UT Austin 余桂华教授团队:基于超吸湿凝胶的大气水灌溉体系用以实现可持续农业生产
The following article is from ACS美国化学会 Author ACS Publications
到2050年,全球人口预计将达到90亿,相应地,全球食品生产需要增加70%才能满足庞大人口的需求。淡水是农业生产中最重要的自然资源,然而如今的淡水资源极其短缺。淡水生产难以满足农业生产中的灌溉需求,特别是在严重缺水的干旱地区。此外,现在的灌溉方式依赖于复杂的水供应系统,增加了农业生产的成本。这些挑战促使人们探索新的水资源用于农业灌溉。作为一种新型淡水资源,大气中的水资源不受限于地理位置和水文条件,从而受到了广泛的关注。空气取水可通过收集空气中的水分产生淡水,在自然条件下可持续供水,有望实现农业的可持续发展。除此以外,由于土壤较弱的保水能力,水分流失和蒸发会造成严重失水,导致了低的水分利用效率并且影响了植物生长的关键阶段。合理有效地利用水资源对于农业生产也十分重要。
图1. (a)基于超级吸湿凝胶改性土壤(SMAG-soil)的大气灌溉用于可持续农业; (b) SMAG的吸水和放水行为; (c) 在90%RH和20℃时SMAG-soil和沙质土壤(Sandy-soil)的吸水性能; (d) 在40%RH和40℃时SMAG-soil和Sandy-soil的保水能力。
该团队设计了一个低成本的大气水灌溉系统用于植物生长(图2a)。大气水分收集可实现均匀灌溉,而通过太阳辐射释放的水分可稳定种植室内的相对湿度,从而防止植物脱水。该系统在凉爽潮湿的夜晚暴露于空气中,从大气中吸水并储水于SMAG-soil中。在温暖干燥的白天,阳光可驱使SMAG-soil释放水分,并补充种植室内的水分流失和控制植物的蒸腾量(图2b)。在相对湿度波动较大的外部环境下,大气水灌溉系统内的相对湿度可恒定在〜70%。即使外部环境RH较低,灌溉系统内部的RH在20天之内仍可稳定在70%附近(图2e),表现了SMAG-soil有效的湿度管理。除此以外,在强阳光照射和高温下,SMAG-soil始终可以保持40%的水含量(图2f)。SMAG-soil实现的恒定高湿度和水含量有利于种子发芽和植物生长。
该团队在此大气水灌溉系统种植了萝卜来表现这种设计的可行性。萝卜的发芽期为4天,SMAG-soil和Sandysoil被每半天(共8次),每天(共4次),每两天(共2次),每四天一次(1次)灌溉以及无液体水灌溉仅有大气灌溉(0次)(图2g)。不论有无液态水灌溉,SMAG-soil中植物的发芽率均超过95%;而当总灌溉时间少于4次时,Sandy soil的发芽率急剧下降。由于SMAG-soil的充足水供应和稳定的RH,在没有任何液态水灌溉的情况下,萝卜种子可在第2天的时候发芽且可在第14天迅速生长到15 cm。在Sandy soil中,萝卜的发芽时间更长且株高只能达到1厘米(图2h)。此外,在没有液态水灌溉的情况下,SMAG-soil中的植物在14天后均存活,而在Sandy soil中的植物在6天后的存活率为0%(图2i)。
文章作者:Xingyi Zhou (周星怡), PanpanZhang (张盼盼), 通讯作者:Fei Zhao (赵飞)和 GuihuaYu (余桂华)。
原文链接:
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00439
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