第1章 绪论
1.1 中国湖泊概况和湖泊中的主要物质及其作用
1.1.1 中国湖泊的现状及特征
水是生命之源，是人类所需多种资源中最为重要的自然资源。我国水资源总量为2.8万亿m3，占世界水资源总量的6%，是仅次于巴西、俄罗斯和加拿大的世界水资源大国。但从人均水资源占有量来看，我国又是水资源贫乏国，人均占有量仅为2300m3，是世界人均占有量的25%，在世界上位于121位。同时由于我国水资源空间分布不均，时间分配不同、年际变化大，以及水资源的严重污染，导致水资源可利用率低下，使我国成为世界13个人均水资源最为贫乏的国家之一。
表1.1 我国湖泊面积统计表
我国湖泊数量众多，分布广泛，其中面积在1km2以上的湖泊有2742个，湖泊面积达91019.63km2（表1.1），总蓄水量约7100亿m3，约占全国陆地总面积的0.8%，拥有水库8.6万多座，总库容量达到4130亿m3以上。中国的湖泊流域是人口最为密集、经济和文化最为发达的地带之一，湖泊和水库的水资源总量达6380亿m3，是地下水可开采量的2.2倍，是我国最重要的淡水资源之一，占中国城镇饮用水水源的50%以上。全国粮食产量的1/3～1/4来自于湖泊流域，工业总产值达到了全国的30%以上，是中国国民经济持续发展和国家稳定的重要保证。因此，湖泊环境的保护在我国占有十分重要的地位。
根据湖泊的自然环境、区域分异和水资源特征，可以将我国湖泊分为东北平原与山地区、蒙新高原区、青藏高原区、东部平原区和云贵高原区五大湖区。这五大湖区包括了全国99.8%的湖泊，由于各湖区的地理位置、气候特征和水文地质条件等的差异致使各湖区湖泊水资源具有明显的区域性特征。湖泊水资源在社会经济可持续发展和生态环境系统保护中占有重要地位，因此湖泊被称为是大自然的肾脏。近年来，随着我国经济的迅速发展和城市化进程的加快，以及人们对环境保护的意识淡薄，以牺牲环境为代价肆意掠夺财富的行为泛滥，我国湖泊水资源问题日益突出，主要表现在：①湖泊水资源的短缺，造成湖泊面积萎缩、水量不断减少，许多湖泊甚至干涸；②湖泊水资源污染严重，以湖泊富营养化和 藻类水华最为典型；③在强降水背景下湖区洪涝灾害突出；④在人与自然相互作用影响下，对湖泊生态系统产生了巨大的影响。
1.1.2 浮游生物在湖泊中的作用
浮游生物泛指生活在水中而缺乏有效移动能力的漂流生物，其中分为浮游动物和浮游植物。浮游生物体型细小，大多数用肉眼看不见，悬浮在水层中且游动能力很差，主要受水流支配而移动。浮游生物是水域中其他生物生产力的基础，是淡水生态系统的重要组成部分，在水域的食物链中处于重要的地位。
1.1.2.1 浮游植物
在生态学中，浮游植物（phytoplankton）通常指浮游藻类，包括所有以浮游方式生活于水中的微小植物。它同花草树木一样具有叶绿素，但没有真正意义上的根、茎、叶，而整个藻体都有吸收营养、进行光合作用的功能，可将无机物转变为有机物以供其他次级消费者利用。例如，可将CO2转变为葡萄糖等。
浮游植物不仅是水生态系统的初级生产者，也是整个水生态系统中物质循环和能量流动的重要基础，同时，还能够迅速响应水体的营养状态变化。在环境监测中，有些浮游植物可直接作为指示生物，与传统的理化条件相比，其生物量、密度、种类组成和多样性能够更加准确地反映出水体的营养水平。
1.浮游藻类的分类
根据色素和植物体的形态构造，可将淡水浮游植物分为11个门类，分别是蓝藻、绿藻、硅藻、裸藻、隐藻、甲藻、黄藻、金藻、红藻、轮藻、褐藻。表1.2主要介绍常见的八个门类。
表1.2 藻的门类及其特点和常见种类
2.浮游藻类的特征
浮游藻类个体大小一般在 2～200μm，种类繁多，含叶绿素，营自养生活，植物体没有真正的根、茎、叶的分化，生殖细胞为单细胞的低等植物。浮游藻类是水体中重要的有机物质制造者，在整个水生态系统中有非常重要的作用，是生态系统中不可缺少的一个环节。
浮游藻类具有以下一些共同特征：水体生活、能进行光合作用、具有简单的植物体结构，但是没有维管系统及生殖器官，缺乏保护层。
浮游藻类生长需要光照和适宜的温度，生长的pH值范围为4～10，其最适pH值为 6～9，大多数浮游藻类是中温性的。赵仕藩认为水体中含氮0.2～0.3mg/L、磷酸盐0.05～0.1mg/L、水温为12～20℃、水的浑浊度小于50～80NTU时，光照较好的条件下最适宜浮游藻类生长。
3.浮游藻类的功能
在水生态系统中，浮游藻类是食物链的开端，也是初级生产者；还是无机环境和有机环境的承接者，在能量转化和物质循环等方面扮演着重要角色。
（1）提供饵料。藻类是鱼类和浮游动物等生物的直接饵料。藻类中含有丰富的维生素、蛋白质等多种营养物质，可以作为蛋白源、维生素源等直接添加进食品中，如众所周知的螺旋藻片。
（2）供氧。藻体中的叶绿素会进行光合作用，一方面向水体释放氧气，是水体中氧气的主要来源之一；另一方面，可将大气中的CO2转化为有机碳，促进整个生物圈的碳循环。
（3）物质转化。藻类是自养型微生物，在水体中以新陈代谢的方式吸收无机营养物，同时将其转化为自身物质。有些藻类能够吸收利用水体中的小分子有机物，另有一些藻类会分泌某些特定的物质（如酶类），以此促进有机物的消耗或分解。
浮游藻类不仅可以促进水体中的物质循环和能量转化，同时，对水体污染和净化也具有指示作用，因此研究其在水生态系统中的作用有着重要的意义。
4.浮游藻类在湖泊营养型评价中的应用
由于水体生态环境的变化会直接影响藻类的生长量及其群落结构，因此，藻类被广泛应用于湖泊和水质的营养型评价中。
在湖泊营养型评价中，藻类的种群结构和污染指示种是极其重要的参数，特别是在某一特定的环境（营养）条件下大量生存的藻类。即环境条件和水体的营养状况，在一定程度上可以通过污染指示藻类的种类和数量来直接反映。通常将水体划分为寡营养型、中营养型、富营养型、超富营养型四种类型。
（1）寡营养型。该种类型水体透明度高，水色清澈基本见底，溶解氧饱和，有机物含量低，藻类多样性指数高。该水体中的常见藻类多为喜清水的藻种。常见的有：丝状黄丝藻、北方羽纹藻、微星鼓藻等。
（2）中营养型。该种类型水体的透明度较高，营养盐含量适中，溶氧含量变化较大，藻类种类丰富。这类水体的主要藻类群种是中污型藻类，相关的指示藻类有膨大桥弯藻、集星藻和美丽团藻等。
（3）富营养型。该种类型水体可根据有机物浓度的差别分为以下两种：
1）富营养型（α-ms）。其特点为耗氧量高、有机物浓度超高，主要绿藻指示种类有普通小球藻、粗刺藻等；相关的蓝藻指示种类有水华鱼腥藻、阿氏项圈藻、水华束丝藻等。
2）中-富营养型（β-α-ms）。其特点是有机物浓度较高，但表观状态却略优于α-ms型水体，主要指示种有硅藻中的菱形藻、小舟形藻、星杆藻等，绿藻中的狭形纤维藻和镰形纤维藻等，以及蓝藻中的细湖泊鞘丝藻和巨颤藻等。
（4）超富营养型。该种类型水体受污染程度十分严重，根据其严重程度可将其分为厌氧重污型（α-ps）和富营养重污型（β-ps）。
1）α-ps型。其水体透明度小，水色混浊，呈黑褐色，藻类基本绝迹，仅极少数耐污的藻类（蓝藻门个别席藻）与污染颗粒结合形成黑褐色胶团浮于水面，主要聚集在污水入口。除表层含不足1mg/L的溶解氧外，其余全部缺氧，指示生物主要是闪囊菌、螺菌等裂殖菌类。
2）β-ps型。其水体距离污水口200～500m处，其水体表观状态略优于α-ps型水体，耗氧强烈，底层多有腐生性纤毛类微型动物。溶解氧只存在于水体表面几厘米处，此处常有大量裸藻聚集，藻种单一，主要的指示藻类有弱细颤藻、螺旋鞘丝藻、坑形席藻等。
需要说明的是：某些藻类可能会存在于多种水体中。例如，适应性很强的小球藻、栅藻等微型单细胞藻类，它们均能够在多种类型的水体中生存。因此，在使用藻类污染指示种评价湖泊水体营养类型时，需辅助参考其他评价方法来提高其评价的准确性。
1.1.2.2 浮游动物
浮游动物是一类经常在水中浮游，本身不能制造有机物的异养型无脊椎动物和脊索动物幼体的总称，是在水中营浮游性生活的动物类群。它们或者完全没有游泳能力，或者游泳能力微弱，不能做远距离的移动，也不足以抵拒水的流动力。
1.浮游动物的种类
浮游动物的种类极多，从低等的微小原生动物、腔肠动物、栉水母、轮虫、甲壳动物、腹足动物等，到高等的尾索动物，几乎每一类都有永久性的代表，其中以种类繁多、数量极大、分布又广的桡足类最为突出。此外，也包括阶段性浮游动物，如底栖动物的浮游幼虫和游泳动物（如鱼类）的幼仔、稚鱼等。浮游动物在水层中的分布也较广，无论是在淡水还是海水的浅层和深层，都有典型的代表。
2.浮游动物的特征
浮游动物身体较为微小，种类组成极为复杂，在养殖业和生态系统研究中占有重要地位。
3.浮游动物的功能
浮游动物是经济水产动物，是中上层水域中鱼类和其他经济动物的重要饵料，对渔业的发展具有重要意义。由于很多种浮游动物的分布与气候有关，因此，也可用作暖流、寒流的指示动物。许多种浮游动物是鱼、贝类的重要饵料来源，有的种类如毛虾、海蜇可作为人的食物。此外，还有不少种类可作为水污染的指示生物。如在富营养化水体中，裸腹溞（Moina）、剑水蚤（Cyclops）、臂尾轮虫（Brachionus）等种类一般形成优势种群。有些种类，如梨形四膜虫（Tetrahymena phriformis）、大型溞（Daphnia magna）等在毒性毒理试验中用来作为实验动物。
1.1.3 沉积物在湖泊系统中的作用
沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，是由于土壤冲刷、大气沉降、河岸或河底侵蚀等因素积累在水体底部而形成的。沉积物中常含有对人类或环境健康有毒或有危险物质的土壤、沙、有机物或者矿物。它是大型水生植物生长固定的基质，是底栖生物繁衍生活的场所，是水体环境营养盐和重金属的重要蓄积库，作为环境物质的重要宿体，时刻与湖水进行着能量和物质交换。
沉积物中的营养物质通过生物和水流的迁移作用产生再循环，这在很大程度上影响着水体富营养化的进程。湖泊沉积物是一种污染物的载体，它在一定条件下，通过吸附、络合、絮凝、沉降作用使水体中悬浮的或以其他形态存在的黏土矿物颗粒、有机质、水合氧化物以及重金属等污染物质进入沉积物，从而减轻污染物质对水体的污染，沉积物通过接纳大量污染物的方式缓解水体的富营养化进程。但是，沉积物中这些有机的、无机的污染物质又处于吸附与解析的动态平衡状态，当环境条件改变时，湖泊沉积物作为营养物质积累的重要场所，又会发生间歇性的再生作用。当外部污染源减少或受控的情况下，被吸附在沉积物中的污染物质通过解析、溶解、生物分解等作用被重新释放到水体，补充湖水中的营养盐，重新建立沉积物与水界面之间的平衡。沉积物内源释放将在相当长的时间内对水体的高营养浓度起主要作用，从而延迟或制约湖泊的治理效果，对水体造成二次污染，形成湖泊营养盐的内源负荷。
由于沉积物在湖泊内源负荷形成机制中的重要地位，沉积物营养物质的特征、赋存形态是研究水体富营养化的主要因素，沉积物对于上覆水体营养元素的“汇”“源”效应在整个湖泊系统中物质的生物、物理和化学循环过程中扮演着重要的角色，对湖泊生态系统营养物质浓度的控制也起着重要作用。
1.1.4 湖泊重金属污染的生态危害
沉积物中的污染物主要是重金属、有机有毒等的化学物质。事实上，沉积物中的有机碳、氮、磷等养分物质含量过高时也会导致水体生态环境的严重恶化，从而对环境健康构成严重威胁，从这种意义上来说也应当视为污染物。
沉积物污染会严重损坏水体生态系统的健康。沉积物受污染后，首要危害的目标是水生生物。沉积物中大量有机质的矿化可以导致水生生物缺氧，同时缺氧导致的还原条件可以引起硫化氢、元素硫、氨离子等有毒元素的释放。这些简单有毒物质可以限制沉积物中微生物的种类和数量。底栖生物的缺乏又反过来导致沉积物混合作用的减弱以及氧的扩散。湖泊中毒性藻类的演替包含一个时期，即这些毒性藻类生活在还原的沉积物中，积蓄养分，从而导致后来的大规模藻类暴发。富营养化条件下，水生生态系统的多样性急剧下降，藻类等浮游植物群落成为优势物种，加剧水质恶化及生态系统退化。
沉积物中营养元素的赋存、迁移、转化等过程，控制着水生生态系统的初级生产力水平。经过长期研究，人们逐渐认识到，湖泊富营养化的发生主要是水体“超负荷”的氮、磷等营养元素引起湖泊水生生态系统初级生产力的异常发展所致。然而，很多时候即使对湖泊污染输入源进行严格控制，湖泊（水库）的富营养化趋势并未得到完全抑制，因为沉积物中的污染物“再释放”仍然可以向水体提供足够的营养盐以维持水体的营养水平，甚至可以造成水生态环境的突发恶性化事件。研究发现，杭州西湖内源污染负荷已经达到外来污染负荷的41%；安徽巢湖内源污染负荷是外来负荷的21%；在滇池中，底泥中积累的氮是外源年输入量的7.8倍，积累的磷是外源年输入量的15.6倍。