蟲子的悲哀 發表于 2012-5-31 17:00
大哥，有沒有總結過后的，如PPT呀？
第一節 環境
一,環境
1. 環境的定義
圍繞著某一有生命主體的外部世界稱之為環境.
相對于人這一主體而言的外部世界,就是人類的生存環境.
《中華人民共和國環境保護法》明確指出;大氣,水,土地,礦藏,森林,草原,野生動物,野生植物,水生生物,名勝古跡,風景游覽區,溫泉,療養區,自然保護區等各種自然因素的總和.
2. 生物圈
生物圈可定義為地球上所有生物體的總和,也可定義為由生活在大氣圈,水圈,巖石圈和土壤層(巖石圈的附屬層)界面上的生物所構成的一個有生命的圈層.
根據生物分布幅度,生物圈上界可達海平面以上10km,下界達海平面以下12km.也就是說,在地球表面包裹了22km厚的一層生物圈.在這個廣闊的自然界里,最活躍的是生物.
生活在生物圈某區域范圍內某生物物種的所有個體總和被稱為種群.在此范圍內所有種群之和被稱為群落.對某一確定種群來說,只能生活在變動幅度不大的環境條件下,但不同種群的生物可能在相差懸殊的環境條件下各自生活.
在考慮一個實際的環境系統時,自然環境和生物圈還是一個過于巨大的系統.比這更小的環境系統依次是區域環境,生境,小環境,微環境和內環境.
3. 區域環境
組成生物圈的各圈層是不均勻的,在物質的組成和分布方面有著很大差異,形成了彼此可相區別的各種各樣區域,即為區域環境.
區域環境如湖,河,江海,沙漠,山地,平原以及熱帶,亞熱帶,溫帶和寒帶等,都有各自突出的自然環境景觀.
不同區域環境中生存著與環境相適應的動物,植物和微生物.
4. 小環境和微環境
指的是生物個體所占據生境的一個特定范圍.
例如:居室是人們生活的小環境;根系表面的土壤環境,即為根系環境;葉片表面附近的大氣環境及隨溫度,濕度變化所形成的小氣候或微氣候,就是植物的小環境.
微生物形體微小,其所處生境被稱為微環境.
二,環境污染
1. 環境問題
環境問題——由自然因素或人為因素引起生態平衡破壞以至直接或間接影響人類生存和發展的各種情況.
環境污染——由于自然的或人為的原因,在原先處于正常狀況的環境中附加了物質,能量或生物體,其數量或強度超過了環境的自凈能力,使環境質量變差,并對人們的健康或環境中某些有價值物質產生有害影響者.
自然原因即是指火山爆發,森林火災,地震,有機物的腐爛等.以火山爆發為例,活動性火山噴發出的氣體中含有大量硫化氫,二氧化硫,三氧化硫,硫酸鹽等,嚴重污染了當地的區域環境;從一次大規模的火山爆發中噴出的氣溶膠(火山灰)有可能將其影響波及全球.首先,大量火山灰將遮蔽日光,使太陽光(能)反射,轉回到宇宙空間,從而影響了那些必需要陽光的地球生物類的生長.另一方面,火山灰在地球表層形成一層薄膜,使地面上的各種形式能量無法散發,這如同二氧化碳造成的溫室效應所起的作用一樣.再則,大氣中到處散滿了火山灰,成為水滴的凝結核心,使雨云易于集結,造成某些地區降雨量"前所未有"地增多;由于地球表層進行循環的水量是大體恒定的,局部地區大雨經久,則必然造成另一些地區發生嚴重的干旱;有的地方大雨,有的地方大旱,這又擾亂了地球表層熱能分布平衡狀態,造成局部地區熱流,另一些地區則產生寒潮.以上這些現象結合起來,就會嚴重影響人們正常生活,破壞農業生產,導致嚴重歉收.許多環境污染問題如同上述火山爆發情況一樣,對于環境的質量能起"牽一發而動全身"的作用.
人為原因主要是指人類的生產活動,包括礦石開采和冶煉,化石燃料燃燒,人工合成新物質(如農藥,化學<>藥品)等.總的來說,由人為因素造成的環境問題可以分為四個方面:
①在資源開發過程中過度地向自然索取物質和能量(特別是化石燃料,礦物和木材等);
②在物質生產和日常生活過程中向環境釋放出廢物和廢能(特別是化學<>污染物和輻射能);
③經濟建設(如農村城市化,圍湖造田,興建水壩等)引起對環境干擾;
④人口增殖引起單位時間和空間中人類活動頻度增多.
近代,隨著人類社會進步,生產發展和人們生活的不斷提高,同時也造成了嚴重的環境污染現象,如大氣污染,水體污染,土壤污染,生物污染,噪聲污染,農藥污染和核污染等.特別在本世紀的50-60年代,污染已成為世界范圍的嚴重社會公害,許多人因患公害病而受苦難或死亡,人們的健康受到環境污染的損害.環境污染已對人們生活和經濟發展造成了嚴重危害.
研究證明,目前,一些"自然災害"常由于人為因素的加入而增強.例如,因人們大量砍伐森林,破壞植被而增加了沙漠化,水土流失和水災的強度等.
2. 環境污染概念圖
3. 環境污染概念公式
環境污染造成的危害 = 自然因素或人類活動的沖擊破壞 - 包括自凈機能在內的自然界動態平衡恢復能力
4. 全球十大污染事件
1930 馬斯河谷煙霧事件
比利時馬斯河谷工業區.在這個狹窄的河谷里有煉油廠,金屬廠,玻璃廠等許多工廠.12月1日到5日的幾天里,河谷上空出現了很強的逆溫層,致使13個大煙囪排出的煙塵無法擴散,大量有害氣體積累在近地大氣層,對人體造成嚴重傷害.一周內有60多人喪生,其中心臟病,肺病患者死亡率最高,許多牲畜死亡.這是本世紀最早記錄的公害事件.
1943 洛杉磯光化學<>煙霧事件
夏季,美國西海岸的洛杉磯市.該市250萬輛汽車每天燃燒掉1100噸汽油.汽油燃燒后產生的碳氫化合物等在太陽紫外光線照射下引起化學<>反應,形成淺藍色煙霧,使該市大多市民患了眼紅,頭疼病.后來人們稱這種污染為光化學<>煙霧.1955年和1970年洛杉磯又兩度發生光化學<>煙霧事件,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 多諾拉煙霧事件
美國的賓夕法尼亞州多諾拉城有許多大型煉鐵廠,煉鋅廠和硫酸廠.1948年10月26日清晨,大霧彌漫,受反氣旋和逆溫控制,工廠排出的有害氣體擴散不出去,全城14000人中有6000人眼痛,喉嚨痛,頭痛胸悶,嘔吐,腹瀉.17人死亡.
1952 倫敦煙霧事件
自1952年以來,倫敦發生過12次大的煙霧事件,禍首是燃煤排放的粉塵和二氧化硫.煙霧逼迫所有飛機停飛,汽車白天開燈行駛,行人走路都困難,煙霧事件使呼吸疾病患者猛增.1952年12月那一次,5天內有4000多人死亡,兩個月內又有8000多人死去.
1953 1956 水俁病事件
日本熊本縣水俁鎮一家氮肥公司排放的廢水中含有汞,這些廢水排入海灣后經過某些生物的轉化,形成甲基汞.甲基汞在海水,底泥和魚類中富集,又經過食物鏈使人中毒.當時,最先發病的是愛吃魚的貓.中毒后的貓發瘋痙攣,紛紛跳海自殺.沒有幾年,水俁地區連貓的蹤影都不見了.1956年,出現了與貓的癥狀相似的病人.因為開始病因不清,所以用當地地名命名.1991年,日本環境廳公布的中毒病人仍有2248人,其中1004人死亡.
1955 1972 骨痛病事件
鎘是人體不需要的元素.日本富山縣的一些鉛鋅礦在采礦和冶煉中排放廢水,廢水在河流中積累了重金屬"鎘".人長期飲用這樣的河水,食用澆灌含鎘河水生產的稻谷,就會得"骨痛病".病人骨骼嚴重畸形,劇痛,身長縮短,骨脆易折.
1968 日本米糠油事件
先是幾十萬只雞吃了有毒飼料后死亡.人們沒深究毒的來源,繼而在北九州一帶有13000多人受害.這些雞和人都是吃了含有多氯聯苯的米糠油而遭難的.病人開始眼皮發腫,手掌出汗,全身起紅疙瘩,接著肝功能下降,全身肌肉疼痛,咳嗽不止.這次事件曾使整個西日本陷入恐慌中.
1984 印度博帕爾事件
12月3日,美國聯合碳化公司在印度博帕爾市的農藥廠因管理混亂,操作不當,致使地下儲罐內劇毒的甲基異氰酸脂因壓力升高而爆炸外泄.45噸毒氣形成一股濃密的煙霧,以每小時5000米的速度襲擊了博帕爾市區.死亡近兩萬人,受害20多萬人,5萬人失明,孕婦流產或產下死嬰,受害面積40平方公里,數千頭牲畜被毒死.
1986 切爾諾貝利核泄漏事件
4月26日,位于烏克蘭基輔市郊的切爾諾貝利核電站,由于管理不善和操作失誤,4號反應堆爆炸起火,致使大量放射性物質泄漏.西歐各國及世界大部分地區都測到了核電站泄漏出的放射性物質.31人死亡,237人受到嚴重放射性傷害.而且在20年內,還將有3萬人可能因此患上癌癥.基輔市和基輔州的中小學生全被疏散到海濱,核電站周圍的莊稼全被掩埋,少收2000萬噸糧食,距電站7公里內的樹木全部死亡,此后半個世紀內,10公里內不能耕作放牧,100公里內不能生產牛奶…… .這次核污染飄塵給鄰國也帶來嚴重災難.這是世界上最嚴重的一次核污染.
1986 劇毒物污染萊茵河事件
11月1日,瑞士巴塞爾市桑多茲化工廠倉庫失火,近30噸劇毒的硫化物,磷化物與含有水銀的化工產品隨滅火劑和水流入萊茵河.順流而下150公里內,60多萬條魚被毒死,500公里以內河岸兩側的井水不能飲用,靠近河邊的自來水廠關閉,啤酒廠停產.有毒物沉積在河底,將使萊茵河因此而"死亡"20年.
三,環境科學的發展
1.環境科學的研究對象
環境科學的研究對象是"人類一環境"系統.
研究領域不僅包括各種自然因素,而且包括一定的社會因素.
2.環境科學的顯著特點
環境科學的顯著特點是綜合性強,環境科學主要是運用地學,生物學,化學<>,醫學,工程學以及社會學,管理學,經濟學,教育學,法學等多種學科的有關理論,技術和方法來研究環境問題,上述各學科向環境科學的滲透,逐漸形成了以生態學和地球化學<>為主要理論基礎,由環境地學,環境生物學,環境物理學,環境化學<>,環境醫學,環境教育學,環境法學等許多分支學科組成的環境科學體系.隨著環境科學研究的深入,許多新的分支學科的出現,環境科學體系的不斷完善,它的綜合性特點將更加充分地顯示出來.
3.環境科學的研究目的
環境科學的研究目的是:掌握自然規律,揭示人類與環境相互作用,相互促進,相互制約的辯證關系,正確地認識和預見人類"對自然界的慣常行程的干涉所引起的比較近或比較遠的影響"協調和控制人類與環境間的物質能量交換過程,防治人類與環境關系的失調,創造適合于人類生存和發展的最佳環境.
4.環境科學的研究內容
環境科學的研究內容可以概括為四個方面:
全球范圍內的環境演化規律的研究——地球的表面,氣候,植物界,動物界以及人類本身都在不斷地變化,而且這一切都同人的活動有關.在人類改造自然的過程中,為使環境向有利于人類的方向發展,避免向不利于人類的方向發展,研究環境變化的過程,包括環境的基本特征,環境結構的形式和演化的機理等是十分必要的.
環境質量基礎理論的研究——環境質量基礎理論是環境科學研究的主要課題.它的任務是探索人類活動引起的自然環境的變化及其影響.環境污染與破壞對人類和生物生存的影響的科學原理.其中包括:環境質量調查,環境自凈能力研究,環境污染與破壞對人體和生物影響的過程和機理的研究等,目的在于為保護和改善人類生存環境,制定各項環境標準,控制污染物的排放量等提供科學依據.
環境質量控制與治理的研究——環境污染與破壞實質上是人類對自然資源開發利用不當或不充分的結果.環境質量控制與治理的研究主要是探索如何合理開發利用和保護自然資源的途徑.目前,環境質量控制與治理的主要途徑是:改革生產工藝,搞好資源的綜合利用,研究無公害和少公害的工藝技術,盡量減少或不產生污染物質;對被污染的環境,著生治理和控制污染源,采取各種污染的處理凈化技術,使環境恢復到自然良好狀態;對污染環境的每個因素進行系統分析,尋求經濟合理有效的控制方案,建立綜合防治技術體系;研究自然界各環境因素的相互關系和自然資源的更新規律,合理開發利用和保護自然資源,預防環境的破壞等.
環境監測分析技術的研究——環境監測分析是開展環境科學研究的手段.進行環境監測分析技術的研究是為了全面,及時,準確地掌握環境污染的情況及其危害程度.目前采用的環境監測分析的技術有:定期,定點的間斷性的人工和半自動化測定,生物監測,利用自動分析儀器建立自動化監測站等環境污染物質大多以痕量,超痕量存在,分布范圍廣,成分復雜并相互干擾和影響.因此,環境監測分析技術正向著分析測試方法標準化,監測技術連續自動化,數據處理計算機化的方向發展;同時積極研究狀態,結構分析和生物監測技術;實行環境污染預報.
5.環境科學的研究方法
環境科學研究的主要方法是系統分析和系統工程的方法,此外還綜合運用自然科學和社會科學的各種有關的方法.從環境科學的方法論方面而言,環境科學研究重視運用歷史研究,現狀研究與未來研究相結合的方法,微觀研究與宏觀研究相結合的方法,靜態研究與動態研究相地合的方法,理論研究與應用研究相結合的方法等.隨著環境科學的發展,其研究方法將不斷豐富.
四,環境的可持續發展
1.零增長
人類是在與自然環境之間不斷作用,不斷協調的過程中發展的.原始時代人們對太陽,月亮頂禮膜拜,19-20世紀由于科學的迅速發展,人類開始驕傲地提出了"征服自然"的口號. 但嚴肅的環境污染現實迫使人們不得不冷靜地思索.地球只有一個,污染沒有國界;人和自然必需"和睦相處",才能持久發展.
當人類賴以生存和發展的環境遭受越來越嚴重破壞時,人們開始關注環境與發展的相互關系.1972年,以D.L.米都斯(Meadows)為首的由西方科學家所組成的"羅馬俱樂部",面對人口激增,環境污染的嚴重現實,提出了名為"增長的極限"的著名報告.報告認為:如果目前的人口和資本仍以快速增長模式繼續下去,世界就會面臨一場"災難性的崩潰".而避免這種前景的最好方法是限制增長,即"零增長".當然,也有另一種觀點,認為人類的能力發展是無限的,人類所遇到的問題在技術發展中會不斷地克服.
2.可持續發展
"零增長"方案,無論是對急需擺脫貧困的發展中國家,還是對仍想增加財富的發達國家,都是難以接受的.因此,更多的人在尋找和探索一種在環境和自然資源可承受基礎上的發展模式.并提出了"協調發展","'有機增長' '同步發展'","全面發展"等許多設想.在此情況下1980年聯合國向全世界呼吁:必須研究自然的,社會的,生態的,經濟的,以及利用自然資源過程中的基本關系,確保全球持續發展.1987年由原挪威首相倫蘭特夫人(G.H.Brunland)任首相主席的由21個國家的環境與發展問題著名專家組成的聯和國世界環境與發展委員會(WECD),在其長篇調查報告《我們共同的未來》(our common future)中指出:"以前我們感到國家之間在經濟方面聯系的重要性,而現在我們則感到國在生態學方面相互依賴.生態和經濟從來沒有像現在這樣緊密地聯系在一個互為因果的網絡之中."并正式提出了"可持續發展"(sustainable development)的概念.
"可持續發展"的定義有許多種表述,世界環境和發展委員會《我們共同的未來》中指出,可持續發展是既能滿足當代人的需求,又不危及后代人滿足其需求的發展.這個概念得到了廣泛的接受和認可.并在1992年聯合國環境與發展大會上得到了共識.
"可持續發展"概念的提出,是人類發展過程中,經歷了許多經驗和教訓,經過反復討論和反思后得到關于人類自身長期發展的戰略.是人類對自然認識,科學技術,社會文明發展到現階段的必然結果.
(1)可持續發展思想反映了當代人對自然環境關系的認識,從"人定勝天"和"人是自然的奴隸"兩種極端思想中,認識到人和自然應該和諧相處,各種動物,植物都是人類的"朋友",只有這樣人類自身才可能持續發展.
(2)人類社會的發展,不僅是物質消費的增長,而且包括經濟,社會,文化,技術,生態,環境等許多因素,需要綜合考慮.人類生活質量的提高,不能以破壞環境,耗竭資源為代價.而是應該在不超過維持生態系統涵容能力的前提下,改善生活質量.
(3)在享用自然資源方面,不同地區之間,國家之間以及當代人和后代人之間應該協調,公平,即"代間公平"和"代內公平".誠然,可持續發展不否定經濟增長,特別對發展中國家,貧困與環境惡化往往是聯系在一起的.但經濟增長和發展必須以自然資源為基礎,同環境承載能力相協調,同社會進步相適應.要實現可持續發展必需進行國際,國內協調,以國際公約,法律,法規引導和規范人們的行動.廣泛的公眾參與,也是實現可持續發展的基本保證.
第二節 水環境
一,水環境研究內容
1.世界水資源的分布
地球上水的總量約1.39×109km3,主要分布在海洋,約占總水量的97%,淡水約占2.5%,比例甚少,并且大約70%的淡水分布在冰川凍土中;存在于湖泊,河流,土壤和地下600米以內的含水層中的淡水僅占淡水總量的30%左右.這一部分淡水分布也不平衡.對人類有最大實用意義的水量資源是主要與降水量有關的江河徑流和淺層地下水的淡水量.每年參與全球自然循環的水量平均約占總水量的0.031%,其中從海洋蒸發的水量每年約有36.1×104km3,其余是陸地的各種蒸發.海洋蒸發中的90%落回了海洋,10%漂流到陸地上空降落,在陸地形成地面徑流與地下徑流,淋溶巖石,土壤石匯聚成江河水,最終又流回大洋.形成了水的地球化學<>循環.
地球水資源分布
類 別 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
鹽湖與內海 100,000 0.0075
地下水 土壤水及結合水 66,000 0.0049
淺層地下水 400,000 0.2991
深層地下水 400,000 0.2991
冰川水 29,000,000 2.1685
大氣水 13,000 0.0010
海洋水 1,300,000,000 97.2100
總 計 1,337,300,000 100
2.我國的水資源
我國水資源總量比較豐富,平均年降水量為6.19×1012m3,平均降水深648mm,平均河川徑流量2.7×1012m3,合徑流深284mm,約占全球徑流總量的5.8%,居世界第6位.
我國人口眾多,如按12億人口計,人均占有年平均河川徑流量2260m3,不足世界平均值的1/4,是美國人均占有量的1/6,前蘇聯的1/8,巴西的1/19和加拿大的1/58.我國耕地平均占有的河川年徑流量也只有世界平均水平的80%.所以,從人均,畝均水資源數據看,我國水資源的供需矛盾突出.按照2000年6月8日中央電視臺報導的水利部的通報,十年后,在中等干旱年,我國需水量為6988億立方米,可能供水量為6670億立方米,缺水318億立方米,說明了未來十年左右,我國水資源短缺的情況.實際上從最近幾年黃河斷流,湖泊干涸,首都供水緊張,城市下沉的多項報道,已經表明水資源短缺對國計民生所引起的后果和對大西部開發的制約.
更有來自各方的對我們家園的"緊急報告"表明,水質污染已經到了令人觸目驚心的地步.這對水資源短缺的中國來講,簡直是雪上加霜.從洞庭湖,太湖到安徽的巢湖,云貴高原上的"明珠"滇池,一個又一個的大湖,普遍受到污染的危害.昔日光彩正在失去,有些湖泊已成了"無魚區"和臭水灣.目前,長江承受了全國百分之四十的生活污水和工業污水,假如我們依然無動于衷,放任污水自流,長江,黃河的未來可想而知.
時空分布不均勻是我國水資源的另一個問題.年降水量基本呈現由東南沿海向西北內陸遞減的趨勢.東南沿海徑流深為1200mm,而西北干旱地區小于50mm,甚至為0.南方人均河川徑流可達3600m3,北方地區人均僅720m3,僅及南方人均的1/5,使我國北方農村,城市都嚴重缺水.為了解決我國北方缺水問題,醞釀研究了幾十年的南水北調工程的東線工程已于2002年底開工.中線工程將于2003年底開工.東線工程竣工后可以解決京,津和華北地區的缺水問題.東,中,西三線調水工程都完成后,將形成我國水資源調配的網狀結構,做到水資源的合理利用,減少資源浪費.但是我國的缺水狀況不會根本改變,節約用水,建設節水工業,節水農業,節水的水產業仍是我國長期努力的目標. 在調水,節水的同時,還應該重視水資源的保護.保護有限的水資源不受污染,提高水資源的質量,減少水質型缺水現象的出現,是全國人民的長期任務.
二,水質
1.水質的定義
水質----水及其中所存在的各類物質所共同表現出來的綜和特性
各種天然水系是工農業和生活用水的水源,還能借以發電和行舟等.作為一種資源來說,水質,水量和水能是度量水資源可利用價值的三個重要指標,而與水環境污染密切相關的則是水質指標.由于一般水體兼作汲取用水的水源和受納廢水的對象,且用水水源經常受到污染,廢水排放前一般都要先經處理,所以用水和排水兩者在水質方面有愈相接近的趨勢,也存在著許多共通的水質指標.
2.水質指標系統
天然水(也兼及各種用水,廢水)的水質指標,可分為物理,化學<>,生物,放射性四類.有些指標可直接用某一種雜質的濃度來表示其含量;有些指標則是利用某一類雜質的共同特性來間接反映其含量,如有機物雜質可用需氧量(化學<>需氧量,生物化學<>需氧量,總需氧量)作為綜合指標(也被稱之為非專一性指標).常用的水質指標有數十項,現將有關這些指標的意義列舉如下:
Ⅰ 物理指標
溫度
影響水的其他物理性質和生物,化學<>過程
臭和味
感官性指標,可借以判斷某些雜質或有害成分存在與否
顏色
感官性指標,水中懸浮物,膠體或溶解類物質均可生色
濁度
由水中懸浮物或膠體狀顆粒物質引起
透明度
與濁度意義相反,但二者同是反映水中雜質對透過光的阻礙程度
懸浮物
Ⅱ 化學<>指標
(A)非專一性指標
電導率
表示水樣中可溶性電解質總量
pH
水樣酸堿性
硬度
由可溶性鈣鹽和鎂鹽組成,引起用水管路中發生沉積和結垢
堿度
一般來源于水樣中OH-,CO32-,HCO3-離子.關系到水中許多化學<>反應過程
無機酸度
源于工業酸性廢水或礦井排水,有腐蝕作用
(B)無機物指標
鐵
在不同條件下可呈Fe2+或膠粒Fe(OH)3狀態,造成水有鐵銹味和混濁,形成水垢,繁生鐵細菌
錳
常以Mn2+形態存在,其很多化學<>行為與鐵相似
銅
影響水的可飲用性,對金屬管道有侵蝕作用
鋅
很多化學<>行為與銅相似
鈉
天然水中主要的易溶組分,對水質不發生重要影響
硅
多以H4SiO4形態普遍存在于天然水中,含量變化幅度大
有毒金屬
常見的有鎘,汞,鉛,鉻等,一般來源于工業廢水
有毒準金屬
常見的有砷,硒等,砷化物有劇毒,硒引起嗅感和味覺
氯化物
影響可飲用性,腐蝕金屬表面
氟化物
飲水濃度控制在1mg/L可防止齲齒,高濃度時有腐蝕性
硫酸鹽
水體缺氧條件下經微生物反硫化作用轉化為有毒的H2S
硝酸鹽氮
通過飲用水過量攝入嬰幼兒體內時,可引起變性血紅蛋白癥
亞硝酸鹽氮
是亞鐵血紅蛋白癥的病原體,與仲胺類作用生成致癌的亞硝胺類化合物
氨氮
呈NH4+和NH3形態存在,NH3形態對魚有危害,用Cl2處理水時可產生有毒的氯胺
磷酸鹽
基本上有三種形態:正磷酸鹽,聚磷酸鹽和有機鍵合的磷酸鹽,是生命必須物質,可引起水體富營養化問題
氰化物
劇毒,進入生物體后破壞高鐵細胞色素氧化酶的正常作用,致使組織缺氧窒息
(C)非專一性有機物指標
生物化學<>需氧量(BOD)
水體通過微生物作用發生自然凈化的能力標度.廢水生物處理效果標度
化學<>需氧量(COD)
有機污染物濃度指標
高錳酸鹽指數
易氧化有機污染物及還原性無機物的濃度指標
總需氧量(TOD)
近于理論耗氧量值
總有機碳(TOC)
近于理論有機碳量值
酚類
多數酚化合物對人體毒性不大,但有臭味(特別是氯化過的水),影響可飲用性
洗滌劑
僅有輕微毒性,有發泡性
石油類
影響空氣-水界面間氧的交換,被微生物降解時耗氧,使水質惡化
(D)溶解性氣體
氧氣
為大多數高等水生生物呼吸所需,腐蝕金屬,水體中缺氧時又會產生有害的CH4,H2S等
二氧化碳
大多數天然水系中碳酸體系的組成物
Ⅲ 生物指標
細菌總數
對飲用水進行衛生學評價時的依據
大腸菌群
水體被糞便污染程度的指標
藻類
水體營養狀態指標
Ⅳ 放射性指標
總α,總β,鈾,鐳,釷等
生物體受過量輻照時(特別是內照射)可引起各種放射病或燒傷等
我國主要水質標準
地表水環境質量標準(GB3838-2002)
海水水質標準(GB 3097-1997)
生活飲用水衛生規范(CJ 3020-93)
漁業水質標準(GBll607-89)
農田灌溉水質標準(GB5084-92)
污水綜合排放標準(GB8978-1996)
第三節 養殖水化學
一,養殖水化學與水生生物
1.水化學與水生生物的一般關系
地球上的一切生物都需要水。水是生物體內的主要組成要素，水棲植物體含水量達95%上，陸棲動物體內含水量達50-75%。生物體內的生物化學反應總是在體內的水溶液中以酶為催化劑緩慢進行的，而植物的光合作用就是在光照和葉綠素的作用下由水與二氧化碳合成碳水化合物的過程。水是水棲生物的生活環境，也為陸棲生物提供良好的棲息條件，地球上原始的生命孕育于原始的海洋中。
水生生物的生長還有賴于水中所溶解的各種復雜的成分，包括無機離子，有機物和氣體。沒有這些物質，生物也是不能在水中生存的。在這方面，天然水可以和土壤相比擬。土壤的肥瘠決定于其中營養物質含量的多少。同樣，在天然水體中沒有這些營養物質，水體中將不會有生命存在，天然水體中營養物質的含量是水體初級生產力的決定因素。
水生生物的生命過程和生命結束后殘骸的腐解過程都與水中溶解氧的存在與行為有著密切的關系。光合作用產生氧，而呼吸作用和氧化作用消耗溶解氧。當水體中溶解氧被耗盡時，硫酸鹽的還原和有機體的厭氧分解產生的硫化氫等，將危害厭氧生物以外的其它生物的生存。
二氧化碳體系是天然水體中重要的平衡體系，它不但涉及到氣象地質和水文學方面的學科，而且與各種水質系的生態學密切相關。溶解二氧化碳為自養生物合成有機體提供碳源。二氧化碳平衡系統在很大程度上控制水體的pH值，而許多水生生物在整個生命過程對水質pH值的變化極為敏感.所以水體中二氧化碳體系是形成和保持生物生存的穩定環境的重要因素.
天然水體中含有成分極為復雜的有機化合物.盡管通常情況下其含量很低,但它在地球化學以及水產生物增養殖的研究中越來越引起人們的重視.近年來許多研究結果表明,水中溶解的天然有機物與水生生物的生長繁殖有著密切的關系,在某些環境條件下,甚至成為局部水域生產力的重要限制因素之一.
當前環境污染與環境保護以成為世界性的重大課題.其中水質環境的污染和保護是一個最為突出的問題,尤其是海洋已變成了石油,農藥,重金屬以及放射性廢物的"納污池".由于局部海域,特別是近岸海區的污染,導致海產動植物的生長繁殖遭到極大的危害,影響了近海水產資源的開發和利用.有些海區曾發現具有油臭味的魚,綠色的牡蠣,爛斑的海帶和毒物含量超過食用標準的魚貝類.這樣的海產品將會危及人類的健康.水質環境的污染和保護已收到水產工作者和社會的廣泛重視.
總之,水化學與水生生物的生長繁殖有著極為密切的關系.在從事天然水域(包括海水及淡水水域)水產生物增養殖的研究和生產的過程中必須密切注意水質系的水質動態.如果水質條件不能滿足水產生物生命活動的各個階段的需要,或者超出他們是應得范圍,即使有好的品種和充足的餌料,水產生物仍然不能正常生長,還可能導致養殖生物的大批死亡,漁場荒廢,甚至積累毒物,危害人體健康.因此在水產生物養殖整個過程中的水質改良和管理,包括苗種的培育,個體的養成,餌料生物的培養以及水質污染的監測等各種環節,水化學<>基本理論的指導作用和水質化學<>動態的研究,都是十分重要的.
2.水化學與水產養殖生產
一個地區水產養殖業的發展,不能超越水域環境的自凈能力,即環境承載能力.過度的發展,養殖廢水無任何處理地向自然水體,包括海域排放,將加速水域富營養化,惡化水質,引起病害傳播.我國對蝦養殖業的興起與衰落的歷史,就是慘痛的教訓.
水產養殖的穩產高產離不開養殖水環境的調控.水質的好壞直接影響到水產品的產量與質量.許多水產科學工作者為避開海上病毒傳播的危害,努力開發人工海水育苗和地下咸水(井鹽水)育苗.此時,合理配兌育苗用水的化學成分是育苗成功的關鍵.濱海地區,干旱地區的鹽堿澇洼地漁業開發利用,也涉及許多水環境化學問題.這些都要求我們水產養殖科技工作者具備必要的水環境化學基本理論知識和技能.缺乏這方面的知識,研究工作可能走彎路,生產管理可能帶有盲目性,容易因管理失當給生產帶來重大損失.這一方面的教訓事例是很多的,下面是幾個比較典型的例子.
1.盲目施用氮肥造成氨中毒,使全池種魚死亡.東北某魚種場用銨態氮和過磷酸鈣化肥肥水培養白鰱親魚,發現肥水效果很好.施肥后浮游植物大量繁殖,水色很快轉好.這時,魚種場技術人員在未作水質化驗的情況下,又連續施了兩次氮肥,造成全池種魚中毒死亡.死亡原因是銨態氮肥過剩與浮游植物發展過快,造成pH升高,由銨態氮在高pH條件下的毒性使魚致死.生產上類似的例子常有發生.
2.殺滅浮游動物引起氣泡病,造成夏花魚苗的大批死亡.遼寧某魚種場有一水花發塘池,水色日益變淡,溶氧降低,人工連續數日往池中投放大糞,未見好轉,溶氧日益緊張,后發現是水中浮游動物太多造成,立即用敵百蟲殺滅,水色就迅速變綠,溶氧大幅度上升.施放敵百蟲后第三天下午溶氧達20mg/L以上.池中魚苗和蝌蚪均患氣泡病,引起魚苗大批死亡.問題出在浮游動物殺滅太徹底,浮游植物發展太快,造成溶氧極度過飽和,引起氣泡病.
3.水質變壞后盲目大量投放魚種造成損失.陜西某水庫原水面1.2×107m2,后因連年干旱僅剩約4.3×106m2,庫水含鹽量及總堿度均逐年積累,致使水質已不適應花白鰱及鯉魚生長.1982年前未做水質調查,每年仍向庫中投放大量花白鰱和鯉魚魚種,9年共計投放的665萬尾魚種全部死亡,造成了不必要的損失.
此外,盲目施肥造成的浪費;北方魚類越冬中因水質處理或管理不善,致使全部死亡或成活率不高;養蝦池中因水質未控制好,一夜之間就使全池對蝦死亡,等等事例都常常發生.
3.養殖水化學在專業教學中的重要地位
鑒于水化學<>與水生生物之間的密切關系,養殖水化學<>成為水產養殖專業的專業基礎課,它一方面為學生學習專業課程奠定基礎,又要為學生將來從事水產養殖專業的生長和科研工作奠定基礎.
二,養殖水化學的研究內容
<水化學>成分的動態規律:作為一個養殖科技人員,首先應了解天然水中有哪些成分,這些成分和水產養殖的關系,這些成分在水體中的分布及變化有何規律,養殖水體水質有何特點.這就要學習天然水與養殖水中常見的化學成分的來源,遷移,分布,變化.要將溶解,電離,氧化還原,絡合,吸附等平衡原理用于研究水化學<>狀態的成因及變化,就不可避免地要涉及到對水質產生影響的生物學,微生物學,生態學,地質學,地球化學等學科的知識.
水質控制方法:水產養殖專業人員學習水化學<>的重點應在管理和控制好水質,已達到穩產高產的目的.控制水質是養殖生產的重要任務,也是養殖技術的重要組成部分.水化學<>課程這部分內容的講授將限制在根據水化學動態規律對水質管理提出一般性意見,以避免與專業課重復.
水質監測技術:要研究水中的化學<>成分及其轉化,要了解水質化學<>狀況以指導生產,都需要進行水質檢測.選擇準確,簡便,快速的監測方法是水質分析工作者的研究方向.水產養殖工作者一般不會去研究和改進監測方法,但常常需要親自做一些監測工作,這都需要掌握必要的水質監測知識和技術.
第二章 水環境基本理論
第一節 天然水的化學<>組成
一,天然水的組成與特征
1.純水的結構與異常特性
水是最常見的物質,但它有許多異常特性.也正是由于這些特性,才使水在自然界和人類生活中普遍發生巨大作用,成為支配自然和人類環境中各種現象的主要因素.要研究水及其中雜質共同表現的水質特性,需先深入了解水本身的特性.
水的異常性質及其意義
性 質 特點 意 義
狀 態 一般為液態 提供生命介質,流動性
熱 容 非常大 良好的傳熱介質,調節環境和有機體的溫度
熔解熱 非常大 使水處于穩定的液態,調節水溫
蒸發熱 非常大 對水蒸氣的大氣物理性質有重要意義,調節水溫
密 度 4℃時極大 水體冰凍始于表面,控制水體中溫度分布,保護水生生物
表面張力 非常大 生理學控制因素,控制液滴等表面現象
介電常數 非常大 高度溶解離子性物質并使其電離
水 合 非常廣泛 對污染物是良好溶劑和載帶體,改變溶質生物化學<>性質
離 解 非常少 提供中性介質
透明度 大 透過可見光和長波段紫外線,在水體深處可發生光合作用
水的特性與水的分子結構相關.水分子中的氧原子受到四個電子對包圍,其中兩電子對與兩個氫原子共享,形成兩個共價鍵;另外兩對是氧原子本身所持有的孤對電子.四個電子對間由于帶負電而互相排斥,使它們有呈四面體結構的傾向,但因孤對電子占據的空間較小,與共享電子對相比具有更大的斥力,因此使H—O—H鍵角由109.5°(幾何正四面體)縮減到104.5°.
氧原子具有比氫原子大得多的電負性,所以水分子中的電子對趨向于氧而偏離氫,于是就在兩個孤對電子上集中了更多負電荷,使水分子成為具有很大偶極矩的極性分子.這樣的一個水分子就有可能通過正,負電間靜電引力與鄰近的四個水分子以氫鍵相聯系.分子間氫鍵力大小為18.81kJ/mol,約為O—H共價鍵的1/20,冰溶化成水或水揮發成水汽,都首先需要外界供能破壞這些氫鍵.
當冰開始熔化成水時,冰的疏松的三維氫鍵結構中約有15%氫鍵斷裂,晶體結構崩潰,體積縮小而密度增大.如果有更多熱能輸入體系,將引起下述兩方面的作用:
①更多氫鍵破裂,結構進一步分崩離析,密度進一步增大;
②體系溫度升高,分子動能增加,由于分子振動加劇,而每一分子占據更大體積空間,所以這一因素又使密度趨于減小.
上述兩因素隨溫度升高而相互消長的結果,使淡水在3.98℃時有最大密度.這種情況對水生生物越冬生活具有特別重要意義.
2.天然水的化學<>組成
按不同組分含量與性質的差異,以及與水生生物的關系可以把天然水的化學<>成分分為六類:即常量元素,溶解氣體,營養元素,有機物質,微量元素以及有毒物質.
常量成分——又稱為主要離子,恒量元素,保守成分.淡水中的八大離子主要有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,性質穩定:海水中常量成分占海水中溶解鹽類的99.8%～99.9%,而且它們在海水中含量的大小有一定的順序,其比例幾乎不變;
淡水中常量成分占水體溶解鹽類總量的90%以上;
常量成分是決定天然水體物理化學<>特性的最重要因素:如CO32-,HCO3-對維持水體的pH具有重要的意義.常量成分在水中以多種形態存在,如海水中常量成分多以自由離子或離子對存在,少量以絡離子存在.
溶解氣體——天然水中溶有大氣中所含有的各種氣體,除了N2,O2,CO2外,還有惰性氣體He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn也都能在水體中找到.海水中也含有少量H2,在水交換較差的湖底及某些海區或孤立的海盆中有時也有游離的H2S存在.對于部分受污染地區,水中可能還溶有該地區的污染氣體(如硫氧化物,氮氧化物等).溶解氣體的含量與水的溫度,水中動物代謝活動有關;其含量有明顯的晝夜,季節,周年變化特點和顯著的水層差異.
營養元素——主要包括與水生生物生長有關的一些元素,如N,P,Si等.營養元素多以復雜的離子形式或以有機物的形式存在于水體中.營養元素在水體中含量通常較低,受生物影響較大,有時又稱為"非保守成分"或"生物制約元素".
有機物——水體中的有機物可分為顆粒態有機物和溶解態有機物兩大類.有機物在水體中的含量較低,通常是無機成分的萬分之一,一般1升水中僅幾毫克;有機物成分復雜,種類繁多.包括糖類,脂肪,蛋白質及降解有機物等;有機物對水質及水生生物有著多方面錯綜復雜的影響,適量有機物的存在是使水質維持一定肥力的重要條件,而過量有機物的存在將會使水質惡化,魚病蔓延.
微量元素等其它組成——除了常量元素和營養元素以外的其他元素(如同位素等),都包括在這一類中.微量元素種類繁多,總量卻非常少,僅占總含鹽量的0.1%左右;微量元素中的Fe,Mn,Cu等與生物的生長有著密切的關系,稱為"微量營養元素".
有毒物質——天然水中的有毒物質,按其來源或產生方式的不同大體可分為兩類:一類是來自工農業生產以及日常生活排放的廢物,即所謂污染物質,主要包括有機物,油類,農藥及重金屬離子等等;另一類是指由于水體內部物質循環失調而生成并積累的毒物,如硫化氫,氨,低級胺類,高濃度CO2及赤潮生物的有毒分泌物等.有毒物質在濃度較低時就會對水生生物產生毒性作用,并破壞生態系統的平衡;其毒性的大小與該物質的存在形式有關,并受到多中水體物理化學<>性質的影響.
3.天然水的主要化學特性
天然水是一個多組分,多相的混合體系,具有多重化學特性,概括起來約有十點:
天然水是一個多組分,多相的運動變化著的混合體系——水中的溶存物質種類繁多,數量相差懸殊;溶存物質的存在形式多種多樣,僅就粒徑而言,大小相差可達六個數量級以上,小的僅有幾個毫微米,以真溶液存在,大的在數百微米以上,構成多相分散體系;水中的元素及其化合物參與化學,物理反應,諸如氧化還原,沉淀溶解,吸附解析等,不斷改變著其存在形態及其不同形態的量.
不同形態的天然水含鹽量懸殊,通常海水的含鹽量約是淡水的35倍——世界河水含鹽量平均只有120mg/L左右,世界海水總含鹽量約為34.30g/L,不同水的含鹽量相差十分懸殊.
天然水都具有一定的酸堿性——淡水水體一般都是中性偏弱堿性,海水都是弱堿性.水的酸堿性受到水中生物光合作用,呼吸作用的影響,浮游植物進行光合作用,可使水體pH上升.水的酸堿性還受到環境污染物質等的影響.
天然水都具有一定的緩沖能力——與所有的天然水體一樣,漁業水體都具有一定的緩沖能力,能夠在一定程度上抵御外來酸堿物質對pH的影響,保持自身pH的穩定性.
天然水都具有一定的硬度和堿度——硬度和堿度是天然水體兩個重要的化學指標,堿度的組成及大小,有明顯的周日變化及垂直分布不均一現象,并與pH,O2,CO2等水化因子有明顯的相關性.漁業水體必須保證具有一定的堿度和硬度才能維持水體較為合適的生產力.
天然水都具有一定的氧化還原能力——漁業水體的氧化還原能力主要與水中溶解氧的含量有關.表層水中,溶解氧較為豐富,水中的變價元素多以高價形式存在.而在底層水中,溶解氧含量較低,在厭氧微生物等的作用下,變價多以低價態形式存在.
天然水都具有水生生物生長所需的營養元素——水中植物,特別是浮游植物的光合作用,是水中有機食物的真正生產者,是其他水生生物存在和發展的基礎.在溫度,光照等條件適宜時,水體初級生產的速率及產量,受水中植物營養元素供應情況的限制.
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凈能力——在自然條件下,一方面由于生物代謝廢物等異物的侵入,積累導致水體經常遭受污染;另一方面,水體的物理,化學及生物作用,又可將這些有害異物分解轉化,降低以至消除其毒性,使受到污染的水體恢復正常機能,這一過程稱為水體的"自凈作用".
海水常量成分具有恒定性的特點——海水的總含鹽量或鹽度是可變的,但常量成分濃度間的比值幾乎保持恒定.
二,海水常量成分
1.海水常量成分恒定性原理
定義——海水的總含鹽量或鹽度是可變的,但常量成分濃度之間的比值幾乎保持恒定."海水常量成分恒定性原理"又稱為"主要成分恒比關系原理","海水組成的恒定性原理","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 鹽度比值 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 -
總計 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
總計 0.5936
*總含鹽量=34.81g/L,C l =19.00(×10-3),S=34.324
常量成分恒定性原理的發現——1819年Marcet在分析了北冰洋,大西洋,地中海,黑海,波羅的海,中國海和白海等多處海水水樣后,提出了"全世界一切海水水樣,都含有同樣種類的成分,這些成分之間只有鹽含量總值不同的區別".Dittmar 從"H.M.S.Challenger"號調查船在環球航行所采集的77個水樣分析中也證實了Marcet結論的正確性.
Marcet 原理所提出的海水常量成分濃度之間的比值只是幾乎保持恒定并非絕對恒定.
若干常量元素在垂直方向上因為壓力效應,氯度比值會有所變化.例如Cox發現Ca/Cl比值隨海水深度的增加而有所增大;
河口濱海區常量成分濃度之間的相關性有別于大洋水;
海水主要離子中的HCO3-及堿度的恒定性比較關,這是歷為該成份本身含量較小(與Ca2+及硬度比),受生物作用影響較大:表層海水因光合作用吸收CO2,使HCO3-及堿度降低,深層海水利用有機物的分解產生CO2使CaCO3溶解,HCO3-及堿度含量較高.對海水中的微量成分,包括氮,磷營養元素的含量,"恒定性原理"不適用,對于海水的溶氧也不適用.
河口區的海水常量成分的相關性
河口區海水常量成分與大洋水一致,但各成分之間不具備恒定性關系的特點.也就是說,在受大陸徑流影響較大的河口濱海區,不但海水受到程度不等的沖淡,而且水化學<>成分的恒比關系也遭到顯著的影響.養殖生產中,有必要對河口區育苗和養殖用水的配方進行特定的研究.
例如,晉江河口區主要化學<>成分及總含鹽量的氯度比值隨著混合系數r(r = Wr /Wm,Wr與Wm分別表示參與混合的河水和海水的重量)的不斷增大,各主要成分的氯度比值均有不同程度的增高.顯然這是河口區在通常的水文條件下可能出現的一般規律,但其變化程度隨河口區及季節不同而有所差異.因此在水文學上常常利用主要成分間比值的變化研究海水與河水的混合過程.
5. 活度與活度系數
(1)天然水的離子強度
由于天然水中溶存著多種主要離子成分,使天然水成為一種強電解質溶液.在強電解質溶液中,陰陽離子共存,其中帶同號電荷的離子之間存在著互斥作用,帶異號電荷的離子間存在著互吸作用.在靜電作用力的影響下,處于不停熱運動狀態的陰陽離子中,陽離子的周圍陰離子出現的幾率較大,陰離子周圍陽離子出現的幾率較大.這樣對于每一個中心離子(溶液中的任何離子都可以被當作中心離子)表觀上被異號離子所包圍,形成了離子氛.離子氛中總的剩余電荷等于中心離子的電荷,使溶液保持電中性.
在溶液中,中心離子的運動必然會受到其周圍離子氛中異號離子的吸引,使它的運動受到牽制.實際研究發現:對這種牽制作用產生影響的包括溶液中各種離子的濃度以及它們各自的離子價,即牽制作用與溶液中全部離子電荷所形成的靜電場的強度有關.根據這一特性,提出了電解質溶液離子強度(I)的概念,在實際應用中多采用經驗公式:
I=2.5×10-5{ST} mg/L
式中{ST}表示天然淡水的總含鹽量(以mg.L-1為單位)的數值.海水的離子強度較高.
若將海水中各種主要離子成分的濃度和離子價代入離子強度的定義式計算,所得的數值與經驗公式:
I=0.0206S
I=0.0193S
式中S為鹽度.實際的離子強度比未考慮離子締合作用的計算結果為低.
在 團頭魴>鰱魚;海水魚在鹽度過低的水中會死亡.但有一類廣鹽性生物,對滲透壓的調節能力很強,經過馴化,本來生長在淡水的種類可以在海水中生長,例如羅非魚;本來生活在海水中的,可以在接近淡水的水中生長,例如花鱸,美國紅魚,中國對蝦等.而河蟹則要在海水中產卵,孵化,發育,到大眼幼體后,到淡水中變成仔蟹,生長,成熟.
黎道豐等(2000)通過對內陸15個鹽堿度不同的典型水體中魚類區系結構和主要經濟魚類生長的比較和分析表明,魚類的區系結構,種類數量和生長速度與水體鹽堿度的高低有著密切關系,鹽堿度高的水體其魚類土著的種類數較少,生長速度較慢.
(2)生物的不同生長階段的耐鹽性不同
不同的魚類或同一種魚類的不同生長階段所能適應的含鹽量的范圍是不同的,即耐鹽限度不同.例如,鰱,鳙魚苗的耐鹽上限為2.5g/L左右;夏花魚種為3.0g/L左右;鰱魚的仔魚期為5-6g/L,成魚約為8-10g/L,草魚耐鹽性較鰱魚強,草魚的仔魚期耐鹽上限為6-8g/L,成魚為10-12g/L;鱒魚成魚的耐鹽限度可達30g/L.
海水貝類的不同發育階段對鹽度的適應性也有所不同,例如海灣扇貝D形幼蟲生長的適應鹽度范圍為22-33,變態最佳鹽度為21-37.對蝦育苗對海水鹽度也有一定要求,據臧維玲等(2002)研究,日本對蝦幼體最適鹽度范圍為10.2-26.9,鹽度20.3時增長率與增重率最大.中華絨螯蟹育苗的適宜鹽度為12-29,過高過低也都使出苗率迅速下降.
(3)生物的耐鹽性與其它環境因子有關
耐鹽性與pH
臧維玲等(1989)研究了鰱,鳙魚類對鹽度的適應上限,結果發現其耐鹽性與水的pH值有關,隨著pH值的增大而降低,并提出了鰱,鳙魚種對高鹽量的24h半致死濃度24hLC50隨pH下降的回歸方程為:
鰱 24hLC50=39.75-3.78pH ,n=8 ,r=0.999
鳙 24hLC50=49.25-4.78pH ,n=8 ,r=0.983
pH值為8.00時鰱,鳙魚種對鹽度的96hTL m 值分別為6.50與9.06.
耐鹽性與鹽分組成
魚的耐鹽限度同鹽分的組成有關.例如含HCO3-,CO32-較多,含K+較多的水,有許多種類的生物鹽度耐受極限將顯著降低,許多耐鹽試驗是用低鹽海水或淡水添加NaCl進行的,這些試驗結果不能隨意推廣應用到HCO3-,CO32-及K+含量高的半咸水.對這類水的適宜養殖品種也應通過試驗確定.
二,天然水的化學分類法
1.按含鹽量的分類
(1)原蘇聯學者O·A·阿列金的分類法
淡水 礦化度50g/L
把淡水的范圍確定在1 g/L是基于人的味覺.當離子總量高于1g/L時,大多數人可以感到咸味;微咸水與具有海水鹽度的水的分界線定在25g/L,是根據在這種含鹽量時,水的冰點溫度與最大密度時的溫度相同;具有海水鹽度的水與鹽水的界線乃根據在海水中尚未見到過高于50g/L的情況,只有鹽湖水和強鹽化的地下水才能超過此含鹽量.
(2)美國(1970)所采用的分類法
淡水 0-1g/L
微咸水 1-10g/L
咸水 10-100g/L
鹽水 >100g/L
(3)湖沼學與生態學中常用的分類法
淡水 0.01-0.5g/L
寡混鹽水 0.5-5g/L
中混鹽水 5-18g/L
多混鹽水 18-30g/L
真鹽水 30-40g/L
超鹽水 >40g/L
(其中0.01-0.2 g/L稱為缺鹽水體;30-40g/L為世界海洋平均鹽幅)
2.按主要離子成分的分類(阿列金分類法)
(1)分類——根據含量最多的陰離子將水分為三類:碳酸鹽類,硫酸鹽類和氯化物類.含量的多少是以單位電荷離子為基本單元的物質的量濃度進行比較,并將HCO3-與 CO32-合并為一類.各類符號分別為:C—碳酸鹽類,S—硫酸鹽類,Cl—氯化物類.
(2)分組——根據含量最多的陽離子將水分為三組:鈣組,鎂組與鈉組.在分組時將K+與Na+合并為鈉組,以 Ca2+, Mg2+及Na+(K+)為基本單元的物質的量濃度進行比較.各組符號分別為:Ca—鈣組,Mg—鎂組,Na—鈉組.
(3)分型——根據陰陽離子含量的比例關系將水分為四型:
Ⅰ型:[ ]+[ ]>[ ]+[ ]
Ⅱ型:[ ]+[ ]<[ ]+[ ][ ]+[ ]+[],或[ ] > [ ]
Ⅳ型:[ ] +[ ]=0
每組通常只有三型水,如下表所示:
類
碳酸鹽類 C
硫酸鹽類 S
氯化物類 Cl
組
鈣組 Ca
鎂組 Mg
鈉組 Na
鈣組 Ca
鎂組 Mg
鈉組 Na
鈣組 Ca
鎂組 Mg
鈉組 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型水是弱礦化水,主要形成于含大量Na+與K+的火成巖地區,水中含有相當數量的NaHCO3成分(即主要含有Na+與HCO3-),在某些情況下也可能由Ca2+交換土壤和沉積物中的Na+而形成.此水型多半是低礦化度的.干旱半干旱地區的內陸湖,如果由Ⅰ型水特征很強的水所補給,有可能形成微咸水的蘇打湖.
Ⅱ型水為混合起源水,其形成既與水和火成巖的作用有關,又與水和沉積巖的作用有關.多數低礦化(200mg·L-1以下)和中礦化(200-500mg·L-1)的河水,湖水和地下水屬于這一類型.
Ⅲ型水也是混合起源的水,但一般具有很高的礦化度.在此條件下,由于離子交換作用使水的成分明顯變化,通常是水中的Na+交換出土壤和沉積巖中的Ca2+和Mg2+.海水,受海水影響地區的水和許多具高礦化度的地下水屬此類型.
Ⅳ型水的特點是不含HCO3-.酸型沼澤水,硫化礦床水和火山水屬此型.在碳酸鹽類水中不可能有Ⅳ型水,在硫酸鹽與氯化物類的鈣組和鎂組中也不可能有Ⅰ型水,而硫酸鹽與氯化物類的鈉組一般沒有Ⅳ型水.這樣,天然水就分成如表1—3所示的27種類型.
(4)水的化學類型表示方法
分類符號的排列,先寫"類","組"寫在"類"的右上方,"型"則用羅馬字標在"類"符號的右下方.如C 表示碳酸類鈣組第Ⅱ型水.S 表示硫酸鹽類鈉組第Ⅲ型水.此外,有時還要標上礦化度或含鹽量(精確至0.1g/L,寫在型的右面)和總硬度(精確至0.1mmol/L,寫在組的右面),如C ,表示含鹽量為5.0 g/L,總硬度為0.4mg/L.
有時水中的陰離子或陽離子并不是一種離子獨占優勢,而是兩種離子相差不多,當次要離子以單位電荷為基本單元的摩爾百分比(或稱當量百分比)與主要離子的相差不超過5%時,則應在分類符號中將次要離子也標出.CS 表示碳酸鹽硫酸鹽類鈣組Ⅱ型水,該水中SO42-含量僅次于HCO3-,且含量相差不大.
第三節 天然水環境主要物理性質
一,天然水的光學特性
1.水對太陽光的反射
一束太陽輻射,以一定入射角直接射到平靜的水面后,一部分輻射被水面反射,反射角等于入射角.一部分光則沿折射角進入水體.被水面反射的太陽輻射與投影到水面的太陽輻射的比率稱為反射率.反射率與入射角有關,入射角是光線與水平面的垂線間的夾角,也是太陽的天頂距.人們將太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角.據研究,平靜水面對太陽直接輻射的反射率隨太陽高度角的增大而降低,當太陽的高度角在30-80 以上時,反射率只有6.2-2.1%,太陽高度角在30 以下,反射率隨太陽高度角的降低而迅速增加.
2.水對太陽光的吸收與散射
通過水面進入水中的太陽輻射,一部分被水及其中的物質吸收,一部分被散射,一部分繼續向深處穿透.被吸收的輻射能,大部分被轉變成熱,使水溫升高.被散射的部分,變為朝各方向傳播的輻射,其中也有一部分輻射向水深處傳播,并被第二次散射或吸收.
如果以 IL 表示在水中穿過光程L(米)后的某波長太陽輻射能,以 I0 表示穿過表面進入水中的該波長太陽輻射能,則可以用下列指數方程表示它們之間的關系:
IL = I0exp[-(m+K)L]
式中m和 K 分別是吸收和散射的系數,合稱為衰減系數 μ .與水中所含物質有關,也與光的波長有關.
研究表明,太陽輻射中的紅外線絕大部分被表層100cm水層吸收了.太陽輻射總能量的27%可被1cm水層吸收,64%被1m水層吸收,到100m深處的輻射能只及表層的1.4%左右.但可見光的穿透能力很強,到100m深處只剩下可見光了.
光合作用有效輻射主要是可見光部分的輻射.對可見光輻射在水中隨深度的衰減可用下式表達:
IZ=I0exp[-(μW+μC+μP)Z]
式中Z為水深(m), I0 與 IZ 分別為進入水中表層和Z(米)深處的可見光輻照度,μ為衰減系數,下標w,c,p分別表示由純水,溶解有機物質及懸浮物質形成的衰減系數.將上式取對數可得:
lgIZ=lgI0-0.4343(μW+μC+μP)Z
對一個既定水域, μW , μC 與 μP 可以視為常數.這樣,上式 lgIZ 與 Z 呈線性關系.
3.透明度
——通常用來反映可見光在水中的衰減狀況.透明度采用專門的透明度盤測定.透明度盤由采用黑白的油漆涂成黑白相間的金屬圓盤制成,圓盤中央拴一根有深度標記的軟繩(此繩應不易伸長).測定時將圓盤沉入水中,在不受陽光直射條件下,剛好看不到盤面白色時的深度,即為透明度.
清澈的海水與湖水,透明度可達十多米.透明度小的池水,透明度只有20-30cm,渾濁的黃河水,透明度只有1-2cm.一般認為在相當于透明度的深度處的照度,只有表層照度的15%左右.
4.補償深度
——有機物的分解速率等于合成速率的水層深度稱為補償深度.粗略地說,補償深度平均大約位于透明度的2-2.5倍深處.
——光照充足,光合作用速率大于呼吸作用速率的水層,稱為真光層,又稱營養生成層.在這水層中植物光合作用合成的有機物多于呼吸作用消耗的有機物,有機物的凈合成大于零.
——光照不足,光合作用速率小于呼吸作用速率的水層,稱為營養分解層.這一水層的植物不能正常生活,有機物的分解速率大于合成速率.
2.內陸水的電導率
對于同一類型淡水,在pH5-9范圍內,電導率與離子總量大致成比例關系.1μS·cm-1相當于0.55-0.9mg·L-1;在一定溫度范圍內,電導率隨溫度的增高幾乎也是線性增加,溫度每增高1℃,電導率大約增加2.2%.一般電導率的測定以25℃為準,其他溫度下測得的電導率需加以校正.
天然淡水的電導率變化于50-500μS·cm-1,高礦化度水體可達500-1000μS·cm-1以上.
據日本有關資料報道,日本河流水體的礦化度(包括非導電性的二氧化硅)約為76mg·L-1.電導率(18℃)為111.5μS·cm-1,即在18℃時,存在∑S(mg·L-1)=0.7k18.
不同類型的天然淡水,其離子組成有所差別,∑S與Kt的關系可由實驗測得,所獲經驗關系式可通過kt的實驗值間接估算∑S值.
3.海水的電導率
在一標準大氣壓下,在海洋的溫度范圍內,海水的電導率與鹽度幾乎成正比例增加.在相同鹽度的情況下,0℃附近,溫度每增加1℃,電導率增加3%;在20℃附近,溫度每增加1℃,電導率增加2%.
電導率受壓力的影響較小,在一般深海所受的壓力范圍內,電導率的增值在12%以下.
三,天然水的依數性
1.冰點
天然水的溶質組成復雜,冰點下降主要是水中溶解物質(包括離子和分子態)引起的.天然水的含鹽量可以反映水中溶解物質的數量,所以與冰點下降之間存在一定的數量關系.海水的主要離子組成相對穩定.通過實驗得到了海水在1標準大氣壓下冰點溫度Tf與鹽度S的經驗公式:
{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2
式中Tf為冰點,S為實用鹽度.在Tf—S 圖中近似為一直線.
2.蒸氣壓
天然水的飽和蒸氣壓P比純水低,它與鹽度S有如下直線關系:
P=P0(1-0.000537S)
式中P0為純水的飽和蒸氣壓,它與溫度有關.根據上式,對于S為35的海水,P=0.98P0,即蒸氣壓約降低了2%.
3.滲透壓
稀溶液的滲透壓∏符合類似于氣體狀態方程形式
滲透壓不容易直接測量,常常采用冰點下降數值來換算,或者直接用冰點下降值來反映滲透壓的大小.海水的滲透壓∏與鹽度 S 的關系是:
{∏}KPa=69.55S+0.2546{t}℃·S
四,天然水的分層特點
1.水的冰點溫度與最大密度時的溫度
——海水在1標準大氣壓下冰點溫度Tf與鹽度S的經驗公式:
{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2
——海水密度最大時的溫度t最密是鹽度的函數:
{t最密}℃=3.975-0.2168S+1.282 10-4S2
將這兩個經驗公式在溫度鹽度圖上繪制成曲線后可以發現,兩條曲線交于一點,即鹽度24.695時,海水的冰點溫度等于密度最大時的溫度.當鹽度小于24.695時,冰點溫度低于密度最大時的溫度;當鹽度大于24.695時,冰點溫度高于密度最大時的溫度,從而導致這兩種情況下海水結冰狀況的不同.
2.水的流轉混合作用
對于一般的湖泊池塘,引起水體流轉混合的主要因素有兩個方面,一是風力引起的渦動混合,一是因密度差引起的對流混合.
(1)風力的渦動混合
——水面受到風力的吹拂后,表面水會順著風向移動,使水在下風岸處產生"堆積"現象,即造成下風岸處水位有所增高,此增高的水位就形成了使水向下運動的原動力,從而產生"風力環流".風力越大,渦動混合作用越強烈;水面開闊深度淺的水體,較易混合徹底.如果上層水的密度比下層水的密度低,風力把下層密度大的水提到上層來需要做功,上下密度差越大,水越深,風力使水混合所需做的功也越大.
(2)水的密度環流
——由密度引起的對流作用稱為密度環流.水溫在密度最大的溫度以上時,溫度升高會使水密度減少;溫度降低則會使水密度增大,符合一般的"熱脹冷縮"原理.如果水溫在密度最大的溫度以下,情況則反過來,水表現為"熱縮冷脹".當表層水密度增大,或底層水密度減少時,都會出現"上重下輕"的狀態,密度大的水要下沉,密度小的水要上升,這就形成了上下水團的對流混合.這種混合作用可以是在較小范圍發生的上下對流,也可以是在較大范圍發生的環流.水溫在4℃以上,水面只有一部分太陽輻射升溫時,也會形成密度環流.
水庫及開放性湖泊,由于注水與排水作用,會引起大范圍的水體運動.這種運動受水溫,水的密度,湖盆形態等因素影響.注入水因密度不同,可能進入水體表層,也可能進入中層 ,底層或取其他運動狀態.注入水所進入的水層是密度與其相同的水層.
(1)冬季的逆分層期
我國北方地區的湖泊,水庫都可封凍,表面形成冰蓋,冰蓋下是接近冰點的水.水溫隨深度增加而緩慢升高,到底層水溫可以達到或小于密度最大時的溫度.對于淡水,緊貼冰下的水是0℃,底層水溫可等于或小于4℃.
海水(鹽度35 )的冰點為-1.9℃,密度最大溫度低于冰點,結冰時上下水溫都達到冰點,底層水溫不會比表層高.鹽度超過24.9的海水都是這種狀況,只是冰點有所不同.
我國海南島及廣東,廣西的一些地區,冬季水溫可保持在4℃以上,就不存在水溫的逆分布現象.
(2)春季全同溫期
春季氣溫回升,大地轉暖,太陽輻射使冰蓋融化后,將使表層水溫升高.水溫在密度最大的溫度以下時,溫度的升高會使密度增大,表面溫度較高的水就會下沉,下面溫度較低的水就會上升,形成密度流.密度流使上下水對流交換,直到上下水溫都是密度最大時的溫度為止.此后,表層水溫進一步上升,密度就會減小,不會產生密度流.如果此時有風的吹拂,可克服熱阻力產生渦動混合,繼續使上下水層混合,把上層得到的熱量帶到下層,水體仍可以繼續處在上下溫度基本一致的狀態,這時稱為春季的全同溫期.春季的全同溫可持續到8℃,10℃,甚至15℃以上,這決定于春季的風力大小,多風天氣持續的時間,水的深度和湖盆的形狀等.
鹽度高于24.9的水,密度最大時的溫度低于冰點.融化后,表面升溫不會產生密度流,春季的全同溫需靠風力的混合作用來維持.
春季的對流混合作用可把上層豐富的溶氧帶到下層,把下層富含營養鹽的水帶到上層,對湖泊的初級生產及魚類的生長都很有利.
(3)夏季正分層期
由于太陽輻射能量的絕大部分在表層約1m的水層被吸收,并且主要加熱表面20cm的水層.如無對流混合作用,水中熱量往下傳播很慢夏季或春季如遇連續多天的無風晴天,就會使表層水溫有較大的升高,這就增加了上下水混合的阻力.風力不足夠大,只能使水在上層進行渦動混合.造成上層有一水溫垂直變化不大的較高溫水層,下層也有一水溫垂直變化不大的較低溫水層,兩層中間夾有一溫度隨深度增加而迅速降低的水層,即溫躍層.
溫躍層一旦形成,就象一個屏障把上下水層隔開,使風力混合作用和密度對流作用都不能進行到底.夏季上層豐富的氧氣不能傳輸到下層,下層豐富的營養鹽也不能補充給上層.久而久之,富營養化水體下層可能出現缺氧.上層缺乏營養鹽,對魚類及餌料生物的生長均不利.溫躍層形成以后,較大的風力可以使溫躍層向下移動,較淺水體的溫躍層就可能消失.
(4)秋季的全同溫期
進入秋季,氣溫轉涼,氣溫低于水溫,表層水溫要下降,密度增大,表層以下水溫較高,密度較小,此時即發生密度環流.加上風力的混合作用,使溫躍層以上的水層不斷降溫,直至溫躍層消失,出現上下溫度基本相同的秋季全同溫狀態.如果此時水溫在4℃以上,表層水的進一步降溫引起的密度環流可以進行到湖底,直到上下都為4℃為止.如再降溫,只能發生在上層,直到表層結冰.如有風力參與,在深秋初冬時期,全同溫則可以持續到4℃以下,比如2℃或1℃.秋季全同溫,水體充分流轉混合,上下可進行充分物質交換,對魚類的越冬有利.
第三章 天然水的氣—液溶解作用
第一節 氣—液溶解基本理論
一,氣體溶解的雙膜理論
——在氣,液界面兩側,分別存在相對穩定的氣膜和液膜;即使氣相,液相呈湍流狀態,這兩層膜內仍保持層流狀態.無論如何擾動氣體或液體,都不能將這兩層膜消除,只能改變膜的厚度.氣體主體內的分子溶入液體主體中的過程有以下4個步驟:
(1)靠湍流從氣體主體內部到達氣膜;
(2)靠擴散穿過氣膜到達氣—液界面,并溶于液相;
(3)靠擴散穿過液膜;
(4)靠湍流離開液膜進入液相內部.
氣體分子在氣相主體與液相主體中遷移時,靠的是湍流,運動速度快,混合均勻,可以認為在氣相主體與液相主體中都不存在濃度梯度;而在氣膜和液膜內只存在層流,氣體分子只能靠擴散通過.通常易溶氣體主要受氣膜擴散限制,難溶氣體主要受液膜擴散限制.
二,氣體在水中的溶解度與飽和度
1.溶解度的定義
——在一定條件下,某氣體在水中的溶解達到平衡以后,一定量的水中溶解氣體的量,稱為該氣體在所指定條件下的溶解度.
一般用100g水中溶解氣體的克數來表示易溶氣體的溶解度,而用1L水中溶解氣體的毫克數(或毫升數)來表示難溶氣體的溶解度.
溶解度單位為ml/L或mg/L.兩者之間的換算系數f=Mr/22.4(mg/ml),式中Mr為氣體的相對分子質量.對于氧氣f=1.429mg/ml,氮氣f=1.251mg/ml.
二,氣體在水中的溶解度與飽和度
2.影響氣體溶解度的因素
(1)氣體本身的性質
氣體的溶解遵循相似相溶原理——極性分子氣體在水中的溶解度大,非極性氣體分子在水中的溶解度小.
能與水發生化學<>反應的氣體溶解度大,不能與水發生化學<>反應的氣體溶解度小.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)溫度
溫度升高可使氣體在水中的溶解度降低,且溫度在低溫條件下變化對氣體的溶解度影響顯著.
(3)含鹽量
當溫度,壓力一定時,水中含鹽量增加,會使氣體在水中的溶解度降低.這是因為隨著含鹽量的增加,離子對水的電縮作用(指離子吸引極性水分子,使水分子在其周圍形成緊密排布的水合層的現象)加強,使水可溶解氣體的空隙減少.因此,在相同溫度和分壓力下,氣體在海水中的溶解度比在淡水中小得多.例如氧氣在大洋海水中的溶解度大約只有在淡水中的80-82%.對于淡水而言,含鹽量的變化幅度很小,對氣體在水中的溶解度影響不大,一般不考慮含鹽量的影響,而近似地采用在純水中的溶解度值.
(4)氣體分壓力
在溫度與含鹽量一定時,氣體在水中的溶解度隨氣體的分壓增加而增加.對于難溶氣體,當氣體壓力不是很大時,氣體溶解度與其壓力成正比,這就是享利定律.用公式表示為:
C = KS × P
式中:C——氣體的溶解度;
P——達到溶解平衡時某氣體在液面上的壓力;
KS——氣體吸收系數,其數值隨氣體的性質,溫度,水的含鹽量變化而變化,也與壓力(P),溶解度(C)所采用的單位有關.
對同一種氣體在同一溫度下有
C1/C2=P1/P2
式中:C1----壓力為P1時的溶解度;
C2----壓力為P2時的溶解度.
對于混合氣體中某組分氣體在水中的溶解度,上述各式中的P則是指該組分氣體的分壓力,與混合氣體的總壓力無關.由幾種氣體組成的混合氣體中組分B的分壓力PB等于混合氣體的總壓力PT乘以氣體B的分壓系數,這就是道爾頓分壓定律:
式中: VB——組分B在壓力為PT時的分體積;
——所有氣體分體積之和.
道爾頓分壓定律和亨利定律,只有理想氣體才能嚴格相符.對于不與水發生化學<>反應的真實氣體,如N2,O2,CH4等,只要壓力不是很大都可以用道爾頓分壓定律和亨利定律進行有關計算.
3.氣體的飽和含量與飽和度
(1)飽和含量
——在一定的溶解條件下(溫度,分壓力,水的含鹽量)氣體達到溶解平衡以后,1L水中所該氣體的量.對于難溶氣體飽和含量就等于溶解度.
(2)飽和度
——溶解氣體的現存量占所處條件下飽和含量的百分比,即:
氣體飽和度 = (現存量/飽和含量)×100%
飽和度可以反映氣體在水中溶解時所達到的飽和程度,判斷氣體是否達到溶解平衡及溶解趨向.
4.溶解氧飽和度的求算
溶解氧的飽和度=現場溶解氧的實測值/現場溶解氧的飽和含量x100%
三,氣體溶解速度的影響因素
(1)氣體的不飽和程度
水中氣體含量與飽和含量相差越遠,氣體由氣相溶于液相的速度就越快.如果用C來表示氣體在水中的含量,Cs表示在該溫度下對應于氣相分壓的氣體溶解度(飽和含量),用單位時間內氣體含量的增加來表示氣體溶解速率,則有
dc/dt ∝ (Cs – C)
(2)水的單位體積表面積
在同樣的不飽和程度下,單位體積表面積越大,溶解速度越快,即dc/dt與單位體積表面積(A/V)成正比.
dc/dt ∝ (A/V)
將以上兩式合并,則有
dc/dt = Kg (A/V) (Cs – C)
式中Kg稱氣體遷移系數,與氣體的性質,溫度及擾動狀況有關,單位cm/min.在這些條件一定時Kg是常數.
(3)擾動狀況
增加液相內部的擾動作用,把已溶有較多氣體靠近界面的水移向深部,把深處含溶解氣體較少的水移向界面,可加快溶解速度.增加氣相內部的擾動作用,也可以加快溶解速度.氣,液兩相內部擾動(不增加比界面積)在上式中的體現是Kg值增大.增加比界面積和Kg值,可以加快逼近飽和值.
擾動對加速氣體向水中溶解有重要的意義.有人利用氧氣的擴散性質做過一個有關的計算,當絕對沒有擾動混合作用的靜止的條件下,單純靠分子擴散,在20℃,101325Pa大氣壓時,要將水深30.05cm處的溶氧從3mg/L升到4mg/L需要12天. 說明沒有擾動,單純靠分子擴散,氧氣的溶解速度是很慢的.
Kg可以通過實驗測定,但實驗時要維持穩定的擾動方式,所得的數值也只能適用該種擾動方式下.Liss(1973)在離水面10cm高處風速分別為4.2和8.2m/s時,測得Kg值分別為0.05和0.02cm/min.Adeney(1928)利用使空氣泡通過盛滿淡水或海水的管道,測定氧氣的吸收速率.發現Kg與溫度t(℃)有如下關系:
Kg = 0.0096 (t + 36) (cm/min)
這一結果雖然不能用養殖池塘,但說明Kg隨溫度升高而增大.
第二節 溶解氧
一,增氧與耗氧作用
1.增氧作用
(1)空氣中氧氣的溶解
若沒有風力或人為地攪動,空氣溶解增氧速率很慢,遠不能滿足池塘對氧氣的需求.缺氧時可開動增氧機.中午前后開動增氧機,不能促進氧氣的溶解,只能加速水中溶氧的逸出,但能改善下午光合作用的產氧效率,從而改善晚上的溶氧狀況.
空氣中氧氣溶解的速率與水中溶氧的不飽和程度成正比,還與水面擾動狀況及單位體積的表面積有關,也就與風力和水深有關.氧氣在水中的不飽和程度大,水面風力大和水較淺時,空氣溶解的作用就大(見下表).
自然條件下通過單位界面由空氣增氧的數量(g/m2·d-1)
小池 大湖 緩流的河川 大的河川 急流的河川
溶氧飽和度
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
水生植物進行光合作用釋放氧氣,是養魚水體氧氣的重要來源.
水生植物光合作用釋放氧氣,是池塘中氧氣的主要來源.一般河流,湖泊表層水夏季光合作用產氧速率為0.5-10g/ m2·d-1.
光合作用產氧速率與光照條件,水溫,水生植物種類和數量,營養元素供應情況等因素有關.
光合作用產氧速率與光照條件,水溫,水生植物種類和數量,營養元素供給狀況等因素有關.氣溫較高的夏季產氧速率較大,冬季溫度較低產氧速率要低一些.如哈爾濱地區利用生物增氧的越冬池,冬季表層水光合作用產氧速率為0.21-12.45mg/ m2·d-1,平均2.34-2.11mg/ m2·d-1,僅為夏季的11-13%.
各水層光合作用產氧速率隨深度的增加而變化.
各水層光合作用產氧速率隨深度的增加而變化.浮游植物在過強光照射下會產生光抑制效應,表層光合作用速率反而不如次表層大,在晴天一般有光抑制現象,次表層水溶氧量最高,陰天則表層水為最高.適當數量的浮游植物,可增加水柱產氧速率,浮游植物生物量過高,透明度降低,植物自遮作用光照不足反而使產氧速率下降.
藻類進行光合作用的最終結果是合成藻體的有機質,浮游植物的平均元素組成可用(CH2O)106(NH3)16H3PO4來表示,光合作用的各元素的計量關系可用下式來反應:
106CO2 + 16NO-3 + HPO2-4 + 122H2O = (CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138O2
由此式可計算出浮游植物光合作用對P,N,C的需求及釋放 O2的比例
P: N: P: O2 = 1:16:106:138 (摩爾比)
或 P: N: P: O2 = 1:7.2:41:142 (質量比)
由此式可以得出:浮游植物光合作用釋放1mgO2產生有機碳的量為0.289mg,這對研究水體的初級生產力有重要的意義.
(3)補水與機械作用,化學試劑
補水可以補充氧氣.
魚池在補水的同時,可增加缺氧水體氧氣的含量.在工廠化流水養魚中補水補氧是氧氣的主要來源.在非流水養魚的池塘中,補水量較小,補水對魚池的直接增氧作用不大.只有補充水中氧氣含較高,池塘水中氧氣缺乏時,補水增氧才具有明顯的效果.冬季,北方越冬池注入井水一般不會起到增氧作用,因為地下水中通常氧氣含量低于池塘.
增氧機補氧
化學<>增氧——借助一些化學<>制劑向水中供O2,如過氧化鈣CaO2,活性沸石等.
過氧化鈣CaO2——該物質為白色結晶粉末,與水發生化學<>反應CaO2 + H2O = Ca(OH)2 + O2釋放出氧氣.據研究,千克過氧化鈣可產氧氣77800ml ,在20℃純水中可連續產氧200天以上,在魚池內施用后1-2個月內均可不斷放出氧氣.一般每月施用一次即可,初次每畝用6-12kg,第二次以后可以減半.水質,底有機物負荷過高時,用量取高限,反之,則取低限.過氧化鈣不僅能增氧而且可增加水體的堿度和硬度,提高pH,保持水體呈微堿性,絮凝有機物及膠粒.能夠起到改良水質和底質的作用.
活性沸石——某些種類的活性沸石,施用于池塘時,每千克可帶入空氣100000毫升,相當于21000毫升氧氣,它們均以微氣泡放出,增氧效果較好,活性沸石也有吸附異物改良水質,底質的功效.此外過氧化氫,高錳酸鉀在水中施用都有一定的增氧效果.
通常上述氧氣的來源以光合作用為主.不同研究者對不同類型魚池氧氣來源進行了估算:
國外低產魚池:光合作用89%,空氣溶解7%,補水4%.
國內高產魚池:光合作用61%,空氣溶解39%(開增氧機導致空氣溶解比例增大),補水增氧可忽略.
2.耗氧作用
(1)水呼吸——即水中微型生物耗氧,主要包括:浮游動物,浮游植物,細菌呼吸耗氧以及有機物在細菌參與下的分解耗氧.
這部分氧氣的消耗與耗氧生物種類,個體大小,水溫和水中機物的數量有關.據日本對養鰻池調查,在20.5-25.5℃時浮游動物耗氧的速率為721-932ml(O2)/kg·h;原生動物的耗氧速率為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產氧量遠大于本身的呼吸耗氧量.據研究,處于迅速生長的浮游植物,每天的呼吸耗氧量占其產氧量的10-20%;有機物耗氧主要決定于有機物的數量和有機物的種類(在常溫下是否易于分解).
通常采用黑白瓶測定水呼吸的大小——將待測水樣用虹吸法注入黑瓶及測氧瓶中,測氧瓶立即固定測定,黑瓶放入池塘取樣水層,過一段時間后,取出黑瓶測定其溶氧.據前后兩次測得溶氧量之差和在池塘中放的時間,就可以計算出每升水在24小時內所消耗氧氣的量,此為水呼吸.可見水呼吸不僅包括浮游動物,浮游植物,細菌呼吸耗氧,有機物的分解耗氧,還包括水中的其它化學<>物質氧化對氧氣的消耗量.
前蘇聯學者對十個湖泊水庫的水呼吸組成研究指出:在水呼吸中浮游動物占5-34%,平均23.5%,浮游植物占4-32%,平均19.1%,細菌占44-73%,平均57.4%.可見細菌呼吸耗氧是水呼吸耗氧的主要組成部分.
(2)水生生物呼吸——主要是指魚蝦的呼吸.
魚蝦的呼吸好氧速率隨魚蝦種類,個體大小,發育階段,水溫等因素而變化.魚蝦的耗氧量(以每尾魚每小時消耗氧氣毫克數計)隨個體的增大而增加;而耗氧率(以單位時間內消耗氧氣的毫克數計)隨個體的增大而減小;活動性強的魚耗氧率較大;在適宜的溫度范圍內,水溫升高,魚蝦耗氧率增加.
(3)底泥耗氧作用
底質耗氧包括底棲生物呼吸耗氧,有機物分解耗氧,呈還原態的無機物化學<>氧化耗氧.許多研究者對不同地區,不同類型養殖水體的底質耗氧率進行測定指出:我國湖泊底質耗氧速率為0.3-1.0g(O2)/m2·d.遼寧地區夏季養魚池塘耗氧速率為0.67-2.01,平均1.31±0.35g(O2)/m2·d,哈爾濱地區魚類越冬池平均耗速率為0.4g(O2)/m2·d(雷衍之1992).內蒙古地區魚池,生長期1.4,越冬期0.47g(O2)/m2·d(申玉春1998).日本養鰻池為1.1-13.2g(O2)/m2·d,美國養魚池底質耗氧率中值為1.46g(O2)/m2·d,前蘇聯養鯉池為0.4-1.0g(O2)/m2·d.
(4)逸出
當表層水中氧氣過飽和時,就會發生氧氣的逸出.靜止的條件下逸出速率是很慢的,風對水面的擾動可加速這一過程.養魚池中午表層水溶氧經常是過飽和,會有氧氣逸出,不過占的比例一般不大.
對各耗氧因素所占的比例曾有研究者進行估算,
國外池塘養魚單產較低,池中魚載量小,池魚耗氧占總耗氧的5-15%,逸出占1.5%,其它占80-90%.
國內,淡水魚池,無錫地區高產池的估算結果①池魚耗氧占總耗氧的20%,水呼吸占71%,底質耗氧占9%(忽略了逸出損失)②池魚耗氧占總耗氧的16.1%,水呼吸占72.9%,底質耗氧占0.6%,逸出占10.4%.③池魚耗氧占總耗氧的15.3%,水呼吸占69.4%,底質耗氧占14.8%(忽略了逸出損失).
海水對蝦池,①蝦呼吸耗氧占總耗氧的25.2%,水呼吸占58.2%,底質耗氧占16.6%(臧維玲1995)②蝦呼吸耗氧占總耗氧的21.8%,水呼吸占75.1%,底質耗氧占3.17%.(臧維玲1995)③蝦呼吸耗氧占總耗氧的34%,水呼吸占35%,底質耗氧占30%(林斌1995).
蟲子的悲哀 發表于 2012-5-31 17:00
大哥，有沒有總結過后的，如PPT呀？
二,溶氧的分布變化規律
1.溶氧的日變化
(1)表層水
湖泊,水庫表層水的溶氧有明顯的晝夜變化.受光照日周期性的影響,白天水中植物有光合作用,晚上光合作用停止.從而導致表層水溶氧白天逐漸升高,晚上逐漸降低,如此周而復始地變化.溶氧最高值出現在下午日落前的某一時刻,最低值則出現在日出前后的某一時刻,最低值與最高值的具體時間決定于增氧因子和耗氧因子的相對關系.如果耗氧因子占優勢,則早晨溶氧回升時間推遲,且溶氧最低值偏小,具體條件不同情況也不盡相同.
(2)中層和底層水
湖泊和水庫的中層與底層,溶氧也有晝夜變化,但變化幅度較小,變化的趨勢也有所不同.由于在一般水體中中層和底層光照較弱,產氧就少,風力的混合作用可將上層的溶氧送至中下層,從而影響溶氧的變化.
(3)日較差
溶氧日變化中,最高值與最低值之差稱為晝夜變化幅度,簡稱為"日較差".日較差的大小可反映水體產氧與耗氧的相對強度.當產氧和耗氧都較多時日較差才較大.日較差大,說明水中浮游植物較多,浮游動物和有機物質適中,也即餌料生物較為豐富,這有利于魚類的生長.
在溶氧最低值不影響養殖魚類生長的前提下,養魚池的日較差大些較好.南方漁農中流傳的"魚不浮頭不長"的說法,是對早晨魚浮頭的魚池,魚一般生長較快現象的總結.這主要是針對以培養天然餌料養魚來說的,如果用全價配合飼料流水養魚或網箱養魚,就不存在池水日較差大對魚類生長有利的說法了.
2.溶氧的年變化
一年中,隨水溫變化及水中生物群落的演變,溶氧的狀況也可能發生一種趨向性的變化.只是情況比較復雜,變化的趨向隨條件而變.如貧營養型湖泊,水中生物較少,上層溶氧接近于溶解度,溶氧的年變化將是冬季含量高,夏季含量低.
養魚池生物密度大,變化比較劇烈,在一段時間內(長則10-15天,短則3-5天),水中生物群落就會發生較大的變化,從而引起溶氧狀況的急劇變化.如浮游植物豐富,浮游動物適中,溶氧正常的水體,在3-5天后可能轉變為浮游動物多,浮游植物貧乏,溶氧過低的危險水質,這一點應加以注意.
日照時間的變化對溶氧會產生一定的影響.冰封初期,日照較長,冰層也薄,光合作用產氧量較大,大部分越冬池的溶氧變化呈上升趨勢;后來日照時間越來越短,冰層也加厚,光合作用產氧量減少,大部分越冬池在此期間溶氧都降低;以后日照越來越長(盡管冰層已達最厚),溶氧又開始回升.冬季池塘溶氧的日較差較小.
3.溶氧的垂直變化
湖泊,水庫,池塘溶氧的垂直分布情況比較復雜,與水溫,水生生物狀況,水體的形態等因素密切相關.
貧營養型湖泊溶氧主要來自于空氣的溶解作用,含量主要與溶解度有關.夏季湖中形成了溫躍層,上層水溫高,氧氣的溶解度低,含量也相應低一些.下層水溫低,氧氣的溶解度高,含量也相應高一些.
富營養型湖泊,營養鹽豐富,有機質較多,水中生物量較大,水的透明度低,上層水光合作用產氧使溶氧豐富,下層得不到光照,無光合作用,水中原有溶氧很快被消耗,處于低氧水平.
各水層光合作用產氧速率隨深度的增加而變化.浮游植物在過強光照射下會產生光抑制效應,表層光合作用速率反而不如次表層大,在晴天一般有光抑制現象,次表層水溶氧量最高,陰天則表層水為最高.
對于較淺的水體(如40-50cm深),水清見底,水中有大量底棲藻類生長,整個水體溶氧都過飽和,也會出現底層水溶氧高于表層水的情況.
4.溶氧的水平分布
由于溶氧垂直分布的不均一性,從而在風的作用下使溶氧的水平分布也表現為不均勻.一般認為水較深,浮游植物較多的魚池,上風處水中溶氧較低,下風處水中溶氧較高,相差可能達到每升數毫克.下表為一次實測結果.
養魚池溶氧的水平分布(水深2m)
測定位置 上風處 下風處
水層 表層 底層 表層 底層
水溫(℃) 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
在水中溶氧底層高于表層的情況下,會出現與上述相反的情況----溶氧上風處高于下風處.
在河流的支流匯入處,湖泊,池塘的進出水口處,淺海的淡水流入處,生活污水及工業廢水污染處,甚至魚貝類集群處,溶氧及其水質特點也會與周圍有相當大的差別,水平分布呈不均勻狀態.例如,有研究者發現,養珍珠貝的珠籠內溶氧較籠外低得多,特別是放養密度大,網眼較小時尤其如此.
三,溶氧的生態學意義
1.對水生生物的直接影響
(1)急性影響——引起水生生物的窒息死亡
窒息點:引起生物窒息死亡的溶氧上限值稱為該生物的窒息點.不同生物的窒息點可能不同,溫度升高能使窒息點提高,海水魚耐低氧能力差.
(2)慢性影響
如果水中溶氧偏低,但尚未達到窒息點,不會引起水生生物的急性反應,但會產生慢性影響,主要表現在:
影響魚蝦的攝餌量及餌料系數——長期生活在溶氧不足的水體中,攝餌量會下降;
影響魚的發病率——長期生活在低氧條件下的水生生物,體質下降,對疾病的抵抗力降低,故發病率升高.在低氧環境下,寄生蟲病也容易蔓延;
影響胚胎的正常發育——在魚,蝦孵化期,胚胎對溶氧的要求高,如氧氣供應不足,易出現畸形,引起胚胎死亡;
影響水中毒物的毒性——溶氧降低,使水生生物呼吸頻率增加,如果水中存有毒物,則水生生物對毒物的接觸量將增大,危害也就增大.
(3)氣泡病
當水中的藻類等浮游植物或青苔過多,尤其是在夏季氣溫高時,氧氣在水中的溶解度降低,而水受陽光強烈照射后,水中植物的光合作用大大加強,產生大量的氧,水中無法溶解,于是氧形成氣泡.魚體附著氣泡以及誤吞氣泡,使得魚失去控制沉浮的能力,無法自由游動,在水中掙扎,消耗很大,最終死亡.在運輸過程中過度送氣也容易引起氣泡病.
2.對水質的影響
(1)對氧化還原電位的影響
天然水的氧化還原狀況是由水中的氧化還原物質所決定.水的氧化與還原狀態的分界不是絕對的,一般含有較豐富溶氧的水稱為氧化狀態水(或氧化環境).
氧化與還原狀態的分界與pH有關,即隨pH的升高而降低.堿性條件下Eh>0.15V即為氧化狀態,而酸性條件下Eh>0.4-0.5V才為氧化狀態.在弱還原環境,即酸性條件下Eh<0.4-0.5V以及在堿性條件下Eh<0.15V時,鐵與錳以低價狀態存在;Eh繼續降低降低SO42-將被還原為H2S,Eh變為負值;在強還原條件下,將有CH4與H2生成.
(2)對元素存在價態的影響
溶氧含量豐富的水體中NO3-,Fe3+,SO42-,MnO2等是穩定的;如水中缺氧,則被相應還原為NH4+,Fe3+,S2-,Mn2+等.在缺氧條件下,有機物氧化不完全,會產生有機酸及胺類.在有氧條件下,有機物氧化則較完全,最終產物為CO2,H2O,NO-3,SO42-等無毒物質.當水體有溫躍層存在時,上下水層被隔離,底層溶解氧可能很快耗盡,出現無氧環境.此時,上下水層的水質有很大差別,許多物質的存在形式及含量將有很大不同.
3.溶氧分壓與魚耗氧率的關系
水中溶氧分壓與魚類耗氧率之間的關系模式圖
(1)AG線表示基礎代謝耗氧情況——A點為基礎耗氧率,即魚不攝食不運動,僅為生存所必需的最低耗氧率;A'點稱為窒息點;a點為窒息點的氧分壓,也稱臨界點氧分壓.我國主要養殖的四大家魚和中國對蝦的窒息點在0.5-1mg(O2)/L.在水中的分壓大于該值時,魚的基礎耗氧率與氧分壓無關.
(2)當水中氧分壓小于窒息點a時——魚的耗氧率沿AD線下降,一定時間后魚即死亡.溶氧分壓在o—a區間稱為窒息區;當氧分壓大于a時,魚可正常生存,故叫生存區.
(3)當水中氧分壓小于d時——魚無法耗氧,迅速死亡,稱即死區,D為即死點.
(4)當氧分壓大于m時——當水中的氧分壓從a點起不斷增大,則魚的耗氧速率沿AM線升高,活動能力隨之加強.M點稱為上線點,為最大活動耗氧率.M'點則為最大溶氧分壓.水中氧分壓大于m值時,溶氧不成為限制呼吸耗氧率的因素,魚類可完全自由的活動,稱為自由區或獨立區;相反如水中氧分壓介于m和d之間,魚的呼吸耗氧率隨氧分壓的升高而加快,在同樣時間內釋放的代謝能也較多,這一區域稱為依存區.大體上,AM線段中的C點相當于中等運動量,B點為相對安靜的狀態.當水中氧分壓等于b時,魚類便不能有任何多余活動了.顯然水中溶氧分壓在a和m之間是溶氧不足區
四,養殖生產中溶氧的管理
1.加強增氧作用
(1)生物增氧
保證水中有充分的植物營養元素和光照,增加浮游生物種群數量.
(2)人工增氧
機械增氧——注入溶氧量較高的水,或用增氧機攪水以增加空中氧氣向水中溶解或充入純氧.
化學<>增氧——借助一些化學<>試劑向水中釋放氧氣,如過氧化鈣,活性沸石等.
2.減少耗氧作用
(1)降低水體耗氧速率及數量——養殖生產中常用挖去底泥,合理施肥投餌,用明礬,黃泥漿凝聚沉淀水中有機物及細菌等方法.
(2)改良水質——減少或消除有害呼吸的物質(如濁度,CO2,NH3,毒物等).搶救泛塘時使用的石灰,黃泥等,就有這種作用.
二,天然水的pH
1.天然水的pH
(1)酸度
——水中能與強堿反應的物質的總量,用1L水中能與OH-結合的物質的量來表示.天然水中能與強堿反應的物質除H3O+(簡記為H+)外,常見的還有H2CO3,HCO3-,Fe3+,Fe2+,Al3+等,后3者在多數天然水中含量都很小,對構成水酸度的貢獻少.而某些強酸性礦水,富鐵地層的地下水可能含有較多的Fe3+(含氧,強酸)或Fe2+(酸性,缺鐵),在構成酸度上就不可忽略.
根據測定時候使用的指示劑不同,還可分為總酸度(用酚酞作指示劑,pH 8.3)和無機酸度(又稱強酸酸度,用甲基橙作指示劑,pH 3.7).
(2) 天然水的pH
天然水按pH值的不同可以劃分為如下五類:
強酸性 pH10.0
中性 pH6.5-8.0
大多數天然水為中性到弱堿性,pH在6.0-9.0之間.淡水的pH值多在6.5-8.5,部分蘇打型湖泊水的pH值可達9.0-9.5,有的可能更高.海水的pH值一般在8.0-8.4.地下水由于溶有較多的CO2,pH一般較低,呈弱酸性.某些鐵礦礦坑積水,由于FeS2的氧化,水解,水的pH可能成強酸性,有的pH甚至可低至2-3,這當然是很特殊的情況.
4FeS+9O2+10H2O=4Fe(OH)3↓+4SO42-+8H+
4FeS2+15O2+14H2O=4Fe(OH)3↓+8SO42-+16H+
大水體堿度的日變化幅度一般很小,但是季節變化明顯.下表為內蒙古克斯克騰旗一個淡水淺泡沼堿度的季節變化.該水體面積近2.6×103 hm2,水深不到2m.
下表列舉了水中典型生物學過程對堿度的影響.表中的"碳同化"與"呼吸作用"中的示意反應(2)表達的是存在CaCO3溶解沉淀平衡的次級反應時的情況,其余均只反映了生物學過程本身對堿度的影響.了解這種變化對我們在養魚池水質調控,及污水生物處理中認識堿度,pH的變化,碳源的補充很有幫助.比如在利用硝化作用轉化水中NH4+的污染時,就要考慮向水中補充碳源,否則堿度和pH會不斷降低.
典型生物學過程對堿度的影響
生物學過程 反應示意 對堿度的影響
碳同化 1)2HCO3-→CO2 + CO32-→有機碳+CO32-+O2 AT不變
2)Ca2++2HCO3-→有機碳+CaCO3↓+O2 AT降低
呼吸作用 1)有機碳+O2→CO2→HCO3-+H+ AT不變
2)有機碳+O2+CaCO3(s)→Ca2++HCO3- AT增加
NH4+同化 NH4+→有機氮+H+ AT降低*
NO3-同化 NO3-→有機氮+OH- AT增大*
氨化作用 有機氮+O2→NH4++OH- AT增大*
硝化作用 NH4+→NO3-+2H+ AT減少*
脫氮作用 NO3-→N2↓+OH- AT增大*
*此處只反映了過程本身對堿度的影響.如有次級反應(后續過程)存在,情況就比較復雜,可參考"碳同化"及"呼吸作用".
堿度與水產養殖
(1)適宜的堿度可以降低重金屬的毒性
通常游離的重金屬離子毒性較大.重金屬及過渡金屬離子能與水中的碳酸鹽形成絡離子,甚至生成沉淀,使游離金屬離子的濃度降低.例如R.W.Andrew等(1977)在研究銅對大型蚤的毒性時證實,銅的有毒形式是Cu2+,CuOH+.可是當湖水的堿度足夠大時[42～511mg/L(CaCO3),pH=7.8-8.0],水中的銅約有90%轉化為碳酸鹽絡合物,Cu2+,CuOH+的實際濃度很低,因而表現出的銅的毒性也就小.在用重金屬防治魚病時要注意重金屬的用量(劑量)與水體的堿度有關.堿度大,重金屬的藥效就會降低.
(2)堿度可以調節CO2的產耗關系,穩定水的pH值
水中存在如下平衡:
Ca2++2HCO3- CaCO3(s)+ H2O + CO2↑
光合作用強烈時,如果水中HCO3- 較多,就可以通過上述平衡向右移動,補充被光合作用消耗的CO2.當呼吸作用較強時,多余的CO2可以轉變為HCO3-儲備起來.保持適宜量的堿度可使水pH值相對穩定.
(3)堿度過高對許多養殖生物有毒 在我國干旱與半干旱地區有一些水域,堿度偏大,水中經濟水生生物的種類就明顯減少,有的甚至沒有經濟種類生存,移殖馴化耐鹽種類也未能成功.例如內蒙古克旗的達里諾爾湖,離子總量5.6克/升,總堿度44.5mmol/L,Ca2+為0.14mmol/L,Mg2+為1.0mmol/L,pH9.5,在湖內的經濟魚類只有瓦氏雅羅魚及鯽魚.鯉魚在這種水中僅能存活數天,梭魚和花鰱,白鰱只能存活數小時.黎道豐等(2000)通過對內陸15個鹽堿度不同的典型水體中魚類區系結構和主要經濟魚類生長的比較和分析表明,魚類的區系結構,種類數量和生長速度與水體鹽堿度的高低有著密切關系,鹽堿度高的水體其魚類土著的種類數較少,生長速度較慢.
關于碳酸鹽堿度過高對魚類毒性的實驗研究,比較早的有史為良(1981),雷衍之等(1985)的一些工作.根據雷衍之的報道,碳酸鹽堿度對魚的毒性隨著pH的升高而增加.對鰱魚種堿度的24hLC50與pH有如下回歸關系
pH24hLC50=10.00 - 0.0149{A24hLC50}mmol/L (n=25 r=0.976)
pH值越高,堿度對白鰱魚種的24hLC50的值越小,即堿度的毒性越大.
水的鹽度也會使堿度的毒性增加.根據章征忠等(1999)的研究,鹽度對鰱幼魚的24hLC50為11.2g/L(pH=8.60±0.18);堿度對鰱幼魚的24hLC50為51.4mmol/L(pH=8.74±0.34).堿度和鹽度共同作用時,兩者的24hLC50大致符合如下關系(pH=8.76±0.23,T=23±2℃):
綜合史為良(1981)雷衍之(1985)的實驗研究結果,一些經濟魚類對高堿度的耐受能力大致有如下順序:青海湖裸鯉>瓦氏雅羅魚>鯽>丁鱥 >尼羅羅非魚>鯉>草魚>鳙,鰱.
養殖用水堿度的適宜量以1-3mmol/L較好.美國環保局《水質評價標準》中,提出:"除天然濃度較低者外,為了保護淡水生物,以CaCO3表示的堿度應不小于20mg/L".雷衍之等提出,四大家魚養殖用水的堿度的危險指標值是10mmol/L.
2.硬度
硬度的定義
硬度是指水中二價及多價金屬離子含量的總和,如Ca2+,Mg2+,Fe2+,Mn2+,
Fe3+,Al3+等.其中構成天然水硬度的主要離子是Ca2+和Mg2+,因此,一般都以Ca2+和Mg2+離子的含量來計算硬度.
天然水的硬度
按形成硬度的離子不同,可分為鈣硬度,鎂硬度,鐵硬度等.考慮到水中與硬度共存的陰離子的組成,又可將硬度分為碳酸鹽硬度與非碳酸鹽硬度.碳酸鹽硬度是指水中與HCO3-及CO32-所對應的硬度.這種硬度在水加熱煮沸后,絕大部分可以因生成CaCO3↓而除去,故又稱為暫時硬度.非碳酸鹽硬度是對應于硫酸鹽和氯化物的硬度,即由鈣鎂的硫酸鹽,氯化物形成的硬度.它們用一般煮沸的方法不能從水中除去,所以又稱為永久硬度.其實"永久硬度"用離子交換法(用強陽性離子交換樹脂或磺化煤等)也可以除去.
根據硬度和陰離子含量,可以把水硬度分為兩種情況:
為了便于對水的利用,一般把天然水按硬度分成五類:
天然水硬度分類
類 別 硬度范圍 德國度,°HG mmol/L( 1/2 Ca2+, 1/2 Mg2+)
極 軟 水 0～4° 1.4以下
軟 水 4～8 ° 1.4～2.8
中等軟水 8～15° 2.8～5.7
硬 水 16～30° 5.7～11.4
極 硬 水 30°以上 11.4以上
天然水的硬度差別很大,雨水的硬度一般很低,靠雨水或融化雪水補給的河流,水硬度都比較低.我國南方多雨地區的河流,水硬度很低;干旱半干旱地區的鹽堿,澇洼地的地面水與地下水,硬度多數都比較高.一般來說,隨著含鹽量的增加,水硬度也增大.在一些特殊水文地質條件下形成的蘇打湖(碳酸鹽類鈉組Ⅰ型水),水硬度則相對較低.
硬度的變化
養魚池水的硬度首先決定于水源水的硬度.新修建的養魚池,土壤中的可溶性鈣,鎂也會轉入池水中,使水硬度增高.修建在鹽堿地上灌注淡水的養魚池,隨著塘齡的增加,土壤中的鈣,鎂會因淋溶而減少,致使池水的總硬度也逐年降低,下表即是一個研究實例.對鹽堿地進行漁業開發時,應注意這種變化.在開發初期,注水后水的鹽度,硬度,堿度都會增加.必要時,應更換池水.
對淡水養魚池,生產管理上的操作及水中生物代謝活動也可使池水硬度發生變化.比如施用過磷酸鈣,潑灑石灰漿水,甚至水生生物的光合作用和呼吸作用,都能使池水硬度變化.下表是一個養魚池硬度的晝夜變化情況,日變化量達到0.6-0.8德國度.
魚池硬度的變化實例
時間 5:30 17:00 5:30 17:00
7月15日(晴)
7月16日(晴)
總硬度/ HG 34.8° 33.9° 34.2° 33.6°
硬度與水產養殖
(1)鈣,鎂是生物生命過程所必需的營養元素,它們不僅是生物體液及骨骼的組成成分,還參與體內新陳代謝的調節.
鈣是動物骨骼,甲殼及植物細胞壁的重要組成元素,而且對蛋白質的合成與代謝,碳水化合物的轉化,細胞的通透性以及氮,磷的吸收轉化等均有重要影響.缺鈣會引起動植物的生長發育不良.藻類細胞必需鈣,硅藻大都喜歡在硬水中生長,水中鈣含量過少會限制藻類的繁殖.
鎂是葉綠素中的成分,各種藻類都需要鎂.鎂在糖代謝中起著重要的作用.植物在結實過程中需要較多的鎂.鎂不足,核糖核酸(RNA)的凈合成將停止,氮代謝混亂,細胞內積累碳水化合物及不穩定的磷脂.缺鎂還會影響對鈣的吸收.
有調查發現,池水總硬度小于10mg/L(0.2mmol/L),即使施用無機肥料,浮游植物也生長不好.總硬度為10-20mg/L(0.2-0.4mmol/L)時,施無機肥料的效果不穩定.僅在總硬度大于20mg/L時,施用無機肥料后浮游植物才大量生長.美國有人在軟水池塘進行施生石灰的試驗,當總硬度由7.8mg/L增至32mg/L后,水中堿度增大至原來的4倍,羅非魚的產量增加約25%.
(2)鈣離子可降低重金屬離子和一價金屬離子的毒性
有人用硬頭鱒魚做試驗,當水的硬度從10mg/L增加到100mg/L時,銅和鋅的毒性大約降低了3/4.許多重金屬離子在硬水中的毒性都比在軟水中的要小得多,這可能是由于鈣可減少生物對重金屬的吸收量.一價金屬離子濃度過高時對許多水生生物有毒害作用,增加鈣含量可以降低一價金屬離子的毒性.
部分金屬離子在硬水與軟水中的毒性比
金屬離子 毒性比
鈦 14.6
鉻 15
鐵 77
鎳 24
銅 15～500
鋅 3～67
鎘 5.5
鉛 33
*毒性比是指硬水中的有毒濃度與軟水中的有毒濃度的比值.
(3)鈣,鎂離子可增加水的緩沖性
一定的硬度,可以使水具有較好的緩沖性,即具有較好的保持pH的能力.
(4)水中鈣,鎂離子比例,對海水魚,蝦,貝的存活有重要影響
比例不合適,會引起養殖種類的大批死亡.例如:根據臧維玲(1995,1998)研究的結果證實:在羅氏沼蝦育苗中配制人工海水時,不僅要注意鹽度符合要求,還要注意Ca2+,Mg2+的含量及Mg2+/ Ca2+比例,出苗率較高的條件是滿足Ca2+含量170-244mg/L, Mg2+含量324-440mg/L及Mg2+/ Ca2+質量比R=1.8-2.2.中華絨螯蟹育苗用水要求Ca2+含量178-340mg/L,Mg2+含量484-816mg/L.Mg2+/Ca2+質量比R=2.0-3.0 (實驗在 S =15-16的條件下進行).王慧等(2000)通過急性毒性試驗得出中國對蝦在水環境中能夠生存的Ca2+和Mg2+質量濃度范圍分別為24.92-280.66mg/L和34.5-344.9mg/L,ρ(Mg2+)/ρ( Ca2+) 比在1-3之間為最好.Ca2+含量過高過低都影響中國對蝦的生長.但Mg2+含量降為正常海水的一半時也能正常生長.
四,天然水緩沖作用
1.天然水緩沖體系
天然水都有一定的維持本身pH值的能力,即具有一定的緩沖性.其原因是水中存在緩沖體系:
(1)CO2— HCO3- — CO32- 緩沖體系
這兩個平衡在水中一般都同時存在.PH<>8.3時,則可僅考慮第二個平衡.在pH8.3附近,兩個平衡都應同時考慮.為此可采用下式表達:
2HCO3- CO32-+CO2+H2O
天然水的pH決定于水中HCO3-/CO32-或CO2/ HCO3-的含量比.
(2)Ca2+—CaCO3體系
水中存在如下平衡:
Ca2++CO32- CaCO3(s)
這一平衡可調節水中CO32-濃度.水中Ca2+含量足夠大時,可以限制CO32-含量的增加,從而限制了pH的升高.
(3)離子交換緩沖系統
水中的粘土膠粒表面一般都有帶電荷的陰離子或陽離子,多數為陰離子.這些表面帶負電的基團可以吸附水中的陽離子(如K+,Na+,Ca2+,Mg2+,H+等),建立離子交換吸附平衡:
此外,如果水中還有其他弱酸鹽,比如硼酸鹽,硅酸鹽,有機酸鹽等,也存在相應的電離平衡,這此平衡類似于水中碳酸平衡,也可以調節水的pH值.相對而言由于水中HCO3-含量比其他弱酸鹽大得多,水的緩沖性主要還是靠上述三個平衡系統起調節作用.海水由于離子強度很大,水中生成很多離子對,也對pH有緩沖作用.
另外,水中的Mg2+也可限制pH的上升幅度.比如,池塘養魚中常采用生石灰清塘(殺菌消毒,殺死野雜魚),這主要是通過提高水pH值來達到清塘目的.對淡水池塘,這是很好的行之有效的辦法.而對于海水池塘,由于大量Mg2+的存在,使海水的pH值很難提高,需要消耗大量的生石灰.因此,生石灰清塘對海水池塘不適用.
2.天然水緩沖容量
對于碳酸緩沖系統,加入一元強堿,可使水的堿度增加相應數值;加入一元強酸,可以水的堿度減少相應數值.用AT代表水的總堿度(此處忽略硼酸鹽等其它構成堿度的因素,且將活度系數視為1)則有:
將[HCO3-]及[CO32-]換算為與CT ,CO2及分量f0,f1,f2的關系,再求導,整理后可得:
據此可以繪出碳酸緩沖體系的緩沖容量與pH的關系圖. 值在pH6.4-6.5附近有一個極大值;在pH4.4及8.4附近有一個極小值.pH從這兩極小值向外變化, 值都較快增加,這時分別是因為H+或OH-濃度增加而具有的緩沖能力在起作用.
緩沖容量與pH的關系
從關系圖中可知,CT ,CO2的增加,使體系在pH6.5( 的極大值)附近的緩沖容量有較大增加.在pH硬度).蒸發作用可使水體的堿度進一步增大,作為養殖用水,須注意經常更換.另外,為減輕CO32-對魚的毒害,可增施有機肥,保證水體CO2的供應,并限制水體中水草的大量繁殖,以免光合作用大量吸收水體CO2而導致CO32-含量的增大.
第四章 天然水中的營養物質及其循環
第一節 植物對營養元素吸收的一般規律
一,植物營養元素的分類
(1)植物營養元素可分為必需元素和非必需元素
必需元素——植物正常生長發育所必需而不能用其他元素代替的營養元素
可分為:
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為:構成植物體內有機結構的組成成分,參與酶促反應或能量代謝及生理調節.如纖維素,單糖和多糖中含有碳,氫,氧;蛋白質中含有碳,氫,氧,氮,磷,硫;某些酶中含有鐵或鋅;Mg2+和K+是兩種不同的酶的活化劑;K+和Cl-對滲透調節具有重要作用等等.
(2)非必需元素——植物正常生長發育不需要的元素
可分為:
無害元素——雖然植物正常生長發育不需要,但是少量攝入后不會產生嚴重病理現象,如鉍元素等
有害元素——不僅植物正常生長發育不需要,而且攝入微量,就會出現病態或中毒癥狀,又稱有毒無素.如汞,鎘,鉛等
養殖水化學<>課程中主要介紹水生植物生長必需,而在自然水體中含量相對較低的元素,如N,P,Si等.
二,水生植物吸收營養元素的一般規律
(1)米氏方程
——藻類細胞對營養鹽的吸收是一個復雜的生物化學<>酶促反應過程,其反應速度和底物濃度的關系符合一般酶促反應的動力學方程——Michaelis-Monten方程.
式中V為酶促反應速度,即底物消失速度或產物生成速度;
S為限制性底物的濃度;
Vmax為最大反應速度,即[S]足夠大時的飽和速度;
Km為米氏常數,又稱為半飽和常數.
(2)半飽和常數的意義
半飽和常數值可作為藻類細胞能正常生長所需維持水中有效形式營養鹽的臨界濃度,也可用于比較不同浮游植物吸收營養鹽能力的大小.
在光強,水溫及其它條件適宜而營養鹽含量較低時,Km值越小的浮游植物越容易發展成為優勢種;Km值越大的浮游植物會因缺乏營養鹽使生長受到限制.而當營養鹽過于豐富時,浮游植物群落結構會發生明顯變化,可能導致某些有害浮游植物的迅速繁殖.
通過試驗,測定不同種類浮游植物對營養鹽吸收反應的半飽和常數值具有重要意義.
米氏方程僅符合于正常藻類細胞對營養鹽的吸收規律.
三,影響天然水體初級產量與生產速率的限制因素
(1)水中營養元素的平均有效濃度[S]
——為獲得正常的初級生產速率,通常要求水體的[S]應維持在3 以上
(2) 緊靠藻類細胞表面水體中營養鹽的有效濃度
(3)水中營養鹽的總儲存量
(4)向藻類細胞表面遷移補給有效營養鹽的速率
第二節 氮元素及其循環
一,氮元素的來源與存在形式
1.來源
養殖水體中氮的主要來源如下:
魚池中施入大量畜禽糞肥,分解產生無機氮.
注入含有大量氮化合物的生活和工業混合水.
水生生物和魚類的代謝產物中含有氮.
池塘中氮主要來源于肥料和飼料.進入水體中的氮一般以氨的形式存在.這些氮來源于魚鰓排泄物和細菌的分解作用.據研究,飼料中的氮有60-70%被排泄到水體中,因此水產養殖生態中總氮濃度與投飼率及飼料蛋白含量有直接關系,在精養池中經常會出現對魚類有害的"富氮".
2.存在形式
游離態氮——氮分子具有相對較強的化學<>惰性,在水中的溶解度也很低,但由于氮氣是大氣中最主要的組成,其體積分數可達78%,因此,氮分子在水中的含量較高,在海洋中可達20mg/Kg,而其它可溶性氮化合物僅為0.7mg/Kg.
有機氮——包括蛋白質,氨基酸,尿素,胺類,硝基化合物等.
硝酸態氮——有氧環境中,微生物氧化氨,亞硝酸鹽的產物;同時,在高溫條件下,空氣中的氮會生成各種氮氧化合物,它們進一步轉變為硝酸鹽,作為微生物生產硝酸鹽的補充.
亞硝酸態氮——亞硝酸氮在天然水中的濃度是非常低的,它主要是硝化反硝化過程及植物體內被攝取的硝酸在硝化酶的作用下轉化為氨及氨基酸過程的中間產物.
總銨態氮——水中含氮有機物分解礦化及硝酸鹽,亞硝酸鹽反硝化作用產生.包括以非離子氨和銨鹽形式存在的氮.
二,氮元素的循環
1.氮氣的溶解作用
天然水中氮的最豐富形式是溶解游離態氮氣,主要來自空氣的溶解,地表水中游離氮的含量為近飽和值,脫氮作用和固氮作用可能改變其含量,但其影響似乎不大,在天然水域中,游離態氮的行為基本上是保守的.
大氣中氮在水中的溶解遵守亨利定律和道爾頓定律.
2.植物對氮的吸收
硝酸態氮,亞硝酸態氮,氨態氮是一切藻類都能直接吸收利用的氮源.
通常認為,植物會首先吸收NH4+,當海水中NH4+幾乎被耗盡時才會大量吸收NO3--N.
溶解有機氮也是一些微藻和細菌主要的可利用營養鹽之一.
近年來的一些研究表明,浮游植物也會直接利用一部分溶解有機氮化合物(DON),但是吸收量甚少.
固氮作用
固氮作用是氮循環的一個主要過程,即水中氣態氮通過特定的細菌,藍綠藻成為有機氮,這是水中氮的重要來源之一.相對沉積物來講水體中的固氮作用較小,氨的存在會降低固氮作用速率,此外硝酸和氧也對固氮作用有影響.
3.氮元素的再生
——無機氮被浮游植物吸收轉化成有機氮,并通過浮游動物的攝食,各級浮游動物之間及魚類等的捕食繼續在食物鏈中傳遞.在這個過程中有相當一部分氮由于溶出,死亡,代謝排出等離開食物鏈重新回到水體中,這就是營養鹽的再生過程.
浮游植物胞外溶出——在河口和沿岸區域,大約30%的凈初級生產力被浮游植物溶出,而約20%的被浮游動物捕食.可見,由浮游植物胞外溶出產生的有機物是不可忽視的.盡管有研究表明浮游植物細胞傾向于貯存氮,但有研究表明,在缺氧和存在細菌時,胞外溶出氮就會增加,分別占到細胞內氮的10%～20%和3%～12%.溶出產物主要包括蛋白質,氨氮以及少量的亞硝酸鹽和氨基酸.
浮游動物及魚類的溶出和排泄——氨氮是浮游動物溶出產物的主要形式,當然還包括脲,氨基酸,蛋白質等.不同種類的浮游動物溶出速率并不相同,Verity對Sargasso Sea的橈足類進行研究測定,發現溶出速率還與動物干重有顯著的相關性,個體較小的動物的溶出速率比個體較大的快.
有機碎屑——動物新陳代謝后的排泄物和死亡的浮游生物的個體,組織等是水環境中有機碎屑庫的主要來源.這些顆粒物在沉降和隨水團運動的過程中,一部分被浮游動物濾食,另一部分則被細菌降解成為氨和小分子溶解有機氮.隨著細菌在有機物轉化中的作用越來越重要,各種對有關微生物環的研究也越來越多,由此產生的溶解有機氮在氮循環中的作用也越來越不容忽視.
4.硝化作用
天然水中的硝化作用主要分兩步,每一步都有細菌的參與.首先氨在亞硝化細菌的作用下氧化為亞硝酸鹽;接著在硝化菌的作用下繼續氧化成硝酸鹽.硝化速率常常受氧氣的限制,但由于硝化菌對氧氣的親合力較強,硝化作用也可在低氧水平下發生,尤其是在沉積環境中.
5.反硝化作用
——反硝化(脫氮)作用就是在微生物活動的作用下,硝酸鹽或亞硝酸鹽被還原為N2O或游離氮的過程.
在自然界的水圈和沉積物中有相當大的范圍內廣泛地存在著厭氧細菌,在缺氧條件下,通過厭氧細菌的活動,被還原為N2的脫氮過程。
脫氮作用的詳細生化機理尚不清楚,一般認為可能按下述途徑進行:
脫氮作用受許多水質條件的影響,例如pH7-8為最適范圍,而pH太平洋>大西洋.
在河口,近岸地區,氮的垂直分布明顯受生物活動,底質條件與水文狀況的影響.若上下層水體交換良好,垂直含量差異較小;而在某些水體交換不良的封閉或半封閉海區,上下層海水難以對流混合,在200米以下因水體缺氧,硝化作用減弱,硝酸態氮含量下降,而氨態氮含量增加.在上升流海區,由于富含氮的深層水的涌升,該區無機氮的含量明顯增加.
三.季節變化
研究表明,中緯度(溫帶)海區和近岸淺海海區的季節變化較為明顯,而且與海洋浮游植物生物量的消長有明顯的關系,反映了生命過程的消長.夏季浮游植物繁盛期間,無機氮被大量消耗,加上溫躍層的存在,妨礙了上下層海水的混合,無機氮的含量都降至很低.特別是在表層,NO3--N和NO2--N幾乎消耗殆盡.進入秋季后,浮游植物繁殖速率下降,生物殘體中的有機氮化合物逐步被微生物礦化分解,加上水體混合作用,其含量逐漸上升并積累起來.到冬季,表層和底層水中無機氮含量都達到最大值.春季,浮游植物生長又開始進入繁盛期,海水無機氮含量再次下降,至夏季表層水中含量達到極低點.僅有少量NH3-N被檢出.相比之下,底層海水中NO3--N并未枯竭,仍保持一定含量.
五,氮肥的施用
1.氮肥的形態
(1)氨態氮肥——需特別注意用量,使水中的氨分子(NH3)的濃度不要超過魚類的忍受限值,以免抑制魚類生長.同時要考慮在有效氮被吸收后,有無殘留成份,如使用碳酸氫氨殘留的碳酸氫根具有補充有效碳的作用,而使用硫酸氨所殘留的是硫酸根,在厭氣條件下,會還原成有毒的硫化氫.對養殖水環境不利.
(2)酰胺態氮肥——盡管有許多藻類能吸收利用尿素,但有研究指出,當水中NH4+-N含量超過7μg/L時,藻類利用尿素的能力將受到抑制,而水中通常會含有如此低量的氨離子.此時,藻類只有待尿素經微生物或酶(尿素酶)的作用下轉變為氨分子(HN3)和氨離子(NH4+)后才能間接利用.據農業施肥的研究結果,尿素轉變為NH3和NH4+,在低溫季節需7-10天,高溫季節需2-3天才能完成,具緩效肥的特點,尤其是在與磷肥同時使用時,更應加以注意.
(3)硝酸態氮肥——能被藻類迅速利用,在一般施肥濃度下,對其他餌料生物及魚類無不良影響.其缺點是,缺氧時易在脫氮細菌的作用下,還原為N2和N2O而造成損失.在與氨共存時,藻類優先利用氨態氮而使對硝酸態的吸收受到抑制,此時損失的機率就更大,因此盡量不選用硝酸態氮肥.另外使用時還要留意肥料的酸堿性,一般選用生理中性的為好,水體的堿度小,緩沖能力小的水體更應注意這個問題.
2.常用氮肥及其特點
商品氮肥的主要品種及其一般特點
類別 肥料名稱 主要成分 化學式 含氮量(%) 氮的形態 殘 留 副成分 主要特點
液態氮肥 液氨 NH3 82 氨態 無 堿性,揮發
氨水* NH3+H2O,NH4OH 16-25 氨態 無 堿性,揮發
氨制品 NH3+NH4NO3 30-45 氨態與硝酸態 無 堿性,揮發性均降低
NH3+Ca(NO3)2 30-45 氨態與硝酸態 Ca2+ 堿性,揮發性均降低
NH3+CO(NH2)2 30-45 氨態與酰胺態 無 堿性,揮發性均降低
固體氮肥 硫酸銨* (NH4)2SO4 20-21 氨態 多量 SO42-
生理酸性,在厭氣時SO42-易變為H2S
氯化銨* NH4Cl 22-26 氨態 多量 Cl- 生理酸性
碳酸氫銨* NH4HCO3 17-18 氨態 無 中性肥料,能同時提供碳源,容易分解
硝酸鈣 Ca(NO3)2 13 硝酸態 Ca2+ 生理堿性,吸潮
硝酸鈉 NaNO3 15-16 硝酸態 Na+ 吸潮,Na+會有不良影響
硝酸銨 NH4NO3 32-34 氨態與硝酸態 無 吸潮,高溫,猛烈撞擊時易爆炸
硝酸銨鈣 NH4NO3+CaCO3 -20 氨態與硝酸態 CaCO3 中性肥料,吸潮性小
尿素* CO(NH2)2 46 酰胺態 無
中性肥料,肥效稍慢,要在細菌作用下轉化為(NH4)2CO3吸收才快
* 為水產養殖中常用氮肥
3.施用氮肥的注意事項
為提高肥效,確保安全,在使用氮肥時,還應創造相應的水質條件并注意以下幾個問題.
(1)施肥前后防止缺氧,否則脫氮作用的損失增大,有機物的礦化再生作用減弱,對水中增氮不利.
(2)加開增氧機,促使池水的垂直流動,以加速底層水和底泥中的有機氮化物和礦化再生物及時向表層遷移,提高表層水的中的含氮量.
(3)注意水中有效形式的氮磷比.僅在氮是真正限制因子時,施氮肥才有效.如果水中相對缺磷,再施氮肥是一種浪費且弊多利少.
(4)針對餌料生物(浮游植物)吸收特點,合理掌握施肥濃度和時間是十分必要的.施肥濃度以水中總氮量略高于0.3毫克N/升為宜.濃度再高吸收速度增加不多,并不經濟.施肥時間以午前水體趨于分層時為宜,這更有利于提高肥效.為保證真光層有效氮含量保持在最佳含量,施肥應該適量多次,及時補充.
(5)水質過分混濁,粘土膠粒很多時,氨離子易被吸附固定,造成損失.
第三節 磷元素及其循環
一,磷元素的來源與存在形式
1.來源
天然水中的磷是通過礦石風化侵蝕,淋溶,細菌的同化和異化作用等自然因素引入的,而含于城市污水中的合成洗滌劑含磷組分則是主要的人為來源.
2.存在形式
(1)溶解態磷
——包括溶解態無機磷(DIP)和溶解態有機磷(DOP)兩類.前者包括正磷酸鹽,無機縮聚磷酸鹽.
正磷酸鹽——水中正磷酸鹽的存在形式主要有PO43-,HPO42-,H2PO4-,H3PO4,各部分的相對比例隨pH的不同而異.在pH為6.5-8.5的正常天然淡水中以HPO42-和H2PO4-為主;而在海水中HPO42-為可溶性磷酸鹽的主要存在形式,游離H3PO4的含量極微.正磷酸鹽可作為營養物質被水中藻類多量攝取,所以這種形態的磷具有很大的環境意義.
無機縮聚磷酸鹽——在受工業廢水或生活污水污染的天然水中可含有無機縮聚磷酸鹽,如P2O74-,P3O105-等,它們是某些洗滌劑的主要成分,隨著多聚磷酸鹽分子量的增大,溶解度變小.無機多聚磷酸鹽很容易按下式水解成PO43-:
在某些生物及酶的作用下,上述反應速度加快,據研究,在酸性磷鉬藍法中約有1%-10%的多聚磷酸鹽水解而被測得.
溶解有機磷——溶于天然水中的有機結合態磷的性質還不完全清楚,主要有葡萄糖-6-磷酸,2-磷酸甘油酸,磷肌酸等形態.可溶性有機磷如果是來自有機體的分解,其成分似應包括磷蛋白,核蛋白,磷酯和糖類磷酸鹽(酯).由單胞藻釋放出的某些(不是全部)有機磷,能被堿性磷酸酶所水解,因此這些分泌物中似含有單磷酸酯.此外,許多研究者認為天然水中可溶性有機磷包括有生物體中存在的氨基磷酸與磷核苷酸類化合物.研究發現,某些不穩定的溶解有機磷化合物是海洋循環中十分活躍的組分.
(2)顆粒態磷
——包括顆粒態無機磷酸鹽和顆粒態有機磷兩類.
顆粒態無機磷(PIP)——主要是Ca3(PO4)2,FePO4等溶度積極小的不溶性無機磷酸鹽,某些懸浮的粘土礦物和有機體表面上可能吸附無機磷.
顆粒態有機磷(POP)——主要指存在于生物有機體內,有機碎屑中的各種磷化合物.前者主要存在于海洋生物細胞原生質,例如,遺傳物質核酸(DNA,RNA),高能化合物三磷酸腺苷(ATP),細胞膜的磷脂等等.
3.活性磷與有效磷
(1)活性磷
天然水中的含磷量通常以酸性鉬藍法測定.根據能否與酸性鉬酸鹽反應,可將水中的磷化合物分為兩類:活性磷化合物和非活性磷化合物.
凡能與酸性鉬酸鹽反應的,包括磷酸鹽,部分溶解態有機磷,吸附在懸浮物表面的磷酸鹽以及一部分在酸性中可以溶解的懸浮無機磷 [如Ca3(PO4)2,FePO4]等等,統稱為活性磷化合物;由于活性磷化合物主要以可溶性磷酸鹽的形式存在,所以通常稱為活性磷酸鹽,以PO4-P表示.
其它不與酸性鉬酸鹽反應的統稱為非活性磷化合物.
(2)有效磷
以上各種形式的磷化合物中,凡能被水生植物吸收利用的部分稱為有效磷,溶解無機正磷酸鹽是對各種藻類普遍有效的形式.某些藻類在一定條件下,只能利用無機多聚磷酸鹽及某些有機磷酸酯類作為有效磷源.
目前一般把活性磷酸鹽視作有效磷.
二,磷的循環
1.無機循環
磷的無機循環速度很慢,其周期以109年計.火成巖受風化作用后,其中磷化合物經由巖石經土壤,河流而轉入海洋.由于海水偏堿性且含大量Ca2+離子,所以多數磷又以磷酸鈣形式沉積于海底.在深海沉積物中,這些磷酸鹽幾乎被永久封閉而不易復出.只有通過人類采掘活動或海底魚類的食用(再經食物鏈)才有可能少量地重返陸地.而沉積在內陸海或大陸架中的磷酸鹽則可通過地面隆起等地質過程再次成為新陸地的組成部分.
2.生物循環
——水生植物的吸收利用
在一切天然地表水的真光層中,大量的有效磷在水生植物生長繁殖過程中被吸收利用,構成水中磷循環的重要環節之一.
研究發現,水中活性磷的含量不僅與藻類生長繁殖有密切關系,而且對水產動物的增養殖也有密切關系.Toor,H. S.(1983)發現,當PO4-P從0.08到0.12mg/L時,鯉魚孵化率從48%增達到88%.但當濃度大于0.12 mg/L時,孵化率下降,成活率與孵化率也有明顯的趨勢.據認為,在高PO4-P時,由于磷酸鹽干擾細胞分化和形態發育,幼體出現畸形,死亡率高.
——水生生物的分泌與排泄
研究表明,天然水中浮游植物在分泌出有機磷酶等有機態磷并使之重新參與磷循環方面起著重要的作用.Seder(1970)發現淡水綠藻在其分裂周期的某一特定階段會分泌出相當數量的有機磷酸鹽,而這種過程可能在自然條件下發生.kueuzler(1970)也證明海洋浮游植物可能分泌出大量的有機磷酸鹽.
浮游動物排泄磷酸鹽常常是有效磷的重要的再生途徑.雖然細菌由于代謝和需要基質而將有機磷氧化,導致無機磷的釋放.但Johnes(1965)指出,在由碎屑物質再生磷酸鹽方面,原生動物的重要作用可能不亞于細菌,因為細菌與原生動物的混合種群對無機磷的再生速率大于單獨細菌或無菌原生動物的再生速率,可能由于碎屑有機磷被細菌同化及細菌組織進一步被原生動物的消化比由細菌本身直接礦化更為重要;也可能由于原生動物排泄的物質能刺激細菌的生長.Harris (1955)測定浮游動物排泄磷酸鹽(干重)的速率高達11 gP·mg-1·d-1.顯然,排泄磷的速率隨自然條件,動物的活動以及索餌狀況的不同而有很大的變化.由各種食植動物排泄磷(干重)的基本速率一般為2-3 gP·mg-1·d-1.Peter(1973)指出,當系統處于穩定狀態時,被浮游動物吞食的細菌和浮游植物(顆粒為0.45一30 m)的總磷中,約有54%是以P04-P的形式排泄釋回水中,供細菌,浮游植物重新利用.在適當的條件下,浮游動物排泄的再生有效磷可在相當程度上滿足浮游植物對磷的要求.
魚類及其他水生生物的代謝廢物內也含有磷.例如Whitledge等(1971)測定秘魯鳀魚排出磷(干重)的速率為90 gP·g-1·d-1.
——生物有機殘體的分解礦化
在天然水中水生生物的殘體以及衰老或受損的細胞由于自溶作用而釋放出磷酸鹽,同時因懸浮于溫躍層和深層水暗處受微生物的作用而迅速地再生無機磷酸鹽,從而構成水體中有效磷的重要來源.
在大多數地表水體,其沉積物為上覆水有效磷的一個巨大的潛在貯源.例如湖泊沉積物中磷的豐度比上覆水層高600倍之多(Stumm,1973),但沉積物中的磷多以Fe,Al和Ca等磷酸鹽,有機態磷以及被膠粒粘土吸附固定的磷酸鹽等形態存在,沉積物中的有機態磷主要來自生物有機殘骸的沉積,經微生物活動及體外磷酸酶的作用而逐漸礦化.海洋沉積物的研究表明,生物殘體骨骼中的固體磷酸鈣再生為可溶性磷酸鹽的過程中,細菌也起著重要作用;此外,沉積物被吸附的磷在一定的條件下與溶液間發生離子交換解吸作用有利于磷酸鹽的再生.上述諸過程的進行有賴于環境條件,一般而言,降低pH值,出現還原性條件以及增大絡合劑的濃度,有利于難溶磷酸鹽的溶解.而增高pH值,好氣性條件則有利于有機態磷的礦化和交換解吸.以上作用過程使沉積物間隙水中有效磷的含量增大.一旦間隙水中可溶性有效磷的濃度大于底層水中的濃度時,由于擴散作用或沉積物釋放氣體(如CH4),底棲動物活動以及深層水的湍流運動等的攪動,促進可溶性有效磷從沉積物向上覆水的遷移.若水體處于垂直對流的條件下,可溶性有效磷可由底層水向表層水遷移,從而影響真光層生物的產量和生長速率.顯然從沉積物釋放可溶性有效磷的速率受制于多種因素,但一般認為主要是通過間隙水的擴散速率控制的.水一底界面兩側的濃度梯度越大,則磷的釋放速度也增大.例如有些缺氧條件下的湖底沉積物釋放磷的速率變化于4.0-10.8mgP·m-3·d-1·
三,水中磷的分布變化規律
1.水平分布
受生物活動,大陸徑流,水文狀況,沉積作用,人為活動等各種因素的影響,海洋中磷的含量通常也表現為沿岸,河口水域高于大洋;太平洋,印度洋高于大西洋;開闊大洋中高緯度海域高于低緯度海域;但有時因生物活動和水文條件的變化,在同一緯度上,也會出現較大的差異.
在海洋浮游植物繁盛季節,沿岸,河口水域表層海水中活性磷含量可降到很低水平(0.1μmol/L).而在某些受人為活動影響顯著的海區,含磷污水等的大量排入,則可能造成水體污染,出現富營養化,甚至誘發赤潮.
大洋表層水中,DIP含量遠低于沿岸區域,并且,不同區域的含量存在一定差異.在熱帶海洋表層水中,由于生物生產量大,DIP含量低,通常僅為0.1-0.2μmol/L,而北大西洋和印度洋表層水中DIP含量則可達2.0μmol/L.總的來說,大洋表層水中DIP分布比較均勻,變化范圍一般不超過0.5-1.0μmol/L.
大洋深層水中,由北大西洋向南,經過非洲周圍海域,印度洋東部到太平洋,DIP含量平穩地增加,最終富集于北太平洋深層水中.營養要素在大洋深層水中的這種分布,與大洋深水環流和海洋中營養要素的生物循環作用有關.起源于北大西洋的低溫,高鹽,寡營養的表層水在格陵蘭附近海域沉降,形成北大西洋深層水,途經大西洋,進入印度洋,最后到達北太平洋.在深層水團這一運動過程中,不斷地接受上層沉降顆粒物質分解釋放的營養要素,故營養鹽不斷得以富集.大洋2000m深處水中DIP含量由北大西洋1.2μmol/L逐漸升高到北太平洋的3.0μmol/L.
2.垂直分布
在大洋真光層,由于海洋浮游生物大量吸收磷,致使有效磷含量很低,有時甚至被消耗殆盡.在微生物的參與下,生物新陳代謝過程的排泄物和死亡后的殘體在向深層沉降的過程中會有一部分重新轉化為溶解態無機磷,釋放回水中.因而隨深度的增大,其含量逐漸增大,并在某一深度達到最大值,此后不再隨深度而變化.在不同的大洋深處,其溶解態無機磷含量也有所差別,如印度洋=太平洋>大西洋.在河口,近岸地區,磷的垂直分布明顯受生物活動,底質條件與水文狀況的影響.在上升流海區,由于富含磷的深層水的涌升,該區溶解態無機磷的含量明顯增加.
3.季節變化
磷的季節變化規律與無機氮相類似.中緯度(溫帶)海區和近岸淺海海區的季節變化較為明顯,而且與海洋浮游植物生物量的消長有明顯的關系,反映了生命過程的消長.夏季浮游植物繁盛期間,有效磷被大量消耗,加上溫躍層的存在,妨礙了上下層海水的混合,有效磷的含量,尤其是其在表層的含量降至很低.進入秋季后,浮游植物繁殖速率下降,生物殘體中的有機氮化合物逐步被微生物礦化分解,加上水體混合作用,其含量逐漸上升并積累起來.到冬季,表層和底層水中有效磷含量都達到最大值.春季,浮游植物生長又開始進入繁盛期,海水有效磷含量再次下降.
四,磷肥的施用
1.常用磷肥及其特點
磷肥大體上可分為可溶性磷肥和難溶性磷肥兩大類十多個品種,水產養殖中所用的多為可溶性磷肥,最常用的是過磷酸鈣.
常用磷肥及其特點
肥料 名稱 主要成份 分 子 式 含氮量(%) 一般特征
過磷酸鈣 (普鈣) Ca(H2PO4)2 +
CaSO4·2H2O 16-20
用62%硫酸分解磷礦粉并熟化制得.水溶性,速效,常含游離酸,呈酸性,含多量石膏(CaSO4·2H2O)
重過磷酸鈣 (重鈣) Ca(H2PO4)2 40-50
用硫酸分解磷礦粉制得.水溶性,速效,常含游離酸,呈酸性,不含石膏
氨化普鈣 CaHPO4+
NH4H2PO4 13-20
由普鈣加氨水中和制得,水溶性,不含游離酸,含2-3%的氨態氮,呈中性,速效
安福粉 (NH4)2HPO4+
NH4H2PO4 30
用硫酸分解磷礦粉,分離出磷酸再用氨水中和制得.水溶性,速效,含氮量為18%
磷酸二氫鉀 KH2PO4 52
用氫氧化鉀或碳酸鉀與磷酸中和制得.水溶性,速效,堿性,含鉀30%
2.施用磷肥的注意事項
(1)有效磷的含量
——研究表明,按浮游植物吸收速率計算出的養殖池塘水中有效磷濃度應保持不低于46 gP/L.實際上在發表的諸多論文和報告中,認為有效磷的臨界值為20-50 g/L,而多數認為水中的總磷應大于100 gP/L,有效磷在40-50 gP/L為最佳,可得到最令人滿意的初級生產速率及產量.
(2)磷肥種類的選擇
——在池塘養殖中施用磷肥多用于改良水質,提高并維持表層水的有效磷含量,所以在選用磷肥時,一定要選可溶性磷肥.
(3)施用磷肥的注意事項
施用磷肥時,池水的pH值以中性和弱堿性為好(pH=7.0-7.5).若池水的pH值過高(8.5以上),應將磷肥溶解后,調節其pH值使之呈強酸性后方可施用,以減少磷肥的損失.
當大風過后或剛注入新水,池水過于混濁,粘土粒子很多時,不宜施磷肥,以減少吸附固定損失.若為了澄清水質,應另當別論,多耗用一些磷肥可促進懸浮物絮凝沉淀,促進浮游植物增殖.
磷肥不應與石灰等堿性物質一起溶解使用.施用生石灰后,至少應隔10-15天才能施磷肥,否則水中鈣離子(Ca2+)濃度大,pH值高,有效磷易生成鈣鹽沉淀造成損失.
磷肥最好能與有機肥一起漚制后使用,此時有機物多,會生成一些可溶性絡合物,使有效磷被吸附沉淀的機會減少,有利于提高肥效.
為使施入的磷肥能在表層水中停留較長時間,以便及時被浮游植物所利用,施肥應選在晴天光照充足的上午進行.也可采用一些特殊的施肥方法,如掛袋,掛罐等,使肥料緩慢釋放提高肥效.
使用磷肥時應控制適宜的氮磷比.大量試驗證明,當水中有效氮和磷的絕對濃度大于各自最適的施肥指標時,只會浪費一種肥料,而不會增加初級生產速率和產量.施肥時,控制適宜的氮磷比值為6-7.
第四節 硅元素及其循環
一,硅的存在形式
水中硅主要以溶解硅酸鹽和懸浮二氧化硅兩種形式存在.
(1)溶解硅酸鹽
——硅酸是一種多元弱酸,在水溶液中存在下列平衡:
當水pH為7.8-8.3時,約5%的溶解硅以H3SiO4-形式存在.通常把可通過0.1-0.5μm微孔濾膜,并可用硅鉬黃比色法測定的低聚合度溶解硅酸等稱為"活性硅酸鹽",這部分硅酸鹽易于被硅藻吸收.
(2)二氧化硅
——硅酸脫水之后轉化成為十分穩定的硅石(SiO2):
二,硅的循環
水中硅的循環主要受植物的吸收利用,硅酸鹽的沉淀溶解平衡等因素的影響.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,植物生長減慢時,海水中的硅有一定回升;臨近冬季時,生物死亡,其殘體緩慢下沉,隨著深層回升壓力增加,有利于顆粒硅的再溶解作用,又緩慢釋放出部分溶解硅.最后,未溶解的硅下沉到海底,加入硅質沉積中,經過漫長的地質年代后,可重新通過地質循環進入海洋.
三,硅的分布變化規律
1.水平分布
受生物活動,大陸徑流,水文狀況,沉積作用,人為活動等各種因素的影響,海洋中硅的水平分布通常表現為沿岸,河口水域的含量高于大洋,太平洋,印度洋高于大西洋.開闊大洋中高緯度海域高于低緯度海域.但有時因生物活動和水文條件的變化,在同一緯度上,也會出現較大的差異.
2.垂直分布
在大洋真光層,由于海洋浮游生物大量吸收溶解硅酸鹽,致使溶解硅酸鹽含量很低,有時甚至被消耗殆盡.在微生物的參與下,生物新陳代謝過程的排泄物和死亡后的殘體在向深層沉降的過程中會有一部分重新轉化為溶解硅酸鹽,釋放回水中.水中因而隨深度的增大,其含量逐漸增大,并在某一深度達到最大值,此后不再隨深度而變化.在不同的大洋深處,其溶解硅酸鹽含量也有所差別,如太平洋和印度洋的深層水中含量比大西洋深層水高得多.
3.季節變化
主要表現在海洋浮游植物繁盛季節,盡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那樣可降低至未檢出.這是因為每年有相當大量的含硅物質由陸地徑流和風帶入海洋,使海水中溶解硅得以補充.有人估計,每年補充到海洋的溶解硅總量約相當于3.24×108tSiO2.其中,由河流攜帶入海洋的懸浮物質是決定海水中硅含量的主要因素.
四,水中有效硅的含量
各國漁業用水標準中,都沒有規定有效硅的指標.一般淡水水體內,硅,特別是膠體及懸浮態硅的含量較高,因此,人們通常都認為硅不是限制性營養物質.不過,在其它營養物質供給充足,形成硅藻水花時,若表水層硅補給不及時,硅也會成為限制性營養物質.
第五節 其它營養元素
一,銅
銅是所有藻類所必需的元素,動植物新陳代謝必不可少的元素,銅參與生物體內的氧化還原反應,構成銅蛋白,參與光合作用,促進蛋白質的合成等.銅在有些生物,特別是軟體動物,甲殼動物體內存在較多,如牡蠣中銅的含量可達600-3000mg/L.這些生物的血液內含有血藍素,使血呈現淡灰青色.而血藍素是含銅的蛋白質,血液中銅含量和呼吸強度有很大的關系.例如,活動較為劇烈的章魚血液中銅的含量比蟹高等.
銅可能來源于許多工業廢水的排放,還可能來自輸水管道,熱交換器等含銅設備中銅的溶解,還有人在水中加入銅鹽以抑制藻類的生長,用銅的有機,無機化合物進行農藥噴灑等,這些都構成了水中銅的來源.一般情況下,河水中銅的濃度較低,這是由于銅與氧化物共沉淀或吸附于礦物表面所致.
二,鐵
鐵是動植物新陳代謝中的一個基本元素,是葉綠素合成所必需的元素,是許多酶的組成成分和活化劑.鐵參與光合作用,生物固氮作用,呼吸作用等.海水中的鐵與某些海洋動物的生長也有直接關系.例如在氫氧化鐵膠團凝聚形成粘性軟泥沉積于淺海海底時,此時的水域環境正適于幼蝦的生長繁殖.據試驗,分別把對蝦蚤狀幼體(I期)培養在0.404mgFe/L的海水和無鐵海水中,在同樣條件下飼養,經兩天后含鐵海水中對下幼體大部分存活,而無鐵海水中的對蝦幼體則全部死亡.
鐵是地球外殼中含量占第二位的金屬元素,但通常在水中的溶解度較小.水中鐵的存在受環境條件的極大影響,尤其是隨氧化-還原強度和程度的變化而變化.生物圈的活動對水中的鐵的存在有強烈影響.有些微生物參加了鐵的氧化和還原反應,如噬鐵菌等.
地下水中常見的是Fe2+,在水中的溶解度較大.據報道在pH6-8間地下水中Fe2+的濃度可達到50mg/L.而通常情況下,水中鐵濃度在1.0-10mg/l之間.Fe2+能被水中的溶解氧氧化為Fe3+,在pH大于5時,Fe3+的溶解度很小,能很快生成Fe(OH)3褐色沉淀.這個機理可以很好地解釋這樣一個現象,當水剛從井中抽出時,這類水一般是清潔的,但很快就變渾濁了,最后由于Fe(OH)3
Janenac 發表于 2012-5-31 16:42
第三節 天然水環境主要物理性質一,天然水的光學特性1.水對太陽光的反射一束太陽輻射,以一定入射角直接射到平 ...
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