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太湖是太湖流域的主要水体,由于流域内工业、农业的高速发展及生活污水无节制排放,水污染防治相对滞后,加之湖泊自身的水文特征等效应,使太湖富营养化形势严峻,并已危及流域内的经济发展和居民正常生活。
自20世纪80年代以来,太湖水体富营养化进程加快,特别是2007年5月29日,当无锡市的居民一大早起来,准备接水漱口洗脸时发现管道中流出来的是散发着强烈腥臭味的自来水,顿时全城大部分区域陷入了不同程度的水荒中。
事件很快引起了全国上下和全世界的高度关注。
无锡市委和市政府立刻启动了应急方案:
请来专家对水处理工艺进行改进,确定产生臭水污染的原因,加大引江济太和梅梁湾调水力度,加大纯净水供应,实施增雨作业,组织人员进行蓝藻打捞等一系列措施。
直至6月初,自来水供应趋于正常。
此次无锡市饮用水危机的爆发既是意料之外,又是情理之中。
根据危机事件爆发后野外采样调查发现:
位于取水口东部沿岸有历史上围湖造田遗留下来的低矮围堤,围堤东部散布着一些芦苇等挺水植物。
恰遇今年暖冬,蓝藻水华爆发得较早,在岸边堆积死亡的蓝藻水华在风向转变的情况下,漂到取水口周围堆积,造成此次水污染事件。
2007年6月1日下午调查采样发现,在此水域附近,仍然漂浮着许多腐烂发臭的水华团。
采样分析发现,其中总氮、总磷、CODMn浓度分别高达23.4mg/L,1.05mg/L,53.6mg/L,叶绿素a的浓度高达0.98mg/L。
这些参数是太湖正常情况下的10~20倍。
这已经是危机事件即将结束时的水质数据。
可见在危机事件爆发初期,水源地的水质受到的污染有多严重。
要研究太湖水华爆发的机制,除了研究物理、化学、气象、地质和社会等因子外,生物因子应是研究的重点。
在湖泊生态系统中,浮游生物具有重要的指示作用,尤其是浮游植物历来都是研究的重点。
浮游植物的变化不仅受外界因子的影响,而且受自身生理机制的制约,因此应从这两方面对太湖浮游植物生物量变化的周期性及其机理进行研究。
1.1湖泊富营养化概述
富营养化现象指氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。
在自然条件下,随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积,湖泊会从贫营养湖过渡为富营养湖,进而演变为沼泽和陆地,这是一种极为缓慢的过程。
但由于人类的活动,将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物营养物质排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后,水生生物特别是藻类将大量繁殖,使生物的种类数量发生改变,破坏了水体的生态平衡。
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,在海中叫赤潮。
我国目前湖泊富营养化的现象比较严重,根据最近对我国67个主要湖泊水质和富营养化现状的调查和评价结果得出[1]:
大约有近20%的湖泊水质较好(II-III类),有80%以上的湖泊受到污染(IV-劣V类),湖泊水质污染的问题十分严峻。
按照湖泊水体以氮、磷含量为代表的营养化程度来看,属贫营养性的湖泊数量为零;
属中营养的湖泊有18个,占调查湖泊总数的26.9%,面积为7,013.11km2,占调查湖泊总面积的37.6%;
属富营养型的湖泊为49个,占调查湖泊数量的73.1%,面积为11,632km2,占调查湖泊总面积的62.4%。
从湖泊数量上来看,有近3/4的湖泊已达富营养程度,所占的面积也接近总面积的2/3,表明当前我国湖泊富营养化问题已十分突出,对富营养化湖泊的治理迫在眉睫。
湖泊富营养化不仅与流域内社会经济发展密切相关,也与湖泊的自然地理特征有着直接的关系。
湖泊富营养化演变过程有一定的自然背景,但流域内人类活动导致营养盐加速进入湖泊,对加快湖泊富营养化起着主要的作用。
世界社会经济发展的历史表明,工业化带来了城市化,使产业、人口、物质急剧集聚,同时污染物也不可避免的随之增加和集聚。
工业化初期,人们往往把发展经济作为重心,而忽视对环境的维护与治理,即所谓“先污染、后治理”。
20世纪70年代德国的莱茵河几乎成了臭水沟,鱼虾不长,许多河段丧失了作为饮用水水源的功能[2]。
德、瑞、奥交界的博登(Bodensee)湖水中氮、磷等营养盐也急剧上升,威胁到德国南部地区的供水[3]。
20世纪80年代匈牙利的巴拉登湖同样因湖水富营养化引起蓝藻爆发等等[4]。
1.2浮游植物生物量的影响因素分析
营养盐、光照、湖泊形态、水温等因素都是影响浮游植物生长繁殖的重要因素。
1.2.1浮游植物与营养盐的关系
氮、磷、有机物质等这些元素都是浮游植物生长所必需的。
根据生态学原理,在正常情况下,氮、磷等元素在湖泊中的存量很少,是浮游植物生长、繁殖的限制因子,使湖泊各物种间在数量比例上形成平衡。
目前由于人为的影响而使外来的营养物质大量输入湖泊,使湖泊营养盐在短时间内大量蓄积,藻类的生长限制因子被解除,从而导致藻类的过量繁殖。
1.2.2浮游植物与光照的关系
湖体浊度的增加使浮游植物进行光合作用所能利用的光能总量减少,部分藻类(特别是蓝藻)由于在光能利用上占有优势而形成优势种群。
蓝藻的生物有机组成不利于其他动物对它的摄食,从而使蓝藻在湖泊中大量富集,破坏湖泊水体,扰乱了湖泊内食物链的循环。
藻类的大量繁殖使湖泊中的群落结构发生改变,影响湖泊植物物种的组成,并使水生动物的组成发生改变,最终导致湖泊的可利用率降低。
1.2.3浮游植物与湖泊形态的关系
湖泊是由湖盆、湖水及其中的生命物质所组成的,这三个要素组合就构成了湖泊这个整体。
如果湖盆是外高内底的碟形形态。
那么就会形成非常有利于浮游植物生长的场所。
因为,供浮游植物生长的养分易聚集,湖水流动慢,不易换水,湖水自净能力差。
在浅水区,表、底层不断循环,养分带到表层有利于浮游植物的生长。
1.2.4浮游植物与水温的关系
处在温带地区的湖泊,水温受季节变化的影响而引起湖水分层和对流,由于热分层效应,使得湖泊水体的表层水在夏季光照充足,温度较高。
若这时供给水体的营养物质充足,藻类的光合作用便随之加强,生长旺盛。
同时,水体的底层往往处于缺氧状态,很容易加速底泥磷的释放,从而导致湖水磷浓度的增高。
到了秋季湖水对流,底层的内源性磷对流到湖表层,提高了湖表层水中磷的浓度,为藻类第二年的大量繁殖提供了充足的营养物质,使得湖泊持续保持富营养状态。
1.3研究目的和方法
太湖位于太湖流域的中心,具有蓄洪、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项功能。
目前太湖流域因浮游植物过度生长而引起的湖泊富营养化,破坏了湖泊的生态系统,严重影响湖区工农业生产和人民生活水平。
为了控制湖泊富营养化,就必须揭示其发生机理,分析富营养化发生的主要驱动因子氮、磷,并分析其变化规律。
控制由富营养化引起的藻类爆发,分析藻类的生长因素。
从而有效制约其过度生长,以最终达到控制太湖富营养化的目的。
2太湖的水体富营养化
2.1太湖水环境概况
太湖流域人口稠密,经济发达,1994年流域内总人口3468.9万人,密度950人/km²
,是全国人口密度的7.5倍。
同年该地区国内生产总值4410亿元,占全国总数的14.0%。
近年来不合理开发与大量污染物排放入湖,使太湖水质污染严重,加之湖泊自身的水文特征等效应,使太湖富营养化形势严峻,湿地生态环境恶化,影响人民日常生活,制约流域经济发展。
2.2太湖水体富营养化现状
2.2.1太湖水体富营养化的历史与演变
自20世纪50年代以来,太湖水质总体上呈现下降趋势。
1960年湖泊的总无机氮(TIN)仅0.05mg·
1-1,硝酸根(PO43--P),水质良好[5],直至1981年时,TIN达到了0.894mg·
1-1,较1960年上升了49%[6],1988年TIN和TN分别为1.115mg·
1-1和1.84mg·
1-1[7],1998年分别为1.582mg·
1-1和2.34mg·
1-1。
1988年总磷(TP)和CODMn分别为0.032mg·
1-1和3.30mg·
1-1[8]。
1998年分别为0.085mg·
1-15.03mg·
1-1分别上升2.66倍和1.53倍。
因此,太湖水质平均每10a下降一个等级。
伴随着营养盐浓度的增加,湖泊的蓝藻水华问题也越来越严重。
水华爆发的范围从20世纪60年代的五里湖,逐步扩展至整个北太湖。
2.2.2太湖水体富营养化的现状
从2007年5月25日开始,江苏无锡市城区自来水水质突然发生变化,29日市区内大批市民家自来水出现难闻的气味,无法正常饮用。
导致全市发生饮用水危机,一时间,市面上的矿泉水、纯净水被抢购一空,超市内各种桶装水一度脱销。
给市民的生活带来了极大的困难。
而造成自来水变质、发臭的直接原因是太湖蓝藻大面积暴发所致。
根据监测数据显示:
今年入夏以来,无锡太湖出现50年以来最低水位,加上天气连续高温少雨,太湖水富营养化较重,诸多因素导致蓝藻提前暴发,影响了自来水水源地水质。
虽然现在太湖蓝藻事件已经平息,但给予我们的教训是十分深刻的。
俗话说,冰冻三尺非一日之寒。
其实,蓝藻在太湖每年都有,只不过是今年暴发的更加厉害了。
去年1~4月太湖水温高于多年平均值,尤其是4月份月平均水温为近25年中最高,且4月25日以后太湖水温一直超过20℃,极利于藻类生长;
同时,今年1~4月太湖始终处于相对较低的水位,4个月平均水位为2.94米,导致较低水位的梅梁湖水质进一步恶化。
2.2.3太湖水体富营养化的原因
太湖蓝藻爆发和其富营养化发生、发展是一长期过程,其影响因素众多,概括起来主要有以下六方面。
2.2.3.1太湖的湖泊形态和水文特性
太湖是平原浅水湖泊,存在对水质改善不利因素。
太湖平原是外高、内底的碟形洼池,地表径流自四周河道汇集入湖,养分易聚集,换水周期较长,丰水年251d,平水年492d,枯水年更长。
湖水流速0.2~6.0cm/s,湖水更新自净能力差,且多处出水口受堵,湖中养分易进难出,在湖中滞留时间过长,尤其枯水季养分在湖中大量累积,为春末初夏藻类生长提供充足营养。
岸线曲折,湖东北部形成众多湖湾,如梅梁湖和东太湖等。
该地夏季盛行东南风,浮游藻类随风漂移,聚在湖湾形成“水华”,对无锡市(梅梁湖)供水构成严重威胁。
作为浅水湖泊,太湖平均水深1.8m,表、底层不断循环,养分带到表层促进藻类生长。
在夏季可能出现短期分层现象,底层有机物质分解,导致溶解氧迅速消耗,促进沉积物中P的释放。
分层现象过后,这些物质迁移至表层,促使表层藻类发展。
2.2.3.2太湖的工业废水排放
太湖周围工业废水无节制排放。
太湖流域经济迅猛发展,均高于全国2%,经济提速导致大量工业废水排入水体。
据统计,太湖上游京杭大运河苏南段的西南地区,各类废水排放量>3.0×
1012kg/a。
工业污染排放COD约占流域排放量63%,大量P、N元素随废水入湖。
流域内工业布局和产业结构不合理也是导致太湖富营养化加重的原因之一。
2.2.3.3太湖的生活污水排放
太湖流域内人口增加使城镇生活污水排放量和含P洗涤剂使用量大幅上升,年排放生活污水总量>3×
108m3。
随污水排量加大,大量P、N注入湖中,使湖水营养负荷上升,导致蓝藻种群暴发,水环境恶化,大量水生生物死亡。
而水生生物尸解,又加重湖泊富营养化,形成恶性循环。
2.2.3.4太湖的化肥农药使用
化肥农药的大量使用,农业耕作制度与施肥结构改变使流域内农业基本处于化学农业阶段,特征为农田施肥中农家肥用量减少,化肥用量上升,化肥年耗量(2.0~3.0)×
109kg,每公顷约(1.5~3.0)×
103kg,农药用量(5.0~8.0)×
107kg,每公顷42kg,化肥利用率<50%,大部分随灌溉或降水淋溶流入河湖之中。
导致湖中N、P等营养物质含量上升,加速太湖富营养化的进程。
2.2.3.5太湖湖面不规范开发利用
太湖的水产养殖集中在东太湖、贡湖、竺山湖等湖湾内,流域内有鱼塘6.7×
104hm2,围网面积>0.42×
104hm2。
渔民为求经济效益,过量投饵(>2.0×
109kg/a),饵料利用率为20%~30%。
剩余饵料加重湖水营养负荷。
水产捕捞、湖面运输、旅游等湖内开发活动也使污染物发生量直线上升,局部岸边水域N、P负荷增加。
2.2.3.6太湖湖底污染淤泥长期累积
太湖湖底污淤泥长期积累也已成为太湖营养盐分的补给来源。
根据监测资源估算,太湖淤泥中积累总N、总P分别为3.5×
107kg、2.26×
107kg,也加快了太湖富营养化进程。
3太湖浮游植物生物量的周期性变化及其影响因素
3.1太湖浮游植物生物量的周期性变化
悬浮物是湖水的重要物质成分之一,在湖泊生源要素磷的迁移转化过程中起着传输媒介的作用悬浮物一方面在悬浮过程中可以与水体进行物质交换,絮凝沉降后又成为沉积物的一部分;
另一方面,悬浮物在悬浮过程中营养组分发生降解,可导致短时间尺度的生源要素迁移,补偿夏季由于藻类暴发所消耗的营养物质,而这种营养源正是水华暴发所需的缓冲源。
太湖是一个大型浅水湖泊,湖面开阔,风浪扰动作用明显,年全湖水体再悬浮颗粒物量为2.52×
105T,大量悬浮物也为水体带来了丰富的营养元素,如氮、磷等。
据2000年对太湖24个点监测结果显示,全年期29%为中~富营养化水平,71%为富营养化水平。
富营养化的主要原因是过多氮磷进入水体,超过了水体的自净能力,而目前太湖全湖的总氮和总磷已分别达到了富营养化发生浓度的1715倍和616倍。
控制水体中的氮磷是限制藻类生长,遏制水体富营养化的重要因素。
3.1.1绿素a(Chl-a)是太湖浮游植物生物量的一个重要指标
3.1.1.1太湖水中的Chl-a的变化
图12004年-2006年Chl-a的变化
从图1看来,三年中的太湖水中的Chl-a的变化主要体现在以下几方面。
首先可以发现太湖浮游植物生物量在年内大致的变化趋势,每年3月,Chl-a浓度开始增高,随着温度的增高,浮游植物生物量呈现上升的趋势,在7、8、9月达到高峰,9月以后,Chl-a的含量开始降低,1~2月的含量在一年中为最低。
其次,04年和05年浮游植物生物量的变化幅度较接近。
第三,06年在9、10月份的Chl-a明显远远超过04和05年,说明06年太湖富营养化程度明显加重。
3.1.2太湖水中的Chl-a的年际分布特征
见下图,从图2的数据可以看出,太湖叶绿素a的数量逐年递增,并且递增幅度很大。
2001年的均值是11.17mg/m3,而2005年的均值达35.61mg/m3,4年增长了2.5倍。
图22001年-2005年年平均Chl-a的周期变化
3.2太湖浮游植物生物量与COD的关系
化学需氧量(COD)是用来反映需氧有机物的含量与水体污染的关系,此指标越大,表明水体有机污染越严重。
因此,太湖浮游植物生物量的COD越高,太湖的水体有机污染越严重。
所以要严格控制太湖的COD指标,以对抗水体有机污染。
图32005年Chl-a与COD的关系
从图3看来,COD和Chl-a的波峰波谷基本一致,表明它们呈正相关关系。
水体较高的有机物含量会促进藻类的生长,如果遇到夏季适宜的温度,可能会导致浮游植物生物量的急剧增长。
3.3太湖浮游植物生物量与总氮的关系
无机氮是富营养化水体中的主要指标,在太湖藻类水华爆发和藻毒素产生中具有重要的作用。
硝酸盐氮和氨氮是水体中非固氮藻类可直接利用的两种最主要的无机氮。
在对硝酸盐氮的吸附研究表明,在通常条件下它在粘土矿物上吸附百分比均在6%以下,可以忽略粘土矿物对它的吸附作用。
各种藻类在同化作用中要求的氮浓度是不一样的,通常绿藻和蓝藻较高,硅藻较低,如据古谢娃的培养试验,硅藻在硝酸盐氮0.01~0.8mg/L时生长最好,而绿球藻类则必须5mg/L,团藻类必须2~5mg/L时生长最好。
3.4太湖浮游植物生物量与氨氮的关系
氨氮在太湖的水体悬浮颗粒微界面进行的复杂作用过程成了富营养化水体中藻类生长繁殖与控制的重要因素。
吸附解吸作用是氨氮与水体颗粒物交互作用的重要过程之一,其作用程度在不同种类的水体悬浮颗粒界面可能有所不同,并在水温、PH值、盐度等水环境因子的作用下会发生动态变化,进而影响到水体的其它过程。
3.5太湖浮游植物生物量与总磷的关系
磷的变化对水体的富营养化有重要影响。
由于不同形态磷其生物可利用性不同,对水体的富营养化贡献也不同,因此,对磷形态的研究有助于揭示各形态磷的生态学意义。
磷是水体生态系统中初级生产力的重要因子,同时也是引起富营养化的主要元素。
湖泊水体中的磷由外源性和内源性磷组成,外源性磷主要是指工农业、生活污水不定期排入的磷,而内源性磷则是由湖底沉积物释放出的磷。
长期以来,沉积物一直是磷元素积累和再生的重要场所。
由于PH值、温度、光照、氧化还原条件的改变或受水动力学过程的作用,湖泊水体中磷会发生迁移、转化。
每年太湖各区域水体总磷含量平均变动幅度都在0.1017~0.1352mg/L,个别监测点浓度高达0.1720mg/L。
最高值一般出现在7、8、9月,而最小值出现在11、12、1月。
从总磷浓度的年度变化看,1998~2002年总体含量较高,尤其是北部湖区和百渎口周围,而2003年后没有大幅度上升或下降。
但从每月各监测样点数值看,水体总磷浓度呈无规律性变化,不同时期总磷含量相对不确定,显示出较强随机性的动态变化。
对湖泊水体总磷的动态变化研究,有助于揭示湖泊富营养化发生机理和了解其生态环境状况,而目前对湖泊水体总磷动态变化研究较少。
从近年监测情况看,太湖中极大部分测定结果都大于15,这说明太湖藻类生长的限制性元素为磷。
据资料表明,浮游植物总数是80年代初的10倍。
在夏季几乎全湖都可见“水华”出现。
个别水域,3月“水华”已较明显。
3.6太湖浮游植物生物量与TN/TP的关系
营养盐N、P,特别是P质量浓度的增加可以引起藻类种群结构的演变,即由以硅藻为优势的种群结构转化为以非硅藻为优势的种群结构。
此时,藻类种数可能逐渐趋于减少,而生物量并不一定有明显增长,即营养盐质量浓度的增加已不足以引起藻类生物量的显著变化,而可能对藻类种群结构的变化产生重要影响。
太湖北部藻类的生物量与营养盐TN、TP的质量浓度呈明显的线性关系(R2分别为0.78和0.76),但是他们之间的多项式关系更为显著(R2分别为0.94和0.97),说明营养盐的增加在一定范围内可以引起藻类生物量的增加,但是过高的营养盐反而可能导致藻类生物量的减少。
图42002年浮游植物生物量与TP的关系
图52004年浮游植物生物量与TP的关系
从图4、图5可以看出两者的变化基本相同,总磷上升,浮游植物生物量也随之上升,总磷下降,浮游植物生物量也随之下降。
在七八月份温度持续上升的情况下,浮游植物生物量急剧上升。
在图5中可以看出,浮游植物生物量在七月份上升到了45.9mg/m3,八月份到了最高点56.2mg/m3。
3.7太湖浮游植物生物量与水温的关系
水温是影响浮游植物的重要因子,许多研究表明,水温与浮游植物生物量呈正相关,当水体浮游植物大量增加后,光合作用过程中所消耗的CO2会增多,水体中的酸碱度随之发生变化,而水体酸碱度的变化,必然会影响生活在该水体中浮游植物的生理活动,导致种群结构的改变。
由于竞争性消耗水体中的营养物质,并分泌一些抑制其他生物生长的物质,从而会造成水体中浮游植物生物量增加、种类减少和多样性降低的现象。
另外,PH值的升高有利于底泥中磷的释放,从而导致水体中磷的增加。
提示在温度的大幅度增加之时,应加大治理力度,以控制温度变化带来的水体质量恶化。
结论
因此控制太湖水体富营养化,就要从本质抓起,可以从以下几个方面入手:
1 贯彻试试循环经济思想,加大对工业企业、城镇生活污水处理厂建设的加强,增加对污水重点污染物(如磷氮)的处理深度,加强源头治理,借鉴国内外经验,禁用含磷洗涤剂,减少生活中磷的输入;
2 充分利用江苏境内河网密度高、湖荡湿地面积达的优势,污染物入湖前预先施行河网净化;
3 合理使用化肥,大力提倡使用农家肥,改进施肥方法,扩大绿化面积,减少磷氮的流失;
4 适度控制湖内网箱养殖面积、协调湖内旅游、房地产等开发与环境保护的关系,降低湖泊及其沿岸的环境压力,减少湖体内源负荷;
5 做好水情调配与环境污染的协调工作,减少高浓度入境水在湖区中的停留时间;
6 进行湖体内部生态工程综合治理,如污染底泥上种植大型水生植被,净化水质、增加透明度、取出营养物,降低营养程度等。
除此之外,还有控制旅游点生活污水污物排放、船只排放控制、湖滨堤岸修复,进一步提高人们的环保意识等。
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