Lentis/缺氧区
缺氧区（死亡区）是底层和近底层水中氧气水平低于大多数海洋生物生存所需的区域。[1]
缺氧区是由富营养化造成的，富营养化是指水体中植物营养物质的富集。这一过程是由营养污染造成的。[2]
污染源可以分为点源和非点源。点源包括化石燃料燃烧，特别是发电厂，这会造成大气中氮沉降，以及排放含氮和磷废水的工业工厂，以及排放氮氧化物和磷氧化物废水的污水处理过程。非点源包括农业化肥径流和未连接到处理厂的直接排放的污水。[3]
人为营养物质排放源，如农业径流、开发径流和污水，增加了无机营养物质和有机物质流入陆地、水生和沿海海洋生态系统。[4] 这种营养物质排放，特别是氮和磷，导致了文化富营养化，其特点是植物生长过多，尤其是藻华。植物生长遮挡阳光，抑制了沿岸地区水生植物的光合作用。此外，依赖光线捕食的捕食者也更难捕食猎物。[5] 富营养化还会导致对生态系统至关重要的生物，如珊瑚和海草的破坏。[6][7] 藻华可能是有毒的，分解可能会降低底层水体的 pH 值，导致酸化。藻华是暂时的，最终会消亡，但随之而来的分解会增加生物需氧量，同时降低溶解氧水平，导致缺氧区。[8]
营养污染是富营养化的根源，但其他一些因素会促进富营养化过程以及随之而来的缺氧区的发展。例如，城市化导致不透水表面积增加，这减少了渗透，增加了径流。道路、人行道、屋顶和车道就是不透水表面的例子。径流增加促进了营养污染的输送。[9] 一些生物提供生态服务，包括过滤氮和磷，但人类活动会减少此类生物的数量。例如，牡蛎礁会从水柱中去除氮，限制富营养化和缺氧区发展的可能性。[10] 在切萨皮克湾，牡蛎数量已减少到曾经数量的 1% 以下。几十年来，收获造成的损害、疾病增加以及与城市化相关的径流导致盐度下降，这些因素极大地促成了种群数量下降。估计表明，牡蛎的最初种群可以在一周内过滤掉海湾中的所有水。目前的种群现在需要一年才能过滤掉相同数量的水。[11]
富营养化导致的缺氧和无氧会破坏对商业和休闲渔业至关重要的生态系统。藻华产生的蓝藻是有毒的，会导致中毒。仅在美国，富营养化造成的损失估计为 22 亿美元。[5] 缺氧会导致水生生物的生殖障碍、免疫抑制和病原体相关死亡。免疫功能下降会导致虾和蟹的细菌功能死亡。对于鱼类来说，即使是短期暴露也会降低杀菌活性并降低抗体水平。[12] 死亡区每年给美国渔业和旅游业造成 8200 万美元的损失。[13]
缺氧导致了挪威龙虾渔业的崩溃。[14] 最初，氧气浓度下降到饱和度的 40% 导致了缺氧条件，导致龙虾从洞穴中出来，更容易被捕捞工具捕获，因此捕捞量增加了一倍。[15] 捕捞量的增加只是暂时的，因为龙虾种群减少了。挪威龙虾渔业曾经向欧洲市场供应 24% 的总捕捞量，但从 1960 年起，其捕捞量急剧下降。许多龙虾经销商被迫关闭。[16]
从经济价值来看，北卡罗来纳州的虾渔业是该州仅次于蓝蟹渔业的第二大重要渔业。北卡罗来纳州褐虾占虾类捕捞量的 66%。1999 年至 2005 年间，缺氧导致虾类捕捞量减少了 12.9%。已发现缺氧造成的生产者剩余损失约为总收入损失的 25%。[17]
从农业开始以来，肥料一直被用于农业，古代河流谷文明使用粪肥和木灰。然而，现代肥料是使用化学方法制成的，特别是哈伯法和奥斯特瓦尔德法，这些方法在 20 世纪初由卡尔·博施、弗里茨·哈伯和威廉·奥斯特瓦尔德开发。[18][19] 哈伯法生产氨，然后奥斯特瓦尔德法使用这种氨来生产硝酸，它是许多现代肥料的主要成分。
此后不久，大约在 1930 年代，一场名为“绿色革命”的全球性运动开始了，由诺曼·伯劳格领导，有时被称为“绿色革命之父”或“拯救十亿人生命的人”。[20][21] 为了最大限度地提高作物产量，这些新型肥料越来越受欢迎。尽管绿色革命在 60 年代结束，但化肥的使用量持续攀升，即使在之后，随着世界人口的不断增长，化肥的使用量也一直在增加。[18] 如今，化肥公司吹嘘其产品能够使作物长得更高或果实长得更快，这些有用的特性迅速地养活了世界。
然而，正是在这场绿色革命的中间，虾拖网渔船首次在墨西哥湾发现了死亡的缺氧区。[22] 由于缺氧区也会自然发生，因此该区域的大小不足以引起人们的担忧。到 70 年代绿色革命结束时，该区域的大小已经增长到足以引发警钟。也许可以预料，绿色革命期间和之后使用氮肥的增加与密西西比河和墨西哥湾硝酸盐含量的增加相吻合，正如硝酸盐帮助作物长得更快更大一样，它们对威胁自然生态系统的藻华也有同样的作用。[23] 特别是墨西哥湾仍然是美国今天最大的周期性缺氧区。[24]
黑海缺氧区的变化表明，缺氧的后果并非不可逆转。在绿色革命之后，氮肥和磷肥的使用达到顶峰，死区的面积急剧扩大。但 1991 年苏联解体给该地区带来了严重的经济困难，使用昂贵的化肥不再可行。化肥的使用量急剧下降，缺氧区的面积也随之减少。到 2002 年，黑海缺氧区实际上已经消失，捕鱼再次成为该地区的可能产业。[25]
来自大片土地的点源和非点源污染的贡献促成了缺氧区的形成。对大片区域进行监管已被证明是困难的。每个导致富营养化的区域都是基于许多经济、农业、城市和大气因素而单独贡献的。针对导致缺氧区的具体行为的广泛范围监管是无效的。为此，美国科学咨询委员会 (SAB) 或波罗的海行动计划 (BSAP) 等机构和委员会已成立，以评估和咨询政治实体，帮助解决富营养化问题[26]。
EPA 于 1970 年开始运营，其目标是通过制定和执行国会通过的条例来改善公众健康。EPA 的使命与管理和监管在美国产生的点源和非点源污染直接一致。因此，EPA 被用于管理《清洁水法》(CWA)，以减少水污染[27]。《清洁水法》本身是对 1948 年《联邦水污染控制法》的修订，主要是为了重新分配资源以实现相同的目标[28]。根据《清洁水法》，政府要求每个州与 EPA 合作制定计划，以防止、减少或消除可航行水域的污染。每个州还应制定和监测自己的污染贡献以及污染对其各自地区经济福祉的影响[29]。
国家海洋和大气管理局 (NOAA) 是一家致力于利用科学丰富美国人生活的机构，让他们了解周围的大气状况。[30]。他们被赋予了与 EPA 相似的职责，即管理和执行国会批准的某些法案。NOAA 是 1972 年《海岸带管理法》(CZMA) 的主要管理者。该法的目的是保护和保护海岸水域、河口土地和五大湖。CZMA 的范围包括拨款，并为州和地方实体制定了一个管理结构，以便与 NOAA 互动，监测、减少和消除点源和非点源污染。该法案还有助于匹配州政府的资金，用于购买受威胁的海岸和河口土地。这些土地间接地有助于在富营养化水域到达海岸水域之前对其进行过滤。[31]
2014 年底，马萨诸塞州官员试图限制磷肥的销售和使用，并遭到了农业和景观行业的抵制。该州农业部作物和害虫服务处主任李·科特-里尔评论道：“我们正在努力在保护环境和允许农业行业继续种植食物之间取得平衡。这是一项挑战。”[32]
化肥的使用因地理位置、土壤成分和气候而异。但在过去 40 年中，农业行业一直受到美国环保署 (EPA) 的压力，要求将氮 (N) 和磷 (P) 径流降低 45%。由于环境的变化，人们在使用化肥时采用了某些通用的“最佳实践”。其中最重要的一个就是养分定时施肥，即在植物养分吸收率最高的特定时间段内施肥。此外，在降雨量大的时候也不能施肥，否则养分会流失，影响作物产量并导致氮含量排放。[33] 通过采用这些最佳实践，与其他方法相比，可以去除最多的氮。但是，尽管目前做出了努力，但 45% 的减排目标尚未实现。[34]
养分限制和河岸缓冲区被用来防止缺氧区的形成。河岸缓冲区是在水源边缘的一组低矮植物和草，有助于防止径流。[35]
蓝藻的超声波照射可以破坏藻华的一部分，控制其生长，而不会损害周围的环境。藻类会在半圆形区域消失，该区域延伸到主动照射装置的范围。或者，可以使用碟式过滤器或鼓式过滤器从水面上过滤掉藻类。请注意，这些解决方案需要安装辐射或过滤设备。
为了避免安装设备，可以在水面散布粘土。粘土会粘在藻类上，使其沉入水底。由于目前尚不清楚这对底栖生物的影响，因此在美国目前尚不允许使用这种方法。 [36]
预防性解决方案也是可行的。由于贝类从水柱中过滤掉氮，因此恢复或增加贝类种群可以预防或限制富营养化。[10]
缺氧区会导致生态、经济和社会损害，但没有简单的预防方法。由于催化导致缺氧区形成过程的技术相互作用的复杂性，寻找预防性解决方案需要更好地了解技术的社会界面。
富营养化是一个难以解决的问题。人类发展中缺乏环境意识，使人为污染能够达到驱动富营养化的规模。从城市发展到破坏自然过滤养分径流的植物，再到过度捕捞贝类，技术的复杂相互作用扰乱了生态系统的复杂而微妙的平衡。
缺氧区预防首先需要预防的愿望。鉴于缺氧区对渔业和旅游业的经济影响，解决问题的激励措施显然是存在的。但富营养化预防可能看起来像是一个零和博弈。对化肥使用的监管可以减轻缺氧区受害者所面临的情况，但也会对农业行业及其为世界人口提供食物的能力造成影响。对排放的监管可能会有所帮助，但对非点源污染的监管需要个人和社会之间达成一致，以采用不方便的做法。目前，对养分污染的监管似乎是一种有效的策略，但接受社会技术相互作用的复杂性可能是最终解决缺氧区问题的关键。
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