有哪些典型的由农业引起的环境污染事件？ 刘文龙 谁是墨西哥湾鱼虾死亡的元凶？ 1. 灾难来袭 美国墨西哥湾气候温和，经济发达，是著名的渔业产地和旅游胜地。然后，平静祥和的背后，人们并不知道一场灾难在暗流涌动。19 世纪 50 年代左右，美国墨西哥湾的渔民们经常抱怨夏季的鱼虾产量锐减，但这并没有引起人们的重视。随着时间的推移，夏季鱼虾减产愈发严重，甚至在海滩出现大规模鱼类死亡现象[1]。为了追查鱼虾死亡的真相，科学家们对墨西哥湾展开了调查。 Fig. 1 水下摄像机拍摄到的鱼虾死亡照片[1] 由于墨西哥湾存在一些油井，科学家最开始怀疑“原油泄漏”导致了鱼类死亡。可随着调查的深入，科学家发现鱼类死亡现象是有一定季节规律的：其只出现在春深盛夏时节，秋冬季节非常少见——这明显与原油泄漏无关，总不能墨西哥湾每年固定一段时间漏油吧？！其次，鱼类死亡往往与当地“赤潮”现象同时发生，鱼类是不是中毒死亡？检测后发现，水华现象会产生一些毒素，但是其剂量不足以短时间内大规模的杀死海鱼。到这里，科学家们走入了死胡同，到底是什么杀死了这么多鱼呢？ 2. 死因浮现 1979 年，经过多年的生态环境调查，美国莱斯大学 (Rice University) 的 Dr. Calvin H. Ward 公开发表调查结果，称墨西哥湾地区存在大规模的缺氧窒息区 (Shelf Hypoxia)。从此之后，科学家们逐渐意识到鱼类及其他海洋生物的死亡的原因是缺氧窒息，通俗来讲，就是鱼虾在海水里“淹死”了，水里缺氧导致溺亡。让我们想象一下，红色的海水中四处飘荡着死鱼死虾，除了泛滥的藻类，没有任何活物的踪迹；渔民冒着风浪出海，除了水藻，一无所获！所以，美国人那些缺氧窒息区命名为“Dead Zone”。 Fig. 2 Dr. Calvin H. Ward[2] (Calvin H. Ward website ) Tip 1: 讲到这里，需要给大家补个背景知识，为什么鱼会被淹死？地球上的动物大部分都需要氧气来进行新陈代谢，包括人类、哺乳动物、鸟、鱼、虾和贝壳类动物。人类摄取氧气主要依靠呼吸大气，但是鱼类没有大气这么丰富的氧气来源，因为氧气在水中的溶解度很低，常温下大概 10mg/L 左右，基本上一方水中只有 10g 氧气，所以人类会被淹死。鱼类能够通过鱼鳃来吸收水中的溶解的氧气(Dissolved Oxygen, DO)，但是这并不代表可以鱼类完全不需要氧气，下图是各种鱼类对溶解氧的最低要求。如果由于某种原因，水中溶解氧含量太低，鱼鳃也没办法吸收氧气，鱼类就窒息而死，所以类比成“淹死”。 墨西哥湾地区的缺氧窒息区被发现以后，美国科学家们从两方面展开研究，第一是缺氧窒息区的范围调查，第二是缺氧窒息区的成因分析。 花开两朵，各表一枝。1985 年起，在美国 NOAA 的资助下，路易斯安那州大学的 Dr. Rabalais 领导开展了墨西哥湾地区缺氧窒息区的调查。每年夏天，科研人员们乘坐轮船进入墨西哥湾，在不同的采样点采集海水样品，收集海水的物理化学数据。图 3 就是每年夏季监测的取样点规划图。 Fig.3 Cruise Station Map:Map of stations visited during the annual shelf-wide cruise.[3] 数据收集完成后，科研人员根据监测数据制作每年的缺氧窒息区范围图，如图 4(2014 年)。图 4 中用不同颜色来代表海水中的溶解度，颜色越红代表氧气含量越低，低于 2 mg/L 就会出现缺氧窒息。 Fig. 4 2014 年墨西哥湾地区底层海水溶解氧含量图 根据观测结果，从 1985 至 2014 年 30 年间，墨西哥湾缺氧窒息区的平均面积达 13,650 平方公里，介于天津市 (11,920 km2) 和北京市 (16,411 km2) 之间; 最大的缺氧窒息区面积出现在 2002 年，面积约 22,000 km2, 差不多是两个天津市的面积。大范围的缺氧窒息区内鱼虾绝迹、贝类罕至，这种情况对渔业、旅游业及生态环境都是极大的破坏。人们不禁要问，这场灾难的凶手是谁？谁制造了 Dead Zone？谁又是幕后凶手？ 4. 嫌疑犯落网 2002 年，经过多年潜心研究，Dr. Nancy Rabalais 综合了前人的研究成果，撰文论述了墨西哥湾缺氧窒息区的成因、规律、发展史以及对海洋生态系统的影响。对于墨西哥湾的缺氧窒息区，Dr. Rabalais 指出，海水分层和富营养化是两大主要原因。 Fig. 5 Scientist Dr. Nancy Rabalais and student measuring oxygen levels in the Gulf of Mexico [4] 首先，墨西哥湾的淡水主要来自密西西比河。夏季的密西西比河水量充沛，水温较高，河水流入海洋后与原先的海水产生了密度差。再加上夏季风浪较小，墨西哥湾海水很少存在上下流动，形成下层海水与上层淡水的分层现象。由于分层明显，底层的海水得不到空气的氧气补给，溶解氧含量较低。 其次，密西西比河河水中富含营养物质，主要包括无机态的 N 和 P，刺激了墨西哥湾的藻类疯狂生长，形成“水华”或者“赤潮”。藻类死亡后的残骸会沉入海底，成为底层分解者的能量来源。分解者的新陈代谢也需要氧气，于是海底仅剩不多的氧气很快被消耗殆尽，再加上海水分层造成的补给不足，底层海水最终形成“缺氧区”。随着藻类残骸越来越多，底层的缺氧区逐渐扩大并向上延伸，最后蔓延到海水上层，整个区域溶解氧含量锐减，出现大规模的缺氧窒息区。 如果缺氧窒息区形成较慢，鱼类有机会逃离至安全地带；如果由于种种原因，缺氧窒息区成型较快且范围较广，鱼类来不及逃离，不可避免的溺死在缺氧窒息区，出现大规模鱼群死亡的惨剧。夏季过后，秋冬季节海水分层减弱且藻类生长变缓，缺氧窒息区形成的环境不存在，窒息区也慢慢消失了。直到来年夏天，同样的环境，同样的情况，同样的缺氧窒息区无声无息的出现。 Fig. 6 Nutrient-based Hypoxia Formation: [4] 1) Nutrient-rich water flows in, 2) Algae grow, feed, and die, 3) Zooplankton eat the algae, 4) Bacteria feed on fecal pellets and dead algae, 5) Bacteria deplete the water of oxygen, 6) Marine life flees or dies 这里有一个 Flash 动画介绍了缺氧窒息区的产生过程，感兴趣的可以看一下： Hypoxia in the Northern Gulf of Mexico Tip 2: 什么是富营养化？地球上的生物生长主要需要六大营养元素——C、H、O、N、P、K. 由于空气中有 C，海水中有 H 和 O， 和一部分 K，海洋中的比较缺乏 N 和 P。如果水体内有较多的 N P 补给，六大营养元素齐全，该水体就处于富营养化阶段。富营养化有优点也有缺点，最大的缺点是滋生藻类。 5. 谁是真凶？ 上文提到，海水分层和富营养化是缺氧窒息区产生的两大原因，那到底哪个是真正的凶手呢？为了找到真凶，科学家们做了一个逻辑上的证明题。海水分层是由于墨西哥湾特殊的情况导致的，相对来说存在时间较长；富营养化是 1950s 以来广泛出现的。因此，如果富营养化出现以前就一直有缺氧窒息区，那真凶是当地特殊的构造和气候条件；如果富营养化出现之后才有了缺氧窒息区，那真凶就是水体的富营养化。 由于 1985 年之前的数据较为缺乏，科学家们巧妙地利用海底淤泥证明富营养化才是缺氧窒息的主要诱因，关键证据如下： 1950s 以来，浮游生物的生产率与海洋藻类滋生有关； 1950s 以来，底部水体溶解氧缺乏愈发严重； 海底淤泥模拟实验显示，海水溶解氧的减少与表层海水初级生产力的增长关系密切。 (详细证明讨论过程见参考文献[5]，感兴趣的可以去看一下) 基于以上一系列证据，科学家们证明了海水富营养化是缺氧窒息区形成的主要诱因，即海洋鱼虾死于富营养化导致的缺氧窒息。至此，鱼虾死亡惨案的真凶被“缉拿归案”。 6. 幕后黑手 鱼虾死亡惨案的真凶找到后，科学家们又开始研究其背后的故事。Tip2 提到，墨西哥湾地区丰富的 N、P 补给是富营养化出现的前提条件，这些营养元素主要来自密西西比河的农业污染物。二十世纪以来，由于人口增长和农业作为支柱产业的确立，美国在中部大平原地区大力发展农业，尤其是中部大范围的种植玉米，获得了“玉米带”(Corn Belt)的名号。高强度的农业生产排泄了大量的淡水和无机营养盐，主要原因包括： 化肥的广泛应用； 农业排水的建设； 湿地沼泽的开垦； 人口增长导致污水排放，etc. 美国 USGS 做了一项调查，发现墨西哥湾的农业污染物排放量中，70% 以上的 N、P 来自于农业生产，其中粮食作物生产贡献了 66% 的 N 和 43% 的 P，牧草生产贡献了 5% 的 N 和 37% 的 P。 Fig. 7 Sources of nutrients delivered to the Gulf of Mexico [5] 到最后，美国人民才发现，原来鱼虾死亡的幕后黑手竟然是自己，是每一个吃面包、喝牛奶、烤牛排和炸鸡翅的美国人！尴尬之余，美国人民在一系列的环境污染灾难的刺激下开始自我反思，从而引发了二十世纪七十年代以来的环保运动思潮并延续至今。那么，美国人是如何面对“Dead Zone”的问题，开发了那些技术，实施效果又如何呢？请听下回分解。 后记：虽然全文中主要以美国墨西哥湾为例来探讨农业非电源污染问题，我国也存在严峻的环保压力。回顾美国的环保史，笔者希望咱们能够以史为鉴，减少我们在环保问题上走的弯路和付的学费。 The end. PS： 除了标注以外，本文的内容均为原创，请尊重知识产权，未经许可不得转载。 由于作者经验水平有限，遗漏之处在所难免。如有不同意见，欢迎讨论，拒绝拍砖~ 既然都看到这里了，说明还是很有耐心的嘛~ 现在笔者亟需打破“零拉黑”记录，欢迎大家踊跃报名！ References: [1] Sally Ride EarthKAM [2] Calvin H. Ward : Rice University Civil and Environmental Engineering [3]Hypoxia in the Northern Gulf of Mexico [4] Hypoxia in the Northern Gulf of Mexico [5] JSTOR: Annual Review of Ecology and Systematics, Vol. 33 (2002), pp. 235-263 [6]USGS NAWQA: Nutrient Delivery to the Gulf of Mexico ———————————————— 讨论来自 知乎圆桌 · 农村金融 查看知乎原文
