微滴灌溉系统如何节约用水并可能永久改变农业-彭博社
Elizabeth G Dunn
在亚利桑那州干旱的西侧，科罗拉多河流域与莫哈韦沙漠相遇的地方，有一片占地11,000英亩的苜蓿、高粱、小麦和苏丹草地，属于科罗拉多河印第安部落（CRIT），所有作物都注定要被收割并出售作为动物饲料。在这里，任何植物要生长，都必须灌溉。根据管理部落农场的乔什·摩尔（Josh Moore）所说，今年迄今为止只下了不到四分之一英寸的雨。
“保留地上建立了一个相当过时的洪水灌溉系统，”摩尔说。19世纪建造的一系列运河从科罗拉多河输水，这个系统在流域进入持续且日益严重的干旱状态之前似乎是一个更好的主意。尽管这些运河目前提供了足够的水来满足CRIT的农业需求，但部落正在为一个更炎热、更干燥的未来做计划。本季，可以看到黑色塑料管道蜿蜒穿过数百排高粱：这是一个试验性的微滴灌溉，可以从一个过度使用的流域中大大减少农场的用水。
N-Drip系统向亚利桑那州托诺帕的一片棉田灌溉水。摄影师：彭博商业周刊的莫莉·彼得斯在全球范围内，大多数作物仅依赖雨水供应水分，但在降雨不足的地方，我们被迫灌溉。尽管近年来农业中已经出现了许多创新，从GPS引导拖拉机到基因工程苗种，但仍有85%的灌溉仍然是通过释放大量水在田地表面进行的，基本上与4,000年前在美索不达米亚处理水的方式相同。
淹没灌溉一直存在是因为成本低廉，但从自然资源的角度来看，它的成本惊人地昂贵。多达70%的水被浪费掉，过度灌溉的作物可能无法达到其全部潜力。过量的化肥被径流带走，污染了溪流、湿地和湖泊。
微滴灌溉本应解决所有这些问题。在上世纪30年代，一位名叫辛查·布拉斯的年轻工程师注意到一棵树比同一排其他树长得更高；当他仔细观察时，他发现它的根被附近灌溉管道的一个微小漏洞滋养着。多年后，以色列人利用这一概念创造了一个塑料微滴灌溉系统，后来以Netafim品牌销售。它仍然是该领域的全球领导者。
如今，有数百家微滴灌溉公司，但这项技术在全球灌溉面积的不到5%中被应用，通常用于像杏仁、葡萄酒葡萄和番茄等高价值作物。限制因素是成本。由于目前的系统设计，将水推动数百英尺的管道需要大量的力量，农民通过泵提供这种力量；如果他们的田地有电力，他们使用电动泵，如果没有，则使用排放碳的柴油版本。滴灌管道也容易被天然水中的泥沙颗粒或藻类堵塞，因此必须进行过滤，这增加了另一笔费用。整个设置至少需要每英亩2000美元，加上能源账单。对于像棉花或苜蓿这样的低价值作物，微滴灌溉根本不划算。
CRIT农场使用的微滴灌装置成本不到每英亩400美元，所需压力完全由重力提供，这具有免费和碳中和的优势。对于一般观察者来说，这个系统看起来并不起眼。但对于摩尔来说，为动物饲料滴灌作物的想法无疑是一场革命。当然，前提是它真的有效。
“井枯时，我们才知道水的价值，”本杰明·富兰克林在1746年的《窮查理年鑑》中写道。他并不完全了解。如今，全球人口是那时候的10倍，淡水资源正在减少。远远最大的用水者是农业，几乎占全球用水量的三分之二。
水资源短缺的迹象无处不在，每年都在变得更加令人担忧。今年8月，美国政府首次宣布科罗拉多河处于短缺状态，这是历史上第一次，触发了对依赖该河流的4000万人中的一部分进行供水削减。其中500万人得到的水来自中亚利桑那项目（CAP），这是一个公共事业单位，通过运河将河水从亚利桑那州西部输送到该州80%的人口。
中亚利桑那项目（CAP）的科罗拉多河项目经理查克·卡勒姆在过去十年里一直在探索增加亚利桑那州水资源的各种选择，包括废水处理技术和帮助城市客户节约用水的小工具。2019年，在特拉维夫的一次会议上，卡勒姆遇到了一家名为N-Drip的以色列灌溉初创公司的高管，该公司正在开发一种承诺大幅节约水资源而又不具有高昂成本的系统。“我当时非常怀疑，”卡勒姆说。“听起来像是一个独角兽解决方案。”
但农业占据了亚利桑那州绝大部分淡水用量，因此Cullom愿意尝试N-Drip。 2020年，CAP为CRIT农场提供了该系统，用于40英亩的高粱。 他们发现它将用水量减少了一半，同时略微提高了作物的质量：这是一个惊人的结果，尽管规模非常小。 今年，CAP将试点扩大到亚利桑那州约200英亩的高粱和棉花种植区，如果一切顺利，希望到2023年在区域范围内部署该系统，并继续为安装该系统的农民支付设备费用。
N-Drip是Uri Shani的创意，他是耶路撒冷希伯来大学的土壤物理学教授，也是以色列水利局的前主席。 七年前，他开始着手设计一种微滴灌溉系统，价格便宜到不仅适用于莴苣和浆果，还适用于大豆和玉米等大宗作物，这些作物构成了世界农业产出的大部分。
“我的第一反应当然是，这将改变世界，但永远不会奏效”
Shani今年72岁，头发短而带有盐与胡椒色，戴着金属边眼镜，举止和蔼。 他于1950年出生，在一个充满对农业自给自足的干旱国家特有焦虑的基布兹长大。 “我父亲是一名主要从事水资源工作的工程师。我一生都在思考水资源和水资源解决方案，”Shani在从特拉维夫的N-Drip办公室通过Zoom讲述时说。
完成了精英突击队的兵役后，Shani进入以色列最重要的研究机构——希伯来大学，并获得了土壤物理学硕士学位。 在攻读博士学位期间，他搬到了以色列南部沙漠中的Yotvata基布兹。 该地区每年降雨不到一英寸，只有咸淡水可用于灌溉：这是农业的极限。 他最初在那里做研究生，最终成为基布兹的管理者。
乌里·沙尼教授，N-Drip的发明者，在曼哈顿。摄影师：劳伦·兰开斯特，彭博商业周刊沙尼后来成为一名教授，并于2006年被任命为新成立的以色列水利部的首任负责人。这一角色涉及工程、管理、政治和经济等多个方面，而当时以色列正经历有史以来最严重的干旱。沙尼大力投资于水循环利用和海水淡化。为了支付这些投资，他显著地——并引起争议地——提高了水价。
“全球范围内，导致许多水资源问题的原因是很少有国家愿意向消费者收取真实价格，”N-Drip的首席可持续发展官、2015年《纽约时报》畅销书《 让水来吧》的作者塞思·西格尔说道，该书讲述了以色列在水资源保护和技术领域崛起的故事。2012年，沙尼离职时以色列拥有淡水盈余。“他取得的成就非同寻常。”
重新成为一名普通公民后，沙尼开始思考全球日益严重的水资源短缺威胁。超过四分之一的世界人口生活在水资源紧缺的国家，联合国估计到本十年结束时，水资源短缺可能会导致7亿人流离失所。他决定能够做出的最重要贡献是帮助滴灌技术走向主流。这意味着发明一个无需过滤器和泵的系统。
要理解沙尼的挑战，首先必须了解那些简陋的黑色塑料滴灌管内部发生了什么。沿着每根管道都有一系列孔，每个孔内固定着一个塑料小装置，大小如一颗薄荷糖，称为滴灌器。水通过滴灌器内部的一个极窄、迷宫般的通道流动，被调节得以以计量的水滴形式流出。这些滴灌器产生的阻力是传统系统中需要如此大压力将水从田地的一端移动到另一端的原因。
沙尼构想了一种新型滴灌器，它提供的阻力如此之小，以至于仅靠重力提供的水压——在灌溉渠道到达下方田地时积累的1到2英尺的高差——就足以将水推动穿过数百英尺的管道并流入地下。他首先尝试将塑料和金属纤维编织成各种三维格子结构。但就在一天的徒步旅行中，他说，突破性的想法出现了：他的滴灌器不再是一个之字形通道，而是由一个悬浮在圆柱内部的棒构成，水流经在它们之间形成的管状结构。与传统滴灌器不同，现在，没有任何杂质颗粒能够阻塞水流。“嘭”，沙尼说。“我绝对相信它会起作用。然后我们开发了所有的数学模型。”
一旦他完善了这个概念，沙尼需要将其商业化。他联系了埃兰·波拉克，一位前财政部官员，他们曾在水务主席职位上密切合作，告诉波拉克他发明了只利用重力的滴灌技术。波拉克持怀疑态度。他也在一个基布兹长大，了解灌溉；根本不存在零压力滴灌这回事。
“我的第一反应当然是，这将改变世界，但永远不会奏效，”波拉克回忆道。他在N-Drip的总部遇到了沙尼，当时总部设在特拉维夫郊区的一个小办公室里。沙尼带他到后面的一个棚子里。“那是20米长的管道，手工粘在一起，从一个小塑料垃圾桶里滴水到地面上，”波拉克说。“它处于可以想象的最基本阶段，但这一刻我明白了它可能会奏效。”波拉克签约担任首席执行官。
N-Drip在2017年底进行了第一个正式的田间试验，在埃斯瓦蒂尼（前斯威士兰）的五英亩甘蔗地上，直接从一条河中取水。他们发现这个系统不仅有效并且用水更少，还将作物产量提高了30%。凭借鼓舞人心的结果，N-Drip继续在澳大利亚和美国进行更大规模的试验，此后已扩展到从越南到尼日利亚等17个国家。如果沙尼的愿景实现，N-Drip有机会使数百万更多的农场现代化，并在全球范围内改变淡水消耗。
农民们在传统泛灌溉和N-Drip在相邻棉田上的水利用和作物产量进行比较。摄影师：彭博商业周刊的莫莉·彼得斯迄今为止，N-Drip已筹集了2500万美元的资金，其系统正在被数百名农民用于价值4000英亩的作物，范围从棉花到土豆再到大豆。但如果沙尼打算将地球上的6亿英亩泛灌溉土地转变，他还有很长的路要走，从花园棚到全球灌溉解决方案的道路将会有很多障碍。
因为N-Drip不使用过滤，到目前为止大部分故障都与农场水中可能发现的意外物品有关。在一次试验中，加利福尼亚的一个种植者慌乱地联系N-Drip说他的系统停止工作了。Shani到达后发现一条鱼堵住了一根管道，大小与他的食指相当。在哈萨克斯坦的一个农场，一团绿藻做了类似的事情。现在，N-Drip的水箱装有网眼网，可以捕捉各种植物和动物。
在亚利桑那州酷热的阳光下，一个地区的水含有特别丰富的矿物质，滴灌管线变得如此炎热，以至于碳酸钙沉淀出来，像英国茶壶内壁一样覆盖了喷头。这促使N-Drip制定了在薄层土壤中埋设管线以保持冷却，并在硬水中使用软化剂的协议。
澳大利亚中央昆士兰大学植物科学荣誉教授David Midmore是微滴灌专家，他表示，如果N-Drip真的计划覆盖全球5亿小农场主，而不仅仅是大型、复杂的种植者，成功不仅取决于设计合适的技术，还需要在教育和支持方面进行大量投资。他说：“对种植者正确进行滴灌的方式、在土壤中简单测量水分的方法，以及如何避免过度或不足灌溉，这些都非常重要。不仅仅是培训，还需要跟进。”
N-Drip坚持认为小农场是其使命的重要组成部分。该公司的首席可持续发展官Siegel表示：“如果澳大利亚的富农增产47%，那很棒，可以开香槟，那一年可以度过更奢华的假期。但如果一个自给自足的农民增产了，他们就会有更多食物吃，也有更多食物出售，这将改变那个家庭和社区。”
因此，当2020年新冠疫情爆发，导致美国和澳大利亚的利润丰厚的项目搁置时，N-Drip转而开始生产一个专为这些用户设计的1英亩套件。这个DIY系统附带一个指向YouTube视频和简单的、类似宜家风格的线描图，以指导农民进行安装。
N-Drip还开发了一款专有的土壤传感器，名为N-Drip Connect，它监测植物和土壤条件，并通过智能手机应用向农民发送实时指导，告诉他们何时灌溉和施肥。传感器也会反馈给公司的农艺团队，以便他们能够了解田间条件。
N-Drip面临的另一个挑战将继续是经济问题。该系统的安装成本仅为传统的加压滴灌系统的一小部分，而且没有持续的能源成本，但对于全球大多数农民来说，水是免费或受到重度补贴。尽管一些人，比如澳大利亚的棉花种植者，可能愿意投资以紧急保护一个迅速减少的资源，但世界上许多小农民甚至无法承担一点额外的费用。
“小农户市场是一个巨大的市场，也是我们的系统最能从中受益的市场，但如果没有一个庞大而处于有利位置的合作伙伴，要与其做生意是非常困难的，”Pollak承认。N-Drip设想通过非营利组织、政府机构和履行可持续承诺的大公司，主要向这些农民提供其系统。该公司的高管表示，短期内的机会可以通过数十万英亩的农业土地来衡量。
这种合作关系的一个早期例子是与百事公司的合作，百事公司直接与4万名农民签订合同，购买玉米、燕麦和土豆等原料，并设定了到2025年将农业用水效率提高15%的目标。百事公司在印度、越南和美国的一些农民中试验了N-Drip的技术，发现作物产量提高，施肥量减少，用水量比泛灌溉少50%。
Gleick指出，原则上反对将宝贵的饮用水用于种植动物饲料作物是一回事，告诉农民他们应该停止耕种是另一回事。在CRIT农场，Moore表示很高兴能够为他认为对该地区农业未来至关重要的研究做出贡献。明年，他计划在更多的土地上使用N-Drip的系统。尽管部落的水配额尚未减少，但Moore知道总有一天所有人都会面临短缺问题。他说：“我们需要开始像受到这些切断影响一样生活，以争取一些时间。”“为了作为一个民族和一个企业生存下去，我们需要关注这样的技术。”