江苏省淡水水体富营养化的威胁：成因、影响及解决方案

2019-11-27董家华

中国资源综合利用 2019年11期

董家华

（南京信息工程大学，南京 210044）

江苏省是我国淡水湖泊分布最为集中的省区，河网密布，境内共有大小湖泊200余个，湖泊分布率为6%，居全国之首。然而，由于经济的迅速发展和人口的急速增长、工业生活污水的排放、土地的过度利用以及农业生产中产生的损耗，江苏淡水系统逐步遭到污染，并发生水体富营养化现象[1]，江苏省重要湖泊营养程度如表1所示。淡水水体富营养化和藻华现象会严重影响河流湖泊的生态功能和水质。后期，随着富营养化的持续发展，整个湖泊生态系统会发生生物多样性减少、生物群落结构简化、生态系统不稳定等严重的生态污染现象，并最终由清水、大型植物为主的生态系统逐渐过渡到浊水、藻类为主的生态系统[2]。

表1 江苏省内重要湖泊的营养程度

20世纪80年代以前，除了少数几个靠近城市中心的应用型小湖泊，江苏省内大部分湖泊的水质都很高。然而，受经济飞速发展影响，大部分淡水水体已成为中度甚至高度富营养化水体，其中太湖受影响最为严重。1990年和2007年，太湖发生了最具破坏性的藻华事件，对周边地区的自然和建筑环境造成了极其严重的负面影响[3]。直到现在，江苏省飞速推进的城市化进程仍然会影响区域内淡水富营养化的状况。一项针对长江中下游区域内的50个湖泊的研究表明，大部分湖泊仍然处于富营养化状态[4]。无锡市2007年饮用水危机出现的原因是蓝藻的大量繁殖，原因是富营养化导致自来水厂取水口受到污染。许多建设项目（如大坝）降低了河流和湖泊生态系统之间的联系，改变了水动力条件和相应的生态系统响应[5]。在今天的研究中，富营养化一般是指氮、磷输入的增加所引起的营养过剩状态，具体地说，是指工业化、农业现代化和城市化过程中植物养分（主要是氮、磷）的排放增加引起的水体生态现象。图1为长江中下游地区湖泊营养状态的汇总，由此可见，很大一部分长江中下游湖泊正处于富营养化状态。

图1 长江中下游地区湖泊营养状态

湖泊营养状况的监测对于预测未来趋势、制定适当的富营养化法规和管理方法有至关重要的作用。因此，中国国家环境监测中心提出了基于营养水平指数（TLI）的湖泊营养状况标准测量方法，对湖泊的营养状况进行了有效的监测和判断。另一项关于淡水水体的指标称为水质指数（WQI），也可以用于淡水水质的分类和未来水质变化趋势的预测。

上文重点介绍了江苏省湖泊富营养化的现状，下面探讨淡水水体富营养化的成因和影响，然后进行采样分析，最后提出解决水体富营养化问题的对策，以控制水体富营养化的负面影响。

1 淡水水体富营养化的成因

氮、磷是植物生长所必需的元素。然而，如果水体吸收的氮和磷过量，生态系统就会发生变化，可能引发藻华现象。富营养化的主要影响元素是氮和磷。总氮（TN）和总磷（TP）一直是衡量淡水富营养化水平的指标，而淡水富营养化的成因各异，包括地理因素、污染物类型以及自然生态系统特性（气候或水生物）[6]。

1.1 地理特征

大部分富营养化现象发生于湖泊系统中，其原因在于湖泊的特殊地理特征。湖泊生态系统有一个河流和湖泊的过渡区域。相关研究表明，该区域对水体运动趋势的变化、人类活动影响的增加等环境因素的改变十分敏感。例如，由于河口水流急速且不规律，一些野生动物不在河口地区栖息。此外，由于湖泊的空间地理特征，各种陆源污染物、废水、泥沙、地表径流等容易在湖泊系统中大量积累。与其他水体系统相比，湖泊的自恢复能力较差。总而言之，湖泊系统的地理特征是造成严重富营养化的重要原因。

1.2 人类活动

20世纪70年代以来，随着工业的蓬勃发展和城市化进程的加快，江苏省湖泊流域附近出现了大量的工业和城市群。虽然这些工业项目为江苏省创造了巨大的经济价值，但大部分工程并不重视污水处理，导致大量污水被直接排入淡水水体中。另外，随着城市化的飞速发展及城市人口的急速增加，生活污水的排放量显著增长。农业方面，为了提高产量，农民过度使用化肥和农药，导致土壤中氮磷元素的极速增长和积累，其随地表径流进入淡水水体，导致其富营养化[7]。

湖泊中营养物质的外部注入可以分为两类，即点源排放和非点源排放。点源排放是指污水来自一个或者多个固定地点，而非点源排放是指污染源广泛、范围不同。点源排放相对容易控制和解决，但非点源排放较难处理，因此非点源排放成为影响淡水水体水质的主要因素。以巢湖为例，约68%的总磷和74%的总氮源自非点源排放[8]。

2 江苏淡水水体富营养化影响

湖泊水体富营养化对当地环境和生态产生许多负面影响，包括生态系统退化和水质恶化等。

2.1 饮用水供应

湖泊是江苏省主要的饮用水源。一旦湖泊发生富营养化，湖中的藻类会散发出难闻的气味，导致其不能再成为饮用水的水源。因此，富营养化将对水资源的利用产生不利影响。例如，2007年，太湖出现蓝藻污染事件，许多沿湖城市受到影响，无锡市被迫关闭供水系统，导致城市进入大面积缺水状态[9]。

2.2 自然环境

湖泊生活着各种各样的水生物，而藻类的快速生长会抑制动植物的呼吸作用，消耗其他正常生命活动所需的溶解氧等营养物质。与此同时，藻华下的水体呈厌氧状态，导致许多厌氧微生物繁衍生息，受缺氧和缺少光照影响，许多水生物死亡[10]。例如，20世纪90年代发生在江苏各湖泊附近的藻华曾导致了大规模的鱼类窒息。

2.3 工业、农业及经济

水华会影响工业生产、农业生产和城市居民的生活。渔业是江苏省湖区的重要产业，水质下降导致渔业受到影响，从而造成严重的经济损失。此外，水华也会影响湖区旅游业及相关产业的发展。水华现象大面积蔓延，会严重污染周边农业用地，造成作物产量大幅度减少[9]。

3 南京眼、秦淮河、玄武湖的水质采样分析

3.1 采样地点

本次试验采样地点设置在南京市内部分淡水水体中，包括长江南京段南京眼、秦淮河及玄武湖。采样位置为南京眼（31°59′67″N，118°41′87″E）、秦淮河（32°0′49″N，118°46′32″E）及玄武湖（32°4′27"N，118°47′0"E）。本次试验在三个取样点共取水样6个。

3.2 采样点现场测定

在采样地采样的同时，利用仪器测定6个水样的基本特征，包括水体能见度、温度、溶解氧含量以及pH值。具体测定结果如表2所示。

表2 采样点水体基本特征汇总

3.3 实验室测定

试验期间，在实验室对不同地点的6个水样进行总氮、总磷的测定，从而通过水样判定水体富营养化状态及特征

3.3.1 总磷含量测定方法

总磷测定采用钼酸铵分光光度法，以硫酸钾（K2S2O8）为氧化剂，然后消化未经过滤的水样。首先，用不同量的标准溶液，用分光光度计测定吸光度，绘制标准曲线。取0.0、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0、15.0、20.0 mL磷标准溶液分别放入50 mL比色管中，用蒸馏水稀释到25 mL。然后，在每根比色管中加入4 mL 5%过硫酸钾溶液，用纱布和橡皮筋拧紧塞子，防止液体溅出。将比色管放入高压蒸汽灭菌锅中加热，设置温度为120℃，定时30 min。之后关闭杀菌锅，打开阀门放气。然后取出比色管，待其冷却至室温。用蒸馏水稀释至50 mL，加1 mL 10%抗坏血酸溶液，然后加入2 mL钼酸铵溶液，充分混合30 s后，再静置15 min。最后，将部分溶液移至10 mm石英试管中，以蒸馏水为标准，用分光光度计测量700 nm波长处的吸光度。用20 mL的吸管取20 mL的水样，通过以上步骤，测定样品的吸光度，在标准曲线上找到相应的总磷含量，并通过式（1）计算总磷含量。

式中，CP为总磷含量，mg/L；m为总磷质量，mg；V为溶液体积，L。

3.3.2 总氮含量测定方法

总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法。除标准溶液用量不同以外，其他步骤与总氮测定相似。本试验标准溶液用量与氮气（0.00、0.50、1.00、2.00、3.00、5.00、7.00、8.00 mL硝酸钾标准溶液）不同。最后，用10 mL移液管取1 000 mL水样，按以上步骤操作。然后基于修正后的吸光度，找到相应的氮含量校准曲线，然后计算总氮（TN），最后，基于标准曲线，可以确定总氮的含量。

基于总氮和总磷的含量结果，通过式（2）和式（3）计算营养状态指数（TLI）的值，最终确定水体富营养化水平。

根据规定，湖泊营养状态分级采用0～100（TLI值）的数字，湖泊营养状态分级标准如表3所示。

表3 湖泊营养状态分级标准

3.4 试验结果

表4 水样总氮总磷含量汇总

水样总氮总磷含量汇总结果如表4所示，测量结果表明，秦淮河及玄武湖采样点处于轻度至中度富营养化状态，而位于长江的采样点则处于重度富营养化状态。这与长江附近污染源众多，长江流域面积广阔，控制和治理富营养化难度大，长江运输业及渔业饱和发展有密切关系。近年来，南京市制定了强有力的法规和处理方法，使得当地大部分淡水水体的富营养化程得到缓解，水环境也得到极大的改善。

4 富营养化解决方法

富营养化湖泊的治理方法一般可以分为三个部分：修复受损的湖泊生态系统、控制污水排放以及对周边地区进行重新规划和管理。

4.1 湖泊生态系统修复

湖泊生态系统修复和水质恢复的首要原则是减少藻类的生长，方法较多。首先是利用特殊的水生植物和微生物，它们具有吸收养分的特殊能力，不仅可以减少藻类的生长，也能够充分吸收湖泊系统中的游离养分。为有效提取养分，这些水生植物和微生物会释放特别的化学物质，降低湖泊藻类的爆发性增长和富营养化水平，达到恢复湖泊原有水质的目的[11-12]。另外，人们可以运用化学和物理方法去除底泥，控制水体富营养化程度[13]。

4.2 控制污水排放

湖泊系统吸纳的污水来源广泛，包括工业污水和生活污水。地方政府要调整产业结构，淘汰落后产能，大力发展高科技制造业和服务业。这样可以减轻污染，为社会创造新岗位，满足居民基本需求。

4.3 周边地区规划与管理

土地利用格局和规划是影响湖泊系统水质的重要因素之一。研究表明，在苏州、无锡、常州等快速发展的城市，城市化进程导致地表径流显著增长[14]。土地利用的变化会影响土壤结构、水的迁移和循环模式[15]。为了减缓这些影响，湖泊和工厂、居民区的中间要建立缓冲区，建设沿湖湿地保护区，并与恢复植被相结合，以吸收富营养化物质（氮和磷）[16]。另外，人们要调整和优化农业用地规划，既保护农田，又降低进入湖泊的氮磷量[17-18]。