氮磷营养盐控制与湖泊蓝藻水华治理研究进展

赵 华，张先智，肖 娴

(云南省生态环境工程评估中心，云南 昆明 650032)

0 引言

近年来，湖泊蓝藻水华成为湖泊问题研究的重点，很多研究者就蓝藻水华的原因、暴发特点、控制方法等展开了细致的探讨。大量的研究结果表明，氮磷营养盐是导致湖泊蓝藻水华的主要原因。氮磷营养盐在人类生活中应用非常广泛，与人类的工作、生活息息相关。故而，如何实现氮磷营养盐的控制以及蓝藻水华的治理是非常重要的。若要实现这一目的，就需要对氮磷来源、水华产生的原因等知识进行全面的了解，进而为后续的治理提供有效的保障。

1 湖泊富营养化中营养物的来源分析

1.1 外源氮磷污染

已有研究结果表明，外源氮磷污染是引起湖泊富营养化以及蓝藻水华的主要原因。外源氮磷污染主要是指除自身水体以外形成的氮磷污染，例如工业废水污染、化肥污染等。外源氮磷污染总体分为两大类，分别为点源污染以及面源污染[1]。

点源污染主要是指污水排放等相对集中的污水排放点，其污染相对集中，污染性大，破坏性强。湖泊点源污染大多是由于工业体系的增加，致使大量的工业废水以及生活废水流入，最终造成湖泊水体富营养化。据统计，我国城市每年要排放的污水量多于200亿m3，但处理率不足50%。相比较而言，农村的污水处理率更低。故而，大量的氮磷未经处理或者处理不完全流入湖中，致使湖中水体富营养化，造成蓝藻水华。

在控制点源污染的前提下，面源污染是造成水体富营养化的关键原因。面源污染的污染面积较大，难以控制，且影响时间较长，后期破坏较为严重。面源污染是一个全面性污染，主要由土壤中的氮磷等营养物质、农药、化肥等组成，这些污染物质按照既定轨道流入水体之中，引起水体富营养化，造成蓝藻水华现象的产生。其中最关键的因素包含以下几种：其一，养殖业污染。随着我国的经济发展，养殖业成为重点产业。但养殖动物产生的粪便中含有大量的氮磷等营养盐，流入水体之后，会对水体造成严重影响。除此之外，养殖业的兴起，会在一定程度上产生其他的污染物，进而造成水体富营养化。其二，化肥过量施加。化肥中含有大量的氮磷等营养物，过量施加化肥，会使过量的氮磷等营养盐发生富集现象，进而对水体造成严重污染。其三，降雨影响。在降雨过程中，会有大量的氮磷等营养物质随着雨水的流动，流入湖泊等水体之中，引起营养盐含量增加，造成水体富营养化。

1.2 内源氮磷污染

内源氮磷污染，简而言之，就是湖泊内的营养盐以及其他营养物质，经由化学作用、物理作用以及生物作用，沉入湖泊底部，成为污染物的主要来源[2]。湖泊底泥经历了无数的历史时期，在世代更替中遗留下了大量的氮磷营养盐，对湖泊产生一定程度的污染。根据相关研究，内源氮磷污染是水体富营养化的重要原因。湖底的沉积物能够释放大量的氮磷等营养盐，在全年入湖氮磷污染负荷量中占有一定的比重。尤其是在天气晴朗时期，湖底的氮磷营养盐会发生一系列的化学反应，氮磷释放速率加快。在营养物质的作用下，蓝藻会大量繁殖，进而引起水华现象的产生。除此之外，氮磷的释放速率与水温、氧气含量、酸碱度等多种环境因素有一定的联系。当环境条件发生变化时，氮磷释放在水体中的含量就会改变。

2 氮磷诱发湖泊蓝藻水华的机理

研究表明，氮磷是水体污染、蓝藻水华产生的关键原因。水体中氮磷等营养盐含量过多，水体富营养化会更严重，蓝藻水华问题也会更加突出。近年来，国内外关于蓝藻水华产生的机理的研究有很多，但却没有统一的定论[3]。对于蓝藻水华产生的原因，目前有多种学说，粗略的可分为单因子假说以及多因子假说。

2.1 单因子假说

根据相关研究可知，氮磷是造成蓝藻水华现象产生的主要原因。但具体是哪种物质起到关键作用，还没有具体的结论。单因子假说具体分为以下三种假说：其一，氨氮假说。为探究单一因素的影响，此学说把氮作为主要诱发原因进行探讨。微囊藻实验研究表明，氨氮是藻类生长优先利用的氮源；微囊藻的生长与否受到氮的影响极大。在微囊藻实验的基础上，研究者对这一学说进行了多方面的研究，氨氮引起蓝藻水华这一假说有了一定的实验依据。其二，溶解性反应磷假说。磷在富营养化的湖泊中含量均很高，无论是水体中自身存在的磷含量，还是由外源输入的磷含量。故而，很多学者猜想，水体中的溶解磷是蓝藻水华产生的关键原因。在太湖蓝藻水华碱性磷酸酶的相关研究中，可以清楚地发现，蓝藻水华暴发后，酶的活性、数量都会增加，磷的分解速率不断加快，会产生大量的溶解性有机磷。其三，氮磷比假说。在20世纪前期，英美的一部分研究者提出了氮磷比假说，并通过实验进行了合理的验证。加拿大学者通过在湖中施加氮肥、磷肥的方法，探究氮磷比对蓝藻生长的影响[4]。在全湖实验的研究中，可以发现，氮磷比<10时，会产生蓝藻；大于这个比值，蓝藻就不会产生。随后，又有无数研究者就这一学说进行了更深层次的探讨，并得出了许多相关结论，让这个假说在学界有了一定的依据。

2.2 多因子假说

蓝藻水华产生的原因是一个存在争议的问题，需要进行更深刻的研究。所谓的多因子假说，就是指在多种因子综合作用下，致使水体污染产生的假说。诱发蓝藻水华现象发生的多因子假说，具体指内因与外因的综合作用，其中包括水藻自身的特性以及阳光、温度等多种因素。

氮磷的产生途径有很多，与多种环境因素息息相关。温度、酸碱度、风力、雨水冲刷等都会对氮磷的产生以及释放造成一定程度的影响。除此之外，湖泊中的颗粒物沉淀以及水生动植物的尸体堆积到底泥之中，会发生多种反应，释放氮磷等营养盐。此时，在给水中生物提供营养物质的同时，也会加速水体富营养化的进程，进而会加速蓝藻水华现象的出现。

相关的研究表明，多种环境因子与氮磷的产生以及产生速率有着直接的联系。例如：低光会抑制水藻的生长；缺氧环境能够在一定程度上促进水体中氮磷的释放。除此之外，微生物、化学反应、风力扰动也会引起氮磷的释放。微生物在水体酸碱度增大的前提下，活性变强，与此同时会促进有机氮的大量释放。通过化学反应，氮磷的浓度也会受到一定程度的影响。而风力扰动是一种物理过程，其通过风力影响，能够将底泥中的磷释放或者吸附到水体之中。

3 控制氮磷营养盐治理湖泊蓝藻水华的策略

3.1 物理控制

物理控制，简而言之，就是通过物理学手段，结合物理学知识，控制水体中氮磷盐的含量，治理由于富营养化引起的蓝藻水华现象。物理控制包含多种控制手段，例如：调水冲稀、底泥疏浚、原位覆盖等。

底泥疏浚是一种效果很好的物理控制方法，其不仅能够有效地减少沉积物中的营养物，还能够减少其他污染物的含量。在富营养化的湖泊中，湖泊底泥中含有大量的营养物，例如氮磷等多种营养盐。底泥疏浚的工作原理主要是通过机械或者人工的手段，除去底泥，清除底泥表面上的悬浮物等物质，进而保证湖泊生态系统的稳定。不同的湖泊，运用的底泥疏浚的手段并不相同，产生的控制效果也有所差别。底泥疏浚能否彻底地解决这一问题，研究人员还没有得出结论，还需要进一步进行探究。

调水冲稀，顾名思义，就是通过调取水质好的水，然后与需要治理的水体融合，进而降低营养盐的浓度，改善富湖泊营养化的问题。此种方法在国内外已经广泛投入应用，并取得了一定的成效，为蓝藻水华的控制做出了巨大的贡献。虽然调水冲稀对治理蓝藻水华也有一定的作用，但与此同时，其也存在一定的问题。调水在短期内能够起到很好的效果，但在大规模调水停止后，带入治理湖泊中的营养盐含量过多，水华现象可能再次发生。

原位覆盖也是一种有效的物理控制手段，其与底泥疏浚原理相反，底泥疏浚是将底泥以及底泥中的污染物清除，而原位覆盖是在底泥的基础上用未污染底泥、粗砂等物质覆盖。原位覆盖可以通过覆盖富含污染物的底泥，阻止底泥中的污染物进入水体之中，进而有效防止水体氮磷等营养盐的含量过高，避免水华现象的产生。

3.2 化学控制

化学控制是一种有效的控制手段，其根据化学原理，通过添加化学试剂，与水体中的污染物相互反应，减少湖泊中的营养盐含量，进而遏制水华现象的产生。此种方法要求工作人员在水体以及底泥中投入适量氧化剂、还原剂等化学试剂，与水体以及沉淀中的污染物发生化学反应，减少氮磷等营养盐的含量[5]。化学控制主要有两种形式，分别为直接调控氮磷含量以及通过调节酸碱度控制氮磷含量。

直接调控氮磷营养盐的含量，就是通过投入化学试剂，直接与水体以及底泥中的氮磷等营养盐发生反应，抑制氮磷的含量。实验表明，投入不同的化学物质，对营养盐的控制效果也各不相同。例如：投入石膏类化学物质能够抑制磷的释放；投入氯化铝等化学物质，可以有效控制氮磷的浓度。而调节酸碱度进行控制，就是通过调节水体环境中的酸碱度，减弱氮磷等营养盐的释放。研究结果表明，水体中的酸碱度与氮磷的释放有直接的联系。在一定范围内，酸碱度越高，磷的释放量就会越大。当酸碱度为中性时，磷的存在形式发生改变，磷的含量相对较低。而水体中的氮与磷受酸碱度影响的机理不同，氮随着酸碱度的增高，释放量会降低。由此可见，投入化学物质调节水体酸碱度，可以有效地将氮磷等含量控制在最低的状态，进而避免水华现象的产生。

化学控制是一种短期有效的控制方法，虽然有一定的成效，但也存在着一定的问题。化学控制通过投放化学物质实现，但化学物质无法长期有效地抑制污染物的排放，只能起到短期的作用。除此之外，投入的化学物质的量需要合理地把握，如若投入过量，可能对水体造成其他的危害，进而影响湖泊生态系统的稳定性。

3.3 生物控制

生物控制，简而言之，就是通过动物、植物以及微生物控制水体中氮磷营养盐的含量，进而避免水体污染的产生。生物控制与其他方法不同，其不仅不会对水体环境造成二次污染，还能够在一定程度增加生态系统的稳定性。生物控制的方法有很多，但都在水体生物的作用下进行，其常常以动物摄食、植物竞争以及微生物降解为重要手段，治理蓝藻水华现象[6]。

首先，水生动物的控制。动物控制以摄食为主，通过食藻类的鱼类以及浮游生物摄食藻类物质，减少湖中藻类物质的含量，进而调控湖泊中氮磷的含量。动物控制通过氮磷的转移，将水体中的氮磷污染物转移到生物体内，减少水体污染的侵害。水华治理工作人员通过在湖水中投放食藻鱼以及其他大型的食藻浮游动物，吞食大量生长的水藻，恢复湖泊生态系统的稳定性。其次，水生植物控制。此种方法主要依靠植物间的竞争关系，达到控制藻类生长的目的。水生植物通过吸收水体中的氮磷营养盐实现自身的生长，以使藻类生物生长受到一定的限制，避免水华现象的产生。除此之外，水生微生物控制。水生微生物控制适用于水华初期，在短时间内会产生良好的效果。但当处于水华中后期，微生物的降解作用就不是很明显。微生物控制通过微生物吸收水体中的氮磷盐等营养物质，并在这个过程中释放多肽等溶藻类物质，进而在一定程度上减弱藻类的生长。微生物控制的方法广泛应用于水华治理过程中，取得了一定的成效，得到了研究者的普遍认可。

4 结束语

湖泊富营养化以及蓝藻水华不仅影响湖泊生态系统的健康，还会对人类的生活产生一定的影响。此问题是当今湖泊问题研究的重点，需要有效的措施去解决。这就要求在氮磷营养盐控制与蓝藻水华的治理过程中，要时刻秉持尊重自然的思想，结合物理控制、生物控制、化学控制等基本方法，恢复生态系统的生机，进而促进湖泊生态系统的稳定。