水体特性及水体中的物质循环课件

第二章水体特性及水体中的物质循环2.1 2.1 天然水体的特性天然水体的特性2.1.1 化学特性 水是一种良好的溶剂，能溶解与之接触的气体，液体和固体物质，任何地方的水都来源于降水、地表径流和地下水，都不是化学上的纯水。 天然水中的各种物质，离子之间还会发生许多物理、化学作用，诸如物质溶解与析出，化合与分解、氧化与还原、凝聚与胶溶、吸附与解析、气体溶入与逸出等，随时都在改变着水中物质组成及其含量，再加上水生生物的吸收、分解与排泄等生物作用，水中物质组成更加复杂与丰富。2.1.2 生物学特性水中所有生物依其生态功能可分为三大类(1)生产者 (2)消费者 (3)分解者2.1.2.1 生产者(1)水生高等植物 沉水植物 整个植物体完全沉没在水下，鱼 一草、尹绿藻等 浮水植物 浮在水面 a.浮叶植物 根扎入水体底泥中，只有叶片 浮于水面，菱等 b.漂浮植物 全株浮于水面浮萍、风叶莲、 水葫芦等 挺水植物 茎叶大部分直立水面，如鸢尾、 芦苇等(2)藻类：主要有浮游藻类和固着藻类两大类，例：硅、绿、蓝、甲、金、黄藻等。 上述生产者的共同特点就是含有叶绿素，每年在春、秋两季出现藻类生长繁殖高峰，如果水体营养物质很丰富(含大量氮、磷)往往在水中大量繁殖，形成“水华”对其它水生生物造成危害。2002年年7月月5日、梅梁湖日、梅梁湖2002年年7月月5日、梅梁湖日、梅梁湖2.1.2.2 消费者 水中消费者指水生动物，包括：(1)浮游动物：原生动物、轮虫类；枝角类； 桡足类(2)底栖动物：生活在水体底部的各种动物的总称(3)游泳动物：主要指各种鱼类2.1.2.3 分解者 主要指细菌、真菌、病毒三类的微生物以及部分原生动物，这类生物的特点是身体结构简单、形体微小、生长繁殖快、种类和数量多，分布广，其主要功能是分解所有水生动、植物残骸及其排泄物，使之转化为可供生产者重新利用的形态。2.1.2.4 初级生产和次级生产 初级生产者是指：生产者在阳光作用下进行光合作用，以无机物碳水化合物、氮、磷等为原料，生成有机物这个生产者就指初级生产者、初级生产者的生产过程。 次级生产过程：是指消费者和分解者利用初级生产者的初级生产物的同化过程。它表现为动物和微生物的生长、繁殖和营养物质的贮存。 次级生产量：在单位时间内由于动物和微生物的生产和繁殖而增加的生物量或所贮存的能量即为次级生产量。2.1.2.5 初级生产力初级生产力：光合作用积累太阳能进入生态系统 的初级能量，称初级生产；初级生 产积累能量的速率称为初级生产力。初级生产力的计算方法如下：一般是根据产氧量来进行计算，光合作用大、产氧量大；光合作用小，产氧量小；具体为：白瓶 测24小时后的溶氧量 黑瓶 测24小时后的溶氧量 初始瓶 测当时的溶氧量(1)水层日产量的计算 (mgO2/L) 净生产力=白瓶溶解氧量-初始瓶溶解氧量 呼吸作用量=初始瓶溶解氧量-黑瓶溶解氧量 毛生产量=白瓶溶解氧量-黑瓶溶解氧量(2)水柱日产量计算水柱日产量：指面积为1m2，从水表面到水底的整 个柱形水体的日生产量，可用算术 平均值累积法计算2.1.3 沉积物特性 水流在流动中，一部分物质在沿途沉降下来，堆积在水的底部。天然水体沉积物来源于流域范围内的岩石风化产物，地表径流挟带的泥沙，粘土颗粒以及生物及残骸。流速大，这些物质悬浮在水中，流速小，这些物质沉积在水底。研究沉积物可以：了解当前水体水质状况； 追溯水体污染历史； 预测水体水质变化趋势。 沉积物中的某些成份，由于水体物化条件的变化，可以重新释放或者成为次生污染源。2.2 2.2 河流、湖泊、水库水体的特点河流、湖泊、水库水体的特点2.2.1 河流 (1)特点 与其它天然水体比较，河水的矿化度较低； 河水的化学成份，由于季节、水文和气象因 素的影响，变化剧烈； 河水的溶解性气体富裕，而且表层水与底层 水的溶气量几乎没有什么差别； 河水的表层水与底层水的温度也比较一致， 不存在分层现象； 河流的有机物质基本上来自陆地和邻近的静 水水体，河水的初级生产力比较低。(2)河流与水污染的关系 流速：流速慢，某些污染物易于沉淀，延长 了污染物降解作用时间，稀释扩散能 力减慢；流速快稀释扩散能力强，搅 拌河底淤泥，沉淀作用小 宽窄：窄：排出不远后横向易完全混全； 水深：浅：纵向易混合； 深：纵向不易混合。 底质：若河底淤积污染物质，在水流的冲刷 下会再次溶出，造成二次污染2.2.2 湖泊 (1)矿化度较高。这是由于湖水停留时间长，蒸发量大，一些矿物盐分浓度提高，甚至发生盐类结晶沉淀，这个现象在干旱地区的湖泊中常可见到。 (2)湖泊中温度，溶解性气体和营养盐类等空间分布的特点引起湖水分层现象。 (3)湖泊按水中营养盐分(主要氮、磷)的多少划分为：贫营养湖泊；中营养湖泊和富营养湖泊等类型。一般来说，湖泊的初级生产力比河流高；中营养湖泊的初级生产力和次级生产力都比河流高；富营养湖泊的初级生产力过剩；造成水体极度缺氧，对其它生物不利，使次级生产力极低。 (4)湖泊主要生产区是岸边浅水带和湖面透光层，湖泊演变途径是贫营养湖中营养湖富营养湖沼泽。2.2.3 水库 水库是个半河、半湖的人工水体。其特点为： (1)水位不稳定、浑浊度大，以致生产力往往低 于天然湖泊； (2)库水交换频率高于湖水，使水质状况接近河 水； (3)淹没区的植被沉入湖底，腐败分解，土壤的 浸渍作用，岩石溶蚀作用，使库水矿化度， 溶解气体和营养物质逐渐接近湖水。2.3 水体中的物质的循环2.3.1 有机物分解 在富氧水体中，很多有机物被多种多样的细菌和真菌通过呼吸作用而分解，分解程度决定于水中理化条件及有机物本身的组成。也有相当一部分有机物来不及分解而沉积水底。在厌氧条件下，沉淀到水底的有机质分解速度较慢，程度较不完全。有些有机质(木质素)在微生物作用下形成一种特殊的有机物质，通常称为腐殖质。由于水体的运动或机械扰动，腐殖质可再次进入水体，矿化释放出营养元素，归还到环境，从而完成有机物的矿化作用。2.3.2 水体中氧的来源与消耗 (1)水中氧的来源有二个 大气中的氧源源不断的溶解于水并与水处于 动态平衡； 水生植物(藻类和水生高等植物)的光合作用 释放的氧。 (2)水中氧的消耗主要有三个途径 水生动植物的呼吸作用； 水生微生物的呼吸作用； 水中微生物参与下的有机物生物化学降解过 程，大量消耗溶解氧。2.3.3 氮循环 水体中的氮的主要来源有二个：地表径流和农田排水中挟带大量的无机氮和有机氮物质；水体中某些生物的固氮作用。 水体中氮的消耗有下述4个途径：随水流出；沉积于水底；由于水中存在反硝化作用而逸出；水生动、植物以水产品形式被人类或动物捕捞而脱离水体。 水体中各种含氮物质之间的转化是通过下述几种反应和在特定的生物参与下完成的。 a.氨化作用b.硝化作物c.反硝化作用d.无机氮的同化作用2.3.4 磷循环 来源：主要为径流流入。 消耗：径流流出；沉积；以水产品形式被人捕捞 磷在水中的存在形式有溶解性无机磷，溶解性有机磷和悬浮性颗粒磷。 溶解性无机磷主要为磷酸盐，也包括多磷酸盐和胶体无机磷 溶解性有机磷包括大部分胶态有机磷 悬浮性颗粒磷包括悬浮性粒状有机磷和泥沙粘土颗粒胶体吸附的磷 水体中的各种磷化合物主要通过有机磷矿化、无机磷同化和不溶性无机磷有效化三个途径进行循环： (1)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； (2)磷的同化作用 水中溶解性无机磷首先为上层水中的浮游植物所吸收，转化为有机磷。其中一部分用于本身生长的需要，大部分(95%以上)积累在细胞中以备磷源不足时使用。 (3)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，水中pH值向酸性转变时，可使沉积物中的不溶性磷成为可溶性的。 (4)细菌也从水中吸收磷，主要是有机磷 水生高等植物能从沉积物中大量吸收无机磷，经代谢转变成有机磷化合物。2.3.5 湖泊生态结构流程图2.3.6 湖泊中藻类及各营养盐间的相互关系图