水处理网讯:导读：以清华大学地球系统科学系副教授喻朝庆为第一作者的相关论文，2月28日发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志（Nature）上。题为《论氮管理以恢复中国水质》。论文统计了1955至2014年间的水体氮富集数据和各省向内陆水体的氮排放量，首次计算出全国水体氮排放安全阈值为每年520万吨。然而，中国目前水体氮排放量约为每年1450万吨，超标1.7倍。
问渠那得清如许？用现代环境科学的眼光来看，水质清洁与水体氮含量息息相关。过去四十年前，中国粮食产量大幅提高，氮肥施用量占到全球的三分之一，这为水质问题埋下了隐患。
若想全面重建清洁水体，我们需如何为过度氮排放买单？
以清华大学地球系统科学系副教授喻朝庆为第一作者的相关论文，2月28日发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志（Nature）上。题为《论氮管理以恢复中国水质》。
论文统计了1955至2014年间的水体氮富集数据和各省向内陆水体的氮排放量，首次计算出全国水体氮排放安全阈值为每年520万吨。
然而，中国目前水体氮排放量约为每年1450万吨，超标1.7倍。
作者提出，利用“4R”施肥、控释施肥等科学管理方法，每年能减少约230万吨的农田氮排放，占到超标排放量的25%。
不过，若要全面恢复清洁水质，中国应全面改革氮管理体系，统筹农业、生活、工业等各个排放源。相关工程需要投入1040亿美元（约7000亿元人民币）的基础设施，每年的运营成本则为170至250亿美元。
相比起水污染在2014年造成900亿美元（约为6000亿元人民币）的损失，占到当年GDP的1.5%，论文认为改革的收益十分可观。
32%：中国氮肥消耗量占到全球的三分之一
在过去的四十年间，中国的粮食产量显著提高。从1950年到2014年，在耕地面积总体没有太大变化的情况下，粮食产量从1.32亿吨攀升至6.07亿吨。除了新技术、政策支持和灌溉设施的提高，氮肥的大量施用是主要因素。2014年，全球氮肥施用量为1.1亿吨，中国占到约32%。
加上来自畜牧、家庭和工业的氮排放，环境污染的伏笔就此埋下。硝酸盐、铵盐与水体污染息息相关，氨气和氮氧化物则是空气污染的帮凶，一氧化二氮还会破坏臭氧层。
在这篇文章里，研究团队重点关注水体氮排放问题。他们统计了1955至2014年间的水体氮富集数据和各省向内陆水体的氮排放量，排放源包括农田、人畜排泄物、有机垃圾和工业废水等。
1955至2014年间氮排放量和表面水质分布图
空间分布显示，从1980年代中期以后，绝大多数省份的表面水质都已经突破了每升含氮1毫克的安全标准，并迅速恶化，到了1990年后，部分流域氮富集程度甚至达到了每升15毫克。
1980年代后 地下水的氮富集程度也急速提高，同位素追踪显示，地下水中的氮主要来自农业和居民生活。2015年，水利部抽样了2103口井，其中80.2%的地下水水质都突破了IV类水质标准。
1450万吨：中国水体氮排放量超标1.7倍
控制氮排放将显著减轻水质的压力，但若要制定相关政策，首先就要面对量化的问题。也就是，向水体排放多少氮是安全的？
这是论文解答的核心问题之一。作者把污染水平突破每升1毫克时的人为氮排放量定义为该省的氮排放门槛。
把各省的门槛加起来，全国性的阈值就此显现：每年520万吨。
那么，目前全国实际向水体人为排放多少氮呢？答案是每年1450万吨。其中农业系统占到59%（35%农田、24%牲畜），生活废物占到39%（13%城市污水、8%郊区污水、18%有机垃圾），剩余2%则来自工业。
也就是说，中国目前的水体氮排放量超标了1.7倍。
230万吨：在农田里减少25%的超标排放量
论文最后提出了几种可能的减少氮排放的方法，并对其经济成本进行分析。
在占大头的农业方面，尽管中国已经提前实现了化肥零增长的目标，但2016年人工氮使用量依然高达3050万吨。
中国近年来大力推广的“4R原则”（选择正确的肥料品种、采用正确的肥料用量、在正确的施肥时间、施用在正确的位置）将帮助改善这个问题。
论文计算了保持现有粮食产量所需的最小氮肥量，在这个水平上，农田氮排放将从现有的每年510万吨降到280至300万吨，减少量超过每年超标量的25%。
与此同时， 39%至72%的氨气污染和47%至55%的氮氧化物排放也随之消逝。
在现有的氮管理体系下，论文分析的31个省份中，有14个省份光农田氮排放就已经超过阈值，而通过完善氮管理，29个省份可以把农田氮排放降到安全值，只有内蒙古和陕西无法在保持粮食产量的同时达到安全氮排放。
氮流向水体、农田和大气
其次是生活污水治理。2014年，大约494.3亿立方的城市污水（75%）得到了处理，消耗了148亿千瓦时电力，总成本为208亿美元，占到当年GDP的0.2%。
不过，只有56%的污水处理厂配有除氮设备，平均除氮率为55%，因此只有26%的城市污水氮被处理了。
900亿美元：中国水污染造成GDP1.5%的损失
论文认为，若要重建清洁水环境，中国需要动员整合所有相关的社会经济部门，采取一些列改革措施，将全国养分回收率从36%大幅提升到87%，这差不多是传统农业社会的水平。
1955年至2014年间中国养分回收率变化
中国进行过的一项长期实验表明，将人工肥料和粪便结合施用的传统做法能提高土壤质量，提高8.2%至9.9%的大米、小麦和大麦产量。
不过，传统的湿肥回收效率不高，且容易威胁到饮用水卫生。论文提出了一种可操作性较强的做法：将生活污水和工业污水分离开，并接入灌溉系统。
据计算，该措施需要投入约1040亿美元的基础设施，每年的运营成本则为170至250亿美元。
与此同时，利用调节饲料结构、精准吸收排放和建立沼气池等方式来管理牲畜废物。
虽然价格不菲，论文认为相比起水污染造成的经济损失，上述举措依然效益可观。2010年，水污染造成的损失约占当年GDP的1.5%，即900亿美元，其中包括200亿美元的污水处理成本和700亿美元的环境成本。
论文认为，相关工程也会改善卫生条件，提供农村就业岗位，并带动农民收入增长。
原标题:中国如何全面恢复水质？清华学者：相关工程需投7000亿元