控制富营养化：N和P外文翻译资料

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控制富营养化：N和P

Daniel J. Conley,^1* Hans W. Paerl,² Robert W. Howarth,³ Donald F. Boesch,⁴ Sybil P. Seitzinger,⁵ Karl E. Havens,⁶ Christiane Lancelot,⁷ Gene E. Likens⁸

减少N和P的输入能够改善许多淡水生态系统和大多数沿海海洋生态系统的水质。

为了确保饮用水的安全供应和减少水体的富营养化，包括减缓有害藻类的大量繁殖(1)和缩小沿海海洋生态系统(2)的“死亡区”，我们需要减少营养盐的人为输入，这一观点已经获得广泛认可。然而，这样做要付出巨大的代价；因此制定适当的营养盐管理策略显得尤为重要。合成蛋白质所需的氮(N)，合成DNA、RNA和能量转移所需要的磷(P)，不仅是水生植物生长所需要的元素，而且是大多数水生生态系统和陆地生态系统的主要限制营养元素。然而,由于化肥生产和化石燃料排放的增加，使得生物圈中固定氮的数量明显增加，这会产生一系列难以预料的后果。由于化肥的大量使用和市政、工业废水的排放，P水平也显著增加。在此，我们探讨了水生生态系统特别是河口和近海区域的双养分减少策略的原理。

在1970年代早期，辛德勒(4)解决了“是否应该通过控制一种或两种营养盐来扭转湖泊富营养化的不利影响”这一问题，并且通过在加拿大(5)实验湖区227湖泊的长期实验证实了P是主要限制性营养元素。这些和其它一些研究成果促使北美和欧洲湖泊的P负荷普遍下降，并使水质得到一定改善(7)。在湖泊实例的基础上，环境监管机构规定了河口和沿海海洋生态系统中的P控制措施(8)。在许多湖泊中，减少碳排放的项目虽然在一定程度上改善了水质，但对于河口和沿海海洋生态系统，并没有达到更严格的水质目标和环境质量目标。这使人们普遍认识到控制沿海水域的N输入的重要性(9)。

在湖泊中，富营养化的主要症状是蓝藻的大量繁殖。当P含量高，N含量低时，蓝藻会固定浮游N₂在淡水中大量繁殖。蓝藻是有毒的，不仅会导致水体缺氧，而且会破坏食物网。因此要避免蓝藻的大量繁殖(1,10)。硝化细菌固定N₂的过程有助于缓解水体中N的短缺，从而在P有限的条件下使湖泊正常运转(5)。

蓝藻固定浮游N₂的过程发生在河口和沿海海域的可能性远低于湖泊。在盐度大于8-10(海水盐度为35左右)的水体中，未观察到显著的沿海浮游N₂的固定化过程，即使是在N含量强烈限制的河口区域，一般情况下都观察不到显著的沿海浮游N₂的固定化过程(11)。如果N的限制是控制蓝藻固定N₂的唯一因素，那么蓝藻的繁殖将能够在在世界各地的河口和沿海海洋生态系统中广泛进行，而事实并非如此。因此，减少河口区域含盐水体的N负荷不会导致蓝藻大量固定N₂(5)。此外，河口和沿海海洋生态系统的富营养化会导致比蓝藻大量繁殖更严重更频繁的问题，那就是海草的死亡和水体中溶解氧的匮乏。

为什么在河口和沿海的海洋生态系统中，N₂的固定要比湖泊少得多，为什么这个过程对减少河口的N负荷没有影响?研究人员提出了许多假设(10,12)。大多数研究人员认为这不是一个因素的单一作用，而是两个或更多因素按一定比例形成的相互作用(13,14)。Narragansett 海湾(12)的中型生态系实验表明，对钼吸收的表面抑制所导致的增长速率迟缓和浮游动物的自由活动，限制了固定N₂的蓝藻的积累。在全球范围内，热带和亚热带海洋中的反硝化作用耗尽了可用的N，并且可以受到P和Fe(15)的限制，便出现了N₂固定过程，其中尤其以蓝藻引起的N₂固定过程最为显著，但在更高产的河口和沿海海域中却没有发现N₂固定过程。

只减少P的策略可能在美国的Apopka,、George和Okeechobee湖，中国的太湖和东湖以及日本的Kasumigaura湖(16)行不通。在这些湖泊中，P在沉积物和水体之间快速循环，浮游植物以不固定N₂的蓝藻为主，如浮游植物、颤藻和有毒的微囊藻等。微囊藻可以垂直迁移，在沉积物-水界面上消耗多余的P，然后上升到水面形成水华(10)。在这样的湖泊中，要想有效得控制微囊藻和固定N₂的微生物，需要同时谨慎得控制P和N。

含有大量营养盐的河口和沿海海洋生态系统会表现出P的限制、N的限制以及P和N的共同限制(17)，而限制性最强的营养盐也会随季节和空间位置的不同而发生变化(18)。在淡水与海水的过度区域，P往往是限制性营养盐(17,19)。在春季，P和可溶的硅酸盐经常受到限制，在夏季的几个月(18)中经常发生N的限制。夏季藻类繁殖过程中需要的P来自于水体中快速的P循环过程和沉积物中的P释放过程。这种情况在沿海生态系统中尤为普遍，这主要是因为盐度的升高为底部沉积物中微生物的减少提供了硫酸盐，从而导致了大量的P(19)释放。此外，由于粘土和其他粒子的吸附作用，使得淡水系统中的许多含磷化合物不能被生物利用，但是在含有盐分的条件下有相当一部分解吸下来的含磷物质是可以利用的，如可溶的磷酸盐(13)。因此，随着夏季的进行，可利用的P增加，N减少，总之N的含量并没有通过固定N₂得到有效地补偿。

原始湖泊与河口和沿海海洋生态系统有很大的不同，它们可能只是在某些方面具有相似性(5)，但在营养盐含量方面，原始湖泊的营养要匮乏得多。例如，波罗的海的低盐度条件呈现出一种复杂的情况，其中N₂的固定过程起着重要作用。由于反硝化和厌氧氨氧化在氧合和脱氧水之间的界面上增加了N的损失，波罗的海表现出了永久的底部水体缺氧的现象(20)。深冬的低氧条件也会导致混合过程中大量的P回流到地表水中(21)。由于缺氧引起的沉积物中P的年变化量几乎比可控制的P荷载(20)大了一个数量级。毫无疑问N是春季浮游植物繁殖的限制性养分；正是下沉的春季水华将有机质带到了底层水体中，这在一定程度上维持了缺氧状态。水珠中过量的P会导致蓝藻在夏季大量繁殖，当其中可以固定N₂的蓝藻数量较多时，表层水体中N的浓度会有所增加。这些新输入的N有助于春季水华的形成，并产生富营养化(21)的“恶性循环”现象。模型同样表明，要想显著改善波罗的海的溶解氧浓度、透明度和其他水质条件，有必要减少P和N的输入。

仅控制淡水的P输入而忽略N的大型人为输入，可以减少藻类对N的吸收，从而使更多N被运输到下游，加剧河口和沿海海洋生态系统的富营养化问题(13)。例如，通过采用改进的废水处理方法和禁止使用含P洗涤剂来减少P的排入量，成功阻止了美国北卡罗来纳州的Neuse河口的淡水区域中藻类大量繁殖，但是加重了河口下游的富营养化程度和低氧水平，在该区域P可以更快得回收(11)。类似的现象还有，莱茵河和其他河流在流到北海之前水体中的P负荷显著降低，由于忽略了N的减少，导致河流羽流中强烈的P限制，但是大量N的传输，加剧了瓦登海(23)和挪威海岸的Skagerrak海峡(24)的富营养化。为了限制墨西哥湾北部的密西西比河中浮游植物的生长，也有人提出减少P负荷，而这种尝试遭遇了更加强烈的N限制。然而，来自农业污水的N的增加和过量负荷使得密西西比河的羽流遭受周期性的P限制，在春季水华爆发时期尤为严重(25)。在不减少N负荷的情况下只减少P的负荷会将死区向西移动，并增加其大小(26)。

在制定控制富营养化的措施时，实施双重营养削减战略不仅是明智的，而且在大多数情况下是必不可少的。除非有明确的理由或有力的证据能够表明只关注一种营养元素在该生态系统中是合理的，且不会对下游生态系统造成损害，否则不应只关注P或N的减少。减少N的输入源会增加补偿性N₂的固定，我们不仅应该避免这种现象的发生，而且应该避免因为只关注淡水系统中的P含量而导致富营养化被转移到下游水域的现象，同时避免流域中N含量的减少对于沿海海洋生态系统也尤为重要。虽然有些人认为控制一种营养成分的管理策略，例如减少化肥的使用、处理粪便、保护土壤、恢复湿地和增加河岸缓冲带，也会控制另一种营养成分，但情况并非总是如此(27)。例如，通过废水处理降低P和N的技术差异显著，减少大气中的N沉降对水生生态系统中的P输入则没有影响。在陆海连续体中，要想降低水生生态系统的富营养化，需要一种既均衡又明智的方法来适当地控制P和N这两种营养盐。

参考文献

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27. R. W. Howarth et a

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