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

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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。

近日，美国得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队开发了超吸湿凝胶改性的土壤（SMAG-soil）实现大气水灌溉用于可持续农业发展。这种新型土壤可以在高湿度低温度的夜间从大气中收集水分并将水存储在凝胶中。在太阳照射下，液态水可被释放用于灌溉，同时SMAG-soil的高保水能力可以实现环境加湿。因此，大气水灌溉的概念有望在难以获得液态水资源的偏远和干旱地区实现农业生产（图1a）。

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。

这种超吸湿凝胶（SMAG）的高分子网络为互穿的吸湿性聚吡咯和热响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺)组成。在相对湿度为90%的条件下，1g SMAG可以从大气中吸收约4g的水分。当温度升高为35°C时，没有离子溶质的液态水可被释放（图1b）。由SMAG微粒和土壤均匀混合而成的SMAG-soil在90％RH和20°C的环境下（干旱地区晚上的典型气候），可以从空气中吸水达到1.1 g g^-1的水吸收量，比沙质土壤 （Sandy soil）高了近两个数量级（图1c）；而在40％RH和40°C（干旱地区白天的典型气候）下，SMAG-soil可以在四周后仍保持40％的含水量，而砂质土壤在一周内会损失80％的含水量（图1d）。
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。
图2. (a) 基于SMAG-soil的大气水灌溉用于植物生长; (b) SMAG-soil的水分吸收和释放循环; (c) 在SMAG-soil的生长的萝卜植物; (d) 种植室外（Environment）和内部（SMAG-soil）的相对湿度; (e) 20天内在2pm时种植室外（Environment）和内部（SMAG-soil）的相对湿度; (f) 20天内在2pm时SMAG-soil的水含量，太阳强度和环境温度; (g) SMAG-soil和Sandy soil在不同灌溉次数下的发芽率; (h) 无液态水灌溉情况下在SMAG-soil和Sandy soil中的植物高度; (i) 无液态水灌溉情况下在SMAG-soil和Sandy soil中的植物存活率。

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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