淡水资源短缺是全球性问题，而农田灌溉用水占比高达70%，因此探索水-粮食耦合协调发展的综合举措十分必要。太阳能海水淡化技术具有节能、环保特性，在提供农业用水方面极具应用前景。通过在表面覆盖一层黑色吸光材料，可实现高效的水分蒸发，但如果在蒸发表面种植作物，会使蒸发效率下降甚至消失。另一种方法是将作物生长区域与蒸发表面分开，这需要单独建立蒸发室，而蒸发室区域不能种植作物，导致土地利用率降低，同时作物生长区域只利用了占太阳光51%的可见光用于光合作用。因此，需要探索有效的方法，以提高太阳能海水淡化灌溉系统的土地利用率和太阳能利用率。
为此，南京大学研究团队设计了一种漂浮于海面的半透明木质穹顶，太阳光中的可见光可穿透穹顶为作物光合作用提供能量，而剩余太阳能驱动海水淡化，为作物生长提供淡水，实现了在同一个区域海水淡化和作物生长的同步进行。通过调控，木质穹顶的光线透过率可在0~68%范围内调节，有助于适用不同的作物生长。例如，调节光透过率为0，则水分蒸发速率为6.4 mm/天，可用于种子发芽；调节光透过率为31.8%，则水分蒸发速率为4.9 mm/天，这适用于大部分作物生长。半透明木质穹顶漂浮于水面上，在阳光照射下，将海水转化为蒸汽，随着蒸汽在圆顶不断产生，被迫向内扩散，并在设有水冷系统的底部冷凝，供给给作物，与此同时，海水不断补充到圆顶，实现水循环。植物生长所需的太阳光主要是紫外和可见光范围，因此，此系统可使紫外和可见光穿透而传递给作物，而将剩余的45%的红外光转化为热能用于海水淡化。
木材具有优异的力学强度、输水性能和光学可控性。通过除去木质素中的发色基团，可使木材转化为光学透明的材料，同时也能提高木材的水分传输能力和防霉性能。测试结果表明，改性木材在湿态下是透明的（400~1400 nm范围光透射率＞65%，在1400 nm处表现高吸收率），分级多孔结构得到保留，孔径在15~300 μm。通过附着近红外吸收剂（粒径约40 nm），STEAM呈现浅蓝色，在800 nm以上表现出高吸收率。DREAM中，单宁酸和铁离子的络合使木材表面变黑，使吸收率高于90%。但STEAM和DREAM均具有良好的亲水性，表明输水能力没有改变。最终，TEAM、STEAM、DREAM的透光率分别为64.9%、31.8%和0。值得注意的是，STEAM的透过率高于新兴的半透明农业光伏电池（20~25%）。
蒸发系统结构图
木质穹顶系统由顶部拱形的蒸发室和底部扇形的生长室组成。工作时，海水从木材顶部通过重力向四周输送到整个圆顶，这种定向流体供应设计可有效防止表面的盐累积，从而实现持续蒸发。蒸发室由一层透明的丙烯酸树脂构成，以迫使木材表面产生的蒸汽向底部扩散。蒸发室与生长室通过特殊结构连接，当生长室耗水量高于蒸发室输出量，下降的水位就会促使水蒸气直接扩散到大气中，而不是通过冷凝收集。
三种蒸发系统图像及蒸发性能表征
对蒸发效率进行测试，结果表明，由于TEAM的光吸收率较低，蒸发速率只有0.9 mm/天。而STEAM和DREAM蒸发速率分别达到4.9 mm/天和6.4 mm/天，足以使辣椒、黄瓜、西红柿、茄子、玉米、土豆、西瓜、水稻等大多数作物正常生长。利用ICP-MS对冷凝水进行测试，钠、钾、钙、镁离子浓度均比海水下降了4个数量级，显著低于通过膜分离和蒸馏获得的冷凝水，同时铁离子浓度非常低，表明DREAM具有良好的稳定性。除此以外，工作过程中，蒸发室内始终保持饱和湿度，而由于蒸发室与生长室的分离设计，生长室保持了与环境相似的有益湿度。
研究者测试了各种种子在木质穹顶系统内的发芽和生长过程。以萝卜为例，现将种子放在DREAM系统中的发芽，萝卜幼苗在3天后正常生长到3 cm高度，随后转移到STEAM系统中。由于供水不足，豌豆、黑麦和卷心菜幼苗在DREAM系统转移到TEAM系统约5天后死亡。尽管缺乏阳光，幼苗可以在DREAM系统中存活并长高，但健康程度不如在STEAM系统的。与DREAM系统相比，STEAM系统生长的作物叶片叶绿素含量更高，具有更高的抗氧化能力。
在此系统中，由于阳光和淡水是可调节的，保证了海面农业生产的物种多样性。例如，DREAM系统除了用于发芽外，还适用于喜欢黑暗潮湿环境的植物，如蘑菇。对于仙人掌等喜欢干燥和阳光充足环境的植物，TEAM系统可能是一个不错的选择。对于大多数植物来说，STEAM系统提供的光照和淡水更适合。
END
参考文献：
Bian Yue, Teng Yan, Chen Si, Tang Kun, Zhao Lijuan, Fu Lan, Gu Shulin. Farming on the Ocean via Desalination (FOOD). Environmental Science & Technology 2023.
https://doi.org/10.1021/acs.est.3c05887
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