虫子的悲哀 发表于 2012-5-31 17:00
大哥，有没有总结过后的，如PPT呀？
第一节 环境
一,环境
1. 环境的定义
围绕着某一有生命主体的外部世界称之为环境.
相对于人这一主体而言的外部世界,就是人类的生存环境.
《中华人民共和国环境保护法》明确指出;大气,水,土地,矿藏,森林,草原,野生动物,野生植物,水生生物,名胜古迹,风景游览区,温泉,疗养区,自然保护区等各种自然因素的总和.
2. 生物圈
生物圈可定义为地球上所有生物体的总和,也可定义为由生活在大气圈,水圈,岩石圈和土壤层(岩石圈的附属层)界面上的生物所构成的一个有生命的圈层.
根据生物分布幅度,生物圈上界可达海平面以上10km,下界达海平面以下12km.也就是说,在地球表面包裹了22km厚的一层生物圈.在这个广阔的自然界里,最活跃的是生物.
生活在生物圈某区域范围内某生物物种的所有个体总和被称为种群.在此范围内所有种群之和被称为群落.对某一确定种群来说,只能生活在变动幅度不大的环境条件下,但不同种群的生物可能在相差悬殊的环境条件下各自生活.
在考虑一个实际的环境系统时,自然环境和生物圈还是一个过于巨大的系统.比这更小的环境系统依次是区域环境,生境,小环境,微环境和内环境.
3. 区域环境
组成生物圈的各圈层是不均匀的,在物质的组成和分布方面有着很大差异,形成了彼此可相区别的各种各样区域,即为区域环境.
区域环境如湖,河,江海,沙漠,山地,平原以及热带,亚热带,温带和寒带等,都有各自突出的自然环境景观.
不同区域环境中生存着与环境相适应的动物,植物和微生物.
4. 小环境和微环境
指的是生物个体所占据生境的一个特定范围.
例如:居室是人们生活的小环境;根系表面的土壤环境,即为根系环境;叶片表面附近的大气环境及随温度,湿度变化所形成的小气候或微气候,就是植物的小环境.
微生物形体微小,其所处生境被称为微环境.
二,环境污染
1. 环境问题
环境问题——由自然因素或人为因素引起生态平衡破坏以至直接或间接影响人类生存和发展的各种情况.
环境污染——由于自然的或人为的原因,在原先处于正常状况的环境中附加了物质,能量或生物体,其数量或强度超过了环境的自净能力,使环境质量变差,并对人们的健康或环境中某些有价值物质产生有害影响者.
自然原因即是指火山爆发,森林火灾,地震,有机物的腐烂等.以火山爆发为例,活动性火山喷发出的气体中含有大量硫化氢,二氧化硫,三氧化硫,硫酸盐等,严重污染了当地的区域环境;从一次大规模的火山爆发中喷出的气溶胶(火山灰)有可能将其影响波及全球.首先,大量火山灰将遮蔽日光,使太阳光(能)反射,转回到宇宙空间,从而影响了那些必需要阳光的地球生物类的生长.另一方面,火山灰在地球表层形成一层薄膜,使地面上的各种形式能量无法散发,这如同二氧化碳造成的温室效应所起的作用一样.再则,大气中到处散满了火山灰,成为水滴的凝结核心,使雨云易于集结,造成某些地区降雨量"前所未有"地增多;由于地球表层进行循环的水量是大体恒定的,局部地区大雨经久,则必然造成另一些地区发生严重的干旱;有的地方大雨,有的地方大旱,这又扰乱了地球表层热能分布平衡状态,造成局部地区热流,另一些地区则产生寒潮.以上这些现象结合起来,就会严重影响人们正常生活,破坏农业生产,导致严重歉收.许多环境污染问题如同上述火山爆发情况一样,对于环境的质量能起"牵一发而动全身"的作用.
人为原因主要是指人类的生产活动,包括矿石开采和冶炼,化石燃料燃烧,人工合成新物质(如农药,化学<>药品)等.总的来说,由人为因素造成的环境问题可以分为四个方面:
①在资源开发过程中过度地向自然索取物质和能量(特别是化石燃料,矿物和木材等);
②在物质生产和日常生活过程中向环境释放出废物和废能(特别是化学<>污染物和辐射能);
③经济建设(如农村城市化,围湖造田,兴建水坝等)引起对环境干扰;
④人口增殖引起单位时间和空间中人类活动频度增多.
近代,随着人类社会进步,生产发展和人们生活的不断提高,同时也造成了严重的环境污染现象,如大气污染,水体污染,土壤污染,生物污染,噪声污染,农药污染和核污染等.特别在本世纪的50-60年代,污染已成为世界范围的严重社会公害,许多人因患公害病而受苦难或死亡,人们的健康受到环境污染的损害.环境污染已对人们生活和经济发展造成了严重危害.
研究证明,目前,一些"自然灾害"常由于人为因素的加入而增强.例如,因人们大量砍伐森林,破坏植被而增加了沙漠化,水土流失和水灾的强度等.
2. 环境污染概念图
3. 环境污染概念公式
环境污染造成的危害 = 自然因素或人类活动的冲击破坏 - 包括自净机能在内的自然界动态平衡恢复能力
4. 全球十大污染事件
1930 马斯河谷烟雾事件
比利时马斯河谷工业区.在这个狭窄的河谷里有炼油厂,金属厂,玻璃厂等许多工厂.12月1日到5日的几天里,河谷上空出现了很强的逆温层,致使13个大烟囱排出的烟尘无法扩散,大量有害气体积累在近地大气层,对人体造成严重伤害.一周内有60多人丧生,其中心脏病,肺病患者死亡率最高,许多牲畜死亡.这是本世纪最早记录的公害事件.
1943 洛杉矶光化学<>烟雾事件
夏季,美国西海岸的洛杉矶市.该市250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油.汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学<>反应,形成浅蓝色烟雾,使该市大多市民患了眼红,头疼病.后来人们称这种污染为光化学<>烟雾.1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学<>烟雾事件,前者有400多人因五官中毒,呼吸衰竭而死,后者使全市四分之三的人患病.
1948 多诺拉烟雾事件
美国的宾夕法尼亚州多诺拉城有许多大型炼铁厂,炼锌厂和硫酸厂.1948年10月26日清晨,大雾弥漫,受反气旋和逆温控制,工厂排出的有害气体扩散不出去,全城14000人中有6000人眼痛,喉咙痛,头痛胸闷,呕吐,腹泻.17人死亡.
1952 伦敦烟雾事件
自1952年以来,伦敦发生过12次大的烟雾事件,祸首是燃煤排放的粉尘和二氧化硫.烟雾逼迫所有飞机停飞,汽车白天开灯行驶,行人走路都困难,烟雾事件使呼吸疾病患者猛增.1952年12月那一次,5天内有4000多人死亡,两个月内又有8000多人死去.
1953 1956 水俣病事件
日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中含有汞,这些废水排入海湾后经过某些生物的转化,形成甲基汞.甲基汞在海水,底泥和鱼类中富集,又经过食物链使人中毒.当时,最先发病的是爱吃鱼的猫.中毒后的猫发疯痉挛,纷纷跳海自杀.没有几年,水俣地区连猫的踪影都不见了.1956年,出现了与猫的症状相似的病人.因为开始病因不清,所以用当地地名命名.1991年,日本环境厅公布的中毒病人仍有2248人,其中1004人死亡.
1955 1972 骨痛病事件
镉是人体不需要的元素.日本富山县的一些铅锌矿在采矿和冶炼中排放废水,废水在河流中积累了重金属"镉".人长期饮用这样的河水,食用浇灌含镉河水生产的稻谷,就会得"骨痛病".病人骨骼严重畸形,剧痛,身长缩短,骨脆易折.
1968 日本米糠油事件
先是几十万只鸡吃了有毒饲料后死亡.人们没深究毒的来源,继而在北九州一带有13000多人受害.这些鸡和人都是吃了含有多氯联苯的米糠油而遭难的.病人开始眼皮发肿,手掌出汗,全身起红疙瘩,接着肝功能下降,全身肌肉疼痛,咳嗽不止.这次事件曾使整个西日本陷入恐慌中.
1984 印度博帕尔事件
12月3日,美国联合碳化公司在印度博帕尔市的农药厂因管理混乱,操作不当,致使地下储罐内剧毒的甲基异氰酸脂因压力升高而爆炸外泄.45吨毒气形成一股浓密的烟雾,以每小时5000米的速度袭击了博帕尔市区.死亡近两万人,受害20多万人,5万人失明,孕妇流产或产下死婴,受害面积40平方公里,数千头牲畜被毒死.
1986 切尔诺贝利核泄漏事件
4月26日,位于乌克兰基辅市郊的切尔诺贝利核电站,由于管理不善和操作失误,4号反应堆爆炸起火,致使大量放射性物质泄漏.西欧各国及世界大部分地区都测到了核电站泄漏出的放射性物质.31人死亡,237人受到严重放射性伤害.而且在20年内,还将有3万人可能因此患上癌症.基辅市和基辅州的中小学生全被疏散到海滨,核电站周围的庄稼全被掩埋,少收2000万吨粮食,距电站7公里内的树木全部死亡,此后半个世纪内,10公里内不能耕作放牧,100公里内不能生产牛奶…… .这次核污染飘尘给邻国也带来严重灾难.这是世界上最严重的一次核污染.
1986 剧毒物污染莱茵河事件
11月1日,瑞士巴塞尔市桑多兹化工厂仓库失火,近30吨剧毒的硫化物,磷化物与含有水银的化工产品随灭火剂和水流入莱茵河.顺流而下150公里内,60多万条鱼被毒死,500公里以内河岸两侧的井水不能饮用,靠近河边的自来水厂关闭,啤酒厂停产.有毒物沉积在河底,将使莱茵河因此而"死亡"20年.
三,环境科学的发展
1.环境科学的研究对象
环境科学的研究对象是"人类一环境"系统.
研究领域不仅包括各种自然因素,而且包括一定的社会因素.
2.环境科学的显著特点
环境科学的显著特点是综合性强,环境科学主要是运用地学,生物学,化学<>,医学,工程学以及社会学,管理学,经济学,教育学,法学等多种学科的有关理论,技术和方法来研究环境问题,上述各学科向环境科学的渗透,逐渐形成了以生态学和地球化学<>为主要理论基础,由环境地学,环境生物学,环境物理学,环境化学<>,环境医学,环境教育学,环境法学等许多分支学科组成的环境科学体系.随着环境科学研究的深入,许多新的分支学科的出现,环境科学体系的不断完善,它的综合性特点将更加充分地显示出来.
3.环境科学的研究目的
环境科学的研究目的是:掌握自然规律,揭示人类与环境相互作用,相互促进,相互制约的辩证关系,正确地认识和预见人类"对自然界的惯常行程的干涉所引起的比较近或比较远的影响"协调和控制人类与环境间的物质能量交换过程,防治人类与环境关系的失调,创造适合于人类生存和发展的最佳环境.
4.环境科学的研究内容
环境科学的研究内容可以概括为四个方面:
全球范围内的环境演化规律的研究——地球的表面,气候,植物界,动物界以及人类本身都在不断地变化,而且这一切都同人的活动有关.在人类改造自然的过程中,为使环境向有利于人类的方向发展,避免向不利于人类的方向发展,研究环境变化的过程,包括环境的基本特征,环境结构的形式和演化的机理等是十分必要的.
环境质量基础理论的研究——环境质量基础理论是环境科学研究的主要课题.它的任务是探索人类活动引起的自然环境的变化及其影响.环境污染与破坏对人类和生物生存的影响的科学原理.其中包括:环境质量调查,环境自净能力研究,环境污染与破坏对人体和生物影响的过程和机理的研究等,目的在于为保护和改善人类生存环境,制定各项环境标准,控制污染物的排放量等提供科学依据.
环境质量控制与治理的研究——环境污染与破坏实质上是人类对自然资源开发利用不当或不充分的结果.环境质量控制与治理的研究主要是探索如何合理开发利用和保护自然资源的途径.目前,环境质量控制与治理的主要途径是:改革生产工艺,搞好资源的综合利用,研究无公害和少公害的工艺技术,尽量减少或不产生污染物质;对被污染的环境,着生治理和控制污染源,采取各种污染的处理净化技术,使环境恢复到自然良好状态;对污染环境的每个因素进行系统分析,寻求经济合理有效的控制方案,建立综合防治技术体系;研究自然界各环境因素的相互关系和自然资源的更新规律,合理开发利用和保护自然资源,预防环境的破坏等.
环境监测分析技术的研究——环境监测分析是开展环境科学研究的手段.进行环境监测分析技术的研究是为了全面,及时,准确地掌握环境污染的情况及其危害程度.目前采用的环境监测分析的技术有:定期,定点的间断性的人工和半自动化测定,生物监测,利用自动分析仪器建立自动化监测站等环境污染物质大多以痕量,超痕量存在,分布范围广,成分复杂并相互干扰和影响.因此,环境监测分析技术正向着分析测试方法标准化,监测技术连续自动化,数据处理计算机化的方向发展;同时积极研究状态,结构分析和生物监测技术;实行环境污染预报.
5.环境科学的研究方法
环境科学研究的主要方法是系统分析和系统工程的方法,此外还综合运用自然科学和社会科学的各种有关的方法.从环境科学的方法论方面而言,环境科学研究重视运用历史研究,现状研究与未来研究相结合的方法,微观研究与宏观研究相结合的方法,静态研究与动态研究相地合的方法,理论研究与应用研究相结合的方法等.随着环境科学的发展,其研究方法将不断丰富.
四,环境的可持续发展
1.零增长
人类是在与自然环境之间不断作用,不断协调的过程中发展的.原始时代人们对太阳,月亮顶礼膜拜,19-20世纪由于科学的迅速发展,人类开始骄傲地提出了"征服自然"的口号. 但严肃的环境污染现实迫使人们不得不冷静地思索.地球只有一个,污染没有国界;人和自然必需"和睦相处",才能持久发展.
当人类赖以生存和发展的环境遭受越来越严重破坏时,人们开始关注环境与发展的相互关系.1972年,以D.L.米都斯(Meadows)为首的由西方科学家所组成的"罗马俱乐部",面对人口激增,环境污染的严重现实,提出了名为"增长的极限"的著名报告.报告认为:如果目前的人口和资本仍以快速增长模式继续下去,世界就会面临一场"灾难性的崩溃".而避免这种前景的最好方法是限制增长,即"零增长".当然,也有另一种观点,认为人类的能力发展是无限的,人类所遇到的问题在技术发展中会不断地克服.
2.可持续发展
"零增长"方案,无论是对急需摆脱贫困的发展中国家,还是对仍想增加财富的发达国家,都是难以接受的.因此,更多的人在寻找和探索一种在环境和自然资源可承受基础上的发展模式.并提出了"协调发展","'有机增长' '同步发展'","全面发展"等许多设想.在此情况下1980年联合国向全世界呼吁:必须研究自然的,社会的,生态的,经济的,以及利用自然资源过程中的基本关系,确保全球持续发展.1987年由原挪威首相伦兰特夫人(G.H.Brunland)任首相主席的由21个国家的环境与发展问题著名专家组成的联和国世界环境与发展委员会(WECD),在其长篇调查报告《我们共同的未来》(our common future)中指出:"以前我们感到国家之间在经济方面联系的重要性,而现在我们则感到国在生态学方面相互依赖.生态和经济从来没有像现在这样紧密地联系在一个互为因果的网络之中."并正式提出了"可持续发展"(sustainable development)的概念.
"可持续发展"的定义有许多种表述,世界环境和发展委员会《我们共同的未来》中指出,可持续发展是既能满足当代人的需求,又不危及后代人满足其需求的发展.这个概念得到了广泛的接受和认可.并在1992年联合国环境与发展大会上得到了共识.
"可持续发展"概念的提出,是人类发展过程中,经历了许多经验和教训,经过反复讨论和反思后得到关于人类自身长期发展的战略.是人类对自然认识,科学技术,社会文明发展到现阶段的必然结果.
(1)可持续发展思想反映了当代人对自然环境关系的认识,从"人定胜天"和"人是自然的奴隶"两种极端思想中,认识到人和自然应该和谐相处,各种动物,植物都是人类的"朋友",只有这样人类自身才可能持续发展.
(2)人类社会的发展,不仅是物质消费的增长,而且包括经济,社会,文化,技术,生态,环境等许多因素,需要综合考虑.人类生活质量的提高,不能以破坏环境,耗竭资源为代价.而是应该在不超过维持生态系统涵容能力的前提下,改善生活质量.
(3)在享用自然资源方面,不同地区之间,国家之间以及当代人和后代人之间应该协调,公平,即"代间公平"和"代内公平".诚然,可持续发展不否定经济增长,特别对发展中国家,贫困与环境恶化往往是联系在一起的.但经济增长和发展必须以自然资源为基础,同环境承载能力相协调,同社会进步相适应.要实现可持续发展必需进行国际,国内协调,以国际公约,法律,法规引导和规范人们的行动.广泛的公众参与,也是实现可持续发展的基本保证.
第二节 水环境
一,水环境研究内容
1.世界水资源的分布
地球上水的总量约1.39×109km3,主要分布在海洋,约占总水量的97%,淡水约占2.5%,比例甚少,并且大约70%的淡水分布在冰川冻土中;存在于湖泊,河流,土壤和地下600米以内的含水层中的淡水仅占淡水总量的30%左右.这一部分淡水分布也不平衡.对人类有最大实用意义的水量资源是主要与降水量有关的江河径流和浅层地下水的淡水量.每年参与全球自然循环的水量平均约占总水量的0.031%,其中从海洋蒸发的水量每年约有36.1×104km3,其余是陆地的各种蒸发.海洋蒸发中的90%落回了海洋,10%漂流到陆地上空降落,在陆地形成地面径流与地下径流,淋溶岩石,土壤石汇聚成江河水,最终又流回大洋.形成了水的地球化学<>循环.
地球水资源分布
类 别 水 源 容量(立方公里) 百分比(%)
地表水 江河 1,200 0.0001
淡水湖 120,000 0.0090
盐湖与内海 100,000 0.0075
地下水 土壤水及结合水 66,000 0.0049
浅层地下水 400,000 0.2991
深层地下水 400,000 0.2991
冰川水 29,000,000 2.1685
大气水 13,000 0.0010
海洋水 1,300,000,000 97.2100
总 计 1,337,300,000 100
2.我国的水资源
我国水资源总量比较丰富,平均年降水量为6.19×1012m3,平均降水深648mm,平均河川径流量2.7×1012m3,合径流深284mm,约占全球径流总量的5.8%,居世界第6位.
我国人口众多,如按12亿人口计,人均占有年平均河川径流量2260m3,不足世界平均值的1/4,是美国人均占有量的1/6,前苏联的1/8,巴西的1/19和加拿大的1/58.我国耕地平均占有的河川年径流量也只有世界平均水平的80%.所以,从人均,亩均水资源数据看,我国水资源的供需矛盾突出.按照2000年6月8日中央电视台报导的水利部的通报,十年后,在中等干旱年,我国需水量为6988亿立方米,可能供水量为6670亿立方米,缺水318亿立方米,说明了未来十年左右,我国水资源短缺的情况.实际上从最近几年黄河断流,湖泊干涸,首都供水紧张,城市下沉的多项报道,已经表明水资源短缺对国计民生所引起的后果和对大西部开发的制约.
更有来自各方的对我们家园的"紧急报告"表明,水质污染已经到了令人触目惊心的地步.这对水资源短缺的中国来讲,简直是雪上加霜.从洞庭湖,太湖到安徽的巢湖,云贵高原上的"明珠"滇池,一个又一个的大湖,普遍受到污染的危害.昔日光彩正在失去,有些湖泊已成了"无鱼区"和臭水湾.目前,长江承受了全国百分之四十的生活污水和工业污水,假如我们依然无动于衷,放任污水自流,长江,黄河的未来可想而知.
时空分布不均匀是我国水资源的另一个问题.年降水量基本呈现由东南沿海向西北内陆递减的趋势.东南沿海径流深为1200mm,而西北干旱地区小于50mm,甚至为0.南方人均河川径流可达3600m3,北方地区人均仅720m3,仅及南方人均的1/5,使我国北方农村,城市都严重缺水.为了解决我国北方缺水问题,酝酿研究了几十年的南水北调工程的东线工程已于2002年底开工.中线工程将于2003年底开工.东线工程竣工后可以解决京,津和华北地区的缺水问题.东,中,西三线调水工程都完成后,将形成我国水资源调配的网状结构,做到水资源的合理利用,减少资源浪费.但是我国的缺水状况不会根本改变,节约用水,建设节水工业,节水农业,节水的水产业仍是我国长期努力的目标. 在调水,节水的同时,还应该重视水资源的保护.保护有限的水资源不受污染,提高水资源的质量,减少水质型缺水现象的出现,是全国人民的长期任务.
二,水质
1.水质的定义
水质----水及其中所存在的各类物质所共同表现出来的综和特性
各种天然水系是工农业和生活用水的水源,还能借以发电和行舟等.作为一种资源来说,水质,水量和水能是度量水资源可利用价值的三个重要指标,而与水环境污染密切相关的则是水质指标.由于一般水体兼作汲取用水的水源和受纳废水的对象,且用水水源经常受到污染,废水排放前一般都要先经处理,所以用水和排水两者在水质方面有愈相接近的趋势,也存在着许多共通的水质指标.
2.水质指标系统
天然水(也兼及各种用水,废水)的水质指标,可分为物理,化学<>,生物,放射性四类.有些指标可直接用某一种杂质的浓度来表示其含量;有些指标则是利用某一类杂质的共同特性来间接反映其含量,如有机物杂质可用需氧量(化学<>需氧量,生物化学<>需氧量,总需氧量)作为综合指标(也被称之为非专一性指标).常用的水质指标有数十项,现将有关这些指标的意义列举如下:
Ⅰ 物理指标
温度
影响水的其他物理性质和生物,化学<>过程
臭和味
感官性指标,可借以判断某些杂质或有害成分存在与否
颜色
感官性指标,水中悬浮物,胶体或溶解类物质均可生色
浊度
由水中悬浮物或胶体状颗粒物质引起
透明度
与浊度意义相反,但二者同是反映水中杂质对透过光的阻碍程度
悬浮物
Ⅱ 化学<>指标
(A)非专一性指标
电导率
表示水样中可溶性电解质总量
pH
水样酸碱性
硬度
由可溶性钙盐和镁盐组成,引起用水管路中发生沉积和结垢
碱度
一般来源于水样中OH-,CO32-,HCO3-离子.关系到水中许多化学<>反应过程
无机酸度
源于工业酸性废水或矿井排水,有腐蚀作用
(B)无机物指标
铁
在不同条件下可呈Fe2+或胶粒Fe(OH)3状态,造成水有铁锈味和混浊,形成水垢,繁生铁细菌
锰
常以Mn2+形态存在,其很多化学<>行为与铁相似
铜
影响水的可饮用性,对金属管道有侵蚀作用
锌
很多化学<>行为与铜相似
钠
天然水中主要的易溶组分,对水质不发生重要影响
硅
多以H4SiO4形态普遍存在于天然水中,含量变化幅度大
有毒金属
常见的有镉,汞,铅,铬等,一般来源于工业废水
有毒准金属
常见的有砷,硒等,砷化物有剧毒,硒引起嗅感和味觉
氯化物
影响可饮用性,腐蚀金属表面
氟化物
饮水浓度控制在1mg/L可防止龋齿,高浓度时有腐蚀性
硫酸盐
水体缺氧条件下经微生物反硫化作用转化为有毒的H2S
硝酸盐氮
通过饮用水过量摄入婴幼儿体内时,可引起变性血红蛋白症
亚硝酸盐氮
是亚铁血红蛋白症的病原体,与仲胺类作用生成致癌的亚硝胺类化合物
氨氮
呈NH4+和NH3形态存在,NH3形态对鱼有危害,用Cl2处理水时可产生有毒的氯胺
磷酸盐
基本上有三种形态:正磷酸盐,聚磷酸盐和有机键合的磷酸盐,是生命必须物质,可引起水体富营养化问题
氰化物
剧毒,进入生物体后破坏高铁细胞色素氧化酶的正常作用,致使组织缺氧窒息
(C)非专一性有机物指标
生物化学<>需氧量(BOD)
水体通过微生物作用发生自然净化的能力标度.废水生物处理效果标度
化学<>需氧量(COD)
有机污染物浓度指标
高锰酸盐指数
易氧化有机污染物及还原性无机物的浓度指标
总需氧量(TOD)
近于理论耗氧量值
总有机碳(TOC)
近于理论有机碳量值
酚类
多数酚化合物对人体毒性不大,但有臭味(特别是氯化过的水),影响可饮用性
洗涤剂
仅有轻微毒性,有发泡性
石油类
影响空气-水界面间氧的交换,被微生物降解时耗氧,使水质恶化
(D)溶解性气体
氧气
为大多数高等水生生物呼吸所需,腐蚀金属,水体中缺氧时又会产生有害的CH4,H2S等
二氧化碳
大多数天然水系中碳酸体系的组成物
Ⅲ 生物指标
细菌总数
对饮用水进行卫生学评价时的依据
大肠菌群
水体被粪便污染程度的指标
藻类
水体营养状态指标
Ⅳ 放射性指标
总α,总β,铀,镭,钍等
生物体受过量辐照时(特别是内照射)可引起各种放射病或烧伤等
我国主要水质标准
地表水环境质量标准(GB3838-2002)
海水水质标准(GB 3097-1997)
生活饮用水卫生规范(CJ 3020-93)
渔业水质标准(GBll607-89)
农田灌溉水质标准(GB5084-92)
污水综合排放标准(GB8978-1996)
第三节 养殖水化学
一,养殖水化学与水生生物
1.水化学与水生生物的一般关系
地球上的一切生物都需要水。水是生物体内的主要组成要素，水栖植物体含水量达95%上，陆栖动物体内含水量达50-75%。生物体内的生物化学反应总是在体内的水溶液中以酶为催化剂缓慢进行的，而植物的光合作用就是在光照和叶绿素的作用下由水与二氧化碳合成碳水化合物的过程。水是水栖生物的生活环境，也为陆栖生物提供良好的栖息条件，地球上原始的生命孕育于原始的海洋中。
水生生物的生长还有赖于水中所溶解的各种复杂的成分，包括无机离子，有机物和气体。没有这些物质，生物也是不能在水中生存的。在这方面，天然水可以和土壤相比拟。土壤的肥瘠决定于其中营养物质含量的多少。同样，在天然水体中没有这些营养物质，水体中将不会有生命存在，天然水体中营养物质的含量是水体初级生产力的决定因素。
水生生物的生命过程和生命结束后残骸的腐解过程都与水中溶解氧的存在与行为有着密切的关系。光合作用产生氧，而呼吸作用和氧化作用消耗溶解氧。当水体中溶解氧被耗尽时，硫酸盐的还原和有机体的厌氧分解产生的硫化氢等，将危害厌氧生物以外的其它生物的生存。
二氧化碳体系是天然水体中重要的平衡体系，它不但涉及到气象地质和水文学方面的学科，而且与各种水质系的生态学密切相关。溶解二氧化碳为自养生物合成有机体提供碳源。二氧化碳平衡系统在很大程度上控制水体的pH值，而许多水生生物在整个生命过程对水质pH值的变化极为敏感.所以水体中二氧化碳体系是形成和保持生物生存的稳定环境的重要因素.
天然水体中含有成分极为复杂的有机化合物.尽管通常情况下其含量很低,但它在地球化学以及水产生物增养殖的研究中越来越引起人们的重视.近年来许多研究结果表明,水中溶解的天然有机物与水生生物的生长繁殖有着密切的关系,在某些环境条件下,甚至成为局部水域生产力的重要限制因素之一.
当前环境污染与环境保护以成为世界性的重大课题.其中水质环境的污染和保护是一个最为突出的问题,尤其是海洋已变成了石油,农药,重金属以及放射性废物的"纳污池".由于局部海域,特别是近岸海区的污染,导致海产动植物的生长繁殖遭到极大的危害,影响了近海水产资源的开发和利用.有些海区曾发现具有油臭味的鱼,绿色的牡蛎,烂斑的海带和毒物含量超过食用标准的鱼贝类.这样的海产品将会危及人类的健康.水质环境的污染和保护已收到水产工作者和社会的广泛重视.
总之,水化学与水生生物的生长繁殖有着极为密切的关系.在从事天然水域(包括海水及淡水水域)水产生物增养殖的研究和生产的过程中必须密切注意水质系的水质动态.如果水质条件不能满足水产生物生命活动的各个阶段的需要,或者超出他们是应得范围,即使有好的品种和充足的饵料,水产生物仍然不能正常生长,还可能导致养殖生物的大批死亡,渔场荒废,甚至积累毒物,危害人体健康.因此在水产生物养殖整个过程中的水质改良和管理,包括苗种的培育,个体的养成,饵料生物的培养以及水质污染的监测等各种环节,水化学<>基本理论的指导作用和水质化学<>动态的研究,都是十分重要的.
2.水化学与水产养殖生产
一个地区水产养殖业的发展,不能超越水域环境的自净能力,即环境承载能力.过度的发展,养殖废水无任何处理地向自然水体,包括海域排放,将加速水域富营养化,恶化水质,引起病害传播.我国对虾养殖业的兴起与衰落的历史,就是惨痛的教训.
水产养殖的稳产高产离不开养殖水环境的调控.水质的好坏直接影响到水产品的产量与质量.许多水产科学工作者为避开海上病毒传播的危害,努力开发人工海水育苗和地下咸水(井盐水)育苗.此时,合理配兑育苗用水的化学成分是育苗成功的关键.滨海地区,干旱地区的盐碱涝洼地渔业开发利用,也涉及许多水环境化学问题.这些都要求我们水产养殖科技工作者具备必要的水环境化学基本理论知识和技能.缺乏这方面的知识,研究工作可能走弯路,生产管理可能带有盲目性,容易因管理失当给生产带来重大损失.这一方面的教训事例是很多的,下面是几个比较典型的例子.
1.盲目施用氮肥造成氨中毒,使全池种鱼死亡.东北某鱼种场用铵态氮和过磷酸钙化肥肥水培养白鲢亲鱼,发现肥水效果很好.施肥后浮游植物大量繁殖,水色很快转好.这时,鱼种场技术人员在未作水质化验的情况下,又连续施了两次氮肥,造成全池种鱼中毒死亡.死亡原因是铵态氮肥过剩与浮游植物发展过快,造成pH升高,由铵态氮在高pH条件下的毒性使鱼致死.生产上类似的例子常有发生.
2.杀灭浮游动物引起气泡病,造成夏花鱼苗的大批死亡.辽宁某鱼种场有一水花发塘池,水色日益变淡,溶氧降低,人工连续数日往池中投放大粪,未见好转,溶氧日益紧张,后发现是水中浮游动物太多造成,立即用敌百虫杀灭,水色就迅速变绿,溶氧大幅度上升.施放敌百虫后第三天下午溶氧达20mg/L以上.池中鱼苗和蝌蚪均患气泡病,引起鱼苗大批死亡.问题出在浮游动物杀灭太彻底,浮游植物发展太快,造成溶氧极度过饱和,引起气泡病.
3.水质变坏后盲目大量投放鱼种造成损失.陕西某水库原水面1.2×107m2,后因连年干旱仅剩约4.3×106m2,库水含盐量及总碱度均逐年积累,致使水质已不适应花白鲢及鲤鱼生长.1982年前未做水质调查,每年仍向库中投放大量花白鲢和鲤鱼鱼种,9年共计投放的665万尾鱼种全部死亡,造成了不必要的损失.
此外,盲目施肥造成的浪费;北方鱼类越冬中因水质处理或管理不善,致使全部死亡或成活率不高;养虾池中因水质未控制好,一夜之间就使全池对虾死亡,等等事例都常常发生.
3.养殖水化学在专业教学中的重要地位
鉴于水化学<>与水生生物之间的密切关系,养殖水化学<>成为水产养殖专业的专业基础课,它一方面为学生学习专业课程奠定基础,又要为学生将来从事水产养殖专业的生长和科研工作奠定基础.
二,养殖水化学的研究内容
<水化学>成分的动态规律:作为一个养殖科技人员,首先应了解天然水中有哪些成分,这些成分和水产养殖的关系,这些成分在水体中的分布及变化有何规律,养殖水体水质有何特点.这就要学习天然水与养殖水中常见的化学成分的来源,迁移,分布,变化.要将溶解,电离,氧化还原,络合,吸附等平衡原理用于研究水化学<>状态的成因及变化,就不可避免地要涉及到对水质产生影响的生物学,微生物学,生态学,地质学,地球化学等学科的知识.
水质控制方法:水产养殖专业人员学习水化学<>的重点应在管理和控制好水质,已达到稳产高产的目的.控制水质是养殖生产的重要任务,也是养殖技术的重要组成部分.水化学<>课程这部分内容的讲授将限制在根据水化学动态规律对水质管理提出一般性意见,以避免与专业课重复.
水质监测技术:要研究水中的化学<>成分及其转化,要了解水质化学<>状况以指导生产,都需要进行水质检测.选择准确,简便,快速的监测方法是水质分析工作者的研究方向.水产养殖工作者一般不会去研究和改进监测方法,但常常需要亲自做一些监测工作,这都需要掌握必要的水质监测知识和技术.
第二章 水环境基本理论
第一节 天然水的化学<>组成
一,天然水的组成与特征
1.纯水的结构与异常特性
水是最常见的物质,但它有许多异常特性.也正是由于这些特性,才使水在自然界和人类生活中普遍发生巨大作用,成为支配自然和人类环境中各种现象的主要因素.要研究水及其中杂质共同表现的水质特性,需先深入了解水本身的特性.
水的异常性质及其意义
性 质 特点 意 义
状 态 一般为液态 提供生命介质,流动性
热 容 非常大 良好的传热介质,调节环境和有机体的温度
熔解热 非常大 使水处于稳定的液态,调节水温
蒸发热 非常大 对水蒸气的大气物理性质有重要意义,调节水温
密 度 4℃时极大 水体冰冻始于表面,控制水体中温度分布,保护水生生物
表面张力 非常大 生理学控制因素,控制液滴等表面现象
介电常数 非常大 高度溶解离子性物质并使其电离
水 合 非常广泛 对污染物是良好溶剂和载带体,改变溶质生物化学<>性质
离 解 非常少 提供中性介质
透明度 大 透过可见光和长波段紫外线,在水体深处可发生光合作用
水的特性与水的分子结构相关.水分子中的氧原子受到四个电子对包围,其中两电子对与两个氢原子共享,形成两个共价键;另外两对是氧原子本身所持有的孤对电子.四个电子对间由于带负电而互相排斥,使它们有呈四面体结构的倾向,但因孤对电子占据的空间较小,与共享电子对相比具有更大的斥力,因此使H—O—H键角由109.5°(几何正四面体)缩减到104.5°.
氧原子具有比氢原子大得多的电负性,所以水分子中的电子对趋向于氧而偏离氢,于是就在两个孤对电子上集中了更多负电荷,使水分子成为具有很大偶极矩的极性分子.这样的一个水分子就有可能通过正,负电间静电引力与邻近的四个水分子以氢键相联系.分子间氢键力大小为18.81kJ/mol,约为O—H共价键的1/20,冰溶化成水或水挥发成水汽,都首先需要外界供能破坏这些氢键.
当冰开始熔化成水时,冰的疏松的三维氢键结构中约有15%氢键断裂,晶体结构崩溃,体积缩小而密度增大.如果有更多热能输入体系,将引起下述两方面的作用:
①更多氢键破裂,结构进一步分崩离析,密度进一步增大;
②体系温度升高,分子动能增加,由于分子振动加剧,而每一分子占据更大体积空间,所以这一因素又使密度趋于减小.
上述两因素随温度升高而相互消长的结果,使淡水在3.98℃时有最大密度.这种情况对水生生物越冬生活具有特别重要意义.
2.天然水的化学<>组成
按不同组分含量与性质的差异,以及与水生生物的关系可以把天然水的化学<>成分分为六类:即常量元素,溶解气体,营养元素,有机物质,微量元素以及有毒物质.
常量成分——又称为主要离子,恒量元素,保守成分.淡水中的八大离子主要有K+,Na+,Ca2+,Mg2+,HCO3-,CO32-,SO42-,Cl-;海水中主要有Na+,Mg2+,Ca2+,K+,Sr2+,Cl-,SO42-,HCO3-(CO32-),Br-,H3BO3,F-.
常量成分在水中含量高,性质稳定:海水中常量成分占海水中溶解盐类的99.8%～99.9%,而且它们在海水中含量的大小有一定的顺序,其比例几乎不变;
淡水中常量成分占水体溶解盐类总量的90%以上;
常量成分是决定天然水体物理化学<>特性的最重要因素:如CO32-,HCO3-对维持水体的pH具有重要的意义.常量成分在水中以多种形态存在,如海水中常量成分多以自由离子或离子对存在,少量以络离子存在.
溶解气体——天然水中溶有大气中所含有的各种气体,除了N2,O2,CO2外,还有惰性气体He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn也都能在水体中找到.海水中也含有少量H2,在水交换较差的湖底及某些海区或孤立的海盆中有时也有游离的H2S存在.对于部分受污染地区,水中可能还溶有该地区的污染气体(如硫氧化物,氮氧化物等).溶解气体的含量与水的温度,水中动物代谢活动有关;其含量有明显的昼夜,季节,周年变化特点和显著的水层差异.
营养元素——主要包括与水生生物生长有关的一些元素,如N,P,Si等.营养元素多以复杂的离子形式或以有机物的形式存在于水体中.营养元素在水体中含量通常较低,受生物影响较大,有时又称为"非保守成分"或"生物制约元素".
有机物——水体中的有机物可分为颗粒态有机物和溶解态有机物两大类.有机物在水体中的含量较低,通常是无机成分的万分之一,一般1升水中仅几毫克;有机物成分复杂,种类繁多.包括糖类,脂肪,蛋白质及降解有机物等;有机物对水质及水生生物有着多方面错综复杂的影响,适量有机物的存在是使水质维持一定肥力的重要条件,而过量有机物的存在将会使水质恶化,鱼病蔓延.
微量元素等其它组成——除了常量元素和营养元素以外的其他元素(如同位素等),都包括在这一类中.微量元素种类繁多,总量却非常少,仅占总含盐量的0.1%左右;微量元素中的Fe,Mn,Cu等与生物的生长有着密切的关系,称为"微量营养元素".
有毒物质——天然水中的有毒物质,按其来源或产生方式的不同大体可分为两类:一类是来自工农业生产以及日常生活排放的废物,即所谓污染物质,主要包括有机物,油类,农药及重金属离子等等;另一类是指由于水体内部物质循环失调而生成并积累的毒物,如硫化氢,氨,低级胺类,高浓度CO2及赤潮生物的有毒分泌物等.有毒物质在浓度较低时就会对水生生物产生毒性作用,并破坏生态系统的平衡;其毒性的大小与该物质的存在形式有关,并受到多中水体物理化学<>性质的影响.
3.天然水的主要化学特性
天然水是一个多组分,多相的混合体系,具有多重化学特性,概括起来约有十点:
天然水是一个多组分,多相的运动变化着的混合体系——水中的溶存物质种类繁多,数量相差悬殊;溶存物质的存在形式多种多样,仅就粒径而言,大小相差可达六个数量级以上,小的仅有几个毫微米,以真溶液存在,大的在数百微米以上,构成多相分散体系;水中的元素及其化合物参与化学,物理反应,诸如氧化还原,沉淀溶解,吸附解析等,不断改变着其存在形态及其不同形态的量.
不同形态的天然水含盐量悬殊,通常海水的含盐量约是淡水的35倍——世界河水含盐量平均只有120mg/L左右,世界海水总含盐量约为34.30g/L,不同水的含盐量相差十分悬殊.
天然水都具有一定的酸碱性——淡水水体一般都是中性偏弱碱性,海水都是弱碱性.水的酸碱性受到水中生物光合作用,呼吸作用的影响,浮游植物进行光合作用,可使水体pH上升.水的酸碱性还受到环境污染物质等的影响.
天然水都具有一定的缓冲能力——与所有的天然水体一样,渔业水体都具有一定的缓冲能力,能够在一定程度上抵御外来酸碱物质对pH的影响,保持自身pH的稳定性.
天然水都具有一定的硬度和碱度——硬度和碱度是天然水体两个重要的化学指标,碱度的组成及大小,有明显的周日变化及垂直分布不均一现象,并与pH,O2,CO2等水化因子有明显的相关性.渔业水体必须保证具有一定的碱度和硬度才能维持水体较为合适的生产力.
天然水都具有一定的氧化还原能力——渔业水体的氧化还原能力主要与水中溶解氧的含量有关.表层水中,溶解氧较为丰富,水中的变价元素多以高价形式存在.而在底层水中,溶解氧含量较低,在厌氧微生物等的作用下,变价多以低价态形式存在.
天然水都具有水生生物生长所需的营养元素——水中植物,特别是浮游植物的光合作用,是水中有机食物的真正生产者,是其他水生生物存在和发展的基础.在温度,光照等条件适宜时,水体初级生产的速率及产量,受水中植物营养元素供应情况的限制.
天然水都具有水生生物呼吸作用所需的O2和光合作用所需的二氧化碳CO2.
天然水都具有一定的自净能力——在自然条件下,一方面由于生物代谢废物等异物的侵入,积累导致水体经常遭受污染;另一方面,水体的物理,化学及生物作用,又可将这些有害异物分解转化,降低以至消除其毒性,使受到污染的水体恢复正常机能,这一过程称为水体的"自净作用".
海水常量成分具有恒定性的特点——海水的总含盐量或盐度是可变的,但常量成分浓度间的比值几乎保持恒定.
二,海水常量成分
1.海水常量成分恒定性原理
定义——海水的总含盐量或盐度是可变的,但常量成分浓度之间的比值几乎保持恒定."海水常量成分恒定性原理"又称为"主要成分恒比关系原理","海水组成的恒定性原理","Marcet原理"和"Dittmar定律".
海水中常量成份的含量
常量成分 含 量(g/kg) 氯度比值 盐度比值 含量/(mol/kg)
Cl- 18.9799 0.99894 0.55296 0.5353
1/2SO42- 2.6488 0.1394 0.07717 0.0551
HCO3- 0.1397 0.00735 0.00407 0.0023
Br- 0.0646 0.00340 0.00188 0.0008
F- 0.0013 0.00007 0.000038 0.0002
H3BO3 0.0260 0.00137 0.000757 -
总计 0.5936
Na+ 10.556 0.5556 0.30754 0.4590
1/2Mg2+ 1.272 0.06695 0.03706 0.1046
1/2Ca2+ 0.4001 0.02106 0.01166 0.0200
K+ 0.3800 0.02000 0.01107 0.0097
1/2Sr2+ 0.0133 0.00073 0.00039 0.0003
总计 0.5936
*总含盐量=34.81g/L,C l =19.00(×10-3),S=34.324
常量成分恒定性原理的发现——1819年Marcet在分析了北冰洋,大西洋,地中海,黑海,波罗的海,中国海和白海等多处海水水样后,提出了"全世界一切海水水样,都含有同样种类的成分,这些成分之间只有盐含量总值不同的区别".Dittmar 从"H.M.S.Challenger"号调查船在环球航行所采集的77个水样分析中也证实了Marcet结论的正确性.
Marcet 原理所提出的海水常量成分浓度之间的比值只是几乎保持恒定并非绝对恒定.
若干常量元素在垂直方向上因为压力效应,氯度比值会有所变化.例如Cox发现Ca/Cl比值随海水深度的增加而有所增大;
河口滨海区常量成分浓度之间的相关性有别于大洋水;
海水主要离子中的HCO3-及碱度的恒定性比较关,这是历为该成份本身含量较小(与Ca2+及硬度比),受生物作用影响较大:表层海水因光合作用吸收CO2,使HCO3-及碱度降低,深层海水利用有机物的分解产生CO2使CaCO3溶解,HCO3-及碱度含量较高.对海水中的微量成分,包括氮,磷营养元素的含量,"恒定性原理"不适用,对于海水的溶氧也不适用.
河口区的海水常量成分的相关性
河口区海水常量成分与大洋水一致,但各成分之间不具备恒定性关系的特点.也就是说,在受大陆径流影响较大的河口滨海区,不但海水受到程度不等的冲淡,而且水化学<>成分的恒比关系也遭到显著的影响.养殖生产中,有必要对河口区育苗和养殖用水的配方进行特定的研究.
例如,晋江河口区主要化学<>成分及总含盐量的氯度比值随着混合系数r(r = Wr /Wm,Wr与Wm分别表示参与混合的河水和海水的重量)的不断增大,各主要成分的氯度比值均有不同程度的增高.显然这是河口区在通常的水文条件下可能出现的一般规律,但其变化程度随河口区及季节不同而有所差异.因此在水文学上常常利用主要成分间比值的变化研究海水与河水的混合过程.
5. 活度与活度系数
(1)天然水的离子强度
由于天然水中溶存着多种主要离子成分,使天然水成为一种强电解质溶液.在强电解质溶液中,阴阳离子共存,其中带同号电荷的离子之间存在着互斥作用,带异号电荷的离子间存在着互吸作用.在静电作用力的影响下,处于不停热运动状态的阴阳离子中,阳离子的周围阴离子出现的几率较大,阴离子周围阳离子出现的几率较大.这样对于每一个中心离子(溶液中的任何离子都可以被当作中心离子)表观上被异号离子所包围,形成了离子氛.离子氛中总的剩余电荷等于中心离子的电荷,使溶液保持电中性.
在溶液中,中心离子的运动必然会受到其周围离子氛中异号离子的吸引,使它的运动受到牵制.实际研究发现:对这种牵制作用产生影响的包括溶液中各种离子的浓度以及它们各自的离子价,即牵制作用与溶液中全部离子电荷所形成的静电场的强度有关.根据这一特性,提出了电解质溶液离子强度(I)的概念,在实际应用中多采用经验公式:
I=2.5×10-5{ST} mg/L
式中{ST}表示天然淡水的总含盐量(以mg.L-1为单位)的数值.海水的离子强度较高.
若将海水中各种主要离子成分的浓度和离子价代入离子强度的定义式计算,所得的数值与经验公式:
I=0.0206S
I=0.0193S
式中S为盐度.实际的离子强度比未考虑离子缔合作用的计算结果为低.
在 团头鲂>鲢鱼;海水鱼在盐度过低的水中会死亡.但有一类广盐性生物,对渗透压的调节能力很强,经过驯化,本来生长在淡水的种类可以在海水中生长,例如罗非鱼;本来生活在海水中的,可以在接近淡水的水中生长,例如花鲈,美国红鱼,中国对虾等.而河蟹则要在海水中产卵,孵化,发育,到大眼幼体后,到淡水中变成仔蟹,生长,成熟.
黎道丰等(2000)通过对内陆15个盐碱度不同的典型水体中鱼类区系结构和主要经济鱼类生长的比较和分析表明,鱼类的区系结构,种类数量和生长速度与水体盐碱度的高低有着密切关系,盐碱度高的水体其鱼类土著的种类数较少,生长速度较慢.
(2)生物的不同生长阶段的耐盐性不同
不同的鱼类或同一种鱼类的不同生长阶段所能适应的含盐量的范围是不同的,即耐盐限度不同.例如,鲢,鳙鱼苗的耐盐上限为2.5g/L左右;夏花鱼种为3.0g/L左右;鲢鱼的仔鱼期为5-6g/L,成鱼约为8-10g/L,草鱼耐盐性较鲢鱼强,草鱼的仔鱼期耐盐上限为6-8g/L,成鱼为10-12g/L;鳟鱼成鱼的耐盐限度可达30g/L.
海水贝类的不同发育阶段对盐度的适应性也有所不同,例如海湾扇贝D形幼虫生长的适应盐度范围为22-33,变态最佳盐度为21-37.对虾育苗对海水盐度也有一定要求,据臧维玲等(2002)研究,日本对虾幼体最适盐度范围为10.2-26.9,盐度20.3时增长率与增重率最大.中华绒螯蟹育苗的适宜盐度为12-29,过高过低也都使出苗率迅速下降.
(3)生物的耐盐性与其它环境因子有关
耐盐性与pH
臧维玲等(1989)研究了鲢,鳙鱼类对盐度的适应上限,结果发现其耐盐性与水的pH值有关,随着pH值的增大而降低,并提出了鲢,鳙鱼种对高盐量的24h半致死浓度24hLC50随pH下降的回归方程为:
鲢 24hLC50=39.75-3.78pH ,n=8 ,r=0.999
鳙 24hLC50=49.25-4.78pH ,n=8 ,r=0.983
pH值为8.00时鲢,鳙鱼种对盐度的96hTL m 值分别为6.50与9.06.
耐盐性与盐分组成
鱼的耐盐限度同盐分的组成有关.例如含HCO3-,CO32-较多,含K+较多的水,有许多种类的生物盐度耐受极限将显著降低,许多耐盐试验是用低盐海水或淡水添加NaCl进行的,这些试验结果不能随意推广应用到HCO3-,CO32-及K+含量高的半咸水.对这类水的适宜养殖品种也应通过试验确定.
二,天然水的化学分类法
1.按含盐量的分类
(1)原苏联学者O·A·阿列金的分类法
淡水 矿化度50g/L
把淡水的范围确定在1 g/L是基于人的味觉.当离子总量高于1g/L时,大多数人可以感到咸味;微咸水与具有海水盐度的水的分界线定在25g/L,是根据在这种含盐量时,水的冰点温度与最大密度时的温度相同;具有海水盐度的水与盐水的界线乃根据在海水中尚未见到过高于50g/L的情况,只有盐湖水和强盐化的地下水才能超过此含盐量.
(2)美国(1970)所采用的分类法
淡水 0-1g/L
微咸水 1-10g/L
咸水 10-100g/L
盐水 >100g/L
(3)湖沼学与生态学中常用的分类法
淡水 0.01-0.5g/L
寡混盐水 0.5-5g/L
中混盐水 5-18g/L
多混盐水 18-30g/L
真盐水 30-40g/L
超盐水 >40g/L
(其中0.01-0.2 g/L称为缺盐水体;30-40g/L为世界海洋平均盐幅)
2.按主要离子成分的分类(阿列金分类法)
(1)分类——根据含量最多的阴离子将水分为三类:碳酸盐类,硫酸盐类和氯化物类.含量的多少是以单位电荷离子为基本单元的物质的量浓度进行比较,并将HCO3-与 CO32-合并为一类.各类符号分别为:C—碳酸盐类,S—硫酸盐类,Cl—氯化物类.
(2)分组——根据含量最多的阳离子将水分为三组:钙组,镁组与钠组.在分组时将K+与Na+合并为钠组,以 Ca2+, Mg2+及Na+(K+)为基本单元的物质的量浓度进行比较.各组符号分别为:Ca—钙组,Mg—镁组,Na—钠组.
(3)分型——根据阴阳离子含量的比例关系将水分为四型:
Ⅰ型:[ ]+[ ]>[ ]+[ ]
Ⅱ型:[ ]+[ ]<[ ]+[ ][ ]+[ ]+[],或[ ] > [ ]
Ⅳ型:[ ] +[ ]=0
每组通常只有三型水,如下表所示:
类
碳酸盐类 C
硫酸盐类 S
氯化物类 Cl
组
钙组 Ca
镁组 Mg
钠组 Na
钙组 Ca
镁组 Mg
钠组 Na
钙组 Ca
镁组 Mg
钠组 Na
型
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅰ型水是弱矿化水,主要形成于含大量Na+与K+的火成岩地区,水中含有相当数量的NaHCO3成分(即主要含有Na+与HCO3-),在某些情况下也可能由Ca2+交换土壤和沉积物中的Na+而形成.此水型多半是低矿化度的.干旱半干旱地区的内陆湖,如果由Ⅰ型水特征很强的水所补给,有可能形成微咸水的苏打湖.
Ⅱ型水为混合起源水,其形成既与水和火成岩的作用有关,又与水和沉积岩的作用有关.多数低矿化(200mg·L-1以下)和中矿化(200-500mg·L-1)的河水,湖水和地下水属于这一类型.
Ⅲ型水也是混合起源的水,但一般具有很高的矿化度.在此条件下,由于离子交换作用使水的成分明显变化,通常是水中的Na+交换出土壤和沉积岩中的Ca2+和Mg2+.海水,受海水影响地区的水和许多具高矿化度的地下水属此类型.
Ⅳ型水的特点是不含HCO3-.酸型沼泽水,硫化矿床水和火山水属此型.在碳酸盐类水中不可能有Ⅳ型水,在硫酸盐与氯化物类的钙组和镁组中也不可能有Ⅰ型水,而硫酸盐与氯化物类的钠组一般没有Ⅳ型水.这样,天然水就分成如表1—3所示的27种类型.
(4)水的化学类型表示方法
分类符号的排列,先写"类","组"写在"类"的右上方,"型"则用罗马字标在"类"符号的右下方.如C 表示碳酸类钙组第Ⅱ型水.S 表示硫酸盐类钠组第Ⅲ型水.此外,有时还要标上矿化度或含盐量(精确至0.1g/L,写在型的右面)和总硬度(精确至0.1mmol/L,写在组的右面),如C ,表示含盐量为5.0 g/L,总硬度为0.4mg/L.
有时水中的阴离子或阳离子并不是一种离子独占优势,而是两种离子相差不多,当次要离子以单位电荷为基本单元的摩尔百分比(或称当量百分比)与主要离子的相差不超过5%时,则应在分类符号中将次要离子也标出.CS 表示碳酸盐硫酸盐类钙组Ⅱ型水,该水中SO42-含量仅次于HCO3-,且含量相差不大.
第三节 天然水环境主要物理性质
一,天然水的光学特性
1.水对太阳光的反射
一束太阳辐射,以一定入射角直接射到平静的水面后,一部分辐射被水面反射,反射角等于入射角.一部分光则沿折射角进入水体.被水面反射的太阳辐射与投影到水面的太阳辐射的比率称为反射率.反射率与入射角有关,入射角是光线与水平面的垂线间的夹角,也是太阳的天顶距.人们将太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角.据研究,平静水面对太阳直接辐射的反射率随太阳高度角的增大而降低,当太阳的高度角在30-80 以上时,反射率只有6.2-2.1%,太阳高度角在30 以下,反射率随太阳高度角的降低而迅速增加.
2.水对太阳光的吸收与散射
通过水面进入水中的太阳辐射,一部分被水及其中的物质吸收,一部分被散射,一部分继续向深处穿透.被吸收的辐射能,大部分被转变成热,使水温升高.被散射的部分,变为朝各方向传播的辐射,其中也有一部分辐射向水深处传播,并被第二次散射或吸收.
如果以 IL 表示在水中穿过光程L(米)后的某波长太阳辐射能,以 I0 表示穿过表面进入水中的该波长太阳辐射能,则可以用下列指数方程表示它们之间的关系:
IL = I0exp[-(m+K)L]
式中m和 K 分别是吸收和散射的系数,合称为衰减系数 μ .与水中所含物质有关,也与光的波长有关.
研究表明,太阳辐射中的红外线绝大部分被表层100cm水层吸收了.太阳辐射总能量的27%可被1cm水层吸收,64%被1m水层吸收,到100m深处的辐射能只及表层的1.4%左右.但可见光的穿透能力很强,到100m深处只剩下可见光了.
光合作用有效辐射主要是可见光部分的辐射.对可见光辐射在水中随深度的衰减可用下式表达:
IZ=I0exp[-(μW+μC+μP)Z]
式中Z为水深(m), I0 与 IZ 分别为进入水中表层和Z(米)深处的可见光辐照度,μ为衰减系数,下标w,c,p分别表示由纯水,溶解有机物质及悬浮物质形成的衰减系数.将上式取对数可得:
lgIZ=lgI0-0.4343(μW+μC+μP)Z
对一个既定水域, μW , μC 与 μP 可以视为常数.这样,上式 lgIZ 与 Z 呈线性关系.
3.透明度
——通常用来反映可见光在水中的衰减状况.透明度采用专门的透明度盘测定.透明度盘由采用黑白的油漆涂成黑白相间的金属圆盘制成,圆盘中央拴一根有深度标记的软绳(此绳应不易伸长).测定时将圆盘沉入水中,在不受阳光直射条件下,刚好看不到盘面白色时的深度,即为透明度.
清澈的海水与湖水,透明度可达十多米.透明度小的池水,透明度只有20-30cm,浑浊的黄河水,透明度只有1-2cm.一般认为在相当于透明度的深度处的照度,只有表层照度的15%左右.
4.补偿深度
——有机物的分解速率等于合成速率的水层深度称为补偿深度.粗略地说,补偿深度平均大约位于透明度的2-2.5倍深处.
——光照充足,光合作用速率大于呼吸作用速率的水层,称为真光层,又称营养生成层.在这水层中植物光合作用合成的有机物多于呼吸作用消耗的有机物,有机物的净合成大于零.
——光照不足,光合作用速率小于呼吸作用速率的水层,称为营养分解层.这一水层的植物不能正常生活,有机物的分解速率大于合成速率.
2.内陆水的电导率
对于同一类型淡水,在pH5-9范围内,电导率与离子总量大致成比例关系.1μS·cm-1相当于0.55-0.9mg·L-1;在一定温度范围内,电导率随温度的增高几乎也是线性增加,温度每增高1℃,电导率大约增加2.2%.一般电导率的测定以25℃为准,其他温度下测得的电导率需加以校正.
天然淡水的电导率变化于50-500μS·cm-1,高矿化度水体可达500-1000μS·cm-1以上.
据日本有关资料报道,日本河流水体的矿化度(包括非导电性的二氧化硅)约为76mg·L-1.电导率(18℃)为111.5μS·cm-1,即在18℃时,存在∑S(mg·L-1)=0.7k18.
不同类型的天然淡水,其离子组成有所差别,∑S与Kt的关系可由实验测得,所获经验关系式可通过kt的实验值间接估算∑S值.
3.海水的电导率
在一标准大气压下,在海洋的温度范围内,海水的电导率与盐度几乎成正比例增加.在相同盐度的情况下,0℃附近,温度每增加1℃,电导率增加3%;在20℃附近,温度每增加1℃,电导率增加2%.
电导率受压力的影响较小,在一般深海所受的压力范围内,电导率的增值在12%以下.
三,天然水的依数性
1.冰点
天然水的溶质组成复杂,冰点下降主要是水中溶解物质(包括离子和分子态)引起的.天然水的含盐量可以反映水中溶解物质的数量,所以与冰点下降之间存在一定的数量关系.海水的主要离子组成相对稳定.通过实验得到了海水在1标准大气压下冰点温度Tf与盐度S的经验公式:
{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2
式中Tf为冰点,S为实用盐度.在Tf—S 图中近似为一直线.
2.蒸气压
天然水的饱和蒸气压P比纯水低,它与盐度S有如下直线关系:
P=P0(1-0.000537S)
式中P0为纯水的饱和蒸气压,它与温度有关.根据上式,对于S为35的海水,P=0.98P0,即蒸气压约降低了2%.
3.渗透压
稀溶液的渗透压∏符合类似于气体状态方程形式
渗透压不容易直接测量,常常采用冰点下降数值来换算,或者直接用冰点下降值来反映渗透压的大小.海水的渗透压∏与盐度 S 的关系是:
{∏}KPa=69.55S+0.2546{t}℃·S
四,天然水的分层特点
1.水的冰点温度与最大密度时的温度
——海水在1标准大气压下冰点温度Tf与盐度S的经验公式:
{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2
——海水密度最大时的温度t最密是盐度的函数:
{t最密}℃=3.975-0.2168S+1.282 10-4S2
将这两个经验公式在温度盐度图上绘制成曲线后可以发现,两条曲线交于一点,即盐度24.695时,海水的冰点温度等于密度最大时的温度.当盐度小于24.695时,冰点温度低于密度最大时的温度;当盐度大于24.695时,冰点温度高于密度最大时的温度,从而导致这两种情况下海水结冰状况的不同.
2.水的流转混合作用
对于一般的湖泊池塘,引起水体流转混合的主要因素有两个方面,一是风力引起的涡动混合,一是因密度差引起的对流混合.
(1)风力的涡动混合
——水面受到风力的吹拂后,表面水会顺着风向移动,使水在下风岸处产生"堆积"现象,即造成下风岸处水位有所增高,此增高的水位就形成了使水向下运动的原动力,从而产生"风力环流".风力越大,涡动混合作用越强烈;水面开阔深度浅的水体,较易混合彻底.如果上层水的密度比下层水的密度低,风力把下层密度大的水提到上层来需要做功,上下密度差越大,水越深,风力使水混合所需做的功也越大.
(2)水的密度环流
——由密度引起的对流作用称为密度环流.水温在密度最大的温度以上时,温度升高会使水密度减少;温度降低则会使水密度增大,符合一般的"热胀冷缩"原理.如果水温在密度最大的温度以下,情况则反过来,水表现为"热缩冷胀".当表层水密度增大,或底层水密度减少时,都会出现"上重下轻"的状态,密度大的水要下沉,密度小的水要上升,这就形成了上下水团的对流混合.这种混合作用可以是在较小范围发生的上下对流,也可以是在较大范围发生的环流.水温在4℃以上,水面只有一部分太阳辐射升温时,也会形成密度环流.
水库及开放性湖泊,由于注水与排水作用,会引起大范围的水体运动.这种运动受水温,水的密度,湖盆形态等因素影响.注入水因密度不同,可能进入水体表层,也可能进入中层 ,底层或取其他运动状态.注入水所进入的水层是密度与其相同的水层.
(1)冬季的逆分层期
我国北方地区的湖泊,水库都可封冻,表面形成冰盖,冰盖下是接近冰点的水.水温随深度增加而缓慢升高,到底层水温可以达到或小于密度最大时的温度.对于淡水,紧贴冰下的水是0℃,底层水温可等于或小于4℃.
海水(盐度35 )的冰点为-1.9℃,密度最大温度低于冰点,结冰时上下水温都达到冰点,底层水温不会比表层高.盐度超过24.9的海水都是这种状况,只是冰点有所不同.
我国海南岛及广东,广西的一些地区,冬季水温可保持在4℃以上,就不存在水温的逆分布现象.
(2)春季全同温期
春季气温回升,大地转暖,太阳辐射使冰盖融化后,将使表层水温升高.水温在密度最大的温度以下时,温度的升高会使密度增大,表面温度较高的水就会下沉,下面温度较低的水就会上升,形成密度流.密度流使上下水对流交换,直到上下水温都是密度最大时的温度为止.此后,表层水温进一步上升,密度就会减小,不会产生密度流.如果此时有风的吹拂,可克服热阻力产生涡动混合,继续使上下水层混合,把上层得到的热量带到下层,水体仍可以继续处在上下温度基本一致的状态,这时称为春季的全同温期.春季的全同温可持续到8℃,10℃,甚至15℃以上,这决定于春季的风力大小,多风天气持续的时间,水的深度和湖盆的形状等.
盐度高于24.9的水,密度最大时的温度低于冰点.融化后,表面升温不会产生密度流,春季的全同温需靠风力的混合作用来维持.
春季的对流混合作用可把上层丰富的溶氧带到下层,把下层富含营养盐的水带到上层,对湖泊的初级生产及鱼类的生长都很有利.
(3)夏季正分层期
由于太阳辐射能量的绝大部分在表层约1m的水层被吸收,并且主要加热表面20cm的水层.如无对流混合作用,水中热量往下传播很慢夏季或春季如遇连续多天的无风晴天,就会使表层水温有较大的升高,这就增加了上下水混合的阻力.风力不足够大,只能使水在上层进行涡动混合.造成上层有一水温垂直变化不大的较高温水层,下层也有一水温垂直变化不大的较低温水层,两层中间夹有一温度随深度增加而迅速降低的水层,即温跃层.
温跃层一旦形成,就象一个屏障把上下水层隔开,使风力混合作用和密度对流作用都不能进行到底.夏季上层丰富的氧气不能传输到下层,下层丰富的营养盐也不能补充给上层.久而久之,富营养化水体下层可能出现缺氧.上层缺乏营养盐,对鱼类及饵料生物的生长均不利.温跃层形成以后,较大的风力可以使温跃层向下移动,较浅水体的温跃层就可能消失.
(4)秋季的全同温期
进入秋季,气温转凉,气温低于水温,表层水温要下降,密度增大,表层以下水温较高,密度较小,此时即发生密度环流.加上风力的混合作用,使温跃层以上的水层不断降温,直至温跃层消失,出现上下温度基本相同的秋季全同温状态.如果此时水温在4℃以上,表层水的进一步降温引起的密度环流可以进行到湖底,直到上下都为4℃为止.如再降温,只能发生在上层,直到表层结冰.如有风力参与,在深秋初冬时期,全同温则可以持续到4℃以下,比如2℃或1℃.秋季全同温,水体充分流转混合,上下可进行充分物质交换,对鱼类的越冬有利.
第三章 天然水的气—液溶解作用
第一节 气—液溶解基本理论
一,气体溶解的双膜理论
——在气,液界面两侧,分别存在相对稳定的气膜和液膜;即使气相,液相呈湍流状态,这两层膜内仍保持层流状态.无论如何扰动气体或液体,都不能将这两层膜消除,只能改变膜的厚度.气体主体内的分子溶入液体主体中的过程有以下4个步骤:
(1)靠湍流从气体主体内部到达气膜;
(2)靠扩散穿过气膜到达气—液界面,并溶于液相;
(3)靠扩散穿过液膜;
(4)靠湍流离开液膜进入液相内部.
气体分子在气相主体与液相主体中迁移时,靠的是湍流,运动速度快,混合均匀,可以认为在气相主体与液相主体中都不存在浓度梯度;而在气膜和液膜内只存在层流,气体分子只能靠扩散通过.通常易溶气体主要受气膜扩散限制,难溶气体主要受液膜扩散限制.
二,气体在水中的溶解度与饱和度
1.溶解度的定义
——在一定条件下,某气体在水中的溶解达到平衡以后,一定量的水中溶解气体的量,称为该气体在所指定条件下的溶解度.
一般用100g水中溶解气体的克数来表示易溶气体的溶解度,而用1L水中溶解气体的毫克数(或毫升数)来表示难溶气体的溶解度.
溶解度单位为ml/L或mg/L.两者之间的换算系数f=Mr/22.4(mg/ml),式中Mr为气体的相对分子质量.对于氧气f=1.429mg/ml,氮气f=1.251mg/ml.
二,气体在水中的溶解度与饱和度
2.影响气体溶解度的因素
(1)气体本身的性质
气体的溶解遵循相似相溶原理——极性分子气体在水中的溶解度大,非极性气体分子在水中的溶解度小.
能与水发生化学<>反应的气体溶解度大,不能与水发生化学<>反应的气体溶解度小.例如NH3,HCL在水中的溶解度很大,而N2,H2,O2在水中的溶解度很小.
(2)温度
温度升高可使气体在水中的溶解度降低,且温度在低温条件下变化对气体的溶解度影响显著.
(3)含盐量
当温度,压力一定时,水中含盐量增加,会使气体在水中的溶解度降低.这是因为随着含盐量的增加,离子对水的电缩作用(指离子吸引极性水分子,使水分子在其周围形成紧密排布的水合层的现象)加强,使水可溶解气体的空隙减少.因此,在相同温度和分压力下,气体在海水中的溶解度比在淡水中小得多.例如氧气在大洋海水中的溶解度大约只有在淡水中的80-82%.对于淡水而言,含盐量的变化幅度很小,对气体在水中的溶解度影响不大,一般不考虑含盐量的影响,而近似地采用在纯水中的溶解度值.
(4)气体分压力
在温度与含盐量一定时,气体在水中的溶解度随气体的分压增加而增加.对于难溶气体,当气体压力不是很大时,气体溶解度与其压力成正比,这就是享利定律.用公式表示为:
C = KS × P
式中:C——气体的溶解度;
P——达到溶解平衡时某气体在液面上的压力;
KS——气体吸收系数,其数值随气体的性质,温度,水的含盐量变化而变化,也与压力(P),溶解度(C)所采用的单位有关.
对同一种气体在同一温度下有
C1/C2=P1/P2
式中:C1----压力为P1时的溶解度;
C2----压力为P2时的溶解度.
对于混合气体中某组分气体在水中的溶解度,上述各式中的P则是指该组分气体的分压力,与混合气体的总压力无关.由几种气体组成的混合气体中组分B的分压力PB等于混合气体的总压力PT乘以气体B的分压系数,这就是道尔顿分压定律:
式中: VB——组分B在压力为PT时的分体积;
——所有气体分体积之和.
道尔顿分压定律和亨利定律,只有理想气体才能严格相符.对于不与水发生化学<>反应的真实气体,如N2,O2,CH4等,只要压力不是很大都可以用道尔顿分压定律和亨利定律进行有关计算.
3.气体的饱和含量与饱和度
(1)饱和含量
——在一定的溶解条件下(温度,分压力,水的含盐量)气体达到溶解平衡以后,1L水中所该气体的量.对于难溶气体饱和含量就等于溶解度.
(2)饱和度
——溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比,即:
气体饱和度 = (现存量/饱和含量)×100%
饱和度可以反映气体在水中溶解时所达到的饱和程度,判断气体是否达到溶解平衡及溶解趋向.
4.溶解氧饱和度的求算
溶解氧的饱和度=现场溶解氧的实测值/现场溶解氧的饱和含量x100%
三,气体溶解速度的影响因素
(1)气体的不饱和程度
水中气体含量与饱和含量相差越远,气体由气相溶于液相的速度就越快.如果用C来表示气体在水中的含量,Cs表示在该温度下对应于气相分压的气体溶解度(饱和含量),用单位时间内气体含量的增加来表示气体溶解速率,则有
dc/dt ∝ (Cs – C)
(2)水的单位体积表面积
在同样的不饱和程度下,单位体积表面积越大,溶解速度越快,即dc/dt与单位体积表面积(A/V)成正比.
dc/dt ∝ (A/V)
将以上两式合并,则有
dc/dt = Kg (A/V) (Cs – C)
式中Kg称气体迁移系数,与气体的性质,温度及扰动状况有关,单位cm/min.在这些条件一定时Kg是常数.
(3)扰动状况
增加液相内部的扰动作用,把已溶有较多气体靠近界面的水移向深部,把深处含溶解气体较少的水移向界面,可加快溶解速度.增加气相内部的扰动作用,也可以加快溶解速度.气,液两相内部扰动(不增加比界面积)在上式中的体现是Kg值增大.增加比界面积和Kg值,可以加快逼近饱和值.
扰动对加速气体向水中溶解有重要的意义.有人利用氧气的扩散性质做过一个有关的计算,当绝对没有扰动混合作用的静止的条件下,单纯靠分子扩散,在20℃,101325Pa大气压时,要将水深30.05cm处的溶氧从3mg/L升到4mg/L需要12天. 说明没有扰动,单纯靠分子扩散,氧气的溶解速度是很慢的.
Kg可以通过实验测定,但实验时要维持稳定的扰动方式,所得的数值也只能适用该种扰动方式下.Liss(1973)在离水面10cm高处风速分别为4.2和8.2m/s时,测得Kg值分别为0.05和0.02cm/min.Adeney(1928)利用使空气泡通过盛满淡水或海水的管道,测定氧气的吸收速率.发现Kg与温度t(℃)有如下关系:
Kg = 0.0096 (t + 36) (cm/min)
这一结果虽然不能用养殖池塘,但说明Kg随温度升高而增大.
第二节 溶解氧
一,增氧与耗氧作用
1.增氧作用
(1)空气中氧气的溶解
若没有风力或人为地搅动,空气溶解增氧速率很慢,远不能满足池塘对氧气的需求.缺氧时可开动增氧机.中午前后开动增氧机,不能促进氧气的溶解,只能加速水中溶氧的逸出,但能改善下午光合作用的产氧效率,从而改善晚上的溶氧状况.
空气中氧气溶解的速率与水中溶氧的不饱和程度成正比,还与水面扰动状况及单位体积的表面积有关,也就与风力和水深有关.氧气在水中的不饱和程度大,水面风力大和水较浅时,空气溶解的作用就大(见下表).
自然条件下通过单位界面由空气增氧的数量(g/m2·d-1)
小池 大湖 缓流的河川 大的河川 急流的河川
溶氧饱和度
100% 0 0 0 0 0
80% 0.3 1.0 1.3 1.9 3.1
60% 0.6 1.9 2.7 3.8 6.2
40% 0.9 2.9 4.0 5.8 9.3
20% 1.2 3.8 5.4 7.6 12.4
10% 1.5 4.8 6.7 9.6 15.5
(2)植物光合作用
水生植物进行光合作用释放氧气,是养鱼水体氧气的重要来源.
水生植物光合作用释放氧气,是池塘中氧气的主要来源.一般河流,湖泊表层水夏季光合作用产氧速率为0.5-10g/ m2·d-1.
光合作用产氧速率与光照条件,水温,水生植物种类和数量,营养元素供应情况等因素有关.
光合作用产氧速率与光照条件,水温,水生植物种类和数量,营养元素供给状况等因素有关.气温较高的夏季产氧速率较大,冬季温度较低产氧速率要低一些.如哈尔滨地区利用生物增氧的越冬池,冬季表层水光合作用产氧速率为0.21-12.45mg/ m2·d-1,平均2.34-2.11mg/ m2·d-1,仅为夏季的11-13%.
各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化.
各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化.浮游植物在过强光照射下会产生光抑制效应,表层光合作用速率反而不如次表层大,在晴天一般有光抑制现象,次表层水溶氧量最高,阴天则表层水为最高.适当数量的浮游植物,可增加水柱产氧速率,浮游植物生物量过高,透明度降低,植物自遮作用光照不足反而使产氧速率下降.
藻类进行光合作用的最终结果是合成藻体的有机质,浮游植物的平均元素组成可用(CH2O)106(NH3)16H3PO4来表示,光合作用的各元素的计量关系可用下式来反应:
106CO2 + 16NO-3 + HPO2-4 + 122H2O = (CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138O2
由此式可计算出浮游植物光合作用对P,N,C的需求及释放 O2的比例
P: N: P: O2 = 1:16:106:138 (摩尔比)
或 P: N: P: O2 = 1:7.2:41:142 (质量比)
由此式可以得出:浮游植物光合作用释放1mgO2产生有机碳的量为0.289mg,这对研究水体的初级生产力有重要的意义.
(3)补水与机械作用,化学试剂
补水可以补充氧气.
鱼池在补水的同时,可增加缺氧水体氧气的含量.在工厂化流水养鱼中补水补氧是氧气的主要来源.在非流水养鱼的池塘中,补水量较小,补水对鱼池的直接增氧作用不大.只有补充水中氧气含较高,池塘水中氧气缺乏时,补水增氧才具有明显的效果.冬季,北方越冬池注入井水一般不会起到增氧作用,因为地下水中通常氧气含量低于池塘.
增氧机补氧
化学<>增氧——借助一些化学<>制剂向水中供O2,如过氧化钙CaO2,活性沸石等.
过氧化钙CaO2——该物质为白色结晶粉末,与水发生化学<>反应CaO2 + H2O = Ca(OH)2 + O2释放出氧气.据研究,千克过氧化钙可产氧气77800ml ,在20℃纯水中可连续产氧200天以上,在鱼池内施用后1-2个月内均可不断放出氧气.一般每月施用一次即可,初次每亩用6-12kg,第二次以后可以减半.水质,底有机物负荷过高时,用量取高限,反之,则取低限.过氧化钙不仅能增氧而且可增加水体的碱度和硬度,提高pH,保持水体呈微碱性,絮凝有机物及胶粒.能够起到改良水质和底质的作用.
活性沸石——某些种类的活性沸石,施用于池塘时,每千克可带入空气100000毫升,相当于21000毫升氧气,它们均以微气泡放出,增氧效果较好,活性沸石也有吸附异物改良水质,底质的功效.此外过氧化氢,高锰酸钾在水中施用都有一定的增氧效果.
通常上述氧气的来源以光合作用为主.不同研究者对不同类型鱼池氧气来源进行了估算:
国外低产鱼池:光合作用89%,空气溶解7%,补水4%.
国内高产鱼池:光合作用61%,空气溶解39%(开增氧机导致空气溶解比例增大),补水增氧可忽略.
2.耗氧作用
(1)水呼吸——即水中微型生物耗氧,主要包括:浮游动物,浮游植物,细菌呼吸耗氧以及有机物在细菌参与下的分解耗氧.
这部分氧气的消耗与耗氧生物种类,个体大小,水温和水中机物的数量有关.据日本对养鳗池调查,在20.5-25.5℃时浮游动物耗氧的速率为721-932ml(O2)/kg·h;原生动物的耗氧速率为17×10-3-11×103ml(O2)/kg·h;浮游植物也需呼吸耗氧,只是白天其光合作用产氧量远大于本身的呼吸耗氧量.据研究,处于迅速生长的浮游植物,每天的呼吸耗氧量占其产氧量的10-20%;有机物耗氧主要决定于有机物的数量和有机物的种类(在常温下是否易于分解).
通常采用黑白瓶测定水呼吸的大小——将待测水样用虹吸法注入黑瓶及测氧瓶中,测氧瓶立即固定测定,黑瓶放入池塘取样水层,过一段时间后,取出黑瓶测定其溶氧.据前后两次测得溶氧量之差和在池塘中放的时间,就可以计算出每升水在24小时内所消耗氧气的量,此为水呼吸.可见水呼吸不仅包括浮游动物,浮游植物,细菌呼吸耗氧,有机物的分解耗氧,还包括水中的其它化学<>物质氧化对氧气的消耗量.
前苏联学者对十个湖泊水库的水呼吸组成研究指出:在水呼吸中浮游动物占5-34%,平均23.5%,浮游植物占4-32%,平均19.1%,细菌占44-73%,平均57.4%.可见细菌呼吸耗氧是水呼吸耗氧的主要组成部分.
(2)水生生物呼吸——主要是指鱼虾的呼吸.
鱼虾的呼吸好氧速率随鱼虾种类,个体大小,发育阶段,水温等因素而变化.鱼虾的耗氧量(以每尾鱼每小时消耗氧气毫克数计)随个体的增大而增加;而耗氧率(以单位时间内消耗氧气的毫克数计)随个体的增大而减小;活动性强的鱼耗氧率较大;在适宜的温度范围内,水温升高,鱼虾耗氧率增加.
(3)底泥耗氧作用
底质耗氧包括底栖生物呼吸耗氧,有机物分解耗氧,呈还原态的无机物化学<>氧化耗氧.许多研究者对不同地区,不同类型养殖水体的底质耗氧率进行测定指出:我国湖泊底质耗氧速率为0.3-1.0g(O2)/m2·d.辽宁地区夏季养鱼池塘耗氧速率为0.67-2.01,平均1.31±0.35g(O2)/m2·d,哈尔滨地区鱼类越冬池平均耗速率为0.4g(O2)/m2·d(雷衍之1992).内蒙古地区鱼池,生长期1.4,越冬期0.47g(O2)/m2·d(申玉春1998).日本养鳗池为1.1-13.2g(O2)/m2·d,美国养鱼池底质耗氧率中值为1.46g(O2)/m2·d,前苏联养鲤池为0.4-1.0g(O2)/m2·d.
(4)逸出
当表层水中氧气过饱和时,就会发生氧气的逸出.静止的条件下逸出速率是很慢的,风对水面的扰动可加速这一过程.养鱼池中午表层水溶氧经常是过饱和,会有氧气逸出,不过占的比例一般不大.
对各耗氧因素所占的比例曾有研究者进行估算,
国外池塘养鱼单产较低,池中鱼载量小,池鱼耗氧占总耗氧的5-15%,逸出占1.5%,其它占80-90%.
国内,淡水鱼池,无锡地区高产池的估算结果①池鱼耗氧占总耗氧的20%,水呼吸占71%,底质耗氧占9%(忽略了逸出损失)②池鱼耗氧占总耗氧的16.1%,水呼吸占72.9%,底质耗氧占0.6%,逸出占10.4%.③池鱼耗氧占总耗氧的15.3%,水呼吸占69.4%,底质耗氧占14.8%(忽略了逸出损失).
海水对虾池,①虾呼吸耗氧占总耗氧的25.2%,水呼吸占58.2%,底质耗氧占16.6%(臧维玲1995)②虾呼吸耗氧占总耗氧的21.8%,水呼吸占75.1%,底质耗氧占3.17%.(臧维玲1995)③虾呼吸耗氧占总耗氧的34%,水呼吸占35%,底质耗氧占30%(林斌1995).
虫子的悲哀 发表于 2012-5-31 17:00
大哥，有没有总结过后的，如PPT呀？
二,溶氧的分布变化规律
1.溶氧的日变化
(1)表层水
湖泊,水库表层水的溶氧有明显的昼夜变化.受光照日周期性的影响,白天水中植物有光合作用,晚上光合作用停止.从而导致表层水溶氧白天逐渐升高,晚上逐渐降低,如此周而复始地变化.溶氧最高值出现在下午日落前的某一时刻,最低值则出现在日出前后的某一时刻,最低值与最高值的具体时间决定于增氧因子和耗氧因子的相对关系.如果耗氧因子占优势,则早晨溶氧回升时间推迟,且溶氧最低值偏小,具体条件不同情况也不尽相同.
(2)中层和底层水
湖泊和水库的中层与底层,溶氧也有昼夜变化,但变化幅度较小,变化的趋势也有所不同.由于在一般水体中中层和底层光照较弱,产氧就少,风力的混合作用可将上层的溶氧送至中下层,从而影响溶氧的变化.
(3)日较差
溶氧日变化中,最高值与最低值之差称为昼夜变化幅度,简称为"日较差".日较差的大小可反映水体产氧与耗氧的相对强度.当产氧和耗氧都较多时日较差才较大.日较差大,说明水中浮游植物较多,浮游动物和有机物质适中,也即饵料生物较为丰富,这有利于鱼类的生长.
在溶氧最低值不影响养殖鱼类生长的前提下,养鱼池的日较差大些较好.南方渔农中流传的"鱼不浮头不长"的说法,是对早晨鱼浮头的鱼池,鱼一般生长较快现象的总结.这主要是针对以培养天然饵料养鱼来说的,如果用全价配合饲料流水养鱼或网箱养鱼,就不存在池水日较差大对鱼类生长有利的说法了.
2.溶氧的年变化
一年中,随水温变化及水中生物群落的演变,溶氧的状况也可能发生一种趋向性的变化.只是情况比较复杂,变化的趋向随条件而变.如贫营养型湖泊,水中生物较少,上层溶氧接近于溶解度,溶氧的年变化将是冬季含量高,夏季含量低.
养鱼池生物密度大,变化比较剧烈,在一段时间内(长则10-15天,短则3-5天),水中生物群落就会发生较大的变化,从而引起溶氧状况的急剧变化.如浮游植物丰富,浮游动物适中,溶氧正常的水体,在3-5天后可能转变为浮游动物多,浮游植物贫乏,溶氧过低的危险水质,这一点应加以注意.
日照时间的变化对溶氧会产生一定的影响.冰封初期,日照较长,冰层也薄,光合作用产氧量较大,大部分越冬池的溶氧变化呈上升趋势;后来日照时间越来越短,冰层也加厚,光合作用产氧量减少,大部分越冬池在此期间溶氧都降低;以后日照越来越长(尽管冰层已达最厚),溶氧又开始回升.冬季池塘溶氧的日较差较小.
3.溶氧的垂直变化
湖泊,水库,池塘溶氧的垂直分布情况比较复杂,与水温,水生生物状况,水体的形态等因素密切相关.
贫营养型湖泊溶氧主要来自于空气的溶解作用,含量主要与溶解度有关.夏季湖中形成了温跃层,上层水温高,氧气的溶解度低,含量也相应低一些.下层水温低,氧气的溶解度高,含量也相应高一些.
富营养型湖泊,营养盐丰富,有机质较多,水中生物量较大,水的透明度低,上层水光合作用产氧使溶氧丰富,下层得不到光照,无光合作用,水中原有溶氧很快被消耗,处于低氧水平.
各水层光合作用产氧速率随深度的增加而变化.浮游植物在过强光照射下会产生光抑制效应,表层光合作用速率反而不如次表层大,在晴天一般有光抑制现象,次表层水溶氧量最高,阴天则表层水为最高.
对于较浅的水体(如40-50cm深),水清见底,水中有大量底栖藻类生长,整个水体溶氧都过饱和,也会出现底层水溶氧高于表层水的情况.
4.溶氧的水平分布
由于溶氧垂直分布的不均一性,从而在风的作用下使溶氧的水平分布也表现为不均匀.一般认为水较深,浮游植物较多的鱼池,上风处水中溶氧较低,下风处水中溶氧较高,相差可能达到每升数毫克.下表为一次实测结果.
养鱼池溶氧的水平分布(水深2m)
测定位置 上风处 下风处
水层 表层 底层 表层 底层
水温(℃) 22.8 22.8 22.8 22.8
pH 8.25 8.20 8.50 8.35
溶氧(mg/L) 8.64 8.32 10.56 9.20
在水中溶氧底层高于表层的情况下,会出现与上述相反的情况----溶氧上风处高于下风处.
在河流的支流汇入处,湖泊,池塘的进出水口处,浅海的淡水流入处,生活污水及工业废水污染处,甚至鱼贝类集群处,溶氧及其水质特点也会与周围有相当大的差别,水平分布呈不均匀状态.例如,有研究者发现,养珍珠贝的珠笼内溶氧较笼外低得多,特别是放养密度大,网眼较小时尤其如此.
三,溶氧的生态学意义
1.对水生生物的直接影响
(1)急性影响——引起水生生物的窒息死亡
窒息点:引起生物窒息死亡的溶氧上限值称为该生物的窒息点.不同生物的窒息点可能不同,温度升高能使窒息点提高,海水鱼耐低氧能力差.
(2)慢性影响
如果水中溶氧偏低,但尚未达到窒息点,不会引起水生生物的急性反应,但会产生慢性影响,主要表现在:
影响鱼虾的摄饵量及饵料系数——长期生活在溶氧不足的水体中,摄饵量会下降;
影响鱼的发病率——长期生活在低氧条件下的水生生物,体质下降,对疾病的抵抗力降低,故发病率升高.在低氧环境下,寄生虫病也容易蔓延;
影响胚胎的正常发育——在鱼,虾孵化期,胚胎对溶氧的要求高,如氧气供应不足,易出现畸形,引起胚胎死亡;
影响水中毒物的毒性——溶氧降低,使水生生物呼吸频率增加,如果水中存有毒物,则水生生物对毒物的接触量将增大,危害也就增大.
(3)气泡病
当水中的藻类等浮游植物或青苔过多,尤其是在夏季气温高时,氧气在水中的溶解度降低,而水受阳光强烈照射后,水中植物的光合作用大大加强,产生大量的氧,水中无法溶解,于是氧形成气泡.鱼体附着气泡以及误吞气泡,使得鱼失去控制沉浮的能力,无法自由游动,在水中挣扎,消耗很大,最终死亡.在运输过程中过度送气也容易引起气泡病.
2.对水质的影响
(1)对氧化还原电位的影响
天然水的氧化还原状况是由水中的氧化还原物质所决定.水的氧化与还原状态的分界不是绝对的,一般含有较丰富溶氧的水称为氧化状态水(或氧化环境).
氧化与还原状态的分界与pH有关,即随pH的升高而降低.碱性条件下Eh>0.15V即为氧化状态,而酸性条件下Eh>0.4-0.5V才为氧化状态.在弱还原环境,即酸性条件下Eh<0.4-0.5V以及在碱性条件下Eh<0.15V时,铁与锰以低价状态存在;Eh继续降低降低SO42-将被还原为H2S,Eh变为负值;在强还原条件下,将有CH4与H2生成.
(2)对元素存在价态的影响
溶氧含量丰富的水体中NO3-,Fe3+,SO42-,MnO2等是稳定的;如水中缺氧,则被相应还原为NH4+,Fe3+,S2-,Mn2+等.在缺氧条件下,有机物氧化不完全,会产生有机酸及胺类.在有氧条件下,有机物氧化则较完全,最终产物为CO2,H2O,NO-3,SO42-等无毒物质.当水体有温跃层存在时,上下水层被隔离,底层溶解氧可能很快耗尽,出现无氧环境.此时,上下水层的水质有很大差别,许多物质的存在形式及含量将有很大不同.
3.溶氧分压与鱼耗氧率的关系
水中溶氧分压与鱼类耗氧率之间的关系模式图
(1)AG线表示基础代谢耗氧情况——A点为基础耗氧率,即鱼不摄食不运动,仅为生存所必需的最低耗氧率;A'点称为窒息点;a点为窒息点的氧分压,也称临界点氧分压.我国主要养殖的四大家鱼和中国对虾的窒息点在0.5-1mg(O2)/L.在水中的分压大于该值时,鱼的基础耗氧率与氧分压无关.
(2)当水中氧分压小于窒息点a时——鱼的耗氧率沿AD线下降,一定时间后鱼即死亡.溶氧分压在o—a区间称为窒息区;当氧分压大于a时,鱼可正常生存,故叫生存区.
(3)当水中氧分压小于d时——鱼无法耗氧,迅速死亡,称即死区,D为即死点.
(4)当氧分压大于m时——当水中的氧分压从a点起不断增大,则鱼的耗氧速率沿AM线升高,活动能力随之加强.M点称为上线点,为最大活动耗氧率.M'点则为最大溶氧分压.水中氧分压大于m值时,溶氧不成为限制呼吸耗氧率的因素,鱼类可完全自由的活动,称为自由区或独立区;相反如水中氧分压介于m和d之间,鱼的呼吸耗氧率随氧分压的升高而加快,在同样时间内释放的代谢能也较多,这一区域称为依存区.大体上,AM线段中的C点相当于中等运动量,B点为相对安静的状态.当水中氧分压等于b时,鱼类便不能有任何多余活动了.显然水中溶氧分压在a和m之间是溶氧不足区
四,养殖生产中溶氧的管理
1.加强增氧作用
(1)生物增氧
保证水中有充分的植物营养元素和光照,增加浮游生物种群数量.
(2)人工增氧
机械增氧——注入溶氧量较高的水,或用增氧机搅水以增加空中氧气向水中溶解或充入纯氧.
化学<>增氧——借助一些化学<>试剂向水中释放氧气,如过氧化钙,活性沸石等.
2.减少耗氧作用
(1)降低水体耗氧速率及数量——养殖生产中常用挖去底泥,合理施肥投饵,用明矾,黄泥浆凝聚沉淀水中有机物及细菌等方法.
(2)改良水质——减少或消除有害呼吸的物质(如浊度,CO2,NH3,毒物等).抢救泛塘时使用的石灰,黄泥等,就有这种作用.
二,天然水的pH
1.天然水的pH
(1)酸度
——水中能与强碱反应的物质的总量,用1L水中能与OH-结合的物质的量来表示.天然水中能与强碱反应的物质除H3O+(简记为H+)外,常见的还有H2CO3,HCO3-,Fe3+,Fe2+,Al3+等,后3者在多数天然水中含量都很小,对构成水酸度的贡献少.而某些强酸性矿水,富铁地层的地下水可能含有较多的Fe3+(含氧,强酸)或Fe2+(酸性,缺铁),在构成酸度上就不可忽略.
根据测定时候使用的指示剂不同,还可分为总酸度(用酚酞作指示剂,pH 8.3)和无机酸度(又称强酸酸度,用甲基橙作指示剂,pH 3.7).
(2) 天然水的pH
天然水按pH值的不同可以划分为如下五类:
强酸性 pH10.0
中性 pH6.5-8.0
大多数天然水为中性到弱碱性,pH在6.0-9.0之间.淡水的pH值多在6.5-8.5,部分苏打型湖泊水的pH值可达9.0-9.5,有的可能更高.海水的pH值一般在8.0-8.4.地下水由于溶有较多的CO2,pH一般较低,呈弱酸性.某些铁矿矿坑积水,由于FeS2的氧化,水解,水的pH可能成强酸性,有的pH甚至可低至2-3,这当然是很特殊的情况.
4FeS+9O2+10H2O=4Fe(OH)3↓+4SO42-+8H+
4FeS2+15O2+14H2O=4Fe(OH)3↓+8SO42-+16H+
大水体碱度的日变化幅度一般很小,但是季节变化明显.下表为内蒙古克斯克腾旗一个淡水浅泡沼碱度的季节变化.该水体面积近2.6×103 hm2,水深不到2m.
下表列举了水中典型生物学过程对碱度的影响.表中的"碳同化"与"呼吸作用"中的示意反应(2)表达的是存在CaCO3溶解沉淀平衡的次级反应时的情况,其余均只反映了生物学过程本身对碱度的影响.了解这种变化对我们在养鱼池水质调控,及污水生物处理中认识碱度,pH的变化,碳源的补充很有帮助.比如在利用硝化作用转化水中NH4+的污染时,就要考虑向水中补充碳源,否则碱度和pH会不断降低.
典型生物学过程对碱度的影响
生物学过程 反应示意 对碱度的影响
碳同化 1)2HCO3-→CO2 + CO32-→有机碳+CO32-+O2 AT不变
2)Ca2++2HCO3-→有机碳+CaCO3↓+O2 AT降低
呼吸作用 1)有机碳+O2→CO2→HCO3-+H+ AT不变
2)有机碳+O2+CaCO3(s)→Ca2++HCO3- AT增加
NH4+同化 NH4+→有机氮+H+ AT降低*
NO3-同化 NO3-→有机氮+OH- AT增大*
氨化作用 有机氮+O2→NH4++OH- AT增大*
硝化作用 NH4+→NO3-+2H+ AT减少*
脱氮作用 NO3-→N2↓+OH- AT增大*
*此处只反映了过程本身对碱度的影响.如有次级反应(后续过程)存在,情况就比较复杂,可参考"碳同化"及"呼吸作用".
碱度与水产养殖
(1)适宜的碱度可以降低重金属的毒性
通常游离的重金属离子毒性较大.重金属及过渡金属离子能与水中的碳酸盐形成络离子,甚至生成沉淀,使游离金属离子的浓度降低.例如R.W.Andrew等(1977)在研究铜对大型蚤的毒性时证实,铜的有毒形式是Cu2+,CuOH+.可是当湖水的碱度足够大时[42～511mg/L(CaCO3),pH=7.8-8.0],水中的铜约有90%转化为碳酸盐络合物,Cu2+,CuOH+的实际浓度很低,因而表现出的铜的毒性也就小.在用重金属防治鱼病时要注意重金属的用量(剂量)与水体的碱度有关.碱度大,重金属的药效就会降低.
(2)碱度可以调节CO2的产耗关系,稳定水的pH值
水中存在如下平衡:
Ca2++2HCO3- CaCO3(s)+ H2O + CO2↑
光合作用强烈时,如果水中HCO3- 较多,就可以通过上述平衡向右移动,补充被光合作用消耗的CO2.当呼吸作用较强时,多余的CO2可以转变为HCO3-储备起来.保持适宜量的碱度可使水pH值相对稳定.
(3)碱度过高对许多养殖生物有毒 在我国干旱与半干旱地区有一些水域,碱度偏大,水中经济水生生物的种类就明显减少,有的甚至没有经济种类生存,移殖驯化耐盐种类也未能成功.例如内蒙古克旗的达里诺尔湖,离子总量5.6克/升,总碱度44.5mmol/L,Ca2+为0.14mmol/L,Mg2+为1.0mmol/L,pH9.5,在湖内的经济鱼类只有瓦氏雅罗鱼及鲫鱼.鲤鱼在这种水中仅能存活数天,梭鱼和花鲢,白鲢只能存活数小时.黎道丰等(2000)通过对内陆15个盐碱度不同的典型水体中鱼类区系结构和主要经济鱼类生长的比较和分析表明,鱼类的区系结构,种类数量和生长速度与水体盐碱度的高低有着密切关系,盐碱度高的水体其鱼类土著的种类数较少,生长速度较慢.
关于碳酸盐碱度过高对鱼类毒性的实验研究,比较早的有史为良(1981),雷衍之等(1985)的一些工作.根据雷衍之的报道,碳酸盐碱度对鱼的毒性随着pH的升高而增加.对鲢鱼种碱度的24hLC50与pH有如下回归关系
pH24hLC50=10.00 - 0.0149{A24hLC50}mmol/L (n=25 r=0.976)
pH值越高,碱度对白鲢鱼种的24hLC50的值越小,即碱度的毒性越大.
水的盐度也会使碱度的毒性增加.根据章征忠等(1999)的研究,盐度对鲢幼鱼的24hLC50为11.2g/L(pH=8.60±0.18);碱度对鲢幼鱼的24hLC50为51.4mmol/L(pH=8.74±0.34).碱度和盐度共同作用时,两者的24hLC50大致符合如下关系(pH=8.76±0.23,T=23±2℃):
综合史为良(1981)雷衍之(1985)的实验研究结果,一些经济鱼类对高碱度的耐受能力大致有如下顺序:青海湖裸鲤>瓦氏雅罗鱼>鲫>丁鱥 >尼罗罗非鱼>鲤>草鱼>鳙,鲢.
养殖用水碱度的适宜量以1-3mmol/L较好.美国环保局《水质评价标准》中,提出:"除天然浓度较低者外,为了保护淡水生物,以CaCO3表示的碱度应不小于20mg/L".雷衍之等提出,四大家鱼养殖用水的碱度的危险指标值是10mmol/L.
2.硬度
硬度的定义
硬度是指水中二价及多价金属离子含量的总和,如Ca2+,Mg2+,Fe2+,Mn2+,
Fe3+,Al3+等.其中构成天然水硬度的主要离子是Ca2+和Mg2+,因此,一般都以Ca2+和Mg2+离子的含量来计算硬度.
天然水的硬度
按形成硬度的离子不同,可分为钙硬度,镁硬度,铁硬度等.考虑到水中与硬度共存的阴离子的组成,又可将硬度分为碳酸盐硬度与非碳酸盐硬度.碳酸盐硬度是指水中与HCO3-及CO32-所对应的硬度.这种硬度在水加热煮沸后,绝大部分可以因生成CaCO3↓而除去,故又称为暂时硬度.非碳酸盐硬度是对应于硫酸盐和氯化物的硬度,即由钙镁的硫酸盐,氯化物形成的硬度.它们用一般煮沸的方法不能从水中除去,所以又称为永久硬度.其实"永久硬度"用离子交换法(用强阳性离子交换树脂或磺化煤等)也可以除去.
根据硬度和阴离子含量,可以把水硬度分为两种情况:
为了便于对水的利用,一般把天然水按硬度分成五类:
天然水硬度分类
类 别 硬度范围 德国度,°HG mmol/L( 1/2 Ca2+, 1/2 Mg2+)
极 软 水 0～4° 1.4以下
软 水 4～8 ° 1.4～2.8
中等软水 8～15° 2.8～5.7
硬 水 16～30° 5.7～11.4
极 硬 水 30°以上 11.4以上
天然水的硬度差别很大,雨水的硬度一般很低,靠雨水或融化雪水补给的河流,水硬度都比较低.我国南方多雨地区的河流,水硬度很低;干旱半干旱地区的盐碱,涝洼地的地面水与地下水,硬度多数都比较高.一般来说,随着含盐量的增加,水硬度也增大.在一些特殊水文地质条件下形成的苏打湖(碳酸盐类钠组Ⅰ型水),水硬度则相对较低.
硬度的变化
养鱼池水的硬度首先决定于水源水的硬度.新修建的养鱼池,土壤中的可溶性钙,镁也会转入池水中,使水硬度增高.修建在盐碱地上灌注淡水的养鱼池,随着塘龄的增加,土壤中的钙,镁会因淋溶而减少,致使池水的总硬度也逐年降低,下表即是一个研究实例.对盐碱地进行渔业开发时,应注意这种变化.在开发初期,注水后水的盐度,硬度,碱度都会增加.必要时,应更换池水.
对淡水养鱼池,生产管理上的操作及水中生物代谢活动也可使池水硬度发生变化.比如施用过磷酸钙,泼洒石灰浆水,甚至水生生物的光合作用和呼吸作用,都能使池水硬度变化.下表是一个养鱼池硬度的昼夜变化情况,日变化量达到0.6-0.8德国度.
鱼池硬度的变化实例
时间 5:30 17:00 5:30 17:00
7月15日(晴)
7月16日(晴)
总硬度/ HG 34.8° 33.9° 34.2° 33.6°
硬度与水产养殖
(1)钙,镁是生物生命过程所必需的营养元素,它们不仅是生物体液及骨骼的组成成分,还参与体内新陈代谢的调节.
钙是动物骨骼,甲壳及植物细胞壁的重要组成元素,而且对蛋白质的合成与代谢,碳水化合物的转化,细胞的通透性以及氮,磷的吸收转化等均有重要影响.缺钙会引起动植物的生长发育不良.藻类细胞必需钙,硅藻大都喜欢在硬水中生长,水中钙含量过少会限制藻类的繁殖.
镁是叶绿素中的成分,各种藻类都需要镁.镁在糖代谢中起着重要的作用.植物在结实过程中需要较多的镁.镁不足,核糖核酸(RNA)的净合成将停止,氮代谢混乱,细胞内积累碳水化合物及不稳定的磷脂.缺镁还会影响对钙的吸收.
有调查发现,池水总硬度小于10mg/L(0.2mmol/L),即使施用无机肥料,浮游植物也生长不好.总硬度为10-20mg/L(0.2-0.4mmol/L)时,施无机肥料的效果不稳定.仅在总硬度大于20mg/L时,施用无机肥料后浮游植物才大量生长.美国有人在软水池塘进行施生石灰的试验,当总硬度由7.8mg/L增至32mg/L后,水中碱度增大至原来的4倍,罗非鱼的产量增加约25%.
(2)钙离子可降低重金属离子和一价金属离子的毒性
有人用硬头鳟鱼做试验,当水的硬度从10mg/L增加到100mg/L时,铜和锌的毒性大约降低了3/4.许多重金属离子在硬水中的毒性都比在软水中的要小得多,这可能是由于钙可减少生物对重金属的吸收量.一价金属离子浓度过高时对许多水生生物有毒害作用,增加钙含量可以降低一价金属离子的毒性.
部分金属离子在硬水与软水中的毒性比
金属离子 毒性比
钛 14.6
铬 15
铁 77
镍 24
铜 15～500
锌 3～67
镉 5.5
铅 33
*毒性比是指硬水中的有毒浓度与软水中的有毒浓度的比值.
(3)钙,镁离子可增加水的缓冲性
一定的硬度,可以使水具有较好的缓冲性,即具有较好的保持pH的能力.
(4)水中钙,镁离子比例,对海水鱼,虾,贝的存活有重要影响
比例不合适,会引起养殖种类的大批死亡.例如:根据臧维玲(1995,1998)研究的结果证实:在罗氏沼虾育苗中配制人工海水时,不仅要注意盐度符合要求,还要注意Ca2+,Mg2+的含量及Mg2+/ Ca2+比例,出苗率较高的条件是满足Ca2+含量170-244mg/L, Mg2+含量324-440mg/L及Mg2+/ Ca2+质量比R=1.8-2.2.中华绒螯蟹育苗用水要求Ca2+含量178-340mg/L,Mg2+含量484-816mg/L.Mg2+/Ca2+质量比R=2.0-3.0 (实验在 S =15-16的条件下进行).王慧等(2000)通过急性毒性试验得出中国对虾在水环境中能够生存的Ca2+和Mg2+质量浓度范围分别为24.92-280.66mg/L和34.5-344.9mg/L,ρ(Mg2+)/ρ( Ca2+) 比在1-3之间为最好.Ca2+含量过高过低都影响中国对虾的生长.但Mg2+含量降为正常海水的一半时也能正常生长.
四,天然水缓冲作用
1.天然水缓冲体系
天然水都有一定的维持本身pH值的能力,即具有一定的缓冲性.其原因是水中存在缓冲体系:
(1)CO2— HCO3- — CO32- 缓冲体系
这两个平衡在水中一般都同时存在.PH<>8.3时,则可仅考虑第二个平衡.在pH8.3附近,两个平衡都应同时考虑.为此可采用下式表达:
2HCO3- CO32-+CO2+H2O
天然水的pH决定于水中HCO3-/CO32-或CO2/ HCO3-的含量比.
(2)Ca2+—CaCO3体系
水中存在如下平衡:
Ca2++CO32- CaCO3(s)
这一平衡可调节水中CO32-浓度.水中Ca2+含量足够大时,可以限制CO32-含量的增加,从而限制了pH的升高.
(3)离子交换缓冲系统
水中的粘土胶粒表面一般都有带电荷的阴离子或阳离子,多数为阴离子.这些表面带负电的基团可以吸附水中的阳离子(如K+,Na+,Ca2+,Mg2+,H+等),建立离子交换吸附平衡:
此外,如果水中还有其他弱酸盐,比如硼酸盐,硅酸盐,有机酸盐等,也存在相应的电离平衡,这此平衡类似于水中碳酸平衡,也可以调节水的pH值.相对而言由于水中HCO3-含量比其他弱酸盐大得多,水的缓冲性主要还是靠上述三个平衡系统起调节作用.海水由于离子强度很大,水中生成很多离子对,也对pH有缓冲作用.
另外,水中的Mg2+也可限制pH的上升幅度.比如,池塘养鱼中常采用生石灰清塘(杀菌消毒,杀死野杂鱼),这主要是通过提高水pH值来达到清塘目的.对淡水池塘,这是很好的行之有效的办法.而对于海水池塘,由于大量Mg2+的存在,使海水的pH值很难提高,需要消耗大量的生石灰.因此,生石灰清塘对海水池塘不适用.
2.天然水缓冲容量
对于碳酸缓冲系统,加入一元强碱,可使水的碱度增加相应数值;加入一元强酸,可以水的碱度减少相应数值.用AT代表水的总碱度(此处忽略硼酸盐等其它构成碱度的因素,且将活度系数视为1)则有:
将[HCO3-]及[CO32-]换算为与CT ,CO2及分量f0,f1,f2的关系,再求导,整理后可得:
据此可以绘出碳酸缓冲体系的缓冲容量与pH的关系图. 值在pH6.4-6.5附近有一个极大值;在pH4.4及8.4附近有一个极小值.pH从这两极小值向外变化, 值都较快增加,这时分别是因为H+或OH-浓度增加而具有的缓冲能力在起作用.
缓冲容量与pH的关系
从关系图中可知,CT ,CO2的增加,使体系在pH6.5( 的极大值)附近的缓冲容量有较大增加.在pH硬度).蒸发作用可使水体的碱度进一步增大,作为养殖用水,须注意经常更换.另外,为减轻CO32-对鱼的毒害,可增施有机肥,保证水体CO2的供应,并限制水体中水草的大量繁殖,以免光合作用大量吸收水体CO2而导致CO32-含量的增大.
第四章 天然水中的营养物质及其循环
第一节 植物对营养元素吸收的一般规律
一,植物营养元素的分类
(1)植物营养元素可分为必需元素和非必需元素
必需元素——植物正常生长发育所必需而不能用其他元素代替的营养元素
可分为:
常量必需元素——N,P,K,Ca,Mg,S,C,H,O
微量必需元素——Fe,Mn,Cu,Zn,B,Mo,Cl等
必需元素的生理功能为:构成植物体内有机结构的组成成分,参与酶促反应或能量代谢及生理调节.如纤维素,单糖和多糖中含有碳,氢,氧;蛋白质中含有碳,氢,氧,氮,磷,硫;某些酶中含有铁或锌;Mg2+和K+是两种不同的酶的活化剂;K+和Cl-对渗透调节具有重要作用等等.
(2)非必需元素——植物正常生长发育不需要的元素
可分为:
无害元素——虽然植物正常生长发育不需要,但是少量摄入后不会产生严重病理现象,如铋元素等
有害元素——不仅植物正常生长发育不需要,而且摄入微量,就会出现病态或中毒症状,又称有毒无素.如汞,镉,铅等
养殖水化学<>课程中主要介绍水生植物生长必需,而在自然水体中含量相对较低的元素,如N,P,Si等.
二,水生植物吸收营养元素的一般规律
(1)米氏方程
——藻类细胞对营养盐的吸收是一个复杂的生物化学<>酶促反应过程,其反应速度和底物浓度的关系符合一般酶促反应的动力学方程——Michaelis-Monten方程.
式中V为酶促反应速度,即底物消失速度或产物生成速度;
S为限制性底物的浓度;
Vmax为最大反应速度,即[S]足够大时的饱和速度;
Km为米氏常数,又称为半饱和常数.
(2)半饱和常数的意义
半饱和常数值可作为藻类细胞能正常生长所需维持水中有效形式营养盐的临界浓度,也可用于比较不同浮游植物吸收营养盐能力的大小.
在光强,水温及其它条件适宜而营养盐含量较低时,Km值越小的浮游植物越容易发展成为优势种;Km值越大的浮游植物会因缺乏营养盐使生长受到限制.而当营养盐过于丰富时,浮游植物群落结构会发生明显变化,可能导致某些有害浮游植物的迅速繁殖.
通过试验,测定不同种类浮游植物对营养盐吸收反应的半饱和常数值具有重要意义.
米氏方程仅符合于正常藻类细胞对营养盐的吸收规律.
三,影响天然水体初级产量与生产速率的限制因素
(1)水中营养元素的平均有效浓度[S]
——为获得正常的初级生产速率,通常要求水体的[S]应维持在3 以上
(2) 紧靠藻类细胞表面水体中营养盐的有效浓度
(3)水中营养盐的总储存量
(4)向藻类细胞表面迁移补给有效营养盐的速率
第二节 氮元素及其循环
一,氮元素的来源与存在形式
1.来源
养殖水体中氮的主要来源如下:
鱼池中施入大量畜禽粪肥,分解产生无机氮.
注入含有大量氮化合物的生活和工业混合水.
水生生物和鱼类的代谢产物中含有氮.
池塘中氮主要来源于肥料和饲料.进入水体中的氮一般以氨的形式存在.这些氮来源于鱼鳃排泄物和细菌的分解作用.据研究,饲料中的氮有60-70%被排泄到水体中,因此水产养殖生态中总氮浓度与投饲率及饲料蛋白含量有直接关系,在精养池中经常会出现对鱼类有害的"富氮".
2.存在形式
游离态氮——氮分子具有相对较强的化学<>惰性,在水中的溶解度也很低,但由于氮气是大气中最主要的组成,其体积分数可达78%,因此,氮分子在水中的含量较高,在海洋中可达20mg/Kg,而其它可溶性氮化合物仅为0.7mg/Kg.
有机氮——包括蛋白质,氨基酸,尿素,胺类,硝基化合物等.
硝酸态氮——有氧环境中,微生物氧化氨,亚硝酸盐的产物;同时,在高温条件下,空气中的氮会生成各种氮氧化合物,它们进一步转变为硝酸盐,作为微生物生产硝酸盐的补充.
亚硝酸态氮——亚硝酸氮在天然水中的浓度是非常低的,它主要是硝化反硝化过程及植物体内被摄取的硝酸在硝化酶的作用下转化为氨及氨基酸过程的中间产物.
总铵态氮——水中含氮有机物分解矿化及硝酸盐,亚硝酸盐反硝化作用产生.包括以非离子氨和铵盐形式存在的氮.
二,氮元素的循环
1.氮气的溶解作用
天然水中氮的最丰富形式是溶解游离态氮气,主要来自空气的溶解,地表水中游离氮的含量为近饱和值,脱氮作用和固氮作用可能改变其含量,但其影响似乎不大,在天然水域中,游离态氮的行为基本上是保守的.
大气中氮在水中的溶解遵守亨利定律和道尔顿定律.
2.植物对氮的吸收
硝酸态氮,亚硝酸态氮,氨态氮是一切藻类都能直接吸收利用的氮源.
通常认为,植物会首先吸收NH4+,当海水中NH4+几乎被耗尽时才会大量吸收NO3--N.
溶解有机氮也是一些微藻和细菌主要的可利用营养盐之一.
近年来的一些研究表明,浮游植物也会直接利用一部分溶解有机氮化合物(DON),但是吸收量甚少.
固氮作用
固氮作用是氮循环的一个主要过程,即水中气态氮通过特定的细菌,蓝绿藻成为有机氮,这是水中氮的重要来源之一.相对沉积物来讲水体中的固氮作用较小,氨的存在会降低固氮作用速率,此外硝酸和氧也对固氮作用有影响.
3.氮元素的再生
——无机氮被浮游植物吸收转化成有机氮,并通过浮游动物的摄食,各级浮游动物之间及鱼类等的捕食继续在食物链中传递.在这个过程中有相当一部分氮由于溶出,死亡,代谢排出等离开食物链重新回到水体中,这就是营养盐的再生过程.
浮游植物胞外溶出——在河口和沿岸区域,大约30%的净初级生产力被浮游植物溶出,而约20%的被浮游动物捕食.可见,由浮游植物胞外溶出产生的有机物是不可忽视的.尽管有研究表明浮游植物细胞倾向于贮存氮,但有研究表明,在缺氧和存在细菌时,胞外溶出氮就会增加,分别占到细胞内氮的10%～20%和3%～12%.溶出产物主要包括蛋白质,氨氮以及少量的亚硝酸盐和氨基酸.
浮游动物及鱼类的溶出和排泄——氨氮是浮游动物溶出产物的主要形式,当然还包括脲,氨基酸,蛋白质等.不同种类的浮游动物溶出速率并不相同,Verity对Sargasso Sea的桡足类进行研究测定,发现溶出速率还与动物干重有显著的相关性,个体较小的动物的溶出速率比个体较大的快.
有机碎屑——动物新陈代谢后的排泄物和死亡的浮游生物的个体,组织等是水环境中有机碎屑库的主要来源.这些颗粒物在沉降和随水团运动的过程中,一部分被浮游动物滤食,另一部分则被细菌降解成为氨和小分子溶解有机氮.随着细菌在有机物转化中的作用越来越重要,各种对有关微生物环的研究也越来越多,由此产生的溶解有机氮在氮循环中的作用也越来越不容忽视.
4.硝化作用
天然水中的硝化作用主要分两步,每一步都有细菌的参与.首先氨在亚硝化细菌的作用下氧化为亚硝酸盐;接着在硝化菌的作用下继续氧化成硝酸盐.硝化速率常常受氧气的限制,但由于硝化菌对氧气的亲合力较强,硝化作用也可在低氧水平下发生,尤其是在沉积环境中.
5.反硝化作用
——反硝化(脱氮)作用就是在微生物活动的作用下,硝酸盐或亚硝酸盐被还原为N2O或游离氮的过程.
在自然界的水圈和沉积物中有相当大的范围内广泛地存在着厌氧细菌,在缺氧条件下,通过厌氧细菌的活动,被还原为N2的脱氮过程。
脱氮作用的详细生化机理尚不清楚,一般认为可能按下述途径进行:
脱氮作用受许多水质条件的影响,例如pH7-8为最适范围,而pH太平洋>大西洋.
在河口,近岸地区,氮的垂直分布明显受生物活动,底质条件与水文状况的影响.若上下层水体交换良好,垂直含量差异较小;而在某些水体交换不良的封闭或半封闭海区,上下层海水难以对流混合,在200米以下因水体缺氧,硝化作用减弱,硝酸态氮含量下降,而氨态氮含量增加.在上升流海区,由于富含氮的深层水的涌升,该区无机氮的含量明显增加.
三.季节变化
研究表明,中纬度(温带)海区和近岸浅海海区的季节变化较为明显,而且与海洋浮游植物生物量的消长有明显的关系,反映了生命过程的消长.夏季浮游植物繁盛期间,无机氮被大量消耗,加上温跃层的存在,妨碍了上下层海水的混合,无机氮的含量都降至很低.特别是在表层,NO3--N和NO2--N几乎消耗殆尽.进入秋季后,浮游植物繁殖速率下降,生物残体中的有机氮化合物逐步被微生物矿化分解,加上水体混合作用,其含量逐渐上升并积累起来.到冬季,表层和底层水中无机氮含量都达到最大值.春季,浮游植物生长又开始进入繁盛期,海水无机氮含量再次下降,至夏季表层水中含量达到极低点.仅有少量NH3-N被检出.相比之下,底层海水中NO3--N并未枯竭,仍保持一定含量.
五,氮肥的施用
1.氮肥的形态
(1)氨态氮肥——需特别注意用量,使水中的氨分子(NH3)的浓度不要超过鱼类的忍受限值,以免抑制鱼类生长.同时要考虑在有效氮被吸收后,有无残留成份,如使用碳酸氢氨残留的碳酸氢根具有补充有效碳的作用,而使用硫酸氨所残留的是硫酸根,在厌气条件下,会还原成有毒的硫化氢.对养殖水环境不利.
(2)酰胺态氮肥——尽管有许多藻类能吸收利用尿素,但有研究指出,当水中NH4+-N含量超过7μg/L时,藻类利用尿素的能力将受到抑制,而水中通常会含有如此低量的氨离子.此时,藻类只有待尿素经微生物或酶(尿素酶)的作用下转变为氨分子(HN3)和氨离子(NH4+)后才能间接利用.据农业施肥的研究结果,尿素转变为NH3和NH4+,在低温季节需7-10天,高温季节需2-3天才能完成,具缓效肥的特点,尤其是在与磷肥同时使用时,更应加以注意.
(3)硝酸态氮肥——能被藻类迅速利用,在一般施肥浓度下,对其他饵料生物及鱼类无不良影响.其缺点是,缺氧时易在脱氮细菌的作用下,还原为N2和N2O而造成损失.在与氨共存时,藻类优先利用氨态氮而使对硝酸态的吸收受到抑制,此时损失的机率就更大,因此尽量不选用硝酸态氮肥.另外使用时还要留意肥料的酸碱性,一般选用生理中性的为好,水体的碱度小,缓冲能力小的水体更应注意这个问题.
2.常用氮肥及其特点
商品氮肥的主要品种及其一般特点
类别 肥料名称 主要成分 化学式 含氮量(%) 氮的形态 残 留 副成分 主要特点
液态氮肥 液氨 NH3 82 氨态 无 碱性,挥发
氨水* NH3+H2O,NH4OH 16-25 氨态 无 碱性,挥发
氨制品 NH3+NH4NO3 30-45 氨态与硝酸态 无 碱性,挥发性均降低
NH3+Ca(NO3)2 30-45 氨态与硝酸态 Ca2+ 碱性,挥发性均降低
NH3+CO(NH2)2 30-45 氨态与酰胺态 无 碱性,挥发性均降低
固体氮肥 硫酸铵* (NH4)2SO4 20-21 氨态 多量 SO42-
生理酸性,在厌气时SO42-易变为H2S
氯化铵* NH4Cl 22-26 氨态 多量 Cl- 生理酸性
碳酸氢铵* NH4HCO3 17-18 氨态 无 中性肥料,能同时提供碳源,容易分解
硝酸钙 Ca(NO3)2 13 硝酸态 Ca2+ 生理碱性,吸潮
硝酸钠 NaNO3 15-16 硝酸态 Na+ 吸潮,Na+会有不良影响
硝酸铵 NH4NO3 32-34 氨态与硝酸态 无 吸潮,高温,猛烈撞击时易爆炸
硝酸铵钙 NH4NO3+CaCO3 -20 氨态与硝酸态 CaCO3 中性肥料,吸潮性小
尿素* CO(NH2)2 46 酰胺态 无
中性肥料,肥效稍慢,要在细菌作用下转化为(NH4)2CO3吸收才快
* 为水产养殖中常用氮肥
3.施用氮肥的注意事项
为提高肥效,确保安全,在使用氮肥时,还应创造相应的水质条件并注意以下几个问题.
(1)施肥前后防止缺氧,否则脱氮作用的损失增大,有机物的矿化再生作用减弱,对水中增氮不利.
(2)加开增氧机,促使池水的垂直流动,以加速底层水和底泥中的有机氮化物和矿化再生物及时向表层迁移,提高表层水的中的含氮量.
(3)注意水中有效形式的氮磷比.仅在氮是真正限制因子时,施氮肥才有效.如果水中相对缺磷,再施氮肥是一种浪费且弊多利少.
(4)针对饵料生物(浮游植物)吸收特点,合理掌握施肥浓度和时间是十分必要的.施肥浓度以水中总氮量略高于0.3毫克N/升为宜.浓度再高吸收速度增加不多,并不经济.施肥时间以午前水体趋于分层时为宜,这更有利于提高肥效.为保证真光层有效氮含量保持在最佳含量,施肥应该适量多次,及时补充.
(5)水质过分混浊,粘土胶粒很多时,氨离子易被吸附固定,造成损失.
第三节 磷元素及其循环
一,磷元素的来源与存在形式
1.来源
天然水中的磷是通过矿石风化侵蚀,淋溶,细菌的同化和异化作用等自然因素引入的,而含于城市污水中的合成洗涤剂含磷组分则是主要的人为来源.
2.存在形式
(1)溶解态磷
——包括溶解态无机磷(DIP)和溶解态有机磷(DOP)两类.前者包括正磷酸盐,无机缩聚磷酸盐.
正磷酸盐——水中正磷酸盐的存在形式主要有PO43-,HPO42-,H2PO4-,H3PO4,各部分的相对比例随pH的不同而异.在pH为6.5-8.5的正常天然淡水中以HPO42-和H2PO4-为主;而在海水中HPO42-为可溶性磷酸盐的主要存在形式,游离H3PO4的含量极微.正磷酸盐可作为营养物质被水中藻类多量摄取,所以这种形态的磷具有很大的环境意义.
无机缩聚磷酸盐——在受工业废水或生活污水污染的天然水中可含有无机缩聚磷酸盐,如P2O74-,P3O105-等,它们是某些洗涤剂的主要成分,随着多聚磷酸盐分子量的增大,溶解度变小.无机多聚磷酸盐很容易按下式水解成PO43-:
在某些生物及酶的作用下,上述反应速度加快,据研究,在酸性磷钼蓝法中约有1%-10%的多聚磷酸盐水解而被测得.
溶解有机磷——溶于天然水中的有机结合态磷的性质还不完全清楚,主要有葡萄糖-6-磷酸,2-磷酸甘油酸,磷肌酸等形态.可溶性有机磷如果是来自有机体的分解,其成分似应包括磷蛋白,核蛋白,磷酯和糖类磷酸盐(酯).由单胞藻释放出的某些(不是全部)有机磷,能被碱性磷酸酶所水解,因此这些分泌物中似含有单磷酸酯.此外,许多研究者认为天然水中可溶性有机磷包括有生物体中存在的氨基磷酸与磷核苷酸类化合物.研究发现,某些不稳定的溶解有机磷化合物是海洋循环中十分活跃的组分.
(2)颗粒态磷
——包括颗粒态无机磷酸盐和颗粒态有机磷两类.
颗粒态无机磷(PIP)——主要是Ca3(PO4)2,FePO4等溶度积极小的不溶性无机磷酸盐,某些悬浮的粘土矿物和有机体表面上可能吸附无机磷.
颗粒态有机磷(POP)——主要指存在于生物有机体内,有机碎屑中的各种磷化合物.前者主要存在于海洋生物细胞原生质,例如,遗传物质核酸(DNA,RNA),高能化合物三磷酸腺苷(ATP),细胞膜的磷脂等等.
3.活性磷与有效磷
(1)活性磷
天然水中的含磷量通常以酸性钼蓝法测定.根据能否与酸性钼酸盐反应,可将水中的磷化合物分为两类:活性磷化合物和非活性磷化合物.
凡能与酸性钼酸盐反应的,包括磷酸盐,部分溶解态有机磷,吸附在悬浮物表面的磷酸盐以及一部分在酸性中可以溶解的悬浮无机磷 [如Ca3(PO4)2,FePO4]等等,统称为活性磷化合物;由于活性磷化合物主要以可溶性磷酸盐的形式存在,所以通常称为活性磷酸盐,以PO4-P表示.
其它不与酸性钼酸盐反应的统称为非活性磷化合物.
(2)有效磷
以上各种形式的磷化合物中,凡能被水生植物吸收利用的部分称为有效磷,溶解无机正磷酸盐是对各种藻类普遍有效的形式.某些藻类在一定条件下,只能利用无机多聚磷酸盐及某些有机磷酸酯类作为有效磷源.
目前一般把活性磷酸盐视作有效磷.
二,磷的循环
1.无机循环
磷的无机循环速度很慢,其周期以109年计.火成岩受风化作用后,其中磷化合物经由岩石经土壤,河流而转入海洋.由于海水偏碱性且含大量Ca2+离子,所以多数磷又以磷酸钙形式沉积于海底.在深海沉积物中,这些磷酸盐几乎被永久封闭而不易复出.只有通过人类采掘活动或海底鱼类的食用(再经食物链)才有可能少量地重返陆地.而沉积在内陆海或大陆架中的磷酸盐则可通过地面隆起等地质过程再次成为新陆地的组成部分.
2.生物循环
——水生植物的吸收利用
在一切天然地表水的真光层中,大量的有效磷在水生植物生长繁殖过程中被吸收利用,构成水中磷循环的重要环节之一.
研究发现,水中活性磷的含量不仅与藻类生长繁殖有密切关系,而且对水产动物的增养殖也有密切关系.Toor,H. S.(1983)发现,当PO4-P从0.08到0.12mg/L时,鲤鱼孵化率从48%增达到88%.但当浓度大于0.12 mg/L时,孵化率下降,成活率与孵化率也有明显的趋势.据认为,在高PO4-P时,由于磷酸盐干扰细胞分化和形态发育,幼体出现畸形,死亡率高.
——水生生物的分泌与排泄
研究表明,天然水中浮游植物在分泌出有机磷酶等有机态磷并使之重新参与磷循环方面起着重要的作用.Seder(1970)发现淡水绿藻在其分裂周期的某一特定阶段会分泌出相当数量的有机磷酸盐,而这种过程可能在自然条件下发生.kueuzler(1970)也证明海洋浮游植物可能分泌出大量的有机磷酸盐.
浮游动物排泄磷酸盐常常是有效磷的重要的再生途径.虽然细菌由于代谢和需要基质而将有机磷氧化,导致无机磷的释放.但Johnes(1965)指出,在由碎屑物质再生磷酸盐方面,原生动物的重要作用可能不亚于细菌,因为细菌与原生动物的混合种群对无机磷的再生速率大于单独细菌或无菌原生动物的再生速率,可能由于碎屑有机磷被细菌同化及细菌组织进一步被原生动物的消化比由细菌本身直接矿化更为重要;也可能由于原生动物排泄的物质能刺激细菌的生长.Harris (1955)测定浮游动物排泄磷酸盐(干重)的速率高达11 gP·mg-1·d-1.显然,排泄磷的速率随自然条件,动物的活动以及索饵状况的不同而有很大的变化.由各种食植动物排泄磷(干重)的基本速率一般为2-3 gP·mg-1·d-1.Peter(1973)指出,当系统处于稳定状态时,被浮游动物吞食的细菌和浮游植物(颗粒为0.45一30 m)的总磷中,约有54%是以P04-P的形式排泄释回水中,供细菌,浮游植物重新利用.在适当的条件下,浮游动物排泄的再生有效磷可在相当程度上满足浮游植物对磷的要求.
鱼类及其他水生生物的代谢废物内也含有磷.例如Whitledge等(1971)测定秘鲁鳀鱼排出磷(干重)的速率为90 gP·g-1·d-1.
——生物有机残体的分解矿化
在天然水中水生生物的残体以及衰老或受损的细胞由于自溶作用而释放出磷酸盐,同时因悬浮于温跃层和深层水暗处受微生物的作用而迅速地再生无机磷酸盐,从而构成水体中有效磷的重要来源.
在大多数地表水体,其沉积物为上覆水有效磷的一个巨大的潜在贮源.例如湖泊沉积物中磷的丰度比上覆水层高600倍之多(Stumm,1973),但沉积物中的磷多以Fe,Al和Ca等磷酸盐,有机态磷以及被胶粒粘土吸附固定的磷酸盐等形态存在,沉积物中的有机态磷主要来自生物有机残骸的沉积,经微生物活动及体外磷酸酶的作用而逐渐矿化.海洋沉积物的研究表明,生物残体骨骼中的固体磷酸钙再生为可溶性磷酸盐的过程中,细菌也起着重要作用;此外,沉积物被吸附的磷在一定的条件下与溶液间发生离子交换解吸作用有利于磷酸盐的再生.上述诸过程的进行有赖于环境条件,一般而言,降低pH值,出现还原性条件以及增大络合剂的浓度,有利于难溶磷酸盐的溶解.而增高pH值,好气性条件则有利于有机态磷的矿化和交换解吸.以上作用过程使沉积物间隙水中有效磷的含量增大.一旦间隙水中可溶性有效磷的浓度大于底层水中的浓度时,由于扩散作用或沉积物释放气体(如CH4),底栖动物活动以及深层水的湍流运动等的搅动,促进可溶性有效磷从沉积物向上覆水的迁移.若水体处于垂直对流的条件下,可溶性有效磷可由底层水向表层水迁移,从而影响真光层生物的产量和生长速率.显然从沉积物释放可溶性有效磷的速率受制于多种因素,但一般认为主要是通过间隙水的扩散速率控制的.水一底界面两侧的浓度梯度越大,则磷的释放速度也增大.例如有些缺氧条件下的湖底沉积物释放磷的速率变化于4.0-10.8mgP·m-3·d-1·
三,水中磷的分布变化规律
1.水平分布
受生物活动,大陆径流,水文状况,沉积作用,人为活动等各种因素的影响,海洋中磷的含量通常也表现为沿岸,河口水域高于大洋;太平洋,印度洋高于大西洋;开阔大洋中高纬度海域高于低纬度海域;但有时因生物活动和水文条件的变化,在同一纬度上,也会出现较大的差异.
在海洋浮游植物繁盛季节,沿岸,河口水域表层海水中活性磷含量可降到很低水平(0.1μmol/L).而在某些受人为活动影响显著的海区,含磷污水等的大量排入,则可能造成水体污染,出现富营养化,甚至诱发赤潮.
大洋表层水中,DIP含量远低于沿岸区域,并且,不同区域的含量存在一定差异.在热带海洋表层水中,由于生物生产量大,DIP含量低,通常仅为0.1-0.2μmol/L,而北大西洋和印度洋表层水中DIP含量则可达2.0μmol/L.总的来说,大洋表层水中DIP分布比较均匀,变化范围一般不超过0.5-1.0μmol/L.
大洋深层水中,由北大西洋向南,经过非洲周围海域,印度洋东部到太平洋,DIP含量平稳地增加,最终富集于北太平洋深层水中.营养要素在大洋深层水中的这种分布,与大洋深水环流和海洋中营养要素的生物循环作用有关.起源于北大西洋的低温,高盐,寡营养的表层水在格陵兰附近海域沉降,形成北大西洋深层水,途经大西洋,进入印度洋,最后到达北太平洋.在深层水团这一运动过程中,不断地接受上层沉降颗粒物质分解释放的营养要素,故营养盐不断得以富集.大洋2000m深处水中DIP含量由北大西洋1.2μmol/L逐渐升高到北太平洋的3.0μmol/L.
2.垂直分布
在大洋真光层,由于海洋浮游生物大量吸收磷,致使有效磷含量很低,有时甚至被消耗殆尽.在微生物的参与下,生物新陈代谢过程的排泄物和死亡后的残体在向深层沉降的过程中会有一部分重新转化为溶解态无机磷,释放回水中.因而随深度的增大,其含量逐渐增大,并在某一深度达到最大值,此后不再随深度而变化.在不同的大洋深处,其溶解态无机磷含量也有所差别,如印度洋=太平洋>大西洋.在河口,近岸地区,磷的垂直分布明显受生物活动,底质条件与水文状况的影响.在上升流海区,由于富含磷的深层水的涌升,该区溶解态无机磷的含量明显增加.
3.季节变化
磷的季节变化规律与无机氮相类似.中纬度(温带)海区和近岸浅海海区的季节变化较为明显,而且与海洋浮游植物生物量的消长有明显的关系,反映了生命过程的消长.夏季浮游植物繁盛期间,有效磷被大量消耗,加上温跃层的存在,妨碍了上下层海水的混合,有效磷的含量,尤其是其在表层的含量降至很低.进入秋季后,浮游植物繁殖速率下降,生物残体中的有机氮化合物逐步被微生物矿化分解,加上水体混合作用,其含量逐渐上升并积累起来.到冬季,表层和底层水中有效磷含量都达到最大值.春季,浮游植物生长又开始进入繁盛期,海水有效磷含量再次下降.
四,磷肥的施用
1.常用磷肥及其特点
磷肥大体上可分为可溶性磷肥和难溶性磷肥两大类十多个品种,水产养殖中所用的多为可溶性磷肥,最常用的是过磷酸钙.
常用磷肥及其特点
肥料 名称 主要成份 分 子 式 含氮量(%) 一般特征
过磷酸钙 (普钙) Ca(H2PO4)2 +
CaSO4·2H2O 16-20
用62%硫酸分解磷矿粉并熟化制得.水溶性,速效,常含游离酸,呈酸性,含多量石膏(CaSO4·2H2O)
重过磷酸钙 (重钙) Ca(H2PO4)2 40-50
用硫酸分解磷矿粉制得.水溶性,速效,常含游离酸,呈酸性,不含石膏
氨化普钙 CaHPO4+
NH4H2PO4 13-20
由普钙加氨水中和制得,水溶性,不含游离酸,含2-3%的氨态氮,呈中性,速效
安福粉 (NH4)2HPO4+
NH4H2PO4 30
用硫酸分解磷矿粉,分离出磷酸再用氨水中和制得.水溶性,速效,含氮量为18%
磷酸二氢钾 KH2PO4 52
用氢氧化钾或碳酸钾与磷酸中和制得.水溶性,速效,碱性,含钾30%
2.施用磷肥的注意事项
(1)有效磷的含量
——研究表明,按浮游植物吸收速率计算出的养殖池塘水中有效磷浓度应保持不低于46 gP/L.实际上在发表的诸多论文和报告中,认为有效磷的临界值为20-50 g/L,而多数认为水中的总磷应大于100 gP/L,有效磷在40-50 gP/L为最佳,可得到最令人满意的初级生产速率及产量.
(2)磷肥种类的选择
——在池塘养殖中施用磷肥多用于改良水质,提高并维持表层水的有效磷含量,所以在选用磷肥时,一定要选可溶性磷肥.
(3)施用磷肥的注意事项
施用磷肥时,池水的pH值以中性和弱碱性为好(pH=7.0-7.5).若池水的pH值过高(8.5以上),应将磷肥溶解后,调节其pH值使之呈强酸性后方可施用,以减少磷肥的损失.
当大风过后或刚注入新水,池水过于混浊,粘土粒子很多时,不宜施磷肥,以减少吸附固定损失.若为了澄清水质,应另当别论,多耗用一些磷肥可促进悬浮物絮凝沉淀,促进浮游植物增殖.
磷肥不应与石灰等碱性物质一起溶解使用.施用生石灰后,至少应隔10-15天才能施磷肥,否则水中钙离子(Ca2+)浓度大,pH值高,有效磷易生成钙盐沉淀造成损失.
磷肥最好能与有机肥一起沤制后使用,此时有机物多,会生成一些可溶性络合物,使有效磷被吸附沉淀的机会减少,有利于提高肥效.
为使施入的磷肥能在表层水中停留较长时间,以便及时被浮游植物所利用,施肥应选在晴天光照充足的上午进行.也可采用一些特殊的施肥方法,如挂袋,挂罐等,使肥料缓慢释放提高肥效.
使用磷肥时应控制适宜的氮磷比.大量试验证明,当水中有效氮和磷的绝对浓度大于各自最适的施肥指标时,只会浪费一种肥料,而不会增加初级生产速率和产量.施肥时,控制适宜的氮磷比值为6-7.
第四节 硅元素及其循环
一,硅的存在形式
水中硅主要以溶解硅酸盐和悬浮二氧化硅两种形式存在.
(1)溶解硅酸盐
——硅酸是一种多元弱酸,在水溶液中存在下列平衡:
当水pH为7.8-8.3时,约5%的溶解硅以H3SiO4-形式存在.通常把可通过0.1-0.5μm微孔滤膜,并可用硅钼黄比色法测定的低聚合度溶解硅酸等称为"活性硅酸盐",这部分硅酸盐易于被硅藻吸收.
(2)二氧化硅
——硅酸脱水之后转化成为十分稳定的硅石(SiO2):
二,硅的循环
水中硅的循环主要受植物的吸收利用,硅酸盐的沉淀溶解平衡等因素的影响.在春季,因浮游植物迅速繁殖而被吸收,使海水中的硅被消耗;在夏,秋季,植物生长减慢时,海水中的硅有一定回升;临近冬季时,生物死亡,其残体缓慢下沉,随着深层回升压力增加,有利于颗粒硅的再溶解作用,又缓慢释放出部分溶解硅.最后,未溶解的硅下沉到海底,加入硅质沉积中,经过漫长的地质年代后,可重新通过地质循环进入海洋.
三,硅的分布变化规律
1.水平分布
受生物活动,大陆径流,水文状况,沉积作用,人为活动等各种因素的影响,海洋中硅的水平分布通常表现为沿岸,河口水域的含量高于大洋,太平洋,印度洋高于大西洋.开阔大洋中高纬度海域高于低纬度海域.但有时因生物活动和水文条件的变化,在同一纬度上,也会出现较大的差异.
2.垂直分布
在大洋真光层,由于海洋浮游生物大量吸收溶解硅酸盐,致使溶解硅酸盐含量很低,有时甚至被消耗殆尽.在微生物的参与下,生物新陈代谢过程的排泄物和死亡后的残体在向深层沉降的过程中会有一部分重新转化为溶解硅酸盐,释放回水中.水中因而随深度的增大,其含量逐渐增大,并在某一深度达到最大值,此后不再随深度而变化.在不同的大洋深处,其溶解硅酸盐含量也有所差别,如太平洋和印度洋的深层水中含量比大西洋深层水高得多.
3.季节变化
主要表现在海洋浮游植物繁盛季节,尽管溶解硅被大量消耗,但其在海水中的含量仍保持一定水平,而不象N,P那样可降低至未检出.这是因为每年有相当大量的含硅物质由陆地径流和风带入海洋,使海水中溶解硅得以补充.有人估计,每年补充到海洋的溶解硅总量约相当于3.24×108tSiO2.其中,由河流携带入海洋的悬浮物质是决定海水中硅含量的主要因素.
四,水中有效硅的含量
各国渔业用水标准中,都没有规定有效硅的指标.一般淡水水体内,硅,特别是胶体及悬浮态硅的含量较高,因此,人们通常都认为硅不是限制性营养物质.不过,在其它营养物质供给充足,形成硅藻水花时,若表水层硅补给不及时,硅也会成为限制性营养物质.
第五节 其它营养元素
一,铜
铜是所有藻类所必需的元素,动植物新陈代谢必不可少的元素,铜参与生物体内的氧化还原反应,构成铜蛋白,参与光合作用,促进蛋白质的合成等.铜在有些生物,特别是软体动物,甲壳动物体内存在较多,如牡蛎中铜的含量可达600-3000mg/L.这些生物的血液内含有血蓝素,使血呈现淡灰青色.而血蓝素是含铜的蛋白质,血液中铜含量和呼吸强度有很大的关系.例如,活动较为剧烈的章鱼血液中铜的含量比蟹高等.
铜可能来源于许多工业废水的排放,还可能来自输水管道,热交换器等含铜设备中铜的溶解,还有人在水中加入铜盐以抑制藻类的生长,用铜的有机,无机化合物进行农药喷洒等,这些都构成了水中铜的来源.一般情况下,河水中铜的浓度较低,这是由于铜与氧化物共沉淀或吸附于矿物表面所致.
二,铁
铁是动植物新陈代谢中的一个基本元素,是叶绿素合成所必需的元素,是许多酶的组成成分和活化剂.铁参与光合作用,生物固氮作用,呼吸作用等.海水中的铁与某些海洋动物的生长也有直接关系.例如在氢氧化铁胶团凝聚形成粘性软泥沉积于浅海海底时,此时的水域环境正适于幼虾的生长繁殖.据试验,分别把对虾蚤状幼体(I期)培养在0.404mgFe/L的海水和无铁海水中,在同样条件下饲养,经两天后含铁海水中对下幼体大部分存活,而无铁海水中的对虾幼体则全部死亡.
铁是地球外壳中含量占第二位的金属元素,但通常在水中的溶解度较小.水中铁的存在受环境条件的极大影响,尤其是随氧化-还原强度和程度的变化而变化.生物圈的活动对水中的铁的存在有强烈影响.有些微生物参加了铁的氧化和还原反应,如噬铁菌等.
地下水中常见的是Fe2+,在水中的溶解度较大.据报道在pH6-8间地下水中Fe2+的浓度可达到50mg/L.而通常情况下,水中铁浓度在1.0-10mg/l之间.Fe2+能被水中的溶解氧氧化为Fe3+,在pH大于5时,Fe3+的溶解度很小,能很快生成Fe(OH)3褐色沉淀.这个机理可以很好地解释这样一个现象,当水刚从井中抽出时,这类水一般是清洁的,但很快就变浑浊了,最后由于Fe(OH)3
Janenac 发表于 2012-5-31 16:42
第三节 天然水环境主要物理性质一,天然水的光学特性1.水对太阳光的反射一束太阳辐射,以一定入射角直接射到平 ...
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