南京大学 & 海南大学 Nature Water | 太阳能循环海水淡化农业

第一作者：Meng Xia, Yan Song, Jiahui Yu, Mengyue Zeng

通信作者：Yan Song, Tao Yang, Juanxiu Xiao, Jia Zhu

通讯作者单位：南京大学，海南医科大学，海南大学

导读

对于沿海社区而言，灌溉用水和可用耕地非常有限。尽管基于反渗透（RO）的海水淡化农业已在部分地区成功应用，海水淡化农业仍面临诸如硼污染、基础设施成本高以及能源密集型作业等挑战。本文报道了一种太阳能循环海水淡化农业的策略，利用阳光生产灌溉用水，将农业副产品升级为功能性材料，实现“水-粮食-材料”的良性循环。

具体而言，在粮食-水循环中，由食品废弃物制成的生物质蒸发器通过太阳能驱动的界面蒸发淡化海水，产生大量高质量的灌溉用水和家庭饮用水。种植的大豆被加工成食品，废水被回收用作太阳能淡化的供水，以减少排放。同时，在材料循环中，豆粕通过自组装成为基于淀粉样纤维的生物质蒸发器，豆秸则被转化为肥料以改善土壤。

在海南岛进行的为期三个月的田间试验验证了从种子发芽到收获、加工及废弃物再利用的完整循环的可行性。按全球人均0.6公顷农业用地的规模，此系统可满足47人的日常食物需求。此外，该策略可适用于多种经济、粮食作物，同时成功修复了盐碱土壤。这为资源有限地区的水资源短缺、粮食安全和能源挑战提供了一种可持续、可扩展的解决方案。

图1 太阳能循环海水淡化农业

亮点剖析

一、“基于废豆粕的淀粉样蛋白纤维生物蒸发器的制备与表征”

通过自下而上的分级结构工程，废弃大豆粉转化成为了功能性的生物蒸发器。该过程包括四个主要步骤：蛋白质提取、纤维化、冷冻干燥和原位功能化（图2a）。所得的淀粉样生物蒸发器具有网络结构和垂直排列的通道（图2b-c），在太阳能淡化中表现出理想的性能，包括可扩展性、轻质量、高效的太阳能转热转换效率、快速的吸水性能以及机械稳定性（图2e-i）。

图2 基于废豆粕的淀粉样蛋白纤维生物蒸发器的制备与表征

二、“生物蒸发器在太阳能海水淡化中的性能和稳定性”

农业应用中，太阳能海水淡化必须提供足够的淡水以维持完整周期的作物种植，同时确保灌溉级的水质，并在盐分条件和微生物暴露下保持稳定运行。

在产水量方面，本研究中的蒸发器足以产出满足大豆整个生长周期的需水量。海南夏季实验期间，系统产生了8.29 L m-2的水，相当于8.29 mm day-1。在产水水质方面，太阳能海水淡化有效去除盐分，产出适合农业使用的无硼淡水。对植物有毒的硼在太阳能蒸馏水中降至0.18 mg L-1，远低于农业阈值（<0.7 mg L-1）。相比之下，典型反渗透产水中的硼浓度为2.26 mg L-1，对大多数作物（包括大豆，<1.0 mg L-1）都是有害的。

生物蒸发器具有稳定的抗盐性能。淀粉样纤维前体的丰富亲水基团（-OH 和-NH）增强了水的吸收并促进盐的溶解，垂直排列的通道也能使盐能够高效地回输至溶液，防止表面累积。即使在 200 g L-1 盐水中，生物蒸发器也能保持稳定性能，适用于多种水源。为期 30 天的盐水连续测试进一步证明了其长期稳定性（图 3d ）。

此外，生物蒸发器展现出了广谱抗菌能力。其机制在于淀粉样纤维对细菌膜的破坏。15天的菌落实验表明，相比于未含淀粉样纤维的常规蒸发器，基于淀粉样纤维的生物蒸发器具有优异的抗生物污垢性能（图 3f）。

图3 生物蒸发器在太阳能海水淡化中的性能和稳定性

三、“田间太阳能淡化农业”

为了评估太阳能循环淡化农业的可行性，本工作在中国海南岛这一面临农业用水短缺的沿海地区进行了为期三个月的端到端的田间测试，包括发芽、栽培、收获、加工和再利用。

在不同的灌溉方法下，界面太阳能海水淡化实现了最佳生长，其次是 RO 膜淡化，而自然蒸发得出的结果最差。RO 膜淡化在初期支持的大豆生长与界面太阳能淡化相当（图 4c）。然而，在后期生长阶段，叶缘发黄，即硼毒性导致了植株健康度下降。用自然蒸发水灌溉的大豆因淡水供应不足未能长出叶子。基于这些生长优势，界面太阳能淡化显著提高了产量结果。与RO膜对比的结果表明，太阳能蒸馏水中缺乏硼元素在提升作物生产力方面起到了关键作用。

图4 田间的太阳能淡化农业

四、“可扩展性与循环适用性”

在成功的大豆田间试验的基础上，我们评估了该系统的可扩展性和作物适应性。扩展场景如图5a所示，而通过四种不同的作物的种植（图5b），证实了其作物适应性。

图5c则展示了完整的物料流的分析，以评估循环性。循环的输入极少且可持续，包括阳光、海水和用于生物蒸发器制造的化学品。输出满足多种需求：大豆和饮用水提供营养和水分；豆油和回收的盐增加了经济价值；所有残渣，包括豆粕、秸秆和叶子，都能完全回收。豆粕被重新用于生物蒸发器以维持太阳能淡化，而秸秆和叶子则转化为肥料以改善土壤质量。

为了评估实际可行性，本文估算了系统满足人类食物和水需求的能力（图5d）。0.6公顷（全球人均平均可用耕地面积）的些产量可以满足1,853人的饮用水需求、237人的蛋白质需求、以及47人的干粮需求。综合来看，这些产量可以满足人类的食物和水需求，而在沿海或盐碱水域部署则可在不占用稀缺耕地的情况下进行种植。

图5 可扩展性与循环适用性

思考与讨论

本文报道了一种循环太阳能海水淡化农业策略的设计和示范，该策略利用海水和阳光以最小的浪费生产食物。此策略完全依靠太阳能产生丰富的灌溉水，可实现低成本的离网运行。所有的废弃物都被回收利用。同时，太阳能海水淡化能够有效去除硼以确保农业用水安全。此外，该系统能够支持多样化的食品和高价值作物，同时提供营养和经济回报。

【文章信息】

Xia, M., Song, Y., Yu, J. et al. Solar-powered circular desalination agriculture enabled by amyloid fibril-based bioevaporators. Nat Water (2026).

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