密苏里州赫尔曼市——密苏里河在这里从岸边延伸超过四分之一英里，浑浊的河水颜色像加了一点奶油的咖啡。
这条河流在数十万年前雕刻了这个山谷，在19世纪30年代，它带来了建立这座城市的德国定居者。今天，在山坡凉亭品尝当地葡萄酒的游客可以俯瞰河水，想象自己身处莱茵河畔。
两个世纪以来，赫尔曼一直以密苏里河而闻名——而现在这条河正让赫尔曼因一个意想不到的原因而闻名：它是硝酸盐的热点地区。
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硝酸盐从农场和庭院中被冲走，是造成墨西哥湾臭名昭著的“死区”的主要原因。来自广阔的密西西比河流域的硝酸盐和其他营养物质汇入墨西哥湾，吸走水中的氧气，并杀死路径中的几乎所有生物。
根据美国环境保护署的数据，这种污染是美国最广泛、代价最高且最具挑战性的环境问题之一。沿河的污水处理厂已经花费了数十亿美元，一些农民现在使用计算机来精确施肥。
但经过三十年的广泛清理努力，河流沿线的硝酸盐情况正在恶化。根据美国地质调查局去年发布的关于硝酸盐趋势的研究，自1980年以来，赫尔曼市密苏里河中的硝酸盐含量增加了75%。
污染物继续以越来越快的速度倾泻到河流中，并最终流入墨西哥湾。至少到目前为止，还没有人确切地弄清楚原因。
下游1247英里
赫尔曼是开始解开这个谜团的理想之地。这里没有大型工厂，没有主要的污水处理厂，甚至没有有时被指责造成大量径流的密集型条带种植农业。相反，这座小城看起来像从德国童话故事中走出来的一样。教堂、商店和红砖房屋排列在整洁的街道两旁。葡萄园点缀在连绵起伏的山丘上。游客乘坐 Amtrak 火车前来，在啤酒节上聆听欧姆帕乐队的演奏，品尝德国香肠和酸菜。
赫尔曼怎么可能要为造成下游1247英里处死区的污染增加负责呢？
答案是，赫尔曼仅仅是一个涉及31个州和超过7600万人口的巨大问题的缩影。
赫尔曼大致位于广阔的密西西比河流域的中心，该流域排水面积达124万平方英里，从落基山脉延伸到阿巴拉契亚山脉。
密苏里河在流经赫尔曼的教堂和商店时，携带了上游生活的残余物。雨水将过量的氮和磷以及其他污染物从农民的田地、城市、工厂、汽车和郊区草坪冲刷到沟渠、小溪和支流中，最终汇入河流本身。“大泥河”在圣路易斯以北汇入强大的密西西比河，然后急转弯，冲过高耸的圣路易斯拱门，奔向路易斯安那州外的海洋。
当富含营养物质的水向下游注入墨西哥湾时，它会引发一种具有致命结果的生物现象。这些营养物质为饥饿的藻类提供了自助餐。浮游植物数量激增，然后死亡，沉到水底，细菌在那里分解有机物，并在此过程中消耗掉宝贵的氧气。由此产生的低氧环境——也称为缺氧——毒性极强，所有动物都必须逃离或死亡。
缺氧驱赶走虾、蟹和鱼类，并杀死食物链底层的蠕虫等生物。
“会出现生物死亡，生态系统多样性丧失，”路易斯安那大学海洋联合会主任、海洋生态学家南希·拉巴莱斯在路易斯安那州肖文说。“如果连续多年缺氧，一些动物将无法再回到该区域。”
拉巴莱斯绘制缺氧地图已有近30年。她的研究帮助催生了一个州/联邦工作组，该工作组设定了一个目标，即到2015年将墨西哥湾的死区面积减少近一半，降至约1930平方英里。
然而，死区仍在不断扩大，就像一个无法减肥的肥胖病人。去年，它的面积为6800平方英里——是目标的3倍多。
“我们现在离目标还很远——非常遥远，”她说。“当设定那个目标时，似乎并非不可能，但现在却变得越来越难。”
除了赫尔曼市增加75%外，根据美国地质调查局的研究，自1980年以来，爱荷华州克林顿市上密西西比河沿线的硝酸盐含量也增加了76%。总的来说，过去30年流域内的硝酸盐径流增加了9%，其中大部分增加来自赫尔曼市和克林顿市上游的流域。
密歇根大学安阿伯分校环境可持续发展教授唐·斯卡维亚研究死区，他说：“这是第一次有人能够证明，当我们应该减少负荷时，实际浓度要么没有变化，要么实际上有所增加。”
他说：“无论采取了什么保护措施，都还不够。”
玉米理论
一种理论认为，玉米种植面积的激增导致更多肥料被冲入流域。但城市径流、牲畜和其他来源也可能发挥作用。
美国地质调查局丹佛分局的水文地质学家、硝酸盐研究的主要作者洛瑞·斯普拉格说：“这些流域真的很大，发生了很多事情——作物模式、牲畜使用、人口变化。”“所有这些都会改变水质。”
根据2011年美国地质调查局的数据，农场肥料和牲畜粪便分别是密苏里河流域总氮的最大来源，两者加起来占70%。2008年对整个密西西比河流域的研究得出了类似的结论，农业贡献了最终进入墨西哥湾的氮和磷的70%。2009年，科学家们还报告称，集约化作物生产（尤其是玉米）与河流中硝酸盐氮含量之间存在直接相关性。
根据美国农业部的数据，自20世纪60年代以来，全国氮肥消费量增加了两倍，2010年激增至1230万吨。根据2006年美国地质调查局的一项研究，1987年至1997年间，作为农场肥料施用的氮量增长了18%。
这听起来很清楚。然而，许多农民却讲述了不同的故事。
在密苏里州南部 Bootheel 地区，农民迈克·格斯克在马修斯附近种植约2000英亩的玉米、棉花、水稻和大豆。这片土地平坦如盘，是肥沃的密西西比三角洲的最北端。
作为第三代农民，格斯克说，当他70年代刚开始务农时，他会在春天在他的田地里施用大量的肥料。“无水氨太便宜了，我们额外施用了80到100磅，”他说。
今天，他全年施肥三到四次，以便植物可以在需要时使用。他说，现在他使用的肥料减少了20%到25%，但每英亩玉米的产量却增加了25%到30%。他将此归功于更好的种子技术和对土壤养分的精心管理。
在上游更远的地方，罗恩·哈德克在赫尔曼以南约35英里的欧文斯维尔的2000英亩土地上种植农作物、养猪和养牛。他说他仔细监测他的氮肥用量。
他说：“有时人们认为我们在这里为了好玩而倾倒肥料。”“但如果你付钱，为什么要使用超过你需要的量呢。”
根据美国国家玉米种植者协会的数据，全国范围内的农民正在从肥料中获得更多的粮食。该贸易组织的公共政策主管罗德·斯奈德说，氮肥使用量按每蒲式耳玉米的磅数计算减少了38%。
然而，根据联邦数据，玉米种植者在高产作物上每英亩使用的肥料与以往一样多。平均而言，农民在1964年每英亩玉米作物施用58磅氮肥。到1985年，这个数字增长到每英亩140磅，并在2010年保持不变。
此外，根据美国农业部的数据，随着玉米价格的飙升，玉米种植面积也在增加。2012年，农民种植了9600万英亩玉米——近70年来的最高水平，比十年前增加了近22%。
新奥尔良海湾恢复网络的科学和水政策主管马特·罗塔说：“硝酸盐污染的主要原因是条带种植农业，而罪魁祸首主要是玉米。玉米现在价格昂贵，这加剧了这种情况。人们正在将保护区改为玉米生产区。”
农民使用多种方法来减少径流：种植覆盖作物、调整肥料用量和施用时间。美国农业部的一份报告显示，在上密西西比河流域，此类保护措施平均每英亩可减少18%的氮损失。
但同一份报告发现，只有14%的耕地始终具有良好的氮肥管理。
美国农业部土壤科学家李·诺弗利特说：“我们正在展示的是，如果没有保护措施，问题会有多糟糕。”“如果出现上升趋势，那么如果没有发生大量（保护）措施，情况会糟糕得多。”
此外，诺弗利特说，农民需要时间来适应玉米不断变化的遗传特性，现在玉米需要的氮肥更少。不进行调整的农民最终可能会过度施用氮肥，每英亩超量23磅。
其他硝酸盐来源也可能增加。
密苏里河流域包括丹佛、奥马哈和堪萨斯城等城市，在1990年至2000年间人口增加了130多万，现在已超过1100万人。
罗塔说，除了农作物外，“还有动物饲养场、污水处理厂。石化工业排放到水中。还有城市径流。”
根据美国地质调查局的全国性研究，1987年至1997年间，家庭庭院和花园肥料的使用量几乎翻了一番，但这仅占总氮量的1%。粪便中的氮增加了近5%，大气中的氮（主要来自化石燃料的燃烧）增加了13%。
关于另一个城市硝酸盐来源——污水处理厂的可靠数据尚不可用。虽然化粪池系统约占密苏里河流域硝酸盐的12%，但没有关于其是否增加的数据。
所有这些信息都无法为河流污染加剧的原因提供明确的答案。施用于地面的氮可能永远不会到达墨西哥湾，这取决于天气模式、植被、水道条件和许多其他因素。
斯普拉格说：“没有明确的证据支持农业、城市或废水处理厂是罪魁祸首的假设。”“我们对这些事物随时间推移如何变化没有很好的了解。”
战争中的一名步兵
密苏里河在赫尔曼的监测始于1844年，这使其成为观察河流变化的理想场所。
美国地质调查局水质技术员凯利·布雷迪是抗击缺氧战争中的一名步兵。他每月采集一次水样，这些水样最终被用于最近的美国地质调查局研究。
在最近的一次旅行中，密苏里河看起来出奇地平静，但布雷迪知道它可能很快就会变得致命。平均而言，每秒有88500立方英尺的水——足以填满一个奥林匹克规格的游泳池——从这里流过。如果水是石油，那么整个英国石油石油泄漏事件的体积可以在五分钟内流过。
布雷迪启动了工作船，这是一艘26英尺的密封船体铝制平底船，他开玩笑说它看起来像《现代启示录》中的炮艇。“它应该是不会沉没和自动扶正的，但我不想尝试，”他说。“我喜欢游泳，但我不希望在工作时游泳。”
船员使用笔记本电脑、雷达和高精度GPS来寻找采样地点。悬挂在船头上方的一台起重机将一个特氟龙内衬的采样器浸入水中，并捞起几升水。布雷迪和他的团队在他们卡车后部的移动实验室中处理了样品。这些样品被放在冰上，运往丹佛进行分析。
布雷迪的数据对于掌握水质至关重要。美国地质调查局荣誉科学家戴尔·布莱文斯是密苏里河方面的专家，他研究过上个世纪河流中的历史氮浓度。“这是一个周期；它会上下波动，”他说。“我们正处于这些周期中的一个上升趋势中，我们即将突破我们以前达到的最高点。”为什么？他不确定。
布莱文斯说，现在密苏里河中的总氮浓度与20世纪初没有太大差异。但过去大部分是有机氮，而现在，大部分是硝酸盐，这是一种许多藻类和其他生物可以直接吸收的形式。
他说：“当它到达密苏里州圣约瑟夫时，它几乎达到了最大浓度。”“如果你看看硝酸盐的来源地，那些基本上都是农业区。”
对于硝酸盐数量增加还有另一种可能的解释，第三种观点既不责怪当今的农场，也不责怪城市地区。污染可能来自历史遗留的氮沉积物——多年早期过量的遗留物，现在才显现出来。
美国地质调查局的研究发现，即使在水流量较低的情况下，也有大量硝酸盐倾泻到河流中。人们可能预计大雨会将养分从陆地上冲走，但干旱条件下硝酸盐从何而来呢？
斯普拉格的结论是，地下水是来源。雨水落在地表，渗入土壤，并在几天到几十年后排出。
美国农业部土壤科学家诺弗利特说，氮可能会在含水层中停留数年，然后最终溢出到溪流中。“这有点像动脉阻塞，”他说。“清理干净需要一段时间。”
如果地下水确实是罪魁祸首，那么保护措施可能需要数年才能在墨西哥湾产生显着效果。
环境工作组分析师安德鲁·休专注于农业对环境的影响，他说：“即使我们现在停止施用氮肥，地下水中仍将在5到10年，甚至在某些地方，20到30年内含有大量氮。”“解决这个问题需要很长时间。”
爱荷华州农民和路易斯安那州渔民
在流域上游，比尔·诺西花了很多时间思考墨西哥湾的死区。作为爱荷华州农业和土地管理部部长，他正在寻找以科学为基础的方法，在保持农场生产力的同时，减少向下游水域的径流。
诺西说，爱荷华州有3100万英亩农田，其中2300万英亩种植玉米和大豆。900万英亩土地由地下排水管道排水，这些管道有效地从田地中排出水分。
美国农业部2010年对保护措施的研究表明，这些排水管道还将氮肥直接输送到溪流中。地下氮肥是上密西西比河流域“最关键的保护问题”。
人工湿地可以帮助去除氮肥。在联邦保护计划的帮助下，爱荷华州已建造70个浅水湿地来过滤排水管道的水。“我们看到氮肥的排出量减少了40%到70%，”诺西说。“这非常显着。”
人工湿地价格昂贵，而且并非在所有土地上都有效。“我们每年建造5到10个，”联邦-州缺氧工作组成员诺西说。“要建造所有这些湿地需要数百年时间。”
密歇根大学的斯卡维亚说，需要进行重大变革才能缩小死区——而且要快。他说，死区似乎正在达到一个“临界点”，即该系统对营养物质输入的敏感性越来越高，而气候变化加剧了这个问题，因为它使水变暖并增加了强风暴。
斯卡维亚的解决方案是什么？修改联邦“农业法案”，该法案决定了农业政策和补贴。“这既困难又简单，”他说。“这取决于我们对生产商的激励程度。我相信农民理解并希望保护环境。”
海湾恢复网络的罗塔说，自愿方法固然很好，但他希望看到可执行的标准。他和一些团体最近提起诉讼，要求环保署制定氮和磷径流的国家标准。他说：“我们需要最低标准才能开始取得进展，因为到目前为止，我们只看到死区越来越大。”
环保署到目前为止拒绝制定国家标准，称最佳方法是与各州合作制定自己的标准和清理计划。
诺西表示，就他而言，第一步是教育。通过工作组，他将爱荷华州农民带到墨西哥湾，并将来自密西西比州的人们带回上游，看看爱荷华州农民正在做什么。
河流永远将中西部农民和墨西哥湾渔民联系在一起。
“也许在寒冷的十一月早晨在您的农场工作时感觉不到，但我们与这些人息息相关，”诺西说。“我们沿着河流上下游，紧密相连。”
本文最初刊登在环境健康新闻，这是一个由非营利性媒体公司环境健康科学出版社发布的新闻来源。