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养分污染

养分污染（英语：Nutrient pollution）是水污染中的一种，指的是输入水体的养分过多而造成污染。这种情况是产生地表水（湖泊、河流和沿岸水域）优养化的主要原因，水中过量的养分（通常是氮或磷）会刺激藻类繁盛生长。[1]造成养分污染的来源包括有来自农田和牧场的地表径流、化粪池和牲畜饲养场（英语：feedlot）的排放物以及燃烧而产生的空气污染排放物。未经处理的生活污水富含养分，是造成优养化的重要因素。将未经处理过的生活污水排放到大型水体中被称为污水倾倒（sewage dumping），目前仍在世界各地发生。环境中过量的活性氮（英语：reactive nitrogen）化合物与许多大规模的环境问题有关联。相关的问题包括有地表水的优养化、有害藻华、环境缺氧（英语：Hypoxia (environmental)）、酸雨、森林中的氮饱和以及气候变化。[2]

全球在1910年代，继而又在1940年代为配合粮食需求增长而促进农业繁荣，农业生产则有赖于大量使用化学肥料。[3]肥料是种天然或是化学改性物质，可增加土壤肥沃度。肥料中含有大量的磷和氮，结果是有过量的养分进入土壤。氮、磷和钾是商业化肥料中的“三大”营养要素，其中每种都对植物具有关键的营养作用。 [4]当植物在生长期间没充分利用到这些氮和磷时，剩余的会从农田中流出，并对空气和下游水质产生负面影响。[5]这些养分最终会进入水生生态系统，而加剧优氧化作用。[6]当农民施肥（无论是有机肥料，或是合成肥料）时，其中一些会经径流携带离开，在下游聚积，而产生优氧化现象。[7]

缓解养分污染物排放的方法包括有：养分改善（nutrient remediation）、[8]养分权交易（nutrient trading）[9]和养分来源划分（nutrient source apportionment）。[10]

污染来源

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农业是导致墨西哥湾发生养分污染的主要来源。在美国乞沙比克湾的养分污染，主要来源是农业、城市地区及大气沉降。
不同食物的平均优氧化排放 (依照
磷当量评估) [11]
种类 优氧化排放
(每百克蛋白质中磷酸盐克当量)
牛肉
365.3
养殖鱼
235.1
养殖甲壳动物
227.2
起司
98.4
羊肉
97.1
猪肉
76.4
禽肉
48.7
蛋类
21.8
花生
14.1
豌豆
7.5
豆腐
6.2
 
发生于美国田纳西州一例：含肥料的土壤经地表径流携带，迅速进入当地水体，造成养分污染

单个流域中养分污染的主要来源取决于当地主要的土地利用方式。又分为点源污染、非点源污染（英语：nonpoint source），或是两者皆有：

  • 农业污染：动物类或是作物类
  • 城市/郊区：道路和停车场的城市径流、草坪施肥过多、市政污水处理厂以及机动车量排放
  • 工业污染：空气污染物排放（例如火力发电厂）、不同产业的污水排放[12]

一些源自空气污染的养分污染并非一定由当地的土地利用所造成，而是从遥远的源头，经长距离传输而来。[13]

为衡量如何最好防止优养化发生，必须确定导致养分负荷的实际来源。养分和有机物有两种常见来源：点源方式和非点源方式。

氮

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由于施用合成肥料、燃烧化石燃料和饲养动物（尤其是集中式牲畜饲养作业（英语：Concentrated Animal Feeding Operation），(CAFO)），已为生物圈增加大量的活性氮。[14]在全球，由于氮平衡分配效率低下，有些国家有盈余，另一些则为赤字，特别是那些有盈余的国家已引发一系列环境问题。对于世界上大多数国家来说，缩小产量差距与减轻氮污染之间而做的权衡考量（即设法降低氮污染，却又不会牺牲太多农业产量）很小，或根本不存在。[15]

磷

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磷污染是由于过度使用化肥和粪肥（英语：manure）而造成，特别在发生土壤侵蚀时，情况会加剧。据估计欧盟由于水侵蚀土壤，可能已有超过100,000吨的磷输入水体和湖泊中。[16]城市污水处理厂和一些产业也会排放磷。[17]

点源污染

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点源污染指影响来自一个源头，养分废弃物直接从源头流向水体。这种污染源相对容易监管。[18]

非点源污染

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非点源污染（也称为“扩散式”或“径流式”污染）指​​来源不明确，以及扩散源头的污染。这种污染源难以监管，且通常会随时间和空间而生变化（随季节、降水和其他不可抗力事件（英语：act of God））。[19]已有资料显示氮运输与流域中人类活动的各种指标有关联，[20][21]包括开发的程度。[22]农业耕作和城市开发是造成此种养分负荷的最大因素。[12]

土壤聚积

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人类活动产生的养分往往会在土壤中聚积，并停留多年。研究显示[23]流失到地表水的磷量会随土壤中磷含量的增加而呈线性增加。由此推测土壤中的大部分养分最终都会进入水中。氮经过土壤，再进入地表水的周转时间长达数十年。

进入地表水的径流

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人类活动产生的养分往往会从陆地转移到地表水或是地下水。尤其是氮会通过雨雪水渠（英语：strom drain）、下水道和其他形式的地表径流携带离开。经过径流和渗滤液（英语：leachate）的养分流失通常与农业有关。现代农业通常透过田地施肥，企图最大限度把产量升高。但施用的养分经常超过作物所需，导致过多的部分进入地表水或地下水，[24]或是草原。为减少农业养分流失而制定的法规通常远不及针对污水处理厂[25]和其他点源污染者的法规般严格。同时还应注意，林地内的湖泊也会受到地表径流的影响，径流会把碎屑中的矿物氮和磷携带进入水体，导致缓慢，自然发生的优氧化。[26]

大气沉降

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由于氨的挥发和一氧化二氮]的产生，而把氮释放进入大气。燃烧化石燃料是造成大气氮污染的一大人为因素。大气中的氮经由两个不同的过程到达地面，第一个是湿沉降（例如经雨或雪携带），第二个是干沉降（经由空气中的微粒和气体）。[27]两者合称大气沉降。[28]

大气沉降（例如以酸雨的形式）也会影响水中的养分浓度，[29]特别是在高度工业化地区。

影响

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于环境和经济

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主条目：优氧化和水华

过量养分会导致下列的结果：

  • 藻类过度生长（有害藻华），[30]和生物多样性丧失；[31]
  • 物种组成发生变化（导致优势族群出现）；
  • 食物网改变（例如自然光线传入浅海受限（light limitation）），原本是许多生物食物来源的海草产量大减而导致的结果；[32]
  • 过量有机碳（优养化）、溶解氧不足（环境缺氧）和毒素生成。[13]

由于养分污染会造成水处理成本上升、商业捕捞鱼贝数量降低、休闲捕鱼以及旅游活动减少，而产生经济影响。[33]

于健康

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影响包括饮用水中过量的硝酸盐（例如导致蓝婴症候群）和饮用水中存在消毒剂副产物（英语：disinfection by-product）。在发生有害藻华的水中游泳，会导致皮肤疹和呼吸系统问题。[34]

降低污染的措施

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更多信息：优氧化

养分权交易

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养分权交易是水质交易中的一种，是种以市场机制为基础的政策工具（英语：market-based policy instruments），用于改善或维持水质（参见美国对单源水污染的规定（英语：United States regulation of point source water pollution）#Water quality trading）。水质交易概念基于的事实是一个流域内，在控制相同污染物，而污染源又不相同时，会有截然不同成本的情况。[35]任何参与者若是在降低污染物的作业中超越设定的标准，可得到某种信用额度，并可售予需要这种额度的其他参与者。[9]同样的原则适用于养分权交易。基本上就是“污染者自付原则”，参与者均受此原则监管。[36]

非营利组织Forest Trends（英语：Forest Trends）在2013年发布一份对水质交易的总结报告，说明其中有三种主要资金提供者：流域中受到保护的受益者、产生污染者及“公益支付者” （未直接受益，但代表某个组织为降低污染信用额度提供资金的政府或非政府组织）。截至2013年，绝大多数的支付是由“公益支付者”所发动。[36]:11

养分来源划分

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所谓养分来源划分指的是估算从不同来源（已经过衰减或处理）而进入水体的的养分数量。对欧洲水体，农业通常是其中氮的主要来源，而在许多国家，家庭和工业往往是磷的主要来源。[37]在水质受过量养分影响的地方，养分来源划分模型可用来识别污染源，提供符合比例和务实的水资源管理。

负荷划分建模有两种广泛的方法，(i) 以负荷为导向，根据河流中得到的监测数据[38][39]和 (ii) 以源头为导向，对扩散或非点源污染排放量，使用通常具有相似特征集水区出口系数模型计算而得。[40][41]例如源头负荷分配模型 (Source Load Apportionment Model ，SLAM) 是采用后者的方法，通过整合点排放信息（城市污水、工业和化粪池系统）、扩散源（牧场、耕地、林业等）和流域数据，包括水文地质特征，以估算地表水出水口中的氮与磷的相对数量。[42]

国家案例

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美国

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根据州环境机构的调查，农业非点源 (NPS) 污染是全美国水质污染的最大来源。[43]:10根据联邦清洁水法案（英语：Clean Water Act） (CWA)，NPS污染并未受排放许可证管辖。[44]}美国国家环境保护局（EPA）和各州已采用赠款、合作伙伴关系和示范项目等措施来激励农民调整他们的农作方式，并减少地表径流。[43]:10–11

制定养分政策

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1972年通过的《清洁水法案》规定各州制定养分规范和标准的基本要求。实施此水质计划对EPA和各州而言均为一项重大的科学、技术和资源密集型的挑战，到21世纪依然是如此。 EPA于1978年发布一项污水管理条例，开始处理全国几十年来日益严重的氮污染问题。[45]该机构在1998发布一项国家养分战略（National Nutrient Strategy），重点在制定养分规范。[46]

EPA在2000年至2010年间发布河流/溪流、湖泊/水库、河口和湿地的联邦级养分规范及相关指导。这些出版物中包含美国14个生态区的“生态”养分规范。虽然各州可直接采用EPA发布的规范，但有许多状况是各州需要把规范修改，以反映出特定地点的条件。EPA在2004年声明其对总氮 (TN)、总磷 (TP)、叶绿素 a（英语：chlorophyll a）(chl-a) 和透明度的数字规范（相对于不太具体的叙述式规范）的期望，并建立“共同商定的计划”以开发国家规范。 该机构在2007年表示美国各州在制定养分规范方面的进展参差不齐。EPA重申其对数字规范的期望，也承诺支持各州制定本身规范的工作。[47]

EPA于2007年引入以流域做基础的NPDES（National Pollutant Discharge Elimination System，国家污染物排放消除系统）许可证[48]后，针对去除养分和实现区域最大每日负荷限制（英语：Total Maximum Daily Load） (TMDL) ，让有兴趣的团体开发出养分权交易计划。[49]

EPA于2008年发布一份关于各州制定养分标准的工作进展报告。实际情况是大多数州尚未制定河流和溪流、湖泊和水库，以及湿地和河口（对于那些有河口的州）的数字形式养分规范；。[50]EPA在同年成立一由州和EPA专家组成的养分创新工作小组 (NITG)，以监测和评估减少养分污染的进度。[51]NTIG在2009年发布一名为“紧急行动呼吁”的报告，表达对日益严重的养分污染持续导致全美水质恶化的担忧，并建议各州要更加积极制定养分标准。[52]

EPA在2011年重申各州需全面制定养分标准，指出饮用水硝酸盐违规事件在8年内已增加一倍，全国一半溪流的氮和磷含量已达中到高的水平，有害藻华现象正增加中。EPA拟定一个框架，供各州制定减少养分的优先事项和流域级目标。[53]

排放许可证

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美国许多点源排放者虽然不一定是各流域中的最大养分来源，仍须遵守许可证中的排放限制（英语：effluent limitation），这些许可证是根据清洁水法案，通过国家污染物排放消除系统 (NPDES) 所颁发。[54]一些大型市政污水处理厂，例如华盛顿哥伦比亚特区的Blue Plains先进污水处理厂（英语：Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant）已安装生物养分去除 (BNR) 系统，以符合监管要求。[55]其他的市政当局已对其现有二级处理（英语：Secondary treatment）系统的操作程序进行控制养分的调整。[56] 大型集中式牲畜饲养作业 (CAFO) 的排放也受NPDES许可证的监管。[57]来自农田的地表径流是许多流域中养分的主要来源，[58]但被归类为非点源污染，不受NPDES许可证的监管。[44]

最大每日负荷限制计划

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每日最大负荷限制 (TMDL) 是项监管计划，规定水体在仍符合清洁水法案水质标准的情况下可接收的最大污染物排放数量（包括养分）。[59]具体而言，此法案第303节要求每个州为每个受污染物损害的水体制作TMDL报告。这份报告确定污染物的水平和达成减排目标的策略。EPA把TMDL描述成建立一“污染物预算”，设定接收不同污染物的水平。[60]对于许多沿海水体，其主要的污染问题就是养分过剩，（也称为nutrient over-enrichment（养分过度富集））。[61]

一份TMDL可对水体中的最低溶解氧 (DO) 水平（与养分水平直接相关）设下规定。（参见{{le|环境缺氧|Hypoxia (environmental)}）透过TMDL解决养分污染是美国国家养分战略中的主要一环。[62]透过TMDL把流域内所有点源和非点源污染辨识。为让点源污染源符合TMDL的要求，则透过NPDES许可证规范其被允许排放量。[63]针对非点源污染源的排放，通常采取的是自愿遵守的方式。[59]

EPA于2010年发布乞沙比克湾的TMDL，针对整个流域的氮、磷和沉积物污染问题做规范，覆盖面积达64,000平方英里（170,000平方公里）。这项监管计划同时也把河口及其支流涵盖在内，是迄今EPA所发布的最大、最复杂的TMDL计划。[64][65]

为长岛湾开发的TMDL计划，让康涅狄格州能源与环境保护局（英语：Connecticut Department of Energy and Environmental Protection）和纽约州环境保护局能把58.5%的氮减排目标纳入监管和法律的框架内。[60]

参见

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参考文献

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