中国有句老话，叫“肥水不流外人田”。过去的农人辛辛苦苦把发酵好的人粪尿、猪圈里猪粪尿、牛棚里的牛粪尿等等等（听起来就臭不可闻，所以后来它们都有了个文雅的名字叫做有机肥）一筐筐一担担一车车运到地头混合泥土撒到庄稼地里，浇上水，静坐田头等庄稼茁壮成长。要是有懒汉在田埂另一头豁开一个口子把水引到自家地里，这十有八九会是个打破头的结果。

自从20世纪上半叶德国两位化学家Fritz Haber和CarlBosch发明了工业合成氨以来，化学肥料逐渐取代有机肥被越来越广泛地应用到现代农业中来。无论人们喜欢不喜欢，工业合成的肥料有着有机肥不能比拟的优点，例如运输和储存上的方便，使用上的高效等，最起码人们不用在施肥的时候还得享受“五谷轮回之所”的气味。

当然有机食品爱好者会说他们拒绝使用化肥的现代农业产品（而农药即使在有机农业照样被广泛使用，不过这是另一个话题），然而不幸的是在目前几乎所有规模的动物养殖都或多或少地使用抗生素和其他各种药物的情况下，这有机肥里的药物残余难保不会被植物富集到体内最后在被人吃到肚子里，眼下这也是环境科学的一个热门研究方向。在米国几乎每年都有果蔬被大肠杆菌和沙门氏杆菌污染的公共卫生事件，这一方面怪米国人喜欢生吃的生活习惯（没有进化完全的标志之一），另一方面则是因为粪便做成的肥料含这些致病菌的几率太高，从而导致污染农作物。例如一项研究发现有机农业产品样本中有10%含大肠杆菌，而一般农产品（即大规模生产的）仅含2％。有关这个有机农业的问题，《科学美国人》在2011年有一篇文章。感兴趣的朋友可以自己去看。

扯远了，回到肥料上来，大规模的农业生产意味着大规模地使用化肥。作物只有在有充足的水、阳光和肥料的情况下才能长得好、多产出。而这化肥的使用却不是多多益善的事情，不像人类，垃圾食品吃多了会变得奇胖无比，因为身体里堆积了太多的脂肪，而作物对肥料的利用受到个体限制，即其体内的主要元素配比在同个物种之内不会相差太大，作物吸收不了的化肥就会留在土壤里。

说到这里，这题目看起来有点莫名其妙 － 陆地上用的化肥和海洋的死亡区有什么关系？难不成多余的化肥和百慕大群岛附近失踪的飞机轮船有关？

问题就出在这个土壤里不能被作物完全利用的化肥上面，而这一切的一起都离不开水。

水是生命之源，也是这世上物质交换的最好的载体。作物利用化肥的第一步是化肥需要溶解在水里面，然后没有利用的化肥会被水带走，因为对于多余的化肥，土壤本身的吸附能力有限。这被水带走的化肥，一部分会通过土壤间隙往下流，最终混入地下水。查了一下网络，这已经不是个新话题了。例如2012年的报道“过度化肥农药威胁中国农业”和2014年的“农业污染：‘地下水抽上来都可以当肥料用’”；百度上 “农业污染”这一专题也包括化肥污染的问题。对于靠井水（地下水）过活而又有大面积化肥应用的地区，这喝的水里多多少少都有一些化肥。饮用水中高含量的硝酸盐（氮肥在自然界的最稳定的存在形式）在人体内会被转化为亚硝酸盐，继而可能会诱发癌症，比如CCTV在2006年的这篇报道。 中国部分地区（例如华东的一些省份）消化道肿瘤高发的原因通常被归因于腌制食物吃得过多，其实饮用水水源的质量和造成其质量恶化的原因倒更应该详细调查并采取措施治理。按理说民众生活水平提高腌菜应该吃得更少才对，但是近年来这些的发病率却急剧升高，用一句时髦话讲“这不科学啊！”当然这个地下水治理是个极端艰巨的任务。表面功夫做习惯了，管理者恐怕得改改思路把头埋下去。

除了一部分流向地下水，这多余的化肥还会被雨水冲到河沟里去 。这河沟里的水蜿蜿蜒蜒，汇到一起进到大一点的河，然后可能会进入湖泊，例如太湖。这些年一直困扰周边地区（尤其是无锡）的太湖水华现象一直得不到明显的改观，居民的饮水问题一度受到严重影响。就在最近（2016年5月）还有一篇报道“太湖蓝藻水华暴发程度超过往年，今夏蓝藻暴发可能性较高”。

（2009年的一张太湖的老照片，新闻来源）

相对于和内陆民众切身相关的河流湖泊，顺流而下的多余的化肥在海里怎么“兴风作浪”很多人就不怎么关心了，毕竟我们有“眼不见为净” 的老话，这在西方也有同样的“out of sight, out of mind”的说法。 毕竟河里和湖里泛舟讲的是浪漫，而在海里可就不是泛舟了，很多人到了海上胃里是会泛酸水的，如果不是最后变成苦水吐出胃壁黏膜的话，更何况很多河流和湖泊都是周边地区的饮用水源，正所谓“靠山吃山，靠水吃水”。

化肥在陆地上会促进大型作物生长，到水里同样会促进水生植物生长，在淡水环境下包括河水和湖水里的微型藻类（就是呈现出青山绿水的那个绿色的物质，肉眼很难看见那一个个小的藻类细胞），而往往这些生物会在合适的条件下快速地爆发性生长，由于很高的细胞密度，微型藻往往会把生活在水底的水草活活“闷”死，因为阳光会被这些漂浮的藻类细胞挡得严严实实而达不到水底，就跟一颗长成的大树底下很难再长一棵大树一样。

农田里多余的化肥最终会被河流冲到海里，一样会造成近岸的藻类爆发。作为同是植物的海洋微型藻类，同样需要水、阳光和肥料。这里水和阳光自然不用提，而这肥料在大部分没受到陆地污染的海域都不足以支撑海洋微藻的高速过度繁殖，除了在特定的海域之外（例如东太平洋美洲旁边的上升流，例如这上升流支持的秘鲁渔场）。

这里首先需要说明的是河流带下来的化肥不能单纯说是有害的，有限程度的陆地带下来的化肥，包括没有化肥之前的河流冲下来的有机物质，例如生活废水－包括粪尿、死亡的有机体－包括前些年长江上漂着的死猪，都会被细菌分解产生无机营养盐，然后这些无机营养盐会促进微藻生长，这些微藻会被浮游动物吃掉，然后浮游动物会被小鱼小虾吃掉，而这些小鱼小虾又会被大鱼吃掉，而人最后又会打鱼捕虾（如果不被鲨鱼吃掉的话），构成一条所谓的“食物链”。从物质循环的角度看捕食者（我们）最终吃掉的是排泄物甚至是别的生物的遗体，这听起来当然有点恶心，不过在大自然的作用下，排泄物转化的无机物质在生物固定太阳能的过程中最终可以转化为新的有机体－食物，如此循环往复，绵绵不休。《阿甘正传》里主人公在阿拉巴马州的Bayou la Batre捕虾，这虾的栖息地就代表了一种典型的陆地－海洋物质循环的例子。

然而，孔老师两千多年前就说过“过犹不及”－我们的生态系统有自我调节的功能，但是这种调节功能不是无限的，这过多的河流带下来的化肥造成的影响就是一个系统调节失灵的典范。退一步讲一下，如果把半杯盐水倒到半杯淡水里，如果小心贴着杯壁慢慢倒的话，你会发现这两种水会分层，盐水在下面，淡水在上面（如果这两种水加了不同的染料的话会看得更清楚），当然你要是摇一摇这一杯水会最终变成一个均一的水溶液。而这分层的原因是淡水的密度比盐水小，所以会“浮”在盐水上。同样，河流的含盐量很低甚至可以忽略不计，而一般近岸的海水含盐量大多在3%以上，所以百川到东海，河水是会在海面上“漂”一阵子的，比那子弹飞的时间可长多了。这后面一句话尽管听起来很酷，但却没什么道理。国产的影视剧强调的大多是杀人的畅快淋漓和赢家的赢者通吃（敌人怎么愚蠢自不用提），而对夺人生命的残酷，尤其是大规模战争的反人类本质却似乎很少考虑，不过这是题外话。

这样，河流的带下来的过量化肥一是造成水面大面积水华的产生，二者这层淡水的盖子扣在海水上方，形成了一层保护，阻止下面的海水接触空气。所以不断繁殖的微藻会有的死亡、部分微藻还会被浮游动物吃掉，这产生的浮游动物的粪便和死亡的藻类细胞会穿过海水层沉到并不深的海底（河口的近海大多水深在几十米以内）。前面说到食物链，也提到了细菌。就像普通生物学教材说的那样－生物圈包括生产者（植物），消费者（各级动物）和分解者。陆地上的分解者有细菌和真菌，会把大的生物体转化为无机物消耗掉，当然人类也吃大型的真菌，例如蘑菇。而在海里，绝大部分分解者都是细菌。

在这浅海环境中首先参与分解海表面落下来的这些有机物的细菌是一类“好氧菌”，即它们需要有氧气存在下才能工作。顺便说一下，平时我们吃的臭豆腐、酸奶、做馒头用的发面以及贪杯的朋友喝的酒都是一类“厌氧菌”（酵母菌）做出来的，它们分解有机质的微环境绝对不能有氧，否则它们会不好好工作。今天刚看了个肉毒杆菌污染的臭豆腐中毒的新闻，那也是一种厌氧菌，不过对于起作用的酵母菌来讲它是杂菌，是个食品卫生问题，纯粹是那家人的不幸。

海水和空气不一样，后者（在人类的生活尺度上）简直是取之不尽用之不竭，每升（一升等于1000毫升）空气有近210毫升的氧气。反过来海水只能容纳很少量的氧气。比如在20摄氏度情况下，一升含盐量3.5%的海水只能溶解5.4毫升（或者7.2毫克）的氧气，也就是千分之五的海水体积。这样被淡水的盖子遮挡住的海水在那么多有机质和好氧菌存在的情况下，很快溶解的氧气就会被消耗殆尽。而在这海底不光有细菌，还有其它很多形形色色的生物，如果没了氧气，鱼类还好，可以游到附近氧浓度不那么低的地区，但是游得慢的活着干脆不会游的动物（例如贝类和各种各样大大小小的虫子，也是食物链的重要组成部分）可就惨了，而且都不必等到溶解氧完全消耗掉，即使到了大约30%的饱和浓度，即在一升水溶解大约1.5毫升（或者2毫克）氧气的的情况下很多在海底生活生物都会死亡。这个2毫克每升是个经验概念，低于这个数值的海水被叫做缺氧（hypoxic）海水。想想我们人类在雷雨要来之前仅仅因为百分之一都不到的低压下还觉得呼吸不畅呢，换到低氧区的海洋生物，一下子降低70%或者更多人家怎么过？这也是为什么这类缺氧海域被叫做“死亡区”的原因，和沉船什么的没有任何关系。

由于陆地上大量化肥向海洋的“泄漏”，近岸海洋的低氧症状日趋严重。2008年《科学》杂志专门有一篇文章讲这个问题（Diaz and Rosenberg, 科学杂志, 321卷，926-929页）。

这张地图中米国和西欧的沿岸缺氧系统（以圆点表示）星罗棋布，而在中国海域倒只有少少的几个点。这个并不能说明中国的近海这个问题很小，恰恰相反，很可能是问题存在但人们并不知道，毕竟在海面上肉眼是看不出来海水下面的氧含量。当年对这个报道国内科学界也把这个当成一条重大新闻来报，笔者又查了一下科学网看到2008年海洋局二所有呼吁加强环境监测，希望近年有了不少进展。

在米国乃至全世界最有名的缺氧区在位于北墨西哥湾路易斯安那州和得克萨斯州的近岸地区。自1985年开始以路易斯安那大学海洋研究中心的NancyRabalais为首的研究人员进行了31年不间断的重复监测，前些年的一项结果也表明在1978-2004年间缺氧区的面积和密西西比河的氮排放 （主要是硝酸盐和氨）直接相关（82％相关度）。过去的几年墨西哥湾缺氧区的面积大约在15000平方公里左右。而仅以长江为例，据今年年初华东师大的一项研究结果表明， 长江的氮输出量在1980-2012年 增加了两倍多，这其中有一半的贡献是农业用化肥引起的，长江口外东海大陆架上的缺氧现象这几年也有所报道。

当代农业的主要目的就是高产，化肥也是大规模生产所必须的。在米国密西西比河谷各州有相当一部分化肥用在了玉米田里，而这些玉米又有大约一半被拿去发酵做了乙醇（酒精）加到汽油里。2007年的《能源自主法案》规定至2015年需要每年生产150亿加仑（约567亿升，或者4470万吨）的乙醇用作车辆燃料。而据可再生能源协会（ethanolrfa.org）的统计，2015年米国实际产量乙醇是148.06亿加仑，目标显然完成的不错。顺便说一句，中国在2015年也有8.13亿加仑（或者242万吨）的乙醇产量，只是不知道多少用来做酒了。总之，目前米国市售的汽油大约含最高10%的玉米乙醇。虽然从热值的角度来讲同样体积的乙醇显然远远比不上同样体积的汽油（简单的说就是车加了乙醇跑得不如加同等体积的汽油远），但利益集团的游说却可以让政府通过法案让这种汽油在市场上大行其道，让人不得不感叹资本家或金钱的的神通广大。不过这个行业的利益显然是建立在牺牲墨西哥湾沿岸路易斯安那渔民利益的基础上的，因为近几十年来河水中升高的氮肥几乎都可以归结为上游的农业生产，而每年夏天必然出现的缺氧会把很多鱼群赶得远远的。

在中国，在农业中广泛使用化肥是养活人口的最重要保证，1949年来化肥的用量和粮食产量绝对正相关，在人口增加近翻两番的情况下还保证了没有人饿肚子。但是人吃饱了肚子后就得考虑为被破坏的环境做些什么。如何控制控制农田中过多的化肥？除了负责任地使用化肥外，在农田边缘修建缓冲区（例如人工湿地）作为消化过多化肥的手段在密西西比河和其他河流两岸都已陆续出现，希望在中国这一类生态修复也能早日普及。

在几年前的一个会议上，Rabalais在作报告的时候把一个马桶的图片叠加到密西西比河流域上面，马桶的出口正是密西西比河口，引得哄堂大笑。不过笑过之后，想想也是这个道理，我们的河流已经承受了这么多不该承受的东西，而接下来海洋又不可避免成为容纳人类“恶行”的最终载体。如果说河流创造了文明的起源，那么海洋应该成为这文明发扬光大的渠道，而不是变成全人类的下水道。对于中国来讲，本来过度捕捞就已经造成了近岸渔业的崩溃，所以渔民不得不经常去邻国的经济海域捕鱼，这些年渔业纠纷也时有报道，现在再加上这些陆地上引入的灾难性后果－不光化肥，还有其他工业废水的污染，如果不尽快采取措施治理的话，将来后代面临的恐怕是近海的“沙漠”。

2016年7月28日补记

刚和一位搞水处理的同行讨论了一下，发现我漏掉了强调污水的问题。前面提到的化肥的河流输送对于大江大河是很重要的，中国的长江口和珠江口都有或多或少的问题。而对于小河沟或者季节性河流来讲，城市和乡村的生活污水对促进局域的水体缺氧也同样不可忽视，毕竟在细菌面前，有机质就是有机质，不管是一头死猪还是一泡粪便，最终的分解总会产生无机营养物质并促进微藻的生长。如果遇上合适的环境条件，例如天热无风的情况，缺氧在这种“营养过剩”的水体的底下实在难以避免。要消除这一影响，加强废水处理的手段和工艺恐怕是唯一的选择，只是这就需要全社会的共同关注－只扫门前雪显然是不够的，毕竟沿着一条长长的海岸线，一家打扫干净了但是其他家都不管，最后的结果还是个零和。

后记

本文写于本该在死亡区海域工作的时间，不过由于海洋与大气管理局（NOAA）的官僚们去年做了个决定，非让Rabalais的研究组用NOAA自己的远在南卡罗来纳州的一条船不可，而往年她们都用的是路易斯安那大学海洋中心的“鱼鹰”号。结果那条NOAA的船可能在绕过佛罗里达半岛穿越墨西哥湾流的时候发动机出了故障，修理又一拖再拖，Rabalais最后只能忍痛取消这次调查。如果成行，这是第32年Rabalais和她丈夫－路易斯安那州立大学的Gene Turner一起出海考察。而即使是31年的纪录在海洋研究史上恐怕是绝无仅有的。所以今年用密西西比河的氮排放推算的缺氧区面积恐怕只能停留在一个数字上了，实在可惜。

————————————————————————————

作者：胡新平（科学网博客）

链接:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1181269&do=blog&id=993172