基于咸水处理和精准灌溉相结合的优势分析

任玉洁，李俊林，王向誉，周新国，郭洪恩

（1山东省蚕业研究所，山东烟台264001；2中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002）

0 引言

水资源短缺是制约社会经济发展的一个重要因素[1-6]，虽然中国水资源总量达2.81×1012m3，但人均水资源量仅为1.77×104m3[7-8]，是世界水资源较短缺的国家之一。然而，中国咸水资源（约2.00×1010m3/a）十分丰富，其中可开采量为1.30×1010m3，且绝大部分存在于地下10～100 cm处，宜于开采利用[9-10]。但是，咸水中含有较多的盐分，如果灌排措施管理不当，会影响作物的正常生长，还会导致土壤次生盐渍化的发生[11]。当前中国海洋农业正处于发展的关键时期，咸水处理和精准灌溉技术可以实现海水资源的充分利用[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，从灌溉源头对咸水进行淡化并结合精准灌溉技术减少水资源浪费，是降低土壤次生盐碱化、开发利用海洋资源的有效途径。

灌排结合可以有效地控制地下水位，降低土壤盐分[15]。袁隆平团队通过埋设地下排水管网直接利用咸水进行海水稻的灌溉种植[16]。但并非所有的微咸水灌溉都能满足农业的可持续发展要求，受地形、气候、风速、光照、作物生育期需水要求等的影响，直接灌溉会加重土壤的盐渍化。例如，牛君仿等[17]研究发现咸水灌溉带来的土壤积盐和作物减产是困扰海水资源利用的重点和难点。传统的微咸水灌溉方式会造成土壤盐分累积、土壤盐渍化和土壤板结等问题，严重影响了微咸水的利用和推广。前人侧重于对咸水直接灌溉下的农田管理措施、生物措施、水利工程措施等方面进行研究，而对微咸水处理及精准灌溉结合的方式研究较少。因此，本研究从咸水淡化技术和精准灌溉的优势分析入手，提出咸水淡化与精准灌溉相结合能有效避免咸水直接灌溉带来的危害。

1 咸水淡化及精准灌溉的意义

1.1 保障粮食安全

在新形势下，中国粮食生产和水资源供给产生矛盾，流通格局和生产地域重心由南向北转移，为了保障未来十亿亩高标准农田用水需求，发展现代节水农业、寻找替代水源势在必行[18]。而国内外的研究表明，由于自然和生产条件的不同，咸水直接灌溉会对作物产量或品质会产生消极影响[19-21]。例如，庞桂斌等[22]在黄河三角洲地区开展冬小麦微咸水灌溉试验，研究发现利用微咸水灌溉小麦导致作物减产。咸水属于劣质水源，如果将咸水淡化后进行灌溉，可以达到“高产、优质、高效”可持续发展的目的。因此，海水淡化是保证粮食产量和安全的重要举措。咸水淡化结合水肥一体化技术在实现增产增收的同时还能够进一步提高设施蔬菜品质，增加农户收入[23-24]。

1.2 节约资源

对地下咸水资源的开发利用是开源的主要措施之一，而经济合理地利用水资源是节流的关键。将微咸水处理系统与水肥一体化灌溉技术相结合，在实现水肥高效利用的同时也为灌溉施肥提供了新的水源。研究表明，以微咸水作为补充水源，每年可减少5.54×105m3的淡水开采量[25]，预计到2030年需要开发利用的微咸水可达2.26×105m3[26]。微咸水的开发利用可以降低深层地下水位的下降速度，有效缓解农业用水短缺的困境，保障淡水资源的可持续利用[27]。此外，研究表明智能水肥一体化技术在满足定量利用水分和养分实现精准灌溉的前提下，还可以促进水肥利用和作物增产[28-30]。目前滴灌技术已应用到大田粮食作物，其增产、增收效果显著[31]。

1.3 降低土壤盐渍化

目前，中国农业的精准化发展相对较慢，欠发达地区仍然采用大水漫灌的水肥施用方式，极易引发土壤次生盐渍化、退化甚至荒漠化等问题[11]。据估计全球约有50%左右的灌溉土地面临不同程度的次生盐渍化问题，而每天约有2000 hm2的良田因盐渍而退化[32-33]。此外，微咸水直接灌溉易发生盐分累积现象[34]，土壤盐分经灌溉淋洗引入浅层地下水造成淡水水源污染[32]，还会严重影响作物产量和品质。但是，如果在海水淡化的基础上使用滴灌等精准灌溉技术，不仅能够提高微咸水利用效率，还能有效抑制土壤积盐，改良土壤环境[9]。

2 微咸水处理及精准灌溉结合方式

精准灌溉微咸水处理系统构成如图1所示。该系统通过电渗析对微咸水进行淡化，可使处理后的水为农业灌溉提供新的水源[13]。在离子运移过程中，离子交换膜利用同相排斥异相吸引的原理，可以实现微咸水的淡化和纯化。此法解决了对原水高要求的弊端，硬度要求范围广不需要水质软化，滤芯更换周期长，原水悬浮物含量要求范围广，出水含盐量可调，同时该系统可以通过调节水箱可实现对高盐量废液的高效回收利用，高浓度苦咸水回收率达到80%以上，显著提高水的利用效率。

图1 微苦咸水淡化系统结构图

原水经过原水供水泵（提供恒定的压力流量）流入机械过滤器去除大颗粒悬浮物，使给水得到初步净化。初步净化的水流入精密过滤器，以压力为推动力的膜分离技术通过膜表面的微孔筛选可将直径为0.002～0.1 μm之间的颗粒和杂质截留，高度净化水源。过滤后的水经过电除盐组件去除氯离子和钠离子等，实现咸水的淡化。调控系统起到反馈的作用，当设定好出水离子浓度后，系统出水若有偏差会自动预警把不合格的水排回原水池，直到出水合格为止。原水供水泵自动控制原水水位高低，水位低于设定值后设备自动关闭待机，水位到达预定位置设备自动启动运行。净水蓄水池到达预定水位高度后，设备自动停止运行。

淡化后的纯净水进入精准灌溉系统设备，为农业灌溉用水提供新的方向。净化后的淡水经主管、支管向各个棚内进行恒压、稳定供水；N、P、K肥液分别自混肥间通过3根PE管道恒压、恒浓度向棚内供肥。根据作物所需营养元素的不同，每个棚内的小首部通过对电磁阀、流量计等精准智能控制，实现精准给水、给肥。在棚内小首部通过小型便携式施肥机根据作物微量元素和灌溉肥液pH浓度调节需要，利用该施肥机向棚内灌溉主管网中注入微量元素或酸液，从而达到精准灌溉。

3 国内外研究进展

3.1 国内外咸水处理技术研究进展

目前，国内对咸水资源的利用不管是微咸水直接灌溉还是咸淡水轮灌都要结合农田管理措施和灌排设施，否则易引发土壤的盐碱化。进行咸水淡化是一种安全而有用的途径，咸水的淡化方法主要有蒸馏法、电渗析法、膜蒸馏法、反渗透法、电吸附法、冷冻法和纳滤法等[35-36]。国内研究中，咸水水盐分离水量中大部分是利用蒸馏法实现的，但其具有高能耗的特点[37]。电渗析法操作方便、除盐率高，但水回收率低，并且对水质要求较高，使其应用受到局限[38]。膜蒸馏技术得益于高分子材料的迅速发展，以其极高的截留率和温和的操作条件等优势成功应用于苦咸水淡化领域[39]。反渗透法是在高压下利用溶质通过反渗透膜的速率差异将水盐分离，但运行成本高、预处理繁琐，使其推广具有局限性[40-41]。电吸附法主要应用于水的深度除盐处理，所以在化工及危废水处理方面应用较广[42]。冷冻法的原理是利用盐水比纯水的凝固点低而脱盐，缺点是污染物成分越复杂，处理操作越繁复[43]。纳滤法是反渗透的一种，因淡化后会留有部分的矿物质元素，所以应用前景广[44]。

以色列、美国、法国、日本等国家对咸水淡化技术的研究早于中国约10年，其技术也日臻完善[45-46]。目前，国际上已广泛应用的海水淡化技术有反渗透(RO)、膜蒸馏(MD)和电容去离子(CDI)等。研究表明，水通道蛋白、碳纳米管和石墨烯等创新材料制成的膜能减少超渗透淡化过程中的能耗[47]。但是，长期的杂质纳滤会导致不可逆转的膜损伤并降低膜的使用寿命[48]，而具有松散功能层的纳滤膜可以降低此危害。Zhao等[49]研究发现用聚多巴胺(PDA)和二硫化钼(MoS2)纳米片来制备MoS2@PDA纳滤膜，盐分截留率可达99%。

3.2 国内外精准灌溉技术研究进展

中国开展精准水肥灌溉研究起步晚、时间短，在精准控制方面落后于美国、以色列等西方国家。目前，国内常见的精准灌溉控制系统是WSN+GSM、PLC和物联网智能灌溉系统[50-52]。比较成熟的传感技术是ZigBee技术，它优化了精准农业的环境信息采集与通信系统，形成以网络信息为主的精准农业新模式[53]，在精准灌溉发展历程中起着里程碑式的作用。精准灌溉施肥决策支持系统应用OLAP新技术建立植物生长模型，融合专家决策和数据开采于一体，进一步提高了精准水肥灌溉的准确性和科学性[54]。

国外精准灌溉技术早于中国近半个世纪，在设备生产和推广服务方面有完备的技术体系。为统一管理灌溉控制设备，形成了灌溉管理服务云平台，不仅可以实现远程综合灌溉管理，还可以进行大数据收集、存储和分析[55]。俄罗斯作为世界上机械化程度较高的国家之一，其在灌溉监测系统中运用了地理信息技术和航空摄影技术[56]，给中国水肥药精准灌溉技术的研究提供了经验。德国生产的TRIME-EZ传感器是利用TDR时域反射技术原理进行高精度土壤水分监测，为进一步优化灌溉施肥系统和计算灌溉水利用系数提供了基础数据资源，对于进一步提高农业用水效率十分有益[57]。

4 咸水淡化和节水灌溉的发展趋势

4.1 咸水淡化技术的发展趋势

近年来，世界上海水淡化向高效化、低耗能和规模化的目标发展，中国微咸水储量丰富、分布范围广，但微咸水的淡化及开发利用受技术限制。所以，要研制出适合中国国情的微咸水淡化技术，需研发高效、环保、低成本的预处理工艺；根据微咸水储藏地的能源特点，因地制宜采用清洁能源可实现节能降耗和水资源的持续高效利用。

在预处理工艺方面，传统海水淡化技术处理工艺复杂、设备投资大，导致淡化成本大。研究表明，重力驱动膜(GDM)在反渗透过程中降低了结垢的可能性且无需反冲洗或化学清洁，简化了操作流程[58]。二硫化钼(MoS2)纳米膜的出现将有望推动海水淡化技术进一步发展[49]。在节能降耗方面，海水淡化的成本中能耗费用在总成本中所占的比例最高。将槽式太阳能装置用于海水淡化技术是解决传统能耗大的有效途径，可以达到投资小、清洁洁净、绿色可持续发展的目的[59]。

4.2 精准灌溉技术的发展趋势

通常，精准灌溉与精准施肥技术一起使用。智能水肥一体化精准灌溉施肥技术是一项进行精准灌溉施肥的农业新技术，也是精准农业的发展趋势[60-61]。当前，先进的现代信息技术不断应用于农业生产、消费领域。未来，农业节水灌溉集人工智能、大数据、移动互联网、物联网、自动化技术和其他信息技术等用于农业生产管理等先进技术。将信息监测、专家决策、智能管理、综合灌溉系统基础数据、精准天气预报、作物耗水历史记录以及耗水趋势模型等融为一体[62]，自动监测作物生理生态信息，根据不同作物需水情况，融合降水、地势等多因素的影响，以及作物自身指标所反映的水分亏缺状况，自动调节灌溉时间、灌水量和灌溉频次，智能作出灌溉决策和预测，推动中国农业现代化的大发展。

5 结论与讨论

笔者通过总结前人的研究成果，提出咸水灌溉可导致土壤盐渍化危害，而咸水淡化与精准灌溉相结合是开发利用劣质水源、提高水资源利用效率、降低土壤盐碱化的有效途径。本研究从灌溉源头对微咸水的充分利用进行论述，展望了未来海水淡化研究的重点领域以及精准灌溉的全智能化发展方向，即随着处理工艺及新材料的发展，微咸水技术的成本将不断降低，完全具备广泛的推广利用价值。而且，随着农业信息技术的应用，未来农业全自动化技术将推动农田信息的获取向更加智能化、精细化方向发展。