精制冷卻塔填料廠家湖泊富營養化治理控磷?還是控氮?

　　精制冷卻塔填料生產廠家湖泊富營養化治理控磷?還是控氮?湖泊富營養化是一個全球性的問題，其中氮磷控制是治理的重要手段。然而氮磷控制策略不僅在學界一直爭論不休，在實踐中也往往“勝負難料”。因此，我們選擇這一話題作為Algae–Hub學術論壇的開篇之作。

　　一方面，該話題是當前的熱點，被多篇文章和報道熱議，為了厘清理論的來龍去脈，同時將各種代表性的觀點收集整理，以饗讀者。

　　另一方面，恰聞許海博士最近在整理這方面的文獻資料，所以這里請他主筆此文，供大家鑒賞。

　　Algae–Hub學術論壇將推出系列文章，敬請關注和期待。

　　一、控磷控氮之爭

　　觀點一：湖泊富營養化治理只需控磷，無需控氮。

　　基于37年的全湖實驗結果，加拿大學者發現，單獨控磷即可以顯著抑制藻類生長，而單獨控氮則會誘導固氮藍藻的產生，固氮藍藻可以通過固氮滿足自身的氮需求，不能有效降低藻類生物量，由此提出湖泊富營養化治理只需控磷，無需控氮的觀點。

　　控磷觀點

　　觀點二：富營養化治理需要氮磷同時控制

　　控磷觀點在國際上引起了很大爭議，很多學者對此持反對態度，他們在科學雜志上展開了激烈的爭論。以Conley 為代表的一批學者提出湖泊富營養化的治理需要靠兩條腿走路，氮磷同時控制更有效果。他們認為很多湖泊發生富營養化后，水體磷在底泥和水相之間快速循環，同時湖泊藻類往往以非固氮藍藻為優勢。同時，同時控制氮磷可以顯著降低藻類生物量，只控磷的策略不僅無法在一些富營養化湖泊中發揮作用，還會導致大量的氮進入海灣和海洋。

　　然而，水生態系統固氮并不是總能實現的，而且控磷措施在很多淺水富營化湖泊都沒有成功。

　　觀點三：湖泊治理需要氮磷同時控制，夏季優先控氮

　　國內學者通過實驗湖沼學實驗發現，太湖藻類的生長在夏季主要受到氮限制，春季則主要受到磷限制。因此有學者認為湖泊治理應該在磷限制的時期優先控磷，氮限制的時期優先控氮，對于藍藻水華暴發嚴重的夏季，應該優先控氮(Ma et al., 2015)。

　　實際上，因為湖泊所處的地理背景，湖泊的氮磷污染水平和污染歷史，及湖泊的面積、深度、水力停留時間等均具有很大的差異性，湖泊的氮磷控制策略不能一概而論。

　　二、氮磷限制的幾個問題

　　中國湖泊富營養化問題比較嚴重，湖泊的治理目前正處在關鍵時刻，因此針對湖泊的氮磷控制策略有必要就幾個問題進行闡明，供大家參考。

　　2.1 氮磷限制的概念

　　我們經常提到湖泊的磷限制或氮限制，湖泊富營養化治理也是根據藻類生長的氮磷限制為基礎制定的控制策略。很多學者提出湖泊的嚴重富營養化早已使各類營養鹽嚴重過量，不會再存在營養鹽限制的問題;也有學者認為要控制生物生長，各種必需元素控一即可，氮磷是藻類生長的必需元素，因此制其中一種即可。其實這些觀點對限制因子的理解并不全面。

　　限制因子的概念最早是由德國有機化學家Liebig 在1840年提出的，他在研究谷物產量時發現，植物對某些礦物鹽類的要求不能低于某一數量，當某種土壤不能供應這一最低量時，不管其它養分的量如何充足，該植物也不能正常生長;作物的產量常常不是過剩的營養物質所限制，而是取決于供應量不足的營養物質，后來人們將此稱為Liebig最小限制因子定律。這與系統中的“木桶原理”涵義一致。

　　木桶原理

　　對于水生態系統，不同的研究者關注不同的研究對象，例如浮游植物生長速率、生物量或初級生產力。而這些定義之間的關系必須明確，不可混為一談。比如在捕食率高，浮游植物生活周期短的水體，浮游植物生物量很低，但生長速率卻很高。湖泊中要把營養鹽控制到限制藻類生長的程度非常困難。因此，我們通常所說的湖泊受到氮限制或者磷限制主要是指限制藻類的生物量或生產力，而不是指限制藻類正常生理活動，使其不能生長。

　　如果水體中起始藻類的生物量非常低，氮磷可能均不限制藻類生長，隨著生物量的升高，某一種元素首先達到限制狀態，隨著這種元素的輸入，藻類的生物量進一步提高，另一種元素可能成為限制元素，因此多種元素共同輸入時生物量往往達到最高，這就是我們所說的共同限制。

　　對于一個自然的浮游植物群落，營養限制非常復雜，不過通常情況下人們更關心的是群落總生物量而不是個別種類的生物量，因此一種或多種營養鹽的添加能否顯著增加總生物量以及哪一種營養鹽具有最大作用才是問題的焦點。

　　究竟是哪一種元素或哪幾種元素受到限制取決于當地的人類活動情況，不同的地區都有其特殊的情況，不可一概而論。

　　2.2 磷控制策略的適用性

　　湖泊富營養化磷控制范式的提出是基于加拿大實驗湖區的全湖實驗結果。他們經過長期實驗發現，只控磷就可以有效控制實驗湖泊的藻類生物量，而控氮湖泊產生了固氮藍藻，控氮產生的效果并不理想。由此提出湖泊富營養化治理只需控磷，無需控氮(Schindler et al., 2008)。從上世紀70年代開始，控磷措施就已經在歐美國家廣泛實施，并取得一定的效果。然而控磷措施在很多大型富營養化淺水湖泊并不成功，例如美國Erie、Okeechobee湖、加拿大Winnipeg湖，日本Kasumigaura湖等。這引起人們對單一控磷策略的反思。

　　實際上，我們通常采取的控制措施主要是以外源輸入控制為主。對于很多富營養化程度較低的湖泊或一些深水湖泊，控磷策略的治理效果很好，可以維持湖泊的清水狀態。而對很多大型淺水富營養化湖泊，單獨控磷則無法在短期內起到良好作用，有的湖泊甚至延遲幾十年才有響應。實際上，加拿大實驗湖區(ELA)處于加拿大安大略省(Ontario)西北部的一個人口稀少的區域，屬于大陸性溫帶針葉林氣候。實驗湖區沒有人為外源污染物輸入，污染背景低，湖泊溫度相對較低，藻類生長期短，營養鹽循環相對較慢，控制磷的輸入，就可以嚴格控制湖泊的磷濃度，顯著降低藻類生物量。在這種湖泊背景下獲得的湖泊治理經驗不具有普適性。

　　控磷實驗

　　湖泊藻類生長是受氮限制，還是磷限制，取決于生態系統藻類生長所需氮磷的可獲得性，而不是簡單的水體營養鹽濃度。進入水生態系統中的營養鹽在水相、懸浮顆粒物和底泥中進行分配和循環，內源負荷和循環效率對藻類生長起著重要的影響，一些湖泊底泥內源磷的釋放甚至超過外源負荷。在貧營養水體，營養鹽在湖內的循環速率低，內源負荷較低，因此外源磷控制能很好的控制湖內水體營養鹽的可利用性，顯著降低藻類生物量。

　　國內很多學者通過分析磷與藻類生物量的關系，認為藻類生物量總是與總磷(TP)的相關性高，而與總氮(TN)的相關性低，因此認為磷是主要限制因子，湖泊治理應該重點控磷。這種做法的不足之處是沒有考慮內源磷的影響。正常情況下水體中無機磷的濃度通常很低，不是被藻類吸收就是被顆粒物吸附，沉降進入底泥，因此磷在藻相和底泥中進行著再分配。我們在建立藻類與TP的關系時往往忽略了大部分磷是儲存于底泥當中，因此建立的藻類生物量和TP的關系往往是藻體葉綠素和藻體磷之間的自相關關系(Lewis,2011)。

　　淺水湖泊與深水湖泊營養鹽的循環途徑及對藻類生產力的影響具有很大差異。對于深水湖泊，由于受溫度影響，容易形成季節性的溫躍層，溫躍層的靜力穩定度大，沉積物釋放的磷僅在湖下層遷移，難以進入真光層供藻類利用，內源磷對磷循環的貢獻有限。因此，深水湖泊控制外源磷的輸入具有很好的效果。淺水湖泊，風浪擾動頻繁，底泥間隙水中的磷很容易受風浪擾動進入真光層被藻類吸收利用。尤其對于具有漂浮能力的藍藻，很容易在底部吸收營養鹽，在表層接受光照進行生長。因此，淺水湖泊營養鹽磷的循環與藻類生長關系更為密切，一旦湖泊受到污染形成藻型生境，對外源磷控制的響應就會極為緩慢。

　　因此，磷范式只適用于營養化程度較低的湖泊或深水湖泊，對于富營養化相對較高的淺水湖泊很難適用。

　　三、生物固氮是否能滿足生態系統氮需求?

　　關于淡水湖泊富營養化治理要不要控氮，爭論的焦點是固氮藍藻對控氮的響應，控氮是否會導致固氮藍藻形成優勢，滿足生態系統氮需求?

　　非固氮種類與固氮種類的演替

　　加拿大實驗湖區227號湖37年的大規模實驗結果，認為當水中富磷而缺氮時，會出現具有固氮功能的藍藻，固氮作用可以彌補浮游植物生長過程中缺少的氮。

　　然而很多富營養化湖泊并不是固氮藍藻占優勢。藍藻固氮是個耗能的過程，固氮過程依賴于光照提供能量，在超富營養的水體或風浪擾動頻繁的淺水湖泊，光的利用性不斷下降，導致非固氮藍藻成為優勢。同時，固氮作用還受其他元素影響，如固氮作用需要有足夠的鐵參與，鐵的缺乏也往往限制了固氮作用。因此，氮限制并不是非固氮藍藻向固氮藍藻演替的決定因子。

　　即使是固氮藍藻占優勢的情況下，也不能保證有效的固氮。例如，離227號湖不足3 km的226號湖，即使在氮磷供應比例向著氮限制狀態發展的情況下，也沒有檢測到固氮作用，而且當向湖中單獨施用磷肥時，葉綠素和初級生產力也只有輕微的增加(Lewis and Wurtsbaugh, 2008)。對加拿大227號湖實驗數據進行重新處理后發現，由藍藻固定的氮不足以彌補外源氮的減少，而且浮游植物生物量隨可利用氮的降低而降低(Scott et al., 2011)。研究表明由藍藻固氮作用輸入到水生態系統中的氮遠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。

　　四、我國淺水富營養化湖泊為什么亟待同時控制氮磷?

　　淺水湖泊水體氮磷的動態取決于外源輸入與湖內的氮磷循環過程。

　　淺水湖泊氮磷來源

　　淺水湖泊經歷長期的污染過程，湖泊底泥積累了大量的污染負荷，尤其是大型淺水湖泊，由于水力停留時間長，污染物截留比例高，底泥污染更為嚴重。積蓄在底泥中的磷在藻類生長季節很容易從底泥釋放出來，供藻類吸收利用。同時水體內藻類的生長-死亡過程也加速了磷的循環速率，持續支持水華發生，形成藻類生長-死亡-再生長的循環過程。因此，單獨控制外源磷短期內無法使湖內磷濃度及藍藻水華發生程度明顯降低。

　　氮的循環與磷不同，湖泊內截留的氮素可以通過反硝化作用從湖體脫除，使湖內氮濃度和氮負荷降低，驅使湖泊呈現氮限制狀態。對于淺水湖泊，由于水體與底泥的接觸面積大，水土比小，水體的氮更容易進入沉積物，更有利于底泥反硝化作用的發生。同時富營化湖泊，藍藻水華的發生固定了大量的碳，藻類死亡分解釋放大量有機碳進入水體為反硝化作用提供碳源，可以促進反硝化作用的發生，加速氮素的脫除，使湖泊向氮限制轉變。因此控磷的同時，結合控氮可以更快地降低藻類生物量，加快湖泊富營養化治理的進程。

　　國際環境領域頂級學術期刊《Environ. Sci. Technol》2016年發表了一篇重要文章，題目是：“跳探戈需要兩個人：何時何地需要氮磷同時控制來保護湖泊和下游生態系”的文章給出在美國，加拿大、瑞典，挪威等國家開展的20個全湖實驗結果，證明富營養化治理采取氮磷同時控制的效果最好。

　　世界范圍內的20個全湖實驗中浮游植物對氮磷輸入的響應 |

　　文章顯示，很多湖泊通過氮磷同時控制或者單獨控氮都取得了成功。

　　文章最后提出湖泊治理，就像兩個人密切配合跳探戈一樣，氮磷需要同時控制。

　　全湖營養鹽添加實驗

　　地處亞熱帶的長期中下游洪泛平原地區淺水湖泊的磷本底高，湖底底泥富含磷，湖泊生產力高，給該地區湖泊富營養化控制帶來了極大的挑戰。因此，從區域地理本底、湖泊基本特征來看，太湖等長江中下游地區淺水湖泊的藍藻水華風險高，磷控制難度大。太湖流域水環境綜合治理十一年來，流域水環境得到明顯改善，河網水環境質量得到提高，太湖氮濃度明顯降低，但總磷濃度則呈現波動上升趨勢，也說明了磷控制的復雜性和艱巨性。

　　環湖22條河流水質情況

　　基于長期實驗湖沼學研究，科研人員發現太湖的浮游植物生長在冬春季主要受磷限制，夏秋季主要受氮限制，提出太湖富營養化治理需要采取氮磷同時控制的策略。

　　浮游植物生物量對氮磷添加的響應

　　五、氮濃度顯著降低了，為什么藍藻水華依然嚴重?

　　目前大家感到困惑的是氮濃度顯著降低了，為什么藍藻水華依然嚴重?

　　事實上，藍藻生長所需要的氮磷濃度閾值并不高，研究表明，太湖藍藻在無機磷濃度達到0.03 mg/L，無機氮濃度達到0.4 mg/L 時藻類的生長就不受限制了(Xu et al.,2015)。盡管太湖近年氮濃度顯著降低，但在春季濃度仍然很高，足以達到太湖藍藻水華形成的氮需求，并且春季升溫會使藻類生長提前，這時藻類可以利用更多的氮來滿足生長需求，使水華發生程度更嚴重。夏季，很多湖區水體的氮濃度降到很低的水平，藻類生物量受到明顯的抑制。同時，在目前的外源輸入情況下，湖體氮的再生速率很快，在沒有被反硝化作用去除以前可以循環多次，這些氮為藍藻水華持續發生補充了氮源(Hampel et al., 2018)。因此，我們可以相信，如果沒有流域的氮控制，藍藻水華發生的程度會比現在更為嚴重。當然，要使太湖藍藻發生水平進一步下降，還需要做更多的努力，進一步降低流域的氮磷負荷。

　　藍藻生長速率對氮磷濃度的響應

　　六、湖泊富營養化的氮磷控制

　　降低水體中氮、磷營養鹽濃度和負荷是控制水體富營養化的關鍵所在。在目前污染狀況下，控制外源污染仍然是首要的任務，包括生活污水的處理和面源污染的有效控制;其次是流域和湖內生態清淤、生態修復和有效管理。

　　01

　　控源截污

　　建設管網，實施雨污分流，對污水進行高效脫氮除磷，并根據湖泊環境容量來控制污水排放的氮磷總量，而不只是滿足于達標排放。

　　02

　　生態清淤

　　對重污染湖區進行適當的底泥疏浚，減少內源污染，并將污泥合理處置，防止營養鹽再次隨雨水進入湖內。

　　03

　　生態修復

　　加強流域的濕地恢復，構建合理的濕地景觀格局，沿湖建立緩沖帶，使氮磷在流域輸移過程中被消納和凈化，減少向湖泊的輸入量;并在適宜恢復水草的湖區進行生態恢復，改善生境，抑制底泥懸浮和內源釋放。

　　04

　　長效管理

　　積極探索和建議湖泊流域污染負荷削減的經濟政策，建立并完善湖泊流域內跨市斷面考核和生態補償機制。確保治理和管理措施的連續性，穩定性和制度性。然而這些長效管理制度的制定，都離不開氮磷控制的科學研究。

　　寫在最后

　　控磷控氮的原理是湖泊治理的重要理論基礎;控磷控氮的策略是富營養化湖泊治理的關鍵;因地制宜的針對性手段是治理的成敗所在。

　　向所有奮戰在湖泊富營養化治理戰線上的各位“戰友”致敬!!!

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