養(yǎng)殖水環(huán)境化學(xué)第三章溶解氣體

1、§3-1　氣體在水中的溶解度和飽和度 §3-2　水中氧氣的來源與消耗§3-3　溶解氧的分布和變化 §3-4　溶解氧在水域生態(tài)系統(tǒng)中的作用§3-5 沿岸養(yǎng)殖區(qū)水體中的溶解氧,第三章　溶解氣體,《養(yǎng)殖水環(huán)境化學(xué)》,一、氣體在水中的溶解度1、定義 在一定條件下，某氣體在水中的溶解達(dá)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。易溶氣體的溶解度：

2、一般用100g水中溶解氣體的克數(shù)來表示難溶氣體的溶解度 ：用1L水中溶解氣體的毫克數(shù)（或毫升數(shù)） 來表示。,§3-1　氣體在水中的溶解度和飽和度,氣體在純水中的溶解度（20℃、101.325 kPa）,,2、影響氣體在水中溶解度的因素 （除了氣體本身的性質(zhì)以外）（1）溫度,,氣體溶解度隨溫度的變化,氣體溶解度隨溫度的升高而降低。在較低溫條件下的溫度變化對氣體溶解

3、度影響顯著，且,（2）含鹽量 當(dāng)溫度、壓力一定時，水中含鹽量增加，氣體在水中的溶解度降低。 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。 氧氣在大洋海水中溶解度大約是在淡水中的80～82%。 淡水來說含鹽量的變化幅度很小，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。,（3）氣體的分壓力 享利定律 在溫度與含鹽量一定時，氣體在水中的溶解

4、度隨氣體分壓的增加而增加- c = KH × P c ----氣體的溶解度 P ----達(dá)到溶解平衡時某氣體在液面上的壓力 KH----亨利常數(shù)，其數(shù)值隨氣體的性質(zhì)、水的溫度和含鹽量的變化而變化， 也與壓力（P）、溶解度（c）所釆用的單位有關(guān)。 對同一種氣體在同一溫度下:,,,,,道爾頓分壓定律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

5、體的總壓力PT乘以氣體B的分壓系數(shù)φB。 PB=PT×φB,,,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，等于混合氣體在壓力為PT時的體積VT,,,,,對于海水而言，氧氣、氮氣在海水中的溶解度,,,在相對濕度為100%條件下，計算氧、氮氣體在海水中的溶解度的有關(guān)常數(shù),根據(jù)式3-5和表3-2計算出的氧、氮氣體在鹽度35的海水中的溶解度

6、 （μmol/kg）,P368 附錄8 在不同溫度鹽度下水中溶解氧飽和值（ml/L),二、天然水中溶解氣體的飽和含量和飽和度,1、溶解氣體的飽和含量定義：在一定的溶解條件下（溫度、壓力、含鹽量），氣體達(dá)到溶解平衡以后，1L水中所含該氣體的量。單位： mg/L、ml/L、umol/L 1ml/L=1.429mg/L=89.23umol/L

7、,幾點說明 1、當(dāng)溫度、含鹽量一定時，氣體在水中的飽和含量為一特征值。規(guī)定的大氣壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa），水面上空氣為濕度飽和的空氣。 2、對于溶解氧來說，溶解氧的飽和含量于1973年被編入國際海洋學(xué)常用表。 附錄8 不同溫度和鹽度時水中溶解氧的飽和值（p368-369) 3、為了獲得更加準(zhǔn)確的飽和量值，須考慮現(xiàn)場大氣壓、濕度等氣象條件的影響。特別是高海拔地區(qū)，天然水中溶解氧的飽和含量應(yīng)進(jìn)行校正。

8、,高海拔地區(qū)氣體溶解度的飽和含量校正方法 陳佳榮主編的«水化學(xué)»,2、溶解氣體的飽和度 （1）定義：指溶解氧的實際含量（用C表示）與同溫同鹽條件下其飽和含量(Cs)的比值。 O2%=C/Cs表觀耗氧量（AOU）：溶解氧的飽和含量與實際含量之差

9、 AOU=Cs-C,注意：過飽和的那部分溶解氧并不會立即成為氣泡逸出，原因是溶解氧要成為氧氣氣泡逸入空氣中就要求氧氣氣泡內(nèi)的壓力超過一個大氣壓，相應(yīng)的溶解氧是其飽和含量的5倍，有時養(yǎng)殖水體內(nèi)溶解氧的飽和度高達(dá)200-250%，且可以維持幾小時過飽和狀態(tài)不變。,§3-2　水中氧氣的來源與消耗,3.2.1 水中氧氣的來源3.2.2 水中氧氣的消耗,池塘水體中溶解氧,

10、DO (Dissolved Oxygen),,一、水中氧氣的來源 空氣的溶解光合作用 補(bǔ)水,1、空氣的溶解—與水體溶解氧的不飽和程度 和風(fēng)力有關(guān),在自然條件下通過單位界面由空氣增氧的數(shù)量(g/m2·d),2、光合作用,（1）產(chǎn)氧的一般速率一般河流、湖泊： 表層 夏季 產(chǎn)氧速率 0.5-10g/m2·d 養(yǎng)魚池（無錫）： 夏季光合作用 產(chǎn)氧

11、速率 表層 13.0—20.6 ,平均17.82±2.77mg/L·d 中層(1.0m) 0.12—5.54 ,平均1.13±1.6mg/L·d 水柱產(chǎn)氧 6.6—14.3 ,平均10.09g/m2·d,表層產(chǎn)氧

12、是中層的4-100倍，平均16倍,養(yǎng)魚池（哈爾濱）：夏季光合作用產(chǎn)氧速率表層 12.6-31.5 ,平均20.3±7.43 mg/L·d中層 (0.7-0.8m) 0.41-6.94 ,平均2.82±2.14mg/L·d水柱產(chǎn)氧 平均10.01g/m2·d,表層產(chǎn)氧是中層的4-30倍，平均7倍,養(yǎng)魚池（哈爾濱）：冬

13、季光合作用產(chǎn)氧速率表層 0.21-12.45 ,平均 2.34-2.11mg·L-1·d-1，僅為夏季的11-13%,（2）影響光合作用產(chǎn)氧的因素,光照條件 水溫 水生植物種類和數(shù)量 營養(yǎng)元素供給狀況,3、補(bǔ)水,工廠化流水養(yǎng)魚補(bǔ)水是主要的補(bǔ)氧措施之一在非流水養(yǎng)魚的池塘中，補(bǔ)水量較小，補(bǔ)水對魚池的直接增氧作用不大,例：面積0.40 hm2水深2m的魚池，池水溶氧量為4.00mg/L。用流量60m3/

14、h的水泵補(bǔ)充20℃時被空氣飽和的水庫水4h。問池水平均每升可補(bǔ)充多少氧氣？解：水庫水一般為淡水，查表20℃時氧氣在水中的溶解度為9.07mg/L池中原有水量 V1 = 10000m2/hm2×0.40hm2×2m =8000m3補(bǔ)充水量 V2 = 60m3/h×4h = 240m3 補(bǔ)水后水中溶氧含量 c = (8000×4.00 + 240×

15、;9.07)/(8000+240) = 4.15平均每升水中補(bǔ)充的氧氣量　 Δc = 4.15 - 4.00 = 0.15 ( mg/L),國外低產(chǎn)魚池 光合作用89%、空氣溶解7%、補(bǔ)水4%國內(nèi)淡水高產(chǎn)魚池 ①光合作用61%、空氣溶解39%（因開增氧機(jī)導(dǎo)致空氣溶解所占比例增大）、補(bǔ)水增氧可忽略 —雷衍之(1983） ②光合作用86%、空氣溶解14%

16、 ——姚宏祿(1988） 海水池塘 光合作用91.3%—100%、空氣溶解5.3%—7.8% ——徐寧（1999）,二、水中氧氣的消耗,魚、蝦等養(yǎng)殖生物呼吸 水中微型生物耗氧-“水”呼吸 浮游動物、浮游植物、細(xì)菌呼吸底質(zhì)的耗氧-“泥”呼吸逸出,,夜間水體的耗氧因素,1、魚、蝦等養(yǎng)殖生物呼吸,影響因

17、素 種類、個體大小、個體發(fā)育階段； 環(huán)境因素：溫度、鹽度、溶解氧水平、pH 營養(yǎng)狀況：攝食、饑餓測定方法 靜水和流水法,三角帆蚌耗O2速率（陳錦富等，1988）,,菲律賓蛤仔的耗氧率 QO=0.307W-0.7381.004T 20-32℃櫛孔扇貝的耗氧率 QO=0.040W-0.3491.079T 20-28℃中國明對蝦的耗氧率 QO=0.06

18、1W-0.1361.089T 20-30℃式中：QO-mg/g/h； T-溫度(℃)； W-濕重(g),不同鹽度下中國明對蝦的耗氧率,不同攝食狀態(tài)下中國明對蝦的耗氧率,,,耗氧率的流水測定裝置示意圖1.流水式呼吸瓶2.溫度控制器3.測溫探頭4.加熱器5.潛水泵6.玻璃水槽7.玻璃鋼水槽8.水位控制板9.溢流水管10.提水水管11.水流調(diào)節(jié)閥12.玻璃量筒（測流速用）13.溶氧水樣瓶14.┄┄水

19、位線15.→水流方向,2、水中微型生物耗氧-“水”呼吸,“水”呼吸是指水中的浮游生物、浮游細(xì)菌、水中 溶解態(tài)和顆粒態(tài)有機(jī)物的呼吸耗氧影響因素 浮游生物、浮游細(xì)菌的密度 溫度、有機(jī)物的量等測定方法 黑白瓶法或間接推算,有藻類水華的池塘 5.3-13.5mg/L·d 無藻類水華的池塘（原蘇聯(lián)）

20、 2.4-5.3mg/L·d高產(chǎn)養(yǎng)魚池 表層 2.48-10.8 ,平均 0.68±0.19mg/L·d 中層 1.15-8.34 , 平均 4.96±0.66 mg/L·d （我國無錫地區(qū)，4-8月份）,哈爾濱地區(qū)越冬池冬季“水” 呼吸 0.04-3.76 mg/L·d ，平均 0.62±0

21、.52 mg/L·d 僅為夏季水呼吸平均值的9%左右,Boyd 等（1978）： 水體呼吸耗氧速率（mg·L-1·h-1)=-1.006-0.00148COD-0.0000125COD2+0.0766T-0.00144T2+0.000253COD·T式中：COD單位為mg·L-1，其適用范圍為20-140 mg·L-1；T為溫度（℃），適用范圍為20

22、-30℃。 前提條件 濁度是由非浮游生物引起,水體呼吸耗氧速率（mg·L-1·h-1)=-1.133+0.00381S+0.0000145S2+0.0812T-0.000749T2-0.000349S·T式中：S為透明度（cm) ，T為溫度（℃ ） 適用范圍為20-30℃ 前提條件 濁度是由浮游生物引起,徐寧等（2000） 海水養(yǎng)蝦池塘氧消耗中，“水”呼吸平均

23、為 3.34-5.03gO2/m2/d 占總消耗的58.2%-69.7%,“水”呼吸,,浮游動物：5～34%（平均23.5%）,浮游植物：4～32%（平均19.1%）,細(xì) 菌：44～73%（平均57.4%）,前蘇聯(lián)學(xué)者對十個湖泊水庫的“水”呼吸組成研究指出：,3、底質(zhì)呼吸-“泥”呼吸“泥”呼吸 包括養(yǎng)殖水體底泥中含有的各

24、種 有機(jī)質(zhì)及生物類群影響因素 溫度、底棲生物量、 底泥中的有機(jī)物質(zhì)量測定方法 底泥呼吸器,雷衍之等（1992）以圓柱式采泥器直接測定底泥耗氧速率： {SOD}gO2.m-2.d-1=0.244exp(0.0423t){SOD}gO2.m-2.d-1=0.636+120X式中： SOD為底泥耗氧速率；t

25、為溫度（oC)； X為有機(jī)質(zhì)的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。,一般在魚池的總耗氧中， 底泥呼吸占5%-20%。,,池塘水體夜間耗氧各因素所占的比例,§3-3　溶解氧的變化和分布,3.3.1溶解氧的晝夜和垂直變化3.3.2 溶解氧的季節(jié)變化3.3.3 溶解氧的分布,3.3.1 溶解氧的晝夜和垂直變化,魚池溶解氧的晝夜變化,夏季池塘溶氧,垂直分布的日變化,白天：隨著溫度的升高和光照強(qiáng)度的增大，表層水體浮游植物的光合作用增強(qiáng)，水體溶

26、解氧的含量逐漸增大，至下午15: 00-16: 00時表層水體溶解氧含量達(dá)最大值；而下層水體由于光照強(qiáng)度較弱，水中溶解氧的含量低于表層水中溶解氧的含量。,夜間：上層水溫隨氣溫的下降而下降，密度變大，形成密度流，下層水中的溶解氧得到補(bǔ)充，而上層水中溶解氧逐漸下降，至清晨04:00-06:00左右，上層水中溶解氧降到最低值。此時，上下水層溶解氧差基本消失，整個池水溶解氧條件最差，魚蝦的浮頭多出現(xiàn)在這個時刻。,溶解氧的晝夜垂直變化,3.3.2

27、 溶解氧的季節(jié)變化,春天：溶解氧常呈飽和狀態(tài)夏天：溶解氧白天較高，夜晚較低晝夜變化較大 秋天：池水中溶解氧趨向升高，臨近結(jié)冰時達(dá)到飽和冬季：溶解氧水平較低但相對平穩(wěn),養(yǎng)魚池水溶解氧的水平分布（水深2m）,3.3.3 溶解氧的水平分布,溶解氧水平分布的特征：不均一性 白天：下風(fēng)處浮游植物產(chǎn)氧量和從空氣中溶入的氧量比上風(fēng)處多。 夜間：下風(fēng)處耗氧量較大，這與集中在下風(fēng)處的浮游生物和有機(jī)物較多，夜間耗氧量大

28、有關(guān)。風(fēng)力越大，上下風(fēng)處的溶解氧含量差別就越大。影響水平分布的因素： 風(fēng)力、風(fēng)向及生物量。,補(bǔ)充概念：氧盈：夏秋季節(jié)晴天下午養(yǎng)魚池塘水體中溶解氧含量一般都處于過飽和狀態(tài)，通常把溶解氧超過飽和度100%以上的量成為氧盈。氧債：指好氣性的微生物、有機(jī)物的中間產(chǎn)物及無機(jī)還原物在溶解氧不充足的條件下池塘理論耗氧量受到抑制的部分。,3.4.1 溶解氧對水生生物的直接影響3.4.2 天然水在缺氧狀態(tài)下的主要化學(xué)特征3.3.3 改

29、善養(yǎng)殖水體溶氧狀況的方法,§3-4　溶解氧在水域生態(tài)系統(tǒng)中的作用,一、溶解氧對水生生物的直接影響1、急性影響 （1）窒息點：引起生物體窒息死亡的溶解氧含量的極限值。 影響窒息點的因素：生物的種類、大小、水溫等。 幾種重要淡水魚的窒息點為0.5-3.0mg/L 鱖魚魚苗在水溫24.3-26 ℃下的窒息點1.73mg/L

30、 (1.27-1.51cm） 中國明對蝦在水溫26℃窒息點為1.3mg/L （L=12.1cm, W=12.1g）,（2）浮 頭浮頭的定義：當(dāng)水中溶解氧過低時，魚、蝦會浮出水面，嚴(yán)重時在水面吞咽空氣現(xiàn)象。浮頭常發(fā)生在早晨、連續(xù)陰天、低氣壓、無風(fēng)浪等情況下解救措施：開增氧機(jī)或換水養(yǎng)殖管理：巡塘,,,

31、,（3）泛池 ①泛池 集約化養(yǎng)殖池塘由于放養(yǎng)密度大、投餌和施肥量也較多，加之浮游生物的突然大量死亡，可分解耗氧導(dǎo)致水體嚴(yán)重缺氧，魚類浮頭，甚至窒息死亡，這種現(xiàn)象稱為泛池。 泛池給養(yǎng)殖生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。,②泛池的原因,溫躍層消失 炎熱夏季白天上下水層溫差較大，形成溫躍層，不易對流，上層水產(chǎn)生大量的氧盈而下層水具有較大的氧債。傍晚后表層水溫下降，從而使上下水層急劇對流混合，溫躍層消失，此時移至下層的氧被有機(jī)物消耗，而流向上

32、層的缺氧水又一時未能得到大量補(bǔ)充，整個水體溶解氧下降，形成浮頭。,浮游植物大量死亡 在晴熱天氣，上層水溶解氧高，而二氧化碳低，pH高可能造成浮游植物的大量死亡，甚至可能在水面上積集大量藍(lán)綠藻殘體，水呈褐色并且可能混濁，此時浮游植物量急劇降低，池水氧主要靠空氣溶入補(bǔ)充，而空氣的溶入遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生物的呼吸需要，從而導(dǎo)致缺氧泛池。,水質(zhì)過肥 大量投餌和施肥，加之夏季水溫較高水體耗氧量大，如長時間未能充氧或加注新水，由于水質(zhì)過肥

33、（水色轉(zhuǎn)黑）并敗壞，從而引起浮頭和泛池。 此外，氣象條件不佳，如連綿陰雨或大霧，光照條件差，浮游植物光合作用弱，水中氧氣補(bǔ)充減少，也可導(dǎo)致缺氧泛池。,(3)泛池的預(yù)防措施,科學(xué)合理的施肥和投餌科學(xué)合理的放養(yǎng)密度作DO動態(tài)預(yù)測,2、慢性影響 對水產(chǎn)動物耗氧速率的影響,三角帆蚌耗O2速率,影響水產(chǎn)動物的攝食量、餌料系數(shù)及生長當(dāng)水中DO從7-8mg/L下降到3-4mg/L，鯉魚攝食量減少一半；當(dāng)水中DO小于3.0mg/L

34、，對蝦的攝食量受到限制；當(dāng)水中DO為2.7-2.8mg/L,草魚的生長速度比DO為5.6mg/L時慢10倍，餌料系數(shù)提高4倍。許品城等（1989）： Y=0.376e0.678X Z=100X-2.5162式中： Y—鯉魚的增重率； Z—餌料系數(shù)； X—DO水平,溶解氧水平與攝食量關(guān)系,溫水魚類血紅蛋

35、白在溶解氧較低時具有比冷水魚類更強(qiáng)的與氧結(jié)合，并在組織中釋放更高比例氧的能力，因此，溫水魚類通常較冷水魚類更耐低氧。我國漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 11607—89）規(guī)定，對于溶解氧在連續(xù)24h中，16h以上必須大于5mg/L, 其余任何時候不得低于3 mg/L；對于鮭科魚類棲息水域封冰期其余任何時候不得低于4 mg/L。 溶解氧過飽和有時也會引發(fā)魚、蝦的氣泡病。,影響水產(chǎn)動物的發(fā)病率 實踐證明：長期生活在低氧條件下的魚、蝦、貝類對疾病

36、的抵抗力下降，寄生蟲病容易蔓延。導(dǎo)致孵化期的胚胎發(fā)育異常，出現(xiàn)畸形，孵化率及幼體的成活率低低氧還可增加毒物的毒性,二、天然水在缺氧狀態(tài)下的主要化學(xué)特征,脫氮作用 生物有機(jī)殘骸+NO3- ? N2?+CO2?+H2O （脫氮菌） NO3- +NH3? N2?+ H2O 缺氧的深水層氮氣的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平衡濃度在缺氧環(huán)境中，各種硫酸鹽還原菌可以把SO42－還原為硫化物（H2S),降低氧化

37、還原電位 (1)氧化還原電位的降低，氧化能力降低，有機(jī)物被氧化還原的速度減慢，造成有機(jī)物積累于缺氧的水域或沉積物中 (2)金屬離子的氧化態(tài)受到影響：在缺氧的條件下，F(xiàn)e3+ Fe2+，改變了鐵離子的存在形式并且影響其在水中的溶解度 (3)銨鹽、磷酸鹽和硅酸鹽等營養(yǎng)鹽傾向積累在缺氧的水中，濃度比同區(qū)域表層水中高得多，影響浮游植物的光合作用,,溶氧狀態(tài)對水質(zhì)化學(xué)成分的影響,有溫躍層存在時魚池化學(xué)成分的垂直分布,表層

38、底層,三、改善養(yǎng)殖水體溶氧狀況的方法,降低水體耗氧速率及數(shù)量 清淤 —降低“泥”呼吸 合理施肥投餌 —降低“泥、水”呼吸 明礬、黃泥漿凝聚沉淀水中有機(jī)物 —降低“水”呼吸 施用微生態(tài)制劑 —降低“水、泥”呼吸,,清 淤,開發(fā)和使用的部分微生態(tài)制劑,加強(qiáng)增氧作用，提高水中溶氧濃度 生物增氧— 保持水體具有適宜的浮游植物生物量

39、 人工增氧 — 機(jī)械增氧和化學(xué)增氧,不同類型增氧機(jī)的增氧效率,化學(xué)增氧 過氧化鈣 CaO2 + H2O = Ca（OH）2 +O2 過氧化鈣一般每月施用一次即可，初次每公頃用50～100 kg，以后可以減半 。 活性沸石 每千克可帶入空氣100L，相當(dāng)于21L氧氣，均以 微氣泡放出，增氧效果較好。 過氧化氫（H2O2),§3-5

40、沿岸養(yǎng)殖區(qū)海水中的溶解氧,1.沿岸養(yǎng)殖區(qū)的特點 水域深度較淺（一般不超過20m左右），海區(qū)水質(zhì)透明度較低，水質(zhì)肥沃，浮游生物繁茂。2. 溶解氧的變化特點 (1)與大洋海水存在一定的差異 (2)更多的是受溫度、鹽度、壓力、水生生物生命活動過程（光合作用、呼吸作用）、有機(jī)質(zhì)的分解、光照等的影響，且影響較大，使水體溶解氧呈晝夜變化。,,3. 淺海養(yǎng)殖區(qū)底層水出現(xiàn)缺氧的原因表層水溫高于底層水溫，或有大量淡水流入

41、表層使得表層鹽度低于底層鹽度，海水出現(xiàn)上輕下重的暫時分層現(xiàn)象。表層水中藻類的光合作用強(qiáng)度高于有機(jī)物分解和生物的呼吸作用耗氧強(qiáng)度，結(jié)果產(chǎn)生溶解氧的凈增加，底層由于透明度低，水中光照非常微弱，藻類光合作用強(qiáng)度低于有機(jī)質(zhì)分解和生物呼吸作用強(qiáng)度，溶解氧產(chǎn)生凈消耗分層現(xiàn)象得不到很快的緩解，而且持續(xù)時間較長。底層有機(jī)質(zhì)豐富，夏季水溫較高，底層耗氧速度加快。,科學(xué)合理的放養(yǎng),氣 泡 病,氣泡病最典型的癥狀是發(fā)病的動物，例如魚，身體表皮

42、下有許多氣泡、眼球比較突出，解剖可見腸道充氣，有的還可以在動脈壁、血液中見到氣泡。體表的氣泡多發(fā)生在魚的胸鰭、尾鰭和尾柄部位。魚苗、幼魚階段容易發(fā)生。發(fā)病的原因：過去許多材料認(rèn)為是魚苗誤吞食水中氣泡造成；現(xiàn)在一般認(rèn)為是水中溶解氣體分壓過高造成，類似人類的潛水病。 氣泡病是一種物理因素引起的病害，是水生動物較長時間生活在溶解氣體分壓總和過高、超過水層的流體靜止壓強(qiáng)過多的水中，使溶解氣體在其體內(nèi)、皮膚下、血液中等部位以氣泡狀態(tài)游離出