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湖泊富营养化治理:控磷 or 控氮 ?

2024-06-25 09:13:02

   作者:黄明雨 洱海科研

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[摘要] 洱海科研(Erhai-Research)——聚焦洱海,分享科研成果,碰撞学术火花,3000 科技工作者订阅的微信号。点击『洱海科研』关注,我们将为你提供有价值、有思想的科研洞见。湖泊富营养化是全球范围内水生态系统面临的一个严重环境问题,主要由过量的营养物质,特别是氮(N)和磷(P)的输入引起。

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洱海科研Erhai-Research——聚焦洱海,分享科研成果,碰撞学术火花,3000+科技工作者订阅的微信号。点击『洱海科研』关注,我们将为你提供有价值、有思想的科研洞见。

湖泊富营养化是全球范围内水生态系统面临的一个严重环境问题,主要由过量的营养物质,特别是氮(N)和磷(P)的输入引起。这些营养物质的过剩供应导致藻类和其他浮游植物的异常繁殖,最终形成有害藻华,对水质、生态平衡和人类健康产生负面影响。关于如何治理湖泊富营养化,学术界存在两种主要观点:一方主张只需控磷,另一方则认为氮磷需同时控制。

控磷

控磷观点主要基于加拿大实验湖区(Experimental Lakes AreaELA)长期实验结果。Schindler等人在37年的研究中发现,单独控磷可以显著抑制藻类生长,而单独控氮则导致固氮蓝藻的产生。固氮蓝藻通过从大气中固定氮来满足自身需求,因而单独控氮并不能有效降低藻类生物量。这一发现促使许多学者认为湖泊富营养化治理只需控磷,无需控氮。

尽管控磷策略在一些情况下取得了成功,但其适用性存在显著局限性。对于许多大型浅水富营养化湖泊,如美国的Erie湖、日本的Kasumigaura湖等,单独控磷策略未能在短期内显著改善水质。底泥中的内源磷释放在这些湖泊中占据重要地位,单靠控制外源磷输入无法快速降低藻类生物量。此外,ELA位于污染背景低、湖温较低、藻类生长期短的地区,这些特定条件限制了控磷经验的普适性。

氮磷同时控制

氮磷同时控制观点认为,藻类生长不仅依赖磷,还受到氮的限制。Conley等人通过分析指出,许多湖泊发生富营养化后,磷在水体和底泥间快速循环,而藻类往往以非固氮蓝藻为优势。在这种情况下,氮磷同时控制可以显著降低藻类生物量。Schindler等人也承认,控氮策略需要更多案例支持,但已有多项研究表明氮磷同时控制在许多湖泊中取得了成功。

国际环境领域的顶级期刊《Environmental Science & Technology》发表的研究表明,氮磷同时控制在美国、加拿大、瑞典和挪威等国家的20个全湖实验中均取得了良好效果。研究指出,在这些湖泊中,氮磷同时控制不仅有效降低了藻类生物量,还防止了大量氮进入海湾和海洋,保护了下游生态系统。

控磷控氮策略的综合分析

营养盐限制理论最早由德国化学家Liebig提出,认为植物生长受限于最短缺的营养元素。这一理论在水生态系统中的应用需考虑多种因素,包括浮游植物生长速率、生物量和初级生产力。湖泊中要将营养盐控制到限制藻类生长的程度非常困难,因为营养盐在水体、悬浮颗粒物和底泥中不断循环。因此,通常所说的氮或磷限制主要是指对藻类生物量或生产力的限制,而非生理活动的完全抑制。

湖泊富营养化治理不仅需控制外源营养物质输入,还需考虑内源磷的释放。特别是在浅水湖泊中,风浪扰动和生物活动可导致底泥中磷的再释放,显著增加水体中的可利用磷浓度。研究表明,许多浅水湖泊的藻类生物量与总磷(TP)的相关性较高,而与总氮(TN)的相关性较低,这主要是由于内源磷的持续供应。因此,单独控磷策略在这些湖泊中的效果有限。

固氮蓝藻的生态学特征与控氮策略

固氮蓝藻的产生是控氮策略的主要争议点之一。固氮是一个耗能过程,需要光照和铁等元素的参与。在超富营养化水体或光照受限的环境中,非固氮蓝藻往往占据优势。即使在固氮蓝藻占优势的情况下,固氮作用也未必能满足生态系统的氮需求。例如,ELA226号湖实验显示,尽管氮磷比例向氮限制状态发展,但并未检测到显著的固氮作用。因此,控氮策略在某些情况下仍然有效。

氮磷循环与藻类生物量的调控

氮的循环与磷不同,湖泊中的氮素可通过反硝化作用从系统中脱除,降低水体氮浓度。浅水湖泊由于水体与底泥接触面积大,反硝化作用更为显著。此外,藻类生长-死亡循环过程提供的有机碳可促进反硝化作用,进一步降低氮负荷。因此,氮磷同时控制策略通过多重机制显著降低藻类生物量,改善水质。

太湖流域的治理实践

中国的太湖是世界上富营养化问题最为严重的湖泊之一。基于长期实验研究,科研人员发现太湖藻类生长在冬春季主要受磷限制,而在夏秋季则主要受氮限制。因此,提出了季节性氮磷控制策略,即在磷限制的时期优先控磷,在氮限制的时期优先控氮。这一策略在过去十一年的治理中取得了一定成效,太湖流域氮浓度显著降低,但总磷浓度仍呈波动上升趋势,表明磷控制的复杂性和艰巨性。

太湖流域的治理经验表明,仅依靠控磷或控氮单一策略难以彻底解决富营养化问题。有效的治理措施需包括控源截污、生态清淤、生态修复和长效管理等多方面内容。通过建设管网实施雨污分流、对重污染湖区进行底泥疏浚、恢复湿地和沿湖缓冲带等手段,可以减少营养盐输入,提高湖泊生态系统的自净能力。此外,建立跨市断面考核和生态补偿机制,确保治理措施的连续性和稳定性,也是治理成败的关键。

结论

湖泊富营养化治理是一个复杂的生态环境问题,涉及多种营养盐的输入与循环过程。控磷控氮策略需根据具体湖泊的地理背景、污染历史和生态特征进行综合分析与实施。全球范围内的研究和实践表明,氮磷同时控制是解决富营养化问题的有效途径。然而,单一的控磷或控氮策略在某些情况下也可能发挥重要作用。因此,湖泊治理应采用因地制宜的多样化策略,结合控源截污、生态清淤、生态修复和长效管理等多方面措施,实现水质的持久改善。

综上所述,湖泊富营养化治理需基于科学理论和实际情况的综合分析,采取氮磷同时控制的策略,辅以多种综合治理措施。只有通过科学、系统和综合的治理方法,才能有效应对湖泊富营养化这一全球性环境挑战。


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