第三章 天然水的气—液溶解作用

1、第三章 天然水的气液溶解作用第一节 气液溶解基本理论一、双膜理论气体溶解速率的“双膜理论”认为：在气、液界面两侧，分别存在稳定的气膜和液膜，即使气相、液相呈湍流状态，这两层膜内仍然保持层流状态(层流是指流体质点的运动迹线相互平行、有条不紊的流动。湍流是指流体质点的运动迹线极其紊乱，流向随时改变的一种流动。无论以何种方式扰动气体或液体，都不能将这两层膜消除，只能改变膜的厚度。气体主体内的分子溶入液体主体中的过程有4个步骤（图3-1）：气相主体 P2(湍流区) P2_ 气膜顶面气膜 P1_ 气液界面液膜 C1_ 液膜底面液相主体 C2(湍流区) C2图3-1 气体向液体溶解示意图也就是气体通过以下

2、4个过程溶入液体：1、 靠湍流从气体主体内部达到气膜2、 靠扩散穿过气膜到达气液界面，并溶于液相3、 靠扩散穿过液膜4、 靠湍流离开液膜进入液相内部当气体分子在气相主体与液相主体中迁移时，靠的是湍流，运动速度快，混合均匀，可认为在气相主体与液相主体中都不存在浓度梯度。而在气膜和液膜内只存在层流，气体分子只能靠扩散通过。据扩散定律（通过截面积A的扩散速率dG/dt与被扩散物质的浓度梯度dc/dl成正比）,空气中的氧气进入水体表面的液相界面膜的扩散速率与界面膜中溶解氧的浓度梯度的关系为：这是假定气体到达界面后瞬间即能达到溶解平衡，并符合亨利定律关系。易溶气体主要受气膜扩散限制，难溶气体主要受液膜扩

3、散限制。二、溶解度及其影响因素1、气体在水中的溶解度在一定条件下，某气体在水中的溶解达到平衡以后，一定量的水中溶解气体的量，称为该气体在所指定条件下的溶解度。一般用100g水中溶解气体的克数来表示易溶气体的溶解度，而用1L水中溶解气体的毫克数(或毫升数)来表示难溶气体的溶解度。用毫升来表示时是指标准状态下(0、101.3kPa )的体积。对于难溶气体，由于溶入水中的气体量很少，不会显著改变水的体积，1L纯水溶解的气体的毫克数也可以看作就是溶解了气体后的1L水中所含该气体的毫克数。对于易溶气体，水中溶解大量气体后，体积有较大的变化，就不能把溶解度与浓度等同起来了。空气中含量较高的氮气和氧气在水中

4、的溶解度都不大，可以不考虑溶解气体后水的体积的改变。2、影响气体在水中溶解度的因素气体在水中溶解度，首先取决于气体本身的性质。通常极性分子气体在水中的溶解度大，非极性分子气体在水中的溶解度小；能与水发生化学作用的气体溶解度大，不能与水发生化学作用的气体溶解度小。例如NH3、HCl在水中的溶解度就很大，而N2、H2、O2在水中的溶解度就很小。表3-1列出了部分气体压强为101.3kPa时在水中的溶解度。表3-1各种气体压强为101.3kPa时在纯水中的溶解度(ml/L)温度（）0102030O249.2238.4231.4526.73N223.5918.9515.9813.98Ar57.845.

5、337.932.6He9.79.99.910.0Nr11.411.814.715.4Kr110.581.062.550.9Xe24217412398CO217131194878665H224.4819.5518.1916.99CH455.6341.7733.0827.62除气体本身的性质外，影响气体在水中溶解度的因素还有水的温度、含盐量和气体的分压力。、温度 随着温度升高气体在水中的溶解度降低。表3-1列出了各种气体为101.3kPa 时于纯水中的溶解度。从表中可以看出气体在水中的溶解度随着水温的升高而下降。、含盐量 当温度、压力一定时，水中含盐量增加，会使气体在水中的溶解度降低。这是因为随着

6、含盐量的增加，离子对水的电缩作用(指离子吸引极性水分子，使水分子在其周围形成紧密排布的水合层的现象)加强，使水可溶解气体的空隙减少。海水的含盐量很高，在相同温度和分压力下，气体在海水中的溶解度比在淡水中小得多。因而氧气在大洋海水中的溶解度大约只有在淡水中的8082%。对于淡水来说含盐量低，且变化幅度很小，对气体在水中的溶解度影响不大，一般不考虑含盐量的影响，而近似地釆用在纯水中的溶解度值。、气体分压力 在温度与含盐量一定时，气体在水中的溶解度随气体的分压增加而增加。对于难溶气体，当气体在低压时，气体溶解度与其分压力成正比，这就是享利定律。用公式表示为：C = Ks P 式中：C -气体的溶解度

7、; P -达到溶解平衡时某气体在液面上的压力;Ks -气体吸收系数，其数值随气体的性质、温度、水的含盐量变化而变化，也与压力(P)、溶解度(C)所釆用的单位有关。对同一种气体在同一温度下有 式中：C1-压力为P1时的溶解度;C2-压力为P2时的溶解度。对于混合气体中某组分气体在水中的溶解度，上式中则是指该组分气体的分压力，与混合气体的总压力无关。由几种气体组成的混合气体中组分B的分压力PB等于混合气体的总压力PT乘以气体B的分压系数KB，这就是道尔顿分压定律：PB=PTKB KB= 式中: VB-组分B在压力为PT时的分体积；-各组分气体的分体积之和，等于混合气体在压力为PT时的体积VT。道尔

8、顿分压定律和亨利定律，只有理想气体才能严格遵守。对于不与水发生化学反应的真实气体，如N2、O2、CH4等，只要压力不是很大（数个标准大气压之内）都可以用道尔顿分压定律和亨利定律进行有关计算。亨利定律只适用于气相与液相有相同形态的物质。能与水发生水合、电离的气体如CO2、H2S等，只适用于在水中仍以分子状态存在的CO2、H2S，而不是溶解的总量。三、溶解速度及其影响因素1、饱和度水中溶解气体的含量一般用1L水中所含溶解气体的量来表示，单位为ml/L或mg/L。ml是指标准状态下的体积。体积与质量的换算系数，对于氧气f = 1.429mg/ml，氮气f = 1.251mg/ml, 其它气体可按f

9、= mg/ml计算，式中Mr为气体的相对分子质量。溶解气体在水中的饱和含量是指在一定的溶解条件下(温度、分压力、水的含盐量)，气体达到溶解平衡以后，1L水中所含该气体的量。对于难溶气体饱和含量就等于溶解度。单纯用气体在水中的含量很难反映气体在水中溶解时所达到的饱和程度。为了能较直观地反映气体在水中的溶解程度，引入饱和度的概念，所谓饱和度是指溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比。即：气体饱和度 = 100%根据气体的饱和度，可方便地判断气体是否达到溶解平衡。当饱和度为100%时，说明气体达到了溶解平衡；当饱和度100%为过饱和，水中气体主要向大气逸出。对溶解氧而言，水中溶解氧气的饱和含量

10、是指在天然水体表面所承受的大气压力下，空气中的氧气在水中的溶解度。水面上的空气可以看作是湿度饱和的空气。附录？中列出了不同盐度和温度下，大气压为101.3kPa的饱和湿空气中的氧气在水中的饱和含量(C0s) ，任意大气压下的饱和含量(Cs )可以用下式换算。Cs = 式中：P0为溶解度 C0s时的大气压力，即101.3kPa;P为天然水体表面的大气压;Pw为该温度下水的饱和蒸气压，不同温度下纯水的饱和蒸气压(Pw0)列于表3-2。海水的蒸气压比纯水略低，可根据盐度(S)按下式计算Pw = (1-5.3710-4 S) Pw0 表3-2 不同温度下纯水的饱和蒸气压温度()P0w(kPa)温度()

11、P0w(kPa)温度()P0w(kPa)00.6107141.597263.36020.7053161.817283.77840.8128182.062304.24160.9345202.337324.75381.0720222.642345.318101.2270242.982365.940121.4014253.166386.623407.374由于盐度对水的蒸气压影响不大，一般可用纯水蒸气压代替。水体表面的大气压力可以从当地气象部门得到。也可以根据水面所处的海拔高度利用表3-3进行计算。表3-3 平均大气压随海拔高度的变化H(km)01234520P(kPa)101.3389.4679.

12、0669.8661.7354.005.47第二节 溶解氧一、水中增氧与耗氧作用1、水中溶解氧的来源（1） 空气的溶解水面与空气接触，空气中的氧气将溶于水中，溶解的速率与水中溶氧的不饱和程度成正比，还与水面扰动状况及单位体积的表面积有关，即与风力、表面积和水深有关。氧气在水中的不饱和程度大，水面风力大、水表面积大又较浅时，空气溶解起的作用就大。表3-4 是在自然条件下通过单位界面由空气增氧数量的研究结果，很好说明了上述规律。表3-4在自然条件下通过单位界面由空气增氧的数量(g/m2d-1)溶氧饱和度100%80%60%40%20%10%小池00.30.60.91.21.5大湖01.01.92.9

13、3.84.8缓流的河川01.32.74.05.46.7大的河川01.93.85.87.69.6急流的河川03.16.29.312.415.5如没有风力或人为的搅动，空气溶解增氧速率是很慢的，远不能满足池塘对氧气的消耗。为了增加氧气溶解速率，在水体缺氧时需开动增氧机。在养殖生产中还主张中午前后开动增氧机来改善池塘氧气状况，。中午池水中一般溶氧量较高，常过饱和，这时开增氧机可改善底层水的溶氧状况和下午浮游植物的光合作用的产氧效率。（2） 光合作用水生植物光合作用释放氧气，是池塘中氧气的主要来源。一般河流、湖泊表层水夏季光合作用产氧速率为0.5-10g/ m2d-1。据1977年5-8月对我国淡水养

14、鱼高产地区之一江苏无锡市郊成鱼养殖高产(1266.7kg/亩)池塘调查，表层光合作用产氧速率为13.020.6 mg/ m2d,平均17.822.77 mg/ m2d; 中层(1.0m)为0.125.54 mg/ m2d, 平均1.131.6 mg/ m2d。每平方米水柱产氧速率为6.614.3 mg/ m2d, 平均10.09 g/ m2d。哈尔滨地区成鱼池，光合作用产氧速率为12.631.5 mg/ m2d, 平均20.37.43 mg/ m2d，中层(0.70.8m)为0.416.94 mg/ m2d, 平均2.822.14mg/ m2d, 平均每平方米水柱产氧速率为10.01 g/ m

15、2d。植物光合作用增氧有以下特点：（a） 昼夜变化明显。仅白天增氧，晚上耗氧。（b）. 水层差别大。各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化。浮游植物在过强光照射下会产生光抑制效应，表层光合作用速率反而不如次表层大。（c） 效果不稳定。增氧的数量及速率随光照条件、水温、植物的种类、数量、生理状态以及CO2、营养盐的供给状况等因素的不同而异，时空变化很大。藻类进行光合作用的最终结果是合成藻体的有机质，浮游植物的平均元素组成可用(CH2O)106(NH3)16H3PO4来表示，光合作用的各元素的计量关系可用下式来反应：106CO2 + 16NO-3 + HPO2-4 + 122H2O = (CH2

16、O)106(NH3)16H3PO4 + 138O2由此式可计算出浮游植物光合作用对P、N、C的需求及释放 O2的比例P：N：P：O2 = 1：16：106：138 (摩尔比) 或 P：N：P：O2 = 1：7.2：41：142 (质量比)由此式可以得出：浮游植物光合作用释放1mgO2产生有机碳的量为0.289mg，这对研究水体的初级生产力有重要的意义。（3） 补水人工泵水、注水，自然流水补给以及水体内部水团的垂直对流均属这类，在底水层溶氧增补上有重要意义。在工厂化流水养鱼由补水补氧是氧气的主要来源。在非流水养鱼的池塘中，补水量较小，补水对鱼池的直接增氧作用不大。只有补充水中氧气含量较高，池塘水

17、中氧气缺乏时，补水增氧才具有明显的效果。冬季，北方越冬池注入井水一般不会起到增氧作用，因为地下水中通常氧气含量低于池塘水。总的说来，贫营养水体及流动水体，以大气溶解增氧作用较大；富营养型静水水体则以光合作用增氧为主。有人调查指出：在自然条件下，静水养鱼池内溶解氧的总收入中，光合作用增氧占89%、空气溶解增氧约占7%、其余4%为水补给增氧。当然不同水体条件千差万别，这一比例决不是一成不变的。2、水中氧气的消耗（1） 鱼、虾等养殖生物呼吸鱼、虾呼吸耗氧速率随鱼、虾种类、个体大小、发育阶段、水温等因素而变化。鱼的呼吸耗氧速率在63.5665mg(O2)/kgh 。在计算流水氧鱼的水交换速率时，常将鱼

18、的呼吸耗氧速率按200300mg(O2)/kgh进行粗略的估算。鱼虾的耗氧量(以每尾鱼每小时消耗氧气毫克数计)随个体的增大而增加。而耗氧率(以单位时间内消耗氧气的毫克数计)随个体的增大而减小。活动性强的鱼耗氧速率较大。在适宜的温度范围内，水温升高，鱼虾耗氧诉率增加。如23时日本对虾耗氧速率，体重为3.1g的个体，静止时为193 mg(O2)/kgh，活动时为626mg(O2)/kgh，体重16.1g的个体，静止时为110 mg(O2)/kgh，活动时为446mg(O2)/kgh。体长为7.5cm的中国对虾耗氧速率，10时为93.2 mg(O2)/kgh，20时为440 mg(O2)/kgh，2

19、8时为560mg(O2)/kgh。可见水温和个体大小对生物的耗氧速率影响很大。（2） 水中微型生物耗氧水中微型生物耗氧主要包括：浮游动物、浮游植物、细菌呼吸耗氧以及有机物在细菌参与下的分解耗氧。这部分氧气的消耗也与耗氧生物种类、个体大小、水温和水中机物的数量有关。据日本对养鳗池调查，在20.525.5时浮游动物耗氧的速率为721-932ml(O2)/kgh。原生动物的耗氧速率为1710-3-11103ml(O2)/kgh。浮游植物也需呼吸耗氧，只是白天其光合作用产氧量远大于本身的呼吸耗氧量。据研究，处于迅速生长的浮游植物，每天的呼吸耗氧量占其产氧量的1020%。有机物耗氧强度主要决定于有机物的

20、数量和有机物的种类(在常温下是否易于分解)。通常用“水呼吸”来反应水中微型生物与化学反应所消耗的溶氧。水呼吸可用不透光的“黑瓶”直接测定，即将待测水样用虹吸法注入黑瓶及测氧瓶中，测氧瓶立即固定测定，黑瓶放入池塘取样水层，过一段时间后，取出黑瓶测定其溶氧。据前后两次测得溶氧量之差和在池塘中存放的时间，就可以计算出每升水在24小时内所消耗氧气的量，此为水呼吸。可见水呼吸不仅包括浮游动物、浮游植物、细菌呼吸耗氧、有机物的分解耗氧，还包括水中的其它化学物质氧化对氧气的消耗量。据前苏联学者研究，有藻类水华的池塘水呼吸耗氧量为5.313.5mg(O2)/Ld , 无藻类水华的池塘水呼吸耗氧量为2.45.3

21、mg(O2)/Ld。我国无锡地区高产池在4-8月份表层为2.4810.8 mg(O2)/Ld，平均6.680.19mg(O2)/Ld；中层1.158.34 mg(O2)/Ld，平均4.960.66 mg(O2)/Ld。冬季水呼吸在为减少，如哈尔滨地区越冬池水呼吸耗氧速率为0.043.76 mg(O2)/Ld ，平均0.620.52 mg(O2)/Ld ， 仅为夏季水呼吸平均值的9%左右。前苏联学者对十个湖泊水库的水呼吸耗氧状况研究时指出：浮游动物占534%，平均23.5%，浮游植物占432%，平均19.1%，细菌占4473%，平均57.4%。可见这十个湖泊水中细菌呼吸耗氧是水呼吸耗氧的主要组成

22、部分。（3） 底质耗氧底质耗氧比较复杂，主要包括：底栖生物呼吸耗氧，有机物分解耗氧，呈还原态的无机物化学氧化耗氧。许多研究者对不同地区、不同类型养殖水体的底质耗氧速率进行测定指出：我国湖泊底质耗氧速率为0.31.0g(O2)/ m2d。辽宁地区夏季养鱼池塘耗氧速率为0.672.01,平均1.310.35g(O2)/ m2d，哈尔滨地区鱼类越冬池平均耗速率为0.4g(O2)/ m2d(雷衍之1992)。内蒙古地区鱼池，生长期1.4，越冬期0.47g(O2)/ m2d(申玉春1998)。日本养鳗池为1.113.2g(O2)/ m2d，美国养鱼池底质耗氧率值为1.46g(O2)/ m2d，前苏联养鲤

23、池为0.41.0g(O2)/ m2d。（4） 逸出当表层水中氧气过饱和时，就会发生氧气的逸出。静止的条件下逸出速率是很慢的，风对水面的扰动可加速这一过程。养鱼池中午表层水溶氧经常是过饱和，会有氧气逸出，不过占的比例一般不大。不同水体中，上述各项耗氧作用占的比例相差很大，不同水体不同研究者得到的结果也不一样。表3-5列出了不同类型养殖池各耗氧因子所占的比例虽然各不相同，但有一点还是比较一致的，就是水呼吸耗氧占总耗氧量的比例最大。表3-5不同类型养殖池各耗氧因子所占的比例(%)地区养殖对象养殖生物耗氧水呼吸底质耗氧逸出研究者江苏无锡 淡水鱼类20719雷衍之1983淡水鱼类16.172.90.61

24、0.4淡水鱼类15.369.414.8上海金山中国对虾25.258.216.6臧维玲1995中国对虾21.875.13.17福建晋江斑节对虾343530林 斌1995二、溶氧的分布变化特点1、溶氧的日变化湖泊、水库表层水的溶氧有明显的昼夜变化，养殖池塘溶氧的昼夜变化更加明显。这是由于光合作用是水中氧气的主要来源，而光合作用受光照日周期性的影响，白天有光合作用，晚上光合作用停止。这就造成表层水溶氧白天逐渐升高，晚上逐渐降低。溶氧最高值出现在下午日落前的某一时刻，最低值则出现在日出前后的某一时刻。最低值与最高值的具体时间决定于增氧因子和耗氧因子的相对关系。如果耗氧因子占优势，则早晨溶氧回升时间推迟

25、，且溶氧最低值偏小。日出后光合作用速率增加，产氧能力超过耗氧速率，溶氧就回升，直到下午某个时刻达到最大值。以后逐渐降低，如此周而复始的变化。具体条件不同情况也不相同。由光合层的氧含量可以看出日变化。图3-2表示在日本海的水所观测到的氧含量的日变化。这是在近水表面以及l米以下的观测结果。可以看出，午后56时前后，其值极大，午前8时左右其值极小。在浅层可以看出，极大值的出现时刻随深度增加而渐次提前出现。鱼池的中层和底层，溶氧也有昼夜变化，但变化幅度较小，变化的趋势也有所不同。由于一般鱼池的中层和底层光照较弱，产氧少，风力的混合作用可将上层的溶氧送至中下层，影响溶氧的变化。溶氧日变化中，最高值与最低

26、值之差称为昼夜变化幅度，简称为“日较差”。日较差的大小可反映水体产氧与耗氧的相对强度。当产氧和耗氧都较多时日较差才较大。日较差大，说明水中浮游植物较多，浮游动物和有机物质适中，也就是饵料生物较为丰富。这对鱼类生长是有利。在溶氧最低值不影响养殖鱼类生长的前提下，养鱼池日较差大是一种好现象，其表明池中有丰富的饵料生物。南方渔农中流传的“鱼不浮头不长”的说法，是对早晨鱼浮头的鱼池，鱼一般生长较快现象的总结。这主要是针对以培养天然饵料养鱼来说的，如果用全价配合饲料流水养鱼或网箱养鱼，就不存在池水日较差大对鱼类生长有利的说法了。图3-2 日本海溶氧昼夜变化(横坐标：“时间”2、溶氧的月变化与年变化(季节

27、变化)在一个时期内，随水温变化及水中生物群落的演变，溶氧的状况也可能发生一种趋向性的变化。只是情况比较复杂，变化的趋向随条件而变。如贫营养型湖泊，水中生物较少，上层溶氧接近于溶解度，溶氧的年变化将是冬季含量高，夏季含量低。对富营养型湖泊，情况复杂。养鱼池生物密度大，变化比较剧烈，在一段时间内(长则1015天，短则35天)，水中的生物群落就发生较大的变化，会引起溶氧状况的急剧变化。如浮游植物丰富、浮游动物适中、溶氧正常的水体，在35天后可能转变为浮游动物多、浮游植物贫泛、溶氧过低的危险水质，这一点应加以注意。3、溶氧的垂直分布湖泊、水库、池塘溶氧的垂直分布情况也比较复杂。与水温、水生生物状况、水

28、体的形态等因素密切相关。在贫营养型湖泊，溶氧主要来自于空气的溶解作用，含量主要与溶解度有关。夏季湖中形成了温跃层，上层水温高，氧气的溶解度低，含量也相应低一些。下层水温低，氧气的溶解度高，含量也相应高一些。而在富营养型湖泊，营养盐丰富，有机质较多，水中生物量较大，水的透明度低，上层水光合作用产氧使溶氧丰富，下层得不到光照，无光合产氧，水中原有溶氧很快被消耗，处于低氧水平。在海水中表层水的氧几乎接近饱和状态。因此，表层水的水温和氯度基本决定了溶解氧的含量。在日本近海，水温和氯度都很低的亲潮水氧含量高(？7ml/L)，而水温和氯度都很高的黑潮含氧含量较低(5毫时升)，其浓度随深度增加而降低而在某一

29、深度达极小值。但在该深度以下，其浓度随深度又有某些回升（图3-3）。日本近海之氧浓度极小层深度，在本州南部为l000米以深，本州东北部为6001000米。本州东北部极小层氧含量为0.51.0ml/L。与此相反，在本州南部氧极小层的氧含量则高达1.01.6 ml/L。日本海更高，可达5.0 ml/L。在海水中同时进行着氧从大气的溶入以及因氧化而被消耗两种作用，开始时，氧的溶入量比消耗量小。因此，氧在深层水中逐渐减少。来自大气的溶入量、因湍流扩散向深层运送氧的速度在铅直方向上的变化以及氧消耗在铅直方向上的变化等这三方面就是形成氧极小层的因素。图3-3 四个海区溶解氧的垂直分布4、溶氧的水平分布由于

30、溶氧的垂直分布的不均一性，在风的作用下使溶氧的水平分布不均匀。一般水较深、浮游植物较多的鱼池，上风处水中溶氧较低，下风处水中溶氧较高，相差可能达到每升数毫克。在水中溶氧底层高于表层的情况下，会出现与上述相反的情况-溶氧上风处高于下风处。对于较浅的水体(如4050cm深)，整个水体溶氧都过饱和，表层水溶氧低于底层水。水清见底，水中有大量底栖藻类生长，也会出现底层水溶氧高于表层水的情况。在海水中溶解氧的水平分布 也存在很大差异。一般来说溶解氧小的海域几乎全部属于高纬度、生产量高的海域。纬度最高的北极海和南极海因上下层之间对流很强不在此列。三、溶解氧的生态学意义溶解氧对水生生物的生长繁殖具有决定性意

31、义。除了对生物体的直接作用外，还对饵料生物的生长，对水中物质的化学状态有重要的影响，从而也间接影响到水生生物的生命过程。（一）溶解氧对水生生物的直接影响1急性影响 溶解氧对水生动物的直接效应是低氧条件下引起生物体的窒息死亡。引起半数生物窒息死亡的溶解氧含量通常称为窒息点。生物体种类、生长期、个体大小以及水温的不同，其窒息点也有所差异。活动性强、耗氧速率高的鱼、虾类，窒息点较高，例如体重3.1g的日本对虾，在23当处于虾体静止时，耗氧率为193mgO2kg-1h-1，而活动时达626mgO2kg-1h-1；体长为7.5cm的中国对虾，10、20和28时的耗氧率分别为93、440和560mgO2k

32、g-1h-1。经测定中国对虾（体长12.1cm，体重12.1g，在DO4.0mg/L时，平均每尾耗氧率为13.7mg/h）。在水温为26时窒息点为1.3mg/L。几种重要淡水鱼类的窒息点在0.53mg/L之间。当水中溶解氧过低，鱼、虾类就会游向水面，严重时则在水面吞咽空气，这一现象称为“浮头”。通常对虾的浮头的危害比淡水鱼严重，对虾的浮头常即刻引起大批死亡。2慢性影响DO虽未达到窒息点，但水体低氧状况对水生生物的生长繁殖也十分不利，常会导致慢性危害。（1）对水生动物耗氧速率的影响水生动物的耗氧速率直接或间接地反映其新陈代谢的强度和规律，这是因为水生动物体中的代谢活动多与对氧的吸收利用有关。而水

33、生动物的耗氧除了与生物的种类、生长期、个体大小、活动性、水温及营养状况等因素有关之外，大量的实验研究证明，溶解氧的也影响生物的耗氧速率。崔莹等研究了盐度和溶解氧水平对南美白对虾瞬时耗氧速率的影响，结果发现南美白对虾的瞬时耗氧速率随溶解氧的降低而增大，呼吸类型不属于顺应型。而臧维玲等对中国对虾瞬时耗氧速率的测定表明其耗氧速率随溶解氧的降低而降低。显然，水生动物的耗氧速率与溶解氧的关系依不同的生物种类以及同一生物不同发育阶段而有所不同。 水中溶解氧的变化将通过对生物耗氧速率的影响而对生物的活动、摄饵及增重率产生影响。当溶氧从79mg/L降到34mg/L时，鲤鱼的摄饵量减少一半。在低氧条件下，鱼、虾

34、的生长速度减慢，饲料系数增加。根据草鱼饲养试验，在溶氧2.72.8mg/L时养殖比在溶氧5.6mg/L条件下养殖的生长速率低约10倍，饲料系数高4倍。近几年来，许多研究者探索了溶解氧与水产动物的增重率及饵料系数与溶解氧的关系，并确定了许多水产生物溶解氧的安全临界值。例如鲤鱼的增重率（Y）、饵料系数（Z）与溶解氧（X）有如下关系（许品诚等，1989）：Y=0.376e0.678XZ=100X-2.5162（2）其他慢性影响水中低氧除了导致水产动物生长缓慢，增重率低、饵料系数增高等慢性影响外，还将影响鱼的发病率长期生活在溶氧不足的水中的鱼虾，体质下降，对疾病抵抗力降低，故发病率升高。在低氧环境下寄

35、生虫病也易于蔓延。溶氧过饱和太大又会引起气泡病。影响胚胎的正常发育：在鱼虾孵化期，胚胎对溶氧要求高，如溶氧不足易出现畸形，引起胚胎死亡。溶氧低会增加毒物的毒性：在低溶氧的水中鱼虾呼吸频率增加，如果水中有毒物，使鱼虾对水中毒物的接触量增大，危害也就增加。（二）、溶氧动态对水质的影响1氧化还原电位（由于专有一章介绍氧化还原，故此处仅作一简单介绍即可）天然水中存在的一些氧化性与还原性物质，决定了水的氧化还原状态。水溶液的氧化还原电位，通常用一个惰件金属电极(金或铂)和一个参比电极组成的原电池来测量。若天然水中含有大量氧化剂，则用电位法测得的Eh就偏高；若天然水中含有大量还原剂，则测出的氧化还原电位就

36、偏低。这里必须指出，由于电化学本身测量的技术问题和其它方面的复杂问题，有时测得的数值尽管重现性很好，仍不能代表体系的奈恩斯特可逆电位。在这种情况下，利用此测定值计算体系中各平衡组分，会得到不正确的结果。测定结果的不确定性限制了Eh的应用。但Eh值能反应水中的氧化还原状况。一般含有较丰富溶氧的水称为氧化状态水（或氧化环境）。氧化与还原状态的分界与pH有关，即随pH的升高而降低。碱性条件下Eh0.15V即为氧化状态，而酸性条件下Eh0.40.5V才为氧化状态。在弱还原环境，即在酸性条件下Eh0.40.5V以及在碱性条件下，Eh0.15V时，铁与锰以低价状态存。Eh再降低SO42-将被还原为H2S，

37、Eh变为负值。在强还原条件下，将有CH4与H2生成。2溶解氧对元素存在价态的影响有机物在水中可被微生物作用而分解氧化。随着Eh的降低，有机物氧化时接受电子的物质被改变。有氧气存在时电子接受体一般是氧气，此时水的Eh一般约在400mv以上。在氧气丰富的水环境中NO3-、Fe3+、SO42-、MnO2等是稳定的；如水中缺氧，则被还原为NH4+、Fe3、S2-、Mn2+等。在缺氧条件下，有机物氧化不完全，会有有机酸及胺类产生。在有氧条件下，有机物氧化则较完全，最终产物为CO2、H2O、NO-3、SO2-4等无毒物质。当水体有温跃层存在时，上下水层被隔离，底层溶解氧可能很快耗尽，出现无氧环境。此时，上

38、下水层的水质有很大差别，许多物质含量不同， 四、养殖生产中溶解氧的调控与管理溶氧管理是养殖水化学管理的中心环节，涉及的内容较多，如巡塘看水、控制水色、设置憩息场、确定鱼塘有效深度、确定放养密度及水流量、防止水体老化、促进物质循环、提高肥力、防止或抢救泛塘等都与溶氧有关。溶氧管理的任务有两条：确保溶氧不低于某临界标准；防止溶氧变动过剧过繁。达到这一要求的办法很多，可以是流水、换水、人工曝气等物理方法，也可以是化学增氧、有机絮凝等化学方法，以及调节水色、控制饵料水平、生物密度等生物方法，可以酌情单独或综合利用。严格讲，缺氧是指鱼体内部组织、细胞得不到充足的氧气以维持其正常机能的状态。为了区别于水中

39、缺氧，可称为生物缺氧或组织缺氧。窒息则是生物缺氧发生的现象，鱼浮头或泛塘就是生产上常见的窒息现象。根据缺氧症状及程度不同，人们常把缺氧分为三类：第一，突发性缺氧。水中溶氧极少，鱼血中PO2剧降，鱼大批迅速死亡。这种情况在生产上极少发生。第二，急性缺氧。养殖生产上常见的浮头、泛塘现象均属此类。此时各种缺氧症状可以逐步表现出来，先是兴奋期（呼吸强度、速度增大，活泼游动、跳跃等），接着进入麻痹期（痉挛、横卧不动等）终于死亡。第三，慢性缺氧。症状不及上述明显、严重。不过鱼类没有自由支配的O2，运动受到限制，极易疲劳，对迅速生长是不利的。后两种情况经常在养殖生产上出现，危害又大，因此加强管理，严加防范是

40、必要的。具体措施有预防及抢救两种，前者着眼于经常管理，后者则要求及时处理、受效迅速，具体方法有以下几种：1. 降低水体耗氧速率及数量。群众常用的方法如挖除底泥、合理施肥投饵、用明矾、黄泥凝聚沉淀有机物及生物等。2. 改良水质，减少或消除有害呼吸的物质（如浊度、NH3、毒物等）。常使用石灰、黄泥等，效果不错。3. 加强增氧作用，提高水中溶氧浓度。1)、生物增氧 降低浊度，保证水中有充分的植物营养元素和光照，增加浮游生物种群数量，提高自然增氧速率及数量。2)、人工增氧包括机械增氧和化学增氧。机械增氧包括注入溶氧量较高的水和充空气或冲纯氧气增氧。前者相当于溶液混合稀释问题，一般说来，效率较差。后者为

41、气体溶解问题，采用的方法或者把水分散为细小雾滴，喷入气相，或者令气体分散为微气泡压入水中，或者两者兼而有之。化学增氧所借助一些化学试剂有：（1），过化钙CaO2。该物质为白色结晶粉末，与水发生化学反应：CaO2 + H2O = Ca(OH)2 + O2，反应释放出氧气。据研究，每千克过氧化钙可产氧气77800ml ,在20纯水中可连续产氧200天以上，在鱼池内施用后1-2个月内均可不断放出氧气。一般每月施用一次即可，初次每亩用6-12kg，第二次以后可以减半。水质、底有机物负荷过高时，用量取高限，反之，则取低限。过氧化钙不仅能增氧而且可增加水体的碱度和硬度，提高pH，保持水体呈微碱性，絮凝有机

42、物及胶粒。能够起到改良水质和底质的作用。（2）活性沸石，据报道：某些种类的活性沸石，施用于池塘时，每千克可带入空气10万毫升，相当于21000毫升氧气，它们均以微气泡放出，增氧效果较好，活性沸石也有吸附异物改良水质、底质的功效。此外过氧化氢、高锰酸钾在水中施用都有一定的增氧效果。第三节 二氧化碳系统一、二氧化碳系统的组成与平衡1组成CO2是自然界中最重要的化合物之一，它参与了有机界和无机界的许多化学过程。天然水中的酸性物质的主要来源是CO2的溶解。当天然水中溶解CO2的量较多时会促使岩石溶解，量较少时又会使某些己溶于水的盐类沉积，这便是自然界中沉积岩形成的原因。下面两式为岩石的溶解反应：以下再

43、举一些与CO2有关的例子：火山的活动和燃料的燃烧会使CO2逸人大气；植物的光合作用会消耗CO2，动物的呼吸释放出CO2。图3-4 为自然界中碳元素的循环示意图。表3-7为碳在大气、地层和生物界的分布情况。图3- 4碳元素在自然界的循环表3-6 沉积岩、海洋、大气和生物界中的碳量分类总量（1018mol-C）与大气中CO2含量的比1. 沉积物中碳酸盐有机碳153057228500106002. 大陆上有机碳0.0651.223. 海洋中CO2+H2CO3HCO3-CO32-死亡有机物活的有机物0.0182.60.330.230.00070.348.76.04.40.014. 大气中CO20.05

44、351.0无机碳CO2（溶解）、H2CO3、HCO3-和CO32-，淡水中HCO3-常是含量最多的阴离子，在海水中其含量低于Cl-、SO42-。天然水中，无机碳的不同形式之间以及它们同气相的CO2和固相的碳酸盐之间存在多种物理与化学平衡，构成“二氧化碳平衡体系”。在平衡体系中，CO2（溶解）与H2CO3称为游离态二氧化碳（H2CO3只占约12%），含量以CCO2表示；HCO3-、CO32称为结合态二氧化碳，浓度以CHCO3-和CCO32-表示；三种形式总和即为总二氧化碳，记作CO2。2. 平衡与平衡常数在二氧化碳平衡体系中，H2CO3电离速度较快；溶解二氧化碳的水合和H2CO3的脱水过程相对比

45、较缓慢；CO2溶解与逸出是CO2分子通过气液界面的传递过程，静止条件下，平衡需较长时间，而水体扰动可使CO2分子的传递速率增大；关于碳酸盐的沉淀与溶解平衡，由于碳酸盐沉淀形成的动力学过程较为复杂，当水体的碳酸盐处于过饱和状态下，并不一定立即产生沉淀。影响二氧化碳体系平衡的因素很多，不仅是大气水、水沉积物两个界面上所发生的碳迁移影响其平衡，而且生物生命代谢活动也对二氧化碳体系平衡有很大影响。碳是生物圈循环的主要参与者，水生植物和陆地植物一样都是靠吸收光能和二氧化碳、水、营养元素合成有机体，在食物链中各种生物均存有呼吸、排泄与死亡的生命活动，其排泄物或死亡机体经腐败分解最终又以二氧化碳形式回到水中

46、。显然，水体中二氧化碳体系的平衡，要受水生生物的不断生成、转化和分解的影响。此外，水体的温度、压力以及盐度的变化都将是二氧化碳体系的平衡发生移动。可见，天然水中二氧化碳整个体系要达到平衡是不容易的。（1）CO2的溶解与逸出平衡：CO2（气）CO2（溶解）当达到溶解与逸出平衡时，水体中游离CO2（CCO2）的浓度与水面上气体的CO2分压（PCO2）关系符合亨利定律：CCO2=sPCO2s：亨利系数，它与水体的温度及含盐量有关；CCO2：游离态二氧化碳总浓度；PCO2：气相中二氧化碳的分压。（2）碳酸的电离平衡： CO2（溶解）+H2OH+HCO3- HCO3-H+CO32- K1、K2为热力学常

47、数，实际上在计算海水中二氧化碳各分量时，常采用表观电离平衡常数K1、K2：（3）碳酸盐的沉淀与溶解平衡：CaCO3Ca2+ CO32- Ksp=CCa2+CCO32- MgCO3Mg2+ CO32- Ksp=CMg2+CCO32碳酸钙的饱和比值： CCa2+、CCO32-：水中现场浓度。温度越高，碳酸钙的溶解度越小，增大压力可使碳酸钙的溶解度增大，由于温度和压力对碳酸钙表观溶度积的影响，对于Ca2+和HCO3-含量与分布较为恒定的大洋水、暖水区的海洋表层碳酸钙是过饱和的，其可达34，而在深层海区碳酸钙往往是未饱和的。二、天然水的pH1. 天然水的pH天然水的酸碱性是水生生态系统的基本水化学特征

48、之一，具有重要的生态学意义。天然水的酸碱性取决于水中氢离子的浓度。pH值最早由Srensen于1924年定义的，即“pH值等于氢离子活度的负对数”。在水中H+总是以水合态存在着。aH+为水溶液中氢离子的活度，aH+=HH+。在淡水体系，由于H值接近1，pH=-lgH+，但对于盐化水或海水，H1。天然淡水一般呈中性或弱碱性，但局部受污染的水域可能出现pH10的强碱性环境。天然淡水水体的酸碱性的强弱习惯上按pH值的变化范围划分为：pH9.5 强碱性水海水pH值的变化幅度不大，就大洋而言，一般在7.58.5之间，表层海水通常稳定在8.10.2之间，但个别海区，由于水生植物特别繁茂，有时pH值可高达8

49、.9。2. pH与二氧化碳系统的相互关系pH值为氢离子活度的负对数，天然水中的氢离子浓度并不决定于水的离解，而主要取决于水体中CO2体系各分量的相对比例，也取决于空气中CO2的溶解、土壤和岩石中碳酸盐矿物的溶解，水生动植物的新陈代谢，水体中有机物的腐解氧化也会影响水体的pH值。若水中CO2与HCO3-共存，所形成的的缓冲体系的pH值较低，其pH值取决于CO2与HCO3-浓度的比例：CO2（溶解）+H2OH+HCO3- 根据上式可估算与大气中CO2气体达到溶解平衡时纯水的pH值，因为常温下空气中CO2溶于纯水的平衡浓度为Cco2=1.2610-5mol/L，平衡时CHCO3-=H+，则pH=5.

50、63。但天然水中总含有一定数量的其它来源的HCO3-，所以与空气达到溶解平衡的天然水pH值总是大于5.6。pH值若小于5.6，可认为水体受到酸性物质（如酸雨）所污染。若水中HCO3-与CO32-共存，则所形成的缓冲体系pH值较高，其pH值取决于HCO3-与CO32-浓度的比例。HCO3-H+CO32- 式中K2为碳酸的第二表观电离平衡常数。3. 影响水体pH的因素凡能使水中二氧化碳体系的平衡发生移动的因素，都将引起pH值的变化。如水生生物的活动、水温、含盐量的变化，空气中CO2分压的变化及底质中有机体碎屑的腐解等。（1）物理因素水体pH值随温度升高而略有降低，这是因为水体中CO2的溶解度降低，

51、溶存的弱酸电离度随温度的升高而增大的结果。在一定温度下水体pH也随含盐量的增加而略有上升，因为含盐量导致弱酸的电离度增大与离子强度增大， H+的活度系数与活度均减小，引起水体pH值稍有增加。（2）生物因素HCO3-H+CO32- CO2（溶解）+H2OH+HCO3- -得 CO2+H2O+CO32-2HCO3将代入上式得即式中，于是上式又可写成或 水体中浮游植物迅速繁殖时，光合作用消耗CO2，使上述的平衡左移。结果水中积累CO32-、OH-，pH升高。这种情况多发生在白天表层水中。夏季出现藻类水华时尤为如此。其上限与Ca2+浓度关系极大。硬度高、Ca2+、Mg2+浓度大时，则CO32-、OH-

52、浓度受限制，pH上升极限就低些。相反，在生物呼吸、有机物分解过程中会积累CO2，上面的平衡向左移动，pH下降。晚上及深水层内这一过程占优势。由于光合作用与呼吸作用有明显的时空不均特点，因而pH也有明显的周日变化及垂直分层现象，并与O2、CO2、碱度组成等有明显相关性。总之，生物活动对水体pH值的影响比其他物理因素的影响大，且复杂。4. pH分布变化特点如上所述水生生物的活动、水温、含盐量的变化，空气中CO2分压的变化及底质中有机体碎屑的腐解等都能使水中二氧化碳体系的平衡发生移动，从而使水体的pH值发生改变，在这些因素的影响下，水体pH呈现一定的分布特点。（1）昼夜变化 在夏季的白天，水体表层温

53、度较高，浮游植物光合作用强度大于呼吸作用及有机质氧化分解强度，结果水体出现CO2净消耗，CO2/CO32-的比值减小，水中H+浓度降低，而pH值则逐渐上升。到下午34时pH值几乎达到最高值。晚间，光合作用虽然停止，但呼吸与有机物分解等反应照常进行，日落之后水中CO2开始逐渐积累，CO2/CO32-的比值开始增大，pH值则逐渐下降，在黎明前pH值下降到全天的最低值。（2）年变化 pH值全年的变化也与水中浮游植物的密度与光合作用强度有关。夏季浮游植物大量繁殖，光合作用吸收大量的CO2，pH值升高。当水温下降时，浮游植物的光合作用减弱，pH值也随之降低。（3）垂直分布：pH值在水体垂直分布情况，同样受生物活动影响，表层水中浮游生物繁茂，一般说pH值较低层水高。当表层水中生物碎屑与固体排泄物逐渐下沉，并于下沉中不断腐解放出CO2，pH值随水中CO2的增加而降低。5. 养殖水体pH的调控pH是一重要的化学及生态因子，对水质及生物有多方面的影响。（1）对水中物质存在形式及迁移过程的影响 水的pH下降，水中弱酸电离减少，它们的阴离子（CO32-、S2-、PO43-、SiO32-、有机酸根等）程度不同地转以分子形式存在，浓度下降，因而含有这些阴离子的络合物及沉淀也相继分解或溶解，游离态金属离子浓度增大。相反，水的pH升高，则弱