-8-溶解氧水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1溶解氧的平衡過(guò)程及其影響因素溶解氧主要來(lái)源于大氣中氧氣的溶解和水中浮游植物的光合作用[3]。水-氣界面溶解氧濃度差越大，水面波動(dòng)越劇烈，溶氧速度越快[4]。水體與大氣之間的氣體交換平衡時(shí)，溶解氧達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和溶解氧濃度受環(huán)境影響較大，水體溫度越高，鹽度越大，氣壓越低，水中飽和溶解氧濃度越低。藻類存在的水體中，溶解氧濃度可達(dá)到超飽和狀態(tài)，在無(wú)風(fēng)浪的情況下，水體溶解氧可達(dá)到飽和度的2倍以上[5]。隨著深度的增加，大氣氧氣的傳輸越來(lái)越弱，如果水體受溫度、鹽度等影響產(chǎn)生層化現(xiàn)象，底層氧氣來(lái)源大大減少，下層的耗氧物質(zhì)仍然不斷消耗氧氣，當(dāng)耗氧超過(guò)產(chǎn)氧時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的缺氧狀況。結(jié)冰的水體也會(huì)抑制溶解氧的大氣來(lái)源，冰蓋和積雪會(huì)改變光向水中的透射，影響冰下浮游植物的產(chǎn)氧作用[6]。溶解氧在水中的消耗過(guò)程按照反應(yīng)類型可分為物理消耗、化學(xué)消耗和生物消耗。物理消耗是指溶解氧在水-氣界面濃度差作用下逸出，風(fēng)浪的作用下會(huì)增加水氣接觸面積，加快溶解氧逸出[7]?；瘜W(xué)消耗是指水中還原性物質(zhì)被氧化降解的過(guò)程，主要包括硫化氫、枯枝落葉和生物尸體等有機(jī)物。生物消耗指的是植物、動(dòng)物和微生物的各種呼吸作用。不同深度消耗氧氣的主要物質(zhì)不同，物理消耗一般發(fā)生在表層，生化耗氧比較普遍。在不同的水環(huán)境系統(tǒng)中，各耗氧過(guò)程對(duì)溶解氧消耗的貢獻(xiàn)差異較大。有研究表明，養(yǎng)殖水體中，有機(jī)物的氧化分解占70%，生物的呼吸作用占15%，其次是大氣的消耗和底泥的耗氧[8]；西西比河底泥耗氧占水體耗氧量的20%-30%，墨西哥灣北部約為30%-50%，珠江口的為60%-85%[9]，長(zhǎng)江口的則為6%-61%[10]。溶解氧受溫度、氣壓、水深、鹽度、水動(dòng)力和有機(jī)物含量等因素影響，在不同地區(qū)呈現(xiàn)出不同的溶解氧狀況。表層水體溶解氧豐富，溫度、氣壓、鹽度等自然因素很大程度上決定了自然溶解氧濃度，在浮游植物和水動(dòng)力作用下表層溶解氧會(huì)大大增加。溫度和鹽度等因素會(huì)導(dǎo)致水體分層，影響表層溶解氧向下的傳輸。深層水體的溶解氧來(lái)源減少，濃度主要受耗氧物質(zhì)支配，在不同水深下主要耗氧不同，受水環(huán)境系統(tǒng)和人類活動(dòng)影響較大。而目前在人類活動(dòng)和氣候變化影響下，溶解氧消耗過(guò)程增加，向下傳輸過(guò)程受阻，需要進(jìn)一步研究溶解氧在水中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制和影響因素，通過(guò)控制人類污染活動(dòng)減緩溶解氧降低趨勢(shì)。1.2溶解氧的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)水中耗氧速率超過(guò)供氧速率，溶解氧濃度降低，當(dāng)濃度低于2mg/L時(shí)水中大部分生物生存受到威脅，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生致命影響并導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)變的發(fā)生[3,11,19]。氧是生物生存生長(zhǎng)所必須的元素，不同生物對(duì)氧氣需求不同，水中溶解氧濃度下降，會(huì)加劇低氧敏感物種的減少甚至消失，導(dǎo)致物種多樣性降低[20-21]。為適應(yīng)低氧環(huán)境，許多物種的生理特征、行為、形態(tài)等會(huì)發(fā)生改變[17,20-26]。有研究表明，水體溶解氧降低使得魚(yú)類個(gè)體變小，從而導(dǎo)致大海鮮的價(jià)格上升[20]。但當(dāng)溶解氧處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，魚(yú)類會(huì)出現(xiàn)氣泡病[27]。溶解氧能維持水體氧化狀態(tài)，參與水中碳、氮、磷、微量金屬和硫化物的生物地球化學(xué)循環(huán)[28]，是水體自凈能力的重要組成部分。無(wú)機(jī)態(tài)氮磷會(huì)促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng)產(chǎn)氧，但浮游植物生長(zhǎng)周期較短，會(huì)產(chǎn)生大量殘?bào)w消耗溶解氧；溶解氧降低會(huì)減弱硝化作用和厭氧氨氧化作用，導(dǎo)致去除氮的能力降低[11]，低氧還會(huì)促進(jìn)底泥中磷的釋放[29]，加快水體富營(yíng)養(yǎng)化。當(dāng)水環(huán)境中耗氧污染物增加，溶解氧降低導(dǎo)致水底呈現(xiàn)還原狀態(tài)時(shí)，重金屬等還原性污染物質(zhì)會(huì)向上覆水釋放，硫化物被還原產(chǎn)生硫化氫氣體。溶解氧能維持生命健康，保障飲用水安全。通過(guò)溶解氧維持生命活動(dòng)的重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類，是人類的重要食物來(lái)源和沿海居民的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。但不同地區(qū)氣候、地理以及人為活動(dòng)不同，溶解氧狀態(tài)和產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)也不同。例如上海地區(qū)的泵站放江會(huì)導(dǎo)致溶解氧下降明顯甚至導(dǎo)致黑臭，威脅水環(huán)境整體健康；而在一些大壩附近如三峽大壩，水體流速會(huì)隨流量增大而增大，此時(shí)溶解氧會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，容易導(dǎo)致魚(yú)類氣泡病發(fā)生[30]。因此，針對(duì)性分析不同地區(qū)溶解氧主要影響因素，才能更好維護(hù)主要水體功能。1.3水生生物對(duì)溶解氧的敏感度差異及其影響因素溶解氧基準(zhǔn)是根據(jù)生物對(duì)溶解氧的敏感度制定的，不同種類物種、生命階段、外界環(huán)境因素等都會(huì)影響生物對(duì)溶解氧的敏感度。不同于一般毒性物質(zhì)，氧是好氧生物線粒體的電子傳遞系統(tǒng)所必需的，供氧不足會(huì)限制最大化代謝能力，從而影響生物的生長(zhǎng)和生存能力。生物體對(duì)溶解氧的敏感度與其生理代謝過(guò)程密切相關(guān)，研究表明生物代謝旺盛階段對(duì)氧氣的需求量比較大，對(duì)溶解氧更為敏感。不同生物及其不同生命階段，體內(nèi)的生命結(jié)構(gòu)不同，需氧量不同；不同外界環(huán)境刺激下，生物的代謝狀況不同，需氧量不同。因此，從環(huán)境因素和生物學(xué)因素兩方面介紹水生生物對(duì)溶解氧的敏感度差異。1.3.1環(huán)境因素在溫度較低的地區(qū)，水中飽和溶解氧較高，冷水生物需氧量也較高。溫度升高時(shí)，魚(yú)在溫水中為了得到與在冷水中等量的氧氣，其鰓部就要過(guò)濾更多的高溫水，就必須加快呼吸頻率，使更多的溫水通過(guò)腮部[39]。魚(yú)是變溫動(dòng)物，體溫隨溫度升高而升高，體內(nèi)細(xì)胞酶活性增強(qiáng)，各種生理反應(yīng)隨著增強(qiáng)，對(duì)氧的需求量也增加[37,39]。適宜溫度下，同一物種在高溫下的耗氧率和窒息點(diǎn)較高[39-43]，但是當(dāng)超出一定范圍時(shí)窒息點(diǎn)隨溫度升高先上升后下降[44-48]。陳松波等認(rèn)為高溫產(chǎn)生熱麻痹，嚴(yán)重?cái)_亂和破壞了魚(yú)的生理代謝，導(dǎo)致魚(yú)類不僅僅是窒息而死。王曉光等[49]對(duì)雷氏七鰓鰻窒息點(diǎn)的研究表明，隨著溫度升高，窒息點(diǎn)先下降后上升，并認(rèn)為在窒息點(diǎn)最低時(shí),是其各種生理機(jī)能處于最佳、體質(zhì)最強(qiáng)、抵抗力最強(qiáng)的狀態(tài)。水生生物通過(guò)滲透調(diào)節(jié)適應(yīng)不同鹽度的環(huán)境，鹽度調(diào)節(jié)過(guò)程是一個(gè)消耗能量的過(guò)程[38]。例如，生活在海水環(huán)境的凡納濱對(duì)蝦，經(jīng)人工淡化馴養(yǎng)后在淡水中養(yǎng)殖，為適應(yīng)淡水滲透壓的改變，維持自身的滲透平衡，需要消耗更多能量，耗氧率增加[52]；大鹽度組的南美白對(duì)蝦對(duì)低氧的抵抗力要大于小鹽度組的蝦[53]。水流湍急的河流中溶氧更加豐富，并且湍急的水流會(huì)促使水生生物運(yùn)動(dòng)，使得生物需要更多的氧氣。例如，李育森等[43]研究發(fā)現(xiàn)適應(yīng)流水生活環(huán)境的烏原鯉和鱸鯉臨界窒息點(diǎn)遠(yuǎn)高于喜平緩水流河段生活的麥穗魚(yú)和四川裂腹魚(yú)。1.3.2生物學(xué)因素不同水生生物及其生命階段的生理結(jié)構(gòu)和習(xí)性不同，從而導(dǎo)致物種間溶解氧敏感度的差異。例如美洲鰣晝夜都在不停游動(dòng)，代謝旺盛，導(dǎo)致耗氧量較高[60]；食物充足的情況下，肉食動(dòng)物耗氧量較大[35]，攝食后的體增熱可能是主要原因[36]。目前研究普遍表明早期生命階段的水生生物對(duì)溶解氧更敏感[41-42,47,49,54-55,58]。在胚胎和幼魚(yú)階段，體內(nèi)組織和器官在迅速發(fā)育，新陳代謝較快，導(dǎo)致耗氧量相對(duì)較高；隨著組織分化、器官形成已經(jīng)完成，耗氧率相對(duì)降低[35,39]。除此之外，對(duì)劍尾魚(yú)[56]、星洲紅魚(yú)[57]等水生生物的研究表明，這些魚(yú)個(gè)體大時(shí)組織生理機(jī)能和代謝活動(dòng)比個(gè)體小時(shí)更旺盛，需更多氧氣維持，因此早期生命階段耐低氧能力更強(qiáng)，溶解氧敏感度更低[55]。周立紅等[59]對(duì)大眼幼體、欲變幼蟹和幼蟹三個(gè)階段試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大眼幼體和幼蟹階段窒息點(diǎn)分別隨著體重增加而減少，但是在欲變幼蟹階段窒息點(diǎn)較高，這是因?yàn)樽儜B(tài)期的河蟹幼體對(duì)環(huán)境因子變化比較敏感，耗氧量相對(duì)增多。水生生物對(duì)溶解氧的敏感度是由生物因素和環(huán)境因素共同作用的。例如，不同溫度和生命階段下，條石鯛對(duì)溶解氧敏感度隨鹽度變化不同[54]；雷氏七鰓鰻在不同生命階段對(duì)溶解氧最敏感的溫度不同[49]；葉爾羌高原鰍在不同溫度下，生命階段和溶解氧敏感度之間的關(guān)系發(fā)生變化[50-51]。各種各樣的生態(tài)環(huán)境造就了生物的多樣性，這是造成水生生物對(duì)溶解氧敏感度差異的主要原因；而在水生生物抵抗力最強(qiáng)的生命階段和最適生存環(huán)境下，該物種對(duì)溶解氧的變化最不敏感。1.4需要進(jìn)一步研究的工作為保持水生態(tài)系統(tǒng)的功能，制定溶解氧標(biāo)準(zhǔn)是防止水質(zhì)退化和人類污染的重要舉措。但我國(guó)地勢(shì)復(fù)雜、氣候多變，利用現(xiàn)有水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)水體存在嚴(yán)重的欠保護(hù)和過(guò)保護(hù)的問(wèn)題，影響區(qū)域公平性，現(xiàn)亟需制定符合我國(guó)國(guó)情的水環(huán)境溶解氧基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)，完善我國(guó)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系。但是目前我國(guó)水環(huán)境溶解氧的相關(guān)研究工作較少，水環(huán)境溶解氧標(biāo)準(zhǔn)是參考國(guó)外溶解氧基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)體系制定，缺乏系統(tǒng)的溶解氧基準(zhǔn)研究工作。因此，需要探究我國(guó)水環(huán)境溶解氧時(shí)空分布規(guī)律，考慮自然環(huán)境和人為壓力，分區(qū)域分析我國(guó)溶解氧實(shí)際水質(zhì)狀況，探索建立適合我國(guó)的溶解氧標(biāo)準(zhǔn)體系。關(guān)于溶解氧的影響因素和對(duì)生物的毒理效應(yīng)課題已有一定研究，但是缺乏全國(guó)范圍的溶解氧分布研究和生物毒性數(shù)據(jù)收集提煉。自然環(huán)境下的物理化學(xué)因素和生物活動(dòng)并不是始終不變的，隨著時(shí)間變化自然環(huán)境因子和生物對(duì)溶解氧敏感度都會(huì)改變。需要在綜合分析物理化學(xué)和生物等環(huán)境要素對(duì)溶解氧影響的科學(xué)基礎(chǔ)上，考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和人類需求等實(shí)際因素，探索制定保護(hù)我國(guó)水生態(tài)的溶解氧標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)[1]QuJ,FanM.TheCurrentStateofWaterQualityandTechnologyDevelopmentforWaterPollutionControlinChina[J].CriticalReviewsInEnvironmentalScienceAndTechnology,2010,40(6):519-560.[2]ZhangL,XuEG,LiY,etal.Ecologicalrisksposedbyammonianitrogen(AN)andun-ionizedammonia(NH3)insevenmajorriversystemsofChina[J].Chemosphere,2018,202:136-144.[3]DiazRJ.Overviewofhypoxiaaroundtheworld[J].JournalOfEnvironmentalQuality,2001,30(2):275-281.[4]周瑩.水生生物對(duì)水體溶解氧日變化規(guī)律影響[D].沈陽(yáng)師范大學(xué),2016.[5]張澎浪,孫承軍.地表水體中藻類的生長(zhǎng)對(duì)pH值及溶解氧含量的影響[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2004,20(4):49-50.[6]宋爽.冰封期烏梁素海光熱特性及冰下水體初級(jí)生產(chǎn)力研究[D].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2019.[7]JohnA.Definingloadinglimitsofstaticpondsforcatfishaquaculture[J].AquaculturalEngineering,2003,28:47-63.[8]馬曉濤.ARIMA和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水環(huán)境溶解氧預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].北京林業(yè)大學(xué),2015.[9]YinK,LinZ,KeZ.TemporalandspatialdistributionofdissolvedoxygeninthePearlRiverEstuaryandadjacentcoastalwaters[J].ContinentalShelfResearch,2004,24(16):1935-1948.[10]CaiP,ShiX,MooreWS,etal.224Ra:228Thdisequilibriumincoastalsediments:Implicationsforsolutetransferacrossthesediment–waterinterface[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,2014,125:68-84.[11]ConleyDJ,CarstensenJ,Vaquer-SunyerR,etal.Ecosystemthresholdswithhypoxia[J].Hydrobiologia,2009,629(1):21-29.[12]DiazRJ,RosenbergR.Spreadingdeadzonesandconsequencesformarineecosystems[J].Science,2008,321(5891):926-929.[13]JennyJP,FrancusP,NormandeauA,etal.Globalspreadofhypoxiainfreshwaterecosystemsduringthelastthreecenturiesiscausedbyrisinglocalhumanpressure[J].GlobalChangeBiology,2016,22(4):1481-1489.[14]BouwmanAF,VanDrechtG,KnoopJM,etal.Exploringchangesinrivernitrogenexporttotheworld'soceans[J].GlobalBiogeochemicalCycles,2005,19(1):1-14.[15]SeitzingerSP,MayorgaE,BouwmanAF,etal.Globalrivernutrientexport:Ascenarioanalysisofpastandfuturetrends[J].GlobalBiogeochemicalCycles,2010,24(4):1-16.[16]VanMeterKJ,BasuNB,VanCappellenP.Twocenturiesofnitrogendynamics:LegacysourcesandsinksintheMississippiandSusquehannaRiverBasins[J].GlobalBiogeochemicalCycles,2017,31(1):2-23.[17]BreitburgD,LevinLA,OschliesA,etal.Decliningoxygenintheglobaloceanandcoastalwaters[J].Science,2018,359(6371):1-11.[18]KannelPR,LeeS,LeeYS,etal.ApplicationofWaterQualityIndicesandDissolvedOxygenasIndicatorsforRiverWaterClassificationandUrbanImpactAssessment[J].EnvironmentalMonitoringandAssessment,2007,132(1-3):93-110.[19]DiazRJ,RosenbergR.Marinebenthichypoxia:Areviewofitsecologicaleffectsandthebehaviouralresponseofbenthicmacrofauna[J].Oceanographyandmarinebiology,1995,33:245-303.[20]SmithMD,OglendA,KirkpatrickAJ,etal.Seafoodpricesrevealimpactsofamajorecologicaldisturbance[J].ProceedingsOftheNationalAcademyOfSciencesOftheUnitedStatesOfAmerica,2017,114(7):1512-1517.[21]BreitburgD.Effectsofhypoxia,andthebalancebetweenhypoxiaandenrichment,oncoastalfishesandfisheries[J].Estuaries,2002,25(4B):767-781.[22]LevinLA.Oxygenminimumzonebenthos:Adaptationandcommunityresponsetohypoxia[J].OceanographyAndMarineBiology,2003,41:1-45.[23]GalloND,LevinLA.FishEcologyandEvolutionintheWorld'sOxygenMinimumZonesandImplicationsofOceanDeoxygenation[J].AdvancesInMarineBiology,2016,74:117-198.[24]SatoKN,LevinLA,SchiffK.Hab