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南京大学,最新Nature Water!

2026-04-15 20:24:02

在全球范围内，淡水短缺与耕地资源紧张正成为制约农业发展的关键瓶颈。尤其是在沿海地区，虽然拥有丰富的海水资源，却长期面临灌溉用水不足与土壤盐碱化问题。传统海水淡化农业虽然提供了一条路径，但仍存在能耗高、成本高以及硼污染等难题，难以实现大规模可持续应用。与此同时，传统农业模式以“获取—生产—废弃”为主，资源利用效率低，环境负担沉重，亟需向循环利用模式转型。

针对这些挑战，南京大学朱嘉、宋琰联合海南大学肖娟秀和海南医科大学Tao Yang提出了一种“太阳能驱动循环海水农业系统”。该系统以太阳能为核心驱动力，将海水转化为高质量灌溉水，同时实现农作物生产与农业废弃物的高值利用，构建“水—食物—材料”闭环循环体系。通过在海南开展为期3个月的实地验证，研究成功实现了从种子萌发、作物生长到收获加工及废弃物再利用的完整循环，并展示出显著的水资源利用效率与农业产出能力，为解决水资源短缺与粮食安全问题提供了全新思路。相关成果以“Solar-powered circular desalination agriculture enabled by amyloid fibril-based bioevaporators”为题发表在《Nature Water》上，Meng Xia, 宋琰, Jiahui Yu和Mengyue Zeng为共同第一作者。

从“线性农业”到“循环系统”：概念构建

论文首先提出了整个系统的核心框架。如图1所示，研究构建了一个由“水-食物循环”和“材料循环”耦合而成的闭环体系。在这一体系中，太阳能驱动界面蒸发实现海水淡化，产生无硼的高质量淡水用于灌溉，同时也可供居民饮用；大豆作为核心作物，不仅提供蛋白质与多种食品，还在加工过程中产生副产物。更关键的是，这些农业废弃物并没有被丢弃，而是被“反哺”系统：大豆粕被转化为生物蒸发器材料，大豆秸秆则制备成肥料用于土壤改良。通过这一设计，农业不再是单向消耗资源的过程，而是一个不断自我循环、自我强化的系统，实现真正意义上的可持续农业。这种“边生产、边再生”的模式，也为未来农业提供了重要范式。

图1：循环海水农业整体框架，展示水-食物与材料双循环系统

从废弃物到功能材料：生物蒸发器的构建

系统的关键在于“生物蒸发器”的设计。图2a展示了其制备流程：研究团队以大豆加工废弃物为原料，通过蛋白提取、纤维化、定向冷冻干燥以及原位功能化等步骤，将其转化为具有特定结构的功能材料。在图2b–d中可以看到，这些材料内部形成了由淀粉样蛋白纤维构成的三维网络结构，并通过聚吡咯（PPy）进行光热功能修饰。这种结构不仅具有高比表面积，还具备良好的机械稳定性和分子间相互作用，使其在海水环境中依然保持稳定。图2e则展示了放大后的蒸发器实物，其尺寸可达15 cm，说明该方法具备规模化潜力。这一设计的巧妙之处在于：材料本身来源于农业废弃物，同时又服务于农业生产，实现“材料自循环”。相比传统需要高温碳化的蒸发材料，该方法更加绿色、低能耗。

进一步来看材料性能，图2f显示淀粉样纤维的形成通过荧光增强得到验证；图2c中的垂直排列通道（约100 μm）为水分输运和蒸汽释放提供了“高速通道”。图2g表明，该材料在250–2500 nm波段内具有超过92%的光吸收能力，在1个太阳光照条件下，仅2分钟即可升温至76.5°C，实现高效光热转换。与此同时，图2h显示其极强的亲水性，可在10秒内吸收超过自身22倍质量的水。此外，图2i揭示了其优异的力学性能：在60%压缩应变下仍可完全恢复，保证其在复杂海洋环境中的长期稳定运行。这种兼具“高吸光、高导水、高稳定”的材料，是实现高效太阳能蒸发的核心基础。

图2：生物蒸发器的制备流程及微观结构与性能

从实验室到田间：淡化性能与稳定性

在图3a中，研究对比了不同淡化方式的产水能力。结果显示，界面太阳能蒸发系统可达到8.29 mm·day⁻¹的产水量，远高于自然蒸发（约2 mm·day⁻¹），完全满足大豆各生长阶段的用水需求。图3b进一步对比了水质，太阳蒸馏水不仅盐分更低，而且将硼含量降至0.18 mg·L⁻¹，远低于农业安全阈值。这一点尤为关键，因为传统反渗透水中的硼含量较高，会对作物产生毒性。在长期稳定性方面，图3c显示蒸发器表面的盐分可在60分钟内完全溶解，不会积累；图3d表明其在30天连续运行中保持稳定产水性能。更令人关注的是抗生物污染能力。图3e–g显示，该材料对多种海洋细菌的灭活率超过99.99%，有效避免了传统蒸发系统易被污染的问题，大幅提升系统寿命。

图3：蒸发器的产水性能、水质优势及抗污染能力

真正“种出来”的验证：农业实地实验

在海南的实地实验中，研究团队对比了三种灌溉方式（图4a）：太阳能淡化、反渗透淡化和自然蒸发。图4b直观展示了植物生长差异：太阳能淡化组生长最为旺盛，而自然蒸发组几乎无法正常发育。图4c进一步量化结果，太阳能淡化在发芽率、株高、叶面积等指标上均显著领先。图4d揭示了关键原因：反渗透水导致叶片出现明显黄化（硼毒性），而太阳蒸馏水完全避免这一问题。最终产量对比（图4e,f）更具说服力：太阳能淡化条件下，大豆单株荚数、总产量等均显著高于其他方法。这意味着不仅“能种”，而且“种得更好”。

图4：不同灌溉方式下的大豆生长与产量对比

可扩展性与现实意义：走向实际应用

在规模化验证中（图5a），系统已扩展至11 m × 6 m的农田，并可与现有滴灌系统兼容，显示出良好的工程适配性。图5b展示了其广泛适用性：不仅能种植大豆，还可支持蔬菜和经济作物（如玫瑰）生长。图5c则从系统层面分析物质流：所有输入仅为阳光、海水和少量化学品，而输出包括粮食、饮用水、油脂等，同时所有废弃物均被循环利用，真正实现“零废弃农业”。更具现实意义的是图5d的估算：在0.6公顷土地上，该系统可满足1853人的饮水需求、237人的蛋白需求以及47人的基本粮食需求，展示出极高的社会价值。

图5：系统规模化应用、作物适配性及资源循环与产出能力

总结与展望

总体来看，这项研究首次系统性地构建并验证了“太阳能驱动循环海水农业”模式，通过材料创新与系统设计的深度融合，实现了水资源获取、粮食生产与废弃物循环的协同优化。该系统不仅解决了传统海水农业中的能耗与污染问题，还通过去硼优势显著提升作物产量与品质。未来，这一技术有望在全球沿海及缺水地区推广，推动农业从“资源消耗型”向“循环再生型”转变。同时，随着太阳能蒸发材料与智能农业技术的发展，该系统还可进一步集成自动化与规模化能力，成为保障全球水-粮-能安全的重要解决方案。

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