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湖泊富营养化治理——控磷?还是控氮?

北极星环境修复网  来源:藻智汇    2019/7/22 11:18:57  我要投稿  

北极星环境修复网讯:控磷控氮之争

观点一:湖泊富营养化治理只需控磷,无需控氮。

基于37年的全湖实验结果,加拿大学者发现,单独控磷即可以显著抑制藻类生长,而单独控氮则会诱导固氮蓝藻的产生,固氮蓝藻可以通过固氮满足自身的氮需求,不能有效降低藻类生物量,由此提出湖泊富营养化治理只需控磷,无需控氮的观点。

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观点二:富营养化治理需要氮磷同时控制

控磷观点在国际上引起了很大争议,很多学者对此持反对态度,他们在科学杂志上展开了激烈的争论。以Conley 为代表的一批学者提出湖泊富营养化的治理需要靠两条腿走路,氮磷同时控制更有效果。他们认为很多湖泊发生富营养化后,水体磷在底泥和水相之间快速循环,同时很多湖泊藻类往往以非固氮蓝藻为优势,同时控制氮磷可以显著降低藻类生物量,只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。

“Controlling eutrophication: nitrogen and phosphorus”

Conley et al. Science 322: 1014-1015, Feb, 2009

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Shindler 等人立即回应,认为控氮还需要更多事例支持!

质疑控氮:控氮还需要更多的案例支持!

Shindler 等人认为通过控磷成功的案例有很多,控氮还需要更多的案例支持!

Reply of Conley et al.

"Eutrophication: More Nitrogen Data Needed"

W. Schindler and R.E. Hecky. Science 2009, 24: 721-722.

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然而,水生态系统固氮并不是总能实现的,而且控磷措施在很多浅水富营化湖泊都没有成功。

Eutrophication: Time to Adjust Expectations

Conley D J, et al. Science, 2009, 724-725.

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观点三:湖泊治理需要氮磷同时控制,夏季优先控氮

国内学者通过实验湖沼学实验发现,太湖藻类的生长在夏季主要受到氮限制,春季则主要受到磷限制。因此有学者认为湖泊治理应该在磷限制的时期优先控磷,氮限制的时期优先控氮,对于蓝藻水华暴发严重的夏季,应该优先控氮(Ma et al., 2015)。

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实际上,因为湖泊所处的地理背景,湖泊的氮磷污染水平和污染历史,及湖泊的面积、深度、水力停留时间等均具有很大的差异性,湖泊的氮磷控制策略不能一概而论。

氮磷限制的几个问题

中国湖泊富营养化问题比较严重,湖泊的治理目前正处在关键时刻,因此针对湖泊的氮磷控制策略有必要就几个问题进行阐明,供大家参考。

2.1 氮磷限制的概念

我们经常提到湖泊的磷限制或氮限制,湖泊富营养化治理也是根据藻类生长的氮磷限制为基础制定的控制策略。很多学者提出湖泊的严重富营养化早已使各类营养盐严重过量,不会再存在营养盐限制的问题;也有学者认为要控制生物生长,各种必需元素控一即可,氮磷是藻类生长的必需元素,因此控制其中一种即可。其实这些观点对限制因子的理解并不全面。

限制因子的概念最早是由德国有机化学家Liebig 在1840年提出的,他在研究谷物产量时发现,植物对某些矿物盐类的要求不能低于某一数量,当某种土壤不能供应这一最低量时,不管其它养分的量如何充足,该植物也不能正常生长;作物的产量常常不是过剩的营养物质所限制,而是取决于供应量不足的营养物质,后来人们将此称为Liebig最小限制因子定律。这与系统中的“木桶原理”涵义一致。

对于水生态系统,不同的研究者关注不同的研究对象,例如浮游植物生长速率、生物量或初级生产力。而这些定义之间的关系必须明确,不可混为一谈。比如在捕食率高,浮游植物生活周期短的水体,浮游植物生物量很低,但生长速率却很高。湖泊中要把营养盐控制到限制藻类生长的程度非常困难。因此,我们通常所说的湖泊受到氮限制或者磷限制主要是指限制藻类的生物量或生产力,而不是指限制藻类正常生理活动,使其不能生长。

如果水体中起始藻类的生物量非常低,氮磷可能均不限制藻类生长,随着生物量的升高,某一种元素首先达到限制状态,随着这种元素的输入,藻类的生物量进一步提高,另一种元素可能成为限制元素,因此多种元素共同输入时生物量往往达到最高,这就是我们所说的共同限制。

对于一个自然的浮游植物群落,营养限制非常复杂,不过通常情况下人们更关心的是群落总生物量而不是个别种类的生物量,因此一种或多种营养盐的添加能否显著增加总生物量以及哪一种营养盐具有最大作用才是问题的焦点。

究竟是哪一种元素或哪几种元素受到限制取决于当地的人类活动情况,不同的地区都有其特殊的情况,不可一概而论。

2.2 磷控制策略的适用性

湖泊富营养化磷控制范式的提出是基于加拿大实验湖区的全湖实验结果。他们经过长期实验发现,只控磷就可以有效控制实验湖泊的藻类生物量,而控氮湖泊产生了固氮蓝藻,控氮产生的效果并不理想。由此提出湖泊富营养化治理只需控磷,无需控氮(Schindler et al., 2008)。从上世纪70年代开始,控磷措施就已经在欧美国家广泛实施,并取得一定的效果。然而控磷措施在很多大型富营养化浅水湖泊并不成功,例如美国Erie、Okeechobee湖、加拿大Winnipeg湖,日本Kasumigaura湖等。这引起人们对单一控磷策略的反思。

实践上,我们通常采取的控制措施主要是以外源输入控制为主。对于很多富营养化程度较低的湖泊或一些深水湖泊,控磷策略的治理效果很好,可以维持湖泊的清水状态。而对很多大型浅水富营养化湖泊,单独控磷则无法在短期内起到良好作用,有的湖泊甚至延迟几十年才有响应。实际上,加拿大实验湖区(ELA)处于加拿大安大略省(Ontario)西北部的一个人口稀少的区域,属于大陆性温带针叶林气候。实验湖区没有人为外源污染物输入,污染背景低,湖泊温度相对较低,藻类生长期短,营养盐循环相对较慢,控制磷的输入,就可以严格控制湖泊的磷浓度,显著降低藻类生物量。在这种湖泊背景下获得的湖泊治理经验不具有普适性。

湖泊藻类生长是受氮限制,还是磷限制,取决于生态系统藻类生长所需氮磷的可获得性,而不是简单的水体营养盐浓度。进入水生态系统中的营养盐在水相、悬浮颗粒物和底泥中进行分配和循环,内源负荷和循环效率对藻类生长起着重要的影响,一些湖泊底泥内源磷的释放甚至超过外源负荷。在贫营养水体,营养盐在湖内的循环速率低,内源负荷较低,因此外源磷控制能很好的控制湖内水体营养盐的可利用性,显著降低藻类生物量。

国内很多学者通过分析磷与藻类生物量的关系,认为藻类生物量总是与总磷(TP)的相关性高,而与总氮(TN)的相关性低,因此认为磷是主要限制因子,湖泊治理应该重点控磷。这种做法的不足之处是没有考虑内源磷的影响。正常情况下水体中无机磷的浓度通常很低,不是被藻类吸收就是被颗粒物吸附,沉降进入底泥,因此磷在藻相和底泥中进行着再分配。我们在建立藻类与TP的关系时往往忽略了大部分磷是储存于底泥当中,因此建立的藻类生物量和TP的关系往往是藻体叶绿素和藻体磷之间的自相关关系(Lewis,2011)。

浅水湖泊与深水湖泊营养盐的循环途径及对藻类生产力的影响具有很大差异。对于深水湖泊,由于受温度影响,容易形成季节性的温跃层,温跃层的静力稳定度大,沉积物释放的磷仅在湖下层迁移,难以进入真光层供藻类利用,内源磷对磷循环的贡献有限。因此,深水湖泊控制外源磷的输入具有很好的效果。浅水湖泊,风浪扰动频繁,底泥间隙水中的磷很容易受风浪扰动进入真光层被藻类吸收利用。尤其对于具有漂浮能力的蓝藻,很容易在底部吸收营养盐,在表层接受光照进行生长。因此,浅水湖泊营养盐磷的循环与藻类生长关系更为密切,一旦湖泊受到污染形成藻型生境,对外源磷控制的响应就会极为缓慢。

因此,磷范式只适用于富营养化程度较低的湖泊或深水湖泊,对于富营养化相对较高的浅水湖泊很难适用。

生物固氮是否能满足生态系统氮需求?

关于淡水湖泊富营养化治理要不要控氮,争论的焦点是固氮蓝藻对控氮的响应,控氮是否会导致固氮蓝藻形成优势,满足生态系统氮需求?

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加拿大实验湖区227号湖37年的大规模实验结果,认为当水中富磷而缺氮时,会出现具有固氮功能的蓝藻,固氮作用可以弥补浮游植物生长过程中需要的氮。

然而很多富营养化湖泊并不是固氮蓝藻占优势。蓝藻固氮是个耗能的过程,固氮过程依赖于光照提供能量,在超富营养的水体或风浪扰动频繁的浅水湖泊,光的利用性不断下降,导致非固氮蓝藻成为优势。同时,固氮作用还受其他元素影响,如固氮作用需要有足够的铁参与,铁的缺乏也往往限制了固氮作用。因此,氮限制并不是非固氮蓝藻向固氮蓝藻演替的决定因子。

即使是固氮蓝藻占优势的情况下,也不能保证有效的固氮。例如,离227号湖不足3 km的226号湖,即使在氮磷供应比例向着氮限制状态发展的情况下,也没有检测到固氮作用,而且当向湖中单独施用磷肥时,叶绿素和初级生产力也只有轻微的增加(Lewis and Wurtsbaugh, 2008)。对加拿大227号湖实验数据进行重新处理后发现,由蓝藻固定的氮不足以弥补外源氮的减少,而且浮游植物生物量随可利用氮的降低而降低(Scott et al., 2011)。研究表明由蓝藻固氮作用输入到水生态系统中的氮远不足浮游植物氮需求的10-50% 。因此,氮控制可以有效降低浮游植物的生物量。

我国浅水富营养化湖泊为什么亟待同时控制氮磷?

浅水湖泊水体氮磷的动态取决于外源输入与湖内的氮磷循环过程。

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浅水湖泊经历长期的污染过程,湖泊底泥积累了大量的污染负荷,尤其是大型浅水湖泊,由于水力停留时间长,污染物截留比例高,底泥污染更为严重。积蓄在底泥中的磷在藻类生长季节很容易从底泥释放出来,供藻类吸收利用。同时水体内藻类的生长-死亡过程也加速了磷的循环速率,持续支持水华发生,形成藻类生长-死亡-再生长的循环过程。因此,单独控制外源磷短期内无法使湖内磷浓度及蓝藻水华发生程度明显降低。

氮的循环与磷不同,湖泊内截留的氮素可以通过反硝化作用从湖体脱除,使湖内氮浓度和氮负荷降低,驱使湖泊呈现氮限制状态。对于浅水湖泊,由于水体与底泥的接触面积大,水土比小,水体的氮更容易进入沉积物,更有利于底泥反硝化作用的发生。同时富营化湖泊,蓝藻水华的发生固定了大量的碳,藻类死亡分解释放大量有机碳进入水体为反硝化作用提供碳源,可以促进反硝化作用的发生,加速氮素的脱除,使湖泊向氮限制转变。因此控磷的同时,结合控氮可以更快地降低藻类生物量,加快湖泊富营养化治理的进程。

国际环境领域顶级学术期刊《Environ. Sci. Technol》2016年发表了一篇重要文章,题目是:“跳探戈需要两个人:何时何地需要氮磷同时控制来保护湖泊和下游生态系”,文章给出在美国,加拿大、瑞典,挪威等国家开展的20个全湖实验结果,证明富营养化治理采取氮磷同时控制的效果最好。

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文章显示,很多湖泊通过氮磷同时控制或者单独控氮都取得了成功。

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文章最后提出湖泊治理,就像两个人密切配合跳探戈一样,氮磷需要同时控制。

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地处亚热带的长江中下游洪泛平原地区浅水湖泊的磷本底高,湖底底泥富含磷,湖泊生产力高,给该地区湖泊富营养化控制带来了极大的挑战。因此,从区域地理本底、湖泊基本特征来看,太湖等长江中下游地区浅水湖泊的蓝藻水华风险高,磷控制难度大。太湖流域水环境综合治理十一年来,流域水环境得到明显改善,河网水环境质量得到提高,太湖氮浓度明显降低,但总磷浓度则呈现波动上升趋势,也说明了磷控制的复杂性和艰巨性。

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基于长期实验湖沼学研究,科研人员发现太湖的浮游植物生长在冬春季主要受磷限制,夏秋季主要受氮限制,提出太湖富营养化治理需要采取氮磷同时控制的策略。

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氮浓度显著降低了,为什么蓝藻水华依然严重?

目前大家感到困惑的是氮浓度显著降低了,为什么蓝藻水华依然严重?

事实上,蓝藻生长所需要的氮磷浓度阈值并不高,研究表明,太湖蓝藻在无机磷浓度达到0.03 mg/L,无机氮浓度达到0.4 mg/L 时藻类的生长就不受限制了(Xu et al.,2015)。尽管太湖近年氮浓度显著降低,但在春季浓度仍然很高,足以达到太湖蓝藻水华形成的氮需求,并且春季升温会使藻类生长提前,这时藻类可以利用更多的氮来满足生长需求,使水华发生程度更严重。夏季,很多湖区水体的氮浓度降到很低的水平,藻类生物量受到明显的抑制。同时,在目前的外源输入情况下,湖体氮的再生速率很快,在没有被反硝化作用去除以前可以循环多次,这些氮为蓝藻水华持续发生补充了氮源(Hampel et al., 2018)。因此,我们可以相信,如果没有流域的氮控制,蓝藻水华发生的程度会比现在更为严重。当然,要使太湖蓝藻发生水平进一步下降,还需要做更多的努力,进一步降低流域的氮磷负荷。

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湖泊富营养化的氮磷控制

降低水体中氮、磷营养盐浓度和负荷是控制水体富营养化的关键所在。在目前污染状况下,控制外源污染仍然是首要的任务,包括生活污水的处理和面源污染的有效控制;其次是流域和湖内生态修复、生态清淤和有效管理。

01

控源截污

建设管网,实施雨污分流,对污水进行高效脱氮除磷,并根据湖泊环境容量来控制污水排放的氮磷总量,而不只是满足于达标排放。

02

生态清淤

对重污染湖区进行适当的底泥疏浚,减少内源污染,并将污泥合理处置,防止营养盐再次随雨水进入湖内。

03

生态修复

加强流域的湿地恢复,构建合理的湿地景观格局,沿湖建立缓冲带,使氮磷在流域输移过程中被消纳和净化,减少向湖泊的输入量;并在适宜恢复水草的湖区进行生态恢复,改善生境,抑制底泥悬浮和内源释放。

04

长效管理

积极探索和建议湖泊流域污染负荷削减的经济政策,建立并完善湖泊流域内跨市断面考核和生态补偿机制。确保治理和管理措施的连续性,稳定性和制度性。然而这些长效管理制度的制定,都离不开氮磷控制的科学研究。

写在最后

控磷控氮的原理是湖泊治理的重要理论基础;控磷控氮的策略是富营养化湖泊治理的关键;因地制宜的针对性手段是治理的成败所在。

向所有奋战在湖泊富营养化治理战线上的各位“战友”致敬!!!


原标题:学术论坛:(一)湖泊富营养化治理——控磷?还是控氮?

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