综述：养分循环：全球和巴西农业中废水利用的前景与风险

《Agricultural Water Management》：Recycling nutrients: The promise and perils of wastewater use in global and Brazilian agriculture

本文系统评述了废水灌溉（WWI）作为应对全球水资源短缺和促进养分循环的战略意义，重点分析了其在巴西农业中的应用潜力及面临的挑战（如新兴污染物CECs、抗生素耐药性ARB/ARGs等风险）。文章对比了国际实践与巴西本地现状，指出通过先进处理技术（如膜过滤、臭氧氧化）和基于风险的法规框架，可推动WWI从边缘实践转变为保障水资源安全、粮食安全和可持续农业的主流解决方案。

　　

养分循环：全球和巴西农业中废水利用的前景与风险

随着气候变化、人口增长和农业扩张推动全球水资源需求上升，废水灌溉（Wastewater Irrigation, WWI）作为一种水资源节约和养分循环的策略展现出巨大潜力。农业消耗了全球近70%的淡水，而在巴西，仅50.8%的废水得到处理，WWI占灌溉总面积的比例不到0.1%。本文通过比较全球实践、法规框架和处理技术，批判性评估了WWI在巴西农业中的潜力和挑战。

1. 引言

农业是全球最大的淡水消耗者，占全球取水量的近70%。快速增长的人口进一步增加了粮食生产的需求。作为应对策略，联合国通过《2030年可持续发展议程》强调了推进全球水回用实践的重要性。在此战略框架内，WWI已成为一种可持续方法，有助于回收磷（P）、氮（N）和钾（K）等必需常量营养素，从而减少对合成肥料和外部有机物的依赖。然而，WWI的实施必须谨慎应对相关风险，这些风险可能对作物产量、环境质量和人类健康产生不利影响。

2. 废水灌溉在作物生产中的应用

关于WWI的研究出版物数量显著增加，反映了其日益增长的重要性。文献计量分析显示，相关研究热点主要集中在欧洲和北美等高收入国家（HIC），而中低收入国家（LMIC）如巴西的相关案例研究较少。关键词共现网络可归纳为五个主要集群，涉及灌溉与氮素、污染物积累与生物有效性、回用与生物量、病原菌与再生水、以及高级氧化过程等去除技术。这些信息有助于优化资源利用并减轻潜在风险。

3. 废水灌溉的历史视角

WWI的历史使用可以追溯到几十年前。早期研究已经认识到其经济益处（如施肥和降低灌溉成本）以及潜在的长期风险（如病原体、农药和重金属）。尽管多年来全球对WWI的各个方面进行了广泛研究，但在其用于作物生产的真正优势和劣势方面仍未达成共识。不同国家实施的不同回用政策增加了该领域的不确定性。

4. 废水灌溉在巴西的应用

巴西是主要的农业生产国和出口国，但面临着农业部门持续扩张带来的日益增长的用水需求。尽管巴西拥有丰富的水资源，但每年通过农产品出口大量的虚拟水。巴西的灌溉土地面积中，有35.5%使用回用水。目前，巴西联邦决议CONAMA N°. 503规定了食品、饮料、乳制品、肉类加工等行业工业废水用于WWI的质量标准。然而，对于市政二级出水（MSE）的农业回用，缺乏联邦立法，仅有9个州发布了相关决议，但这些决议缺乏控制政策以减轻与WWI相关的环境和人类健康影响。

5. 与废水灌溉相关的潜在风险

使用MSE进行灌溉会将有机物、营养素、病原体、新兴关切污染物（Contaminants of Emerging Concern, CECs）、金属和重金属等复杂混合物引入农业生态系统。这些成分对作物、土壤、生物群乃至人类健康构成潜在风险。风险程度取决于MSE的成分，这与污水处理厂（WWTP）所采用的处理技术的效能有关。

5.1. 生态风险与公共健康视角

MSE回用带来的公共健康风险主要包括病原微生物、抗生素耐药菌（Antibiotic-Resistant Bacteria, ARB）和CECs。在巴西的研究案例显示，使用MSE灌溉生菜在某些情况下可以提高产量且未损害食品安全，但也可能改变土壤理化性质和微生物群落结构。长期研究表明，WWI可以改变土壤特性，既可能提高土壤肥力，也可能导致盐分和重金属积累。CECs，包括药品和个人护理产品（PPCPs），即使在低浓度（ng·L^-1 到 μg·L^-1）下也可能在环境中持久存在并引起“鸡尾酒效应”，造成内分泌干扰等毒性效应。

5.2. 土壤质量

长期研究显示，WWI可以改变土壤性质和金属积累模式。例如，在美国加利福尼亚州，3-20年的WWI导致土壤pH值降低、盐度升高，以及有机质、碳和氮含量增加。在巴西的半干旱地区，长期使用MSE灌溉可能导致建立特定且持久、功能更活跃的微生物群落。然而，镉（Cd）和锌（Zn）等金属的生物积累可能构成潜在健康风险。这些发现凸显了WWI的双重性质，即在增强土壤肥力的同时，需要持续监测以防止盐渍化、金属积累和生态毒理效应。

6. 全球废水灌溉法规

全球范围内，农业废水回用的法规和指南在阈值限值上存在差异。通常对生食作物和不受限制公共访问的场景设定更严格的阈值。耐热大肠菌群是最常见的指标，其次是肠道线虫。高收入国家通常采用更严格的标准，并开始关注CECs的去除，例如欧盟法规2020/741和2024/3019要求对特定CECs达到一定去除率。相比之下，巴西的监管环境分散，各州标准差异大，且缺乏针对CECs的联邦法规，这凸显了标准化和基于证据的风险评估框架的重要性。

7. 巴西作物生产中废水灌溉的现状

在巴西，农业是淡水取用的主要部门（2022年占50.4%）。尽管巴西水资源丰富，但东南部和南部地区曾经历水资源短缺。与许多高收入国家不同，基于厌氧处理的MSE（如稳定塘和上流式厌氧污泥床（UASB）反应器）在巴西占主导地位，这些处理对CECs和病原体的去除不足，带来了较高风险。WWI在巴西的应用始于20世纪80年代，但目前用于农业灌溉的废水比例仅为0.1%，与以色列（86%）形成鲜明对比。在甘蔗加工等领域，废水回用潜力巨大。针对巴西作物（如甘蔗、小麦、生菜、大豆）的研究表明，WWI在适当管理下可以降低水足迹、提高产量，但也需要关注微生物风险和养分平衡问题。

8. 未来挑战与展望

将处理后废水用于农业灌溉是缓解水资源短缺、促进养分循环和推动可持续粮食生产的关键策略。未来的挑战包括：监管框架的异质性、传统处理技术对CECs和ARB/ARGs的去除不足、公众接受度和农民参与度低、废水营养成分多变带来的农艺风险，以及气候变化的影响。应对这些挑战需要通过技术进步、政策协调和公众参与，采用多学科合作的方法。通过优先开展长期风险评估、创新水处理解决方案和制定全面的监管框架，废水灌溉可以从一种小众实践转变为主流解决方案，为水安全和粮食安全做出贡献，培育有韧性和可持续的农业系统。