沙漠汲水神器

如何促进干旱土壤的农业发展？美国的研究人员开发出一种凝胶，能在夜间吸收空气中的水分，并在炎热的白天释放出来！这种汲水方式效果如何，值得大规模推广吗？

有没有人试过在沙漠里种萝卜？在沙土贫瘠、雨水匮乏且阳光毒辣的环境中，这是一个不可能完成的任务。然而美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的研究人员却找到了方法。他们开发出一种能在土壤中保持水分的凝胶。它就像海绵一样，会在夜间凉爽时吸收空气中的水分，然后在炎热干燥的白天将水分释放出去。这种“水凝胶”能吸收3倍于自身重量的水分！

凝胶的双重作用

凝胶的吸水能力基于两种长链分子聚合物的使用。第一种（图中呈红色）是吸湿的：它能从空气中吸收水分①。第二种（绿色）是丙烯酰胺聚合物：它能在低温下与水结合并保存水分②。这两种元素共同作用就形成了一种“凝胶”，可以在夜间储存水分③。

当温度达到35℃左右时，丙烯酰胺聚合物就会释放水，让水分可以在白天被利用 ④ 。理论上，这种超级凝胶最多可容纳3倍于自身重量的水。在土壤中，它实际吸收的水分略多于其自重的2倍。

这项发明颇具发展前途，特别是对那些必须大量灌溉干旱土地以实现农耕的国家。要知道，农业灌溉用水占世界淡水总消耗量的70%！考虑到淡水资源稀缺，大量灌溉就是一种巨大的浪费。包括印度、伊朗和以色列在内，目前有17个国家面临极度“缺水”的压力。可以这么说，这些国家几乎用完了全部水资源。而且问题还在继续恶化。据估计，气候变暖可能会使全球四分之一的土地变得干旱。

“基于我们的水凝胶，作物利用空气中的水分就可以自行完成灌溉。”奥斯汀分校负责这项研究的余桂华教授展望道。他已经用浅根植物证明了这一点：种在水凝胶土壤中的萝卜，面对得州充足的阳光，无需浇水也和每天浇水两次的萝卜长得一样好！

当然，还有其他水凝胶，有些在美国、墨西哥或是巴西甚至已经上市了十来年。但是“它们只能吸收降雨或灌溉带来的水，而不能吸收空气中的水分。因此，并不能满足灌溉用水的需求”，余桂华细说道。

左边是干燥的凝胶，右边是吸水后的。

太多的不确定性

在为奇迹的出现而欢呼之前，有个细节值得一提：奥斯汀分校研究人员研发的凝胶与市场上已有的凝胶一样，本质上是由相同单体组成的长链分子聚合物，而该凝胶使用的单体是丙烯酰胺分子这种“致癌物”。

“聚合物本身不是问题，但我们还没有它在土壤中长期分解的数据。”法国毒理学家安妮-克里斯蒂娜·马切里（Anne-Christine Macherey）指出。具体而言，人们不知道这种分解是否会释放出争议很大的丙烯酰胺，它又会不会被植物吸收，最终进入人类或动物的胃！

研究人员还在探索其他的汲水方案。

正是出于这个原因，法国禁止在种植粮食作物时使用含有丙烯酰胺聚合物的水凝胶。余桂华承认：“研究这种水凝胶如何被土壤中的细菌分解是十分必要的。”但汲水器制造同样也取得了进展。法国Biomanity公司正在研发由玉米渣制成的可生物降解超吸水凝胶。

“这种天然凝胶更容易被细菌消化，而且不会产生任何毒副产品。”Biomanity总裁让-弗朗索瓦·丹尼尔（Jean-François Daniel）保证道。该公司正与法国发展研究院（IRD）合作进行测试，证明这种凝胶不存在长期毒性。

就算测试成功，还有另外一个限制：高昂的成本！“对那些富裕的干旱国家，例如以色列或波斯湾诸国来说，这种凝胶应该很有吸引力，但贫穷国家的农民群体对此却难以企及。”来自IRD的克劳德·哈梅克（Claude Hammecker）辨析道。

这位研究员提出了另一种解决方案“生物炭”，即一种在真空烘箱中高温加热任何植物垃圾都能获得的木炭。“这种多孔材料与土壤混合后，可以捕获土壤中的水和肥料，然后再一点一点释放它们。”克劳德·哈梅克补充说。这是一种几乎免费的方案，易于实现，但没那么高效……这种生物炭仅能储存相当于其自身质量30%的水分，远比不上水凝胶的300%。因此，没有一种解决方案是完美的，但具体视当地情况而定，它们都可以提供帮助。

撰文 Hugo Leroux

编译 方文圭