第三章 天然水的氣—液溶解作用

1、第三章 天然水的氣液溶解作用第一節(jié) 氣液溶解基本理論一、雙膜理論氣體溶解速率的“雙膜理論”認為：在氣、液界面兩側，分別存在穩(wěn)定的氣膜和液膜，即使氣相、液相呈湍流狀態(tài)，這兩層膜內(nèi)仍然保持層流狀態(tài)(層流是指流體質(zhì)點的運動跡線相互平行、有條不紊的流動。湍流是指流體質(zhì)點的運動跡線極其紊亂，流向隨時改變的一種流動。無論以何種方式擾動氣體或液體，都不能將這兩層膜消除，只能改變膜的厚度。氣體主體內(nèi)的分子溶入液體主體中的過程有4個步驟（圖3-1）：氣相主體 P2(湍流區(qū)) P2_ 氣膜頂面氣膜 P1_ 氣液界面液膜 C1_ 液膜底面液相主體 C2(湍流區(qū)) C2圖3-1 氣體向液體溶解示意圖也就是氣體通過以下

2、4個過程溶入液體：1、 靠湍流從氣體主體內(nèi)部達到氣膜2、 靠擴散穿過氣膜到達氣液界面，并溶于液相3、 靠擴散穿過液膜4、 靠湍流離開液膜進入液相內(nèi)部當氣體分子在氣相主體與液相主體中遷移時，靠的是湍流，運動速度快，混合均勻，可認為在氣相主體與液相主體中都不存在濃度梯度。而在氣膜和液膜內(nèi)只存在層流，氣體分子只能靠擴散通過。據(jù)擴散定律（通過截面積A的擴散速率dG/dt與被擴散物質(zhì)的濃度梯度dc/dl成正比）,空氣中的氧氣進入水體表面的液相界面膜的擴散速率與界面膜中溶解氧的濃度梯度的關系為：這是假定氣體到達界面后瞬間即能達到溶解平衡，并符合亨利定律關系。易溶氣體主要受氣膜擴散限制，難溶氣體主要受液膜擴

3、散限制。二、溶解度及其影響因素1、氣體在水中的溶解度在一定條件下，某氣體在水中的溶解達到平衡以后，一定量的水中溶解氣體的量，稱為該氣體在所指定條件下的溶解度。一般用100g水中溶解氣體的克數(shù)來表示易溶氣體的溶解度，而用1L水中溶解氣體的毫克數(shù)(或毫升數(shù))來表示難溶氣體的溶解度。用毫升來表示時是指標準狀態(tài)下(0、101.3kPa )的體積。對于難溶氣體，由于溶入水中的氣體量很少，不會顯著改變水的體積，1L純水溶解的氣體的毫克數(shù)也可以看作就是溶解了氣體后的1L水中所含該氣體的毫克數(shù)。對于易溶氣體，水中溶解大量氣體后，體積有較大的變化，就不能把溶解度與濃度等同起來了?？諝庵泻枯^高的氮氣和氧氣在水中

4、的溶解度都不大，可以不考慮溶解氣體后水的體積的改變。2、影響氣體在水中溶解度的因素氣體在水中溶解度，首先取決于氣體本身的性質(zhì)。通常極性分子氣體在水中的溶解度大，非極性分子氣體在水中的溶解度?。荒芘c水發(fā)生化學作用的氣體溶解度大，不能與水發(fā)生化學作用的氣體溶解度小。例如NH3、HCl在水中的溶解度就很大，而N2、H2、O2在水中的溶解度就很小。表3-1列出了部分氣體壓強為101.3kPa時在水中的溶解度。表3-1各種氣體壓強為101.3kPa時在純水中的溶解度(ml/L)溫度（）0102030O249.2238.4231.4526.73N223.5918.9515.9813.98Ar57.845.

5、337.932.6He9.79.99.910.0Nr11.411.814.715.4Kr110.581.062.550.9Xe24217412398CO217131194878665H224.4819.5518.1916.99CH455.6341.7733.0827.62除氣體本身的性質(zhì)外，影響氣體在水中溶解度的因素還有水的溫度、含鹽量和氣體的分壓力。、溫度 隨著溫度升高氣體在水中的溶解度降低。表3-1列出了各種氣體為101.3kPa 時于純水中的溶解度。從表中可以看出氣體在水中的溶解度隨著水溫的升高而下降。、含鹽量 當溫度、壓力一定時，水中含鹽量增加，會使氣體在水中的溶解度降低。這是因為隨著

6、含鹽量的增加，離子對水的電縮作用(指離子吸引極性水分子，使水分子在其周圍形成緊密排布的水合層的現(xiàn)象)加強，使水可溶解氣體的空隙減少。海水的含鹽量很高，在相同溫度和分壓力下，氣體在海水中的溶解度比在淡水中小得多。因而氧氣在大洋海水中的溶解度大約只有在淡水中的8082%。對于淡水來說含鹽量低，且變化幅度很小，對氣體在水中的溶解度影響不大，一般不考慮含鹽量的影響，而近似地釆用在純水中的溶解度值。、氣體分壓力 在溫度與含鹽量一定時，氣體在水中的溶解度隨氣體的分壓增加而增加。對于難溶氣體，當氣體在低壓時，氣體溶解度與其分壓力成正比，這就是享利定律。用公式表示為：C = Ks × P 式中：C

7、-氣體的溶解度; P -達到溶解平衡時某氣體在液面上的壓力;Ks -氣體吸收系數(shù)，其數(shù)值隨氣體的性質(zhì)、溫度、水的含鹽量變化而變化，也與壓力(P)、溶解度(C)所釆用的單位有關。對同一種氣體在同一溫度下有 式中：C1-壓力為P1時的溶解度;C2-壓力為P2時的溶解度。對于混合氣體中某組分氣體在水中的溶解度，上式中則是指該組分氣體的分壓力，與混合氣體的總壓力無關。由幾種氣體組成的混合氣體中組分B的分壓力PB等于混合氣體的總壓力PT乘以氣體B的分壓系數(shù)KB，這就是道爾頓分壓定律：PB=PT×KB KB= 式中: VB-組分B在壓力為PT時的分體積；-各組分氣體的分體積之和，等于混合氣體在壓

8、力為PT時的體積VT。道爾頓分壓定律和亨利定律，只有理想氣體才能嚴格遵守。對于不與水發(fā)生化學反應的真實氣體，如N2、O2、CH4等，只要壓力不是很大（數(shù)個標準大氣壓之內(nèi)）都可以用道爾頓分壓定律和亨利定律進行有關計算。亨利定律只適用于氣相與液相有相同形態(tài)的物質(zhì)。能與水發(fā)生水合、電離的氣體如CO2、H2S等，只適用于在水中仍以分子狀態(tài)存在的CO2、H2S，而不是溶解的總量。三、溶解速度及其影響因素1、飽和度水中溶解氣體的含量一般用1L水中所含溶解氣體的量來表示，單位為ml/L或mg/L。ml是指標準狀態(tài)下的體積。體積與質(zhì)量的換算系數(shù)，對于氧氣f = 1.429mg/ml，氮氣f = 1.251mg

9、/ml, 其它氣體可按f = mg/ml計算，式中Mr為氣體的相對分子質(zhì)量。溶解氣體在水中的飽和含量是指在一定的溶解條件下(溫度、分壓力、水的含鹽量)，氣體達到溶解平衡以后，1L水中所含該氣體的量。對于難溶氣體飽和含量就等于溶解度。單純用氣體在水中的含量很難反映氣體在水中溶解時所達到的飽和程度。為了能較直觀地反映氣體在水中的溶解程度，引入飽和度的概念，所謂飽和度是指溶解氣體的現(xiàn)存量占所處條件下飽和含量的百分比。即：氣體飽和度 = ×100%根據(jù)氣體的飽和度，可方便地判斷氣體是否達到溶解平衡。當飽和度為100%時，說明氣體達到了溶解平衡；當飽和度<100%時，說明氣體溶解未達飽和

10、，大氣中氣體可以繼續(xù)向水中溶解；飽和度>100%為過飽和，水中氣體主要向大氣逸出。對溶解氧而言，水中溶解氧氣的飽和含量是指在天然水體表面所承受的大氣壓力下，空氣中的氧氣在水中的溶解度。水面上的空氣可以看作是濕度飽和的空氣。附錄？中列出了不同鹽度和溫度下，大氣壓為101.3kPa的飽和濕空氣中的氧氣在水中的飽和含量(C0s) ，任意大氣壓下的飽和含量(Cs )可以用下式換算。Cs = 式中：P0為溶解度 C0s時的大氣壓力，即101.3kPa;P為天然水體表面的大氣壓;Pw為該溫度下水的飽和蒸氣壓，不同溫度下純水的飽和蒸氣壓(Pw0)列于表3-2。海水的蒸氣壓比純水略低，可根據(jù)鹽度(S)按

11、下式計算Pw = (1-5.37×10-4 S) Pw0 表3-2 不同溫度下純水的飽和蒸氣壓溫度()P0w(kPa)溫度()P0w(kPa)溫度()P0w(kPa)00.6107141.597263.36020.7053161.817283.77840.8128182.062304.24160.9345202.337324.75381.0720222.642345.318101.2270242.982365.940121.4014253.166386.623407.374由于鹽度對水的蒸氣壓影響不大，一般可用純水蒸氣壓代替。水體表面的大氣壓力可以從當?shù)貧庀蟛块T得到。也可以根據(jù)水面所

12、處的海拔高度利用表3-3進行計算。表3-3 平均大氣壓隨海拔高度的變化H(km)01234520P(kPa)101.3389.4679.0669.8661.7354.005.47第二節(jié) 溶解氧一、水中增氧與耗氧作用1、水中溶解氧的來源（1） 空氣的溶解水面與空氣接觸，空氣中的氧氣將溶于水中，溶解的速率與水中溶氧的不飽和程度成正比，還與水面擾動狀況及單位體積的表面積有關，即與風力、表面積和水深有關。氧氣在水中的不飽和程度大，水面風力大、水表面積大又較淺時，空氣溶解起的作用就大。表3-4 是在自然條件下通過單位界面由空氣增氧數(shù)量的研究結果，很好說明了上述規(guī)律。表3-4在自然條件下通過單位界面由空氣

13、增氧的數(shù)量(g/m2·d-1)溶氧飽和度100%80%60%40%20%10%小池00.30.60.91.21.5大湖01.01.92.93.84.8緩流的河川01.32.74.05.46.7大的河川01.93.85.87.69.6急流的河川03.16.29.312.415.5如沒有風力或人為的攪動，空氣溶解增氧速率是很慢的，遠不能滿足池塘對氧氣的消耗。為了增加氧氣溶解速率，在水體缺氧時需開動增氧機。在養(yǎng)殖生產(chǎn)中還主張中午前后開動增氧機來改善池塘氧氣狀況，。中午池水中一般溶氧量較高，常過飽和，這時開增氧機可改善底層水的溶氧狀況和下午浮游植物的光合作用的產(chǎn)氧效率。（2） 光合作用水生植

14、物光合作用釋放氧氣，是池塘中氧氣的主要來源。一般河流、湖泊表層水夏季光合作用產(chǎn)氧速率為0.5-10g/ m2·d-1。據(jù)1977年5-8月對我國淡水養(yǎng)魚高產(chǎn)地區(qū)之一江蘇無錫市郊成魚養(yǎng)殖高產(chǎn)(1266.7kg/畝)池塘調(diào)查，表層光合作用產(chǎn)氧速率為13.020.6 mg/ m2·d,平均17.82±2.77 mg/ m2·d; 中層(1.0m)為0.125.54 mg/ m2·d, 平均1.13±1.6 mg/ m2·d。每平方米水柱產(chǎn)氧速率為6.614.3 mg/ m2·d, 平均10.09 g/ m2·d

15、。哈爾濱地區(qū)成魚池，光合作用產(chǎn)氧速率為12.631.5 mg/ m2·d, 平均20.3±7.43 mg/ m2·d，中層(0.70.8m)為0.416.94 mg/ m2·d, 平均2.82±2.14mg/ m2·d, 平均每平方米水柱產(chǎn)氧速率為10.01 g/ m2·d。植物光合作用增氧有以下特點：（a） 晝夜變化明顯。僅白天增氧，晚上耗氧。（b）. 水層差別大。各水層光合作用產(chǎn)氧速率隨深度的增加而變化。浮游植物在過強光照射下會產(chǎn)生光抑制效應，表層光合作用速率反而不如次表層大。（c） 效果不穩(wěn)定。增氧的數(shù)量及速率隨光照條

16、件、水溫、植物的種類、數(shù)量、生理狀態(tài)以及CO2、營養(yǎng)鹽的供給狀況等因素的不同而異，時空變化很大。藻類進行光合作用的最終結果是合成藻體的有機質(zhì)，浮游植物的平均元素組成可用(CH2O)106(NH3)16H3PO4來表示，光合作用的各元素的計量關系可用下式來反應：106CO2 + 16NO-3 + HPO2-4 + 122H2O = (CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138O2由此式可計算出浮游植物光合作用對P、N、C的需求及釋放 O2的比例P：N：P：O2 = 1：16：106：138 (摩爾比) 或 P：N：P：O2 = 1：7.2：41：142 (質(zhì)量比)由此式可以得出：浮游植

17、物光合作用釋放1mgO2產(chǎn)生有機碳的量為0.289mg，這對研究水體的初級生產(chǎn)力有重要的意義。（3） 補水人工泵水、注水，自然流水補給以及水體內(nèi)部水團的垂直對流均屬這類，在底水層溶氧增補上有重要意義。在工廠化流水養(yǎng)魚由補水補氧是氧氣的主要來源。在非流水養(yǎng)魚的池塘中，補水量較小，補水對魚池的直接增氧作用不大。只有補充水中氧氣含量較高，池塘水中氧氣缺乏時，補水增氧才具有明顯的效果。冬季，北方越冬池注入井水一般不會起到增氧作用，因為地下水中通常氧氣含量低于池塘水?？偟恼f來，貧營養(yǎng)水體及流動水體，以大氣溶解增氧作用較大；富營養(yǎng)型靜水水體則以光合作用增氧為主。有人調(diào)查指出：在自然條件下，靜水養(yǎng)魚池內(nèi)溶解

18、氧的總收入中，光合作用增氧占89%、空氣溶解增氧約占7%、其余4%為水補給增氧。當然不同水體條件千差萬別，這一比例決不是一成不變的。2、水中氧氣的消耗（1） 魚、蝦等養(yǎng)殖生物呼吸魚、蝦呼吸耗氧速率隨魚、蝦種類、個體大小、發(fā)育階段、水溫等因素而變化。魚的呼吸耗氧速率在63.5665mg(O2)/kg·h 。在計算流水氧魚的水交換速率時，常將魚的呼吸耗氧速率按200300mg(O2)/kg·h進行粗略的估算。魚蝦的耗氧量(以每尾魚每小時消耗氧氣毫克數(shù)計)隨個體的增大而增加。而耗氧率(以單位時間內(nèi)消耗氧氣的毫克數(shù)計)隨個體的增大而減小?；顒有詮姷聂~耗氧速率較大。在適宜的溫度范圍內(nèi)

19、，水溫升高，魚蝦耗氧訴率增加。如23時日本對蝦耗氧速率，體重為3.1g的個體，靜止時為193 mg(O2)/kg·h，活動時為626mg(O2)/kg·h，體重16.1g的個體，靜止時為110 mg(O2)/kg·h，活動時為446mg(O2)/kg·h。體長為7.5cm的中國對蝦耗氧速率，10時為93.2 mg(O2)/kg·h，20時為440 mg(O2)/kg·h，28時為560mg(O2)/kg·h。可見水溫和個體大小對生物的耗氧速率影響很大。（2） 水中微型生物耗氧水中微型生物耗氧主要包括：浮游動物、浮游植物、細菌

20、呼吸耗氧以及有機物在細菌參與下的分解耗氧。這部分氧氣的消耗也與耗氧生物種類、個體大小、水溫和水中機物的數(shù)量有關。據(jù)日本對養(yǎng)鰻池調(diào)查，在20.525.5時浮游動物耗氧的速率為721-932ml(O2)/kg·h。原生動物的耗氧速率為17×10-3-11×103ml(O2)/kg·h。浮游植物也需呼吸耗氧，只是白天其光合作用產(chǎn)氧量遠大于本身的呼吸耗氧量。據(jù)研究，處于迅速生長的浮游植物，每天的呼吸耗氧量占其產(chǎn)氧量的1020%。有機物耗氧強度主要決定于有機物的數(shù)量和有機物的種類(在常溫下是否易于分解)。通常用“水呼吸”來反應水中微型生物與化學反應所消耗的溶氧。水

21、呼吸可用不透光的“黑瓶”直接測定，即將待測水樣用虹吸法注入黑瓶及測氧瓶中，測氧瓶立即固定測定，黑瓶放入池塘取樣水層，過一段時間后，取出黑瓶測定其溶氧。據(jù)前后兩次測得溶氧量之差和在池塘中存放的時間，就可以計算出每升水在24小時內(nèi)所消耗氧氣的量，此為水呼吸。可見水呼吸不僅包括浮游動物、浮游植物、細菌呼吸耗氧、有機物的分解耗氧，還包括水中的其它化學物質(zhì)氧化對氧氣的消耗量。據(jù)前蘇聯(lián)學者研究，有藻類水華的池塘水呼吸耗氧量為5.313.5mg(O2)/L·d , 無藻類水華的池塘水呼吸耗氧量為2.45.3mg(O2)/L·d。我國無錫地區(qū)高產(chǎn)池在4-8月份表層為2.4810.8 mg(

22、O2)/L·d，平均6.68±0.19mg(O2)/L·d；中層1.158.34 mg(O2)/L·d，平均4.96±0.66 mg(O2)/L·d。冬季水呼吸在為減少，如哈爾濱地區(qū)越冬池水呼吸耗氧速率為0.043.76 mg(O2)/L·d ，平均0.62±0.52 mg(O2)/L·d ， 僅為夏季水呼吸平均值的9%左右。前蘇聯(lián)學者對十個湖泊水庫的水呼吸耗氧狀況研究時指出：浮游動物占534%，平均23.5%，浮游植物占432%，平均19.1%，細菌占4473%，平均57.4%?？梢娺@十個湖泊水中細菌呼

23、吸耗氧是水呼吸耗氧的主要組成部分。（3） 底質(zhì)耗氧底質(zhì)耗氧比較復雜，主要包括：底棲生物呼吸耗氧，有機物分解耗氧，呈還原態(tài)的無機物化學氧化耗氧。許多研究者對不同地區(qū)、不同類型養(yǎng)殖水體的底質(zhì)耗氧速率進行測定指出：我國湖泊底質(zhì)耗氧速率為0.31.0g(O2)/ m2·d。遼寧地區(qū)夏季養(yǎng)魚池塘耗氧速率為0.672.01,平均1.31±0.35g(O2)/ m2·d，哈爾濱地區(qū)魚類越冬池平均耗速率為0.4g(O2)/ m2·d(雷衍之1992)。內(nèi)蒙古地區(qū)魚池，生長期1.4，越冬期0.47g(O2)/ m2·d(申玉春1998)。日本養(yǎng)鰻池為1.113.

24、2g(O2)/ m2·d，美國養(yǎng)魚池底質(zhì)耗氧率值為1.46g(O2)/ m2·d，前蘇聯(lián)養(yǎng)鯉池為0.41.0g(O2)/ m2·d。（4） 逸出當表層水中氧氣過飽和時，就會發(fā)生氧氣的逸出。靜止的條件下逸出速率是很慢的，風對水面的擾動可加速這一過程。養(yǎng)魚池中午表層水溶氧經(jīng)常是過飽和，會有氧氣逸出，不過占的比例一般不大。不同水體中，上述各項耗氧作用占的比例相差很大，不同水體不同研究者得到的結果也不一樣。表3-5列出了不同類型養(yǎng)殖池各耗氧因子所占的比例雖然各不相同，但有一點還是比較一致的，就是水呼吸耗氧占總耗氧量的比例最大。表3-5不同類型養(yǎng)殖池各耗氧因子所占的比例(%

25、)地區(qū)養(yǎng)殖對象養(yǎng)殖生物耗氧水呼吸底質(zhì)耗氧逸出研究者江蘇無錫 淡水魚類20719雷衍之1983淡水魚類16.172.90.610.4淡水魚類15.369.414.8上海金山中國對蝦25.258.216.6臧維玲1995中國對蝦21.875.13.17福建晉江斑節(jié)對蝦343530林 斌1995二、溶氧的分布變化特點1、溶氧的日變化湖泊、水庫表層水的溶氧有明顯的晝夜變化，養(yǎng)殖池塘溶氧的晝夜變化更加明顯。這是由于光合作用是水中氧氣的主要來源，而光合作用受光照日周期性的影響，白天有光合作用，晚上光合作用停止。這就造成表層水溶氧白天逐漸升高，晚上逐漸降低。溶氧最高值出現(xiàn)在下午日落前的某一時刻，最低值則出現(xiàn)

26、在日出前后的某一時刻。最低值與最高值的具體時間決定于增氧因子和耗氧因子的相對關系。如果耗氧因子占優(yōu)勢，則早晨溶氧回升時間推遲，且溶氧最低值偏小。日出后光合作用速率增加，產(chǎn)氧能力超過耗氧速率，溶氧就回升，直到下午某個時刻達到最大值。以后逐漸降低，如此周而復始的變化。具體條件不同情況也不相同。由光合層的氧含量可以看出日變化。圖3-2表示在日本海的水所觀測到的氧含量的日變化。這是在近水表面以及l(fā)米以下的觀測結果?？梢钥闯?，午后56時前后，其值極大，午前8時左右其值極小。在淺層可以看出，極大值的出現(xiàn)時刻隨深度增加而漸次提前出現(xiàn)。魚池的中層和底層，溶氧也有晝夜變化，但變化幅度較小，變化的趨勢也有所不同。

27、由于一般魚池的中層和底層光照較弱，產(chǎn)氧少，風力的混合作用可將上層的溶氧送至中下層，影響溶氧的變化。溶氧日變化中，最高值與最低值之差稱為晝夜變化幅度，簡稱為“日較差”。日較差的大小可反映水體產(chǎn)氧與耗氧的相對強度。當產(chǎn)氧和耗氧都較多時日較差才較大。日較差大，說明水中浮游植物較多，浮游動物和有機物質(zhì)適中，也就是餌料生物較為豐富。這對魚類生長是有利。在溶氧最低值不影響?zhàn)B殖魚類生長的前提下，養(yǎng)魚池日較差大是一種好現(xiàn)象，其表明池中有豐富的餌料生物。南方漁農(nóng)中流傳的“魚不浮頭不長”的說法，是對早晨魚浮頭的魚池，魚一般生長較快現(xiàn)象的總結。這主要是針對以培養(yǎng)天然餌料養(yǎng)魚來說的，如果用全價配合飼料流水養(yǎng)魚或網(wǎng)箱養(yǎng)

28、魚，就不存在池水日較差大對魚類生長有利的說法了。圖3-2 日本海溶氧晝夜變化(橫坐標：“時間”2、溶氧的月變化與年變化(季節(jié)變化)在一個時期內(nèi)，隨水溫變化及水中生物群落的演變，溶氧的狀況也可能發(fā)生一種趨向性的變化。只是情況比較復雜，變化的趨向隨條件而變。如貧營養(yǎng)型湖泊，水中生物較少，上層溶氧接近于溶解度，溶氧的年變化將是冬季含量高，夏季含量低。對富營養(yǎng)型湖泊，情況復雜。養(yǎng)魚池生物密度大，變化比較劇烈，在一段時間內(nèi)(長則1015天，短則35天)，水中的生物群落就發(fā)生較大的變化，會引起溶氧狀況的急劇變化。如浮游植物豐富、浮游動物適中、溶氧正常的水體，在35天后可能轉變?yōu)楦∮蝿游锒?、浮游植物貧泛、?/p>

29、氧過低的危險水質(zhì)，這一點應加以注意。3、溶氧的垂直分布湖泊、水庫、池塘溶氧的垂直分布情況也比較復雜。與水溫、水生生物狀況、水體的形態(tài)等因素密切相關。在貧營養(yǎng)型湖泊，溶氧主要來自于空氣的溶解作用，含量主要與溶解度有關。夏季湖中形成了溫躍層，上層水溫高，氧氣的溶解度低，含量也相應低一些。下層水溫低，氧氣的溶解度高，含量也相應高一些。而在富營養(yǎng)型湖泊，營養(yǎng)鹽豐富，有機質(zhì)較多，水中生物量較大，水的透明度低，上層水光合作用產(chǎn)氧使溶氧豐富，下層得不到光照，無光合產(chǎn)氧，水中原有溶氧很快被消耗，處于低氧水平。在海水中表層水的氧幾乎接近飽和狀態(tài)。因此，表層水的水溫和氯度基本決定了溶解氧的含量。在日本近海，水溫和

30、氯度都很低的親潮水氧含量高(？7ml/L)，而水溫和氯度都很高的黑潮含氧含量較低(5毫時升)，其濃度隨深度增加而降低而在某一深度達極小值。但在該深度以下，其濃度隨深度又有某些回升（圖3-3）。日本近海之氧濃度極小層深度，在本州南部為l000米以深，本州東北部為6001000米。本州東北部極小層氧含量為0.51.0ml/L。與此相反，在本州南部氧極小層的氧含量則高達1.01.6 ml/L。日本海更高，可達5.0 ml/L。在海水中同時進行著氧從大氣的溶入以及因氧化而被消耗兩種作用，開始時，氧的溶入量比消耗量小。因此，氧在深層水中逐漸減少。來自大氣的溶入量、因湍流擴散向深層運送氧的速度在鉛直方向上

31、的變化以及氧消耗在鉛直方向上的變化等這三方面就是形成氧極小層的因素。圖3-3 四個海區(qū)溶解氧的垂直分布4、溶氧的水平分布由于溶氧的垂直分布的不均一性，在風的作用下使溶氧的水平分布不均勻。一般水較深、浮游植物較多的魚池，上風處水中溶氧較低，下風處水中溶氧較高，相差可能達到每升數(shù)毫克。在水中溶氧底層高于表層的情況下，會出現(xiàn)與上述相反的情況-溶氧上風處高于下風處。對于較淺的水體(如4050cm深)，整個水體溶氧都過飽和，表層水溶氧低于底層水。水清見底，水中有大量底棲藻類生長，也會出現(xiàn)底層水溶氧高于表層水的情況。在海水中溶解氧的水平分布 也存在很大差異。一般來說溶解氧小的海域幾乎全部屬于高緯度、生產(chǎn)量

32、高的海域。緯度最高的北極海和南極海因上下層之間對流很強不在此列。三、溶解氧的生態(tài)學意義溶解氧對水生生物的生長繁殖具有決定性意義。除了對生物體的直接作用外，還對餌料生物的生長，對水中物質(zhì)的化學狀態(tài)有重要的影響，從而也間接影響到水生生物的生命過程。（一）溶解氧對水生生物的直接影響1急性影響 溶解氧對水生動物的直接效應是低氧條件下引起生物體的窒息死亡。引起半數(shù)生物窒息死亡的溶解氧含量通常稱為窒息點。生物體種類、生長期、個體大小以及水溫的不同，其窒息點也有所差異?；顒有詮?、耗氧速率高的魚、蝦類，窒息點較高，例如體重3.1g的日本對蝦，在23當處于蝦體靜止時，耗氧率為193mgO2·kg-1h

33、-1，而活動時達626mgO2·kg-1h-1；體長為7.5cm的中國對蝦，10、20和28時的耗氧率分別為93、440和560mgO2·kg-1·h-1。經(jīng)測定中國對蝦（體長12.1cm，體重12.1g，在DO>4.0mg/L時，平均每尾耗氧率為13.7mg/h）。在水溫為26時窒息點為1.3mg/L。幾種重要淡水魚類的窒息點在0.53mg/L之間。當水中溶解氧過低，魚、蝦類就會游向水面，嚴重時則在水面吞咽空氣，這一現(xiàn)象稱為“浮頭”。通常對蝦的浮頭的危害比淡水魚嚴重，對蝦的浮頭常即刻引起大批死亡。2慢性影響DO雖未達到窒息點，但水體低氧狀況對水生生物的生長

34、繁殖也十分不利，常會導致慢性危害。（1）對水生動物耗氧速率的影響水生動物的耗氧速率直接或間接地反映其新陳代謝的強度和規(guī)律，這是因為水生動物體中的代謝活動多與對氧的吸收利用有關。而水生動物的耗氧除了與生物的種類、生長期、個體大小、活動性、水溫及營養(yǎng)狀況等因素有關之外，大量的實驗研究證明，溶解氧的也影響生物的耗氧速率。崔瑩等研究了鹽度和溶解氧水平對南美白對蝦瞬時耗氧速率的影響，結果發(fā)現(xiàn)南美白對蝦的瞬時耗氧速率隨溶解氧的降低而增大，呼吸類型不屬于順應型。而臧維玲等對中國對蝦瞬時耗氧速率的測定表明其耗氧速率隨溶解氧的降低而降低。顯然，水生動物的耗氧速率與溶解氧的關系依不同的生物種類以及同一生物不同發(fā)育

35、階段而有所不同。 水中溶解氧的變化將通過對生物耗氧速率的影響而對生物的活動、攝餌及增重率產(chǎn)生影響。當溶氧從79mg/L降到34mg/L時，鯉魚的攝餌量減少一半。在低氧條件下，魚、蝦的生長速度減慢，飼料系數(shù)增加。根據(jù)草魚飼養(yǎng)試驗，在溶氧2.72.8mg/L時養(yǎng)殖比在溶氧5.6mg/L條件下養(yǎng)殖的生長速率低約10倍，飼料系數(shù)高4倍。近幾年來，許多研究者探索了溶解氧與水產(chǎn)動物的增重率及餌料系數(shù)與溶解氧的關系，并確定了許多水產(chǎn)生物溶解氧的安全臨界值。例如鯉魚的增重率（Y）、餌料系數(shù)（Z）與溶解氧（X）有如下關系（許品誠等，1989）：Y=0.376e0.678XZ=100X-2.5162（2）其他慢性

36、影響水中低氧除了導致水產(chǎn)動物生長緩慢，增重率低、餌料系數(shù)增高等慢性影響外，還將影響魚的發(fā)病率長期生活在溶氧不足的水中的魚蝦，體質(zhì)下降，對疾病抵抗力降低，故發(fā)病率升高。在低氧環(huán)境下寄生蟲病也易于蔓延。溶氧過飽和太大又會引起氣泡病。影響胚胎的正常發(fā)育：在魚蝦孵化期，胚胎對溶氧要求高，如溶氧不足易出現(xiàn)畸形，引起胚胎死亡。溶氧低會增加毒物的毒性：在低溶氧的水中魚蝦呼吸頻率增加，如果水中有毒物，使魚蝦對水中毒物的接觸量增大，危害也就增加。（二）、溶氧動態(tài)對水質(zhì)的影響1氧化還原電位（由于專有一章介紹氧化還原，故此處僅作一簡單介紹即可）天然水中存在的一些氧化性與還原性物質(zhì)，決定了水的氧化還原狀態(tài)。水溶液的氧

37、化還原電位，通常用一個惰件金屬電極(金或鉑)和一個參比電極組成的原電池來測量。若天然水中含有大量氧化劑，則用電位法測得的Eh就偏高；若天然水中含有大量還原劑，則測出的氧化還原電位就偏低。這里必須指出，由于電化學本身測量的技術問題和其它方面的復雜問題，有時測得的數(shù)值盡管重現(xiàn)性很好，仍不能代表體系的奈恩斯特可逆電位。在這種情況下，利用此測定值計算體系中各平衡組分，會得到不正確的結果。測定結果的不確定性限制了Eh的應用。但Eh值能反應水中的氧化還原狀況。一般含有較豐富溶氧的水稱為氧化狀態(tài)水（或氧化環(huán)境）。氧化與還原狀態(tài)的分界與pH有關，即隨pH的升高而降低。堿性條件下Eh>0.15V即為氧化狀

38、態(tài)，而酸性條件下Eh>0.40.5V才為氧化狀態(tài)。在弱還原環(huán)境，即在酸性條件下Eh>0.40.5V以及在堿性條件下，Eh0.15V時，鐵與錳以低價狀態(tài)存。Eh再降低SO42-將被還原為H2S，Eh變?yōu)樨撝?。在強還原條件下，將有CH4與H2生成。2溶解氧對元素存在價態(tài)的影響有機物在水中可被微生物作用而分解氧化。隨著Eh的降低，有機物氧化時接受電子的物質(zhì)被改變。有氧氣存在時電子接受體一般是氧氣，此時水的Eh一般約在400mv以上。在氧氣豐富的水環(huán)境中NO3-、Fe3+、SO42-、MnO2等是穩(wěn)定的；如水中缺氧，則被還原為NH4+、Fe3、S2-、Mn2+等。在缺氧條件下，有機物氧化不

39、完全，會有有機酸及胺類產(chǎn)生。在有氧條件下，有機物氧化則較完全，最終產(chǎn)物為CO2、H2O、NO-3、SO2-4等無毒物質(zhì)。當水體有溫躍層存在時，上下水層被隔離，底層溶解氧可能很快耗盡，出現(xiàn)無氧環(huán)境。此時，上下水層的水質(zhì)有很大差別，許多物質(zhì)含量不同， 四、養(yǎng)殖生產(chǎn)中溶解氧的調(diào)控與管理溶氧管理是養(yǎng)殖水化學管理的中心環(huán)節(jié)，涉及的內(nèi)容較多，如巡塘看水、控制水色、設置憩息場、確定魚塘有效深度、確定放養(yǎng)密度及水流量、防止水體老化、促進物質(zhì)循環(huán)、提高肥力、防止或搶救泛塘等都與溶氧有關。溶氧管理的任務有兩條：確保溶氧不低于某臨界標準；防止溶氧變動過劇過繁。達到這一要求的辦法很多，可以是流水、換水、人工曝氣等物理

40、方法，也可以是化學增氧、有機絮凝等化學方法，以及調(diào)節(jié)水色、控制餌料水平、生物密度等生物方法，可以酌情單獨或綜合利用。嚴格講，缺氧是指魚體內(nèi)部組織、細胞得不到充足的氧氣以維持其正常機能的狀態(tài)。為了區(qū)別于水中缺氧，可稱為生物缺氧或組織缺氧。窒息則是生物缺氧發(fā)生的現(xiàn)象，魚浮頭或泛塘就是生產(chǎn)上常見的窒息現(xiàn)象。根據(jù)缺氧癥狀及程度不同，人們常把缺氧分為三類：第一，突發(fā)性缺氧。水中溶氧極少，魚血中PO2劇降，魚大批迅速死亡。這種情況在生產(chǎn)上極少發(fā)生。第二，急性缺氧。養(yǎng)殖生產(chǎn)上常見的浮頭、泛塘現(xiàn)象均屬此類。此時各種缺氧癥狀可以逐步表現(xiàn)出來，先是興奮期（呼吸強度、速度增大，活潑游動、跳躍等），接著進入麻痹期（痙

41、攣、橫臥不動等）終于死亡。第三，慢性缺氧。癥狀不及上述明顯、嚴重。不過魚類沒有自由支配的O2，運動受到限制，極易疲勞，對迅速生長是不利的。后兩種情況經(jīng)常在養(yǎng)殖生產(chǎn)上出現(xiàn)，危害又大，因此加強管理，嚴加防范是必要的。具體措施有預防及搶救兩種，前者著眼于經(jīng)常管理，后者則要求及時處理、受效迅速，具體方法有以下幾種：1. 降低水體耗氧速率及數(shù)量。群眾常用的方法如挖除底泥、合理施肥投餌、用明礬、黃泥凝聚沉淀有機物及生物等。2. 改良水質(zhì)，減少或消除有害呼吸的物質(zhì)（如濁度、NH3、毒物等）。常使用石灰、黃泥等，效果不錯。3. 加強增氧作用，提高水中溶氧濃度。1)、生物增氧 降低濁度，保證水中有充分的植物營養(yǎng)

42、元素和光照，增加浮游生物種群數(shù)量，提高自然增氧速率及數(shù)量。2)、人工增氧包括機械增氧和化學增氧。機械增氧包括注入溶氧量較高的水和充空氣或沖純氧氣增氧。前者相當于溶液混合稀釋問題，一般說來，效率較差。后者為氣體溶解問題，采用的方法或者把水分散為細小霧滴，噴入氣相，或者令氣體分散為微氣泡壓入水中，或者兩者兼而有之?；瘜W增氧所借助一些化學試劑有：（1），過化鈣CaO2。該物質(zhì)為白色結晶粉末，與水發(fā)生化學反應：CaO2 + H2O = Ca(OH)2 + O2，反應釋放出氧氣。據(jù)研究，每千克過氧化鈣可產(chǎn)氧氣77800ml ,在20純水中可連續(xù)產(chǎn)氧200天以上，在魚池內(nèi)施用后1-2個月內(nèi)均可不斷放出氧氣

43、。一般每月施用一次即可，初次每畝用6-12kg，第二次以后可以減半。水質(zhì)、底有機物負荷過高時，用量取高限，反之，則取低限。過氧化鈣不僅能增氧而且可增加水體的堿度和硬度，提高pH，保持水體呈微堿性，絮凝有機物及膠粒。能夠起到改良水質(zhì)和底質(zhì)的作用。（2）活性沸石，據(jù)報道：某些種類的活性沸石，施用于池塘時，每千克可帶入空氣10萬毫升，相當于21000毫升氧氣，它們均以微氣泡放出，增氧效果較好，活性沸石也有吸附異物改良水質(zhì)、底質(zhì)的功效。此外過氧化氫、高錳酸鉀在水中施用都有一定的增氧效果。第三節(jié) 二氧化碳系統(tǒng)一、二氧化碳系統(tǒng)的組成與平衡1組成CO2是自然界中最重要的化合物之一，它參與了有機界和無機界的許

44、多化學過程。天然水中的酸性物質(zhì)的主要來源是CO2的溶解。當天然水中溶解CO2的量較多時會促使巖石溶解，量較少時又會使某些己溶于水的鹽類沉積，這便是自然界中沉積巖形成的原因。下面兩式為巖石的溶解反應：以下再舉一些與CO2有關的例子：火山的活動和燃料的燃燒會使CO2逸人大氣；植物的光合作用會消耗CO2，動物的呼吸釋放出CO2。圖3-4 為自然界中碳元素的循環(huán)示意圖。表3-7為碳在大氣、地層和生物界的分布情況。圖3- 4碳元素在自然界的循環(huán)表3-6 沉積巖、海洋、大氣和生物界中的碳量分類總量（×1018mol-C）與大氣中CO2含量的比1. 沉積物中碳酸鹽有機碳15305722850010

45、6002. 大陸上有機碳0.0651.223. 海洋中CO2+H2CO3HCO3-CO32-死亡有機物活的有機物0.0182.60.330.230.00070.348.76.04.40.014. 大氣中CO20.05351.0無機碳CO2（溶解）、H2CO3、HCO3-和CO32-，淡水中HCO3-常是含量最多的陰離子，在海水中其含量低于Cl-、SO42-。天然水中，無機碳的不同形式之間以及它們同氣相的CO2和固相的碳酸鹽之間存在多種物理與化學平衡，構成“二氧化碳平衡體系”。在平衡體系中，CO2（溶解）與H2CO3稱為游離態(tài)二氧化碳（H2CO3只占約12%），含量以CCO2表示；HCO3-、C

46、O32稱為結合態(tài)二氧化碳，濃度以CHCO3-和CCO32-表示；三種形式總和即為總二氧化碳，記作CO2。2. 平衡與平衡常數(shù)在二氧化碳平衡體系中，H2CO3電離速度較快；溶解二氧化碳的水合和H2CO3的脫水過程相對比較緩慢；CO2溶解與逸出是CO2分子通過氣液界面的傳遞過程，靜止條件下，平衡需較長時間，而水體擾動可使CO2分子的傳遞速率增大；關于碳酸鹽的沉淀與溶解平衡，由于碳酸鹽沉淀形成的動力學過程較為復雜，當水體的碳酸鹽處于過飽和狀態(tài)下，并不一定立即產(chǎn)生沉淀。影響二氧化碳體系平衡的因素很多，不僅是大氣水、水沉積物兩個界面上所發(fā)生的碳遷移影響其平衡，而且生物生命代謝活動也對二氧化碳體系平衡有很

47、大影響。碳是生物圈循環(huán)的主要參與者，水生植物和陸地植物一樣都是靠吸收光能和二氧化碳、水、營養(yǎng)元素合成有機體，在食物鏈中各種生物均存有呼吸、排泄與死亡的生命活動，其排泄物或死亡機體經(jīng)腐敗分解最終又以二氧化碳形式回到水中。顯然，水體中二氧化碳體系的平衡，要受水生生物的不斷生成、轉化和分解的影響。此外，水體的溫度、壓力以及鹽度的變化都將是二氧化碳體系的平衡發(fā)生移動?？梢?，天然水中二氧化碳整個體系要達到平衡是不容易的。（1）CO2的溶解與逸出平衡：CO2（氣）CO2（溶解）當達到溶解與逸出平衡時，水體中游離CO2（CCO2）的濃度與水面上氣體的CO2分壓（PCO2）關系符合亨利定律：CCO2=s

48、83;PCO2s：亨利系數(shù)，它與水體的溫度及含鹽量有關；CCO2：游離態(tài)二氧化碳總濃度；PCO2：氣相中二氧化碳的分壓。（2）碳酸的電離平衡： CO2（溶解）+H2OH+HCO3- HCO3-H+CO32- K1、K2為熱力學常數(shù)，實際上在計算海水中二氧化碳各分量時，常采用表觀電離平衡常數(shù)K1、K2：（3）碳酸鹽的沉淀與溶解平衡：CaCO3Ca2+ CO32- Ksp=CCa2+·CCO32- MgCO3Mg2+ CO32- Ksp=CMg2+·CCO32碳酸鈣的飽和比值： CCa2+、CCO32-：水中現(xiàn)場濃度。溫度越高，碳酸鈣的溶解度越小，增大壓力可使碳酸鈣的溶解度增大

49、，由于溫度和壓力對碳酸鈣表觀溶度積的影響，對于Ca2+和HCO3-含量與分布較為恒定的大洋水、暖水區(qū)的海洋表層碳酸鈣是過飽和的，其可達34，而在深層海區(qū)碳酸鈣往往是未飽和的。二、天然水的pH1. 天然水的pH天然水的酸堿性是水生生態(tài)系統(tǒng)的基本水化學特征之一，具有重要的生態(tài)學意義。天然水的酸堿性取決于水中氫離子的濃度。pH值最早由Srensen于1924年定義的，即“pH值等于氫離子活度的負對數(shù)”。在水中H+總是以水合態(tài)存在著。aH+為水溶液中氫離子的活度，aH+=HH+。在淡水體系，由于H值接近1，pH=-lgH+，但對于鹽化水或海水，H<1。天然淡水一般呈中性或弱堿性，但局部受污染的水

50、域可能出現(xiàn)pH<2的強酸性或pH>10的強堿性環(huán)境。天然淡水水體的酸堿性的強弱習慣上按pH值的變化范圍劃分為：pH<3 強酸性水pH=35 酸性水pH=56.5 弱酸性水pH=6.57.5 中性水pH=7.58.5 弱堿性水pH=8.59.5 堿性水 pH>9.5 強堿性水海水pH值的變化幅度不大，就大洋而言，一般在7.58.5之間，表層海水通常穩(wěn)定在8.1±0.2之間，但個別海區(qū)，由于水生植物特別繁茂，有時pH值可高達8.9。2. pH與二氧化碳系統(tǒng)的相互關系pH值為氫離子活度的負對數(shù)，天然水中的氫離子濃度并不決定于水的離解，而主要取決于水體中CO2體系各分

51、量的相對比例，也取決于空氣中CO2的溶解、土壤和巖石中碳酸鹽礦物的溶解，水生動植物的新陳代謝，水體中有機物的腐解氧化也會影響水體的pH值。若水中CO2與HCO3-共存，所形成的的緩沖體系的pH值較低，其pH值取決于CO2與HCO3-濃度的比例：CO2（溶解）+H2OH+HCO3- 根據(jù)上式可估算與大氣中CO2氣體達到溶解平衡時純水的pH值，因為常溫下空氣中CO2溶于純水的平衡濃度為Cco2=1.26×10-5mol/L，平衡時CHCO3-=H+，則pH=5.63。但天然水中總含有一定數(shù)量的其它來源的HCO3-，所以與空氣達到溶解平衡的天然水pH值總是大于5.6。pH值若小于5.6，可

52、認為水體受到酸性物質(zhì)（如酸雨）所污染。若水中HCO3-與CO32-共存，則所形成的緩沖體系pH值較高，其pH值取決于HCO3-與CO32-濃度的比例。HCO3-H+CO32- 式中K2為碳酸的第二表觀電離平衡常數(shù)。3. 影響水體pH的因素凡能使水中二氧化碳體系的平衡發(fā)生移動的因素，都將引起pH值的變化。如水生生物的活動、水溫、含鹽量的變化，空氣中CO2分壓的變化及底質(zhì)中有機體碎屑的腐解等。（1）物理因素水體pH值隨溫度升高而略有降低，這是因為水體中CO2的溶解度降低，溶存的弱酸電離度隨溫度的升高而增大的結果。在一定溫度下水體pH也隨含鹽量的增加而略有上升，因為含鹽量導致弱酸的電離度增大與離子強

53、度增大， H+的活度系數(shù)與活度均減小，引起水體pH值稍有增加。（2）生物因素HCO3-H+CO32- CO2（溶解）+H2OH+HCO3- -得 CO2+H2O+CO32-2HCO3將代入上式得即式中，于是上式又可寫成或 水體中浮游植物迅速繁殖時，光合作用消耗CO2，使上述的平衡左移。結果水中積累CO32-、OH-，pH升高。這種情況多發(fā)生在白天表層水中。夏季出現(xiàn)藻類水華時尤為如此。其上限與Ca2+濃度關系極大。硬度高、Ca2+、Mg2+濃度大時，則CO32-、OH-濃度受限制，pH上升極限就低些。相反，在生物呼吸、有機物分解過程中會積累CO2，上面的平衡向左移動，pH下降。晚上及深水層內(nèi)這一

54、過程占優(yōu)勢。由于光合作用與呼吸作用有明顯的時空不均特點，因而pH也有明顯的周日變化及垂直分層現(xiàn)象，并與O2、CO2、堿度組成等有明顯相關性?？傊?，生物活動對水體pH值的影響比其他物理因素的影響大，且復雜。4. pH分布變化特點如上所述水生生物的活動、水溫、含鹽量的變化，空氣中CO2分壓的變化及底質(zhì)中有機體碎屑的腐解等都能使水中二氧化碳體系的平衡發(fā)生移動，從而使水體的pH值發(fā)生改變，在這些因素的影響下，水體pH呈現(xiàn)一定的分布特點。（1）晝夜變化 在夏季的白天，水體表層溫度較高，浮游植物光合作用強度大于呼吸作用及有機質(zhì)氧化分解強度，結果水體出現(xiàn)CO2凈消耗，CO2/CO32-的比值減小，水中H+濃

55、度降低，而pH值則逐漸上升。到下午34時pH值幾乎達到最高值。晚間，光合作用雖然停止，但呼吸與有機物分解等反應照常進行，日落之后水中CO2開始逐漸積累，CO2/CO32-的比值開始增大，pH值則逐漸下降，在黎明前pH值下降到全天的最低值。（2）年變化 pH值全年的變化也與水中浮游植物的密度與光合作用強度有關。夏季浮游植物大量繁殖，光合作用吸收大量的CO2，pH值升高。當水溫下降時，浮游植物的光合作用減弱，pH值也隨之降低。（3）垂直分布：pH值在水體垂直分布情況，同樣受生物活動影響，表層水中浮游生物繁茂，一般說pH值較低層水高。當表層水中生物碎屑與固體排泄物逐漸下沉，并于下沉中不斷腐解放出CO2，pH值隨水中CO2的增加而降低。5. 養(yǎng)殖水體pH的調(diào)控pH是一重要的化學及生態(tài)因子，對水質(zhì)及生物有多方面的影響。（1）對水中物質(zhì)存在形式及遷移過程的影響 水的pH下降，水中弱酸電離減少，它們的陰離子（CO32-、S2-、PO43-、SiO32-、有機酸根等）程度不同地轉以分子形式存在，濃度下降，因而含有這些陰離