水资源的利用与可持续农业：墨西哥案例
人类活动影响着气候变化，不仅在区域范围内，而且在全球范围内直接导致了水分循环的加速。在世界范围内已经观察到许多天气异常现象，包括降水明显减少的趋势，并预计在未来几年会增加（Zhang，2015）。
本文旨在不考虑财务投资可能性的情况下，评估一种能给农业生产力、可持续性、气候变化适应性方面带来诸多好处的解决方案。
″适应性是韧性的一个关键组成部分。农业生态系统不一定能恢复到其在受到干扰之前的确切形式和功能，但其可能自我调整，在面对不断变化的条件时换作新的形式″（Brodt等人，2011）。
墨西哥农业概况
墨西哥农业目前面临的主要挑战之一是寻找一种既能继续粮食生产又不损害水资源可用性和质量的方法（Ochoa等人，2020）。从2011年到2013年，墨西哥90%的领土发生了严重干旱（CONAGUA，2019）。墨西哥农产品的主要市场是美国，出口产品包括玉米、糖、磨碎的谷物和酒糟等产品。根据国际贸易管理局的数据，墨西哥是大豆、小麦、油饼粉、新鲜水果和许多加工食品或饮料等20多种其他关键产品种类的第二大或第三大市场。牛油果是第一大出口产品，出口额达27.91亿美元，接下来是番茄22.75亿美元，辣椒13.59亿美元，草莓6.5亿美元。其它主要出口产品还包括牛产品、杏仁和核桃等。
Valle del Mezquital案例
墨西哥城面临着最矛盾的水问题之一：洪水和干旱。随着人口的增长，对水的需求以及废水也随之增加。位于墨西哥城以北约60公里（37英里）的Valle del Mezquital地区是墨西哥废水再利用的一个独特例子，被联合国认定为良好农业用水实践的典范（Hettiarachchi，2022）。Valle del Mezquital的面积超过90,000公顷，100多年来一直用墨西哥城未经处理的废水进行灌溉。长久以来，有许多相关研究对土壤和水的状况进行过评估。
Valle del Mezquital地区栽培的主要作物是苜蓿和玉米，同时也生产饲用燕麦、油菜籽、黑麦和部分蔬菜，如西葫芦、花椰菜和辣椒。该地区玉米的平均单产为10吨/公顷，远高于全国平均水平。在废水再利用之前，干旱很普遍，玉米年产量不到2吨/公顷（Melville，1990）。污水已成为一种非常宝贵的资源，特别是在面临缺水的半干旱地区和需要满足粮食生产需求的地区。
除了水以外，土壤中的有机质浓度（比正常值高60%）也是Valle del Mezquital的一个亮眼之处。有机质的存在改变了土壤的化学和物理特性及其整体健康（Bot和Benites，2005）。保水与有机质直接相关。在某些类型的土壤中，添加有机质可将保水能力提高20倍（Reicosky, 2005）。Hudson（1994）的研究发现，土壤有机质每增加1%，土壤的有效持水量提高3.7%。此外，土壤中有机碳含量减少会限制土壤为可持续植物生产提供养分的能力。实现这一目标的方法之一是加入堆肥，以及采用免耕法。美国堆肥理事会（2008）指出，由于堆肥具有抗旱和高效用水的特点，有助于减少灌溉的频率和强度。农民应选择有机质含量在50~60%之间、持水量在100%或更高的堆肥。
养分和废水
废水富含氮和磷，而氮肥和磷肥是世界上使用的最重要的两种肥料。根据世界银行的数据，化肥价格在去年暴涨了80%，自2022年初以来又上涨了近30%。废水中的氮以铵盐（56%）或有机氮（44%）的形式进入田地。玉米通常施用尿素或硫酸氨，Valle del Mezquital的每公顷作物从废水中获得120至180公斤的补充氮（Ochoa-Noriega等人，2022）。回收的废水具有回收水和养分的潜力（Chojnacka等人，2020年），从而降低合成肥料的应用成本。然而，废水含有其他化学品和病原菌，有可能污染含水层，因此农民应考虑当地关于废水再利用和/或进一步处理的规定。
对作物施用的肥料中的养分如果未被完全吸收，会随径流进入水体，导致富营养化。富营养化是世界上许多淡水和沿海海洋生态系统受损的主要原因（Chislock等人，2013）。仅在美国，每年由富营养化介导的损害成本估计在22亿美元（Dodds等人，2009）。墨西哥湾缺氧区，或称″死亡区″，是一个可以杀死靠近海底的鱼类和海洋生物的低氧区域。根据美国国家海洋和大气管理局的数据，在2021年，这一″死亡区″的主要成因是农民为增加产量而使用的肥料和粪便径流，以及来自美国中西部所有主要河流和支流的废水和城市径流。
种植作物需要养分，一个合理的解决方案是建造人工湿地。人工湿地是一个生态工程系统，利用涉及湿地植被、土壤及其相关微生物组合的自然过程来改善水质（Kadlec和Knight，1996），以减少包括氮和磷在内的各种参数。Jiménez-López及其同事（2017）建造了一处人工湿地，利用多穗雀稗（Paspalum paniculatum）和垂花水竹芋（Thalia geniculata）这两个本地物种处理生活污水，获得的生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总悬浮固体、总氮和总磷的去除率在79%~94%之间。人工湿地是成本较低的水处理替代方案之一，不仅效率高，而且还具有景观美学价值。
含水层补给和地下水开采
含水层补给（MAR）是一种水管理技术，它将含水层作为专门的蓄水库（也称为水银行），有助于过度开采地区的恢复，随着时间的推移提高水的安全，特别是在干旱时期的供应（Dillon，2005；Gonzales等人，2020）。在当今，地下水是全球农业（42%）、家庭（36%）和工业（27%）用水的主要供应来源（Döll等人，2012）。
在Valle del Mezquital，近90%接近地面的含水层用渗入的废水进行了回补（Payne，1975）。根据Jiménez和Chávez（2004年）的研究，土壤和水的处理在去除病原菌方面尤其有效，去除率超过99.9%。
硝酸盐确实是以浸出物的形式进入地下水源。不过，地下水回补符合墨西哥水质标准的区域平均值，并在加氯后为70多万居民提供用水（Ochoa-Noriega等人，2022）。
2022年7月初，墨西哥三分之二的领土处于干旱状态，受影响人口达2100多万。北部干旱州以及与美国接壤的许多州受影响最大。预计未来干旱频率的严重性将增大，不过这种变化在全球的分布并不均匀（Balting等人，2021）。
水文格局的变化不仅会导致作物歉收情况的增加，还会导致整个生态系统和植被区域的转变（Loarie 等人，2009)。下面的图像由美国陆地卫星8号上的陆地成像仪（OLI）拍摄，显示了位于墨西哥北部新利昂州Cerro Prieto水库在短短5年内的差异。
墨西哥近40%的自来水来自地下水，其余为地表水（CONAGUA，2019）。仅仅44年间，已开采的含水层数量就从32个增加到157个，而全墨西哥的含水层的数量为653个。
墨西哥年平均地下水可利用性。红色：过度开采的含水层，绿色：可用含水层（CONAGUA，2020年）
投资机会
根据《全球水务市场》的数据，自2010年以来，水务投资预计以比以往更快的速度增长。尽管新冠肺炎疫情使市场价值缩水17.7%至8053亿美元，但2023年有望达到9149亿美元，自2014年以来增长了50%。这种增长在美国、沙特阿拉伯、中国和东南亚等大型经济体的水质和基础设施重大计划中可见一斑。例如，中国将实施新的、更严格的环境目标，包括在缺水地区回收90%的市政污泥和达到25%的废水再利用率。这为中国这一世界上最大的水务市场之一的增长提供了新的机会。
全球水务市场在各个子市场领域的多元化发展。改编自：RobecoSAM (2021)
欧盟已承诺投资150亿欧元，以助力实现第6项可持续发展目标（旨在通过注重水资源、废水和生态系统的可持续管理，确保人人享有安全饮用水和卫生设施）。这些投资分布在各成员国，主要用于投资建设或升级废水处理工厂和污水处理网络，以及污水污泥管理。
在墨西哥，对水行业的投资正在增长，例如，雀巢集团为世界上第一个″零水″工厂举行了落成典礼，该工厂在运行时不会抽取地下水，只消耗奶粉生产过程中的循环工艺水。此外，国际玉米和小麦改良中心（CIMMYT）最近（2021年）宣布与德国发展机构GIZ和饮料公司Grupo Modelo（百威英博）建立为期三年的公私合作关系，旨在对含水层进行回补并鼓励在墨西哥主要州推广节水农业实践。
结论
鉴于墨西哥的部分地区以及印度、美国和中国等世界各地都在过度开采地下水，如果存在合适的含水层以及具有足够渗透性的土壤，含水层补给（MAR）可以在农业用水管理和提高生产力方面发挥重要作用。
为了应对气候变化带来的两个最大同时也是更为主要的后果，并维持生产能力，可以使用经处理或未经处理的废水来添加水和养分。在大多数情况下，废水仍然是一种恒定的可用资源。目前的施肥规模不允许通过常规施肥满足全面需求。
废水中存在的有机质在作物生产中也有重要影响，这不仅是因为有机质能保护土壤，而且还因为有机质的成分使其能发挥保水作用。
在农业中引入废水再利用这样的解决方案是向循环经济和可持续作物生产的实际应用迈出的一步，也是一个投资机会，特别是在废水处理方面，似乎比以往任何时候都更需要，并有助于维持全球粮食生产。
参考文献
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