富营养化湖泊治理研究综述

刘伟　晏娟

摘 要：湖泊富营养化是指湖泊生产力水平逐步由较低的贫营养状态向较高的富营养状态转变的现象。控制营养盐输入是湖泊治理的关键，但对于削减外源污染物，是控磷还是控氮，学术界一直存在争议。一是认为磷是藻类生长的主要限制因子，只需控磷。二是认为氮也是藻类主要生长限制因子，必须控氮。针对我国湖泊生态系统中氮磷含量具有显著的时空异质性特点，藻类生长过程中的限制因子可能随季节发生变化，因此建议富营养化湖泊治理在控磷的同时也要控氮，并且要加强外源和内源污染控制。

关键词：富营养化；湖泊；控磷；控氮

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）08-121-03

Abstract：Eutrophication are lakes gradually from a low level of productivity oligotrophic eutrophic state to a high state. Controlling nutrient input is the key governance lake.But for the reduction of exogenous pollutants，is to control phosphorus or nitrogen control has been controversial. Some people believe control phosphorus emissions is critical，because phosphorus is the main limiting algae growth factor；other people believe that control nitrogen emissions is critical，because nitrogen is the limiting factor for the growth of algae.In our lake ecosystem，the content of nitrogen and phosphorus has a significant features - temporal and spatial heterogeneity. Algae growth process，limiting factors may vary with the seasons. Therefore，the proposed lake management is necessary to control the emission of phosphorus also control nitrogen emissions. Meanwhile，we should strengthen the exogenous and endogenous pollution control.

Key words：Eutrophication；Lake；Control emissions of phosphorus；Control emissions of nitrogen

湖泊富营养化是指湖泊水体在自然因素和人类活动的影响下，大量营养盐输入水体，使湖泊生产力水平逐步由较低的贫营养状态向较高的富营养状态转变的现象。我国湖泊富营养化的发展趋势十分严峻，截至20世纪90年代后期，富营养化湖泊占调查湖泊的比例已经高达77%。在26个国控重点湖泊中，水体中氮磷污染较高，相当一部分湖泊发生了水华灾害。特别是铜绿微囊藻水华会释放出微囊藻毒素，引起水生生物、鸟类、畜类死亡。2007年太湖蓝藻水华事件，致使无锡市500万人的饮用和生活用水严重短缺。因此，湖泊富营养化治理是我国面临的重大水环境问题。

富营养化湖泊治理的关键是控制营养物的输入，国际上一般认为湖水中总氮（TN）达0.2mg/L、总磷（TP）达0.02mg/L是富营养化发生的阈值[1]。氮是浮游植物生长过程中蛋白质合成的重要元素，而磷元素对于藻细胞合成DNA、RNA以及能量代谢过程具有重要作用。氮、磷、或者两者共同影响浮游植物生长、生物量和群落结构。而基于限制性因子原理，以实验室藻类生长瓶法测定结果为依据，可以确定藻类在生长过程中的主要限制性因子。水体中总氮与总磷之比（质量比）可以用来判别浮游藻类的营养盐限制类型和评估水体营养结构。氮磷比较大时藻类生长受磷限制（TN/TP>17），氮磷比较小时受氮限（TN/TP<10）[2]。氮磷比中等时受二者共同限制。但是，对于富营养化湖泊治理削减外源污染物，是控磷还是控氮，学术界一直存在争议。

1 磷是主要限制因子，只需控磷

早期的研究认为，在淡水生态系统中，磷是水体生产力的主要限制因子，通常认为磷的作用大于氮。通过对叶绿素与总氮总磷进行相关性分析，研究结果表明叶绿素与总磷具有较大正相关性，而与总氮相关性小，说明磷素是我国湖泊富营养化的主要限制因子[3]。其次，磷素的循环特点也决定其是湖泊中藻类生长的主要限制因子。磷循环属于不完全循环或称沉积型循环，磷主要储藏在岩石和土壤中，循环周期长，且容易沉积[2]。

欧美几个湖泊的治理实践证实控磷可有效控制藻类水华，最典型的案例是对美国西雅图华盛顿湖的治理。自20世纪30年代，因生活污水大量排入湖中，总磷浓度显著上升，湖泊富营养化严重，蓝藻水华持续发生。1936-1968年全面实施以控磷为主的截污工程，总磷浓度显著降低，而硝态氮和凯氏氮变化不显著。同时，浮游藻类总量显著减少，蓝藻优势显著削弱，1962-1968年占90%以上，而1976-1978年所占比例降低到20%以下[2]。由此可见，控磷是该湖富营养化得以控制的主要原因。此外，由于减氮工作的周期长、成效低且费用高，而控制磷污染的方法很多，比如投放明矾、盐等物质再进行沉淀就能取得一定成效，且费用相对低廉。因此专家建议，解决水体富营养化问题，应该主要控磷，可放宽甚至取消对氮的排放限制，从而大大降低水体富营养化的治理成本。endprint

此外，国外科学家在加拿大安大略实验湖区227湖，开展了37a的全湖施肥实验，1967-1974年，施加的肥料中氮磷质量比为12∶1，以确保藻类正常生长需求；从1975-1989年，削减氮肥输入量，使得水体中氮磷比值降低到5以下；1990-2005年，不再继续施加氮肥，而只添加磷肥，结果发现，诱发了固氮蓝藻水华形成。固氮蓝藻通过生物固氮作用，可以释放出具有较高生物可利用性的氮，如铵态氮和溶解性有机氮，这些氮能为非固氮藻类生长补充氮源。我国滇池、巢湖和洱海的水华发生顺序与加拿大安大略实验湖区有相似之处，在春季是固氮蓝藻如鱼腥藻和束丝藻形成水华，在夏季是没有固氮能力的微囊藻形成水华，这种现象表明固氮蓝藻水华的出现导致水体出现固氮脱氮过程，通过固氮作用释放的充足氮源使得非固氮蓝藻具有竞争优势[2]。由此可见，氮控制所引发的固氮蓝藻水华的形成会加剧湖泊富营养化状况。

2 既要控磷也要控氮

有资料表明，单一控磷在中国太湖和东湖，以及美国乔治湖，并没有取得显著效果。在这些湖泊，磷可以在沉积物和上覆水界面迅速交换，浮游植物主要是以非固氮藻类蓝藻，如颤藻和铜绿微囊藻为主，其中铜绿微囊藻具有伪空胞，能调节浮力上浮，可以利用泥水界面过量的磷，迅速增殖并在湖面上堆积形成水华。

我国湖泊系统氮变化具有显著的空间异质性，总氮与纬度存在极显著的相关关系，随着纬度的升高，总氮含量极显著减少[3]。在一些淡水生态系统中，尤其是热带和亚热带，海拔较高地区的大型湖泊生态系统中，氮是浮游植物生长的第一限制因子。在淀山湖，夏季水体中氮磷质量比<10，藻类生长的限制性营养元素也是氮。若此时水体中氮含量增加，则极有可能暴发大规模的蓝藻水华。所以，夏季淀山湖富营养化治理应该严格控制氮含量[4]。

近年来，也有研究发现，氮在藻类产毒中具有重要作用。2004年美国的一项研究表明，微囊藻毒素的产生与总氮显著正相关。氮元素不仅可以促进藻细胞生长而且是微囊藻毒素分子的主要构成元素，而磷元素只能促进藻细胞生长，但不能进入微囊藻毒素分子，微囊藻种群中有毒微囊藻所占比例与硝态氮浓度显著正相关。曲久辉等通过氮稳定同位素示踪，研究发现铵态氮有利于微囊藻毒素的形成，并且提出在富营养化水体藻毒素污染预防和富营养化控制中，不能只强调磷素的突出作用，氮控制应该引起足够重视[5]。

氮循环属于完全循环或气体型循环，这种循环过程可以为湖泊藻类提供几乎取之不尽的氮源。但受地表径流、干湿沉降、降雨等多种因素影响，藻类生长的限制因子很可能随季节发生变化。在太湖进行营养盐添加的原位研究结果表明，太湖中氮、磷限制情况随季节而异。冬春季节磷是第一限制因子，而夏季和秋季氮、磷存在协同作用，且氮的限制作用大于磷[2]。因此，浮游植物生长过程中，氮、磷均是重要的影响因子。控制湖泊富营养化和水华形成，氮、磷的作用均不可忽视。

3 氮、磷主要来源及如何防控

湖泊氮、磷污染源可以简单分为外源污染和内源污染。目前，我国富营养化湖泊主要集中在长江中下游浅水湖泊，受风浪扰动影响，湖泊水体和沉积物间存在持续的物质交换。沉积物中不同形态的氮、磷在外界环境条件如扰动、光照、pH、溶解氧等改变的情况下会释放出来，形成内源污染，加剧水体富营养化，在一定程度上会影响营养盐控制策略。因此，在控制外源污染氮、磷输入的同时，要防止内源污染。底泥疏浚是削减内源氮、磷负荷的有效技术手段。

外源污染包括点源污染和面源污染。我国污水处理厂主要针对工农业废水和生活污水的点源污染，而且主要控制指标为有机物、重金属等，对氮、磷的控制效果尚不理想。如果在生化处理中加入脱氮、除磷深度处理工艺，则投资和运行成本又相对较高。因此，加强点源控制，对城市污水处理厂的出水考虑采用生态处理，削减出水氮、磷含量。

城市面源污染也是湖泊水体富营养化的重要因素。面源污染在以往的城市建设和流域环境治理中未予重视。据统计，在巢湖流域（1995年），63%的总氮和73%的总磷来自于农业面源污染。而肥料流失是农业面源的主要形式。有资料报道，水稻田中约有12%～17%的氮素会随径流流失。因此，在流域范围内要加强生态农业建设，科学施肥，控制氮、磷肥的使用量，提高其利用率，以减少农业面源污染引起的氮、磷污染物进入湖泊生态系统。

参考文献

[1]金相灿，刘鸿亮，屠清瑛.中国湖泊富营养化[M].北京：中国环境科学出版社，1990.

[2]王海军，王洪铸.富营养化治理应该放宽控氮、集中控磷[J].自然科学进展，2009，19（6）：599-604.

[3]蔡龙炎，李颖，郑子航.我国湖泊系统氮磷时空变化及对富营养化影响研究[J].地球与环境，2010，38（2）：235-241.

[4]王菲菲，李小平，程曦，等.基于NEB试验的不同湖泊夏季营养物投入与藻类响应关系的比较：以淀山湖、小兴凯湖和洱海为例[J].湖泊科学，2012，24（1）：51-58.

[5]史红星，曲久辉，刘会娟，等.微囊藻毒素产生过程中氮素作用的同位素示踪研究[J].科学通报，2008，53（4）：407-412.

（责编：施婷婷）endprint