富營養化

在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡的現象。在自然條件下，湖泊也會從貧營養狀態過渡到富營養狀態，不過這種自然過程非常緩慢。而人為排放含營養物質的工業廢水和生活污水所引起的水體富營養化則可以在短時間內出現。水體出現富營養化現象時，浮遊藻類大量繁殖，形成水華。因佔優勢的浮遊藻類的顏色不同，水面往往呈現藍色、綠色、紅色、棕色、乳白色等。

實際上，湖泊水庫等水體的富營養化自然條件下也是存在的，不過進程非常緩慢，這就是地理學意義上的富營養化。然而一旦水體接受人類活動的影響，這種轉變的速度會大大加快，特別是在平原區域，人口密集，工農業發達，大量污水進入水體，帶入大量的營養物質，極大的加速水體富營養化進程。人們通常所說的富營養化是指這種在人為條件的影響下，大量營養鹽輸入湖泊水庫，出現水體有生產能力低的貧營養狀態向生產能力高的富營養狀態轉變的現象。

水體富營養化是一種有機污染類型，由於過多的氮、磷等營養物質進入天然水體而惡化水質。施入農田的化肥，一般情況下約有一半氮肥未被利用，流入地下水或池塘湖泊，大量生活污水也常使水體過肥。過多的營養物質促使水域中的浮游植物，如藍藻、硅藻以及水草的大量繁殖，有時整個水面被藻類覆蓋而形成“水華”，藻類死亡后沉積於水底，微生物分解消耗大量溶解氧，導致魚類因缺氧而大批死亡。

1、工業廢水排放

富營養化的水體中含有較多的氮和磷，它們首先來自工業廢水。鋼鐵、化工、製藥、造紙、印染等行業的廢水中氮和磷的含量都相當高。近年來，工業排放的廢水逐年遞增。據報道，2001年全國工業廢水排放量達201億t。但由於技術與資金的原因，大部分工業廢水只經簡單處理甚至未經任何處理就直接排入江河等水體中，許多廢水中所含的氮、磷等物質也就不斷地在水體中累積了下來。

2、生活污水排放

人們在日常生活中也產生了大量的生活污水，2001年全國生活污水排放達227億t，超過工業廢水排放量。生活污水中含有大量富含氮、磷的有機物。其中的磷主要來自洗滌劑。據統計，2001年全年排放廢水中化學需氧量(COD)排放總量為140615萬t，比上年減少2.7%。其中工業廢水中COD排放量607．5萬t，比上年減少13．8%；生活污水中COD排放量799萬t，比上年增加8．0%。可見，生活污水已逐漸取代工業廢水而成為水體富營養化的最大污染源。

3、化肥、農藥的使用

現代農業生產中大量使用化肥、農藥，人類在享受它們帶來農業豐收的同時，在很大程度上污染了環境。農藥、化肥在土壤中殘留，同時不斷地被淋溶到周圍環境，特別是水體中，其中所含的氮、磷就導致了水體富營養化。此外，屠宰場和畜牧場也會有含有較多氮磷的廢水進入水體等。

水體富營養化過程與氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相關。反映營養鹽水平的指標總氮、總磷，反映生物類別及數量的指標葉綠素a和反映水中懸浮物及

膠體物質多少的指標透明度作為控制湖泊富營養化的一組指標。有文獻報道，當總磷濃度超過0.1mg/l（如果磷是限制因素）或總氮濃度超過0.3mg/l（如果氮是限制因素）時，藻類會過量繁殖。經濟合作與發展組織（OECD）提出富營養湖的幾項指標量為：平均總磷濃度大於0.035mg/l；平均葉綠素濃度大於0.008mg/l；平均透明度小於3m。

湖泊富營養化評價，就是通過與湖泊營養狀態有關的一系列指標及指標間的相互關係，對湖泊的營養狀態作出準確的判斷。目前我國湖泊富營養化評價的基本方法主要有營養狀態指數法(卡爾森營養狀態指數(TSI)、修正的營養狀態指數、綜合營養狀態指數(TII))、營養度指數法和評分法。

卡爾森指數法是美國科學家卡爾森在l977年提出來的，這一評價方法克服了單一因子評價富營養化的片面性，而是綜合各項參數，力圖將單變數的簡易與多變數綜合判斷的準確性相結合。卡爾森指數是以湖水透明發( D)為基準的

營養狀態評價指數。其表達式為：

式中：TSI為卡爾森營養狀態指數；SD 為湖水透明度值(m)；chla為湖水中葉綠素口含量(mg/m3)；TP為湖水中總磷濃度(mg/m3)。

綜合營養狀態指數公式為

式中徠，TLI(Σ)表示綜合營養狀態指數；TLI(j)代表第j種參數的營養狀態指數； wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重。

以chla作為基準參數，則第J種參數的歸一化的相關權重計算公式為：

為第j種參數與基準參數chla的相關係數；為評價參數的個數。

中國湖泊的chla與其它參數之間的相關關係及。

見表1。

表1 中國湖泊部分參數與chla的相關關係

營養狀態分級為了說明湖泊富營養狀態情況，採用O～100的一系列連續數字對湖泊營養狀態進行分級：

貧營養(Oligotropher)

中營養(Mesotropher)

富營養(Eutropher)

輕度富營養(light eutropher)

中度富營養(Middle eutropher)

重度富營養(Hyper eutropher)

在同一營養狀態下，指數值越高，其營養程度越重。

絕大多數水體富營養化主要是外界輸入的營養物質在水體中富集造成的。如果減少或者截斷外部輸入的營養物質，就使水體失去了營養物質富集的可能性。為此，首先應該著重減少或者截斷外部營養物質的輸入，控制外源性營養物質，應從控制人為污染源著手，應準確調查清楚排入水體營養物質的主要排放源，監測排入水體的廢水和污水中的氮、磷濃度，計算出年排放的氮、磷總量，為實施控制外源性營養物質的措施提供可靠的科學依據。

輸入到湖泊等水體的營養物質在時空分佈上是非常複雜的。氮、磷元素在水體中可能被水生生物吸收利用，或者以溶解性鹽類形式溶於水中，或者經過複雜的物理化學反應和生物作用而沉降，並在底泥中不斷積累，或者從底泥中釋放進入水中。減少內源性營養物負荷，有效地控制湖泊內部磷富集，應視不同情況，採用不同的方法。

主要的方法有：

1. 工程性措施：包括挖掘底泥沉積物、進行水體深層曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設塑料等。挖掘底泥，可減少以至消除潛在性內部污染源；深層曝氣，可定期或不定期採取人為湖底深層曝氣而補充氧，使水與底泥界面之間不出現厭氧層，經常保持有氧狀態，有利於抑制底泥磷釋放。此外，在有條件的地方，用含磷和氮濃度低的水注入湖泊，可起到稀釋營養物質濃度的作用。

2. 化學方法：這是一類包括凝聚沉降和用化學藥劑殺藻的方法，例如有許多種陽離子可以使磷有效地從水溶液中沉澱出來，其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣，它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉澱物而沉降下來。例如美國華盛頓州西部的長湖是一個富營養水體，1980年10月用向湖中投加鋁鹽的辦法來沉澱湖中的磷酸鹽。在投加鋁鹽后的第四年夏天，湖水中的磷濃度則由原來的65μg/L降到30μg/L，湖泊水質有較明顯的改善。在化學法中，還有一種方法是用殺藻劑殺死藻類。這種方法適合於水華盈湖的水體。殺藻劑將藻殺死後，水藻腐爛分解仍舊會釋放出磷，因此，應該將被殺死的藻類及時撈出，或者再投加適當的化學藥品，將藻類腐爛分解釋放出的磷酸鹽沉降。

3. 生物性措施：利用水生生物吸收利用氮、磷元素進行代謝活動以去除水體中氮、磷營養物質的方法。有些國家開始試驗用大型水生植物污水處理系統凈化富營養化的水體。大型水生植物包括鳳眼蓮、蘆葦、狹葉香蒲、加拿大海羅地、多穗尾藻、麗藻、破銅錢等許多種類，可根據不同的氣候條件和污染物的性質進行適宜的選栽。水生植物凈化水體的特點是以大型水生植物為主體，植物和根區微生物共生，產生協同效應，凈化污水。經過植物直接吸收、微生物轉化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒，同時對重金屬分子也有降解效果。水生植物一般生長快，收割后經處理可作為燃料、飼料，或經發酵產生沼氣。

我國湖泊、水庫和江河富營養化的發展趨勢非常迅速。1978～1980年大多數湖泊處於中營養狀態，占調查面

積的91.8%，貧營養狀態湖泊佔3.2%，富營養狀態湖泊佔5.0%。短短10年間，貧營養狀態湖泊大多向中營養狀態湖泊過渡，貧營養狀態湖泊所佔評價面積比例從3.2%迅速降低到0.53%，中營養狀態湖泊向富營養狀態過渡，富營養化湖泊所佔評價面積比例從5.0%劇增到55.01%。近10年來武漢漢江下游水質急劇惡化，呈富營養化狀態，在20世紀90年代曾2次出現水體中藻類急劇繁殖的“水華”現象。

列舉一些案例：

（1）我國的武漢東湖、杭州西湖、南京玄武湖、濟南大明湖、撫順的大夥房水庫，都曾受到富營養作用的影響。近年來，我國沿海的赤潮也時有發生，如1989年8～9月，河北黃驊縣到天津塘沽百餘里的沿海出現世界上罕見的大規模赤潮，使養蝦業遭到嚴重損失。

（2）近年來，隨著太湖周邊地區排污量的增加，水體富營養化日趨嚴重，夏季水華頻繁發生，嚴重時造成綠色藻細胞復蓋整個水體，水廠停水，水鄉居民喝污水的現象，同時，水中的有機物和氨氮含量嚴重超

標，特別是溶解性DOC有機物佔總有機物COD的比例為88%。由於常規飲用水處理工藝本身存在著對有機物微污染物，氨氮等無法完全有效去除的弱點，並且氯化過程不能有效地消滅活水中抗氧性的病原寄生蟲等病原微生物，還導致了對人體健康危害更大的有機氯化物的形成，因此處理后的生活飲用水安全性難以保證。而臭氧生物活性炭技術採用臭氧氧化和生物活性炭濾池聯用將臭氧化學氧化，活性炭物理化學吸附，生物氧化降解等技術聯用，去除原水中微量有機物和氯消毒劑的副產物等有機指標，提高飲用水的安全性。

(3) 1998年春天，一股來勢洶湧的赤潮橫掃了香港海和廣東珠江口一帶海域。赤潮過處，海水泛紅，腥臭難聞，水中魚類等動物大量死亡。當地的各類養殖場損失慘重。據《經濟日報》1998年5月3日報道，此次赤潮事件，香港漁民損失近1億港元；大陸珍貴養殖魚類死亡逾300噸，損失超過4000萬元。

一談到水體的富營養化，使人們常常想到總氮、總磷超標。誠然，總氮、總磷等營養鹽是發生富營養化的必要條件。如果水體中總氮、總磷濃度很低，不可能發生富營養化。反之則不然，水體中總氮、總磷濃度的升高並不一定發生富營養化。富營養化的發生和發展是水體的整個環境系統出現失衡，導致某種優勢藻類大量生長繁殖的過程。因此要研究富營養化的發生機理和發生條件，實質上需了解藻類生物諸多差異，會出現不同的富營養化表現癥狀，即出現不同的優勢藻類種群，並連帶出現各種不同類型的水生生物種類的失衡。但富

營養化發生所必備的條件基本上是一樣的，最主要的影響因素可以歸納為以下幾個方面：

①總氮總磷等營養鹽相對比較充足；

②鐵，硅等含量比較適度；

③適宜的溫度，光照條件和溶解氧含量；

④緩慢的水流流態，水體更新周期長。

只有在上述四方面條件都比較適宜的情況下，才會出現某種優勢藻類“瘋狂增長”現象，發生富營養化。

食物鏈理論

這是由荷蘭科學家馬丁·肖頓於1997年6月在“磷酸鹽技術研討會”上提出的。

該理論認為，自然水域中存在水生食物鏈。如果浮游生物的數量減少或捕食能力降低，將使水藻生長量超過消耗量，平衡被打破，發生富營養化。該理論說明營養負荷的增加不是導致富營養化的唯一原因。

這是近年來普遍為人們所接受的一種理論。

它認為，含氮和含磷的化合物過多排入水體，破壞了原有的生態平衡，引起藻類大量繁殖，過多的消耗水中的氧，使魚類、浮游生物缺氧死亡，它們的屍體腐爛又造成水質污染。根據這一理論，氮磷的過量排放是造成富營養化的根本原因，藻類是富營養化的主體，它的生長速度直接影響水質狀態。在合適的光照、溫度、pH值、硅以及其它營養物質充分的條件下，植物的生長取決於外界供給它們養分最少的一種或兩種，從藻類原C1o6H~0110N16P可以看出，生產1 kg藻類，需要消耗碳358 g，氫74 g，氧496 g，氮63g，磷9 g，顯然氮磷是限制因子。因此，要想控制水體富營養化，必須控制水體中氮磷等營養鹽的含量及其比例。

食物鏈理論和生命周期理論爭論的焦點在於氮磷是否為引起富營養化的主要原因，目前這兩種爭論尚未有最後的定論。但從目前我國水體的富營養化狀況來看，富營養化產生的原因主要是用後者(生命周期理論)來解釋。

水體富營養化發生原因是多方面的。在水體富營養化日益嚴重的今天，富營養化成因的研究已經取得了一定的成果，但是對於該成因的研究還有待於進一步深入。到目前為止，還沒有一套較成熟的理論能夠在實際水體中用來預測富營養化發生；對於富營養化發生的各項指標還沒有一個被廣泛接受的嚴格量化的界定。因此，系統深入地開展水體富營養化發生原因的研究，對於有效地開展水體富營養化綜合治理與防治具有重大的理論意義和實用價值。

長繁衍的過程。對於不同的水域，由於存在水域地理特性、自然氣候條件、水生生態系統和污染特性等。

農田化肥

為促進植物生長，提高農產品的產量，人們常施用較多的氮肥和磷肥，它們極易在降雨或灌溉時發生流失。氮磷營養物的流失方式有：（1）隨地表徑流進入地面水體中；（2）下滲形成亞表面流（壤中流），通過土壤進行橫向運動，然後排入地表水體中；（3）通過土壤層下滲到地下水中。前2種是導致地表水富營養化的主要原因。近年來的研究表明，磷能以溶解或吸附於土壤上的顆粒態形式通過土壤微孔結構運動下滲至亞表面流中，然後進入江、河、湖泊或海灣，而氮（硝酸鹽氮）的滲透能力較強，能夠下滲到地下水中污染地下水。氮和磷在被土壤吸附與解吸過程中，其中一部分溶解於水中，另一部分則繼續保持吸附態，在運動中甚至會隨土壤顆粒沉積下來，成為湖、河或海底沉積物的一部分。沉澱在底泥中的污染物在流量、水溫及微生物結構發生變化的情況下，可以通過再懸浮、溶解的方式返回水中，構成水源的二次污染。據調查，太湖底泥每年釋放的總氮和總磷約佔總負荷的25% ～35%。

牲畜糞便

圈養家禽、家畜尤其是豬會產生大量富含營養物和細菌的排泄物，極易隨地表徑流、亞表面流流入江河、湖泊而污染水體。此外，農田中過量施用家畜糞便，也會引起糞便中的營養物隨地表徑流、亞表面流流失，從而污染水體。草原過度放牧，產生大量牲畜糞便滯留於草原上，造成營養物過剩，並破壞草原的植被複蓋；當降雨產生地表徑流時，植被複蓋的破壞會加劇土壤、糞便的侵蝕，致使更多的營養物流失，加重污染。

污水灌溉

污水作為一種可靠的水源和廉價的肥料被用於灌溉農田，是污水農業利用的一種提倡方式，目的是通過土壤的凈化作用和農作物對營養元素的吸收來凈化污水。但由於一些污水中的營養物含量較高或技術原因，常常造成土壤和地表水的污染。據對37個污水灌區調查發現，有32個灌區水質不符合要求。

城鎮地表徑流

城鎮路面大部分是不透水地面，氮磷營養物主要隨地表徑流進入地表水中。城鎮中的氮磷營養物主要來自人類的生活垃圾、生活污水及和某些工商業廢水（如屠宰、食品、造紙、停車場等）。美國環保局把城市地表徑流列為導致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。

礦區地表徑流

在磷礦區，由於人類活動，破壞了原來的土壤結構和植被面貌，使得土壤表層裸露，在降雨條件下，散落在礦區的礦渣、泥沙、磷酸鹽等污染物將隨地表徑流進入湖泊、水庫、江河、海灣，污染水體。

大氣沉降

大氣沉降不僅是懸浮顆粒物、有害氣體的來源之一，也是氮的來源之一。燃料燃燒時，氮元素以氮氧化

物的形式進入空氣，隨雨雪降落在土壤或水體表面，污染地表水源。

水體人工養殖

許多水體既是水源地，又是人工養殖的場所。隨著養殖業的發展，人工投放的餌料以及魚類的排泄物給水體帶來了大量的氮磷。目前，國內湖庫區人工養殖的餌料係數達，成為水體富營養化的又一來源。

對於河湖水體富營養化治理，各個國家和地區採用不同的物理、化學、生物方法對其進行預防、控制和修復，並且取得了一定的成效。現在主要的物理處理方法有底泥疏浚、引水沖洗、機械曝氣等，一方面工程量巨大、運行成本高，另一方面對污染嚴重的河湖進行底泥疏浚，易導致底層的沉積物發生懸浮和擴散，促進了沉積物中的氮、磷營養鹽及其所吸附的金屬離子的釋放，從而使水體環境面臨受沉積物中釋放的重金屬離子及氮、磷營養鹽二次污染的風險；化學方法有投加混凝劑和除藻劑等，雖然能在短期內取得一定效果，但也存在著治理不徹底、成本高的問題，特別是會產生二次污染，引發新的生態問題；現流行的生物和生態修復，通過微生物降解和水生植物的吸收、轉移或生態浮床、濾床的過濾、吸附等措施來消減水體中的氨氮。此類方法雖避免了二次污染問題，但受自然環境影響大，要求條件苛刻，同時相對於其它處理技術而言，更有周期長、見效慢的缺點。

氨氮的富集是造成水體富營養化的主要原因之一。因此，採用合適的工藝方法快速消減水體中的氨氮，將這些污染物質帶離河湖系統，徹底消除產生河湖富營養化問題的根源，使河湖從整體上得到快速凈化，是今後治理河湖富營養化問題的重要方向，目前在日本等少數發達國家已經開始這方面的應用研究。