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死區現象揭秘：為何密西西比河的氮濃度讓海洋生物面臨危機？
密西西比河的污染問題正日益加劇，直接影響了生活在水中的生物，以及依賴此河流進行食物和消遣活動的人群。造成污染的主要因素之一便是化學廢物及農業徑流所導致的硝酸鹽（NO−3）超標。該水域覆蓋了美國48個州中的約40%，而在這片區域內，10個主要的農產品生產州中有7個均位於此地。
氮循環的影響
在環境中，氮會經歷氮循環，這使得氮轉化為不同的形式，包括氮氣（N2）、硝酸鹽（NO3−）以及氨（NH3）。這一過程涉及固定化、脫氨、硝化和反硝化等不同步驟。氮對環境的影響並不僅僅取決於其在氮循環過程中的形式，而是各種形式的氮的整體濃度。
當某些形式的氮過量時，環境負面影響便會隨之而來。美國環保署規定，飲用水和地表水中硝酸鹽的最大濃度為10毫克/升。一旦硝酸鹽過量，就可能造成所謂的「死區」。這類區域內氧氣濃度低，會導致水中生物的窒息死亡。在密西西比河口，這樣的死區便表現得尤為明顯。
根據NOAA的預測，2016年海灣的死區將達到約5898平方英里，硝酸鹽流量達到14.6萬公噸。
自20世紀初以來，硝酸鹽濃度顯著上升，漲幅達2到5倍。而其中，超過52%的氮濃度來自於大豆和玉米的生產。
硝酸鹽濃度的測量方法
為了有效監測硝酸鹽濃度的變化和影響，需要準確的濃度量測。使用「基於時間、流量及季節的加權回歸」（WRTDS）方法來估算濃度，這一方法的公式如下：
ln(c) = β0 + β1*t + β2*ln(Q) + β3*sin(2πt) + β4*cos(2πt) + ε
其中，c為硝酸鹽濃度，β0、β1、β2、β3及β4則為擬合係數，t為時間，Q為日均流量，ε為來自其他源的意外變異性。
這一校準曲線每日生成並與前一天的曲線進行比較，但因水流量的日變化，這一過程會受到影響。
趨勢分析
密西西比河流域的土地使用模式顯著減少了土壤中可用氮的量，並大部分存在於硝酸鹽的形式。這些硝酸鹽透過農業措施如使用排水系統滲透進入地下水，最終流入地表水。某些地區的硝酸鹽濃度已接近飲用水的法定上限，EPA也已宣告該河中的魚類不適合食用。
研究從1980年到2010年的數據顯示，密西西比河在老河流出口通道上游進行的觀測，硝酸鹽濃度保持穩定，但良過2000至2010年期間卻上升了12%。
這些氮的來源仍然不明，而有些區域的硝酸鹽濃度上升而其他區域卻下降的原因尚未解開。然而，研究顯示，秋冬季的濃度普遍高於春夏季。這一整體上升的趨勢，使得科學家們認為密西西比河口的死區正在擴大。
持續的解決方案
一種可能降低硝酸鹽濃度的辦法是重建相關的生態環境。草類與作物緩衝區、森林緩衝區都被證明能有效減少過量硝酸鹽的積累。植物取走的氮可以減少水中硝酸鹽的濃度，但迅速消失的濕地卻是其自然屏障。
為了減少至少40％的硝酸鹽濃度，需要重建22,000平方公里的濕地，這個任務的實現極為艱難，因為未來的需求是過去10年濕地復育總量的65倍。
改變農業實踐也可以成為解決硝酸鹽問題的途徑。比如，采用條帶耕作與冬季覆土作物的方式可以有效減少硝酸鹽的滲漏。
面對越來越惡化的水質問題，人類該如何重新平衡我們的農業實踐與環境保護呢？
