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栄養汚染は、水に過剰な栄養分が流入することによって引き起こされる水質汚染の一種です。これは、表層水（湖、河川、沿岸水域）の富栄養化の主な原因であり、通常、窒素またはリンなどの過剰な栄養分が藻類の増殖を促進します。[ 1 ]栄養汚染源には、農場からの地表流出水、浄化槽からの廃棄物、飼育場、燃料燃焼による排出物などがあります。栄養分が豊富な未処理の下水も、水域に投棄されると汚染の一因となります。過剰な窒素は、有害藻類ブルーム、低酸素症、酸性雨、森林の窒素飽和、気候変動などの環境問題を引き起こします。[ 2 ]
農業生産は、天然肥料と合成肥料の使用に大きく依存しています。これらの肥料には、窒素、リン、カリウムが高濃度で含まれていることがよくあります。[ 3 ] [ 4 ]窒素とリンが植物によって十分に利用されない場合、それらは農地から失われ、大気や下流の水質に悪影響を及ぼします。[ 5 ]これらの栄養素は水生生態系に流れ込み、富栄養化の増加につながる可能性があります。[ 6 ]つまり、水が栄養分過多になるということです。
栄養汚染を軽減するために、いくつかの戦略を実施できます。これには、農場や人工湿地の周囲に植生緩衝地帯を設けて過剰な栄養分を吸収することが含まれます。さらに、廃水処理の改善や下水投棄量の削減は、水系への栄養分排出を抑制するのに役立ちます。最後に、各国は汚染者負担原則に基づく許可制度を導入することができます。
個々の流域における栄養汚染の主な発生源は、その流域の土地利用状況によって異なります。発生源は、点源、非点源、またはその両方である可能性があります。
一部の大気汚染源からの栄養汚染は、遠隔地からの大気汚染物質の長距離輸送により、地域の土地利用とは無関係に発生する可能性がある。[ 9 ]
富栄養化の発生を最も効果的に防止する方法を評価するためには、栄養塩負荷の原因となる具体的な発生源を特定する必要がある。栄養塩と有機物の発生源には、点源と非点源という2つの一般的なものがある。
合成肥料の使用、化石燃料の燃焼、および畜産、特に集約畜産施設（CAFO）は、生物圏に大量の反応性窒素を放出している。[ 10 ]世界的に見ると、窒素バランスは非常に非効率的に分配されており、一部の国では余剰があり、他の国では不足しており、特に余剰のある地域ではさまざまな環境問題を引き起こしている。世界のほとんどの国では、収量ギャップの解消と窒素汚染の緩和との間のトレードオフは小さいか、存在しない。[ 11 ]
リン汚染は、肥料や堆肥の過剰使用によって引き起こされます。特に土壌浸食が加わると深刻化します。欧州連合では、水による浸食により、10万トン以上のリンが水域や湖に流出する可能性があると推定されています。[ 12 ]リンは、都市下水処理場や一部の産業からも排出されます。[ 13 ]
点源とは、1つの影響に直接起因する発生源のことです。点源では、栄養廃棄物は発生源から直接水域に流れ込みます。点源は比較的規制しやすいです。[ 14 ]
非点源汚染（「拡散汚染」または「流出汚染」とも呼ばれる）は、定義が曖昧で拡散した発生源から発生する。非点源汚染は規制が難しく、通常は空間的にも時間的にも変動する（季節、降水量、その他の不規則な事象によって）。[ 15 ]
窒素輸送は、流域における人間の活動のさまざまな指標と相関関係があることが示されており、[ 16 ] [ 17 ]人間の開発量も含まれます。[ 18 ]農業における耕作と開発は、栄養負荷に最も寄与する活動の一つです。[ 8 ]
人間の活動によって生じた栄養素は土壌に蓄積され、何年もそこに留まる傾向があります。リンの流出量は土壌中のリンの量に比例して増加すると報告されています[ 19]。そのため、土壌中の栄養素の大部分は最終的に水に流れ込みます。同様に、窒素の回転時間は数十年です。つまり、栄養素は長期間土壌中に留まるということです。
人間の活動による栄養素は、陸地から地表水や地下水へと移動する傾向があります。特に窒素は、雨水排水溝、下水管、その他のろ過方法によって除去されます。流出水や浸出水における栄養素の損失は、多くの場合、農業によって引き起こされます。現代の農業では、生産量と収穫量を最大化するために、畑に栄養素を施用することがよくあります。しかし、農家は作物が必要とする量よりも多くの栄養素を施用することがよくあります。これが、地表水や地下水に大量の過剰な汚染物質が流出する原因となっています。[ 20 ]農業からの栄養素の流出を最小限に抑えることを目的とした規制は、通常、下水処理場[ 21 ]やその他の点源汚染源に課せられる規制よりもはるかに緩やかです。森林地帯にある湖も地表流出の影響を受けることに注意する必要があります。流出水は、デトリタスからミネラル窒素とリンを洗い流し、結果として水域に供給され、ゆっくりとした自然な富栄養化につながります。[ 22 ]
アンモニアの揮発と亜酸化窒素の生成により、窒素が大気中に放出されます。化石燃料の燃焼は、大気中の窒素汚染の大きな人為的原因です。大気中の窒素は、2つの異なるプロセスによって地上に到達します。1つ目は、雨や雪などの湿性沈着です。また、空気中に存在する粒子やガスである乾性沈着もあります。[ 23 ]大気沈着（例えば、酸性雨の形）は、特に高度に工業化された地域では、水中の栄養塩濃度にも影響を与える可能性があります。[ 24 ]
農家は生産を維持するためにリンを含む肥料を使用せざるを得ないことが多い。しかし、生産に対する経済的圧力によって肥料の過剰使用に追い込まれる場合もある。興味深いことに、肥料を通して植物に与えられた栄養素のすべてが植物に吸収されるわけではない。この場合、化学物質は雨水とともに流出する。また、土壌に浸透して地下水を汚染する。[ 25 ]
（栄養汚染の影響については箇条書きではなく、より詳細な段落を追加してください）[ 26 ]
過剰な栄養素は、以下のような結果を招く可能性があるとまとめられています。
有害な藻類の異常繁殖は「赤潮」と呼ばれます。これは藻類の過剰繁殖が非常に深刻で、水域の酸素が不足する状態です。これは海洋生物や植物の個体数に悪影響を及ぼします。これらの異常繁殖は数ヶ月続くことがあります。最終的に藻類が死滅すると、有害な毒素が水中に放出されます。これによりさらに多くの生物が死滅し、生物が存在しない「デッドゾーン」が発生します。 [ 29 ]これにより生物多様性が著しく低下します。一部の種が完全に絶滅するだけでなく、生態系に存在する生物の数も減少します。これらの要因はいずれも生物多様性を損ない、生態系をさらに苦しめます。[ 28 ]
栄養汚染の結果生じる大規模な藻類の異常繁殖が、種の構成に悪影響を及ぼすことは、多くの研究で明らかにされています。[ 30 ]健全な生態系を維持するために重要な種は、微生物群集です。これらの攻撃的な藻類の異常繁殖のさまざまな段階が、これらの重要な種の生存に影響を与えることが研究で明らかになっています。これは、栄養汚染の結果として生じる生態系へのもう一つの有害な影響であり、その影響はドミノ効果です。
栄養汚染は、水処理コストの増加、商業漁業、貝類の損失、レクリエーション漁業の損失、観光収入の減少などにより、経済的な影響を及ぼす可能性がある。 [ 31 ]
人間の健康への影響としては、飲料水中の硝酸塩過剰（ブルーベビー症候群）や飲料水中の消毒副生成物などが挙げられます。有害藻類ブルームの影響を受けた水で泳ぐと、皮膚の発疹や呼吸器系の問題を引き起こす可能性があります。[ 32 ]
栄養素取引は水質取引の一種であり、水質を改善または維持するために使用される市場ベースの政策手段です。水質取引の概念は、流域内の異なる汚染源が同じ汚染物質を制御するために非常に異なるコストを負担する可能性があるという事実に基づいています。 [ 33 ]水質取引は、汚染制御コストが低い発生源から汚染制御コストが高い発生源への汚染削減クレジットの自主的な交換を伴い、同じ原則が栄養素水質取引にも適用されます。その根底にある原則は「汚染者負担」であり、通常は取引プログラムへの参加に関する規制要件と結びついています。[ 34 ]
2013年のForest Trendsレポートは、水質取引プログラムを要約し、資金提供者を主に3つのタイプに分類しました。流域保護の受益者、汚染の影響を補償する汚染者、そして直接的な利益は得られないかもしれないが、政府やNGOに代わって汚染削減クレジットに資金を提供する「公共財支払者」です。2013年時点では、支払いは圧倒的に政府やNGOなどの公共財支払者によって開始されていました。[ 34 ]： 11
栄養源配分は、減衰または処理後に水域に流入するさまざまなセクターからの栄養負荷を推定するために使用されます。ヨーロッパでは、農業が水域における窒素の主な発生源であるのが一般的ですが、多くの国では、家庭や産業がリンの主な発生源となる傾向があります。[ 35 ]過剰な栄養によって水質が影響を受ける場合、負荷源配分モデルは、汚染源を特定することにより、水資源の比例的かつ実用的な管理を支援することができます。負荷配分モデリングには、大きく分けて 2 つのアプローチがあります。(i) 河川内モニタリングデータに基づいて発生源を配分する負荷指向アプローチ[ 36 ] [ 37 ] 、および (ii) 拡散または非点源汚染の排出量を、通常、同様の特性を持つ集水域からの輸出係数に基づくモデルを使用して計算する発生源指向アプローチです。[ 38 ] [ 39 ]例えば、ソース負荷配分モデル（SLAM）は後者のアプローチを採用しており、点源排出（都市下水、産業、浄化槽システム）、拡散源（牧草地、耕作地、林業など）、および水文地質学的特性を含む流域データに関する情報を統合することにより、河川内モニタリングデータなしでアイルランドの流域の地表水への窒素とリンの発生源の相対的な寄与を推定しています。[ 40 ]
栄養塩問題に対処するための自然に基づくさまざまな解決策が存在する。[ 41 ]例えば、農場は栄養塩の流出を除去するのに役立つ人工湿地を作ることができる。これには水域も含まれる。農場は、地下水や流出水に含まれる栄養塩を捕捉するための緩衝地帯を作ることもできる。最後に、排水溝に植生を施すことで、過剰な栄養塩を捕捉する別の機会が得られる。[ 42 ]
州の環境機関による調査に基づくと、農業非点源汚染（NPS）は米国全土で水質悪化の最大の原因となっている[ 43 ]。NPS汚染は連邦浄水法（CWA）に基づく排出許可の対象ではない[ 44 ] 。EPAと各州は、助成金、パートナーシップ、実証プロジェクトを利用して、農家が慣行を調整し、地表流出を削減するためのインセンティブを作り出してきた[ 43 ]： 10-11
州が栄養素基準および規格を策定するための基本要件は、1972年の浄水法で義務付けられました。この水質プログラムの実施は、 EPAと各州にとって、科学的、技術的、そして資源集約的な大きな課題となっており、その開発は21世紀に入ってもなお続いています。
EPAは、数十年にわたり増加していた国内の窒素汚染問題に対処するため、1978年に廃水管理規則を公表した。[ 45 ] 1998年には、同機関は栄養基準の開発に重点を置いた国家栄養戦略を公表した。[ 46 ]
2000年から2010年の間に、EPAは河川/渓流、湖沼/貯水池、河口、湿地に関する連邦レベルの栄養基準と関連するガイダンスを公表した。これらの出版物には、米国全土の14の生態地域に関する「生態地域別」栄養基準が含まれていた。州はEPAが公表した基準を直接採用することができるが、多くの場合、州は基準を修正して現場固有の条件を反映させる必要がある。2004年、EPAは、全窒素（TN）、全リン（TP）、クロロフィルa（chl-a）、および透明度に関する数値基準（より漠然とした記述基準とは対照的に）に対する期待を表明し、州の基準開発のための「相互に合意した計画」を確立した。2007年、同機関は、栄養基準の開発に関する州間の進捗状況は不均一であると述べた。EPAは数値基準に対する期待を改めて表明し、基準開発に向けた州の取り組みを支援することを約束した。[ 47 ]
EPAが2007年に 流域ベースのNPDES許可制度を導入した後、栄養塩除去と地域的な総最大日負荷量（TMDL）制限の達成への関心が高まり、栄養塩取引制度が開発された。[ 48 ]
2008 年、EPA は、州による栄養基準策定の取り組みに関する進捗報告書を発表しました。ほとんどの州は、河川や小川、湖沼や貯水池、湿地や河口（河口のある州の場合）の数値栄養基準を策定していませんでした。[ 49 ]同年、EPA は、州と EPA の専門家で構成される栄養イノベーション タスク グループ (NITG) を設立し、栄養汚染削減の進捗状況を監視および評価しました。[ 50 ] 2009 年、 NTIG は「緊急の行動要請」という報告書を発表し、栄養汚染の増加により全国的に水質が悪化し続けていることへの懸念を表明し、州による栄養基準のより積極的な策定を推奨しました。[ 51 ]
In 2011 EPA reiterated the need for states to fully develop their nutrient standards, noting that drinking water violations for nitrates had doubled in eight years. Half of all streams nationwide had medium to high levels of nitrogen and phosphorus, and harmful algal blooms were increasing. The agency set out a framework for states to develop priorities and watershed-level goals for reductions of nutrients.[52]
Many point source dischargers in the U.S., while not necessarily the largest sources of nutrients in their respective watersheds, are required to comply with nutrient effluent limitations in their permits, which are issued through the National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES), under the CWA.[53] Some large municipal sewage treatment plants, such as the Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant in Washington, D.C. have installed biological nutrient removal (BNR) systems to comply with regulatory requirements.[54] Other municipalities have made adjustments to the operational practices of their existing secondary treatment systems to control nutrients.[55]
NPDES permits also regulate discharges from large livestock facilities (CAFO).[56] Surface runoff from farm fields, the principal source of nutrients in many watersheds,[57] is classified as NPS pollution and is not regulated by NPDES permits.[44]
A Total Maximum Daily Load (TMDL) is a regulatory plan that prescribes the maximum amount of a pollutant (including nutrients) that a body of water can receive while still meeting CWA water quality standards.[58] Specifically, Section 303 of the Act requires each state to generate a TMDL report for each body of water impaired by pollutants. TMDL reports identify pollutant levels and strategies to accomplish pollutant reduction goals. EPA has described TMDLs as establishing a "pollutant budget" with allocations to each pollutant source.[59] For many coastal water bodies, the main pollutant issue is excess nutrients, also termed nutrient over-enrichment.[60]
A TMDL can prescribe the minimum level of dissolved oxygen (DO) available in a body of water, which is directly related to nutrient levels. (SeeAquatic Hypoxia.) TMDLs addressing nutrient pollution are a major component of the U.S. National Nutrient Strategy.[61] TMDLs identify all point source and nonpoint source pollutants within a watershed. Wasteload allocations are incorporated into their NPDES permits to implement TMDLs with point sources.[62] NPS discharges are generally in a voluntary compliance scenario.[58]
EPA published a TMDL for the Chesapeake Bay in 2010, addressing nitrogen, phosphorus and sediment pollution for the entire watershed, covering an area of 64,000 square miles (170,000 km2). This regulatory plan covers the estuary and its tributaries—the largest, most complex TMDL document that EPA has issued.[63][64]
In Long Island Sound, the TMDL development process enabled the Connecticut Department of Energy and Environmental Protection and the New York State Department of Environmental Conservation to incorporate a 58.5 percent nitrogen reduction target into a regulatory and legal framework.[59]
Similar to the U.S., nutrient pollution is dominant in surface water pollution in China.[65] Urbanization and agriculture have contributed to nutrient pollution most notably, the practice of discharging of manure where animal manure is treated as waste and is discharged into water.[65] Surveys and models have also shown that Nitrogen and Phosphorus inputs to rivers are high in southern and eastern regions of China.[66][67]
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)
この記事は、議会調査局発行の「農業：用語、プログラム、法律の用語集（2005年版）（PDF）」からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。