湖泊富营养化治理中的“氮磷之争”
民生
科学
2024-07-07 09:16
云南
湖沼学说（huzhaoxueshuo）——聚焦湖沼，分享科研成果，碰撞学术火花，4000+科技工作者订阅的微信号。点击『湖沼学说』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，学术界存在多种主要观点：一方主张只需控磷，另一方则认为氮磷需同时控制，亦有学者提出依赖N/P比率和季节变化等因素。控磷观点主要基于加拿大实验湖区（Experimental Lakes Area，ELA）长期实验结果。Schindler等人在1974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。从营养物的归趋而言，磷在水体中累积，而氮则可以通过反硝化作用从系统中逃逸。因此，控制磷的输入可以有效减少水体中可利用的营养物质，抑制藻类生长。此外，淡水生态系统中，磷常被认为是主要的限制因子，而在海洋生态系统中，氮则被认为是主要的限制因子【谢平，2007】。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。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。单独控磷的策略不仅无法在一些富营养化湖泊中发挥作用，还会导致大量的氮进入海湾和海洋，进一步恶化下游生态系统【Guildford & Hecky, 2000】。国际环境领域的研究表明，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。这些研究指出，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。N/P比学说以生态化学计量学与Liebig最小限制因子定律为指导，提出TN/TP比率（按质量计）用作潜在湖泊养分限制的指标。2000年，Guildford和Hecky的研究表明，如果N/P < 9，则氮是限制因子；如果9 ≤ N/P < 22.6，则氮磷共限制；如果N/P ≥ 22.6，则磷是限制因子【Guildford & Hecky, 2000】。这一理论为湖泊营养盐管理提供了一个科学量化的参考框架。虽然N/P比学说提供了一个理论框架，但实际应用中仍面临挑战。例如，外源和内源营养物质的动态变化、湖泊形态特征及季节性变化等因素均可能影响N/P比率的实际应用效果。因此，在具体治理实践中，还需结合其他生态和环境因素进行综合分析。一些研究者指出，藻类生长在不同季节受到不同限制因子的影响。在夏季，藻类生长主要受氮限制，而在春季则主要受磷限制。因此，有学者提出，湖泊治理应根据季节变化采取相应的控氮控磷策略。在春季优先控磷，在夏季则优先控氮，以更有效地抑制藻类生长和蓝藻水华的暴发【Ma et al., 2015】。中国太湖的治理实践表明，季节性控氮控磷策略在一定程度上改善了水质。在氮限制的夏季，优先控氮，有效减少了藻类生物量；在磷限制的春季，优先控磷，有效遏制了藻类的初期繁殖。然而，这一策略的实施需精确的营养盐监测和管理，增加了治理的复杂性。研究表明，湖泊的形态特征，特别是水深，对营养盐的限制作用有显著影响。在大多数湖泊中，浅水湖泊中氮限制为主导，而在深水湖泊中，磷限制占主导地位。在浅水湖泊中，氮限制的情况占66.2%，而在深水湖泊中，磷限制的情况占94.4%。这一发现表明，湖泊形态特征是影响营养盐限制因子的关键因素之一。基于湖泊形态特征的控磷控氮策略需结合具体湖泊的水深、底泥特性和水动力条件进行设计。例如，对于浅水湖泊，反硝化作用显著，可以通过控氮减少水体氮浓度；而对于深水湖泊，控磷策略则可能更为有效。综合考虑湖泊形态特征，可以更科学地制定控磷控氮策略，提升治理效果。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，ELA的226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。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案例的综合分析，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。看更多湖沼科技论文
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