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上海交大ITEWA团队王如竹/黄丹枫，新国大李俊团队Nature Communications：现代技术融合的新一代温室节水策略

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-04 10:04

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近日，上海交通大学王如竹、黄丹枫教授和新加坡国立大学李俊教授团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Next-generation water-saving strategies for greenhouses using a nexus approach with modern technologies”的展望论文。该研究基于全球水资源短缺和农业可持续发展需求，提出了一种结合吸附式空气取水、超吸水保水剂、辐射制冷、海水淡化技术的新型温室节水策略，为未来农业水资源高效利用提供了新的科学依据。文章第一作者是上海交通大学/新加坡国立大学联合培养博士研究生邹豪，通讯作者为上海交通大学王如竹、黄丹枫教授和新加坡国立大学李俊教授。

【研究背景】

随着全球人口的持续增长、城市化进程的加快以及气候变化带来的极端天气频发，全球水资源短缺问题日益加剧，给农业生产带来了严峻挑战。作为人类赖以生存的基础产业，农业用水占全球淡水消耗的近70%，而其中传统农业的大量灌溉方式存在显著的水资源浪费现象。温室农业因其较高的水分利用效率和可控的生长环境，成为缓解农业用水压力的重要方式。然而，当前温室种植仍面临水资源利用率不高的问题，如灌溉水的深层渗漏、蒸腾作用导致的水分流失以及冷却系统的高水耗等。面对这些挑战，亟需探索更加高效、可持续的水资源管理策略，以进一步提升温室农业的节水能力，实现农业生产的绿色低碳转型。在此背景下，结合现代材料科学与工程技术的创新方案，如吸附式空气取水、超吸水保水剂、辐射制冷和太阳能海水淡化技术，为温室农业的高效节水提供了全新的研究思路，并为全球水资源短缺问题的解决贡献了可行的技术路径。

【主要内容】

1. 吸附式空气取水

该研究提出的吸附式空气取水技术充分利用温室内部的高湿度环境，通过高吸湿性材料（如水凝胶、气凝胶、泡沫材料等）主动吸附空气中的水分，并在光热或低品位热源的作用下释放冷凝水，实现高效水资源回收和再利用。温室相对湿度可高达90%，为该技术提供了理想的应用环境。其中，水凝胶材料（SMAG）在90%湿度条件下的水吸附能力高达6.7 g/g，明显优于其他吸湿材料。

图1 吸附式空气取水在温室中的节水能力 a.不同类型的高吸湿性多孔聚合物（HPPs）示意图 b.温室顶部SAWH水收集系统示意图（SAWH Cover） c. 作物局部水收集设备（SAWH Hood）示意图 d. 典型温室环境下温度与湿度变化趋势 e. 不同HPPs材料在90%湿度条件下的吸湿能力比较 g. SAWH水收集系统每日水回收量。

团队进一步提出了两种水收集策略：一是屋顶水收集系统（SAWH Cover），利用温室顶部空间，在夜间吸附空气中的水分，并在白天释放用于灌溉；二是局部植物覆盖水收集设备（SAWH Hood），通过直接覆盖作物上方，收集其蒸腾作用释放的水分，减少水分损失并提高水资源回收率。SAWH Cover系统可每日收集453.87 g/m ² 的水，而SAWH Hood系统则可达到840.5 g/m ² ，两者结合使用时可满足温室作物86%的每日用水需求，大幅减少外部水源依赖。相比传统的温室通风除湿方式，该技术不仅能够降低湿度、防止病害，还能将废弃的空气水分有效回收并循环利用，为温室农业的可持续水资源管理提供了新的解决方案，尤其适用于干旱或水资源短缺地区。

2. 超吸水保水剂

在温室农业中，由于深层渗漏、蒸发及作物蒸腾作用，大量灌溉水流失，降低了水资源利用效率。超吸水保水剂技术通过在土壤中引入高吸水性聚合物，使水分能够长时间存储并缓慢释放，从而减少灌溉需求，提高水资源利用效率。文献研究表明，多种超吸水保水剂，如超吸水水凝胶、聚丙烯酸盐水凝胶、淀粉基水凝胶等，其吸水能力可达自身重量的20至700倍，能有效提升土壤持水能力，使水分保持时间延长三倍以上，并有助于延缓作物进入缺水状态超过一周。此外，该技术适用于多种作物，已有研究表明，大豆、西红柿、甜瓜和白菜等作物在使用超吸水保水剂后，可在整个生长周期内维持水分供应，实现零额外灌溉，降低对外部水源的依赖。

图2 超吸水保水剂在温室中的节水技术。a. 不同类型超吸水保水剂的吸水能力比较 b.超吸水保水剂对土壤持水能力的提升效果 c.不同作物在超吸水保水剂作用下的全生命周期用水需求 d. 被动吸水-太阳能驱动释放策略示意图 e. 养分缓释超吸水保水剂示意图。

为了进一步提升节水效果，研究提出了一种被动吸水-太阳能驱动释放策略，即利用超吸水保水剂在夜间被动吸收空气中的水分，并在白天通过太阳能驱动释放水分，从而实现全天候供水。这一策略可使作物即使在干旱或极端气候条件下仍能维持正常生长，为水资源匮乏地区的农业生产提供了潜在的解决方案。此外，文献研究还提出养分缓释超吸水保水剂的概念，即在保水剂中预先添加氮、磷、钾等必需营养元素，使其在作物整个生长周期中缓慢释放养分，减少额外施肥需求。这一方法有望构建“零灌溉、零施肥”模式，降低农业生产成本，提高作物产量和品质，同时减少水肥流失对环境的不良影响。

3. 辐射制冷

辐射制冷技术为温室农业提供了一种低能耗、被动式的降温方案，能够在不依赖额外能源的情况下降低温室内部温度，从而减少作物蒸腾作用和土壤水分蒸发，降低整体水资源消耗。该技术基于大气窗口的物理特性，使温室表面通过向外太空辐射热量实现冷却，同时确保光合有效辐射透过，为作物提供适宜的生长环境。

研究表明，采用透明辐射制冷膜的温室，其内部温度可在白天降低最高达 18.6°C，从而减少60% 以上的水分损失。此外，辐射制冷膜在夜间的冷凝效应可使空气中的水分在膜表面凝结，形成可回收的液态水，提供额外的灌溉水源。这一策略在高湿度环境中表现尤为显著，可进一步提升温室水资源利用效率。将制冷薄膜的两种效应结合，能够形成多层次节水方案，不仅降低温室温度、减少冷却系统水耗，还能通过夜间水凝收集为作物提供额外灌溉来源。这一技术的综合应用为干旱或水资源匮乏地区的温室农业提供了一种高效、可持续的水管理策略，为未来智慧农业的发展奠定了重要基础。

图3 辐射制冷技术在温室中的节水效果。a. 温室中辐射制冷膜在白天的降温及节水能力示意图 b. 温室中辐射制冷膜在夜间的大气水分收集能力示意图 c. 采用RC膜覆盖的500平方米温室在100天种植周期内的水消耗与水收集情况。

4. 海水淡化和漂浮式种植

在沿海及水资源短缺地区，太阳能驱动海水淡化技术为温室农业提供了一种可持续的水源管理方案。作者探讨了两种不同的太阳能海水淡化温室模式：太阳能热驱动界面蒸发漂浮农场（STIE-FF）和太阳能热膜蒸馏漂浮温室（STMD-FG），二者均利用太阳能蒸发与膜分离技术，但在系统结构与水资源管理模式上存在差异。STIE-FF依托太阳能热驱动界面蒸发（STIE）技术，通过选择性膜促进海水蒸发，使淡水与盐分及污染物分离，并利用盐度梯度提高蒸发效率。该系统采用太阳能收集器增强海水蒸发速率，使漂浮农场能够在无额外能耗的情况下提供持续淡水供应。这一模式适用于离岸漂浮农业，可为温室种植提供稳定的水源，同时减少陆地水资源的依赖。STMD-FG则结合了太阳能热膜蒸馏（STMD）与温室种植技术，实现漂浮温室的自给式水资源管理。该系统采用太阳能膜蒸馏作为核心淡化技术，通过多级膜结构提高水回收率，使温室能够直接在海上运行，无需外部淡水输入。

图4 海水淡化技术在温室中的节水效果。a. 太阳能热驱动界面蒸发（STIE）技术示意图 b. 太阳能热驱动界面蒸发漂浮农场（STIE-FF）示意图 c. 太阳能热膜蒸馏漂浮温室（STMD-FG）示意图 d. 光伏-多级膜蒸馏系统的集成应用示意图 e.STIE-FF 和 STMD-FG 的日均淡水产量。

作者还探讨了光伏-膜蒸馏系统在温室中的集成应用，使温室不仅能生产淡水，还可通过光伏发电提供运行所需能源，提高整体能源利用效率。研究进一步分析了STIE-FF与STMD-FG的日均淡水产量，结果表明，这两种系统能够有效满足温室作物的每日生长用水需求，展现出良好的节水能力。相比传统温室农业，这两种漂浮温室模式能够有效缓解淡水资源短缺问题，并拓展温室农业的应用场景，特别适用于海洋农业、岛屿农业及沿海地区的可持续发展。通过结合太阳能蒸发、膜分离及光伏能源系统，这些技术为未来智慧农业提供了一种低能耗、高效节水的解决方案。

5. 未来展望

作者就研究探讨的吸附式空气取水、超吸水保水剂、辐射制冷技术及海水淡化技术提供了各自不同的节水策略，但未来的发展方向在于如何实现多技术协同优化，以最大化水资源利用效率。首先，吸附式空气取水技术可与辐射制冷膜结合，利用夜间冷凝效应提高水分收集能力，同时为温室降温，减少水分蒸发。其次，超吸水保水剂的持水能力可与吸附式空气取水协同作用，使收集的水分在土壤中长时间存储，并通过养分缓释技术减少额外施肥需求，提高作物生长效率。此外，在沿海和水资源匮乏地区，太阳能海水淡化可与光伏系统和膜蒸馏技术结合，提供稳定的水源和能源，进一步拓展温室农业的适用范围。

未来的智慧温室系统应整合节水、能量回收、温度调控和高效水资源管理，形成低能耗、高回收率、可持续的水资源循环模式，以应对全球水资源短缺和农业可持续发展挑战。

【原文链接】

阅读原文：Zou, H., Wang, F., Zeng, Z. et al. Next-generation water-saving strategies for greenhouses using a nexus approach with modern technologies. Nat Commun 16 , 2091 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57388-3

上海交通大学ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）创建于2018年，该团队在王如竹教授的领衔下致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science, Nature Reviews Materials, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials，Nature Communications等高水平期刊上发表了系列论文。

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