水体富营养化和赤潮养殖水域生态学

水体富营养化和赤潮养殖水域生态学第1页/共49页养殖水域生态学

第2页/共49页第一节

水体富营养化

一、富营养化问题的历史与现状

1.什么是富营养化?2．富营养化研究的现状

二、富营养化的主要原因

1.与富营养化有关的主要营养物质

2．营养物的主要来源

三、富营养化的监测和评价

四、富营养化的危害

五、富营养化的防治

第3页/共49页1.什么是富营养化?富营养化现象很早就有，我们可以从古代书藉中找到一些线索。关于富营养化的第

一个确实的、科学的观察应在19世纪20年代。当时瑞士的莫尔登湖(Murtensee)湖水变成红褐色。周围居民认为是二百多年前德瑞战争中法国土兵血迹的回溯。经过植物学家的观察，发现是由于大量红色颤藻[Oscillatoriarubencens(D．C．)Gom.]的生长，而它的大量出现可能与畜牧业中大量施用肥料有关。

第4页/共49页概念的理解因此，目前认为湖泊中营养物的缓慢增加不应称为富营养化，或者可称之为天然富营养化；而只有突然的、迅速的营养物增加(而这种增加都是由予人为的原因)，才可称为真正的富营养化，或人为富营养化(cultural或anthropogeniceutrophication)。对于人为富营养化在湖泊演替中的地位，过去大都认为是加速了演替过程，使湖泊走向衰老．但现在有人认为从生态系统发展过程中一些主要趋势来考虑，把它看作是演替过程的逆转，使湖泊由衰老走向“年青化”。是一个属于环境污染范畴的问题．也就是专指“人为富营养化”。富营养化作为污染问题又与一级的污染不同。一般的污染大多导致生物生产力的降低，而富营养化却是营养物质的增加，往往提高了初级生产力(但也非总是如此)，甚至提高了终产品(鱼)的生产量，但严重时也导致鱼产量的下降以及引起其他的环境问题。因而，作为环境问题来讨论富营养化问题，我们考虑的是它的危害方面。

第5页/共49页水体富营养化的定义“由于人类活动，水体中营养物质增加，引起植物过量生长和整个水体生态平衡的改变，因而造成危害的一种污染现象”。

第6页/共49页2．富营养化研究的现状

上世纪下叶和本世纪上叶．水体的主要污染是有机物污染，为此建立了一级和二级

污水处理场。但有机物的生物降解带来了无机营养物质的增加，引起了广泛的水体富营

养化。特别是60年代后，已成为一个突出的、全球性的问题。

(1)对湖泊进行富营养化程度及原因的调查

美国、日本、意大利、原苏联、北欧、东欧等均进行过，我国也有调查和统计。

(2)召开了各种国际会议和进行合作研究。如美国、欧洲共同体、加拿大、日本、原苏联。我国也已召开过专门的国际学术讨论会。

(3)出现了一些专门的、有关富营养化的著作。第7页/共49页二、富营养化的主要原因

水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。是哪些营养物质呢?一般认为：主要磷，其次是氮。可能还有碳、微量元素或维生素等。Schindler受控生态系统装置和试验湖区的研究结果，表明磷是主要“限制因子”。Vollenweider等关于磷负荷和初级生产关系的研究，也表明磷的重要性。用藻类生长潜力(AGP)方法来判断湖泊中藻类繁殖的限制物质，结果也表明受磷限制的湖泊至少占一半以上，见表13．3。在氮磷比低于10：1时，或在某个季节，氮也有可能成为限制因子。

第8页/共49页2．营养物的主要来源

可分为“天然源”和“人为源”，但这种分法在实际工作中难以区分。一般分为点源和非点源(散在源、面源)。前者指排放量集中，位置固定的污染源，都属“人为源”．如通过管道排放的生活污水和工业废水。点源污染较易测量。非点源污染系通过地表径流、降水、地下水等进入水体。它可以是天然来源，也可以是人为来源，较难测定和控制。(1)地表径流：富营养化现象的加速，大量施用肥料是重要的原因。(2)畜牧业、渔业

在一些畜牧业发达的国家，因畜牧业而产生的营养物质量超过了由人口产生的量。渔业的污染源主要是强化养殖时，由于投喂各种肥料、饲料而产生。有资料报道，在网箱养鱼时．每生产一吨鱼每年要产生15kg的磷和1．037kg的BOD，因而引起水体富营养化。北欧国家因此对网箱养鱼加以控制，需经批准。第9页/共49页第10页/共49页第11页/共49页第12页/共49页营养物的主要来源（3)

生活污水：生活污水可以是点源排放，也可以非点源排放。它是主要的营养物来源。

(4)

工业废水有些工业废水有较高的氮、磷含量。其中排污量较高的是食品、化工和毛皮。（5）大气降水

雨水中含有氮、磷与气候带及地区有关。氨态氮大于硝酸态氮。

(6)地下水

地下水将岩石或土壤中的氮、磷物质溶解后带入水体。日本琵琶湖资料表明地下水中氮的浓度为1．268mg/L,磷为0.087mg/L。

第13页/共49页第14页/共49页第15页/共49页第16页/共49页

三、富营养化的监测和评价

1．物理学指标(1)AC／V指标，AC——总集水区：V——湖泊容积。

(2)形态土壤指数

MEI＝TDS／Z。TDS——总溶解固体(mg/L)；Z——平均水深(m)。

(3)透明度由于测定简单，—较为常用的指标。2．水化学指标

(1)溶解氧：由于严重富营养化时易造成缺氧．特别在深水湖泊，因此也是一常用指标。

(2)营养物质：这是最重要的指标。过去都以氮、磷(各种状态)的浓度为指标，现则更多应用年单位面积负荷。第17页/共49页富营养化的监测和评价3．生物学指标：包括指示种类(蓝藻中几个种类)，种类组成，生物现存量(数量、生物量、叶绿素量等)，初级生产量，细菌等。4．综合性指标

（1)美国环保局标准

贫营养

中营养

富营养

总磷(n18／m3)＜1010—20＞20

叶绿素a(nlg／m3)＜44—10＞10

透明度(m)＞3．72.0一3.7＜20

深水层溶解氧(饱和度％)＞8010—80＜10（2）Wetzel综合的湖泊营养类型划分标准(表13．12)。

（3）饶钦止、章宗涉根据东湖数十年工作提出的标准主要以藻类的数量、种类组成、初级生产力、透明度等为指标，见表13.13。（4）太湖、西湖、大伙房水库等也都提出了评价的指标和标准，见表13．14。

第18页/共49页第19页/共49页第20页/共49页富营养化的监测和评价(5)Carlson营养状态指数(TSI)根据透明度、叶绿素a、总磷、COD等单项指标间的相关性建立的综合指标。有Carlson的TSI法和Aizaki修正的TSIm法。其中TSI法的基础是假定水中的悬浮物全部为浮游植物，即湖水透明度主要受浮游植物丰度的影响，这一方法忽略了浮游植物以外的其他因子（如水色、水中溶解物及其他悬浮物）对透明度的影响，因而具有一定的局限性，而TSIm则是以叶绿素a含量为基准，较好地解决了这一问题。对Carlson指标中的三个因子，相对重要性可定义为：Chla>SD>TP,对应的权重分配为：W(Chla)=0.540,W(SD)=0.297,W(TP)=0.163将其与TSI及TSIm指数结合起来，便可得到水体营养状况的综合评价公式。例如：

TSI(SD)＝10(6-1nSD/ln2)，SD-透明度（m）。TSI(chla)＝10[6-(2.04-0.681nchla)／l.2]，chla一叶绿素a（μg/L）。修正的TSI是将上述以透明度为基准的TSI改为以叶绿素a含量为基准。即TSIM(chla)=10(2.46+1nchla/ln2.5)TSI计算结果为0-100之间的数值，该方法的评价标准为：TSI<37为贫营养型，37≤TSI≤54时为中营养型，TSI>54为富营养型。

第21页/共49页富营养化的监测和评价（6）综合营养状态指数MTSI利用总磷(TP)、叶绿素a（Chl.a）、透明度（SD）反映湖泊营养状态，公式如下：MTSI=[STSI(TP)+STSI(CHLa)+STSI(SD)]/3

其中：STSI(TP)=6.67f(TP)+7.21STSI(CHLa)=3.05f(CHLa)+0.95STSI(SD)=4.82f(SD)+5.66式中：

f(TP)=log[log(TP+0.025)+1.7]f(CHLa)=log(CHLa+0.5)f(SD)=log(SD)MTSI值与总磷相关系数为0.98,与叶绿素a相关系数为0.80，与透明度相关系数为0.95。评价标准为：MTSI<1极贫营养型；1～3贫营养型；2～5中营养型；4～7富营养型；6～10极富营养型。

(7)还有层次分析——主成分分析营养度法(AHP-PCA)，相关加权营养状态指数法。

第22页/共49页四、富营养化的危害

从水产养殖来说，富营养化意味着水肥、饲料丰富，有其有利的方面。但从环境保护角度来看，富营养化会给水和水体的利用带来多方面的问题。

第23页/共49页1.供水方面

富营养化后、藻类、特别是大型群体藻类的大量生长，使水厂在过滤水时效率降低。如东湖水厂，原来滤池12h反冲洗一次，现缩短至2—3h，冲洗水量最高可达出水量的20％。增加新的处理装置，又使成本提高。同时，还影响水质。许多形成“水华”的藻类能产生不好的气味。如鱼腥藻(Anabaena)、微囊藻(Microcystis)、束丝藻(Aphanizomenon)均可产生腐臭味；腔球藻(Coelosphaerium)可产生草腥味；小球藻(Chlorella)和直链藻(Melosira)能产生霉腐味等。还有报道说，藻类的溶解性有机物在自来水加氯后可氯化产生弱的致癌物质。

第24页/共49页2.旅游方面

藻类的大量生长，使水的透明度下降，水色不好，有臭味等，从而使水体的旅游价值降低或消失，这是国外对富营养化问题感到危害严重的一个主要方面。我国的一些有名的风景游览湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、长春南湖等也都已面临这样一个问题。宫营养化严重后也带来了水的卫生学指标的下降。东湖已有几个天然游泳场为此而关闭。

第25页/共49页3.渔业方面

水体富营养化虽然对渔业有有利的方面，如水体富营养化直接引起浮游植物数量增加，提高水域的初级生产力，从而使一些渔业品种的产量增加。但也同样有不利的方面，国外因湖泊较深，养殖鱼类又以对氧要求高的冷水性鱼类为主，因此，富营养化引起的缺氧常使鱼类大批死亡，并使鱼类组成变为他们不喜欢食用而称之为野杂鱼的鲤科鱼类。我国类似的问题也有。如浮游植物，尤其是微囊藻、夜光藻、有毒裸甲藻(Gimnodinium)、漆沟藻（Gonyaulaxpolygramma）、褐胞藻和小三毛金藻等能形成有毒有害赤潮，对淡水、半咸水和海洋渔业都有不利影响。氮磷在近海的大量增加，大幅度近海水中N:Si和P：Si的比例。使海洋生态系统从需要硅的硅藻主导群落向不需要硅的鞭毛藻、小型蓝藻等主导群落转移，最终导致整个海洋生态系统结构和功能的本质改变。

第26页/共49页4．其他方面

不少蓝藻在某种条件下能产生毒素。澳大利亚、南非、美国等曾报道因藻毒引起家畜、家禽、水鸟等的大批死亡事件。赤潮藻类产生的贝毒可直接危害人类生命。

第27页/共49页五、富营养化的防治

（1）清洁生产

清洁生产（cleanproduction）是指在生产过程中采用清洁的能源，无或少废料以及生产无公害产品等。如生产过程中减少废水中磷的含量。洗涤剂中把支链型烷基苯磺酸钠改为直链型。改用磷酸盐的代用品。农业上合理控制施肥。

(2)深海排污

华盛顿湖用五年时间修建管道，把经过两级处理后的出水不排人湖中而改为排人海中。

7年后完全恢复，表现在磷量下降，浮游植物数量下降，种类改变。这是一个成功的典型。

(3)深层排水

深水湖泊或水库中，底层水中营养物含量高于表层水，当水流转时．进入湖上层，往往引起“水华”现象。而一般流出水均是表层水，为此设法将深层水排出，可降低富营养化程度。如波兰一湖中，用此法得到较好效果。奥地利一湖中采用一“虹吸装置”进行深层排水。第28页/共49页五、富营养化的防治(4)挖除底泥

截流和其他措施，用以减少外部营养物负荷。但富营养型湖泊中的底部沉积物常是一个营养库，在一定条件下可不断释放磷。这称为内部负荷。当外部负荷减少后，内部负荷可补偿，使宫营养化现象继续存在。例如瑞典的Trumman湖、因生活污水严重污染而出现蓝藻水华，采取截流措施后10年仍未恢复。主要原因是底泥释放营养物。经研究后决定挖去底泥。挖除的底泥相当于去除了50t磷和450t氮。随之该湖恢复到接近贫营养湖的水平。杭州西湖每年挖泥3—6万吨，耗费比引水法高，但去除的氮、磷亦高于引水法。(5)泥水隔离

也是为了减少内部负荷，但泥不挖出，而是就地处理。例如加入凝聚剂，塑料薄膜覆盖。这种方法只能用于小水体，而且费用也不低，在目前我国要采用不太现实。(6)杀藻除草

用药剂来除藻类和水草。美国环保局批准使用的杀藻剂有27种，其中最常用的是硫酸铜，但这种方法只有局部治标作用，而且还要考虑残毒问题；美国用得较多，每年要使用近万吨杀藻剂。

第29页/共49页五、富营养化的防治(7)收藻利用

富营养化后藻类“水华”出现，能否直接利用，化害为利呢?非洲乍得人有食用蓝藻的习惯，目前有用作农肥、饲料、制沼气和提取有用物质的试验。但收集是一个问题。美国曾试验过机械的藻类收集船。原苏联曾试验研究过利用水库中蓝藻“水华”于农肥、饲料及其他方面，认为花钱少、收益大，并可改善水质。我们也曾实际测算了东湖内可利用的蓝藻“水华”量，表明数量相当可观，且含有很高氮、磷量，如果加以利用，可减少东湖氮负荷的14.5％和磷负荷的9.1％。

第30页/共49页五、富营养化的防治(8)生物防治

过去对富营养化防治的措施都集中在理化方法和工程措施，对利用生态学方法，即从生态系统结构和功能的调整来进行治理很少注意。70年代有不少学者强调了生物的作用，提出了生物操纵(biomanipulation)这一名词，并举出了不少实际观察和试验事例，表明这是一个有潜力的、有生命力的措施。这种观点强调的是整个生态系统的管理，从营养环节来控制宫营养化，使营养物改变为人类需要的终产品(鱼)而不是“水华”。①鱼类的直接吞食；②浮游动物的作用；③高等植物的克藻效应。

第31页/共49页第二节

赤潮现象

一、赤潮和赤潮生物

1．赤潮的基本概念所谓赤潮(redtide)是海洋或近岸海水养殖水体中某些微小的浮游生物在一定条件下暴发性增殖而引起海水变色并使海洋动物受害的一种生态异常现象。和淡水中“水华”相近，但水华不一定有害。

第32页/共49页2．赤潮生物的类别

能形成赤潮的浮游生物称为赤潮生物。据报道，全世界已记录的赤潮生物有300种左右(可能个别存在同种异名)，隶属于10个门类。我国海域分布的约有127种，隶属于8个门类(国外已报道的10个门类中的细菌和绿藻赤潮生物在我国尚未发现)。其中在我国沿海发生赤潮的赤潮生物有30多种，主要是甲藻类(15种)，其次是硅藻类(7种)和蓝藻类(4种)(张水浸等，1994)。据国内外的报道，最常见的赤潮生物有以下几个属：甲藻类—夜光藻、膝沟藻(Gonyaulax)、原甲藻(Prorocentrum)、角藻、多甲藻、鳍藻(Dinophysis)等。硅藻类——骨条藻、角毛藻、根管藻、海链藻、菱形藻等；蓝藻类——束毛藻等。此外有些红藻(Rhodomonas)，某些裸藻、金藻和纤毛虫等有时也能引起赤潮。

第33页/共49页赤潮生物的类别赤潮引起海水变色可因形成赤潮的生物种类不同而呈现出不同的颜色。例如，夜光藻

(Noctilucascientillens)、红海束毛藻(Trichodesmiumerythracum)、中缢虫、红硫菌等种类形成的赤潮可以是红色、粉红色的；裸甲藻赤潮呈黄色、茶色或茶褐色；绿色鞭毛藻类形成的赤潮通常呈绿色；硅藻类赤潮多为土黄、黄褐或灰褐色，就是同一种生物引起的赤潮，由于数量不同，颜色也不一样，数量越大，颜色越深，甚至改变颜色。因此，所谓赤潮是各种色潮的统称。第34页/共49页单相型赤潮和双相型赤潮发生赤潮时只有一种赤潮生物占绝对优势的，称为单相型赤潮，有时有两种赤潮生物共占优势，则称双相型赤潮。另外，外海的赤潮生物种类较少，最具代表性的是蓝藻门中的束毛藻(Trichodesmiumspp.)。而在近岸、内湾、河口发生的赤潮种类很多(主要是甲藻类和硅藻类)，且具一定的地区性差别。例如，广泛分布于我国沿海各地的种类有夜光藻和骨条藻(Skeletonemacostatum)，其次是原甲藻属(Prorocentrum)和棵甲藻属(Gymnodinium)的一些种类。第35页/共49页二、赤潮的危害

赤潮毒死鱼、贝、虾等海洋动物，甚至使人类中毒，是一种海洋灾害，其危害途径有以下几方面：

1.赤潮生物大量死亡后，在微生物分解过程中大量消耗溶氧甚至产生硫化氢，使水产动物缺氧或因硫化氢致毒而死亡。

2.赤潮生物大量繁殖复盖海面或粘附在鱼贝类鳃上，使动物呼吸困难而窒死。

3.有些赤潮生物(主要是甲藻类)在体内或其代谢产物中含有生物毒素，引起动物中毒死亡。如一种膝沟藻(Gonyanlaxmonilata)分泌毒素能使鲻鱼在5h内死亡，另一种膝沟藻分泌毒素能杀死鲨鱼，一种裸甲藻(Gymnodiniumvendficum)分泌极毒的毒素，在10分钟内可杀死虾虎鱼。

4.人类由于摄食中毒的鱼贝类而受害

第36页/共49页三、赤潮的毒素赤潮生物的毒素大致有以下几类：1.麻痹性贝毒(PSP)，如链状裸甲藻(G.catenatum)等分泌此种毒素。2.腹泻性贝毒(DSP)，由鳍藻属(Dinophysis)一些种类所分泌。3.神经性贝毒(NSP)，短裸甲藻(G.breve)等所分泌，使肌肉发生麻醉，身体发生平衡，严重时因瘫痪而死；4.失忆性贝毒(ASP)，菱形藻属某些种类分泌。5.西加鱼毒素(CFP)，由一种似翼藻(Gambierdiscustacicuw)分泌。

6.蓝藻毒素(CTP)，鱼腥藻、节球藻等分泌。

第37页/共49页四、赤潮的成因赤潮发生的原因首先是具备一定的环境条件，其次是海区有赤潮生物或其孢囊的存在和扩布。

1.养分的增加，氮、磷、微量元素和某些溶解有机质都是赤潮生物发育必需的营养物质。根据日本水产资源保护协会(1972)的资料，氮0.1mg/L，磷0.016mg/L就可能发生赤潮，一定数量铁、锰、镁、铜、钼(Mo)、铬(Co)等微量元素和VB1、VB12等有机质的存在，也是引起赤潮生物繁殖的环境条件。

2.适宜的温度和盐度高的水温(15～33℃)是发生赤潮的主要条件。水温突然升高常是发生赤潮的预兆，因降水引起盐度的突然降低也常与赤潮发生有关。我国沿海赤潮多发生在水温23～28℃，盐度23～28之间。第38页/共49页赤潮的成因

3.一定的气象条件。炎热无风的晴天持续一段时间，有利于水层的稳定性并形成水温的垂直分层或水平分区，这种情形下许多赤潮生物因具有垂直移动或水平运动能力，可选择养分丰富，光照充足、温盐度适宜水层生活，在种间竞争中占优势并大量繁殖。如许多赤潮甲藻垂直移动速度达2～20m/d,一般白天上升到光照最适表层，夜晚下降到养分丰富的深层。降雨也能促进赤潮的形成，赤潮易在雨季出现。由于降雨使大量养分、有机质，微量元素流入海区，促进赤潮生物的繁殖。4.赤潮生物或其孢囊的存在。当环境条件适宜而缺少赤潮生物种源时，水流或人为地带进赤潮生物或其孢囊常可引起赤潮的突然发生。近年我国在潮间带围垦区大量进行对虾养殖，在高度富营养化的虾池内赤潮生物迅速繁殖并被排放入海，也能促进海区中赤潮的产生。

赤潮的发生有很大的突然性，如广东大鹏湾发生夜光藻赤潮时，3月30日密度仅480个/L，4月1日即猛增至14万个/L。持续时间一般不超过3天，两个相邻赤潮间隔时间不超过10天。

第39页/共49页五、赤潮发生的基本过程1．起始阶段：将要发生赤潮的海域具有形成赤潮的生物种(包括营养细胞或胞囊)，海水的各种理

化条件能满足该种赤潮生物生长、繁殖的需要。在这一阶段中，赤潮生物开始繁殖或胞囊大量萌发，竞争能力较强的赤潮生物可逐渐发展到一定的种群数量。

2．发展阶段:在海区的各种营养物质以及光照、温度、盐度等因素继续保持有利于赤潮生物发展的状态下，赤潮生物呈指数式增长并迅速形成赤潮，同时原先的共存种多数被抑制或消失，也可能有个别种随赤潮出现而有增长。这一阶段任何环境因素的改变都有可能阻碍、推迟或终止形成赤潮的过程。第40页/共49页赤潮发生的基本过程3．维持阶段维持阶段是赤潮现象:持续的时间，这时赤潮生物种群数量处于相当高的水平。这一阶段的时间长短主要取决于水体的物理稳定性和各种营养物质的消耗和补充状况。4．消亡阶段:引起赤潮消亡的原因包括营养物质耗尽又未能及时得到补充，或遇台风、降雨等各种引起水团不稳定性的因素，或温度的突然变化超过该种赤潮生物的适应范围，造成赤潮生物的大量死亡，赤潮现象就逐渐或突然消失。这一过程往往是对渔业危害最严重的。

第41页/共49页六、赤潮的预测预报

对赤潮预测预报是减轻赤潮危害的一项非常重要的工作。但是，由于发生赤潮的原因和机制尚未完全了解，还需要进行许多基础研究，因此迄今还没有一个普遍适用的赤潮预报模式。下面介绍几项预报的依据：第42页/共49页1．根据水化特征的预测

由于海域的富营养化是发生赤潮的物质基础、因此，一切能反映海域富营养化的指标在赤潮预报中都是有用的。目前已提出一些以氮、磷、叶绿素a含量，COD等参数组成的富营养化程度判断公式可供实践中应用。除了藻类生长所必需的基本无机营养盐外，还应特别注意那些具有促进赤潮发生的微量物质的量，其中最受重视的是Fe和Mn。因为很多现场和室内实验都已证实Fe、Mn对赤潮生物生长的刺激作用。最近，日本东京水产大学等研究单位提出利用硒(Se)含量变化预测赤潮的发生，因为赤潮发生之前，随着浮游植物的增殖，表层海水中Se浓度就有所上升，赤潮高峰值时，硒浓度是平时的3倍以上。此外，张水浸等人(1994)认为，水体中pH值和溶解氧(DO)也可作为预测指标，当pH值超过8.,25，DO的饱和度超过110％一120％时，有可能在未来几天内发生赤潮。

第43页/共49页2．根据水温、盐度和气象条件的预测

很多赤潮事例表明，海区表层水温在短时间内的急剧上升且有成层现象，以及在河

口、内湾因降雨或河流径流量增大而引起盐度变化，常可诱发赤潮发生。因此，可根据海区出现的上述异常现象来预测赤潮发生的可能性，日本学者曾应用过这种方法并有一定效果。例如，兵库县的明石发生Chattonella赤潮的年份往往与5月份的水温变动量(TD值)和盐度变动量(SD值)有关。有的学者认为，可对观测水温进行累积来预测赤潮发生的时间。气