氮和磷是怎样进入海洋的｜流域营养盐负荷与削减对策全解

何谓富营养化——"营养过多"时海洋会发生什么

富营养化（eutrophication）是指氮、磷等营养盐类被过量供给到水域，浮游植物与藻类异常增殖，导致水域生态系统失衡的现象。这个词原本描述的是湖泊经过漫长岁月积累淤泥与有机物、由贫营养湖向富营养湖演变的自然老化过程。进入20世纪后半叶，人类活动使这一过程压缩到了数十年的尺度。

氮和磷之所以是"必需营养"的理由

氮是构成蛋白质与核酸不可或缺的元素，磷则是DNA、RNA、细胞膜以及能量货币ATP的构成要素。位于海洋食物网基座的浮游植物也不例外，仅靠光与二氧化碳无法增殖。海洋学家阿尔弗雷德·雷德菲尔德在20世纪30年代发现，外海的浮游植物按碳、氮、磷约106:16:1的原子数比吸收营养。这一雷德菲尔德比值至今仍被用作判断哪种营养素决定增殖上限（限制因子）的尺度。

在外海的多数海域，氮的不足抑制着浮游生物的数量。然而在河口与内湾这类陆源水汇集之处，情况正好相反，氮与磷都容易供给过剩。淡水湖中多为磷、海洋中大体为氮成为限制因子——这一差异也正是湖泊与海洋对策重点各异的原因。

"点源"与"面源"——易削减的污染与难削减的污染

负荷的来源大致可分为两类。一类是像工厂或污水处理厂排放口那样、能够确定排放位置的"点源"；另一类是每逢降雨便从农田、城区、森林广泛而稀薄地流出的"面源"（非点源）。

这一分类并非单纯的学术划分。点源只要设定排放标准、建设处理设施并加以监测，就能确实削减。事实上，包括日本在内的发达国家在20世纪后半叶实现的水质改善，大部分都来自点源治理的成果。而面源既无法确定排放口也无法确定责任主体，流出量还会随降雨方式变动数十倍。既难以纳入管制之网，成本效益也难以预估。许多国家的富营养化治理在"最后一步"停滞不前，正是因为剩下的都是面源。

氮和磷从何而来——从陆地到海洋的四条路径

追溯抵达海洋的营养盐，其源头近得令人意外。以下结合日本的统计数据，依次考察四条主要路径。

① 生活污水——最贴近生活，也最庞大

谈及内湾的负荷，生活污水的分量往往出人意料。据日本环境省的产生负荷量测算调查，流入东京湾的COD（化学需氧量）负荷中，生活源约占三分之二，工业源约两成，其他源一成有余。在人口密集的都市圈内湾，就数量而言，我们的厨房、浴室与卫生间超过了工厂。

当然，其中大部分会经过污水处理厂。据国土交通省、农林水产省与环境省于2025年8月公布的统计，截至2024财年末，污水处理人口普及率为93.7%（较上一年度提高0.4个百分点）。其中下水道覆盖1.014亿人（普及率81.8%），净化槽覆盖1175万人（9.5%），农业村落排水等覆盖283万人（2.3%）。反过来说，至今仍有约6%的人口——接近800万人份的生活污水，未经充分处理便流入河川，进而流入海洋。

那么经过处理是否就可以安心？事情没有那么简单。标准的污水处理（标准活性污泥法）擅长去除有机物，但对氮和磷的去除远不如预期。若要连氮磷一并去除，就需要结合厌氧与好氧工艺的深度处理。出于同样的道理，只处理粪便污水、任由生活杂排水直接排出的单独处理净化槽如今已原则上禁止新建，向合并处理净化槽的改造正在全国推进。

② 农田——肥料总有一部分会离开作物

施用于作物的氮肥并非全部转化为收获物。在土壤中转变为硝酸根离子的氮易溶于水且不易被土壤吸附，因而随雨水与灌溉水渗入地下水与排水沟。磷易被土壤颗粒吸附，因此比起溶解流失，更多是以土壤本身作为浑水流出的形式损失。所以水田耙田期的浑水治理与旱田的水土流失防治，本身就是磷的治理措施。

人类为农业生产的氮，其数量已达到即便从地球化学尺度看也不可忽视的规模。自20世纪初哈伯-博施法确立、能够以空气中的氮工业合成氨以来，人为固氮量已扩大到与自然界固氮量相当的规模。在以九项指标评估地球安全运行空间的行星边界框架中，氮与磷的生物地球化学循环也被判定为已"超出边界"的项目之一，被视为与气候变化并列、甚或超越其超标程度的领域。

③ 畜牧——每年8000万吨粪便如何循环

据日本农林水产省推算，日本国内一年产生的家畜粪便约8000万吨（近年约为7800万吨）。过去露天堆放与土坑贮存造成的地下水污染曾是问题，但经过1999年的《家畜粪便法》（关于家畜粪便管理适当化及利用促进的法律）后，管理大幅改善，如今大部分已堆肥化、液肥化并还田。

不过，"做成堆肥就万事大吉"并不成立。在畜牧集中的地区，堆肥产量超出当地农田的消纳能力，反复施用于同一片田地，出现土壤磷过量积累的情形。积累的磷此后会连年随浑水持续流出。如何在区域内取得氮磷的供需平衡（物质循环），左右着畜牧地带的水环境。

④ 城区与大气——两条容易被忽视的路径

积在沥青上的尘土、落叶、宠物粪便、轮胎磨损颗粒。晴天持续之后的第一场强雨，会把这些一并冲刷进河川。降雨初期污染集中的这一现象被称为初期冲刷，构成城区面源负荷的核心。在采用合流制下水道的地区，暴雨时来不及处理的污水随雨水溢流、未经处理便排放的问题依然存在。

此外，汽车与工厂排出的氮氧化物、畜舍与施肥挥发的氨，会经由大气以降雨或干沉降的形式落入水域。其中也有直接落在海面的部分，在内湾这一贡献不容忽视。把水的问题仅仅当作水来考虑，就会看错答案。

过量营养如何摧毁海洋——由时间差连接的链条

从营养盐流入到海底氧气耗尽，中间隔着若干阶段，以及数周至数月的时间差。原因与结果相距甚远，正是这一问题难以察觉的棘手之处。

第一阶段：浮游植物的爆发性增殖

营养盐充足、水温上升、日照强烈、风弱而水体不易混合——这些条件齐备时，浮游植物可在数日内增加数十倍。当密度高到使海面变色，便是所谓的赤潮。依增殖的是甲藻、硅藻还是针胞藻类，海水的颜色可能呈红褐色、茶褐色或偏绿的色调。

在这一阶段危害就已出现。藻类堵塞鱼鳃致其窒息；某些种类会释放对鱼类有毒的物质；双壳贝类蓄积毒素而不能食用。对养殖业而言是直接打击。关于赤潮本身的发生机制与日本各地的受害情况，详见赤潮、青潮与富营养化。

第二阶段：尸体下沉，在海底被分解

增殖的浮游生物寿命不长。数日至数周内便死亡，与浮游动物的残饵、粪粒一同化为有机颗粒下沉。堆积于海底的这些有机物，接着由细菌分解。分解是消耗氧气的反应，浮游生物增殖越多，海底的耗氧量就越大。

这里又叠加了另一个条件。夏季表层海水被阳光加温后，与冰冷厚重的底层水之间形成密度差，上下水体不再混合。这就是层化。在由大气供氧的表层与持续耗氧的底层被隔断的状态下，海底的氧气得不到补充而不断减少。

第三阶段：缺氧水团与死亡区

溶解氧大致降至2毫克/升以下的水团被称为缺氧水团。NOAA也以这一2毫克/升为基准测定墨西哥湾的死亡区。低于该浓度，能逃的鱼会逃走，无法逃离的贝类、多毛类、蟹类等底栖生物则会死亡。对无法移动的生物而言，这是悄然扩散的窒息。

氧气完全耗尽后，硫酸盐还原菌开始活动，产生硫化氢。含硫化物的底层水被风吹至近岸上涌时，海水会浑浊成乳青色，形成青潮，导致大量贝类死亡。这是东京湾与三河湾自夏至秋反复上演的景象。关于缺氧化的机制与世界死亡区的分布，海洋"缺氧化"与死亡区的扩大有更详细的解说。

难以摆脱的"恶性循环"——底泥的释放

棘手的是，一旦陷入缺氧的海底会自行开始释放营养盐。有氧时磷与铁结合、固定在底泥中；氧气消失后铁被还原、结合解开，蓄积的磷便溶入水中。氮同样以氨的形态自底泥回归。

也就是说，即便削减了陆源流入，海底积累的"过去的负荷"仍会作为内源负荷持续供给。这正是富营养化治理效果显现需要漫长时间的最大原因，也是许多海湾需要数十年坚持不懈的依据。

世界的死亡区——墨西哥湾与波罗的海的启示

富营养化并非日本独有的问题。毋宁说，海外的巨大案例更鲜明地映照出流域治理的困难。

墨西哥湾——大陆农田在海上绘出的缺氧地图

密西西比河汇集相当于美国本土约四成面积的流域之水，注入墨西哥湾。该流域内分布着世界屈指可数的粮仓地带"玉米带"。当早春施肥与融雪、降雨叠加时，大量硝态氮顺流而下，在初夏的墨西哥湾北部引发浮游植物的大增殖。

NOAA与研究机构每年夏季实测这一缺氧水团的面积。2025年7月20日至25日的调查测得面积为4,402平方英里（约1.14万平方公里），是39年观测史上第15小的数值，低于常年水平。但这并非可喜的数字。最近五年的平均值为4,755平方英里，是密西西比河／墨西哥湾缺氧工作组所定2035年目标（五年平均低于1,900平方英里）的两倍以上。

这一差距的含义相当沉重。美国的污水处理厂深度处理化已基本完成，剩余的削减空间大半在于农田的面源负荷。即便积累了数十年的自愿性保护计划，与目标的距离仍在两倍以上。没有比这更能说明面源治理之难的数字了。

波罗的海——九国分担各自上限的实验

波罗的海是与外海水体交换极其贫乏的半封闭海域。盐度低的表层与厚重的深层全年强烈层化，深层水的更替仅限于数年至十数年一遇的大规模海水流入之时。从地形上看，它是世界上最易受富营养化影响的海域之一。

由沿岸9国与欧盟参加的赫尔辛基委员会（HELCOM），在波罗的海行动计划（BSAP）之下运行着一套雄心勃勃的框架：按海域科学测算"最大允许负荷量（MAI）"，并将其分配为各国的削减义务（国别输入上限）。这是共享同一片海的国家分担负荷总量的思路。

成效已经显现。HELCOM在2023年的综合评估（HOLAS 3）中报告称，营养盐与有害物质的流入已接近均衡水平，较上次评估有所改善。部分国家相对基准期大幅削减了氮的流入。即便如此，同一评估仍得出结论：富营养化依然是波罗的海生态系统面临的最严峻课题之一。海洋的响应，远比治理迟缓。

最近五年的平均面积为4,755平方英里，相当于2035年目标值的两倍以上。

NOAA国家海岸海洋科学中心（2025年夏季墨西哥湾缺氧水团测定结果）

日本的半个世纪——水质总量削减这场漫长实验

日本是在富营养化治理上领先世界的国家之一。以高速增长期剧烈的水质污染为起点，用了近五十年持续削减负荷。这段历程既有成功也有副作用，是一份宝贵的记录。

始于琵琶湖——1979年，领先世界的条例

1977年5月，琵琶湖发生大规模淡水赤潮。面对散发恶臭的红褐色湖水，当查明原因之一是合成洗涤剂所含的磷时，滋贺县民间掀起了"肥皂运动"——停止使用含磷洗涤剂、改用以天然油脂为原料的皂粉，这是一场从生活一侧发起的运动。

以这场市民运动为背景，滋贺县于1979年制定了《滋贺县琵琶湖富营养化防止条例》。该条例不仅对工厂与企业设定氮磷排放标准，还纳入了禁止销售与使用含磷合成洗涤剂、肥料适量施用、家畜粪尿妥善处理等内容。作为以氮磷为对象的排放管制，它在日本属首例，在世界范围内也具有开创性。

琵琶湖条例所昭示的，是把管制与生活习惯的改变结合起来、水质便会好转这一事实。它至今仍被视为日本水环境政策的原点。

水质总量削减制度——从浓度管制到总量管制

即便管制各个排放口的浓度，只要排放企业增多，进入海湾的总量也不会减少。基于这一局限，1978年修订的《水质污浊防止法》引入了水质总量削减制度。该制度将东京湾、伊势湾、濑户内海三个封闭性海域指定为对象水域，对自指定地区流入的污染负荷总量本身设定目标加以削减。

最初的对象仅为COD。自2001年的第5次起加入氮与磷，成为正面应对富营养化的制度。国家制定总量削减基本方针，相关都府县编制削减计划，企业则受总量管制标准约束。制度大致每五年修订一次，现行为第9次。

日本环境省提出的第9次削减目标量如下（单位为吨／日，令和元年度即2019财年的实绩值与令和6年度即2024财年的目标值）。审视此表，便能读出这一制度当下"意欲何为"。

东京湾与伊势湾仍在继续削减，而濑户内海的氮为380→389、磷为24.3→24.6，目标值高于实绩值。这并非笔误。这组数字表明制度已转向"不再进一步削减"，也是日本富营养化治理进入新阶段的宣示。

五十年间改变了什么

将制度启动之初与当下相比，成果十分清晰。据日本环境省的资料，东京湾的COD负荷量已从总量削减启动的1979财年477吨／日，降至2019财年的154吨／日，削减了68%。工厂废水管制与下水道的快速建设发挥了作用。濑户内海的赤潮发生件数也自1976年的299件这一峰值持续减少，近年维持在100件以下。作为一项制度，它无疑属于成功之列。

但削减幅度正逐渐变小。看第9次的目标值便知，东京湾的COD削减幅度是从154到150，仅4吨／日。能够以低成本大幅削减的部分已经削完了。此后每减少一吨，都需要相当于过去十吨的投入与协调。而且剩下的是责任主体难以确定的面源，以及受降雨左右的不确定流出。日本同样站在与墨西哥湾、波罗的海相同的高墙之前。

"过于清澈的海"这一悖论——濑户内海的转向

曾被称为"濒死之海"的濑户内海，通过严格的排放管制与总量削减，水质得到了戏剧性的改善。透明度上升，大规模赤潮的发生件数降至当年的数分之一。然而在此之后，一个谁也未曾预料的问题浮出水面。

紫菜褪色

养殖紫菜吸收海水中溶解的无机氮（DIN）来制造光合色素。营养不足时色素变淡，失去乌黑的光泽，转为泛红的浅色。这就是褪色。褪色的紫菜风味与香气也随之下降，市场价值大幅走低。

在濑户内海与有明海的紫菜渔场，这种褪色成为冬季的严峻课题。成因并非单一：水温上升使紫菜生长期错位、与浮游植物争夺营养、以及海域本身DIN浓度的下降交织在一起。"变干净的海"未必是"丰饶的海"——这一现实被摆在了面前。

2021年修法——从削减的制度转为管理的制度

2021年6月，《濑户内海环境保全特别措施法》修订，创设了营养盐类管理制度。该制度允许相关府县知事制定"营养盐类管理计划"，在环境标准的框架内，面向特定海域、特定季节供给营养盐类。这是从一律削减的制度，转向因地因时加以调节的制度。

日本环境省于2022年3月发布了计划编制指南，同年10月兵库县先于其他相关府县制定了营养盐类管理计划。随后香川县、冈山县、山口县等相继制定计划，明确了各海域的目标值、测定方法与监测体系。

污水处理厂的"季节性运行"这一现场智慧

支撑这些计划的具体技术，是污水处理厂的营养盐管理运行（季节性运行）。平时以尽可能去除氮为目标运行的处理厂，仅在紫菜养殖期的冬季，通过抑制硝化或反硝化的进程，有意提高排放水的氮浓度。夏季则一如既往提高去除率，规避赤潮与缺氧的风险。

兵库县在播磨滩率先于全国将季节性总氮水质目标写入下水道规划。截至2016年，县内已有20处处理厂以紫菜渔期为中心实施营养盐管理运行，观测显示靠近排放口的沿岸渔场，紫菜的色泽相对外海更佳。在有明海沿岸，佐贺县等也推进了类似的共同研究。

不过，这也是一场走钢丝。提高氮浓度的运行容易伴随BOD（生化需氧量）上升，调节失当便可能重新招来赤潮与缺氧。正因如此，计划中嵌入了环境标准的遵守与监测要求，并要求实行适应性管理。既然人主动介入海洋的营养平衡，就必须承担持续测量其结果的责任。

"通过人的介入使海洋更加丰饶"这一发想，也与濑户内海孕育出的里海思想相通。不是为了保护而远离，而是通过持续参与来维持丰饶。营养盐类管理制度，可以说是把这一理念化为法律制度的尝试。

在流域削减——下水道、净化槽与农田能做的事

那么，今后削减的空间在哪里？在点源已经做尽之后剩下的，是朴素、耗时，却确实有效的工作。

下水道的深度处理化

标准活性污泥法擅长去除有机物，对氮磷却去除不足。组合厌氧池与好氧池推进硝化与反硝化以去除氮，让微生物过量摄取磷的生物除磷，或以混凝剂进行化学去除——引入这类深度处理，可大幅降低排放水中的氮与磷。

课题在于费用与时间。既有设施的改造需要巨额投资，能耗也会增加。日本的下水道多已进入更新期，如何同时推进老化对策与深度处理化，成为地方财政沉重的课题。在人口减少的地区，还要在调整设施规模的同时提高处理水平，形成双重难题。

近年来，把处理副产物污泥重新视为"资源"的动向也在扩大。污泥中浓缩着氮与磷，若将其回收为肥料，既能减少排入海洋的量，又能在国内循环高度依赖进口的磷资源。排入海洋是污染物，还田则是肥料——同一种物质因所处位置不同而改变价值这一朴素事实，正在改变对策的设计思路。

净化槽——从单独处理到合并处理，再到深度处理型

支撑下水道未能覆盖地区的是净化槽。只处理粪便污水的单独处理净化槽，会让厨房、浴室、洗衣的生活杂排水未经处理直接排出。虽已原则禁止新建，但既有设备至今在全国仍大量存留，日本环境省与地方政府正通过补助制度推动其改造为合并处理净化槽。

若要进一步针对氮与磷，还有以厌氧滤床槽让反硝化菌发挥作用、以铁电极对磷进行化学去除的深度处理型合并处理净化槽。在流入封闭性水域的流域，将其作为标准加以推广的地方政府正在增加。单台的效果虽小，但整个流域数万台累积起来，就是不可忽视的量。

农田——"减少"与"截留"并举

农田对策的基本有两点。其一是优化投入量：基于土壤诊断的施肥设计、配合作物需求时机的分次施用、以包膜肥料控制释放、局部施肥。停止过量施肥既降低环境负荷，也同时降低生产成本。

其二是在中途截留流出的部分。在农田与水渠之间设置草地或林地的缓冲带，可以承接流出的浑水与营养盐。在冬季裸露的旱田播种黑麦、毛叶苕子等覆盖作物，能吸收多余的氮并防止水土流失。在水田，通过改进耙田期的排水管理来抑制浑水外流的做法正在各地推广。

政策层面，日本农林水产省2021年制定的绿色食品体系战略提出到2050年将化肥使用量削减30%、将有机农业面积扩大到耕地面积的25%（100万公顷）的目标。该战略同时提出化学农药按风险折算削减50%、农林水产业实现零排放等包括性目标。在肥料价格高企的背景下，结合堆肥与污泥源肥料的利用，施肥方式的重新审视正从环境与经营两个层面推进。

畜牧——建立不让堆肥过剩的机制

每年约8000万吨的家畜粪便，若妥善堆肥化便是培肥土壤不可或缺的资源，也有助于土壤碳汇。问题在于分布不均。畜牧兴盛的地区堆肥过剩，而以种植业为主的地区却依赖化肥——为化解这种供需错配，正在推进堆肥造粒以实现跨区流通、种植户与养殖户的对接、以及成分有保证的堆肥产品化。

城区与雨水——接住初期冲刷

在城区，雨水渗透井、透水铺装、雨水花园等绿色基础设施可让雨水渗入地下，缓和路面污染一次性涌入河川。合流制下水道的改造（建设雨水调蓄池、增强截流能力）也是减少溢流未处理污水的直接对策。这些措施同时还具有降低城市型水灾风险的效果。

餐桌、洗涤剂与流域——我们这一侧的选择

富营养化不只是政府、农户与企业的课题。正如琵琶湖的肥皂运动所示，这个国家也有过由生活一侧的改变推动制度的先例。

从厨房流出的东西

在家庭排水中，据说污染负荷最大的是厨房排水。用不完而倒掉的食用油、盘中残留的酱汁与汤、被冲走的剩饭剩菜，都会作为有机物、也作为氮磷的来源进入下水。用纸擦去餐具油污后再清洗、不把油倒入下水道，这些小习惯能确实减轻污水处理厂的负担。

至于洗涤剂，日本的家用含磷洗衣剂已基本绝迹。不过部分餐具洗涤剂、某些商用产品以及进口商品中仍含磷酸盐，因此养成查看成分标识的习惯并非多余。

怎么吃，决定流域的氮

看似绕远，但减少食物浪费同样是在减少氮磷负荷。为被丢弃的食物所投入的肥料与饲料，本身就是白白付出的环境负荷。畜产品因需要饲料作物，氮的投入量更大，因此饮食结构的组成方式也会体现在流域的氮收支上。

同时，选择环境友好的农产品，就是在支持付出努力的生产者。有机农产品、环境保全型农业认证、使用本地循环堆肥的农产品——在卖场做出这样的选择，能推动农户下决心重新审视施肥方式。

把流域视为"自己的地方"

知道自己居住的地方属于哪条河的流域、那条河又注入哪片海的人，出乎意料地少。然而富营养化，恰恰正沿着这条线发生。查看本地河流的水质数据、参加河川或海岸的清扫、去旁听一次地区水环境的会议。不把陆地与海洋看作彼此无关的两件事——这或许是个人面对这一问题所能采取的最本质的态度。

还有一点不愿忘记。谈富营养化容易变成只谈危机，但其尽头的目的，是"找回丰饶的海"。紫菜乌黑而有光泽，滩涂上蛤蜊回归，内湾鱼群熙攘。濑户内海营养盐类管理制度所追求的，不是没有污浊的海，而是生机盎然的海。削减是手段，而非目的。