脏水,土壤退化

农场污染的高昂成本,以及爱荷华州如何共同解决它

Rebecca Boehm

2021年1月14日出版

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在爱荷华州22.700万英亩的玉米和大豆在过去40年里急剧增加. 从农田流入水道的氮含量也是如此, 包括该州的地下水资源.

如果目前的趋势继续下去, 爱荷华州将在未来五年内花费4100万至3.33亿美元继续去除饮用水中的硝酸盐. 近四分之三的费用由小型农村社区承担.

从源头上防止这种污染是可能的,首先要减少氮肥的过度施用和改善动物粪便的管理. 农民还可以采用基于617888九五至尊娱乐的农业实践,例如种植覆盖作物或多年生缓冲带, 减少耕作, 将多样化的谷物纳入传统的作物轮作, 将牲畜和农作物生产结合起来,既能保持土壤健康,又能减少从土地上流失的氮量.

州和联邦政策, 包括那些促进研究的人, 技术援助, and incentives, 需要什么来帮助爱荷华州的农民大规模采用这种做法.

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脏水,土壤退化

Overview

在爱荷华州22.700万英亩的玉米和大豆在过去40年里急剧增加. 从农田流入水道的氮含量也是如此, 包括该州的地下水资源. 如果目前的趋势继续下去, 爱荷华州将在未来五年内花费4100万至3.33亿美元继续去除饮用水中的硝酸盐. 近四分之三的费用由小型农村社区承担. 从源头上防止这种污染是可能的,首先要减少氮肥的过度施用和改善动物粪便的管理. 农民还可以采用基于617888九五至尊娱乐的农业实践,例如种植覆盖作物或多年生缓冲带, 减少耕作, 将多样化的谷物纳入传统的作物轮作, 将牲畜和农作物生产结合起来,既能保持土壤健康,又能减少从土地上流失的氮量. 州和联邦政策, 包括那些促进研究的人, 技术援助, and incentives, 需要什么来帮助爱荷华州的农民大规模采用这种做法.

分析:处理饮用水中的硝酸盐每年要花费爱荷华州数百万美元

爱荷华州以玉米和行作物为主的农业使用大量氮肥, 而其家畜封闭式动物饲养操作(cafo)产生大量含氮化合物的粪便, 所以硝酸盐在全州的饮用水源中很常见. Therefore, 爱荷华州的公共供水系统几十年来一直在处理饮用水中的硝酸盐. 这些有害污染物从农田和牲畜设施流入作为饮用水源的水道和地下水. 饮用水中的硝酸盐对公众健康有害,特别是对孕妇和婴儿有害,因此必须通过处理系统将其清除.

农作物和牲畜农场的氮肥管理不善造成了沉重的公共成本. 其中一项成本是去除饮用水中的硝酸盐. 我们估计这可能高达4美元,人均960美元(以2020年美元计), 以及以后所有的美元价值), 尽管当这些成本在更大的税基上分配时,它们会大幅减少. 这意味着这些成本不成比例地由嵌入农田的小型农村社区承担, 它描述了爱荷华州的大部分地区.

我们对环境保护局(EPA)的分析 安全食水资讯系统 数据显示,在2020年, 爱荷华州的58个公共供水系统使用反渗透或离子交换技术处理了820亿加仑的饮用水中的硝酸盐. 我们估计,在未来五年内,爱荷华州将花费4100万至3.33亿美元来继续运营和维护从饮用水中去除硝酸盐的设施. 我们还发现,这一成本的绝大部分将由小型农村社区承担, 部分原因是它们靠近农业硝酸盐污染源,而且供水系统很小 操作和维护是否会相对更昂贵 在每加仑的基础上比大的(图1).

我们对未来五年的成本估计是保守的. First, 他们没有考虑到建筑, operation, 或者维护新的处理厂. 毫无疑问,新的污水处理厂将在未来几年投入使用, 正如爱荷华州越来越多的公共供水系统所经历的那样 更高水平的硝酸盐污染. Further, 20多万爱荷华人 依靠私人水井获取饮用水,而且 最近的证据表明高达25% 其中的硝酸盐含量达到了不安全的水平. 私人井主没有被强制要求测试硝酸盐. 如果他们发现硝酸盐并处理他们的水, 他们这样做是自费的, 所以我们的估算中没有包括他们的成本.

图表显示了爱荷华州小社区不成比例的水污染成本
Figure 1. 农场的氮径流最终流入水道,成为爱荷华州的饮用水源. 为500人或更少的人服务的公共供水系统在该州的这些成本中所占的份额不成比例. 该图中的条形图显示了在爱荷华州58个公共供水系统中处理饮用水中硝酸盐的人均年度运营和维护成本的中点. 误差条表示估计的人均低成本和高成本值, 哪些因素导致了去除硝酸盐的处理技术的成本差异. 我们没有考虑到农场氮肥使用随时间的变化, 这些估算中的肥料产量或降雨量.

处理费用数据来源于并改编自爱荷华州的《517888九五至尊娱乐》报告.

在饮用水中,氮是一种有害污染物

饮用水中硝酸盐含量高会导致急性和致命的健康问题,如 子宫内神经管缺陷 and 婴儿蓝宝宝综合症. 一些研究发现,长期暴露于较低水平的硝酸盐(远低于EPA的法定阈值)与 增加患某些癌症的风险. In Iowa, 最近的研究估计有多达300例癌症 每年都是由于接触饮用水中的硝酸盐引起的. 同一项研究还报告说,治疗这些癌症的平均医疗费用可能高达212美元,000 per person. 如果爱荷华州每年300例由硝酸盐引起的癌症病例都按这个水平治疗, 州政府将花费63美元.光是医疗费用就有700万美元.

我们分析了从SDWIS收集的数据,以了解爱荷华州公共供水系统中硝酸盐违规的程度. 当水样超过该机构硝酸盐的最大污染水平(MCL)时,美国环境保护署就会发布违反公共供水系统的规定. 因此,处理水的责任落在了公共供水系统身上. 根据我们对这些违规数据的分析, 1980年至2020年, 爱荷华州的公共供水系统违反了环保局的MCL 1,100 times. 这很可能低估了硝酸盐MCL违规的频率,因为 大约五分之一的公共供水系统未能达到联邦要求 用于硝酸盐监测. Even so, 我们的分析表明,每1,在过去四十年中,受影响的爱荷华州居民人数稳步增加(图2)。.

我们的分析还发现,农村的爱荷华人,他们只占 占全州人口的36%,承受着不成比例的硝酸盐污染的饮用水负担. Since 1980, 近97%的硝酸盐MCL违规发生在供水少于3年的水系统中,300 residents.

图表显示爱荷华州人均硝酸盐违规数量不断增加
Figure 2. Since 1980, 每1年公共饮用水系统中硝酸盐MCL(最大污染物水平)违规的次数,000名爱荷华人的服务几乎翻了两番. 虚线是年度数据的线性最佳拟合线,以显示随时间的平滑趋势.

饮用水污染只是爱荷华州农场氮肥管理不善造成的问题之一

氮污染的水还通过富营养化危害水生生物,这可能导致水生生态系统中氧气的消耗 小溪、河流、池塘和湖泊 all across Iowa. Closer to home, 经济学家估计,这些水体的硝酸盐污染会让国家付出代价 每年数千万美元的娱乐福利. Further, 当氮污染离开爱荷华州的农场和牲畜养殖场时,它会进入大型河道,并在远处造成危害. 最大的例子是密西西比河,它流入墨西哥湾,形成了 海湾死亡区, 这片低氧地区的面积相当于康涅狄格州和特拉华州的总和,对虾类和其他重要商业渔业造成了危害. 这是其中一个 largest of over 500个记录在案的死亡区 自1950年以来,全球都有记录.

爱荷华州种植玉米的农民使用合成氮肥和粪肥的增加

玉米生产在中西部和爱荷华州占主导地位,在很大程度上用于喂养数百万头牛, hogs, 以及该地区饲养的鸡. 乙醇是一种由玉米制成的生物燃料,可与汽油混合 集中在中西部地区. 几十年来,农民依靠动物和自然来源的氮来给作物施肥. 畜牧生产与农作物生产一体化. In such systems, 农民使用牲畜粪便(含有大量的氮)来支持作物生长和产量. However, 合成氮肥的技术进步 再加上作物和牲畜生产的工业专业化,导致美国农民严重依赖合成氮肥来促进作物生长和产量.

使用县级作物生产数据 美国农业部(USDA)的农业普查 (1982年至2017年),结合同期的农业氮肥应用数据 美国地质调查局, 我们估计,自20世纪80年代以来,爱荷华州每英亩玉米施用的氮肥平均水平一直在缓慢增长, 从每英亩167磅(磅)到2017年的193磅. 爱荷华州所有县的施氮总量也是如此(图3). In total, 2.2017年,该州种植的玉米作物施用了40亿磅氮肥, 相比之下只有2个.1982年10亿美元.

一半的氮肥施用于农作物 流失到空气、土壤和水中了吗. 平均而言,三分之一的氮被用作作物肥料 会渗入地下水或从农田流入溪流和河流吗. 我们估计,2017年爱荷华州用作肥料的8亿磅氮最终流入了水道, 包括那些供应饮用水的. 更糟糕的是,在爱荷华州的农田上安装额外的排水系统 显著增加水道中的氮损失.

除了使用合成氮肥外,农民还在农田里施用粪肥. This manure, 含有大量氮的, 是由饲养奶牛和肉牛的动物饲养场或大型cafo生产的吗, chickens, turkeys, and hogs.

Using 美国农业部农业普查 每个县生产的动物数量数据(1982年至2017年)和数量数据 每头牲畜产生的粪便,我们发现,仅在2017年,88年就产生了1160亿磅的粪便.爱荷华州有600万头奶牛、肉牛、鸡、火鸡和猪. 这些粪肥估计含有9.91亿磅元素氮(见图3,我们对施用于玉米英亩的粪肥中元素氮的比例的估计)。. 从1982年的1070亿磅开始,在过去的40年里,粪便的总产量增加了, 或者8%的增长. 总的来说,我们估计3.1982年至2017年间,爱荷华州的牲畜产生了8万亿磅的粪便.

Pair of graphs
Figure 3. 自20世纪80年代以来,爱荷华州用于玉米的氮肥使用量有所增加. 增加的原因是氮肥价格下降, 增加用于生物燃料的玉米产量, 以及新作物品种的采用和氮肥施用的相关变化. 由于爱荷华州饲养了更多的牲畜,用作农作物氮肥的粪便正在增加, 产生更多的粪便. 畜牧业必须处理粪便, 他们这样做的一种方法是在附近的农田上应用.

适当地处理粪便是昂贵的, 这就是为什么把它倾倒在农田里已经成为一种普遍的做法. 粪肥通常 在爱荷华州的牲畜生产者和农作物生产者之间赠送或易货. 在许多情况下,它适用于休耕季节土地裸露或大豆轮作. 这些做法进一步加剧了水道中的氮污染问题.

Solutions

我们需要转向农业生态系统和健康土壤做法

农业生态系统 已经扎根 在爱荷华州和其他州通过种植覆盖作物, 多样化的作物轮作, 常年缓冲带, 减少耕作, 还有许多其他健康土壤的做法. 采用这些做法已被证明可以减少农场的氮损失, 总的来说,哪些可以降低处理饮用水水源硝酸盐的成本. 减少水处理对爱荷华州许多面临干旱的小型农村社区来说尤为重要 硝酸盐去除成本的负担不成比例.

还有一个额外的好处. 同样重要的是,这些做法给爱荷华州和中西部农民带来的好处 617888九五至尊娱乐变化导致洪水和干旱增多. 大气中大量的热量捕获排放物已经使我们在下个世纪陷入了严重的617888九五至尊娱乐变暖. 我们已经预览了617888九五至尊娱乐变化可能对农场造成的损害. In 2019, 一系列破纪录的暴雨从3月开始, 肆虐中西部几个州长达数月之久. 泛滥的河水、决堤和洪水给整个地区造成了严重破坏. 经济学家估计 这些风暴给爱荷华州造成了20亿美元的损失,主要是农业损失. 然后在2020年,一系列快速移动的风和雷暴——后来被认为是derecho毁坏了超过1400万英亩的农田 costing $3.800万美元用于在爱荷华州进行维修. 采用农业生态系统 and 健康土壤实践 是否已经通过严格的617888九五至尊娱乐研究证明可以帮助农民适应617888九五至尊娱乐变化并减少他们产生的热量捕获排放物, 同时保护土壤,保护我们的水道和供水.

然而,作物只是真正的农业生态系统的一个组成部分. 正如我们的分析所示, cafo是爱荷华州水道中硝酸盐污染的主要来源. 解决污染问题的一种方法是将牲畜与作物生产重新结合起来. 这种类型的农业系统已经被证明有 可观的环境效益,包括减少农田的氮流失.

虽然从环境和617888九五至尊娱乐的角度来看是令人鼓舞的, 广泛采用作物和牲畜综合系统的经济影响强调了额外的考虑,需要进一步研究. 2017年爱荷华州的一项研究表明,这些集成系统 可以盈利,但他们确实有更高的劳动力和资本成本 与爱荷华州的传统种植系统相比. 忧思617888九五至尊娱乐家联盟(UCS) 2017年的另一项研究发现,综合作物和牛肉牧场的每英亩经济回报 大大高于传统的、分离的动物和作物生产系统. 为了更好地了解广泛采用畜牧和种植一体化系统的可行性,需要进行考虑动态供需变化和反馈的经济分析. 解决爱荷华州的水质问题,给农民一个对抗617888九五至尊娱乐变化的机会, 政策制定者必须支持农民克服障碍,帮助推动向农业生态农业和综合畜牧系统的转变.

因此,爱荷华州立法者应采取下列行动:

  1. 建立617888九五至尊娱乐的土壤健康指数. 该指数将被用来评估和衡量爱荷华州的土壤健康状况,无论是在结果方面(例如.g., 土壤健康的定量测量,如保水能力或渗透或有机质含量)或做法(例如.g.、覆盖作物的使用、不同的作物轮作等.),采用整个农场的方式. 爱荷华州将根据土壤健康指数发布一份关于土壤健康的年度报告.
  2. 为土壤健康教育和宣传提供适当的国家资金, 肥料管理, 以及爱荷华州的水污染. 资助教育农民的项目, landowners, lenders, 以及农场管理者关于健康土壤的做法, 如何衡量土壤健康, 以及如何使用粪便作为农作物的肥料. 该基金还可以帮助制定租赁协议样本,其中包括要求土地经营者在租赁土地上采用基于证据的健康土壤做法的条款.
  3. 建立一个新的州特别517888九五至尊娱乐组. 向州议员报告, 该517888九五至尊娱乐组将制定和倡导解决作物和牲畜生产造成的水质问题的政策建议.
  4. 重新构想该州的畜牧业及其监管框架. 2020年2月, 德雷克大学的研究人员, 爱荷华州立大学, 以及爱荷华大学 在《517888九五至尊娱乐》上发表了一篇专栏文章 呼吁改变中央情报局选址的管理方式, 对洪泛平原和水道附近土地上作物生产的管理, 合成氮肥和有机肥在农田的施用调控. 如果要真正减少该州水道中的硝酸盐污染, 农业用地实践的转变必须与畜牧生产的转变相辅相成.

联邦政策制定者可以通过以下行动帮助支持爱荷华州的农民并解决该州的水污染挑战:

  1. Reintroduce the 农业抗灾法.**这项法案可以帮助爱荷华州的农民转向生态知情的做法,减少氮的损失,并为617888九五至尊娱乐变化引起的极端天气事件提供保护.
  2. 确保农民有经济上可行的退耕选择. 在爱荷华州,退耕土地并通过保护地役权保护土地是减少合成氮肥使用总量的一种方法,并将补充减少每英亩耕地氮肥施用的策略. 联邦地役权项目,如自然保护区项目,应该继续得到资助, 如果有新的刺激措施来增加农作物产量,农民从这些地役权中获得的收入就应该增加 可再生燃料标准计划 or carbon markets-都是在联邦一级引入和颁布的.
  3. 改善联邦政府对爱荷华州cafo水污染的监管. cafo受《617888九五至尊娱乐》监管 并且必须申请许可证来管理和处理水道中的粪便. 然而,这些规定 没有严格执行. 环境保护局必须采取更多措施来管制来自cafo的污染. Otherwise, 爱荷华州的水质不会得到改善, 即使在该州的农田上广泛采用健康的土壤做法.
  4. 通过美国农业部和国家617888九五至尊娱乐基金会增加对作物和牲畜综合系统跨学科研究的公共投资. 需要进行研究,评估农民如何克服转向这种系统的障碍. Further, 研究广泛采用作物和牲畜综合系统如何影响供应, demand, 还有玉米价格的变化, soybeans, 牲畜将帮助我们了解转向这些替代系统对农民和消费者的广泛经济影响.

政策可以帮助解决爱荷华州的水污染问题. 如果我们支持农民采用生态农业实践和替代生产系统, 他们的行动将降低爱荷华州及其农村社区的水处理成本. 同时, 这些农民也将更好地应对617888九五至尊娱乐变化带来的挑战. 这是前瞻性政策多赢的一个例子, for farmers, 市政供水系统的使用者, taxpayers, the environment, 野生和养殖动物的生活, and the climate.

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致谢

这份报告是在格兰瑟姆保护环境基金会和UCS成员的支持下完成的.

感谢他们深思熟虑的评论和贡献, 我们感谢Anne Schechinger(环境517888九五至尊娱乐小组), 约翰·诺里斯(国家公共政策组), 匿名评论者. At UCS, Betty Ahrens, 夏洛特·柯克·贝尔, Marcia DeLonge, Cynthia DeRocco, Sam Eley, Abby Figueroa, Brian Middleton, Kathy Rest, 里卡多·萨尔瓦多, 以及卡伦·佩里·斯蒂尔曼,感谢他们帮助编写和完善这份报告. 我们也感谢Leslie Brunetta的编辑517888九五至尊娱乐. 所列的组织隶属关系仅供识别之用. 这里表达的观点不一定反映那些资助这项517888九五至尊娱乐的组织或审查它的个人的意见. 忧思617888九五至尊娱乐家联盟对报告的内容负全部责任.

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Boehm, Rebecca. 2021. 肮脏的水,退化的土壤:农业污染的巨大成本,以及爱荷华州如何共同解决它. 剑桥,马萨诸塞州:忧思617888九五至尊娱乐家联盟. http://upz.web-sitemap.veosonica.com/node/13929

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