我国湖泊富营养化的产生及其治理对策
摘要：湖泊富营养化是当今世界面临的最主要的水污染问题。随着城市化进程和工业的快速发展，以及农业上化肥、农药的大量使用，湖泊水体富营养化进程日趋加快，已严重影响水体水质和水环境，导致湖泊自身调节功能的减退，水生态系统失衡。而本文就我国国内的情况进行了湖泊富营养化现状的分析，以及富营养化形成原因、机理和所造成危害的相关分析，在此基础上，提出了湖泊富营养化的有效治理对策。
关键词：湖泊；富营养化；原因机理；危害；治理对策
水资源是人类赖以生存的基本物质，湖泊是自然界不可或缺的重要成员，也是人类赖以生存的重要水资源，它不仅具有淡水资源储备、洪涝调蓄、生物多样性繁衍、水产养殖、调节地表径流、净化水质和景观旅游的功能，还具有调节区域气候、维持区域生态系统生态平衡的特殊功能。随着人口增长和社会经济飞速发展，水资源污染也日益严重。我国自20世纪80年代以来，随着经济的发展，城镇人口不断增加，工业废水、生活污水的排放量日益增长，大量营养盐和有机物质不断流入湖泊，从而在短期内使得水体中的藻类和浮游生物迅速繁殖，使水体溶解氧能力下降、透明度下降、水质恶化、鱼贝及其他水生生物大量死亡，这就是所谓的富营养化。
许多湖泊、水库已进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、西湖、东湖、南湖、玄武湖、渤海湾、 州湾、九龙江、黄浦江。2000年对我国l8个，主要湖泊的调查表明，其中l4个已进入富营养化状态。在过去的十几年中，围绕湖泊富营养化治理，各级投入了大量的人力和物力，但效果却并不理想，这在很大程度上与对湖泊富营养化机理方面的研究不够深入有关。因此，有针对性地寻找富营养化产生的原因和机理，具有非常重要的理论价值和实践意义。
1 水体富营养化的定义、机理和指标
1.1 水体富营养化定义
水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态,不过这种自然过程非常缓慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。
1.2 水体富营养化机理
在地表淡水系统中，磷酸盐通常是植物生长的因素，而在海水系统中往往是氨氮和盐植物的生长以及总的生产量。导致富营养化的物质，往往是这些水系统中含量有限的营养物质，例如，在正常的淡水系统中磷含量通常是有限的，因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长，而在海水系统中磷是不缺的，而氮含量却是有限的，因而含氮污染物加入就会消除这一因素，从而出现植物的过度生长。生活污水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水都含有大量的氮、磷及其他无机盐类。天然水体接纳这些废水后，水中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加，而其他藻类的种类则逐渐减少。水体中的藻类本来以硅藻和绿藻为主，蓝藻的大量出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。藻类繁殖迅速，生长周期短。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等气体，从两个方面使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。
1.3 水体富营养化指标
多数学者认为氮、磷等营养物质浓度升高，是藻类大量繁殖的原因，其中又以磷为关键因素。影响藻类生长的物理、化学和生物因素(如阳光、营养盐类、季节变化、水温、pH值，以及生物本身的相互关系)是极为复杂的。因此，很难预测藻类生长的趋势，也难以定出表示富营养化的指标。目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2-0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，pH值7-9 的淡水中细菌总数每毫升超过10 万个，表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10μmg/L。 2我国湖泊富营养化的现状
我国是一个湖泊较多的国家，面积大于1km2的湖泊有2305个，湖泊总面积为71787km2，总蓄水量7088亿m3，其中淡水贮水量为2261m3，占湖泊贮水总量的31.9%，而全国有50%的饮用水来自湖泊和水库。按湖泊地理分布的特点，全国可划分为五个主要湖区，即青藏高原湖区、东部平原湖区、蒙新高原湖区、东北平原及山地湖区、云贵高原湖区。而鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖及巢湖是我国著名的五大淡水湖。
但随着现代经济的迅速发展，农业技术的进步，人类的生活和生产活动明显地加快了水体的富营养化进程，如城市污水、工业废水和农田排水含有大量的氮、磷和有机物，当排入湖泊时就会刺激藻类大量生长，从而产生“水华”。根据20世纪80年代后期与90年代前期的调查结果，我国富营养化湖泊主要分布在长江
中下游湖区、云贵湖区，部分东北山地及平原湖区与蒙新湖区。
其中在国家重点控制的湖（库）中，太湖、滇池和巢湖水质均为劣Ⅴ类，主要污染指标为总氮和总磷，太湖和巢湖都处于中度富营养状态（巢湖西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于轻度富营养状态）；而在国家重点控制的大型淡水湖泊中，洱海和鄱阳湖属中度营养状态，南四湖和洪泽湖为轻度富营养，镜泊湖和洞庭湖处于中度富营养状态，由此可见，我国著名的五大淡水湖泊都处于轻度或者中度的富营养化状态。而城市湖泊由于湖小受城市废水的影响大，无论地理位置如何几乎都已达到富营养化或严重富营养化的程度，如昆明湖和西湖处于轻度富营养状态，玄武湖、东湖和大明湖处于中度富营养状态，滇池草海处于重度富营养状态。 3湖泊富营养化的危害
3.1水域生态平衡遭到破坏
在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是，一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、水库等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。水体的这种正常生态平衡就会被扰乱，某些种类的生物明显减少，而而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了湖泊生态平衡。 3.2影响水体的溶解氧
水体富营养化现象出现后，会阻碍水体的自然得到补充氧，漂浮在水面上的藻类会使阳光不能穿透射到水中，减少光合作用对氧的释放。同时，藻类的呼吸作用和水生生物的尸体分解也会消耗溶解氧，使水中溶解氧下降，水体将由饱和 氧状态转变到不饱和甚至缺氧状态。当水中溶解氧低于5 mg/ L 时，水体会丧失饮用价值；溶解氧低于4 mg/ L 时，将影响到水体中鱼类生存，水体会丧失养殖价值；当溶解氧低于1 mg/ L时，水体中鱼类会窒息死亡。水体处于厌氧状态后， 水中的厌氧微生物将会成为优势种类，产生并释放出N H3 、CH4 、H2S 和硫醇等还原性气体，水质完全恶化，水体结构被破坏，给生态环境带来难以估量的影响。 3.3向水体释放有毒物质
富营养对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃道炎症，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康。 3.4降低水体的透明度
在富营养水体中, 生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”，使水质变得浑浊，透明度明显降低，湖水感官性状大大下降。
3.5使水味和周围空气变得腥臭难闻
水体发生富营养化，使水体中蓝藻等疯长，水生生态平衡遭到破坏，大量的水生动植物死亡，死亡的水生生物在微生物作用下分解，消耗氧；或在厌氧条件下分解，产生硫化氢臭气，另外还有一些藻类能够散发出腥味异臭。难闻臭味向湖泊四周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水质质量。 4 国内外水体富营养化“研究历史与进展”的对比
在20 世纪初期, 水体富营养化问题引起了国外部分生态学家、湖沼学家的注意, 并开始了对其成因的初步探索。在上世纪60 年代末, 随着全球出现的海洋和淡水水体富营养化问题的不断加剧, 联合国环境规划署( UNEP) 、世界卫生组织( WHO) 、国际经济合作与开发组织( OECD) 等众多国际组织以及世界各国都相继开始了富营养化形成机理及其防治对策的研究, 进行了大量的试验、实践与探索。由于富营养化的发生发展包含着一系列生物、化学和物理变化的过程, 并与水体化学物理性状、湖泊形态和底质等众多因素有关, 其演变过程十分复杂, 研究所涉及的学科多种多样, 所以至今对富营养化形成机理仍然无法作出科学的解释, 研究还停留在初级阶段, 有待进一步的深入。
经过近30 年来世界各国学者的潜心研究, 特别是加拿大的沃伦维德( 1968 年) , 日本的合田建( 1970 年) 及奥地利的列夫勒( 1968 年) 等人的杰出贡献, 目前公认的富营养化形成原因, 主要是适宜的温度, 缓慢的水流流态, 总磷、总氮等营养盐相对充足, 能给水生生物( 主要是藻类) 大量繁殖提供丰富的物质基础, 导致浮游藻类( 或大型水生植物) 爆发性增殖。尽管对于不同的水域, 由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异, 会出现不同的富营养化表现症状, 但是, 影响水体富营养化发生的主要因素基本是一致的, 即温度、水流流态和营养盐。
早期的富营养化机理研究主要是探讨水体中营养盐负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系, 这也是揭示湖泊富营养化形成机理的主要途径。通过对营养盐的动力学吸收的研究, 许多学者( Levasseur et al, 1987; Harr ison et al , 1977; Goldman et al, 1979) 提出了大致相同的浮游藻类生长所需环境溶解营养盐的原子比, 了解了氮、磷以及氮磷比值分别与藻类生长的相关关系。在这些研究的基础上, 提出了控制外源性营养盐输入的富营养化水体治理措施。
纵观国际上近年来开展的富营养化水体治理工程不难发现, 以外源污染治理为主的措施对于深水湖泊取得了较好的效果, 但对于浅水湖泊却收效甚微, 这说明不同类型的湖泊其富营养化机理不尽相同。为此, 各国学者对富营养化形成机理开始了更深层次的思考, 特别是对浅水湖泊沉积物中营养盐的赋存、降解和释放等循环过程的研究。主要研究有: 1996 年, 法国学者Ruban V 和Demar e
D 在Bart- les-Orgnes 水电水库研究了底泥 水界面上磷的释放, 用序列抽提法研究得知并非所有形式的磷酸盐都容易释放。1999 年,荷兰的Brouwer 等在研究Banen 湖时发现硫酸盐和碳酸氢盐是影响底泥降解和恢复湖泊的关键因素。美国的Bateus等以俄克拉何马州卡 布莱克韦湖底质进行厌氧 好氧、带菌 无菌, 搅拌三种条件组合的模拟实验表明, 在好氧搅拌带菌情况下沉积物的释放量最大。
近年来, 我国在富营养化机理研究上也取得了较大的突破。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室成绩卓著, 他们主要在水- 沉积物系统方向上取得进展, 研究分别从营养元素循环、生物大分子降解过程和铁-锰- 硫体系的氧化还原变化等角度对云贵高原不同部位湖泊的沉积物- 水系统进行了研究。结果表明: 湖泊沉积物-水界面存在! 活性有机质分解- 溶解营养盐释放- 浮游生物吸收- 活性有机质沉降∀的快速循环, 以促成富营养湖泊的高生产力水平; 沉积物中生物残骸细胞破裂后, 蛋白质、DNA、RNA 降解导致的氮- 磷差异性释放与微生物作用存在耦合关系; 由于铁- 锰- 硫的微生物作用差异, 沉积物早期成岩氧化还原序列变化对营养元素生物地球化学行为起着控制作用。陈德辉等以Tilman 提出的! 资源竞争机制学说∀为依据, 研究了微囊藻栅藻资源竞争的动力学过程结果表明: 在光强为10-0~ 17-1 EE 和磷浓度为3-10~ 20-0 g/ mo1的范围内, 微囊藻的生长率大于栅藻的生长率. 说明磷的增加是微囊藻成为水华的充分条件, 但不是必要条件, 至少低光强是一个重要的作用因子。上述研究成果在探索富营养化机理上具有重要学术价值。 5湖泊富营养化的治理对策
富营养化的防治是湖泊水体污染治理中的一个十分棘手而且代价昂贵的问题，目前国内外主要从控制外源性营养物质和内源性营养物质负荷这两方面来控制湖泊的富营养化。而对于外源性污染常采取截污、污水改道、污水除磷；对于内源性污染主要采取清淤挖泥、营养盐钝化、底层曝气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措施。 5.1控制外源性营养物质输入
根据国内外湖泊污染和富营养化控制的经验，减少外源性污染物质尤其是营养物质进入湖泊，是控制湖泊富营养化的关键措施，控制外源性氮、磷输入仍是湖泊富营养化治理的重点。而控制外源性营养物质的输入主要从点源和面源两个方面进行排放污染控制。 5.1.1点源营养物质输入控制
集中排入湖（库）的城镇生活污水要进行截污处理，可根据污染源排放的途径和特点，因地制宜地采取集中处理和分散处理相结合的方式，对这些生活污水进行脱氮、除磷工艺，提高氮和磷等营养物质的去除率。而对湖（库）流域地区排放氮、磷等营养物质的工业污染源（如化肥、磷化工、医药、发酵、食品等行
业），应采用先进生产工艺和技术，提高水的循环利用率，减少生产过程产生的污水量和污染物负荷。实践证明，对生活污水、工业废水等点源排放的氮磷等营养物质和其他污染物实行截流是控制富营养化的关键措施之一。 5.1.2 面源营养物质输入控制
点污染源以外的外部污染源统称为面源（非点污染源）。面源没有固定的集中发生源，污染物的迁移转化在时间和空间上有不确定性和不连续性，其性质和污染负荷受气候、地形、地貌、土壤、植被以及人为活动等因素的综合影响。面源污染主要来自农牧地区地表径流、城镇地表径流、林区地表径流、以及大气降尘、降水等。
农村基本没有排水官网系统，村镇废水不能达到有效控制，而农田地表径流的主要污染物是氮、磷、泥沙和农药，应根据实际情况对污水进行收集，同时也可因地制宜地采取农田基本建设及提高种植技术和水土保持技术，或利用田间渠道、坑、塘等改造成土地处理系统，进行农田污染控制。而对于农村的固体废弃物，可根据实际情况采用堆肥、厌氧发酵、卫生填埋等方法进行资源化、无害化处理和处置，禁止直接向湖（库）倾倒或抛弃。 5.2减少内源性营养物质负荷
控制外源性营养物质后，在入湖营养盐负荷减少或完全截污的情况下，富含营养物质的底泥在一定条件下还是会释放出氮磷，维持湖水中的高营养盐浓度，成为湖泊富营养化的主导因子。这时可利用物理、化学或生物方法净化湖水且能使底泥稳定。 5.2.1物理方法
主要是采取一些工程性措施，比如挖掘底泥沉积物，进行水体深层曝气，注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等。挖掘底泥，可减少甚至消除潜在性内部污染源；深层曝气，可定期或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，有利于控制底泥中磷的释放。底泥覆盖是通过在底泥表面敷设浸透性小的塑料膜或卵石，消除波浪扰动时的底泥翻滚，有效抑制底泥营养盐的释放。通常也可采用混凝沉淀、机械打捞等方法控制造粒生长，以达到直接除藻的效果，从而消除湖面“水华”现象。 5.2.2化学方法
化学方法就是向水体添加诸如絮凝剂之类的化学药剂，通过凝聚作用来减少水体中的N和P， 如可以先利用一些杀藻剂杀死湖泊中的藻类，再尽快地打捞出
死亡的藻类植物进行再利用，然后投加合适的化学药品去除死藻释放的含磷物质。
5.2.3生物方法
生物方法是利用水生生物的生命活动，对水中的N和P营养物质及其他污染物进行迁移、转化、降解和代谢，从而使水体得到净化的方法。常见的方法是生物浮床和人工湿地等。生物浮床技术是按照自然规律，在以富营养化为主体的污染水域水面种植粮食、蔬菜、花卉或绿色植物等各种适宜的陆生植物。通过植物根部的吸收、吸附作用，削减、富集水体中氮、磷及有害物质，从而达到净化水质的效果，同时又可收获农产品，美化绿化水域景观。
人工湿地是一种投资较少的水处理技术，其净化是湿地基质、植物和微生物相互关联，物理、化学、生物学过程协同作用的结果。湿地生态系统中氮的去除包括基质的吸附、过滤、沉淀及氨的挥发，植物的吸收和湿地中微生物作用下经硝化、反硝化作用，其中潜流式湿地脱氮效率较高。而对磷的去除是由植物吸收、微生物去除和物化作用完成的。人工湿地系统作为一种建造和运行费用低、处理效果好的工艺，尤其适用雨含高氮废水的处理，值得大幅度推广。 6 结束语
20 世纪80 年代以来, 生态恢复理论与技术研究逐渐传播到我国。近年来, 经过研究与实践, 生态恢复理论与技术有了一定的发展, 但仍处于起步阶段。我国已退化生态系统类型复杂多样、退化程度严重、恢复理论与技术起步晚、研究较少, 所面临的研究与治理任务相当艰巨。因此,需要进行长期的、科学的、连续性的研究与治理工作, 才能达到预期的目的。生态恢复工程以可持续发展为目的,生态系统的结构、功能与内容可通过调计、改造与运行生态工程与技术, 使生态系统通过人类的管理伴随其自身组织特征而得到恢复或重建。生态恢复理论的创新及工程技术在实践中的应用将有效地帮助人类对现有退化生态系统进行改造和恢复, 最终提高生态系统健康程度及生态系统功能与服务功能。水体富营养化主要是因为水中氮磷浓度偏高，导致水中藻类大量繁殖，根治水体富营养化必须除去水中富余氮磷，并积极采取各种措施人工捞藻。
参考文献
1) 周怀东，彭文启，等．水污染与水环境修复[M]．北京：化学工业出版社，
2005．
2) 赵.湖泊富营养化问题及其防治浅议[J].科技创新导报，2009. 3) 吴宇.富营养化：中国湖泊面临的治理难题[J].生态经济，2008.
4) 金相灿．湖泊富营养化控制和管理技术[M]．北京：化学工业出版社，2001． 5) 梁静静.湖泊富营养化的成因及防治措施[J].科技资讯，2007.
6) 彭少麟. 热带亚热带恢复生态学研究与实践[M ]. 北京: 科学出版社,
2003.
