒有害赤潮的种类约占2%。我国已记录的赤潮生物有127种，其中有毒藻类28种。赤潮浮游植物种类和数量的分析方法●根据赤潮发生的空间位置、水动力、营养物质来源等因素划分：河口型（30%）、海湾型（29%）、养殖区型（27%）、沿岸流型（6%）、上升流型（6%）和外海型（2%）。●按优势种名称划分：如夜光藻赤潮。●按优势种种类数划分：单相型、双相型、复合型。●按赤潮藻毒性划分：有毒赤潮、无毒赤潮。●按赤潮藻来源划分：外来型、原发型。●按赤潮面积划分：特大型（1000km2）、重大型（500~1000km2）、大型（100~500km2）、中型（50~100km2）、小型（50km2）。赤潮分类赤潮灾害分级赤潮灾害的分类分级及预警色和预警图赤潮标准赤潮藻危害程度差异赤潮发生条件影响赤潮形成的主要环境因子国际性及区域性的赤潮研究行动●全球有害赤潮的生态学和海洋学研究计划（GEOHAB）：IOC和SCOR，1998●●我国近海有害赤潮发生的生态学、海洋学机制及预测防治（2001CB409700）。大亚湾海域浮游植物与三氮的关系。浮游植物对海水中三氮的摄取，倾向于利用NH4+-N，当NH4+不能满足需要时才摄取NO3—N。部分赤潮藻的最适营养盐形态氮、磷营养盐的形态不同，引发HABs的生物种类也不同，甲藻对磷要求较高，硅藻对氮要求较高。营养盐形态对有害藻类产毒的影响营养盐形态对有毒藻类的产毒量和毒素组成有重要影响，营养盐形态对不同藻类和藻类不同生长期的产毒均存在差异。在NH4+-N条件下，某些藻类产毒较NO3--N条件下高；高浓度DIP不利于毒素积累。香港近岸海域赤潮发生频率与N/P的关系。香港近岸海域爆发的多数赤潮，其N/P值介于6~15之间。●若Si/P22、N/P22，则受溶解无机磷限制●若N/P10、Si/N1，则受溶解无机氮限制●若Si/P10、Si/N1，则受无机硅酸盐限制海水营养盐限制标准（Justic等，1995）营养限制对细胞组分的影响氮磷比与鱼毒藻类毒性的关系塔玛亚历山大藻毒性与氮磷比的关系部分赤潮藻生长的最适N/P值不同藻种的最佳N/PFe在浮游植物代谢中的作用●海洋中生物可利用的Fe仅占总量的1%左右，因而缺Fe是海洋中的普遍现象。Fe是海水中的痕量金属，是浮游植物生长的基本要素，叶绿素的生物合成、藻类对C、N的转移和同化作用以及藻细胞内生化组成比率的变化都受Fe影响。●1930s，Gran提出Fe是海洋浮游植物生长的潜在性限制因子；1991年，Martin提出Fe限制假说，主营养盐丰富的HNLC大洋海域浮游植物的初级生产力受到生物可利用Fe的限制，并通过东赤道太平洋IronExI和ExII实验得到证实。●海水中Fe主要以颗粒态、溶解态[Fe(OH)3、Fe(OH)2+]和胶体形式存在，海洋真光层溶解Fe的主要来源为气溶胶干湿沉降、河流输入、沉积物再悬浮、生物循环，颗粒Fe和胶体Fe的主要来源为河流输入、沉积物再悬浮、气溶胶沉降。●引起Fe沉降的因素：吸附和沉淀、生物吸收、无机和有机胶体凝集、随矿物和生物颗粒沉降。海洋环境中的Fe及其对浮游植物的限制海水表层铁循环铁限制假说（Martin，1991）及其推论●生物可利用铁的缺乏限制大洋区域浮游植物的生长。●藻类对营养盐和碳酸盐的吸收受可利用铁的限制●由于铁限制藻类生长，限制其吸收大气中的CO2，因此加铁能促进大气CO2向海洋表面的转移，从而降低大气中CO2的含量。HNLC区总面积超过整个大洋的20%，主要有赤道太平洋海域、南大洋海域和加利福尼亚上升流区。海上施铁实验铁-二甲基硫-气候之间的关系在HNLC区域，加铁促进浮游植物大量繁殖，产生大量二甲基硫（DMS），DMS为负温室气体，能使气候变冷，是决定全球气候的重要因素之一。因此，在HNLC区域大量施铁，必将对全球气候产生较大影响。香港吐露港赤潮与人类活动的关系中国近岸海域赤潮次数与氮肥用量的关系黄渤海区赤潮发生次数与沙尘暴日数的关系典型赤潮生物MesodiniumrubrumNoctilucascintillansAlexandriumtamarenseGamibierdiscustoxicusChattonellamarinaSkeletonemacostatumTrichodesmiumerythraeumPhaeocystisglobosa亚历山大藻的生活史赤潮生物种群在单位时间内的分裂次数由下式计算μ=((lgNt—lgN0)/t)/lg2式中：μ为生长速度，以每天分裂的次数表示；N0和Nt分别为单位水体中藻类细胞的起始数量和经过t天后的细胞数量（cell/L）。赤潮生物的分裂速度赤潮生物的生长速度赤潮生物的垂直移动和聚集●昼夜垂直移动（DVM）●生物性聚集：主要依靠赤潮生物的运动和趋性（趋光、趋化）来实现。主动、速度慢、移动范围小●物理性聚集：由风、流、浪等环境因素引起。被动、速度快、移动范围大。赤潮藻类摄取营养盐的速率引发赤潮的因素●物理因素：温度、盐度、光照●化学因素◆有机物：腐殖质、富里酸、植物激素、植物生长素、嘌呤、嘧啶◆营养元素及其比值：N、P、Si；N/P、N/Si、Si/P◆微量元素：Fe、Mg、Mn、Zn、Se、Co、Cu、Ni、Mo等。◆维生素：VB1、VB12、VH●生物因素：内因●水文气象因素：暴雨、洪水、水团、上升流、风浪、沙尘暴、厄尔尼诺现象等●概念：由藻类产生的一类生物活性物质的总称，主要来源于浮游植物，由于人们最初不了解毒素的真正来源，往往根