第三章溶解气体1

第三章溶解气体§3-1气体在水中的溶解度和溶解速率§3-2溶解氧的来源与消耗§3-3溶解氧的分布变化规律§3-4溶解氧的生态学意义§3-5黑白瓶法测定初级生产力§3-1气体在水中的溶解度和溶解速率一、气体在水中的溶解度

1.定义：在一定条件下，气体溶解于水，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。

易溶气体——100g水溶解的量（质量或标准状态下的体积）难溶气体——1L水中溶解的量（质量或标准状态下的体积）

ml/Lmg/L两者之间的换算系数f=Mr/22.4(mg/ml)式中：Mr—气体的相对分子质量。

对于氧气f=32/22.4=1.429mg/ml氮气f=28/22.4=1.251mg/ml溶解度单位2.影响气体溶解度的因素

气体本身的性质

温度

含盐量

气体分压力

①气体本身的性质气体的溶解遵循相似相溶原理——极性分子的气体在水中的溶解度大，非极性气体分子在水中的溶解度小。能与水发生化学反应的气体溶解度大，不能与水发生化学反应的气体溶解度小。例如NH3、HCl在水中的溶解度很大，而N2、H2、O2在水中的溶解度很小。②温度温度升高可使气体在水中的溶解度降低，且温度在低温条件下变化对气体的溶解度影响显著。1个大气压下，水沸腾时，气体在水中的溶解度为零。

③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。这是因为随着含盐量的增加，离子的水合作用加强，使水中可溶解气体的空隙减少。因此，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。例如氧气在大洋海水中的溶解度大约只有在淡水中的80-82%。ST每增加9000mg/L,溶解度下降约5%。淡水含盐量变化很小，对气体的溶解度影响不大，一般釆用在纯水中的溶解度值。④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。享利定律——对于难溶气体，当气体压力不大时气体溶解度与其分压力成正比亨利定律表达式

C=KH×P式中：C——气体的溶解度；

P——达到溶解平衡时某气体在液面上的压力；

KH——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

C1/C2=P1/P2

式中：C1----压力为P1时的溶解度;C2----压力为P2时的溶解度。3.气体的饱和含量与饱和度

①饱和含量在一定的溶解条件下(温度、分压力、水的含盐量)，气体溶解于水，达到平衡以后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。②饱和度

溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比，即：

饱和度可以反映气体在水中溶解时所达到的饱和程度，判断气体是否达到溶解平衡及溶解趋向。4.溶解氧饱和含量与饱和度的求算①饱和含量空气中的氧分压：Po2=(PT-hPW0’)×fo2100式中Po2——氧分压PT——现场大气压h/100

——相对湿度PW0’——天然水饱和蒸汽压fo2——空气中氧气的摩尔分数现场条件下溶解氧饱和含量CS’=CS（PT-PW0’*

h/100）/(PT0-PW0’)②溶解氧饱和度O2%=(C/CS)100%五、气体在水中的溶解速率1.双膜理论

定义——在气、液界面两侧，分别存在相对稳定的气膜和液膜；即使气相、液相呈湍流状态,这两层膜内仍保持层流状态。无论如何扰动气体或液体,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分4个步骤：（1）靠湍流从气体主体内部到达气膜；（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。通常易溶气体主要受气膜扩散限制，难溶气体主要受液膜扩散限制。2.影响气体溶解速度的因素

气体的不饱和程度

水的单位体积表面积

扰动状况

水中气体含量与饱和含量相差越远，气体由气相溶于液相的速度就越快。

dc/dt∝(Cs–C)①气体的不饱和程度②单位水体的表面积在同样的不饱和程度下，单位体积表面积越大，溶解速度越快，即dc/dt与单位体积表面积(A/V)成正比。

dc/dt∝(A/V)将以上两式合并，则有dc/dt=Kg(A/V)(Cs–C)Kg称气体迁移系数，与气体的性质、温度及扰动状况有关，单位cm/min。在这些条件一定时Kg是常数。③扰动状况增加液相内部的扰动作用，把已溶有较多气体靠近界面的水移向深部，把深处含溶解气体较少的水移向界面，可加快溶解速度。增加气相内部的扰动作用，也可以加快溶解速度。通过学习影响气体溶解速度的因素,谈谈它对养殖生产有何意义?(或在养殖生产中如何利用影响气体溶解速度的因素?)试从影响气体溶解速度的因素方面来分析叶轮式增氧机是如何增氧的?§3-2溶解氧的来源与消耗

水体中氧平衡由:

增氧作用耗氧作用增氧作用

1.空气中氧气的溶解2.植物光合作用3.补水与机械作用4.化学试剂

一、溶解氧来源1.空气中氧气的溶解▲若没有风力或人为地搅动，空气溶解增氧速率很慢，远不能满足池塘对氧气的需求。▲缺氧时可开动增氧机增氧。中午前后开动增氧机，不能促进氧气的溶解，只能加速水中溶氧的逸出，但能改善下午光合作用的产氧效率，从而改善晚上的溶氧状况。

▲空气中氧气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，也就是与风力和水深有关。水中氧气的不饱和程度大，水面风力大和水较浅时，空气溶解的作用就大2.植物光合作用增氧水生植物进行光合作用释放氧气，是养鱼水体氧气的重要来源。

一般河流、湖泊表层水夏季光合作用产氧速率为0.5~10g/m2·d养鱼池夏季水柱产氧

6.6~14.3,平均10.09g/m2·d

光合作用增氧的特点①水层差别②昼夜差别③效果不稳定★水层差别养鱼池（无锡）

夏季光合作用产氧速率表层——

13.0~20.6,平均17.82±2.77mg/L·d中层——

0.12~5.54,平均1.13±1.6mg/L·d(1.0m)表层产氧是中层的4-100倍平均16倍养鱼池（哈尔滨，夏季）

表层——

12.6~31.5,平均20.3±7.43mg/L·d中层——0.41~6.94,平均2.82±2.14mg/L·d(0.7~0.8m)

水柱产氧,平均10.01g/m2·d养鱼池（哈尔滨冬季）表层0.21~12.45,平均2.34~2.11mg·L-1·d-1

仅为夏季的11~13%表层产氧是中层的4-30倍，平均7倍★效果不稳定

光合作用产氧速率与光照条件、水温、水生植物种类和数量、营养元素、CO2供应情况等因素有关。

气温较高的夏季产氧速率较大，冬季温度较低产氧速率要低一些。

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，在晴天中午一般有光抑制现象，次表层水溶氧量最高。适当数量的浮游植物，可增加水柱产氧速率，浮游植物生物量过高，透明度降低，植物自遮作用光照不足反而使产氧速率下降。

3.其他增氧方式☆补水可以补充氧气

鱼池在补水的同时，可增加缺氧水体氧气的含量。补水效果要看具体情况而定。

●流动水体:网箱流水养殖,普通流水养殖,工厂化流水养鱼养殖模式中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，池塘水中氧气缺乏时，补水增氧才具有明显的效果。

☆增氧机补氧增氧机的作用

增氧作用：夜间或清晨开机加速空气中氧气向水中溶解

曝气作用：夜间或清晨开机也可加速NH3.H2S.SO2等有害气体逸出，中午或下午开机也可时少量溶解氧逸出

搅水作用：夏季晴天中午开机可以打破分层状态，使水混合☆化学增氧●活性沸石——某些种类的活性沸石，施用于池塘时，每千克可带入空气100000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。

该物质为白色结晶粉末，与水发生化学反应

CaO2+H2O=Ca(OH)2+O2据研究，千克CaO2可产O277800ml,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、底质有机物负荷过高时，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，絮凝有机物及胶粒。能够起到改良水质和底质的作用。

●过氧化钙CaO2

国外低产鱼池：光合作用89%空气溶解7%补水4%。

养鱼池氧气来源估计:国内高产鱼池：光合作用61%空气溶解39%(开增氧机导致空气溶解比例增大)补水增氧忽略。二、溶解氧的消耗1、水呼吸2、水生生物呼吸3、底泥耗氧作用4、逸出

1.水呼吸：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.这部分氧气的消耗与耗氧生物种类、个体大小、水温和水中有机物的数量有关。（1）浮游动物耗氧据日本对养鳗池调查，在20.5～25.5℃时浮游动物耗氧的速率为：721～932ml(O2)/kg·h；原生动物的耗氧速率为17×10-3～11×103ml(O2)/kg·h；（2）浮游植物耗氧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10-20%。有藻类水华的池塘5.3~13.5mg/L·d

无藻类水华的池塘2.4~5.3mg/L·d（原苏联）高产养鱼池

表层2.48~10.8,平均6.68±0.19mg/L·d中层1.15~8.34,平均4.96±0.66mg/L·d（我国无锡地区，4-8月份）（3）细菌和有机物耗氧细菌和有机物耗氧主要决定于有机物的数量和有机物的种类(在常温下是否易于分解)。前苏联学者对十个湖泊水库的水呼吸组成研究指出：

水呼吸的构成——浮游动物5-34%，平均23.5%浮游植物4-32%，平均19.1%细菌占44-73%，平均57.4%可见细菌呼吸耗氧是水呼吸耗氧的主要组成部分。2.水生动物呼吸（鱼虾的呼吸）

鱼虾的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。鱼虾的耗氧率随个体的增大而减小；活动性强的鱼耗氧率较大；在适宜的温度范围内，水温升高，鱼虾耗氧率增加。

鱼呼吸耗氧速率：63.5～665mg/kg.h流水养鱼:200～300mg/kg.h水温对生物的耗氧速率的影响中国对虾的耗氧率（体长7.5cm）10℃时93.2mg/kg·h20℃时440mg/kg·h28℃时560mg/kg·h

3.底泥耗氧底质耗氧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【g(O2)/m2·d】●一般湖泊0.3-1.0●辽宁夏季鱼池0.67-2.01●哈尔滨越冬池0.4(雷衍之1992)●内蒙鱼池，生长期1.4，越冬期0.47(申玉春1998)●日本养鳗池1.1-13.2●美国养鱼池1.46●前苏联养鲤池为0.4-1.04.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。研究者对各耗氧因素的估算国外池鱼耗氧5-15%逸出1.5%其它80-90%池塘养鱼单产较低，池中鱼载量小国内：①池鱼20%水呼吸71%，底质9%淡水池，无锡地区高产池§3-3溶氧的分布变化规律

定义溶氧分布:同一时刻,同一水体的不同水层或水区，溶氧差别状况溶氧变化:同一水体内,同一水层或水区在不同时刻，溶氧差别状况溶氧日变化:同一水体内,同一水层或水区在一日内不同时刻溶解氧含量差别情况溶氧日较差:溶氧日变化最大值与最小值之差。反映的是日溶氧的变化幅度,也可侧面反映出水体的类型.一、溶解氧日变化

1、极值出现的时间最大值：最小值：2、表层水湖泊、水库表层水的溶氧有明显的昼夜变化。受光照日周期性的影响，白天水中植物有光合作用，晚上光合作用停止。从而导致表层水溶氧白天逐渐升高，晚上逐渐降低，如此周而复始地变化。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。3、中层和底层水

湖泊和水库的中层与底层，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。由于在一般水体中中层和底层光照较弱，产氧就少，风力的混合作用可将上层的溶氧送至中下层，从而影响溶氧的变化。

4、日较差

溶解氧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，也即饵料生物较为丰富，这有利于鱼类的生长。

在溶氧最低值不影响养殖鱼类生长的前提下，养鱼池的日较差大些较好。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。二、溶氧的年变化

一年中，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。

三、溶氧的垂直分布与变化

湖泊、水库、池塘溶氧的垂直分布情况比较复杂，与水温、水生生物状况、水体的形态等因素密切相关。

1、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。

典型贫营养湖夏季溶氧的垂直分布2、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，无光合作用，水中原有溶氧很快被消耗，处于低氧水平。

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，在晴天一般有光抑制现象，次表层水溶氧量最高，阴天则表层水为最高。

对于较浅的水体(如40－50cm深)，水清见底，水中有大量底栖藻类生长，整个水体溶氧都过饱和，也会出现底层水溶氧高于表层水的情况。典型富营养湖夏季溶氧的垂直分布2.富营养型水体溶氧垂直分布

（1）白天◆中午：水体横断面分为3个光区光抑制区：夏季晴天中午的表层水溶氧低于次表层光适宜区：次表层，溶氧高于表层光限制区：底层，溶氧很低◆下午表层：溶氧达到最大值中层：有一氧跃层底层：溶氧较低氧跃层的形成在温跃层内，由表层沉降的浮游生物残骸和有机碎屑，因水密度增大，下降速度减缓；一些细小的碎屑几乎全部被温跃层挡住，这大量的有机物迅速被细菌分解，消耗大量氧气，最终形成了氧跃层。（2）晚上◆傍晚：水体开始混合，上下水层溶氧差别很小，表层略高于底层溶氧较低◆午夜：水体充分混合，溶氧分布均匀，溶氧很低◆翌日晨：溶氧达到最低值夏季池塘溶氧垂分布的日变化四、溶氧的水平分布由于溶氧垂直分布的不均一性，从而在风的作用下使溶氧的水平分布也表现为不均匀。一般认为水较深、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。在河流的支流汇入处，湖泊、池塘的进出水口处，浅海的淡水流入处，生活污水及工业废水污染处，甚至鱼贝类集群处，溶氧及其水质特点也会与周围有相当大的差别，水平分布呈不均匀状态。例如，有研究者发现，养珍珠贝的笼内溶氧较笼外低得多，特别是放养密度大，网眼较小时尤其如此。鱼池溶氧的水平分布

§3-4溶解氧的生态学意义

一、对水质的影响:1.对氧化还原电位的影响

天然水的氧化还原状况是由水中的氧化还原物质所决定。水的氧化与还原状态的分界不是绝对的，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Eh>0.15V即为氧化状态，而酸性条件下Eh>0.4-0.5V才为氧化状态。在弱还原环境，即酸性条件下Eh＜0.4-0.5V以及在碱性条件下Eh＜0.15V时，铁与锰以低价状态存在；Eh继续降低SO42-将被还原为H2S，Eh变为负值；在强还原条件下，将有CH4与H2生成。

2.对元素存在价态的影响

溶氧含量丰富的水体中NO3-、Fe3+、SO42-、MnO2等是稳定的；如水中缺氧，则被相应还原为NH4+、Fe3+、S2-、Mn2+等。在缺氧条件下，有机物氧化不完全，会产生有机酸及胺类。在有氧条件下，有机物氧化则较完全，最终产物为CO2、H2O、NO3-、SO42-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，上下水层的水质有很大差别，许多物质的存在形式及含量将有很大不同。溶氧状态对水质化学成分的影响

表有温跃层存在时鱼池化学成分的垂直分布项目O2NO3--NNO2--NNH4+-NPO43--P单位(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)表层0.2-0.3m15.61.280.2020.1450.007底层1.7m00.0930.0545.400.202H2S总硬度总碱度pH水温(mg/L)(mmol/L)(mmol/L)

℃无3.163.238.7034.1有3.903.886.9026.5表层底层二、对水生生物的直接影响1、急性影响——引起水生生物的窒息死亡

窒息点：引起生物窒息死亡的溶氧上限值称为该生物的窒息点（即鱼类能忍受的水中最低溶解氧的含量）。不同生物的窒息点可能不同，温度升高能使窒息点提高，海水鱼相对淡水鱼耐低氧能力差2.慢性影响

◆影响鱼虾的摄饵量及饵料系数——长期生活在溶氧不足的水体中，摄饵量会下降，饵料系数增大；◆影响鱼的发病率——长期生活在低氧条件下的水生生物，体质下降，对疾病的抵抗力降低，故发病率升高。在低氧环境下，寄生虫病也容易蔓延；◆影响胚胎的正常发育——在鱼、虾孵化期，胚胎对溶氧的要求高，如氧气供应不足，易出现畸形，引起胚胎死亡；◆影响水中毒物的毒性——溶氧降低，使水生生物呼吸频率增加，如果水中存有毒物，则水生生物对毒物的接触量将增大，危害也就增大。几种养殖鱼类溶解氧最低适应量养殖鱼类对水中氧气的适应(mg/L)鱼浮头鱼浮头3.气泡病病因：当水中的藻类等浮游植物或青苔过多，尤其是在夏季气温高时，氧气在水中的溶解度降低，而水受阳光强烈照射后，水中植物的光合作用大大加强，产生大量的氧，使溶解氧过饱和，过饱和的氧气通过鳃经血液循环进入鱼体，血液流经鳍、鱼苗皮下毛细血管时，由于此时氧分压较低，氧气从血液中解离出来进入组织中，过剩的氧气滞留在组织中形成气泡，起初气泡很小，以后逐渐增大。鱼苗误吞氧气泡，在肠道内也形成气泡，吞入较多时，可形成较大的气泡。气泡病症状:鱼苗发病后，头部、体表皮下、鳍膜、肠道及肠壁有大小不等的气泡，发病鱼苗浮于水面，游动困难，受惊后呈挣扎状，不摄食，不久即衰竭而死；鱼种、成鱼发病后，鳍膜内可见许多大小不等的气泡，治疗不及时则气泡处出现溃疡，严重者可导致死亡。气泡病治疗方法:用浓度为4mg/L～6mg/L的食盐全池泼洒，以改变鱼体皮肤渗透压，使患病鱼体内的气泡逸出体外，此法可有效治愈气泡病。向养殖池塘注入清水并排出部分老水。开启增氧机，使水体中过饱和的氧气散发到空气中。泼洒灭藻药物，降低水体中浮游植物的数量。冬季发生气泡病后，可以采取打冰眼、开启增氧机等措施，使水体中过剩的氧气扩散到空气中.4.耗氧率(耗氧量)①定义:耗氧率:单位体重生物在单位时间内消耗氧气的量.单位:mg/g.hmg/kg.h反映鱼类消耗氧的强度,是鱼对氧的要求指标,是鱼类代谢强度指标

根据耗氧率的高低对鱼类划分:

需氧量极高鱼类:常生活在急流,冷水环境中如鲑科鱼类:﹥7