农业污染

在纽西兰Wairarapa，由当地酪农业造成的水污染（摄于2003年）。
农业污染（Agricultural pollution）是指因从事农业活动而产生的biotic material和非生物因子副产品，而导致环境和周围生态系统遭到污染或是退化，对人类及其经济利益造成伤害。污染来源有多种，从点源污染（来自单个排放点）到较为分散，大片面积的污染（称为Nonpoint source pollution和空气污染）。一旦污染物进入环境，就会直接影响到其周围的生态系统，例如导致当地野生动物死亡或是把饮用水污染，以及在农业径流下游的大型水体中造成Dead zone (ecology)。
对于农业污染物进行管理，或是疏于管理，会对其规模和影响发生关键作用。涉入的管理技术包含广泛，从动物管理和圈养，到农药和肥料的施用方式等。不良管理做法包括管理不完善的动物喂养、放牧、耕作、施肥，以及不恰当、过度或不合时宜地施用农药。
农业污染物会进入湖泊、河流、湿地、河口和地下水中，而严重影响到水质。污染物包括沉积物、营养物质、病原体、农药、金属和盐。畜牧业会产生不成比率的大量污染物，并释放进入环境（参见environmental impact of meat production）。如果放牧、把动物粪便储存于处理池中以及使用粪便当做肥料，会导致粪便中的细菌和病原体会进入溪流和地下水。因为土地利用改变（例如砍伐森林来开辟油棕种植园）和畜牧业而造成的空气污染，对气候变化产生巨大影响（参见农业产生的温室气体排放），而在联合国所属的政府间气候变化专门委员会所提的气候变化和土地特别报告（IPCC Special Report on Climate Change and Land）中，重点就是如何解决前述的问题。

**非生物因子来源**

**农药**
飞机喷洒农药。

农药和除草剂的用途是用来控制会破坏作物的害虫或杂草。但这些药剂持续在土壤中积累时，就会发生土壤污染，而改变土壤中Microbial metabolism过程，提高植物吸收化学物质的数量，并对土壤生物产生毒性。农药和除草剂的持久性取决于其所含化合物的化学性质，它们会影响土壤的sorption动力学以及由此产生的土壤输送作用。 动物吃下受农药污染的害虫和土壤生物，会在体内产生农药积累。此外，农药原本目的为针对害虫，但可能会对pollinator的有益昆虫和害虫天敌（即捕食或寄生害虫的昆虫）产生更大的危害。


**农药淋溶**
当农药与水混合而穿过土壤之时，会发生Leaching (chemistry)，最终是造成地下水污染。淋溶数量与当地土壤和农药的特性，以及降雨量和灌溉程度有关。如果使用的是水溶性农药，而土壤又是沙质时、施药后浇水过多及如果农药对土壤的吸附能力低，都是最容易发生淋溶的条件。淋溶现象不仅会发生在施药的田地，还会发生在农药调配区、农药施用机械清洗场或是它们的弃置地。


**肥料**
肥料（例如氮、磷和钾）的用途是为作物提供额外的营养，促进其生长并提高产量。虽然肥料有利于植物生长，但它们也会破坏天然养分和矿物质的生物地质化学循环，并对人类和ecological health构成风险。


**氮**
氮肥（即NO3−（硝酸盐）和NH4+（铵））为植物提供生长所需的氮，而提高作物产量和农业生产力，但也会对地下水和地表水产生负面影响，污染大气层，并把soil health降低。并非所有肥料的养分都会被作物吸收，未被吸收的养分会积聚在土壤中，或经由地表径流载走。硝酸盐肥料更容易通过径流而进入土壤中，因为它具有高溶解度，以及本身分子所具的电荷会与带负电的粘土颗粒结合。施用过多氮肥，加上硝酸盐的高水溶性，会因为迳流而进入地表水，也会透过淋溶而渗入地下水，造成地下水污染。地下水中硝酸盐含量超过10毫克/升 (10ppm) 就有机会导致“青紫婴儿”的问题（婴儿后天性高铁血红素血症），并可能导致甲状腺疾病和几种癌症。固氮作用（将大气中的氮 (N2) 转化为更具生物可用性的形式）和反硝化反应（将生物可用的氮化合物转化为 N2和N2O）是氮循环中的两个最重要的代谢过程，因为这两者是生态系统中最大的氮的输入及输出作用。这些作用让氮气在大气（其中氮气的占比约为78%）和生物圈之间流动。氮循环中的其他重要过程是氮的但硝化作用和氨化作用，分别把铵转化为硝酸盐或亚硝酸盐，把有机物转化为氨。由于这些过程会让大多数生态系统中的氮气浓度保持相对稳定，而农业径流中所含大量的氮会把这种平衡严重破坏。一种常在水生生态系统中见到的结果是富营养化，这反过来又会造成Hypoxia (environmental)和无氧的情况，这两种都会对许多物种造成致命和/或破坏的结果。施用氮肥还会把NH3气体释放到大气中，然后转化为NOx化合物。大气中有大量的NOx化合物会导致水生生态系统酸化，并让人类出现各种呼吸器官的问题。施肥还会释放N2O（一种温室气体），可让平流层中臭氧 (O3) 遭到破坏。接受氮肥的土壤也会受到损害。因为氮增加，作物的净初级生产随之增加，最终，由于生物质分解而产生的碳化合物，加上大量的氮，让土壤微生物活动增加。由于土壤中的分解增加，其中有机质会被耗尽，而让土壤整体健康状况降低。

标准氮肥的一种替代品是Coated urea (EEF)。EEF的类型有几种，但通常分为两个类别 - 缓释肥料或硝化抑制肥料（nitrification inhibitor fertilizers）。缓释肥料颗粒以聚合物包覆，可延迟和放缓氮的释放。硝化抑制肥料是肥料颗粒涂有高疏水性的硫化合物，也可减缓氮的释放。EEF可提供少量但稳定的氮进入土壤，并能减少氮的淋溶和NOx化合物的挥发，但科学文献显示这种形式的产品在减少氮污染，在某些方面有效，但在某些情况下则效果不然。 


**磷**
农业活动中最常见的磷肥是磷酸盐 (PO43-)，有含有PO43-的合成化合物形式，也有有机肥和堆肥等的形式。磷是所有生物体的必要营养素，因为它在细胞和代谢功能（如核酸产生和代谢能量转移）中发挥作用。然而大多数生物体（包括农作物）是在磷含量低的生态系统中演化而来，只要少量的磷即已足够。土壤中的微生物种群能够将有机形式的磷转化为植物可用的可溶性形式，例如磷酸盐。无机肥料通常绕过此步骤，因为它们就是植物可用的磷酸盐或其他类似的形式。任何未被植物吸收的磷都会被土壤颗粒吸附，而留在当地。当附着磷的土壤颗粒受到降雨或stormwater的径流侵蚀时，通常就会流入地表水。进入地表水的磷的数量较施肥量少很多，但由于磷在大多数环境中具有限制性营养素的作用，因此即使少量也会破坏生态系统中天然磷的生物地球化学循环。虽然氮在有害藻类和蓝藻大量繁殖而导致富营养化方面会发挥作用，但过量的磷被认为是最大的影响因素，因为磷通常是限制性最强的营养素，尤其是在淡水中。有害藻类和蓝藻除会消耗地表水中的氧气之外，还会产生对人类和动物，以及许多水生生物有害的蓝藻毒素。

不同含磷肥料中镉的浓度变化很大，也会产生问题。例如，原料磷酸二氢铵中的镉含量可能低至0.14毫克/公斤，或是高达50.9毫克/公斤。有些制造过程中使用的Phosphorite，其中所含的镉高达188毫克/公斤（例如来自瑙鲁和圣诞岛的矿石）。持续使用高镉磷肥，会让土壤和植物受到污染。

欧洲联盟委员会已考虑把磷肥中的镉含量予以设限。而制造含磷肥料的工厂现在会依据磷酸盐岩中的镉含量来做适当选择。磷酸盐岩也含有高量的氟化物。因此由于广泛使用磷肥，也把土壤中氟化物的浓度增高。由于植物从土壤中积累的氟化物很少，因此磷肥在这方面的污染并不严重。令人担忧的是牲畜可能会从污染的土壤摄入氟化物，而产生毒性。同样值得关注的是氟化物对土壤微生物的可能影响。

放射性元素
肥料中的放射性物质含量变化很大，取决于它们在源头矿物中的浓度和肥料生产的过程。磷矿石中的铀-238浓度范围为7至100微微居里/克，而磷肥中的铀-238浓度范围为1至67微微居里/克。如果磷肥的年用量很高，可能会导致土壤和排水中的铀-238浓度比正常情况高出数倍。

**有机污染物**
粪便和biosolid含有动物和人类以食物形式摄入的许多营养物质。将这些物质施用于农田的做法为土壤养分循环提供机会。但挑战在于粪便和生物固体不仅含有碳、氮和磷等营养物质，还可能含有污染物，包括药品和个人护理用品 (共同称为PPCPs)。人类和动物摄入的PPCPs种类繁多，数量巨大，并且他们在陆地和水生环境中都具有各自独特的化学性质。而尚无它们对土壤、水和空气品质的影响做过评估。美国国家环境保护局 (EPA) 曾对美国各地污水处理厂的生活污水残余的sludge做过调查，以评估其中包含的各种PPCPs的含量。


**金属**
重金属（例如铅、镉、砷、汞）进入农业系统的主要途经是透过肥料、有机废物（如粪肥）和工业副产品废弃物。而特别是无机肥料是让重金属进入土壤的重要媒介。一些农业技术，例如灌溉，会导致土壤中原本已自然存在的硒 (Se) 产生积累，这会导致下游水库含有硒，其浓度对对野生动物、牲畜和人类会达到有毒性的程度。这个过程被称为“凯斯特森效应”，以位于美国加利福尼亚州圣华金河谷的Kesterson Reservoir而得名，这个水库由于持续遭到倾倒有毒废弃物，于1987年被宣布水质有害。存于环境中的重金属会被植物吸收，人类如果食用这类植物，会造成人体的健康风险。一些金属对植物生长而言有其必要，但数量过大，则会对植物健康产生不利影响。

钢铁工业废料中的锌含量较高（是促进植物生长的重要元素），通常会被回收，用作肥料的原料，但除锌之外，还可能包括如铅、砷、镉、铬和镍的有毒金属。肥料中最常见的有毒金属是汞、铅和砷。这些潜在的有害杂质可在化肥生产过程中去除；但也会因此而大幅增加生产成本。

**空气污染**
自工业革命以来，大量的媒及石油的使用，及化学工业也开始排放各式各样的空气污染物，其中二氧化硫、氟化氢、氯化氢、臭氧、过氧硝酸乙醯酯、悬浮微粒等，不仅危害人体健康还危害植物健康。造成植物生长障碍。

**土地管理**

**土壤侵蚀与沉积**
土壤侵蚀：犁过田地的土壤经由雨水冲刷到园地之外，进入水道。
因为农业密集使用土地，或是采用不良的土地覆盖，会大幅促进土壤侵蚀和累积沉积物。据估计，农业土地的水土流失导致每年约有600万公顷原本肥沃土地的生产力发生不可逆转地下降。径流水所导致沉积物的积累会以许多方式影响到水质。沉积物会降低沟渠、溪流、河流和航道流水输送能力。沉积物也会对穿透水的光线产生限制，而对水生生物群发生影响。沉淀产生的浊度会干扰鱼类的摄食习惯，影响种群动态。沉降物也影响污染物（包括磷和各种农药）的运输和积累，。


**耕作和一氧化二氮排放**
自然的土壤生物地球化学过程会导致各种温室气体的排放，包括一氧化二氮。而农业耕作会影响排放的水准。例如耕作的程度也被证明会影响到一氧化二氮的排放。

**生物来源**

**粪便产生的温室气体**
联合国粮食及农业组织 (FAO) 预测全球有18%的人为温室气体是直接或间接来自畜牧业。这份报告还说由饲养牲畜的气体排放量超过全球交通运输所产生者。虽然目前畜牧业确实在产生温室气体排放方面发挥作用，但这种估计被认为是种虚假陈述。虽然FAO使用畜牧业的生命周期评估（即包括从种植作物以生产饲料、运送到屠宰等的排放均包括在内），但他们并未对全球交通运输采用相同的评估模式。

而有研究资料则声称FAO的估计数字太低，并指出全球畜牧业的大气温室气体排放量可能占全球的51%，而非18%。 批评人士说这种估计差异之会发生是因为FAO使用过时的数据。但无论如何，如果FAO所说的18%的数字是准确的，畜牧业就是世上第二大温室气体的制造者。

一个在《美国国家科学院院刊》建立的模型显示，即使把美国所有农业以及饮食中的牲畜删除，美国温室气体排放量仅会减少2.6%（占农业温室气体排放量的28%）。这是因为需要使用化肥以替代动物粪便，并替代其他动物副产品，并且因为牲畜所吃的是人类不能食用的食物和纤维加工副产品。此外，人们会受更多必要营养素缺乏的影响，虽然他们可从别的食物获取更多的能量，但也会导致更严重的肥胖问题。


**生物农药**
所谓生物农药，是从天然材料（动物、植物、微生物和某些矿物质）中提取而得的农药。生物农药可做传统农药的替代品，减少整体农业污染，因为它们可安全处理，通常不会对有益的无脊椎动物或脊椎动物产生大危害，并且残留时间不长。但也存有某些担忧，即可能对非目标物种的种群产生负面影响。

在美国，生物农药受EPA监管。由于生物农药比其他农药产生的危害较小，对环境的影响也较小，因此对于注册使用不会要求提供太多的的资料。许多生物农药是经过美国农业部的National Organic Program中的有机农作物生产标准通过。


**外来物种**

**入侵物种**
黄星蓟可能是透过受污染的饲料种籽进入北美洲，是种凶猛的入侵物种，而像犁田以及放牧等活动更会增快其散布的速度。这种植物对马有毒性，会限制其他植物的生长（降低生物多样性及破坏自然生态系统），并形成当地动物迁徙的障碍。

农业全球化的结果导致日益增多的害虫、杂草和疾病的意外传播，进入新的地区。如果它们在当地稳住脚步，就成为一种入侵物种，而对本地物种的种群产生影响并威胁到当地的农业生产。例如把欧洲饲养的熊蜂运往美国和/或加拿大作为商业授粉媒介（旧大陆的昆虫物种引入新大陆）。这种引入方式可能是导致近期北美本土熊蜂数量减少的原因。农业引进的物种也会与本地物种结合而产下杂交种，而让遗传生物多样性降低，最终威胁到农业生产。

由于农业活动所产生相关的栖息地干扰也会促进这些引入生物在当地扎根。受到污染的农业机械、牲畜和饲料，以及受到污染的作物或牧草种子也可能导致杂草蔓延。

检疫（参见生物安全）是在政策层面上对防止入侵物种传播所做的监管方式。检疫措施是对已有入侵物种进入的地区，限制其产品进入没受入侵物种干扰的地区。世界贸易组织（WTO）根据《Agreement on the Application of Sanitary and Phytosanitary Measures》，制定有关病虫害检疫的国际法规。而通常个别国家会有自己的检疫规定。例如在美国，美国农业部所属的动植物卫生检验署负责管理国内（美国境内）和国外（从美国境外进口）的检疫。这些检疫措施由各州边界和入境口岸的检查官员执行。

**生物防治**
使用生物害虫控制媒介，或使用捕食者、拟寄生物（如寄生蜂）、寄生虫和病原体来控制农业害虫，有可能减少由其他害虫控制技术产生的农业污染（例如使用农药）。然而，引入非当地生物防治的优点已受广泛争论。一旦这种生物在当地释放，即不可逆转。潜在的生态问题包括从农业栖息地扩散到自然环境中，以及侵犯其他宿主。此外，在采用之前要预测复杂生态系统中的相互作用的后果，和潜在的生态影响，但这种工作并不容易。一个生物防治计划在北美反造成生态破坏的例子，当地引入一种蝴蝶拟寄生物来控制舞毒蛾和brown-tail month。这种拟寄生物把许多蝴蝶物种当作宿主，并且可能导致几种本地蚕蛾物种的衰落和灭绝。

欧洲生物控制实验室（European Biological Control Laboratory）、美国农业部所属农业研究局 、大英国协生物控制研究所（Commonwealth Institute of Biological Control）和The International Organization for Biological and Integrated Control等机构可为生物控制媒介的探索提供协助。为防止农业污染，需要在引入生物防治媒介之前，对生物体的功效和生态影响进行检疫以及广泛研究。如果获得批准，应在适当的农业环境中定殖和散布生物防治媒介，并持续对其功效进行评估。


**转基因生物体**

**基因污染与生态效应**
（上）未具有转基因的花生叶会受欧洲玉米螟幼虫的啃食。（下）具有转基因的花生叶，因会产生苏云金芽孢杆菌（Bt），而可避免植食性动物的侵袭。

然而，基因改造（转基因）作物可能透过与本地植物物种杂交，而导致本地植物的基因污染。这可能会让本地作物发生杂草化或是灭绝。此外，如果这种transgene植物提高在给定环境中的适应性，其本身可能会变成杂草。

还有人担心那些非目标生物，如授粉者和害虫天敌，可能因意外摄入会产生苏云金芽孢杆菌（Bt）的转基因植物而中毒。最近所做的一项测试，在附近的乳草上撒Bt玉米花粉，对君主班蝶幼虫摄食影响的研究，发现对其种群的威胁很低。

使用具有抗除草剂特性的转基因作物，也会间接增加与除草剂使用相关的农业污染。例如，美国中西部种植抗除草剂玉米田中，由于增加除草剂的使用，而减少可供君王斑蝶幼虫食用的乳草数量。

开放使用转基因生物的规定因生物类型和不同国家而有差异。（参见regulation of genetic engineering）


**转基因作物所具降低污染的功能**
虽然人们对使用转基因作物会存有一些担忧，但其也可能是解决一些现有畜牧业污染问题的手段。污染的主要来源中，特别是因为动物的消化效率不足，而让维生素和矿物质进入土壤中。透过基因改造作物以提高其消化效率，可最大限度地降低动物生产成本和环境破坏。如玉米和小麦这类谷物含有一种难以消化，称为植酸的磷化合物。既然植酸不能在猪的消化道中分解，而磷是猪的必需营养素，则必须在猪的饲料中添加磷。结果是谷物中天然存在的磷几乎完全以粪便形式排出，遭到浪费，而同时让土壤中的磷含量升高。Enviropig（参阅转基因动物#livestock）是种在加拿大开发出的转基因约克夏猪，其唾液中含有phytase，能够分解植酸。 这种转基因猪具有消化谷物中磷的能力，而能降低天然磷的浪费（减少约20-60%），同时也无需在饲料中添加补充用的磷。


**饲养动物管理**

**粪便管理**

在造成水、土壤和水污染的主要因素中，饲养动物的粪便是其中之一。根据美国农业部在2005年发表的报告，美国的农场每年产生超过3.35亿吨“干性”废物（除去水分后的废物）。animal feeding operation每年产生的粪便比美国城市污水处理厂所处理的人类污泥量多约100倍。农业肥料的漫源污染更是难以追踪、监测和控制。地下水中的硝酸盐浓度很高，可能达到50毫克/升（欧盟指令中的上限）。在沟渠和河道中由肥料造成的养分污染会导致富营养化。到冬天时情况会更糟，因为在秋季中的犁田会导致大量硝酸盐释放；冬季降雨雪量较大，增加径流和淋溶，植物能吸收的数量反而较低。EPA表示一个拥有2,500头牛的牧场所产生的废物数量，与拥有约411,000名居民的城市相等。美国国家科学研究委员会已将气味问题定为地方一级重要的动物排放问题。对于不同的动物，可采用不同的管理程序来处理每年产生的大量废物。

粪便管理的优点是减少粪便数量，以降低运输和施用于作物的工作，以及减少土壤压实。粪便管理还可减少粪便中存在的病原体数量，而降低人类健康和生物安全风险。未经稀释的动物粪便或是粪浆中此类物质比生活污水中的浓度高100倍，并且会含有肠道寄生虫（隐孢子虫），这种寄生虫难以检测，也会传染给人类。青贮饲料液体（由湿草发酵产生）甚至比粪浆的害处更大，青贮饲料液体具有低pH值和非常高的生物需氧量，由于pH值低而具高腐蚀性，导致存储设备中的合成材料损坏，而发生意外溢出。这些问题可通过正确的粪便管理系统，因地制宜，而达到优化的结果。

**粪便处理**

**=堆肥=**
堆肥是种固体肥料管理系统，使用来自畜舍的固体粪便，或由液体粪便分离出的固态物做处理。处理堆肥的程序有两种，主动法和被动法。在主动堆肥过程中，会定期搅拌粪便，而在被动过程中则不会。由于被动堆肥具有不完全分解和较低的气体扩散速率特性，其温室气体排放量也较低。

**=固液分离=**
粪便可透过机械方式分离成固体和液体两部分，以利管理。液体（含有4-8%干物质）很容易地在泵系统中使用，方便撒播在作物上，而固体部分（含有15-30%干物质）可用作畜舍垫料、撒在作物上、作堆肥或是运走。


**=厌氧消化和厌氧处理池=**
位于乳牛农场内的厌氧粪便处理池。

厌氧消化是在金属容器内，利用没空气的状态，透过细菌对液态动物粪便进行生物处理，促进有机固体的分解。并用热水加热，以提高沼气的产量。所余的液体存有丰富的营养，可作为田间的肥料，还有甲烷气体，可直接透过沼气炉燃烧，或用在发动机，以产生电能和热能。甲烷是种温室气体，其效力是二氧化碳的20倍左右，必须善加控制，否则会对环境产生重大负面影响。粪便的厌氧处理是在粪便管理过程中，处理气味的最佳方法。

粪便anaerobic lagoon也使用厌氧过程来分解固体，由于处理池是在环境温度下运作，其处理的速度比透过金属容器加热会慢很多。处理池需要用到大面积，以及充分稀释的状态下才能正常进行，因而这种方式在美国北部的气候条件下通常并不适合。处理池也具有降低气味的好处，并可产生沼气，用于供热和发电。

研究显示，使用aerobic digestion 方式可减少温室气体排放。温室气体减排，和因此获得的奖励积点可用来补偿好氧消化技术所需的较高架设成本，并促进相关设备生产商发展更优越的技术，来取代目前的厌氧处理池。

**参见**
生态农业
*养分污染，其中论及肥料迳流的影响
*地表迳流#农业议题
*水污染#Agricultural wastewater management
*农业对环境的影响
*转基因食品争议
*Nutrient management
*病虫害防治
*耕作

**参考文献**

*author= Jasper Womach
分类:农业对环境的影响
分类:水污染