基于咸水處理和精準灌溉相結合的優勢分析

任玉潔，李俊林，王向譽，周新國，郭洪恩

（1山東省蠶業研究所，山東煙臺264001；2中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉453002）

0 引言

水資源短缺是制約社會經濟發展的一個重要因素[1-6]，雖然中國水資源總量達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，會影響作物的正常生長，還會導致土壤次生鹽漬化的發生[11]。當前中國海洋農業正處于發展的關鍵時期，咸水處理和精準灌溉技術可以實現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行淡化并結合精準灌溉技術減少水資源浪費，是降低土壤次生鹽堿化、開發利用海洋資源的有效途徑。

灌排結合可以有效地控制地下水位，降低土壤鹽分[15]。袁隆平團隊通過埋設地下排水管網直接利用咸水進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業的可持續發展要求，受地形、氣候、風速、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]研究發現咸水灌溉帶來的土壤積鹽和作物減產是困擾海水資源利用的重點和難點。傳統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等問題，嚴重影響了微咸水的利用和推廣。前人側重于對咸水直接灌溉下的農田管理措施、生物措施、水利工程措施等方面進行研究，而對微咸水處理及精準灌溉結合的方式研究較少。因此，本研究從咸水淡化技術和精準灌溉的優勢分析入手，提出咸水淡化與精準灌溉相結合能有效避免咸水直接灌溉帶來的危害。

1 咸水淡化及精準灌溉的意義

1.1 保障糧食安全

在新形勢下，中國糧食生產和水資源供給產生矛盾，流通格局和生產地域重心由南向北轉移，為了保障未來十億畝高標準農田用水需求，發展現代節水農業、尋找替代水源勢在必行[18]。而國內外的研究表明，由于自然和生產條件的不同，咸水直接灌溉會對作物產量或品質會產生消極影響[19-21]。例如，龐桂斌等[22]在黃河三角洲地區開展冬小麥微咸水灌溉試驗，研究發現利用微咸水灌溉小麥導致作物減產。咸水屬于劣質水源，如果將咸水淡化后進行灌溉，可以達到“高產、優質、高效”可持續發展的目的。因此，海水淡化是保證糧食產量和安全的重要舉措。咸水淡化結合水肥一體化技術在實現增產增收的同時還能夠進一步提高設施蔬菜品質，增加農戶收入[23-24]。

1.2 節約資源

對地下咸水資源的開發利用是開源的主要措施之一，而經濟合理地利用水資源是節流的關鍵。將微咸水處理系統與水肥一體化灌溉技術相結合，在實現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，以微咸水作為補充水源，每年可減少5.54×105m3的淡水開采量[25]，預計到2030年需要開發利用的微咸水可達2.26×105m3[26]。微咸水的開發利用可以降低深層地下水位的下降速度，有效緩解農業用水短缺的困境，保障淡水資源的可持續利用[27]。此外，研究表明智能水肥一體化技術在滿足定量利用水分和養分實現精準灌溉的前提下，還可以促進水肥利用和作物增產[28-30]。目前滴灌技術已應用到大田糧食作物，其增產、增收效果顯著[31]。

1.3 降低土壤鹽漬化

目前，中國農業的精準化發展相對較慢，欠發達地區仍然采用大水漫灌的水肥施用方式，極易引發土壤次生鹽漬化、退化甚至荒漠化等問題[11]。據估計全球約有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生鹽分累積現象[34]，土壤鹽分經灌溉淋洗引入淺層地下水造成淡水水源污染[32]，還會嚴重影響作物產量和品質。但是，如果在海水淡化的基礎上使用滴灌等精準灌溉技術，不僅能夠提高微咸水利用效率，還能有效抑制土壤積鹽，改良土壤環境[9]。

2 微咸水處理及精準灌溉結合方式

精準灌溉微咸水處理系統構成如圖1所示。該系統通過電滲析對微咸水進行淡化，可使處理后的水為農業灌溉提供新的水源[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，同時該系統可以通過調節水箱可實現對高鹽量廢液的高效回收利用，高濃度苦咸水回收率達到80%以上，顯著提高水的利用效率。

圖1 微苦咸水淡化系統結構圖

原水經過原水供水泵（提供恒定的壓力流量）流入機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之間的顆粒和雜質截留，高度凈化水源。過濾后的水經過電除鹽組件去除氯離子和鈉離子等，實現咸水的淡化。調控系統起到反饋的作用，當設定好出水離子濃度后，系統出水若有偏差會自動預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，水位低于設定值后設備自動關閉待機，水位到達預定位置設備自動啟動運行。凈水蓄水池到達預定水位高度后，設備自動停止運行。

淡化后的純凈水進入精準灌溉系統設備，為農業灌溉用水提供新的方向。凈化后的淡水經主管、支管向各個棚內進行恒壓、穩定供水；N、P、K肥液分別自混肥間通過3根PE管道恒壓、恒濃度向棚內供肥。根據作物所需營養元素的不同，每個棚內的小首部通過對電磁閥、流量計等精準智能控制，實現精準給水、給肥。在棚內小首部通過小型便攜式施肥機根據作物微量元素和灌溉肥液pH濃度調節需要，利用該施肥機向棚內灌溉主管網中注入微量元素或酸液，從而達到精準灌溉。

3 國內外研究進展

3.1 國內外咸水處理技術研究進展

目前，國內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合農田管理措施和灌排設施，否則易引發土壤的鹽堿化。進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]。國內研究中，咸水水鹽分離水量中大部分是利用蒸餾法實現的，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，并且對水質要求較高，使其應用受到局限[38]。膜蒸餾技術得益于高分子材料的迅速發展，以其極高的截留率和溫和的操作條件等優勢成功應用于苦咸水淡化領域[39]。反滲透法是在高壓下利用溶質通過反滲透膜的速率差異將水鹽分離，但運行成本高、預處理繁瑣，使其推廣具有局限性[40-41]。電吸附法主要應用于水的深度除鹽處理，所以在化工及危廢水處理方面應用較廣[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雜，處理操作越繁復[43]。納濾法是反滲透的一種，因淡化后會留有部分的礦物質元素，所以應用前景廣[44]。

以色列、美國、法國、日本等國家對咸水淡化技術的研究早于中國約10年，其技術也日臻完善[45-46]。目前，國際上已廣泛應用的海水淡化技術有反滲透(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，長期的雜質納濾會導致不可逆轉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]研究發現用聚多巴胺(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99%。

3.2 國內外精準灌溉技術研究進展

中國開展精準水肥灌溉研究起步晚、時間短，在精準控制方面落后于美國、以色列等西方國家。目前，國內常見的精準灌溉控制系統是WSN+GSM、PLC和物聯網智能灌溉系統[50-52]。比較成熟的傳感技術是ZigBee技術，它優化了精準農業的環境信息采集與通信系統，形成以網絡信息為主的精準農業新模式[53]，在精準灌溉發展歷程中起著里程碑式的作用。精準灌溉施肥決策支持系統應用OLAP新技術建立植物生長模型，融合專家決策和數據開采于一體，進一步提高了精準水肥灌溉的準確性和科學性[54]。

國外精準灌溉技術早于中國近半個世紀，在設備生產和推廣服務方面有完備的技術體系。為統一管理灌溉控制設備，形成了灌溉管理服務云平臺，不僅可以實現遠程綜合灌溉管理，還可以進行大數據收集、存儲和分析[55]。俄羅斯作為世界上機械化程度較高的國家之一，其在灌溉監測系統中運用了地理信息技術和航空攝影技術[56]，給中國水肥藥精準灌溉技術的研究提供了經驗。德國生產的TRIME-EZ傳感器是利用TDR時域反射技術原理進行高精度土壤水分監測，為進一步優化灌溉施肥系統和計算灌溉水利用系數提供了基礎數據資源，對于進一步提高農業用水效率十分有益[57]。

4 咸水淡化和節水灌溉的發展趨勢

4.1 咸水淡化技術的發展趨勢

近年來，世界上海水淡化向高效化、低耗能和規模化的目標發展，中國微咸水儲量豐富、分布范圍廣，但微咸水的淡化及開發利用受技術限制。所以，要研制出適合中國國情的微咸水淡化技術，需研發高效、環保、低成本的預處理工藝；根據微咸水儲藏地的能源特點，因地制宜采用清潔能源可實現節能降耗和水資源的持續高效利用。

在預處理工藝方面，傳統海水淡化技術處理工藝復雜、設備投資大，導致淡化成本大。研究表明，重力驅動膜(GDM)在反滲透過程中降低了結垢的可能性且無需反沖洗或化學清潔，簡化了操作流程[58]。二硫化鉬(MoS2)納米膜的出現將有望推動海水淡化技術進一步發展[49]。在節能降耗方面，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是解決傳統能耗大的有效途徑，可以達到投資小、清潔潔凈、綠色可持續發展的目的[59]。

4.2 精準灌溉技術的發展趨勢

通常，精準灌溉與精準施肥技術一起使用。智能水肥一體化精準灌溉施肥技術是一項進行精準灌溉施肥的農業新技術，也是精準農業的發展趨勢[60-61]。當前，先進的現代信息技術不斷應用于農業生產、消費領域。未來，農業節水灌溉集人工智能、大數據、移動互聯網、物聯網、自動化技術和其他信息技術等用于農業生產管理等先進技術。將信息監測、專家決策、智能管理、綜合灌溉系統基礎數據、精準天氣預報、作物耗水歷史記錄以及耗水趨勢模型等融為一體[62]，自動監測作物生理生態信息，根據不同作物需水情況，融合降水、地勢等多因素的影響，以及作物自身指標所反映的水分虧缺狀況，自動調節灌溉時間、灌水量和灌溉頻次，智能作出灌溉決策和預測，推動中國農業現代化的大發展。

5 結論與討論

筆者通過總結前人的研究成果，提出咸水灌溉可導致土壤鹽漬化危害，而咸水淡化與精準灌溉相結合是開發利用劣質水源、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行論述，展望了未來海水淡化研究的重點領域以及精準灌溉的全智能化發展方向，即隨著處理工藝及新材料的發展，微咸水技術的成本將不斷降低，完全具備廣泛的推廣利用價值。而且，隨著農業信息技術的應用，未來農業全自動化技術將推動農田信息的獲取向更加智能化、精細化方向發展。