在科罗拉多河流域与莫哈韦沙漠交汇的亚利桑那州干涸的西侧,坐落着 11,000 英亩属于科罗拉多河印第安部落 (CRIT) 的苜蓿、高粱、小麦和苏丹草,所有这些都注定要被收获和出售给动物饲料。 要想在这里生长任何东西,灌溉是必须的。 据代表部落管理农场的乔什·摩尔说,今年到目前为止,降雨量还不到四分之一英寸。
“保留地是建立在一个相当过时的洪水灌溉系统上,”摩尔说。 一条建于 19 世纪的运河网络从科罗拉多河引水,在流域进入持续且日益严重的干旱状态之前,这个系统似乎是一个更好的主意。 尽管运河提供了足够的水来满足 CRIT 目前的农业需求,但部落正在计划一个更热、更干燥的未来。 这个季节,可以看到黑色塑料管从数百排高粱上蜿蜒而下:这是一项微滴灌实验,可以从根本上减少农场从过度劳累的流域中取水。
在世界各地,大多数农作物仅依靠雨水获取水分,但在降雨量不足的地方,我们不得不进行灌溉。 尽管近年来所有的创新都进入了农业,从 GPS导航拖拉机 对于转基因幼苗,85% 的灌溉仍然是通过向田地表面释放大量水来完成的,这与 4,000 年前美索不达米亚的处理方式几乎相同。
洪水灌溉一直存在,因为它的现金便宜,但从自然资源的角度来看,它的成本高得惊人。 多达 70% 的水被浪费了,过度浇水的作物可能无法充分发挥其潜力。 多余的肥料被径流带走,污染河流、湿地和湖泊。
微滴灌本应解决所有这些问题。 1930 年代,一位名叫 Simcha Blass 的年轻工程师注意到一棵树长得比同排的其他树高得多; 当他仔细观察时,他发现它的根部被附近灌溉管道的微小泄漏所滋养。 多年后,以色列人利用这个概念创造了一种塑料滴灌系统,并以品牌名称出售 耐特菲姆. 它仍然是该领域的全球领导者。
今天,有数百家滴灌公司,但该技术应用于全球不到 5% 的灌溉土地,通常用于大宗作物,如杏仁、酿酒葡萄和西红柿。 限制因素是成本。 由于系统目前的设计,将水推过数百英尺的管道需要很大的力量,而农民则用泵来提供这些力量; 如果他们的领域有动力,则使用电动汽车,如果没有,则使用碳排放柴油版本。 滴头管线也容易被天然水中的淤泥颗粒或藻类堵塞,因此必须对其进行过滤,这又增加了一笔费用。 整个设置至少每英亩 2,000 美元,加上能源费用。 对于棉花或苜蓿等价值较低的作物,滴灌根本不划算。
然而,CRIT Farms 使用的微滴装置每英亩的安装成本不到 400 美元,所需的压力完全由重力提供,具有免费和碳中和的优点。 对于不经意的观察者来说,该系统看起来并不多。 但对摩尔来说,滴灌作物作为动物饲料的想法简直是革命性的。 当然,假设它确实有效。
“当井干了,我们就知道水的价值了,”本杰明富兰克林在 1746 年版的 可怜的理查德的年鉴. 一半他都不知道。 今天的全球人口是当时的 10 倍,淡水资源正在减少。 迄今为止最大的水猪是农业,几乎占 全球使用的四分之三.
水资源短缺的迹象无处不在,而且每一年都越来越令人担忧。 XNUMX 月,美国政府宣布科罗拉多河成为历史上第一次 短缺状态,导致依赖它的 40 万人中的一些人的供应减少。 其中 80 万人从亚利桑那中心项目 (CAP) 获得用水,该项目是一项公共事业,通过运河从亚利桑那州西部边缘向该州 XNUMX% 的人口输送河水。
CAP 的科罗拉多河项目经理查克·卡洛姆 (Chuck Cullom) 在过去十年中一直在探索增加亚利桑那州供水的选项,包括帮助城市客户减少用水的废水处理技术和小工具。 2019 年,在特拉维夫的一次会议上,库洛姆会见了一家名为“以色列灌溉初创公司”的高管 滴灌,它正在开发一个系统,承诺大幅节水,而不会产生过高的成本。 “我非常怀疑,”卡洛姆说。 “这听起来像是独角兽的解决方案。”
但农业占亚利桑那州淡水使用量的绝大部分,因此库洛姆愿意尝试 N-Drip。 2020 年,CAP 将该系统提供给 CRIT Farms,用于 40 英亩的高粱。 他们发现它减少了一半的用水量,同时略微提高了作物的质量:这是一个惊人的结果,尽管规模很小。 今年,CAP 将试点范围扩大到亚利桑那州约 200 英亩的高粱和棉花,如果一切顺利,希望在 2023 年之前在区域内部署该系统,继续为安装它的农民支付设备成本。
N-Drip 是耶路撒冷希伯来大学土壤物理学教授、以色列水务局前主席 Uri Shani 的创意。 七年前,他着手设计一种足够便宜的微滴灌系统,不仅适用于生菜和浆果,而且适用于占世界农业产量大部分的大豆和玉米等商品作物。
“我的第一反应是,这当然会改变世界,但它永远不会奏效”
沙尼今年 72 岁,留着胡椒粉短发,戴着金属丝框眼镜,举止温文尔雅。 他于 1950 年出生在一个基布兹,这个基布兹充满了在一个致力于农业自给自足的干旱国家的生活所特有的焦虑。 “我父亲是一名工程师,主要从事水方面的工作。 我从小就一直在思考水和水的解决方案,”沙尼在特拉维夫的 N-Drip 办公室通过 Zoom 说。
在精锐突击队完成兵役后,沙尼继续前往以色列著名的研究机构希伯来大学,并获得土壤物理学硕士学位。 对于他的博士学位工作后,他搬到了以色列最南部沙漠中的基布兹约瓦塔。 该地区每年降雨量不到一英寸,只有微咸地下水用于灌溉:农业的外部界限。 他从研究生开始在那里管理基布兹。
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务局的第一任负责人。 这个角色很复杂,跨越工程、管理、政治和经济,他在这个国家经历了有史以来最严重的干旱的情况下承担了这个角色。 Shani 对水回收和海水淡化进行了涡轮增压投资。 为了支付这笔费用,他显着地——而且有争议地——提高了水价。
N-Drip 的首席可持续发展官、2015 年纽约时报畅销书的作者 Seth Siegel 说:“在世界范围内,水问题如此多的原因是很少有国家愿意向消费者收取实际价格,” 放水,这说明了以色列作为水资源保护和技术领导者的崛起。 2012 年,沙尼因淡水盈余而离开以色列。 “他取得的成就非同寻常。”
沙尼再次成为普通公民,开始思考全球日益严重的水资源短缺威胁。 世界上超过四分之一的人口生活在缺水的国家,联合国估计,到本十年末,缺水可能会导致 700 亿人流离失所。 他决定,他能做出的最重要的贡献是帮助滴灌成为主流。 这意味着发明一种无需过滤器和泵即可运行的系统。
要了解 Shani 的挑战,您首先必须了解那些不起眼的黑色塑料滴管内部发生了什么。 沿着每个孔都有一系列孔,每个孔内固定着一个大约 Tic Tac 大小的塑料小部件,称为发射器。 水流过发射器内部一个非常狭窄的迷宫般的通道,经过调节,它以可测量的液滴形式流出。 这些发射器产生的阻力是传统系统中将水从场的一端移动到另一端需要如此大的压力的原因。
Shani 设想了一种新型的发射器,它提供的阻力非常小,仅靠重力提供的水压——在从灌溉渠道下降 1 到 2 英尺的过程中产生的——就足以推动所有的水沿着数百英尺的管道向下进入地下。 首先,他尝试将塑料和金属纤维编织成各种三维晶格结构。 但他说,有一天在一次徒步旅行中,突破出现了:他的发射器不是一个曲折的通道,而是由一根悬挂在圆柱体内的杆组成,水流过它们之间形成的管状。 与传统的发射器不同,现在,没有任何单个碎片颗粒可以阻挡水流。 “轰隆隆,”沙尼说。 “我绝对相信它会奏效。 然后我们开发了所有的数学。”
一旦对概念进行了微调,Shani 就需要将其商业化。 他联系了前财政部官员埃兰·波拉克(Eran Pollak),他曾担任水务主席与他密切合作,并告诉波拉克他发明了仅使用重力的滴灌。 波拉克持怀疑态度。 他也是在基布兹长大的,他知道灌溉; 没有零压滴灌这种东西。
“我的第一反应是,这当然会改变世界,但它永远不会奏效,”波拉克回忆道。 他在 N-Drip 的总部遇到了 Shani,当时该总部是特拉维夫郊区一个露天购物中心的一个小办公室。 沙妮把他带到一个棚屋后面。 “这是 20 米长的管道,手工粘在一起,从一个小塑料垃圾桶里把水滴在地上,”波拉克说。 “当时还处于可以想象的最基本阶段,但在这一刻我才明白它可以奏效。” 波拉克签约担任首席执行官。
N-Drip 于 2017 年底在埃斯瓦蒂尼(前斯威士兰)的 30 英亩甘蔗上进行了首次正式现场试验,直接从河流中取水。 他们发现该系统不仅有效且用水更少,而且作物产量提高了 17%。 有了令人鼓舞的结果,N-Drip 继续在澳大利亚和美国进行更大规模的试验,并已扩展到 XNUMX 个国家,从越南到尼日利亚。 如果 Shani 的愿景成真,N-Drip 就有机会对数百万个农场进行现代化改造,并改变全球淡水消费。
迄今为止,N-Drip 已筹集了 25 万美元的资金,其系统正被数百名农民用于种植价值 4,000 英亩的农作物,从棉花到土豆再到大豆。 但沙尼要改造地球上600亿亩的洪水灌溉,任重而道远,从花园棚到全球灌溉解决方案的道路上将遇到很多障碍。
由于 N-Drip 不使用过滤,因此迄今为止的大多数问题都与人们可能在农场的水中发现的所有意外事件有关。 在一项试验的早期,一位加利福尼亚种植者惊慌失措地联系 N-Drip,说他的系统已经停止运作。 当沙尼到达时,他发现一条食指大小的鱼堵住了一个管道。 一丛绿藻在哈萨克斯坦的一个农场做了类似的事情。 现在,N-Drip 的水箱配备了网状网来捕捉各种植物和动物的生命。
在亚利桑那州的烈日下,在一个富含矿物质的水的地区,滴管变得非常热,以至于碳酸钙沉淀出来,像英国茶壶的内部一样覆盖着水垢。 这导致 N-Drip 制定了协议,将其线埋在薄薄的土壤中以保持凉爽,并在硬水中使用软化剂。
David Midmore,澳大利亚植物科学名誉教授 中央昆士兰大学 一位微滴灌专家表示,如果 N-Drip 真正计划覆盖全球 500 亿小农,而不仅仅是大型、成熟的种植者,成功不仅取决于设计正确的技术,还取决于对教育的大量投资和支持。 “非常重要的是要教会种植者正确的滴灌方法,在土壤中进行简单的水量测量,以及如何避免过度灌溉或灌溉不足,”他说。 “这不仅是培训,还有跟进。”
N-Drip 坚持认为小型农场是其使命的重要组成部分。 “如果澳大利亚的一位富有的农民将产量提高了 47%,那就太好了,打开香槟,在那一年度过一个更美好的假期,”该公司的首席可持续发展官 Siegel 说。 “但如果一个自给自足的农民提高了产量,他们有更多的食物可以吃,也有更多的食物可以出售,那么这个家庭和社区就会发生变化。”
为此,随着 Covid-19 大流行在 2020 年爆发,美国和澳大利亚的利润丰厚的项目被搁置,N-Drip 转向制造专为这些用户设计的 1 英亩套件。 这个 DIY 系统带有 YouTube 视频的链接和简单的宜家风格的线条图,可指导农民完成安装。
N-Drip 还开发了一种专有的土壤传感器,称为 N-Drip 连接,监控植物和土壤状况,并通过智能手机应用程序向农民发送有关何时灌溉和施肥的实时指导。 传感器也会反馈给公司的农艺团队,以便它可以密切关注田间状况。
N-Drip 的另一个挑战将继续是经济方面的。 该系统的安装成本仅为传统加压滴灌系统的一小部分,无需任何持续的能源成本,但对全球大多数农民来说,水是免费的或得到大量补贴。 尽管有些人,例如澳大利亚的棉花种植者,可能愿意投资以紧急保护快速减少的资源,但世界上许多小农户甚至无法支付少量的额外费用。
“小农市场是一个巨大的市场,可以从我们的系统中受益最多,但如果没有大型且定位良好的合作伙伴,就很难与之开展业务,”波拉克承认。 N-Drip 设想主要通过非营利组织、政府机构和兑现可持续发展承诺的大公司向这些农民提供其系统。 其高管表示,近期内的机会可以用数十万英亩的农业用地来衡量。
这种伙伴关系的一个早期例子是 百事公司,直接与 40,000 名农民签订合同,采购玉米、燕麦和马铃薯等原料,并制定了到 15 年将农业用水效率提高 2025% 的目标。百事可乐与印度的少数农民一起试用了 N-Drip 的技术,与洪水灌溉相比,越南和美国的作物产量提高,肥料投入减少,用水量减少 50%。
Peter Gleick,名誉总裁兼联合创始人 太平洋研究所,一家专注于淡水问题的非营利性研究机构,强调在谈到灌溉的未来时,至关重要的是我们不能忽视大局。 将棉花或苜蓿地转为滴灌是朝着正确方向迈出的一步,但一个更大的问题迫在眉睫:我们真的应该从一开始就在干旱气候中种植这些作物吗? “我们需要就在缺水的西部种植什么有意义进行真正的对话,以及关于种植我们选择更有效、更谨慎地种植的东西的对话,”他说。 “这项技术可能有助于解决第二个问题,但它不会帮助解决第一个更具政治意义的问题。”
格莱克指出,原则上反对使用宝贵的饮用水种植动物饲料作物是一回事,而告诉农民他们应该停止种植又是另一回事。 回到 CRIT Farms,摩尔说他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,他计划在更多的种植面积上使用 N-Drip 的系统。 尽管部落的保留地没有减少用水配额,但摩尔知道总有一天每个人都会出现短缺。 他说:“我们需要像受到这些截止日期的影响一样开始生活,以便为我们争取一些时间。” “为了作为一个民族和一个企业生存,我们需要关注这样的技术。”