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        基于咸水處理和精準(zhǔn)灌溉相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)分析

        2021-10-14 15:04:56任玉潔李俊林王向譽(yù)周新國(guó)郭洪恩
        關(guān)鍵詞:咸水淡化水肥

        任玉潔,李俊林,王向譽(yù),周新國(guó),郭洪恩

        (1山東省蠶業(yè)研究所,山東煙臺(tái)264001;2中國(guó)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素[1-6],雖然中國(guó)水資源總量達(dá)2.81×1012m3,但人均水資源量?jī)H為1.77×104m3[7-8],是世界水資源較短缺的國(guó)家之一。然而,中國(guó)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(huì)影響作物的正常生長(zhǎng),還會(huì)導(dǎo)致土壤次生鹽漬化的發(fā)生[11]。當(dāng)前中國(guó)海洋農(nóng)業(yè)正處于發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,咸水處理和精準(zhǔn)灌溉技術(shù)可以實(shí)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(duì)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(fèi),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(duì)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(huì)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(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的微咸水灌溉方式會(huì)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(duì)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(duì)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(shì)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(shì)下,中國(guó)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(shì)在必行[18]。而國(guó)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(huì)對(duì)作物產(chǎn)量或品質(zhì)會(huì)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(yàn),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(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的同時(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)水肥高效利用的同時(shí)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(jì)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(shí)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(guó)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)化發(fā)展相對(duì)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(jì)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(huì)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(duì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)微咸水的淡化和純化。此法解決了對(duì)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(zhǎng),原水懸浮物含量要求范圍廣,出水含鹽量可調(diào),同時(shí)該系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)水箱可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(shí)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(huì)自動(dòng)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(dòng)控制原水水位高低,水位低于設(shè)定值后設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉待機(jī),水位到達(dá)預(yù)定位置設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。凈水蓄水池到達(dá)預(yù)定水位高度后,設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)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(gè)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(yíng)養(yǎng)元素的不同,每個(gè)棚內(nèi)的小首部通過對(duì)電磁閥、流量計(jì)等精準(zhǔn)智能控制,實(shí)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

        3.1 國(guó)內(nèi)外咸水處理技術(shù)研究進(jìn)展

        目前,國(guó)內(nèi)對(duì)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(guó)內(nèi)研究中,咸水水鹽分離水量中大部分是利用蒸餾法實(shí)現(xiàn)的,但其具有高能耗的特點(diǎn)[37]。電滲析法操作方便、除鹽率高,但水回收率低,并且對(duì)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(shì)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(yùn)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(diǎn)低而脫鹽,缺點(diǎn)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(huì)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(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)咸水淡化技術(shù)的研究早于中國(guó)約10年,其技術(shù)也日臻完善[45-46]。目前,國(guó)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(zhǎng)期的雜質(zhì)納濾會(huì)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(guó)內(nèi)外精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究進(jìn)展

        中國(guó)開展精準(zhǔn)水肥灌溉研究起步晚、時(shí)間短,在精準(zhǔn)控制方面落后于美國(guó)、以色列等西方國(guó)家。目前,國(guó)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(zhǎng)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(guó)外精準(zhǔn)灌溉技術(shù)早于中國(guó)近半個(gè)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(tái),不僅可以實(shí)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(chǔ)和分析[55]。俄羅斯作為世界上機(jī)械化程度較高的國(guó)家之一,其在灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中運(yùn)用了地理信息技術(shù)和航空攝影技術(shù)[56],給中國(guó)水肥藥精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的研究提供了經(jīng)驗(yàn)。德國(guó)生產(chǎn)的TRIME-EZ傳感器是利用TDR時(shí)域反射技術(shù)原理進(jìn)行高精度土壤水分監(jiān)測(cè),為進(jìn)一步優(yōu)化灌溉施肥系統(tǒng)和計(jì)算灌溉水利用系數(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源,對(duì)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(shì)

        4.1 咸水淡化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

        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(guó)微咸水儲(chǔ)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(guó)國(guó)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(chǔ)藏地的能源特點(diǎn),因地制宜采用清潔能源可實(shí)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(dòng)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(jiǎn)化了操作流程[58]。二硫化鉬(MoS2)納米膜的出現(xiàn)將有望推動(dòng)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(fèi)用在總成本中所占的比例最高。將槽式太陽(yáng)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(shì)

        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(xiàng)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(shì)[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(fèi)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)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(cè)、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(bào)、作物耗水歷史記錄以及耗水趨勢(shì)模型等融為一體[62],自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(shì)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(dòng)調(diào)節(jié)灌溉時(shí)間、灌水量和灌溉頻次,智能作出灌溉決策和預(yù)測(cè),推動(dòng)中國(guó)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(duì)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(diǎn)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(jià)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(dòng)化技術(shù)將推動(dòng)農(nóng)田信息的獲取向更加智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。

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