淡水生态系统的营养循环与调控

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1、淡水生态系统的营养循环与调控水是生命之源，淡水资源总量有限，随着工农业的发展，水的污染也越来越严重，其中水体富营养化就是很明显的水污染现象之一[1]。它是因水体中所含的氮、磷等营养物质过多而导致的一种水体效应，主要表现有水中某些藻类和大型水生植物异常增殖，水生生物种群单一化及水质变坏等，水生生态系统受到严重破坏,严重时某些藻类恶性繁殖，通常是蓝绿藻的暴发，水中溶解氧被消耗，营养盐和其他有机物浓度增加,出现所谓的“水华’’[2-4]。我国水体已经普遍面临富营养化的问题，富营养化已经成为中国水环境最为重要的问

2、题之一[5]。一营养物质在水体中的循环转化1.1氮在水体中的循环N是生物生长必需的元素，是生命有机体中蛋白质、DNA、RNA等重要组分中必不可少的一种元素，总重量占生物重量的10％左右。同时，N也是导致水体富营养化的罪魁祸首之一。大量含N的工农业废水、生活污水排入河流湖泊，使水体中的N浓度超标，导致水生高等植物衰退，浮游植物大量繁殖，造成水体严重缺氧，水生生态系统遭到破坏。N在水体中的存在形式是多种多样的。地表水体和地下水中的N主要是离子态氮.此外，N还以有机氮形式存在于水中的有机质里.水体中各种含氮物质

3、之间的转化是通过氨化、消化、反消化、同化等作用和在特定的生物参与下完成的[6]。氨化作用(有机氨转化为氨氮)：水体中各种蛋白质化合物在好气性和嫌气性件下，被腐生性的各种氨化细菌分解，首先产生氨。硝化作用(氨氮转化为硝酸盐氮)：氨氮在水中不稳定，除被生物吸收同化外，其余在溶解氧充足条件下，被各种消化细菌氧化为亚盐氮，最后转化为硝酸盐氮。反硝化作用(硝酸盐氮转化为气态氮)：硝酸盐在J犬氧条件下，逐步被各种反消化细菌作用，还原硝酸盐氮为气态氨，使水体失去氮素。同化作用：藻类几种无机氮都能利用，在光合过程以及随后

4、的同化过程中，逐步形成各种含氮有机物。水体氮的转化由6个过程相连接而成[7]：1)氮在沉积物的厌氧环境下，作为电子接受者，被固氮生物(蓝绿藻、固氮菌等)转化为铵根离子；2)水体中的硝酸根离子和铵根离子被生物(主要是植物)吸收利用，并在水体及界面之间按浓梯度自由扩散；3)在水体和水土界面有氧环境下，来源于植物尸体的有机氮被微生物分解可溶性有机氮，进一步矿化和氮化为铵根离子，该离子或被生物吸收利用，或在消化细菌的参与下进行消化作用形成亚硝酸根离子，直至硝酸根离子；4)在沉积层的厌氧环境下，来源于植物尸体的有机

5、氮微生物分解为可溶性有机氮，进一步矿化和氮化为铵根离子，该离子被生物吸收利用，同时，可溶性有机氮和铵根离子从高浓度的沉积层向低浓度的水体扩散；5)在沉积层的厌氧环境下，硝酸根在反消化细菌的参与下，经过反消化作用转化为氮和氧化二氮，该惰性气体大部分通过水体逸散到大气中，水体中的硝酸根离子经常向沉积层扩散，以弥补沉积层中该离子的不足；6)水体中的铵根离子、亚硝酸根离子和硝酸根离子被浮游藻类吸收利用。当pH>8时，铵根离子转化为氨，逃逸到大气中。水库水体中的氮随外界环境和条件在不停地进行着转换或循环，有的使水质

6、变劣，有的有利于水质质量，例如水中的反硝化作用，使硝酸盐氮受到脱氮作用变成氮气，回到大气中，由于微生物的脱氮作用而使生成的氮气被除掉，减少了水库水体中的氮，对限制富营养化是有利的。1.2磷在水体中的循环在几十年前人们就已经知道P是水体富营养化进程中的限制性营养元素[8]，水体中P的浓度直接影响水质[9－11].水体中的各种含磷化合物主要通过有机磷矿化、无机磷同化和不溶性有机磷有效化途径进行循环.有机磷的矿化作用：有机物中的磷，在其生物降解过程中，生成无机磷和磷化物，许多细菌和真菌都参与这个矿化过程。无机磷

7、的同化作用：水中的溶解性无机磷首先为上层水中的浮游植物所吸收，其中一部分用于本身生长的需要，大部分积累在植物细胞中以备磷源不足时使用。水生高等植物能从沉积物中大量吸收无机磷，经代谢转变为有机磷化合物。不溶性磷转化为可溶性磷：沉积物中不溶性磷不能为水中生产者所利用，当水中PH值向酸性转变时，可使沉积物中的磷成为可溶性的，如加入酸性物质或水中某些自养的细菌活动所生成的酸类，可使磷的溶解过程加快。磷的转化包含4个主要过程[12]：1)来源于生物的颗粒有机磷在微生物作用下，形成可溶性有机磷，并进一步矿质化形成正磷

8、酸根离子；2)水体和水体界面的磷酸根离子与无机离子(铁、钙、铝等)结合形成颗粒无机磷的螯合物，不能被植物利用；3)颗粒无机磷在沉积层的厌氧环境中被释放形成正磷酸根离子；4)沉积层的磷酸根离子被植物吸收。正磷酸根包括磷酸根、磷酸氢根和磷酸二氢根，三者相互之间可以转化，其转化和平衡受水体pH值的控制。1.3水体沉积物中的N、P及其形态转化水体沉积物，也称底质或底泥，是水体营养物质的主要宿体。来自各种途径的营养物，即各种自然过程和人