溶解氧指溶解在水中的氧,在水中以分子狀態存在,是水質好壞的重要指標之一,通常用1升水中溶解氧的毫克數來表示。對於人類來說,健康的飲用水中溶解氧含量不得小於6毫克/升,對於水中魚類而言,溶解氧需大於4毫克/升才能保證其正常的生命活動。
影響水體中溶解氧含量的條件
水體,不同於單純的水,它除了包括水之外,還包括水中的植物、動物、底泥等,屬於生態系統的概念範疇。因此,水體中的含氧量與水體中生物群落的組成、分布等密切相關。
兩種作用
水體中溶解氧的含量受到兩種作用的影響:一是耗氧作用。包括需氧有機物降解時的耗氧、生物呼吸時的耗氧以及無機物的氧化耗氧等。所謂需氧有機物,是指在微生物的生物化學作用的分解過程中需要消耗氧的有機物,如糖類、蛋白質、油脂、木質素等,這類汙染物若過量排放,會大量消耗水中的溶解氧。生物呼吸的耗氧,則指水中植物、動物及需氧細菌等需氧生物所耗的氧。無機物的氧化耗氧則指如Fe(鐵)、H2S(硫化氫)等還原性物質在氧化過程中所消耗的氧,其中,需氧有機物降解和生物呼吸所耗氧是主要的。
另一種作用是富氧作用。主要包括空氣中氧的溶解和水生植物的光合作用等。
環境因素
天然水體溶解氧的含量是各種環境因素綜合作用的結果。除與水體中生物數量和有機物數量有關外,還與大氣中的氧分壓、水溫、水層、水面狀態、水的流動方式等因素有關。正常情況下,地表水的溶解氧含量一般為5毫克/升狀態,地下水溶解氧較少,深層水中甚至無氧。
四種情況下水體中溶解氧含量的變化
正常情況
正常情況下,各種水體都能保持一定的溶解氧水平,但由於各種因素的綜合影響,兩種作用相互消長,使得水體中的溶氧量呈現一定的時空變化。
①在時間上,主要存在日變化和季節變化。這主要是因為溫度和光照(包括光照強度與日照長短)等因素會隨著晝夜交替、季節變更而發生變化。這些變化進而影響水中植物的光合作用,需氧生物的耗氧情況以及氧在水中的溶解,從而影響水體中溶解氧的含量變化。
以季節變化為例:我國南方湖泊生態系統一般在4月~5月時會出現一個溶氧量的高峰,這是由於此時氣候已逐漸轉暖,水溫較高,光照強度逐漸增強,日照時間也不斷延長,再加上冬季積累的無機養分,利於浮遊植物大量繁殖;而且由於動物數量的增長總是滯後於植物,此時水中動物相對數量較少,耗氧量較少,所以水中溶解氧會有大幅度增加。
此後,由於無機養分的消耗,動物數量的增加,限制了水中植物數量增長;而且,動物的排洩物和動物遺體的分解,也造成需氧型細菌耗氧量增加,因此,水中溶解氧會降至一個較低水平。而到了秋冬季,氣溫下降,光強減弱,日照縮短,水體生物群落中各種群的密度都會下降,生物的生命活動也有所減弱,但由於空氣與水體仍然存在氧的溶解平衡,所以,水體中溶解氧能保持一個不低的水平。
②在空間上,主要存在垂直方向即不同深度的變化。
這是由於光能影響植物在水中的垂直分布,進而影響動物等其他需氧生物在水中的分布,再加上水溫及水壓在垂直方向上的不同,從而影響水中溶解氧的含量。一般說來,水體表面與空氣直接接觸,氧的溶解處於一種動態平衡;同時表面浮遊植物數量多,光合作用強,釋放的氧多,所以表層溶解氧含量較高。
隨著深度的增加,光照越來越弱,富氧作用溶解的氧與耗氧作用消耗的氧的比值越來越小,水體中含氧量會越來越低。
輕度汙染
輕度汙染後水域生態系統通過自身的淨化作用能夠逐漸恢復其穩定性。在這個過程中,水體中溶解氧含量也會發生變化。以河流為例,大多為5毫克~10毫克/升,一般清潔河流、湖泊可大於7毫克/升,有風浪時,海水溶氧量可達14毫克/升,水藻繁生的水體,溶氧量常處於過飽和狀態。
有時由於大量有機物排入河流,導致需氧型細菌大量繁殖,分解有機物消耗氧氣,結果可能會使局部河段溶解氧大量減少。
有機物分解產生的氨態氮(HN4+)等無機鹽離子,又會使汙染段下遊藻類植物大量繁殖。這樣,一方面藻類植物通過光合作用釋放氧氣,增加水體中的含氧量。另一方面,有機物的減少使得需氧型微生物數量下降,減少了氧的消耗。所以,水中溶解氧的含量在下遊河段又會逐漸恢復並維持一定水平。
水體富營養化後的變化
水體富營養化後,如果沒有得到及時遏制和處理,就會導致赤潮或水華的出現,嚴重破壞生態系統的穩定性。在這個過程中,水體含氧量會呈現大起大落的明顯變化。初期,由於有足夠的無機養料,藻類植物大量繁,水中溶解氧含量迅速增加。但隨後,一方面大量藻類植物聚集在水的表層,擋住陽光,影響了空氣中的氧溶入水體深層和水中植物的光合作用;另一方面,浮遊動物數量的隨後增長,增加了對水中氧的消耗,此外,藻類和其他浮遊生物死亡的遺體被需氧型微生物分解時,又要消耗水中的溶解氧。這樣,水中的溶解氧就會急劇減少。
石油汙染對水中含氧量的影響
石油是近海海水中最主要的汙染物,大量的石油汙染可導致水表面形成一層油膜,而油膜的厚度只要超過0.0001釐米時,就會妨礙大氣中的氧進入水中,阻止水與大氣之間的氣體交換,使水中溶解氧含量減少,油膜還會反射和擋住陽光,影響藻類的光合作用。
另外,石油的粘性和其中的有毒成分,能使水生動物窒息或中毒死亡,遺體的分解也要消耗水中溶解氧,進一步使水中溶解氧含量降低。可見,石油汙染會導致水中溶解氧大幅度降低,對海洋生態系統的危害極大。
從以上四種情況的分析可以看出,水體含氧量的變化伴隨著水中生物群落的組成變化,同時生物種群的數量增減反過來又影響水體中含氧量的變化。可見,生物與環境是相互作用相互影響的。
另外,水體含氧量還受到溫度、光照等其他生態因素的影響,說明各種生態因素也是相互聯繫相互影響的。環境對生物的影響實際上是各種生態因素對生物的綜合影響。
安克敬