動物排泄物流入水體釀藻華與死水區！全球多地爆環境災難

動物排泄物中的氮與磷進入水體後，造成水體富營養化、藻華與缺氧死水區，嚴重破壞水生生態系，並衝擊漁業與人類健康。各國正推動廢水處理與農業管理以因應。

水體富營養化、藻華和死水區等環境問題日益受到重視。這些問題的產生與水體中過量的營養鹽，特別是氮和磷的含量密切相關。動物排泄物作為這些營養鹽的重要來源之一，其進入水體後對水生生態系統造成了顯著的負面影響。本報告旨在深入探討動物排泄物中的氮、磷等營養鹽如何導致水體富營養化，進一步引發藻華和死水區等問題，並分析其生態和環境影響，以及現有的控制和預防方法。

2.1 優養化的定義

優養化是指水體因過量營養鹽（主要是磷和氮）的富集而導致生產力過度增加的現象1。美國地質調查局（USGS）將其定義為水體接收過量營養負荷，特別是磷和氮時發生的過程，這通常導致藻類過度生長，進而消耗水中的氧氣，造成魚類等水生動物死亡1。歐洲環境署（EEA）則指出，優養化是一種污染過程，當湖泊或河流富含植物營養鹽時發生，導致藻類和其他水生植物過度生長，死亡分解時消耗氧氣，使水體變得缺乏生命力5。值得注意的是，優養化並非單純的湖泊老化過程，雖然湖泊在自然條件下會隨著時間推移逐漸富營養化，但人類活動顯著加速了這一進程，稱為文化性優養化6。富營養化的結果往往是形成有害藻華、死水區和魚類死亡等生態問題8。優養化不僅影響淡水系統，也對海洋生態系統造成威脅4。

2.2 優養化的形成機制

優養化的形成是一個複雜的過程，主要由過量的營養鹽輸入驅動。這些營養鹽的來源既有自然因素，如岩石風化、大氣沉降和自然侵蝕等3，但更主要的驅動力是人類活動產生的過量營養鹽，包括農業徑流、污水排放、工業活動和城市化進程等3。當水體中氮和磷等營養鹽含量過高時，會像肥料一樣促進藻類和水生植物的快速生長，形成所謂的藻華3。這些藻華在水面形成密集的覆蓋層，阻礙陽光穿透到較深的水層，進而影響水下植物的光合作用3。當藻類和植物死亡並開始分解時，細菌會分解這些有機物質，在此過程中消耗水中的溶解氧3。氧氣的過度消耗導致水體中氧氣含量下降，形成缺氧（低氧）或無氧的狀態，對魚類和其他依賴氧氣生存的生物造成危害，甚至導致死亡3。此外，農業生產中使用的化學肥料和動物排泄物是導致文化性優養化的主要原因5。在淡水生態系統中，磷通常是限制植物生長的關鍵營養素，而在海洋生態系統中，氮則更為重要7。

2.3 優養化對水生生態系統的影響

優養化對水生生態系統產生廣泛而深遠的負面影響。最直接的後果是形成有害藻華、死水區和導致魚類大量死亡1。過度生長的藻類會阻擋陽光，導致水下植被因光照不足而死亡2。水生生物群落的物種組成和生物量也會發生改變，通常導致物種多樣性降低，一些耐低氧的生物（如水母）數量增加2。在海洋生態系統中，優養化還會損害珊瑚礁，因為高營養鹽水平更有利於藻類生長，抑制珊瑚幼蟲的附著和生長2。此外，由於過量藻類和植物物質的分解產生大量二氧化碳，導致海水pH值下降，即海洋酸化，這會減緩魚類和貝類生長，並阻止貝類形成外殼8。優養化還會對漁業、旅遊業和娛樂業造成經濟損失2。更嚴重的是，某些藻類可能會產生毒素，對人類健康和水生生物構成威脅2。優養化還會擾亂水生食物網和生態系統服務2。

3.1 藻華的定義

藻華是指淡水或海洋水體中藻類種群的快速增加或累積14。藻華通常可以通過水體因藻類色素而發生的顏色變化來識別15。藻類的種類繁多，包括大型多細胞生物如海藻，以及微觀單細胞生物如藍藻（也稱為藍綠藻）。藻華通常指的是微觀單細胞藻類的快速生長，而非大型海藻的爆發性增長15。藻華的發生頻率、持續時間和強度會因營養鹽污染而增加14。值得注意的是，藻華的定義在不同的科學領域有所不同，範圍從無害的微小藻類繁殖到大型有害的藻類爆發事件不等15。

3.2 常見藻類種類（特別是會產生有害物質的種類 – 有害藻華，HABs）

藻華可能由多種藻類引起，但最常見且對人類和動物健康構成威脅的是有害藻華（HABs）。以下是幾種常見的HABs藻類：

• 藍藻（Cyanobacteria）： 又稱藍綠藻，是淡水中最常見的HABs原因。它們是能進行光合作用的細菌，可以產生多種毒素，如微囊藻毒素、柱胞藻毒素、魚腥藻毒素和石房蛤毒素等14。藍藻在營養豐富、水溫高、光照充足和水流緩慢的靜水中更容易爆發14。
• 甲藻（Dinoflagellates）： 是海洋中最常見的HABs原因之一，也是引起赤潮的主要藻類。某些甲藻能產生多種毒素，如麻痺性貝毒素、神經毒性貝毒素、腹瀉性貝毒素和西加毒素等，對海洋生物和人類健康構成威脅14。
• 矽藻（Diatoms）： 也是海洋中常見的浮游植物，某些種類如擬菱形藻能產生軟骨藻酸，對海洋生物和人類健康有害18。

以下表格總結了一些常見的有害藻華種類、其產生的毒素以及對人類和野生動物的影響22。

藻類名稱	毒素/生物活性化合物	人類健康影響/症狀	對野生動物和/或家畜的影響	生態系統破壞性影響	經濟影響	美國受影響地區
Akashiwo sanguineum	表面活性劑	疑似呼吸道刺激物	候鳥死亡，包括受保護物種	水體變色；泡沫形成	受保護鳥類物種的復健	太平洋沿岸
Alexandrium; Gymnodinium; Pyrodinium bahamense	石房蛤毒素	呼吸麻痺，死亡（麻痺性貝類中毒，PSP）	海洋哺乳動物死亡		貝類捕撈收入損失；休閒捕撈引起人類疾病；佛羅里達州休閒河豚捕撈關閉	太平洋沿岸，包括阿拉斯加；東北大西洋沿岸；佛羅里達州
Anabaena, Aphanizomenon, and Nostoc sp.	魚腥藻毒素，石房蛤毒素	神經毒素，呼吸麻痺	家畜、犬、水禽和魚類疾病或死亡	對魚類和水禽的影響		淡水系統廣泛分佈；五大湖區
Aureococcus anophagefferens — 長島棕潮	未表徵：細胞外多醣（EPS）；可能還有其他未表徵的化合物			水體變色；海草和貝類大量死亡；缺氧區	貝類捕撈收入損失；干擾恢復	中大西洋沿岸
Cylindrospermopsis	柱胞藻毒素，石房蛤毒素	肝毒素，腎損傷，神經毒素	犬、魚類死亡，鳥類疾病	對魚類和水禽的影響	家畜和寵物損失	淡水系統
Karenia	短桿藻毒素	神經毒性；胃腸道和感覺效應（神經毒性貝類中毒，NSP），呼吸道效應	魚類死亡；海牛、海豚、海龜和鳥類死亡	水體變色	旅遊收入損失；海灘死魚清理，貝類捕撈關閉，呼吸道和胃腸道疾病急診就診增加	墨西哥灣和延伸至德拉瓦州的大西洋沿岸
Lyngbya	藍藻毒素，海兔毒素，去溴海兔毒素	皮膚炎，胃腸道炎症毒素	家畜死亡（馬），可能導致海龜纖維乳頭瘤病		可能影響旅遊業（海灘遊客）	海洋和淡水系統的底棲墊
Microcystis	微囊藻毒素	肝毒素，可能損害腎臟和生殖系統，具致癌潛力	家畜、犬和魚類疾病和死亡	對魚類和水禽的影響		淡水系統
Pseudo-nitzschia	軟骨藻酸	胃腸道和中樞神經系統效應（失憶性貝類中毒，ASP）	魚類和貝類大量死亡，海鳥和海洋哺乳動物死亡

3.3 藻華的形成原因

藻華的形成需要多種環境條件的共同作用，其中最關鍵的因素是過量的營養鹽，特別是氮和磷14。這些營養鹽通常來自農業肥料、廢水排放和城市雨水徑流等14。除了營養鹽外，溫暖的水溫也是藻華發生的重要條件，因為大多數藻類在較高的水溫下生長更快14。充足的陽光為藻類的光合作用提供了能量，也是藻華形成的必要條件14。此外，水流緩慢或靜止的水體也更有利於藻華的形成，因為藻類可以聚集在水面，獲得更多的陽光和營養14。穩定的水體條件和較少的水體混合也有利於藻華的發展23。氣候變化，如氣溫升高和降水模式的改變，也可能加劇有害藻華的發生16。在海洋環境中，營養豐富的深層海水上湧也可能引發藻華15。總之，藻華的形成是多種因素綜合作用的結果，其中營養鹽過剩是核心驅動因素，而水溫、光照和水體條件等環境因素則起著重要的調節作用。

4.1 死水區的定義

死水區，更常稱為缺氧區，是指水體中溶解氧含量極低的區域，以至於大多數水生生物無法生存25。當溶解氧濃度降至每升2毫升以下時，即被定義為缺氧31。這些區域通常被稱為“死水區”，因為大多數海洋生物會死亡，或者如果它們是魚類等可移動生物，則會離開該區域28。缺氧區可能自然發生，但科學家們更關心由人類活動造成或加劇的區域28。缺氧是富營養化的常見後果25。

4.2 死水區的形成過程

死水區的形成主要是由於過量的營養鹽（主要是氮和磷）進入水體，通常來自農業徑流和廢水排放等25。這些過量的營養鹽會刺激藻類大量生長，形成藻華25。當這些藻類死亡並沉到水底後，會被細菌分解25。細菌在分解有機物的過程中會消耗水中的溶解氧25。此外，水體的分層現象（由於溫度或鹽度的差異）會限制表層富氧水與底層缺氧水的混合，進一步加劇底層水域的缺氧狀況29。在某些淡水湖泊中，入侵物種如斑馬貝和 Quagga 貝也可能通過改變營養循環而促成死水區的形成33。

4.3 死水區對海洋和淡水生態系統的影響

死水區對海洋和淡水生態系統產生嚴重的負面影響。最直接的影響是導致大多數海洋生物（如魚類、貝類和螃蟹）死亡或被迫遷徙25。這導致生物多樣性喪失和棲息地退化25，並擾亂食物網和生態系統服務31。死水區還會對漁業和旅遊業造成經濟損失25。倖存的生物可能會面臨壓力增加和疾病風險36。一些耐低氧的物種，如水母和某些魷魚，可能會在死水區內數量增加31。更令人擔憂的是，低氧沉積物可能會釋放出更多的溫室氣體，如一氧化二氮和甲烷34。死水區的影響不僅限於海洋生態系統，淡水生態系統中的湖泊和河流也會受到類似的影響25。

5.1 動物排泄物中氮和磷的含量

動物排泄物富含多種植物生長所需的營養物質，包括氮（N）和磷（P）42。大約70-80%的飼料氮和60-85%的飼料磷會隨動物排泄物排出42。然而，動物排泄物中氮和磷的具體含量因動物種類、飼料配方、墊料用量、水分含量和處理方法等多種因素而異43。例如，家禽糞便通常含有較高的氮和磷50，而牛糞也含有顯著量的這兩種營養鹽56。因此，為了準確評估動物排泄物的肥力價值和潛在的污染風險，對其營養成分進行具體分析至關重要。

以下表格總結了一些常見動物排泄物中氮、磷和鉀的平均含量43。

動物種類	氮 (N) (磅/噸或百分比)	磷酸鹽 (P₂O₅) (磅/噸或百分比)	氧化鉀 (K₂O) (磅/噸或百分比)
肉牛育肥場	14.2 磅/噸 (0.7%)	12.8 磅/噸 (0.6%)	17.8 磅/噸 (0.9%)
奶牛	11.2 磅/噸 (0.6%)	4.6 磅/噸 (0.2%)	12.0 磅/噸 (0.6%)
豬	10.0 磅/噸 (0.5%)	6.4 磅/噸 (0.3%)	9.2 磅/噸 (0.5%)
馬	13.8 磅/噸 (0.7%)	4.6 磅/噸 (0.2%)	14.4 磅/噸 (0.7%)
羊	28.0 磅/噸 (1.4%)	9.6 磅/噸 (0.5%)	24.0 磅/噸 (1.2%)
家禽（無墊料）	31.2 磅/噸 (1.6%)	18.4 磅/噸 (0.9%)	8.4 磅/噸 (0.4%)
鴨	1.1%	1.5%	0.5%
鵝	1.1%	0.6%	0.5%
火雞	1.3%	0.7%	0.5%
兔子	2.0%	1.3%	1.2%

5.2 動物排泄物中氮和磷的形態與有效性

動物排泄物中的氮以有機態（緩釋）和無機態（主要是銨，易於被植物利用但易揮發）兩種形式存在43。無機態氮（銨）如果不被及時混入土壤，很容易通過揮發作用損失到大氣中43。磷在動物排泄物中也以無機態（正磷酸鹽，易於被植物利用）和有機態兩種形式存在43。有機態磷需要經過礦化作用才能被植物吸收利用43。動物排泄物中氮的有效性是一個複雜的問題，取決於動物種類、儲存方式、施用方法和天氣條件等多種因素43。通常，施用後第一年並非所有氮都能被植物有效利用43。相比之下，動物排泄物中磷的有效性通常較高（80-100%），與商業肥料相當43。值得注意的是，動物排泄物中氮磷比例通常與作物需求不匹配，這可能導致過量施用磷，增加水體污染的風險43。

6.1 動物排泄物營養鹽進入水體的來源

動物排泄物中的營養鹽通過多種途徑進入水體。最主要的來源是農業徑流，雨水或灌溉水流過農田時，會將地表的肥料和動物糞便中的營養鹽帶入附近的河流、湖泊和海洋36。畜牧業廢水排放也是重要的來源，集約化畜牧場（CAFOs）和屠宰場產生的廢水含有高濃度的營養鹽，如果未經妥善處理直接排放到水體中，會造成嚴重污染66。水產養殖也會產生大量廢棄物（未食用的飼料和魚類排泄物），這些廢棄物直接釋放到水體中，導致營養鹽污染71。此外，動物糞便中的氨會揮發到大氣中，然後通過大氣沉降的方式進入水體62。牲畜直接進入河流、湖泊等水體也會直接將糞便中的營養鹽帶入水中36。施用於土地的動物糞便中的營養鹽也可能通過滲漏的方式進入地下水63。城市地區的雨水徑流也可能將寵物糞便等動物排泄物中的營養鹽帶入水體80。

6.2 動物排泄物營養鹽的傳輸機制

動物排泄物中的營養鹽主要通過地表徑流和地下滲漏兩種機制傳輸到水體中。地表徑流是指降雨或灌溉過程中，地表水流動時將溶解的營養鹽和附著在土壤顆粒上的營養鹽（特別是磷）攜帶到附近的河流、湖泊和海洋60。地下滲漏是指溶解的營養鹽（特別是流動性較強的硝酸鹽）隨水分滲入土壤，最終進入地下水，並可能通過地下水流動進入地表水體63。土壤侵蝕也是營養鹽傳輸的重要方式，特別是對於與土壤顆粒緊密結合的磷來說，侵蝕作用會將富含磷的土壤顆粒帶入水體60。直接排放的廢水則直接將營養鹽輸送到水體中68。此外，大氣沉降的氨也會溶解在水中，成為水體中的氮源76。

7.1 墨西哥灣死水區（美國）

墨西哥灣的死水區是美國最大的缺氧區域之一，其形成主要歸因於密西西比河流域的營養鹽污染，其中大部分來自中西部農場的農業徑流8。過量的氮和磷導致藻類大量繁殖，死亡分解後消耗水中的氧氣，形成巨大的缺氧區域83。這對海灣的漁業和海洋生物造成了嚴重影響83。死水區的面積可達新澤西州的大小83。

7.2 切薩皮克灣（美國）

切薩皮克灣也存在顯著的死水區問題，其形成是由於過量的氮和磷污染，這些污染來自農業（包括動物糞便和化學肥料）、城市徑流和廢水排放等多個方面36。營養鹽過剩導致藻類大量繁殖，進而消耗水中的氧氣，對水生生物造成危害36。這也影響了該地區的漁業和娛樂業36。不過，長期趨勢顯示，由於管理措施的實施，切薩皮克灣的死水區面積正在縮小36。

7.3 波羅的海（歐洲）

波羅的海是世界上最大的死水區之一，其問題的加劇與來自農業和其他人類活動的營養鹽污染（主要是硝酸鹽和磷酸鹽）密切相關88。此外，過度捕撈鱈魚也加劇了這個問題，因為鱈魚是鯡魚的捕食者，而鯡魚以浮游動物為食，浮游動物則以藻類為食，鱈魚數量減少導致鯡魚數量增加，進而導致藻類數量增加，加劇了氧氣消耗88。藻華也進一步導致了氧氣的消耗88。

7.4 懷伊河（英國）

2020年，英國的懷伊河發生了大規模的藻華，研究表明這與附近不斷擴大的家禽養殖場排放的大量磷有關90。動物排泄物中過量的營養鹽導致了水體富營養化90，對當地的生物多樣性構成了威脅90。這個案例表明，集約化的畜牧業，特別是家禽養殖業，可能會對淡水生態系統造成顯著的營養鹽污染。

7.5 長島海灣（美國）

長島海灣因過量營養鹽輸入導致的富營養化，給商業貝類漁業造成了巨大的經濟損失8。預計如果不採取干預措施，到2030年海灣可能會失去所有的海草床，並且三分之二的海灣可能缺乏足夠的氧氣供魚類生存8。然而，研究表明，牡蠣養殖可以有效地減少海灣中的營養鹽8。

7.6 上亞哈拉流域，威斯康星州（美國）

一項研究量化了威斯康星州上亞哈拉流域因牲畜廢物中磷徑流到門多塔湖而造成的經濟損失91。過量的磷導致有害藻華，進而影響房地產價值、休閒活動，並需要清理費用91。研究估計，每多流失一公斤磷，就會造成74.5美元的經濟損失91。

8.1 廢物管理系統

控制和預防動物排泄物造成的水體營養鹽污染的關鍵在於實施有效的廢物管理系統。這包括適當的收集、儲存和處理動物糞便和廢水69。厭氧消化是一種可持續的方法，可以將動物糞便轉化為沼氣（一種可再生能源）和富含營養的堆肥94。堆肥化是另一種有效的方法，可以回收營養物質並減少廢物量81。對於液體廢物，可以使用儲存和處理池系統69。更先進的技術，如分離和顆粒化技術，可用於從動物廢物中回收營養物質91。基於微藻的技術也正在被研究用於從牲畜廢水中回收營養物質96。

8.2 緩衝帶

沿著水道設置植被緩衝帶是一種重要的最佳管理實踐（BMP），可以攔截徑流中的污染物81。緩衝帶可以有效減少沉積物、營養鹽、農藥和病原體進入水體97。它們還有助於穩定河岸並提供野生動物棲息地97。河岸緩衝帶應限制化學和有機肥料以及農藥的使用98。美國農業部（USDA）也針對有機農場制定了緩衝帶指南，以防止禁用物質的污染101。

8.3 最佳管理實踐（BMPs）

除了廢物管理系統和緩衝帶外，還有許多其他的最佳管理實踐（BMPs）可以減少動物排泄物造成的營養鹽污染。這些措施包括將清潔的徑流引導遠離動物圈養區102、減少廢水排放到地表水體102、最大限度地減少糞便向地表水體的運輸（通過適當的堆放、儲存和頻繁收集）102、保護地下水（通過適當的設施選址和在水井周圍設置緩衝區）102、採取措施防止糞便病原體的移動（如延長儲存時間、堆肥和適當的土地施用）103、實施營養管理計劃（在正確的時間、以正確的速率和正確的地點施用營養物質）104、採用保護性耕作以減少土壤侵蝕104、管理牲畜進入溪流的機會104。在水產養殖方面，可以通過改善飼料配方和餵食效率來減少營養鹽的排放71，並使用循環水產養殖系統（RAS）和生物過濾技術106。

8.4 廢水處理技術

對於牲畜和水產養殖產生的廢水，可以使用多種技術進行處理以去除營養鹽和其他污染物。這些技術包括物理、化學和生物處理方法107，如沉澱、過濾和生物反應器。膜技術（如膜生物反應器和強化生物除磷）也可用於去除廢水中的顆粒物和營養鹽107。好氧和厭氧活性污泥系統可用於處理廢水中的有機物和氮95。臭氧處理可用於降低廢水中的化學需氧量（COD）108。此外，還有專門用於從糞便中回收水和濃縮營養物質的技術109。

本報告詳細探討了動物排泄物中的氮和磷等營養鹽進入水體後，如何引發優養化、藻華和死水區等問題。這些問題對水生生態系統產生了廣泛而嚴重的影響，包括生物多樣性喪失、棲息地退化、食物網破壞以及對漁業和旅遊業的經濟影響。動物排泄物作為重要的營養鹽來源，其通過農業徑流、廢水排放等多種途徑進入水體。全球範圍內的多個案例研究，如墨西哥灣、切薩皮克灣和波羅的海的死水區，以及懷伊河的藻華事件，都清晰地展示了動物排泄物營養鹽污染的嚴重性。

應對這一挑戰需要採取綜合性的管理策略，結合廢物管理系統、緩衝帶、最佳管理實踐和先進的廢水處理技術。通過改進廢物收集、儲存和處理方法，可以有效減少營養鹽的排放。緩衝帶作為一種自然屏障，可以攔截徑流中的污染物。最佳管理實踐涵蓋了農業生產和水產養殖的各個方面，旨在最大限度地減少營養鹽的流失。同時，針對廢水開發和應用更高效的處理技術，可以進一步降低排放到水體中的污染物含量。

保護水生生態系統免受動物排泄物營養鹽污染的威脅，需要持續的研究、政策制定和各利益相關者的共同努力。只有通過綜合性的方法，才能有效地管理和減少營養鹽污染，保護我們珍貴的水生環境。

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