Lentis/缺氧區
缺氧區（死亡區）是底層和近底層水中氧氣水平低於大多數海洋生物生存所需的區域。[1]
缺氧區是由富營養化造成的，富營養化是指水體中植物營養物質的富集。這一過程是由營養汙染造成的。[2]
汙染源可以分為點源和非點源。點源包括化石燃料燃燒，特別是發電廠，這會造成大氣中氮沉降，以及排放含氮和磷廢水的工業工廠，以及排放氮氧化物和磷氧化物廢水的汙水處理過程。非點源包括農業化肥徑流和未連線到處理廠的直接排放的汙水。[3]
人為營養物質排放源，如農業徑流、開發徑流和汙水，增加了無機營養物質和有機物質流入陸地、水生和沿海海洋生態系統。[4] 這種營養物質排放，特別是氮和磷，導致了文化富營養化，其特點是植物生長過多，尤其是藻華。植物生長遮擋陽光，抑制了沿岸地區水生植物的光合作用。此外，依賴光線捕食的捕食者也更難捕食獵物。[5] 富營養化還會導致對生態系統至關重要的生物，如珊瑚和海草的破壞。[6][7] 藻華可能是有毒的，分解可能會降低底層水體的 pH 值，導致酸化。藻華是暫時的，最終會消亡，但隨之而來的分解會增加生物需氧量，同時降低溶解氧水平，導致缺氧區。[8]
營養汙染是富營養化的根源，但其他一些因素會促進富營養化過程以及隨之而來的缺氧區的發展。例如，城市化導致不透水錶面積增加，這減少了滲透，增加了徑流。道路、人行道、屋頂和車道就是不透水錶面的例子。徑流增加促進了營養汙染的輸送。[9] 一些生物提供生態服務，包括過濾氮和磷，但人類活動會減少此類生物的數量。例如，牡蠣礁會從水柱中去除氮，限制富營養化和缺氧區發展的可能性。[10] 在切薩皮克灣，牡蠣數量已減少到曾經數量的 1% 以下。幾十年來，收穫造成的損害、疾病增加以及與城市化相關的徑流導致鹽度下降，這些因素極大地促成了種群數量下降。估計表明，牡蠣的最初種群可以在一週內過濾掉海灣中的所有水。目前的種群現在需要一年才能過濾掉相同數量的水。[11]
富營養化導致的缺氧和無氧會破壞對商業和休閒漁業至關重要的生態系統。藻華產生的藍藻是有毒的，會導致中毒。僅在美國，富營養化造成的損失估計為 22 億美元。[5] 缺氧會導致水生生物的生殖障礙、免疫抑制和病原體相關死亡。免疫功能下降會導致蝦和蟹的細菌功能死亡。對於魚類來說，即使是短期暴露也會降低殺菌活性並降低抗體水平。[12] 死亡區每年給美國漁業和旅遊業造成 8200 萬美元的損失。[13]
缺氧導致了挪威龍蝦漁業的崩潰。[14] 最初，氧氣濃度下降到飽和度的 40% 導致了缺氧條件，導致龍蝦從洞穴中出來，更容易被捕撈工具捕獲，因此捕撈量增加了一倍。[15] 捕撈量的增加只是暫時的，因為龍蝦種群減少了。挪威龍蝦漁業曾經向歐洲市場供應 24% 的總捕撈量，但從 1960 年起，其捕撈量急劇下降。許多龍蝦經銷商被迫關閉。[16]
從經濟價值來看，北卡羅來納州的蝦漁業是該州僅次於藍蟹漁業的第二大重要漁業。北卡羅來納州褐蝦佔蝦類捕撈量的 66%。1999 年至 2005 年間，缺氧導致蝦類捕撈量減少了 12.9%。已發現缺氧造成的生產者剩餘損失約為總收入損失的 25%。[17]
從農業開始以來，肥料一直被用於農業，古代河流谷文明使用糞肥和木灰。然而，現代肥料是使用化學方法制成的，特別是哈伯法和奧斯特瓦爾德法，這些方法在 20 世紀初由卡爾·博施、弗裡茨·哈伯和威廉·奧斯特瓦爾德開發。[18][19] 哈伯法生產氨，然後奧斯特瓦爾德法使用這種氨來生產硝酸，它是許多現代肥料的主要成分。
此後不久，大約在 1930 年代，一場名為“綠色革命”的全球性運動開始了，由諾曼·伯勞格領導，有時被稱為“綠色革命之父”或“拯救十億人生命的人”。[20][21] 為了最大限度地提高作物產量，這些新型肥料越來越受歡迎。儘管綠色革命在 60 年代結束，但化肥的使用量持續攀升，即使在之後，隨著世界人口的不斷增長，化肥的使用量也一直在增加。[18] 如今，化肥公司吹噓其產品能夠使作物長得更高或果實長得更快，這些有用的特性迅速地養活了世界。
然而，正是在這場綠色革命的中間，蝦拖網漁船首次在墨西哥灣發現了死亡的缺氧區。[22] 由於缺氧區也會自然發生，因此該區域的大小不足以引起人們的擔憂。到 70 年代綠色革命結束時，該區域的大小已經增長到足以引發警鐘。也許可以預料，綠色革命期間和之後使用氮肥的增加與密西西比河和墨西哥灣硝酸鹽含量的增加相吻合，正如硝酸鹽幫助作物長得更快更大一樣，它們對威脅自然生態系統的藻華也有同樣的作用。[23] 特別是墨西哥灣仍然是美國今天最大的週期性缺氧區。[24]
黑海缺氧區的變化表明，缺氧的後果並非不可逆轉。在綠色革命之後，氮肥和磷肥的使用達到頂峰，死區的面積急劇擴大。但 1991 年蘇聯解體給該地區帶來了嚴重的經濟困難，使用昂貴的化肥不再可行。化肥的使用量急劇下降，缺氧區的面積也隨之減少。到 2002 年，黑海缺氧區實際上已經消失，捕魚再次成為該地區的可能產業。[25]
來自大片土地的點源和非點源汙染的貢獻促成了缺氧區的形成。對大片區域進行監管已被證明是困難的。每個導致富營養化的區域都是基於許多經濟、農業、城市和大氣因素而單獨貢獻的。針對導致缺氧區的具體行為的廣泛範圍監管是無效的。為此，美國科學諮詢委員會 (SAB) 或波羅的海行動計劃 (BSAP) 等機構和委員會已成立，以評估和諮詢政治實體，幫助解決富營養化問題[26]。
EPA 於 1970 年開始運營，其目標是透過制定和執行國會透過的條例來改善公眾健康。EPA 的使命與管理和監管在美國產生的點源和非點源汙染直接一致。因此，EPA 被用於管理《清潔水法》(CWA)，以減少水汙染[27]。《清潔水法》本身是對 1948 年《聯邦水汙染控制法》的修訂，主要是為了重新分配資源以實現相同的目標[28]。根據《清潔水法》，政府要求每個州與 EPA 合作制定計劃，以防止、減少或消除可航行水域的汙染。每個州還應制定和監測自己的汙染貢獻以及汙染對其各自地區經濟福祉的影響[29]。
國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 是一家致力於利用科學豐富美國人生活的機構，讓他們瞭解周圍的大氣狀況。[30]。他們被賦予了與 EPA 相似的職責，即管理和執行國會批准的某些法案。NOAA 是 1972 年《海岸帶管理法》(CZMA) 的主要管理者。該法的目的是保護和保護海岸水域、河口土地和五大湖。CZMA 的範圍包括撥款，併為州和地方實體制定了一個管理結構，以便與 NOAA 互動，監測、減少和消除點源和非點源汙染。該法案還有助於匹配州政府的資金，用於購買受威脅的海岸和河口土地。這些土地間接地有助於在富營養化水域到達海岸水域之前對其進行過濾。[31]
2014 年底，馬薩諸塞州官員試圖限制磷肥的銷售和使用，並遭到了農業和景觀行業的抵制。該州農業部作物和害蟲服務處主任李·科特-里爾評論道：“我們正在努力在保護環境和允許農業行業繼續種植食物之間取得平衡。這是一項挑戰。”[32]
化肥的使用因地理位置、土壤成分和氣候而異。但在過去 40 年中，農業行業一直受到美國環保署 (EPA) 的壓力，要求將氮 (N) 和磷 (P) 徑流降低 45%。由於環境的變化，人們在使用化肥時採用了某些通用的“最佳實踐”。其中最重要的一個就是養分定時施肥，即在植物養分吸收率最高的特定時間段內施肥。此外，在降雨量大的時候也不能施肥，否則養分會流失，影響作物產量並導致氮含量排放。[33] 透過採用這些最佳實踐，與其他方法相比，可以去除最多的氮。但是，儘管目前做出了努力，但 45% 的減排目標尚未實現。[34]
養分限制和河岸緩衝區被用來防止缺氧區的形成。河岸緩衝區是在水源邊緣的一組低矮植物和草，有助於防止徑流。[35]
藍藻的超聲波照射可以破壞藻華的一部分，控制其生長，而不會損害周圍的環境。藻類會在半圓形區域消失，該區域延伸到主動照射裝置的範圍。或者，可以使用碟式過濾器或鼓式過濾器從水面上過濾掉藻類。請注意，這些解決方案需要安裝輻射或過濾裝置。
為了避免安裝裝置，可以在水面散佈粘土。粘土會粘在藻類上，使其沉入水底。由於目前尚不清楚這對底棲生物的影響，因此在美國目前尚不允許使用這種方法。 [36]
預防性解決方案也是可行的。由於貝類從水柱中過濾掉氮，因此恢復或增加貝類種群可以預防或限制富營養化。[10]
缺氧區會導致生態、經濟和社會損害，但沒有簡單的預防方法。由於催化導致缺氧區形成過程的技術相互作用的複雜性，尋找預防性解決方案需要更好地瞭解技術的社會介面。
富營養化是一個難以解決的問題。人類發展中缺乏環境意識，使人為汙染能夠達到驅動富營養化的規模。從城市發展到破壞自然過濾養分徑流的植物，再到過度捕撈貝類，技術的複雜相互作用擾亂了生態系統的複雜而微妙的平衡。
缺氧區預防首先需要預防的願望。鑑於缺氧區對漁業和旅遊業的經濟影響，解決問題的激勵措施顯然是存在的。但富營養化預防可能看起來像是一個零和博弈。對化肥使用的監管可以減輕缺氧區受害者所面臨的情況，但也會對農業行業及其為世界人口提供食物的能力造成影響。對排放的監管可能會有所幫助，但對非點源汙染的監管需要個人和社會之間達成一致，以採用不方便的做法。目前，對養分汙染的監管似乎是一種有效的策略，但接受社會技術相互作用的複雜性可能是最終解決缺氧區問題的關鍵。
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