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2.水的流轉(zhuǎn)混合作用
      對于一般的湖泊池塘,引起水體流轉(zhuǎn)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(chǎn)生"堆積"現(xiàn)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(chǎn)生"風力環(huán)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(huán)流
      ——由密度引起的對流作用稱為密度環(huán)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(xiàn)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(xiàn)"上重下輕"的狀態(tài),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(fā)生的上下對流,也可以是在較大范圍發(fā)生的環(huán)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(huán)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(tài)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(tài).注入水所進入的水層是密度與其相同的水層.

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3.水體的溫度分布

(1)冬季的逆分層期

我國北方地區(qū)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(jié)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(qū),冬季水溫可保持在4℃以上,就不存在水溫的逆分布現(xiàn)象.

(2)春季全同溫期

春季氣溫回升,大地轉(zhuǎn)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(chǎn)生密度流.如果此時有風的吹拂,可克服熱阻力產(chǎn)生渦動混合,繼續(xù)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(xù)處在上下溫度基本一致的狀態(tài),這時稱為春季的全同溫期.春季的全同溫可持續(xù)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(xù)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(chǎn)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(yǎng)鹽的水帶到上層,對湖泊的初級生產(chǎn)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(xù)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?shù)较聦?下層豐富的營養(yǎng)鹽也不能補充給上層.久而久之,富營養(yǎng)化水體下層可能出現(xiàn)缺氧.上層缺乏營養(yǎng)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(zhuǎn)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(fā)生密度環(huán)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(xiàn)上下溫度基本相同的秋季全同溫狀態(tài).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(huán)流可以進行到湖底,直到上下都為4℃為止.如再降溫,只能發(fā)生在上層,直到表層結(jié)冰.如有風力參與,在深秋初冬時期,全同溫則可以持續(xù)到4℃以下,比如2℃或1℃.秋季全同溫,水體充分流轉(zhuǎn)混合,上下可進行充分物質(zhì)交換,對魚類的越冬有利.

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第三章 天然水的氣—液溶解作用

第一節(jié) 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(cè),分別存在相對穩(wěn)定的氣膜和液膜;即使氣相,液相呈湍流狀態(tài),這兩層膜內(nèi)仍保持層流狀態(tài).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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)來表示易溶氣體的溶解度,而用1L水中溶解氣體的毫克數(shù)(或毫升數(shù))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(shù)f=Mr/22.4(mg/ml),式中Mr為氣體的相對分子質(zhì)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(zhì)

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(fā)生化學<>反應的氣體溶解度大,不能與水發(fā)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(xiàn)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(shù),其數(shù)值隨氣體的性質(zhì),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(shù),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(fā)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(xiàn)存量占所處條件下飽和含量的百分比,即:

氣體飽和度 = (現(xiàn)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(xiàn)場溶解氧的實測值/現(xiàn)場溶解氧的飽和含量x100%

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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(nèi)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(shù),與氣體的性質(zhì),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(shù).

(3)擾動狀況

增加液相內(nèi)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(nèi)部的擾動作用,也可以加快溶解速度.氣,液兩相內(nèi)部擾動(不增加比界面積)在上式中的體現(xiàn)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(zhì)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(wěn)定的擾動方式,所得的數(shù)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(fā)現(xiàn)Kg與溫度t(℃)有如下關系:

Kg = 0.0096 (t + 36) (cm/min)

這一結(jié)果雖然不能用養(yǎng)殖池塘,但說明Kg隨溫度升高而增大.

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第二節(jié) 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(chǎn)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(shù)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(yǎng)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(chǎn)氧速率為0.5-10g/ m2·d-1.

光合作用產(chǎn)氧速率與光照條件,水溫,水生植物種類和數(shù)量,營養(yǎng)元素供應情況等因素有關.

光合作用產(chǎn)氧速率與光照條件,水溫,水生植物種類和數(shù)量,營養(yǎng)元素供給狀況等因素有關.氣溫較高的夏季產(chǎn)氧速率較大,冬季溫度較低產(chǎn)氧速率要低一些.如哈爾濱地區(qū)利用生物增氧的越冬池,冬季表層水光合作用產(chǎn)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(chǎn)氧速率隨深度的增加而變化.

各水層光合作用產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)象,次表層水溶氧量最高,陰天則表層水為最高.適當數(shù)量的浮游植物,可增加水柱產(chǎn)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(chǎn)氧速率下降.

藻類進行光合作用的最終結(jié)果是合成藻體的有機質(zhì),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(zhì)量比)

由此式可以得出:浮游植物光合作用釋放1mgO2產(chǎn)生有機碳的量為0.289mg,這對研究水體的初級生產(chǎn)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(yǎng)魚中補水補氧是氧氣的主要來源.在非流水養(yǎng)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(zhì)為白色結(jié)晶粉末,與水發(fā)生化學<>反應CaO2 + H2O = Ca(OH)2 + O2釋放出氧氣.據(jù)研究,千克過氧化鈣可產(chǎn)氧氣77800ml ,在20℃純水中可連續(xù)產(chǎn)氧200天以上,在魚池內(nèi)施用后1-2個月內(nèi)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(zhì),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(zhì)和底質(zhì)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(zhì),底質(zhì)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(chǎn)魚池:光合作用89%,空氣溶解7%,補水4%.

國內(nèi)高產(chǎn)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.

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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(shù)量有關.據(jù)日本對養(yǎng)鰻池調(diào)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(chǎn)氧量遠大于本身的呼吸耗氧量.據(jù)研究,處于迅速生長的浮游植物,每天的呼吸耗氧量占其產(chǎn)氧量的10-20%;有機物耗氧主要決定于有機物的數(shù)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(jù)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(nèi)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(zhì)氧化對氧氣的消耗量.

前蘇聯(lián)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(fā)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(shù)計)隨個體的增大而增加;而耗氧率(以單位時間內(nèi)消耗氧氣的毫克數(shù)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(nèi),水溫升高,魚蝦耗氧率增加.

(3)底泥耗氧作用

底質(zhì)耗氧包括底棲生物呼吸耗氧,有機物分解耗氧,呈還原態(tài)的無機物化學<>氧化耗氧.許多研究者對不同地區(qū),不同類型養(yǎng)殖水體的底質(zhì)耗氧率進行測定指出:我國湖泊底質(zhì)耗氧速率為0.3-1.0g(O2)/m2·d.遼寧地區(qū)夏季養(yǎng)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(qū)魚類越冬池平均耗速率為0.4g(O2)/m2·d(雷衍之1992).內(nèi)蒙古地區(qū)魚池,生長期1.4,越冬期0.47g(O2)/m2·d(申玉春1998).日本養(yǎng)鰻池為1.1-13.2g(O2)/m2·d,美國養(yǎng)魚池底質(zhì)耗氧率中值為1.46g(O2)/m2·d,前蘇聯(lián)養(yǎng)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(fā)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(yǎng)魚池中午表層水溶氧經(jīng)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(yǎng)魚單產(chǎn)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(nèi),淡水魚池,無錫地區(qū)高產(chǎn)池的估算結(jié)果①池魚耗氧占總耗氧的20%,水呼吸占71%,底質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)耗氧占30%(林斌1995).

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蟲子的悲哀 發(fā)表于 2012-5-31 17:00
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二,溶氧的分布變化規(guī)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(xiàn)在下午日落前的某一時刻,最低值則出現(xiàn)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)氧與耗氧的相對強度.當產(chǎn)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(zhì)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?zhàn)B殖魚類生長的前提下,養(yǎng)魚池的日較差大些較好.南方漁農(nóng)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(xiàn)象的總結(jié).這主要是針對以培養(yǎng)天然餌料養(yǎng)魚來說的,如果用全價配合飼料流水養(yǎng)魚或網(wǎng)箱養(yǎng)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(fā)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(yǎng)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(yǎng)魚池生物密度大,變化比較劇烈,在一段時間內(nèi)(長則10-15天,短則3-5天),水中生物群落就會發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)楦∮蝿游锒?浮游植物貧乏,溶氧過低的危險水質(zhì),這一點應加以注意.

日照時間的變化對溶氧會產(chǎn)生一定的影響.冰封初期,日照較長,冰層也薄,光合作用產(chǎn)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(chǎn)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(tài)等因素密切相關.

貧營養(yǎng)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(yǎng)型湖泊,營養(yǎng)鹽豐富,有機質(zhì)較多,水中生物量較大,水的透明度低,上層水光合作用產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)毫克.下表為一次實測結(jié)果.

養(yǎng)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(xiàn)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(yè)廢水污染處,甚至魚貝類集群處,溶氧及其水質(zhì)特點也會與周圍有相當大的差別,水平分布呈不均勻狀態(tài).例如,有研究者發(fā)現(xiàn),養(yǎng)珍珠貝的珠籠內(nèi)溶氧較籠外低得多,特別是放養(yǎng)密度大,網(wǎng)眼較小時尤其如此.

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三,溶氧的生態(tài)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(chǎn)生慢性影響,主要表現(xiàn)在:

影響魚蝦的攝餌量及餌料系數(shù)——長期生活在溶氧不足的水體中,攝餌量會下降;

影響魚的發(fā)病率——長期生活在低氧條件下的水生生物,體質(zhì)下降,對疾病的抵抗力降低,故發(fā)病率升高.在低氧環(huán)境下,寄生蟲病也容易蔓延;

影響胚胎的正常發(fā)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(xiàn)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(chǎn)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.

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2.對水質(zhì)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(zhì)所決定.水的氧化與還原狀態(tài)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(tài)水(或氧化環(huán)境).

氧化與還原狀態(tài)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(tài),而酸性條件下Eh>0.4-0.5V才為氧化狀態(tài).在弱還原環(huán)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(tài)存在;Eh繼續(xù)降低降低SO42-將被還原為H2S,Eh變?yōu)樨撝?在強還原條件下,將有CH4與H2生成.

(2)對元素存在價態(tài)的影響

溶氧含量豐富的水體中NO3-,Fe3+,SO42-,MnO2等是穩(wěn)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(chǎn)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(chǎn)物為CO2,H2O,NO-3,SO42-等無毒物質(zhì).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(xiàn)無氧環(huán)境.此時,上下水層的水質(zhì)有很大差別,許多物質(zhì)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(yǎng)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(qū)間稱為窒息區(qū);當氧分壓大于a時,魚可正常生存,故叫生存區(qū).

(3)當水中氧分壓小于d時——魚無法耗氧,迅速死亡,稱即死區(qū),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(qū)或獨立區(qū);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(nèi)釋放的代謝能也較多,這一區(qū)域稱為依存區(qū).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(tài).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(qū)

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四,養(yǎng)殖生產(chǎn)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(yǎng)元素和光照,增加浮游生物種群數(shù)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(shù)量——養(yǎng)殖生產(chǎn)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(zhì)——減少或消除有害呼吸的物質(zhì)(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.

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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(zhì)的總量,用1L水中能與OH-結(jié)合的物質(zhì)的量來表示.天然水中能與強堿反應的物質(zhì)除H3O+(簡記為H+)外,常見的還有H2CO3,HCO3-,Fe3+,Fe2+,Al3+等,后3者在多數(shù)天然水中含量都很小,對構(gòu)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(gòu)成酸度上就不可忽略.

根據(jù)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(shù)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(jié)變化明顯.下表為內(nèi)蒙古克斯克騰旗一個淡水淺泡沼堿度的季節(jié)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(yǎng)魚池水質(zhì)調(diào)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(zhuǎn)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(xù)過程)存在,情況就比較復雜,可參考"碳同化"及"呼吸作用".

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堿度與水產(chǎn)養(yǎng)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(zhuǎn)化為碳酸鹽絡合物,Cu2+,CuOH+的實際濃度很低,因而表現(xiàn)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(diào)節(jié)CO2的產(chǎn)耗關系,穩(wěn)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(zhuǎn)變?yōu)镠CO3-儲備起來.保持適宜量的堿度可使水pH值相對穩(wěn)定.

(3)堿度過高對許多養(yǎng)殖生物有毒 在我國干旱與半干旱地區(qū)有一些水域,堿度偏大,水中經(jīng)濟水生生物的種類就明顯減少,有的甚至沒有經(jīng)濟種類生存,移殖馴化耐鹽種類也未能成功.例如內(nèi)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(nèi)的經(jīng)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(shù)天,梭魚和花鰱,白鰱只能存活數(shù)小時.黎道豐等(2000)通過對內(nèi)陸15個鹽堿度不同的典型水體中魚類區(qū)系結(jié)構(gòu)和主要經(jīng)濟魚類生長的比較和分析表明,魚類的區(qū)系結(jié)構(gòu),種類數(shù)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(shù)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(jù)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(jù)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(jié)果,一些經(jīng)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(yǎng)殖用水堿度的適宜量以1-3mmol/L較好.美國環(huán)保局《水質(zhì)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(yǎng)殖用水的堿度的危險指標值是10mmol/L.

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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(gòu)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(jù)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(qū)的河流,水硬度很低;干旱半干旱地區(qū)的鹽堿,澇洼地的地面水與地下水,硬度多數(shù)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(zhì)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(yǎng)魚池水的硬度首先決定于水源水的硬度.新修建的養(yǎng)魚池,土壤中的可溶性鈣,鎂也會轉(zhuǎn)入池水中,使水硬度增高.修建在鹽堿地上灌注淡水的養(yǎng)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(yè)開發(fā)時,應注意這種變化.在開發(fā)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(yǎng)魚池,生產(chǎn)管理上的操作及水中生物代謝活動也可使池水硬度發(fā)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(yǎng)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°

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硬度與水產(chǎn)養(yǎng)殖

(1)鈣,鎂是生物生命過程所必需的營養(yǎng)元素,它們不僅是生物體液及骨骼的組成成分,還參與體內(nèi)新陳代謝的調(diào)節(jié).

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(zhì)的合成與代謝,碳水化合物的轉(zhuǎn)化,細胞的通透性以及氮,磷的吸收轉(zhuǎn)化等均有重要影響.缺鈣會引起動植物的生長發(fā)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(jié)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(nèi)積累碳水化合物及不穩(wěn)定的磷脂.缺鎂還會影響對鈣的吸收.

有調(diào)查發(fā)現(xiàn),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(wěn)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(chǎn)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(yǎng)殖種類的大批死亡.例如:根據(jù)臧維玲(1995,1998)研究的結(jié)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(zhì)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(zhì)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(huán)境中能夠生存的Ca2+和Mg2+質(zhì)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.

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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(diào)節(jié)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(tǒng)

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(shù)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(diào)節(jié)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(tǒng)起調(diào)節(jié)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(yǎng)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(tǒng),加入一元強堿,可使水的堿度增加相應數(shù)值;加入一元強酸,可以水的堿度減少相應數(shù)值.用AT代表水的總堿度(此處忽略硼酸鹽等其它構(gòu)成堿度的因素,且將活度系數(shù)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(jù)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(fā)作用可使水體的堿度進一步增大,作為養(yǎng)殖用水,須注意經(jīng)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.

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第四章 天然水中的營養(yǎng)物質(zhì)及其循環(huán)

第一節(jié) 植物對營養(yǎng)元素吸收的一般規(guī)律

一,植物營養(yǎng)元素的分類

(1)植物營養(yǎng)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(fā)育所必需而不能用其他元素代替的營養(yǎng)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(gòu)成植物體內(nèi)有機結(jié)構(gòu)的組成成分,參與酶促反應或能量代謝及生理調(diào)節(jié).如纖維素,單糖和多糖中含有碳,氫,氧;蛋白質(zhì)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(diào)節(jié)具有重要作用等等.

(2)非必需元素——植物正常生長發(fā)育不需要的元素

可分為:

無害元素——雖然植物正常生長發(fā)育不需要,但是少量攝入后不會產(chǎn)生嚴重病理現(xiàn)象,如鉍元素等

有害元素——不僅植物正常生長發(fā)育不需要,而且攝入微量,就會出現(xiàn)病態(tài)或中毒癥狀,又稱有毒無素.如汞,鎘,鉛等

養(yǎng)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(yǎng)元素的一般規(guī)律

(1)米氏方程

——藻類細胞對營養(yǎng)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(chǎn)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(shù),又稱為半飽和常數(shù).

(2)半飽和常數(shù)的意義

半飽和常數(shù)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(yǎng)鹽的臨界濃度,也可用于比較不同浮游植物吸收營養(yǎng)鹽能力的大小.

在光強,水溫及其它條件適宜而營養(yǎng)鹽含量較低時,Km值越小的浮游植物越容易發(fā)展成為優(yōu)勢種;Km值越大的浮游植物會因缺乏營養(yǎng)鹽使生長受到限制.而當營養(yǎng)鹽過于豐富時,浮游植物群落結(jié)構(gòu)會發(fā)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(yǎng)鹽吸收反應的半飽和常數(shù)值具有重要意義.

米氏方程僅符合于正常藻類細胞對營養(yǎng)鹽的吸收規(guī)律.

三,影響天然水體初級產(chǎn)量與生產(chǎn)速率的限制因素

(1)水中營養(yǎng)元素的平均有效濃度[S]

——為獲得正常的初級生產(chǎn)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(yǎng)鹽的有效濃度

(3)水中營養(yǎng)鹽的總儲存量

(4)向藻類細胞表面遷移補給有效營養(yǎng)鹽的速率

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第二節(jié) 氮元素及其循環(huán)

一,氮元素的來源與存在形式

1.來源

養(yǎng)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(chǎn)生無機氮.

注入含有大量氮化合物的生活和工業(yè)混合水.

水生生物和魚類的代謝產(chǎn)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(jù)研究,飼料中的氮有60-70%被排泄到水體中,因此水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)中總氮濃度與投飼率及飼料蛋白含量有直接關系,在精養(yǎng)池中經(jīng)常會出現(xiàn)對魚類有害的"富氮".

2.存在形式

游離態(tài)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(shù)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(zhì),氨基酸,尿素,胺類,硝基化合物等.

硝酸態(tài)氮——有氧環(huán)境中,微生物氧化氨,亞硝酸鹽的產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁},作為微生物生產(chǎn)硝酸鹽的補充.

亞硝酸態(tài)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(nèi)被攝取的硝酸在硝化酶的作用下轉(zhuǎn)化為氨及氨基酸過程的中間產(chǎn)物.

總銨態(tài)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(chǎn)生.包括以非離子氨和銨鹽形式存在的氮.

二,氮元素的循環(huán)

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(tài)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(tài)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(tài)氮,亞硝酸態(tài)氮,氨態(tài)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(yǎng)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(huán)的一個主要過程,即水中氣態(tài)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(zhuǎn)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(xù)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(yǎng)鹽的再生過程.

浮游植物胞外溶出——在河口和沿岸區(qū)域,大約30%的凈初級生產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)氮的10%～20%和3%～12%.溶出產(chǎn)物主要包括蛋白質(zhì),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(chǎn)物的主要形式,當然還包括脲,氨基酸,蛋白質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(huán)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(zhuǎn)化中的作用越來越重要,各種對有關微生物環(huán)的研究也越來越多,由此產(chǎn)生的溶解有機氮在氮循環(huán)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(xù)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(fā)生,尤其是在沉積環(huán)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(nèi)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(zhì)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(qū),氮的垂直分布明顯受生物活動,底質(zhì)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(qū),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(tài)氮含量下降,而氨態(tài)氮含量增加.在上升流海區(qū),由于富含氮的深層水的涌升,該區(qū)無機氮的含量明顯增加.
      三.季節(jié)變化

研究表明,中緯度(溫帶)海區(qū)和近岸淺海海區(qū)的季節(jié)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.

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五,氮肥的施用

1.氮肥的形態(tài)

(1)氨態(tài)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(yǎng)殖水環(huán)境不利.

(2)酰胺態(tài)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(jīng)微生物或酶(尿素酶)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榘狈肿?HN3)和氨離子(NH4+)后才能間接利用.據(jù)農(nóng)業(yè)施肥的研究結(jié)果,尿素轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3和NH4+,在低溫季節(jié)需7-10天,高溫季節(jié)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(tài)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(yōu)先利用氨態(tài)氮而使對硝酸態(tài)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(tài)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(tài)        殘 留      副成分         主要特點

             液態(tài)氮肥       液氨                NH3                82                   氨態(tài)              無                             堿性,揮發(fā)

                                  氨水*   NH3+H2O,NH4OH   16-25                氨態(tài)              無                              堿性,揮發(fā)

                                氨制品   NH3+NH4NO3         30-45         氨態(tài)與硝酸態(tài)       無                           堿性,揮發(fā)性均降低
                                                     NH3+Ca(NO3)2       30-45        氨態(tài)與硝酸態(tài)                      Ca2+        堿性,揮發(fā)性均降低

                                              NH3+CO(NH2)2      30-45        氨態(tài)與酰胺態(tài)        無                           堿性,揮發(fā)性均降低

             固體氮肥    硫酸銨*   (NH4)2SO4             20-21                氨態(tài)            多量        SO42-      
                                                                                                                                          生理酸性,在厭氣時SO42-易變?yōu)镠2S

                               氯化銨*           NH4Cl             22-26                氨態(tài)             多量           Cl-              生理酸性

                            碳酸氫銨*         NH4HCO3        17-18                氨態(tài)               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(tài)                          Ca2+         生理堿性,吸潮

                                硝酸鈉           NaNO3            15-16               硝酸態(tài)                           Na+      吸潮,Na+會有不良影響

                                硝酸銨           NH4NO3          32-34         氨態(tài)與硝酸態(tài)        無               吸潮,高溫,猛烈撞擊時易爆炸

                             硝酸銨鈣  NH4NO3+CaCO3       -20           氨態(tài)與硝酸態(tài)                     CaCO3       中性肥料,吸潮性小

                                尿素*           CO(NH2)2            46                 酰胺態(tài)             無

                                                                                          中性肥料,肥效稍慢,要在細菌作用下轉(zhuǎn)化為(NH4)2CO3吸收才快

* 為水產(chǎn)養(yǎng)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(chuàng)造相應的水質(zhì)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(jīng)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(zhì)過分混濁,粘土膠粒很多時,氨離子易被吸附固定,造成損失.