基于咸水處理和精準(zhǔn)灌溉相結(jié)合的優(yōu)勢分析

任玉潔，李俊林，王向譽(yù)，周新國，郭洪恩

（1山東省蠶業(yè)研究所，山東煙臺264001；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)453002）

0 引言

水資源短缺是制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要因素[1-6]，雖然中國水資源總量達(dá)2.81×1012m3，但人均水資源量僅為1.77×104m3[7-8]，是世界水資源較短缺的國家之一。然而，中國咸水資源（約2.00×1010m3/a）十分豐富，其中可開采量為1.30×1010m3，且絕大部分存在于地下10～100 cm處，宜于開采利用[9-10]。但是，咸水中含有較多的鹽分，如果灌排措施管理不當(dāng)，會影響作物的正常生長，還會導(dǎo)致土壤次生鹽漬化的發(fā)生[11]。當(dāng)前中國海洋農(nóng)業(yè)正處于發(fā)展的關(guān)鍵時期，咸水處理和精準(zhǔn)灌溉技術(shù)可以實現(xiàn)海水資源的充分利用[12-13]，而咸水的利用主要集中在咸水淡化和微咸水灌溉方面[14]。因此，從灌溉源頭對咸水進(jìn)行淡化并結(jié)合精準(zhǔn)灌溉技術(shù)減少水資源浪費，是降低土壤次生鹽堿化、開發(fā)利用海洋資源的有效途徑。

灌排結(jié)合可以有效地控制地下水位，降低土壤鹽分[15]。袁隆平團(tuán)隊通過埋設(shè)地下排水管網(wǎng)直接利用咸水進(jìn)行海水稻的灌溉種植[16]。但并非所有的微咸水灌溉都能滿足農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展要求，受地形、氣候、風(fēng)速、光照、作物生育期需水要求等的影響，直接灌溉會加重土壤的鹽漬化。例如，牛君仿等[17]研究發(fā)現(xiàn)咸水灌溉帶來的土壤積鹽和作物減產(chǎn)是困擾海水資源利用的重點和難點。傳統(tǒng)的微咸水灌溉方式會造成土壤鹽分累積、土壤鹽漬化和土壤板結(jié)等問題，嚴(yán)重影響了微咸水的利用和推廣。前人側(cè)重于對咸水直接灌溉下的農(nóng)田管理措施、生物措施、水利工程措施等方面進(jìn)行研究，而對微咸水處理及精準(zhǔn)灌溉結(jié)合的方式研究較少。因此，本研究從咸水淡化技術(shù)和精準(zhǔn)灌溉的優(yōu)勢分析入手，提出咸水淡化與精準(zhǔn)灌溉相結(jié)合能有效避免咸水直接灌溉帶來的危害。

1 咸水淡化及精準(zhǔn)灌溉的意義

1.1 保障糧食安全

在新形勢下，中國糧食生產(chǎn)和水資源供給產(chǎn)生矛盾，流通格局和生產(chǎn)地域重心由南向北轉(zhuǎn)移，為了保障未來十億畝高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田用水需求，發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)、尋找替代水源勢在必行[18]。而國內(nèi)外的研究表明，由于自然和生產(chǎn)條件的不同，咸水直接灌溉會對作物產(chǎn)量或品質(zhì)會產(chǎn)生消極影響[19-21]。例如，龐桂斌等[22]在黃河三角洲地區(qū)開展冬小麥微咸水灌溉試驗，研究發(fā)現(xiàn)利用微咸水灌溉小麥導(dǎo)致作物減產(chǎn)。咸水屬于劣質(zhì)水源，如果將咸水淡化后進(jìn)行灌溉，可以達(dá)到“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效”可持續(xù)發(fā)展的目的。因此，海水淡化是保證糧食產(chǎn)量和安全的重要舉措。咸水淡化結(jié)合水肥一體化技術(shù)在實現(xiàn)增產(chǎn)增收的同時還能夠進(jìn)一步提高設(shè)施蔬菜品質(zhì)，增加農(nóng)戶收入[23-24]。

1.2 節(jié)約資源

對地下咸水資源的開發(fā)利用是開源的主要措施之一，而經(jīng)濟(jì)合理地利用水資源是節(jié)流的關(guān)鍵。將微咸水處理系統(tǒng)與水肥一體化灌溉技術(shù)相結(jié)合，在實現(xiàn)水肥高效利用的同時也為灌溉施肥提供了新的水源。研究表明，以微咸水作為補(bǔ)充水源，每年可減少5.54×105m3的淡水開采量[25]，預(yù)計到2030年需要開發(fā)利用的微咸水可達(dá)2.26×105m3[26]。微咸水的開發(fā)利用可以降低深層地下水位的下降速度，有效緩解農(nóng)業(yè)用水短缺的困境，保障淡水資源的可持續(xù)利用[27]。此外，研究表明智能水肥一體化技術(shù)在滿足定量利用水分和養(yǎng)分實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的前提下，還可以促進(jìn)水肥利用和作物增產(chǎn)[28-30]。目前滴灌技術(shù)已應(yīng)用到大田糧食作物，其增產(chǎn)、增收效果顯著[31]。

1.3 降低土壤鹽漬化

目前，中國農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)化發(fā)展相對較慢，欠發(fā)達(dá)地區(qū)仍然采用大水漫灌的水肥施用方式，極易引發(fā)土壤次生鹽漬化、退化甚至荒漠化等問題[11]。據(jù)估計全球約有50%左右的灌溉土地面臨不同程度的次生鹽漬化問題，而每天約有2000 hm2的良田因鹽漬而退化[32-33]。此外，微咸水直接灌溉易發(fā)生鹽分累積現(xiàn)象[34]，土壤鹽分經(jīng)灌溉淋洗引入淺層地下水造成淡水水源污染[32]，還會嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。但是，如果在海水淡化的基礎(chǔ)上使用滴灌等精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，不僅能夠提高微咸水利用效率，還能有效抑制土壤積鹽，改良土壤環(huán)境[9]。

2 微咸水處理及精準(zhǔn)灌溉結(jié)合方式

精準(zhǔn)灌溉微咸水處理系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)通過電滲析對微咸水進(jìn)行淡化，可使處理后的水為農(nóng)業(yè)灌溉提供新的水源[13]。在離子運移過程中，離子交換膜利用同相排斥異相吸引的原理，可以實現(xiàn)微咸水的淡化和純化。此法解決了對原水高要求的弊端，硬度要求范圍廣不需要水質(zhì)軟化，濾芯更換周期長，原水懸浮物含量要求范圍廣，出水含鹽量可調(diào)，同時該系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)水箱可實現(xiàn)對高鹽量廢液的高效回收利用，高濃度苦咸水回收率達(dá)到80%以上，顯著提高水的利用效率。

圖1 微苦咸水淡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

原水經(jīng)過原水供水泵（提供恒定的壓力流量）流入機(jī)械過濾器去除大顆粒懸浮物，使給水得到初步凈化。初步凈化的水流入精密過濾器，以壓力為推動力的膜分離技術(shù)通過膜表面的微孔篩選可將直徑為0.002～0.1 μm之間的顆粒和雜質(zhì)截留，高度凈化水源。過濾后的水經(jīng)過電除鹽組件去除氯離子和鈉離子等，實現(xiàn)咸水的淡化。調(diào)控系統(tǒng)起到反饋的作用，當(dāng)設(shè)定好出水離子濃度后，系統(tǒng)出水若有偏差會自動預(yù)警把不合格的水排回原水池，直到出水合格為止。原水供水泵自動控制原水水位高低，水位低于設(shè)定值后設(shè)備自動關(guān)閉待機(jī)，水位到達(dá)預(yù)定位置設(shè)備自動啟動運行。凈水蓄水池到達(dá)預(yù)定水位高度后，設(shè)備自動停止運行。

淡化后的純凈水進(jìn)入精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)設(shè)備，為農(nóng)業(yè)灌溉用水提供新的方向。凈化后的淡水經(jīng)主管、支管向各個棚內(nèi)進(jìn)行恒壓、穩(wěn)定供水；N、P、K肥液分別自混肥間通過3根PE管道恒壓、恒濃度向棚內(nèi)供肥。根據(jù)作物所需營養(yǎng)元素的不同，每個棚內(nèi)的小首部通過對電磁閥、流量計等精準(zhǔn)智能控制，實現(xiàn)精準(zhǔn)給水、給肥。在棚內(nèi)小首部通過小型便攜式施肥機(jī)根據(jù)作物微量元素和灌溉肥液pH濃度調(diào)節(jié)需要，利用該施肥機(jī)向棚內(nèi)灌溉主管網(wǎng)中注入微量元素或酸液，從而達(dá)到精準(zhǔn)灌溉。

3 國內(nèi)外研究進(jìn)展

3.1 國內(nèi)外咸水處理技術(shù)研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)對咸水資源的利用不管是微咸水直接灌溉還是咸淡水輪灌都要結(jié)合農(nóng)田管理措施和灌排設(shè)施，否則易引發(fā)土壤的鹽堿化。進(jìn)行咸水淡化是一種安全而有用的途徑，咸水的淡化方法主要有蒸餾法、電滲析法、膜蒸餾法、反滲透法、電吸附法、冷凍法和納濾法等[35-36]。國內(nèi)研究中，咸水水鹽分離水量中大部分是利用蒸餾法實現(xiàn)的，但其具有高能耗的特點[37]。電滲析法操作方便、除鹽率高，但水回收率低，并且對水質(zhì)要求較高，使其應(yīng)用受到局限[38]。膜蒸餾技術(shù)得益于高分子材料的迅速發(fā)展，以其極高的截留率和溫和的操作條件等優(yōu)勢成功應(yīng)用于苦咸水淡化領(lǐng)域[39]。反滲透法是在高壓下利用溶質(zhì)通過反滲透膜的速率差異將水鹽分離，但運行成本高、預(yù)處理繁瑣，使其推廣具有局限性[40-41]。電吸附法主要應(yīng)用于水的深度除鹽處理，所以在化工及危廢水處理方面應(yīng)用較廣[42]。冷凍法的原理是利用鹽水比純水的凝固點低而脫鹽，缺點是污染物成分越復(fù)雜，處理操作越繁復(fù)[43]。納濾法是反滲透的一種，因淡化后會留有部分的礦物質(zhì)元素，所以應(yīng)用前景廣[44]。

以色列、美國、法國、日本等國家對咸水淡化技術(shù)的研究早于中國約10年，其技術(shù)也日臻完善[45-46]。目前，國際上已廣泛應(yīng)用的海水淡化技術(shù)有反滲透(RO)、膜蒸餾(MD)和電容去離子(CDI)等。研究表明，水通道蛋白、碳納米管和石墨烯等創(chuàng)新材料制成的膜能減少超滲透淡化過程中的能耗[47]。但是，長期的雜質(zhì)納濾會導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的膜損傷并降低膜的使用壽命[48]，而具有松散功能層的納濾膜可以降低此危害。Zhao等[49]研究發(fā)現(xiàn)用聚多巴胺(PDA)和二硫化鉬(MoS2)納米片來制備MoS2@PDA納濾膜，鹽分截留率可達(dá)99%。

3.2 國內(nèi)外精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究進(jìn)展

中國開展精準(zhǔn)水肥灌溉研究起步晚、時間短，在精準(zhǔn)控制方面落后于美國、以色列等西方國家。目前，國內(nèi)常見的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)是WSN+GSM、PLC和物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)[50-52]。比較成熟的傳感技術(shù)是ZigBee技術(shù)，它優(yōu)化了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的環(huán)境信息采集與通信系統(tǒng)，形成以網(wǎng)絡(luò)信息為主的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)新模式[53]，在精準(zhǔn)灌溉發(fā)展歷程中起著里程碑式的作用。精準(zhǔn)灌溉施肥決策支持系統(tǒng)應(yīng)用OLAP新技術(shù)建立植物生長模型，融合專家決策和數(shù)據(jù)開采于一體，進(jìn)一步提高了精準(zhǔn)水肥灌溉的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[54]。

國外精準(zhǔn)灌溉技術(shù)早于中國近半個世紀(jì)，在設(shè)備生產(chǎn)和推廣服務(wù)方面有完備的技術(shù)體系。為統(tǒng)一管理灌溉控制設(shè)備，形成了灌溉管理服務(wù)云平臺，不僅可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程綜合灌溉管理，還可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)收集、存儲和分析[55]。俄羅斯作為世界上機(jī)械化程度較高的國家之一，其在灌溉監(jiān)測系統(tǒng)中運用了地理信息技術(shù)和航空攝影技術(shù)[56]，給中國水肥藥精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的研究提供了經(jīng)驗。德國生產(chǎn)的TRIME-EZ傳感器是利用TDR時域反射技術(shù)原理進(jìn)行高精度土壤水分監(jiān)測，為進(jìn)一步優(yōu)化灌溉施肥系統(tǒng)和計算灌溉水利用系數(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，對于進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)用水效率十分有益[57]。

4 咸水淡化和節(jié)水灌溉的發(fā)展趨勢

4.1 咸水淡化技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，世界上海水淡化向高效化、低耗能和規(guī)?；哪繕?biāo)發(fā)展，中國微咸水儲量豐富、分布范圍廣，但微咸水的淡化及開發(fā)利用受技術(shù)限制。所以，要研制出適合中國國情的微咸水淡化技術(shù)，需研發(fā)高效、環(huán)保、低成本的預(yù)處理工藝；根據(jù)微咸水儲藏地的能源特點，因地制宜采用清潔能源可實現(xiàn)節(jié)能降耗和水資源的持續(xù)高效利用。

在預(yù)處理工藝方面，傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)處理工藝復(fù)雜、設(shè)備投資大，導(dǎo)致淡化成本大。研究表明，重力驅(qū)動膜(GDM)在反滲透過程中降低了結(jié)垢的可能性且無需反沖洗或化學(xué)清潔，簡化了操作流程[58]。二硫化鉬(MoS2)納米膜的出現(xiàn)將有望推動海水淡化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展[49]。在節(jié)能降耗方面，海水淡化的成本中能耗費用在總成本中所占的比例最高。將槽式太陽能裝置用于海水淡化技術(shù)是解決傳統(tǒng)能耗大的有效途徑，可以達(dá)到投資小、清潔潔凈、綠色可持續(xù)發(fā)展的目的[59]。

4.2 精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢

通常，精準(zhǔn)灌溉與精準(zhǔn)施肥技術(shù)一起使用。智能水肥一體化精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)是一項進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉施肥的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢[60-61]。當(dāng)前，先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)不斷應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、消費領(lǐng)域。未來，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉集人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、自動化技術(shù)和其他信息技術(shù)等用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等先進(jìn)技術(shù)。將信息監(jiān)測、專家決策、智能管理、綜合灌溉系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)天氣預(yù)報、作物耗水歷史記錄以及耗水趨勢模型等融為一體[62]，自動監(jiān)測作物生理生態(tài)信息，根據(jù)不同作物需水情況，融合降水、地勢等多因素的影響，以及作物自身指標(biāo)所反映的水分虧缺狀況，自動調(diào)節(jié)灌溉時間、灌水量和灌溉頻次，智能作出灌溉決策和預(yù)測，推動中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的大發(fā)展。

5 結(jié)論與討論

筆者通過總結(jié)前人的研究成果，提出咸水灌溉可導(dǎo)致土壤鹽漬化危害，而咸水淡化與精準(zhǔn)灌溉相結(jié)合是開發(fā)利用劣質(zhì)水源、提高水資源利用效率、降低土壤鹽堿化的有效途徑。本研究從灌溉源頭對微咸水的充分利用進(jìn)行論述，展望了未來海水淡化研究的重點領(lǐng)域以及精準(zhǔn)灌溉的全智能化發(fā)展方向，即隨著處理工藝及新材料的發(fā)展，微咸水技術(shù)的成本將不斷降低，完全具備廣泛的推廣利用價值。而且，隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的應(yīng)用，未來農(nóng)業(yè)全自動化技術(shù)將推動農(nóng)田信息的獲取向更加智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。