《Next Research》：Sustainable agriculture in the face of water scarcity: Opportunities, challenges, and global perspectives
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本文系统阐述了再生水在农业领域的应用潜力，指出其可作为缓解全球水资源短缺的关键策略。通过分析直接/间接回用、营养物回收及可控环境农业等技术路径，揭示了再生水在实现SDG 6（清洁水）和SDG 2（零饥饿）目标中的协同效益，同时提出需通过政策支持与风险管控推动技术落地。
1. 引言
全球农业正面临淡水资源日益紧张的压力，农业消耗了全球70%的淡水资源，而气候变化加剧了水资源的不可预测性。随着人口增长，到2050年全球人口将达到97亿，农业用水需求与有限供应之间的矛盾日益突出。再生水利用成为解决这一矛盾的关键路径，其不仅能替代淡水灌溉，还能通过营养物循环提升土壤肥力，支持可持续农业发展。
2. 水回用的概念
水回用分为直接回用（处理后直接用于灌溉）和间接回用（补充地下水后再利用）两类。技术进步使再生水可达到近乎纯净的水质，甚至用于饮用水生产。这种实践不仅缓解水资源压力，还减少未经处理废水对自然水体的污染，促进循环生物经济发展。
2.1. 再生水来源
主要废水来源包括市政废水、工业废水和农业排水。市政废水因产量大、成分相对稳定成为最常用来源；工业废水成分复杂但回用潜力高；农业排水富含营养物，但需注意盐分和农药残留。不同来源的废水需针对性处理工艺以满足农业灌溉标准。
2.2. 再生水在食品系统中的创新应用
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直接灌溉：处理后的废水直接用于作物灌溉，尤其适用于非生食作物。欧盟按水质将再生水分为A-D类，对应不同作物类型的安全标准。
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间接回用：通过含水层补给补充地下水，自然过滤进一步提升水质，但需防范污染物迁移风险。
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土壤调理与肥灌：再生水中的氮、磷等营养物可替代部分化肥，降低农业成本。但需监控盐分积累对土壤结构的长期影响。
2.3. 水培、鱼菜共生和垂直农业：再生水在可控环境农业中的扩展作用
可控环境农业极大提升了水资源利用效率。水培系统利用营养液替代土壤，再生水需经反渗透或紫外线消毒确保无病原体；鱼菜共生系统形成鱼-植物循环，再生水需平衡鱼类和植物需求；垂直农业通过层叠种植节约空间，再生水循环系统可减少90%的淡水消耗。这些技术特别适合城市和缺水地区，但需严格监控水质参数如pH值、电导率和微生物指标。
3. 水回用在农业和食品系统中的效益
3.1. 节水与效率提升
再生水灌溉可减少淡水提取量，帮助农业应对干旱。研究表明，气候变暖使全球干旱频率增加，而再生水提供稳定水源，保障作物在旱季正常生长。
3.2. 营养物循环
再生水含氮、磷等营养物，可减少化肥使用量，降低水体富营养化风险。例如，用再生水灌溉番茄可提升产量，但需注意营养物浓度波动对作物的影响。
3.3. 环境效益
减少淡水提取保护水生生态系统，同时降低废水排放对河流的污染。再生水回用还能恢复湿地生态，提升区域生物多样性。
3.4. 经济优势
再生水成本低于淡水，且营养物价值可降低化肥开支。案例显示，使用再生水灌溉的玉米、番茄等作物产量显著提升，但部分作物如柑橘可能出现减产，需作物特异性管理。
4. 安全有效的水回用技术
4.1. 膜过滤
反渗透可去除99%的溶解盐和病原体，但能耗高；超滤适用于去除悬浮物和细菌，常作为反渗透预处理。膜污染是主要运行挑战。
4.2. 高级氧化工艺
通过羟基自由基降解有机污染物，如臭氧/UV、芬顿试剂等工艺可去除药物残留，但可能产生毒性中间体，需优化反应条件。
4.3. 生物处理
人工湿地和生物滤池利用微生物和植物净化废水，成本低且促进生态平衡，但占地面积大且效率受气候影响。
5. 水回用的挑战与风险
5.1. 健康风险与污染物
病原体和大肠杆菌可能通过灌溉传播，化学污染物如重金属、内分泌干扰物存在植物富集风险。多级屏障处理和实时监测是保障安全的关键。
5.2. 公众认知与接受度
"心理排斥"是主要障碍，需通过科普宣传和试点项目增强公众对处理技术的信任。文化因素也会影响再生水用于食用作物的接受度。
5.3. 经济与基础设施障碍
污水处理厂建设成本高，发展中国家缺乏资金和技术支持。管网系统不完善也制约再生水配送。
5.4. 农业水回用方法的机遇与局限
不同回用方式各具特点：二级处理出水成本低但风险较高；膜技术效果好但能耗大；含水层补给适合大型项目但地质条件要求高。需根据当地条件选择组合策略。
6. 案例研究与成功经验
以色列85%再生水用于农业，西班牙通过政策支持高价值作物灌溉，加州采用先进处理技术应对干旱，新加坡的NEWater计划通过公众教育推动再生水接受度。这些案例表明，政策-技术-社区协同是成功关键。
7. 结论
再生水是构建气候韧性农业系统的核心策略。未来需整合精准灌溉、传感器监测等智能技术，同时加强国际合作与知识共享，推动再生水在保障全球粮食安全中发挥更大作用。
