張增志，杜紅梅，渠永平

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)生態(tài)功能材料研究所，北京 100083)

1 前 言

沙漠化是當今世界關(guān)注的環(huán)境問題的焦點，其危害位居全球十大災(zāi)害之首[1]。沙漠的擴展吞噬有效的耕地，帶來惡劣的沙塵氣候，導(dǎo)致貧窮和生態(tài)移民[2,3]，惡劣的沙漠生存環(huán)境在歷史上還頻繁引發(fā)戰(zhàn)爭，沙漠化的生態(tài)、經(jīng)濟和社會問題最終導(dǎo)致古埃及文明和古巴比倫文明的消亡[4,5]。我國是世界上受沙漠化影響最嚴重的國家之一，截至2014年，全國土壤沙漠化面積為2.66×106km2，占國土總面積的34%，目前仍以2460 km2/a的速度擴展[6]。

沙漠化的本質(zhì)[7]是原有土地上適宜生長的一些生命體無法恢復(fù)生存，土壤生產(chǎn)力明顯退化，人類賴以生存和發(fā)展的生產(chǎn)資料無法實施和再生。1997年聯(lián)合國沙漠化大會將沙漠化做了全面表述：沙漠化是土地生物資源的退化和破壞，最終導(dǎo)致類似沙漠的情景，它使生態(tài)系統(tǒng)普遍惡化、削弱或破壞生物潛力，即破壞支持人類尋求發(fā)展和滿足日益增長的人口需要的具有多種用途的動植物生產(chǎn)能力[8]。

在沙漠化的土地上實施生態(tài)恢復(fù)最可持續(xù)的方法是植被恢復(fù)，植被恢復(fù)的根本是水的問題。如果將地下水提升至地表進行生態(tài)修復(fù)，由于地表水無法賦存、涵養(yǎng)、保墑和循環(huán)，需水量大，不僅因土壤結(jié)構(gòu)而不能保證植物成活，還導(dǎo)致大量水資源蒸發(fā)滲失，進而地下水位下降，而強烈的地表蒸發(fā)和超過臨界深度的地下水位，又是造成土壤退化的最直接原因[9,10]。因此，粗放式就地取水進行規(guī)模化生態(tài)恢復(fù)是一項不可持續(xù)的措施和方法。

水是一切生命體不可或缺的最基本物質(zhì)，沒有水就沒有生命，而沙漠化水的問題的解決已成為一項世界性難題[11,12]。沙漠中水的來源分人工外來水、地下水、沙粒吸附水、降水和空氣水，人工外來水和地下水都必須限定在最有限的用量上，目的是保證生態(tài)恢復(fù)的良性循環(huán)和施水的經(jīng)濟性問題，到目前國內(nèi)外開展這方面的研究是有限的，還主要集中在機械式微灌上，然而這一領(lǐng)域還有廣泛的研究空間，尤其是引入新材料技術(shù)是一項值得關(guān)注的工作。近年來，人們試圖通過免澆水實施沙漠生態(tài)恢復(fù)，出現(xiàn)了仿生凝露材料[13,14]、沙表生物結(jié)皮材料[15,16]、吸水樹脂材料[17,18]等，這些材料的出現(xiàn)為沙漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供了新方向。作者結(jié)合多年從事沙漠水科學(xué)的研究經(jīng)歷，對這一領(lǐng)域新材料的開發(fā)和應(yīng)用進行了宏觀綜述，探討了發(fā)展方向。

2 沙漠水科學(xué)材料發(fā)展綜述

2.1 外壓力下微水灌溉的結(jié)構(gòu)效應(yīng)

滴灌技術(shù)是外壓作用下將連續(xù)介質(zhì)水流體轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)律性斷續(xù)滴灌的水滴的過程，這一過程盡管不能自調(diào)節(jié)土壤濕度，但實現(xiàn)了有效節(jié)水，用該技術(shù)使沙漠干旱之國以色列的人均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值躍居全球第二[19,20]。

滴灌的本質(zhì)是水在微尺度空間的流動問題。Eringen[21]等最早提出微尺度下流體流動已偏離了經(jīng)典流體理論的觀點，當流道尺寸小到一定程度時必須考慮流體分子的微觀運動，此時流動應(yīng)呈粒子特征，尤其當流道尺寸接近流體粒子時，流體微團密度連續(xù)性假設(shè)不再有效[22]。微水在灌水器中呈紊流狀，流體各層間互相滲透。除沿縱向的速度外，沿垂直于流動方向上也存在脈動速度，該脈動現(xiàn)象消耗了大量的能量，從而使流動阻力顯著增加，最終使紊流流態(tài)的灌水器消能作用更強，出水均勻度更高。由于灌水器微小流道的臨界雷諾數(shù)比常規(guī)尺度流道的值要小，同時灌水器流道結(jié)構(gòu)彎曲多變，這些都將有利于水流從層流向紊流的轉(zhuǎn)變。江小寧[23]、王補宣[24]、李戰(zhàn)華[25]等大量研究表明，對不同特征尺寸(0.1～0.9 mm)的微小流道進行流體流動實驗，結(jié)果均顯示：微流道流場特征與粘性不可壓縮湍流動量守恒方程(Navier-Stokes Equations，簡稱N-S方程)的描述相符。采用k-ε紊流模型描述灌水器微小流道中的水流[26]，微分方程組及其定解如下：

動量方程(N-S方程)：

(1)

式(1)方程是以速度表示的動量方程，需補充方程才能求解。通過添加紊流脈動動能方程k和紊流脈動動能耗散率ε方程，來使N-S方程封閉：

(2)

(3)

Eε=Cε2ε2/k,νt=Cμk2/ε

式中，v為速度矢量，x為位移矢量，υ為運動粘度系數(shù)。常數(shù)Cμ，Cε1，Cε2，σε需要用典型流動的實驗結(jié)果和算例結(jié)果作最佳擬合來得到。

根據(jù)實際情況，結(jié)合相應(yīng)的邊界條件和初始條件，就可以求解方程組了。

圖1是典型的微孔道灌水器結(jié)構(gòu)之一，從圖中可以明顯看出水流體沿縱向灌水方向由迂回結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流速大大降低，橫向交錯齒結(jié)構(gòu)致使橫向流動產(chǎn)生劇烈的脈動現(xiàn)象，從而消耗巨大的能量，使水湍流體前后阻隔為一顆顆水滴。這種利用界面結(jié)構(gòu)型產(chǎn)生能量阻隔的方式在沙漠地區(qū)能夠有效地實現(xiàn)節(jié)水灌溉，它充分利用了每一滴水在沙壤中蒸發(fā)滲散過程中產(chǎn)生的遲滯效應(yīng)而保證植物對水分的最有效利用，大大克服了體積型澆水對土壤的含氧率的不利影響和多余水分的浪費。

圖1 滴灌迂回微孔灌水器的實物圖(a)和結(jié)構(gòu)示意圖(b)Fig.1 Picture (a) and structure schematic (b) of bypass microporous drip irrigation emitter

2.2 自調(diào)節(jié)土壤濕度的水分子滲灌材料

為克服微水灌溉不能自調(diào)節(jié)土壤濕度的缺點，提出了有機-無機功能雜化材料[27,28]，將束水能力強的高吸水性樹脂與導(dǎo)水能力強的導(dǎo)水顆粒進行復(fù)合并制備成滲水芯片材料，將芯片組裝在滲水器中，在無需外加壓力的條件下，利用該材料與土壤之間的水勢差進行水分子傳水，當土壤濕度低于材料的設(shè)定水勢時，芯片加速滲水；反之，滲水速度減慢。由于這一滲水過程以水勢梯度差為動力，以材料致密組織內(nèi)微自動態(tài)結(jié)構(gòu)為介質(zhì)，從而實現(xiàn)了最有效的節(jié)水灌溉。

圖2為滲水芯片材料的導(dǎo)水機理示意圖。滲水芯片由高吸水性樹脂和導(dǎo)水顆粒組成。由于導(dǎo)水顆粒對水分的吸收能力>高吸水性樹脂對水的吸收能壘[29]，因此滲水芯片在不同水勢狀態(tài)下的水分傳導(dǎo)方式也不一樣。當處于高水勢下時(如外界土壤濕度大或者外界溫度低)，高吸水性樹脂的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充分溶脹，導(dǎo)水顆粒被完全分散開(圖2a)。由于導(dǎo)水顆粒不能形成通暢的導(dǎo)水通道，芯片材料主要通過高吸水性樹脂的枝狀結(jié)構(gòu)來導(dǎo)水，速度較慢。當處于中水勢下時(如外界土壤變干或者外界溫升高)，高吸水性樹脂的枝狀結(jié)構(gòu)由于水勢降低發(fā)生相應(yīng)收縮，使得導(dǎo)水顆粒部分“橋接”(圖2b)。此時，滲水芯片通過高吸水性樹脂的枝狀結(jié)構(gòu)和斷續(xù)的粘土顆粒通道進行導(dǎo)水，導(dǎo)水速度適中。當處于低水勢下時(如外界土壤干或者外界溫度高)，高吸水性樹脂進一步收縮使得導(dǎo)水顆粒完全“橋接”形成了連續(xù)通暢的導(dǎo)水通道(圖2c)，滲水芯片優(yōu)先通過導(dǎo)水顆粒的通道進行傳導(dǎo)，導(dǎo)水速度快。通過這樣的導(dǎo)水機理實現(xiàn)了不同水勢下滲水芯片對水分傳導(dǎo)速度的自調(diào)節(jié)作用。

圖2 滲水芯片材料的導(dǎo)水機理示意圖:(a)高水勢；(b)中水勢；(c)低水勢Fig.2 Schematics of water-conducting mechanisms of seepage chip material: (a) high water potential; (b) medium water potential; (c) low water potential

自調(diào)節(jié)土壤濕度的水分子滲灌材料的滲水速度與外界壓力無關(guān)，主要是水勢的影響。水分在介質(zhì)中運移的水勢ψ主要由4種勢能構(gòu)成，即重力勢ψg、壓力勢ψp、溶質(zhì)勢ψs和基質(zhì)勢ψm?？偹畡荭诪椋?/p>

ψ=ψg+ψp+ψm+ψs

以水勢差為驅(qū)動力的材料的水分運移問題可用達西定律來描述[30]，表示為：

q=KSΔH/L

(4)

式中，q為通量，表示單位時間通過單位面積介質(zhì)的水量，L為總水頭(總水勢)；ΔH為沿水流路徑方向的水勢差；KS為飽和導(dǎo)水率，表示單位梯度下的通量或滲透流速。

水分在三維空間的流動可表示為q=KSH，式中為nabla算子，表示為=i+j+k，i，j，k分別為x，y，z3個坐標的單位向量。

將達西定律引入非飽和水分運動，得到：

q=-K(ψm)ψ或者q=-K(θ)ψ

(5)

式中，θ為含水率(或含水量)，定義為固相中所含水分的重量與固相物質(zhì)的重量之比；K(ψm)和K(θ)表示非飽和導(dǎo)水率變量分別為基質(zhì)勢和含水率時的函數(shù)，負號表示水流方向和水勢梯度方向相反。

圖3 直角坐標系中的單元體Fig.3 The element in a rectangular coordinate system

將達西定律與連續(xù)水流的質(zhì)量守恒原理相結(jié)合，如圖3所示，設(shè)在水分流動的空間任取一點(x，y，z)，以該點為中心取無限小的一個平行六面體。六面體邊長分別為Δx，Δy，Δz，則Δt時間內(nèi)流入和流出的水分為：

而由含水率計算的單元體水分質(zhì)量變化為：

由質(zhì)量守恒定律可得，二者在數(shù)值上相等，即：

(6)

整理并結(jié)合式(6)，得到式(7)：

(7)

(8)

該式為常用的以擴散率D(θ)和導(dǎo)水率Kθ為變量的三維空間水分運動方程。

作者團隊利用上述理論和方法實現(xiàn)了滲灌導(dǎo)水材料的導(dǎo)水速度的科學(xué)性和合理性，并在沙化地區(qū)實施了規(guī)模化造林(圖4)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明用水量僅僅是傳統(tǒng)造林方法的1/40～1/60，而造林成活率提高了20%～50%。

圖4 分子滲灌規(guī)模化造林現(xiàn)場Fig.4 Large-scale afforestation site of infiltration irrigation

2.3 無水灌溉的凝露材料

非洲西南部納米布沙漠降雨極少，常有大風(fēng)，早晨霧大，沙漠甲蟲會傾斜其身體使其背部對著風(fēng)來收集水分，使水滴順著甲蟲的背部流到其嘴里。人們發(fā)現(xiàn)集水原理來自甲蟲背部特殊的親疏水交替的凹凸結(jié)構(gòu)(圖5)。圖5a是甲殼蟲的背部，有很多無規(guī)則排列的突起。圖5b是突起的放大圖，沒有蠟狀物的突起頂部光滑，具有強親水性，而突起周圍和底部表層含有蠟狀物，具有強疏水性。圖5c是電子顯微鏡下觀察到的類似荷葉的表面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由六邊形排列的扁平球面組成，形成疏水表面。沙漠甲蟲和荷葉的這種表面構(gòu)造使得水產(chǎn)生凝結(jié)且不容易被蒸發(fā)[31,32]。

圖5 沙漠甲蟲背部的凝露結(jié)構(gòu)[33]Fig.5 The water-capturing surface of desert beetle’s back[33]

江雷[34]等發(fā)現(xiàn)仙人掌能夠收集空氣中的水分并最終形成大的液滴。仙人掌的刺和倒刺之間形成了定向凹槽，這些凹槽和仙人掌刺以及底部毛簇共同構(gòu)成了凝露結(jié)構(gòu)(圖6)。仙人掌的倒刺和主刺處產(chǎn)生霧氣的“沉積”，隨著液滴的集聚和合并，液滴尺寸增加，從尖刺的頂端開始向尖刺和倒刺的底部作定向運動(圖6a)。液滴越大，沿著梯度凹槽傳輸?shù)木嚯x越遠，仙人掌通過這種方式來吸收并儲存水分。

圖6 仙人掌集霧結(jié)構(gòu)的機理示意圖Fig.6 Schematic of mechanism of the fog collection on the cactus

引起仙人掌液滴作定向運動的驅(qū)動因素有兩個，一個是沿著錐形倒刺形成的拉普拉斯壓力梯度，另一個是沿倒刺表面由粗糙度梯度形成的表面能梯度。

錐形尖刺表面的液滴兩端之間的拉普拉斯壓力差(ΔPcurvature)可表達為式(9)：

(9)

式中，R為尖刺的局部半徑(R1和R2為尖刺上液滴兩端的局部半徑)，γ為水的表面張力，α為圓錐形尖刺的半錐角，dz為尖刺的半徑增量?？拷獯添敹瞬课?小半徑R1)的拉普拉斯壓力比靠近底端(大半徑R2)的大(圖5b)。

除了拉普拉斯壓力梯度外，表面自由能梯度是液滴運動的另一驅(qū)動力。仙人掌刺的表面具有凹槽，凹槽在寬度上形成寬度梯度，靠近刺底部的凹槽比靠近頂部的凹槽更為疏松和粗糙(圖5c)。粗糙度可用式(10)Wenzel方程來描述：

cosθw=rcosθ

(10)

式中，r是粗糙度系數(shù)，定義為一個粗糙表面的實際比表面積和幾何投影面積之比，θ和θw分別為固有接觸角和表觀接觸角。由于本實驗中仙人掌的刺表面涂覆有木蠟，因此相比刺的底部，其頂端更加粗糙和親水，表面自由能更小。如果設(shè)定由表面自由能梯度形成的驅(qū)動力為F，該力使得液滴聚集在刺的頂部，然后定向地向底部運動。該驅(qū)動力可表達為式(11)：

(11)

式中，θA和θR分別為處于刺中部的液滴的前接觸角和后接觸角，dl為沿著刺中部從頂部到底部的積分變量。

郭林[35]等采用靜電紡絲的方式發(fā)明了一種人造仙人掌刺(圖7)。使用細銀針作為基底(圖7a)，用靜電紡絲技術(shù)將聚合物纖維“纏繞”其上(圖7b)就制備出了人造刺。采用此人造刺制成的人造仙人掌集霧裝置如圖8所示。將人造仙人掌刺插在海綿球上，隨后置于霧氣環(huán)境下收集水。人造刺表面的多級溝槽結(jié)構(gòu)使得固液氣三相接觸線被多重細分，造成水珠的整體拉普拉斯力顯著增加。在霧氣環(huán)境下，水滴就可以在針尖處富集并向針底遷移。從圖8b到圖8c，經(jīng)過短短15 min，量筒中的水體積已經(jīng)由原來的0 ml集聚到了1.3 ml。

圖7 人造仙人掌刺的SEM照片：(a)原始銀針；(b)人造刺Fig.7 SEM images of bare silver needle (a) and the artificial cactus spine (b)

圖8 人造仙人掌集霧裝置Fig.8 Fog collector of artificial cactus

2.4 沙表結(jié)皮生物材料

生物結(jié)皮[36,37]是在沙漠藻類拓殖作用下由活的微小生物及其代謝產(chǎn)物(胞外多糖)與沙粒組成，是土壤顆粒與有機物緊密結(jié)合在土壤表層形成的一種殼狀體，普遍存在于沙漠或荒漠地區(qū)。生物結(jié)皮的生物通過菌絲、假根或分泌的多聚糖類粘性物質(zhì)來捆綁、粘結(jié)土壤顆粒形成墊狀的活性生物結(jié)皮。

沙漠人工生物結(jié)皮[38]是指在流動沙丘建立人工植被后，通過人工接種沙漠藻促進生物結(jié)皮的形成；或者是在流動沙丘上，運用生物和工程技術(shù)固定流沙，然后通過沙漠藻人工接種技術(shù)形成生物結(jié)皮。

生物結(jié)皮具有較強的持水力。生物結(jié)皮層的持水量是結(jié)皮層下土壤的2～4倍[39]，這種高的持水量和藍藻分泌的多糖類物質(zhì)具有相關(guān)性[40,41]，因為藍藻分泌的粘性物質(zhì)具有吸水性和膨脹性，使得藍藻能迅速吸水，體積增長為原來的幾倍[42, 43]，同時能夠承受相應(yīng)的滲透水脅迫和基質(zhì)水脅迫，具有快速的恢復(fù)能力，這一功能對生物結(jié)皮增加土壤濕潤度和降雨的吸收量具有重要意義。

生物結(jié)皮作為生物-土壤結(jié)合的復(fù)合體，其水分消耗主要是土壤蒸發(fā)和生物蒸散。生物結(jié)皮延長了土壤表層水分滯留時間[44]，覆蓋封閉了表層土壤孔隙，降低了土壤水分的蒸發(fā)，而且，生物結(jié)皮的發(fā)育以抑制地表蒸發(fā)為主，隨著發(fā)育程度的提高，由抑制蒸發(fā)逐漸轉(zhuǎn)為促進蒸發(fā)。因此生物結(jié)皮與土壤水分蒸發(fā)的關(guān)系還有待進一步的研究。

張靜[45]等在沙漠地區(qū)進行了生物結(jié)皮影響下土壤表面凝結(jié)水的試驗，于4月～5月期間共進行了17次凝結(jié)水的觀測記錄(圖9)。由圖9可知，除大風(fēng)和陰雨天氣外，幾乎每天都有凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。陰天的夜晚，由于有云層的“保護”，地面溫度下降相對較慢，所以不利于形成凝結(jié)水。不同類型地表的總凝結(jié)水量差異極顯著(P<0.01)，總凝結(jié)水量隨生物結(jié)皮的發(fā)育程度呈顯著增加的趨勢，表現(xiàn)為：裸沙<藻結(jié)皮<地衣結(jié)皮<苔蘚結(jié)皮。不同類型地表凝結(jié)水量的均值之間也存在極顯著性的差異(P<0.01)，且變化趨勢與總凝結(jié)水量的變化趨勢一致。生物結(jié)皮改變了土壤上層的水分循環(huán)特性與土壤穩(wěn)定性、土壤結(jié)構(gòu)、有機物含量、土壤粗糙度以及微地形等特征，從而影響土壤的水分循環(huán)。

圖9 不同類型地表凝結(jié)水的日變化特征(4月到5月期間)Fig.9 Daily dew amounts on crusts and sand surface during April to May

3 沙漠水科學(xué)材料發(fā)展展望

沙漠學(xué)作為地理學(xué)分支和土壤水土保持相關(guān)學(xué)科，應(yīng)該說在長期的研究中還沒有系統(tǒng)將材料科學(xué)作為沙漠治理工程技術(shù)的重要手段，材料對水的傳輸作用、界面作用和儲存作用近年來才引起人們的關(guān)注。將沙化土壤完全恢復(fù)到其原始的耕地水平在生態(tài)恢復(fù)領(lǐng)域是一項漫長的過程，需要對沙化土壤輸入物質(zhì)、能量和科學(xué)的信息，但這一生態(tài)體系的恢復(fù)是以科學(xué)用水為核心的。從目前的研究看，沙漠水科學(xué)材料仍然處于起步階段。微灌技術(shù)的大量裝備和材料損耗以及耗水量與植物需求之間的差異性似乎越來越引起人們的關(guān)注；仿生凝露材料還停留在實驗室的探索階段；生物結(jié)皮技術(shù)對固沙產(chǎn)生了積極的影響，但凝結(jié)水量有待進一步實現(xiàn)大的突破；以高吸水樹脂為代表的強吸水材料在種子包衣和復(fù)合肥中得以開發(fā)引用，人們盡最大努力避免了其對植物根部的反吸水問題；多孔礦物材料也在沙漠中得以開發(fā)應(yīng)用。

沙漠水科學(xué)材料未來的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下6個方面：①自調(diào)節(jié)土壤濕度的分子滲灌材料進一步精密化和智能化，實現(xiàn)節(jié)水、生態(tài)和經(jīng)濟最優(yōu)化組合；②水的凝結(jié)、儲存和控釋一體化的功能材料的研發(fā)實現(xiàn)突破，并規(guī)模化用于沙漠生產(chǎn)；③沙漠地表水的分布與利用引起極大關(guān)注，一些水導(dǎo)向性新型功能材料得以開發(fā)應(yīng)用；④一些水科學(xué)復(fù)合材料技術(shù)或多功能復(fù)合材料技術(shù)得到整合與發(fā)展；⑤更加注重針對沙化環(huán)境不同位點的特征進行水科學(xué)材料設(shè)計，如沙表、植物根部、種子外表和葉片表面等部位，需要采用不同的水科學(xué)材料原理和方法；⑥利用沙漠氣候、地表水勢差、鹽差和溫差等環(huán)境條件為背景的水科學(xué)材料技術(shù)將為研究開拓新領(lǐng)域。

沙漠水科學(xué)材料是在極端缺水的沙漠條件下提出的科學(xué)命題，其根本任務(wù)是抑制沙化進程，實現(xiàn)生態(tài)的有效恢復(fù)，因此，“無水灌溉”和“智能灌溉”的新材料技術(shù)將是未來發(fā)展的主導(dǎo)方向。

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