優養化(Eutrophication)(一)
優養化(Eutrophication)(一)
國立臺灣師範大學附屬高級中學學生蔡韶恬/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師
(優養化，圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Eutrophication)
優養化是指水體生態系中，由於清潔劑、肥料或穢物等富含植物生長營養素的物質流入，導致水質汙染的現象，這些植物營養素通常含有氮、磷等元素。
其結果通常使生態系之初級生產力(Primary production)增加（植物過度的生長與腐敗），進一步的影響包括：缺氧、水質惡化及魚、貝類大量死亡等。
(三聚磷酸鈉曾經是很多種清潔劑的添加成份，為優養化的元兇，圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Eutrophication)
優養化的機制(Mechanism of eutrophication)
優養化肇因於植物營養素的過量供給，導致植物及藻類急遽大量成長，這些有機體死亡後大量消耗水體中的溶氧，形成大量缺氧的狀態，導致水質惡化。在水體系統中，窒息性水生植物或浮游性植物(即藻華)的生長速率若提高，會阻礙正常生態系統的運作，使水中缺氧，導致魚類及甲殼類無法生存。
磷酸鹽是造成優養化的限制因子(limiting factor)，自然界的磷酸鹽原本固定在土壤中，是植物生長必需的營養素，其流動是藉由侵蝕作用。一旦磷酸鹽被轉移至湖泊等水體中，將很難除去，意即優養化幾乎是不可逆的。此時水變得混濁，顏色轉為綠、黃、褐或紅。人類也同樣受到衝擊：優養化降低河流、湖泊和河口資源的利用價值，如影響娛樂、捕魚、狩獵及破壞環境等，甚至干擾飲用水的處理，造成健康的問題。
(一)湖泊、河流和海洋
二十世紀中，優養化現象被視為是歐洲及北美湖泊和水庫的嚴重污染問題，而後範圍更加擴大。依據調查，亞洲54%的湖泊有優養化現象，歐洲為53%、北美為48%、南美為41%而非洲則為28%。
湖泊的優養化是一種自然的過程，也有許多湖泊的狀態恰好與優養化相反，即營養物質隨時間漸漸減少。現代考古湖沼學家認為，氣候變遷及其他外在因素的影響同樣重要，而更重要的是調節湖泊自然生產力的因素。河口也有自然優養化的趨勢，因為流水所挾帶來自陸地的植物營養素集中在河口狹小的範圍內。
位處熱帶的氾濫平原地區，優養化也可能由於季節性洪水氾濫的自然過程而產生，如尚比西河的巴洛茲氾濫平原，當雨季開始之後，第一次的洪水(稱之為紅水)沖掃過氾濫平原，洪水所帶來自平原上牲畜的糞便，及腐敗的乾季植物，往往造成優養化而導致許多魚類的死亡。平原上為種植玉米、稻米和甘蔗等作物而施肥，使優養化的現象更形嚴重。
人類的活動會加速營養物質進入生態系，農業與工業的排放，化糞池與下水道污水，及其他人類的活動產生的污染，會增加無機營養素與有機物的流動，使其進入陸地、水體及海洋沿岸生態系統(包含珊瑚礁)，增加大氣的含氮化合物也會增加土壤氮元素的供應來源。
當湖泊受到下水道的點狀污染源污染而產生優養化時，磷元素常被視為是主要的元兇，藻類的數量和湖泊優養化程度與水中的磷含量有密切的關係。安大略實驗湖泊區的研究結果顯示，磷元素的增加與優養化速率有密切的關聯性存在。人類活動使磷元素在地球的循環速率增加了四倍，其主要原因是農業肥料的生產與使用。在1950到1995年之間，已經有600,000,000噸的磷施放於地球表面，主要在農地上。控制磷的點狀來源能快速地控制優養化，因此改善的關鍵繫於政策的改變。
(二)陸生生態系
一般認為植物營養素流入湖泊、海灣或其他半封閉水域(甚至緩流的河流)會使水生系統繁茂，然而陸生生態系也同樣受到負面的衝擊。土壤中硝酸鹽的增加往往使植物種類結構改變，而這種改變並非人們所希望的。當陸地生態系發生優養化時，許多植物品種也會面臨危機，例如：歐洲大部分的蘭花品種及一些多草低地、森林和沼澤地帶的生態系以低量植物營養素為主。若氮元素含量非自然地增加時，便有利於生長快速、競爭力較強的植物，如高大的草，它們會過度生長，使整個地區完全改觀，而較脆弱的品種就可能消失，如品種豐富的沼澤被蘆葦或芒草所取代。又如由於施肥田地的肥料過量使用，可能使壯麗的森林轉變成濃密的蕁蔴和懸鉤子灌木叢等。
至於優養化的形成，氮的化學形式是最常被關注的問題，因為植物對氮有高度的需求，所以增加氮化合物會刺激植物的生長，磷元素增加時其情況也相同。土壤中氣態的氮非常穩定，不能直接為高等植物使用。陸生生態系依賴固氮細菌將氮氣轉變成其他形式，如硝酸鹽。然而可被利用的氮是受到限制的，生態系取得的氮超過植物所需稱為氮飽和。磷素遠比氮素更不易溶於水，因此它由土壤濾出的速率遠較氮素慢，因此對於水生系統的限制營養素，磷素遠比氮素重要。
參考資料：
- Eutrophication 。檢索日期 2014.8.15， http://en.wikipedia.org/wiki/Eutrophication。
- 葉名倉(民97)，基礎化學。南一，台南市，p.35。
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