農業引起的環境污染事件！

誰是墨西哥灣魚蝦死亡的元兇？

1. 災難來襲美國墨西哥灣氣候溫和，經濟發達，是著名的漁業產地和旅遊勝地。然後，平靜祥和的背後，人們並不知道一場災難在暗流涌動。20世紀50年代左右，美國墨西哥灣的漁民們經常抱怨夏季的魚蝦產量銳減，但這並沒有引起人們的重視。隨著時間的推移，夏季魚蝦減產愈發嚴重，甚至在海灘出現大規模魚類死亡現象[1]。為了追查魚蝦死亡的真相，科學家們對墨西哥灣展開了調查。

Fig. 1 水下攝像機拍攝到的魚蝦死亡照片[1]由於墨西哥灣存在一些油井，科學家最開始懷疑「原油泄漏」導致了魚類死亡。可隨著調查的深入，科學家發現魚類死亡現象是有一定季節規律的：其只出現在春深盛夏時節，秋冬季節非常少見——這明顯與原油泄漏無關，總不能墨西哥灣每年固定一段時間漏油吧？！其次，魚類死亡往往與當地「赤潮」現象同時發生，魚類是不是中毒死亡？檢測後發現，水華現象會產生一些毒素，但是其劑量不足以短時間內大規模的殺死海魚。到這裡，科學家們走入了死胡同，到底是什麼殺死了這麼多魚呢？

2. 死因浮現1979年，經過多年的生態環境調查，美國萊斯大學 (Rice University)的Dr. Calvin H. Ward公開發表調查結果，稱墨西哥灣地區存在大規模的缺氧窒息區(ShelfHypoxia)。從此之後，科學家們逐漸意識到魚類及其他海洋生物的死亡的原因是缺氧窒息，通俗來講，就是魚蝦在海水裡「淹死」了，水裡缺氧導致溺亡。讓我們想像一下，紅色的海水中四處飄蕩著死魚死蝦，除了泛濫的藻類，沒有任何活物的蹤跡；漁民冒著風浪出海，除了水藻，一無所獲！所以，美國人那些缺氧窒息區命名為「Dead Zone」。

Fig. 2 Dr. Calvin H. Ward[2] (Calvin H. Ward website )Tip 1:講到這裡，需要給大家補個背景知識，為什麼魚會被淹死？地球上的動物大部分都需要氧氣來進行新陳代謝，包括人類、哺乳動物、鳥、魚、蝦和貝殼類動物。人類攝取氧氣主要依靠呼吸大氣，但是魚類沒有大氣這麼豐富的氧氣來源，因為氧氣在水中的溶解度很低，常溫下大概10mg/L左右，基本上一方水中只有10g氧氣，所以人類會被淹死。魚類能夠通過魚鰓來吸收水中的溶解的氧氣(Dissolved Oxygen, DO)，但是這並不代表可以魚類完全不需要氧氣，下圖是各種魚類對溶解氧的最低要求。如果由於某種原因，水中溶解氧含量太低，魚鰓也沒辦法吸收氧氣，魚類就窒息而死，所以類比成「淹死」。墨西哥灣地區的缺氧窒息區被發現以後，美國科學家們從兩方面展開研究，第一是缺氧窒息區的範圍調查，第二是缺氧窒息區的成因分析。花開兩朵，各表一枝。1985年起，在美國NOAA的資助下，路易斯安那州大學的Dr. Rabalais領導開展了墨西哥灣地區缺氧窒息區的調查。每年夏天，科研人員們乘坐輪船進入墨西哥灣，在不同的採樣點採集海水樣品，收集海水的物理化學數據。圖3就是每年夏季監測的取樣點規劃圖。

Fig.3 Cruise Station Map:Map of stations visited during the annual shelf-wide cruise.[3]數據收集完成後，科研人員根據監測數據製作每年的缺氧窒息區範圍圖，如圖4(2014年)。圖4中用不同顏色來代表海水中的溶解度，顏色越紅代表氧氣含量越低，低於2 mg/L就會出現缺氧窒息。

Fig. 4 2014年墨西哥灣地區底層海水溶解氧含量圖根據觀測結果，從1985至2014年30年間，墨西哥灣缺氧窒息區的平均面積達13,650 平方公里，介於天津市(11,920 km2)和北京市(16,411 km2)之間; 最大的缺氧窒息區面積出現在2002年，面積約 22,000 km2, 差不多是兩個天津市的面積。大範圍的缺氧窒息區內魚蝦絕跡、貝類罕至，這種情況對漁業、旅遊業及生態環境都是極大的破壞。人們不禁要問，這場災難的兇手是誰？誰製造了Dead Zone？誰又是幕後兇手？

4. 嫌疑犯落網2002年，經過多年潛心研究，Dr. Nancy Rabalais 綜合了前人的研究成果，撰文論述了墨西哥灣缺氧窒息區的成因、規律、發展史以及對海洋生態系統的影響。對於墨西哥灣的缺氧窒息區，Dr. Rabalais指出，海水分層和富營養化是兩大主要原因。

Fig. 5 Scientist Dr. Nancy Rabalais and student measuring oxygen levels in the Gulf of Mexico [4]首先，墨西哥灣的淡水主要來自密西西比河。夏季的密西西比河水量充沛，水溫較高，河水流入海洋後與原先的海水產生了密度差。再加上夏季風浪較小，墨西哥灣海水很少存在上下流動，形成下層海水與上層淡水的分層現象。由於分層明顯，底層的海水得不到空氣的氧氣補給，溶解氧含量較低。其次，密西西比河河水中富含營養物質，主要包括無機態的N和P，刺激了墨西哥灣的藻類瘋狂生長，形成「水華」或者「赤潮」。藻類死亡後的殘骸會沉入海底，成為底層分解者的能量來源。分解者的新陳代謝也需要氧氣，於是海底僅剩不多的氧氣很快被消耗殆盡，再加上海水分層造成的補給不足，底層海水最終形成「缺氧區」。隨著藻類殘骸越來越多，底層的缺氧區逐漸擴大並向上延伸，最後蔓延到海水上層，整個區域溶解氧含量銳減，出現大規模的缺氧窒息區。如果缺氧窒息區形成較慢，魚類有機會逃離至安全地帶；如果由於種種原因，缺氧窒息區成型較快且範圍較廣，魚類來不及逃離，不可避免的溺死在缺氧窒息區，出現大規模魚群死亡的慘劇。夏季過後，秋冬季節海水分層減弱且藻類生長變緩，缺氧窒息區形成的環境不存在，窒息區也慢慢消失了。直到來年夏天，同樣的環境，同樣的情況，同樣的缺氧窒息區無聲無息的出現。

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這裡有一個Flash動畫介紹了缺氧窒息區的產生過程，感興趣的可以看一下：Hypoxia in the Northern Gulf of MexicoTip 2: 什麼是富營養化？地球上的生物生長主要需要六大營養元素——C、H、O、N、P、K. 由於空氣中有C，海水中有H和O， 和一部分K，海洋中的比較缺乏N 和P。如果水體內有較多的N P補給，六大營養元素齊全，該水體就處於富營養化階段。富營養化有優點也有缺點，最大的缺點是滋生藻類。5. 誰是真兇？上文提到，海水分層和富營養化是缺氧窒息區產生的兩大原因，那到底哪個是真正的兇手呢？為了找到真兇，科學家們做了一個邏輯上的證明題。海水分層是由於墨西哥灣特殊的情況導致的，相對來說存在時間較長；富營養化是1950s以來廣泛出現的。因此，如果富營養化出現以前就一直有缺氧窒息區，那真兇是當地特殊的構造和氣候條件；如果富營養化出現之後才有了缺氧窒息區，那真兇就是水體的富營養化。由於1985年之前的數據較為缺乏，科學家們巧妙地利用海底淤泥證明富營養化才是缺氧窒息的主要誘因，關鍵證據如下：1950s以來，浮游生物的生產率與海洋藻類滋生有關；1950s以來，底部水體溶解氧缺乏愈發嚴重；海底淤泥模擬實驗顯示，海水溶解氧的減少與表層海水初級生產力的增長關係密切。 (詳細證明討論過程見參考文獻[5]，感興趣的可以去看一下)基於以上一系列證據，科學家們證明了海水富營養化是缺氧窒息區形成的主要誘因，即海洋魚蝦死於富營養化導致的缺氧窒息。至此，魚蝦死亡慘案的真兇被「緝拿歸案」。6. 幕後黑手魚蝦死亡慘案的真兇找到後，科學家們又開始研究其背後的故事。Tip2提到，墨西哥灣地區豐富的N、P補給是富營養化出現的前提條件，這些營養元素主要來自密西西比河的農業污染物。二十世紀以來，由於人口增長和農業作為支柱產業的確立，美國在中部大平原地區大力發展農業，尤其是中部大範圍的種植玉米，獲得了「玉米帶」(Corn Belt)的名號。高強度的農業生產排泄了大量的淡水和無機營養鹽，主要原因包括：化肥的廣泛應用；農業排水的建設；濕地沼澤的開墾；人口增長導致污水排放，etc.美國USGS做了一項調查，發現墨西哥灣的農業污染物排放量中，70%以上的N、P來自於農業生產，其中糧食作物生產貢獻了66%的N和43%的P，牧草生產貢獻了5%的N和37%的P。

Fig. 7 Sources of nutrients delivered to the Gulf of Mexico [5]到最後，美國人民才發現，原來魚蝦死亡的幕後黑手竟然是自己，是每一個吃麵包、喝牛奶、烤牛排和炸雞翅的美國人！尷尬之餘，美國人民在一系列的環境污染災難的刺激下開始自我反思，從而引發了二十世紀七十年代以來的環保運動思潮並延續至今。那麼，美國人是如何面對「Dead Zone」的問題，開發了那些技術，實施效果又如何呢？請聽下回分解。