問渠那得清如許?用現代環境科學的眼光來看，水質清潔與水體氮含量息息相關。過去四十年前，中國糧食產量大幅提高，氮肥施用量占到全球的三分之一，這為水質問題埋下了隱患。
若想全面重建清潔水體，我們需如何為過度氮排放買單?
以清華大學地球系統科學系副教授喻朝慶為第一作者的相關論文，2月28日發表在世界頂級學術期刊、英國《自然》雜志(Nature)上。題為《論氮管理以恢復中國水質》。
論文統計了1955至2014年間的水體氮富集數據和各省向內陸水體的氮排放量，首次計算出全國水體氮排放安全閾值為每年520萬噸。
然而，中國目前水體氮排放量約為每年1450萬噸，超標1.7倍。
作者提出，利用“4R”施肥、控釋施肥等科學管理方法，每年能減少約230萬噸的農田氮排放，占到超標排放量的25%。
不過，若要全面恢復清潔水質，中國應全面改革氮管理體系，統籌農業、生活、工業等各個排放源。相關工程需要投入1040億美元(約7000億元人民幣)的基礎設施，每年的運營成本則為170至250億美元。
相比起水污染在2014年造成900億美元(約為6000億元人民幣)的損失，占到當年GDP的1.5%，論文認為改革的收益十分可觀。
32%：中國氮肥消耗量占到全球的三分之一
在過去的四十年間，中國的糧食產量顯著提高。從1950年到2014年，在耕地面積總體沒有太大變化的情況下，糧食產量從1.32億噸攀升至6.07億噸。除了新技術、政策支持和灌溉設施的提高，氮肥的大量施用是主要因素。2014年，全球氮肥施用量為1.1億噸，中國占到約32%。
加上來自畜牧、家庭和工業的氮排放，環境污染的伏筆就此埋下。硝酸鹽、銨鹽與水體污染息息相關，氨氣和氮氧化物則是空氣污染的幫兇，一氧化二氮還會破壞臭氧層。
在這篇文章里，研究團隊重點關注水體氮排放問題。他們統計了1955至2014年間的水體氮富集數據和各省向內陸水體的氮排放量，排放源包括農田、人畜排泄物、有機垃圾和工業廢水等。
空間分布顯示，從1980年代中期以后，絕大多數省份的表面水質都已經突破了每升含氮1毫克的安全標準，并迅速惡化，到了1990年后，部分流域氮富集程度甚至達到了每升15毫克。
1980年代后地下水的氮富集程度也急速提高，同位素追蹤顯示，地下水中的氮主要來自農業和居民生活。2015年，水利部抽樣了2103口井，其中80.2%的地下水水質都突破了IV類水質標準。
1450萬噸：中國水體氮排放量超標1.7倍
控制氮排放將顯著減輕水質的壓力，但若要制定相關政策，首先就要面對量化的問題。也就是，向水體排放多少氮是安全的?
這是論文解答的核心問題之一。作者把污染水平突破每升1毫克時的人為氮排放量定義為該省的氮排放門檻。
把各省的門檻加起來，全國性的閾值就此顯現：每年520萬噸。
那么，目前全國實際向水體人為排放多少氮呢?答案是每年1450萬噸。其中農業系統占到59%(35%農田、24%牲畜)，生活廢物占到39%(13%城市污水、8%郊區污水、18%有機垃圾)，剩余2%則來自工業。
也就是說，中國目前的水體氮排放量超標了1.7倍。
230萬噸：在農田里減少25%的超標排放量
論文最后提出了幾種可能的減少氮排放的方法，并對其經濟成本進行分析。
在占大頭的農業方面，盡管中國已經提前實現了化肥零增長的目標，但2016年人工氮使用量依然高達3050萬噸。
中國近年來大力推廣的“4R原則”(選擇正確的肥料品種、采用正確的肥料用量、在正確的施肥時間、施用在正確的位置)將幫助改善這個問題。
論文計算了保持現有糧食產量所需的最小氮肥量，在這個水平上，農田氮排放將從現有的每年510萬噸降到280至300萬噸，減少量超過每年超標量的25%。
與此同時， 39%至72%的氨氣污染和47%至55%的氮氧化物排放也隨之消逝。
在現有的氮管理體系下，論文分析的31個省份中，有14個省份光農田氮排放就已經超過閾值，而通過完善氮管理，29個省份可以把農田氮排放降到安全值，只有內蒙古和陜西無法在保持糧食產量的同時達到安全氮排放。
其次是生活污水治理。2014年，大約494.3億立方的城市污水(75%)得到了處理，消耗了148億千瓦時電力，總成本為208億美元，占到當年GDP的0.2%。
不過，只有56%的污水處理廠配有除氮設備，平均除氮率為55%，因此只有26%的城市污水氮被處理了。
900億美元：中國水污染造成GDP1.5%的損失
論文認為，若要重建清潔水環境，中國需要動員整合所有相關的社會經濟部門，采取一些列改革措施，將全國養分回收率從36%大幅提升到87%，這差不多是傳統農業社會的水平。
中國進行過的一項長期實驗表明，將人工肥料和糞便結合施用的傳統做法能提高土壤質量，提高8.2%至9.9%的大米、小麥和大麥產量。
不過，傳統的濕肥回收效率不高，且容易威脅到飲用水衛生。論文提出了一種可操作性較強的做法：將生活污水和工業污水分離開，并接入灌溉系統。
據計算，該措施需要投入約1040億美元的基礎設施，每年的運營成本則為170至250億美元。
與此同時，利用調節飼料結構、精準吸收排放和建立沼氣池等方式來管理牲畜廢物。
雖然價格不菲，論文認為相比起水污染造成的經濟損失，上述舉措依然效益可觀。2010年，水污染造成的損失約占當年GDP的1.5%，即900億美元，其中包括200億美元的污水處理成本和700億美元的環境成本。
論文認為，相關工程也會改善衛生條件，提供農村就業崗位，并帶動農民收入增長。
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