南京大學，最新Nature Water！

在全球范圍內，淡水短缺與耕地資源緊張正成為制約農業發展的關鍵瓶頸。尤其是在沿海地區，雖然擁有豐富的海水資源，卻長期面臨灌溉用水不足與土壤鹽堿化問題。傳統海水淡化農業雖然提供了一條路徑，但仍存在能耗高、成本高以及 硼污染等難題，難以實現大規模可持續應用。與此同時，傳統農業模式以“獲取—生產—廢棄”為主，資源利用效率低，環境負擔沉重，亟需向循環利用模式轉型。

針對這些挑戰，南京大學朱嘉、宋琰聯合海南大學肖娟秀和海南醫科大學Tao Yang提出了一種“太陽能驅動循環海水農業系統”。該系統以太陽能為核心驅動力，將海水轉化為高質量灌溉水，同時實現農作物生產與農業廢棄物的高值利用，構建“水—食物—材料”閉環循環體系。通過在海南開展為期3個月的實地驗證，研究成功實現了從種子萌發、作物生長到收獲加工及廢棄物再利用的完整循環，并展示出顯著的水資源利用效率與農業產出能力，為解決水資源短缺與糧食安全問題提供了全新思路。相關成果以“Solar-powered circular desalination agriculture enabled by amyloid fibril-based bioevaporators”為題發表在《Nature Water》上，Meng Xia, 宋琰, Jiahui Yu和Mengyue Zeng為共同第一作者。

從“線性農業”到“循環系統”：概念構建

論文首先提出了整個系統的核心框架。如圖1所示，研究構建了一個由“水-食物循環”和“材料循環”耦合而成的閉環體系。在這一體系中，太陽能驅動界面蒸發實現海水淡化，產生無硼的高質量淡水用于灌溉，同時也可供居民飲用；大豆作為核心作物，不僅提供蛋白質與多種食品，還在加工過程中產生副產物。更關鍵的是，這些農業廢棄物并沒有被丟棄，而是被“反哺”系統：大豆粕被轉化為生物蒸發器材料，大豆秸稈則制備成肥料用于土壤改良。通過這一設計，農業不再是單向消耗資源的過程，而是一個不斷自我循環、自我強化的系統，實現真正意義上的可持續農業。這種“邊生產、邊再生”的模式，也為未來農業提供了重要范式。

圖1：循環海水農業整體框架，展示水-食物與材料雙循環系統

從廢棄物到功能材料：生物蒸發器的構建

系統的關鍵在于“生物蒸發器”的設計。圖2a展示了其制備流程：研究團隊以大豆加工廢棄物為原料，通過蛋白提取、纖維化、定向冷凍干燥以及原位功能化等步驟，將其轉化為具有特定結構的功能材料。在圖2b–d中可以看到，這些材料內部形成了由淀粉樣蛋白纖維構成的三維網絡結構，并通過聚吡咯（PPy）進行光熱功能修飾。這種結構不僅具有高比表面積，還具備良好的機械穩定性和分子間相互作用，使其在海水環境中依然保持穩定。圖2e則展示了放大后的蒸發器實物，其尺寸可達15 cm，說明該方法具備規模化潛力。這一設計的巧妙之處在于：材料本身來源于農業廢棄物，同時又服務于農業生產，實現“材料自循環”。相比傳統需要高溫碳化的蒸發材料，該方法更加綠色、低能耗。

進一步來看材料性能，圖2f顯示淀粉樣纖維的形成通過熒光增強得到驗證；圖2c中的垂直排列通道（約100 μm）為水分輸運和蒸汽釋放提供了“高速通道”。圖2g表明，該材料在250–2500 nm波段內具有超過92%的光吸收能力，在1個太陽光照條件下，僅2分鐘即可升溫至76.5°C，實現高效光熱轉換。與此同時，圖2h顯示其極強的親水性，可在10秒內吸收超過自身22倍質量的水。此外，圖2i揭示了其優異的力學性能：在60%壓縮應變下仍可完全恢復，保證其在復雜海洋環境中的長期穩定運行。這種兼具“高吸光、高導水、高穩定”的材料，是實現高效太陽能蒸發的核心基礎。

圖2：生物蒸發器的制備流程及微觀結構與性能

從實驗室到田間：淡化性能與穩定性

在圖3a中，研究對比了不同淡化方式的產水能力。結果顯示，界面太陽能蒸發系統可達到8.29 mm·day?1的產水量，遠高于自然蒸發（約2 mm·day?1），完全滿足大豆各生長階段的用水需求。圖3b進一步對比了水質，太陽蒸餾水不僅鹽分更低，而且將硼含量降至0.18 mg·L?1，遠低于農業安全閾值。這一點尤為關鍵，因為傳統反滲透水中的硼含量較高，會對作物產生毒性。在長期穩定性方面，圖3c顯示蒸發器表面的鹽分可在60分鐘內完全溶解，不會積累；圖3d表明其在30天連續運行中保持穩定產水性能。更令人關注的是抗生物污染能力。圖3e–g顯示，該材料對多種海洋細菌的滅活率超過99.99%，有效避免了傳統蒸發系統易被污染的問題，大幅提升系統壽命。

圖3：蒸發器的產水性能、水質優勢及抗污染能力

真正“種出來”的驗證：農業實地實驗

在海南的實地實驗中，研究團隊對比了三種灌溉方式（圖4a）：太陽能淡化、反滲透淡化和自然蒸發。圖4b直觀展示了植物生長差異：太陽能淡化組生長最為旺盛，而自然蒸發組幾乎無法正常發育。圖4c進一步量化結果，太陽能淡化在發芽率、株高、葉面積等指標上均顯著領先。圖4d揭示了關鍵原因：反滲透水導致葉片出現明顯黃化（硼毒性），而太陽蒸餾水完全避免這一問題。最終產量對比（圖4e,f）更具說服力：太陽能淡化條件下，大豆單株莢數、總產量等均顯著高于其他方法。這意味著不僅“能種”，而且“種得更好”。

圖4：不同灌溉方式下的大豆生長與產量對比

可擴展性與現實意義：走向實際應用

在規模化驗證中（圖5a），系統已擴展至11 m × 6 m的農田，并可與現有滴灌系統兼容，顯示出良好的工程適配性。圖5b展示了其廣泛適用性：不僅能種植大豆，還可支持蔬菜和經濟作物（如玫瑰）生長。圖5c則從系統層面分析物質流：所有輸入僅為陽光、海水和少量化學品，而輸出包括糧食、飲用水、油脂等，同時所有廢棄物均被循環利用，真正實現“零廢棄農業”。更具現實意義的是圖5d的估算：在0.6公頃土地上，該系統可滿足1853人的飲水需求、237人的蛋白需求以及47人的基本糧食需求，展示出極高的社會價值。

圖5：系統規模化應用、作物適配性及資源循環與產出能力

總結與展望

總體來看，這項研究首次系統性地構建并驗證了“太陽能驅動循環海水農業”模式，通過材料創新與系統設計的深度融合，實現了水資源獲取、糧食生產與廢棄物循環的協同優化。該系統不僅解決了傳統海水農業中的能耗與污染問題，還通過去硼優勢顯著提升作物產量與品質。未來，這一技術有望在全球沿海及缺水地區推廣，推動農業從“資源消耗型”向“循環再生型”轉變。同時，隨著太陽能蒸發材料與智能農業技術的發展，該系統還可進一步集成自動化與規模化能力，成為保障全球水-糧-能安全的重要解決方案。