在科羅拉多河流域與莫哈韋沙漠交彙的亞利桑那州乾涸的西側,坐落著 11,000 英畝屬於科羅拉多河印第安部落 (CRIT) 的苜蓿、高粱、小麥和蘇丹草,所有這些都注定要被收穫和出售給動物飼料。 要想在這裡生長任何東西,灌溉是必須的。 據代表部落管理農場的喬什·摩爾說,今年到目前為止,降雨量還不到四分之一英寸。
“保留地是建立在一個相當過時的洪水灌溉系統上,”摩爾說。 建於 19 世紀的運河網絡從科羅拉多河引水,在流域進入持續且日益嚴重的干旱狀態之前,這個系統似乎是一個更好的主意。 儘管運河提供了足夠的水來滿足 CRIT 目前的農業需求,但部落正在計劃一個更熱、更乾燥的未來。 這個季節,可以看到黑色塑料管從數百排高粱上蜿蜒而下:這是一項微滴灌實驗,可以從根本上減少農場從過度勞累的流域中取水。
在世界各地,大多數農作物僅依靠雨水獲取水分,但在降雨量不足的地方,我們不得不進行灌溉。 儘管近年來所有的創新都進入了農業,從 GPS導航拖拉機 對於轉基因幼苗,85% 的灌溉仍然是通過向田地表面釋放大量水來完成的,這與 4,000 年前美索不達米亞的處理方式幾乎相同。
洪水灌溉一直存在,因為它的現金便宜,但從自然資源的角度來看,它的成本高得驚人。 多達 70% 的水被浪費了,過度澆水的作物可能無法充分發揮其潛力。 多餘的肥料被徑流帶走,污染河流、濕地和湖泊。
微滴灌本應解決所有這些問題。 1930 年代,一位名叫 Simcha Blass 的年輕工程師注意到一棵樹長得比同排的其他樹高得多; 當他仔細觀察時,他發現它的根部被附近灌溉管道的微小洩漏所滋養。 多年後,以色列人利用這個概念創造了一種塑料滴灌系統,並以品牌名稱出售 耐特菲姆. 它仍然是該領域的全球領導者。
今天,有數百家滴灌公司,但該技術應用於全球不到 5% 的灌溉土地,通常用於大宗作物,如杏仁、釀酒葡萄和西紅柿。 限制因素是成本。 由於系統目前的設計,將水推過數百英尺的管道需要很大的力量,而農民則用泵來提供這些力量; 如果他們的領域有動力,則使用電動汽車,如果沒有,則使用碳排放柴油版本。 滴頭管線也容易被天然水中的淤泥顆粒或藻類堵塞,因此必須對其進行過濾,這又增加了一筆費用。 整個設置至少每英畝 2,000 美元,加上能源費用。 對於棉花或苜蓿等價值較低的作物,滴灌根本不划算。
然而,CRIT Farms 使用的微滴裝置每英畝的安裝成本不到 400 美元,所需的壓力完全由重力提供,其優點是免費且碳中和。 對於不經意的觀察者來說,該系統看起來並不多。 但對摩爾來說,滴灌作物作為動物飼料的想法簡直是革命性的。 當然,假設它確實有效。
“當井乾了,我們就知道水的價值了,”本傑明富蘭克林在 1746 年版的 可憐的理查德的Almanack. 一半他都不知道。 今天的全球人口是當時的 10 倍,淡水資源正在減少。 迄今為止最大的水豬是農業,幾乎佔 全球使用的四分之三.
水資源短缺的跡象就在我們身邊,而且每一年都越來越令人擔憂。 XNUMX 月,美國政府宣布科羅拉多河成為歷史上第一次 短缺狀態,導致依賴它的 40 萬人中的一些人的供應減少。 其中 80 萬人從亞利桑那中心項目 (CAP) 獲得用水,該項目是一項公共事業,通過運河從亞利桑那州西部邊緣向該州 XNUMX% 的人口輸送河水。
CAP 的科羅拉多河項目經理查克·卡洛姆 (Chuck Cullom) 在過去十年中一直在探索增加亞利桑那州供水的選項,包括幫助城市客戶減少用水的廢水處理技術和小工具。 2019 年,在特拉維夫的一次會議上,庫洛姆會見了一家名為“以色列灌溉初創公司”的高管 滴灌,它正在開發一個系統,承諾大幅節水,而不會產生過高的成本。 “我非常懷疑,”卡洛姆說。 “這聽起來像是獨角獸的解決方案。”
但農業佔亞利桑那州淡水使用的絕大部分,因此庫洛姆願意嘗試 N-Drip。 2020 年,CAP 將該系統提供給 CRIT Farms,用於 40 英畝的高粱。 他們發現它減少了一半的用水量,同時略微提高了作物的質量:這是一個驚人的結果,儘管規模很小。 今年,CAP 將試點擴大到亞利桑那州約 200 英畝的高粱和棉花,如果一切順利,希望到 2023 年在區域內部署該系統,繼續為安裝它的農民支付設備成本。
N-Drip 是耶路撒冷希伯來大學土壤物理學教授、以色列水務局前主席 Uri Shani 的創意。 七年前,他著手設計一種足夠便宜的微滴灌系統,不僅適用於生菜和漿果,而且適用於佔世界農業產量大部分的大豆和玉米等商品作物。
“我的第一反應是,這當然會改變世界,但它永遠不會奏效”
沙尼今年 72 歲,留著胡椒粉短髮,戴著金屬絲框眼鏡,舉止溫文爾雅。 他於 1950 年出生在一個基布茲,這個基布茲充滿了在一個致力於農業自給自足的干旱國家的生活所特有的焦慮。 “我父親是一名工程師,主要從事水方面的工作。 我從小就一直在思考水和水的解決方案,”沙尼在特拉維夫的 N-Drip 辦公室通過 Zoom 說。
在精銳突擊隊完成兵役後,沙尼繼續前往以色列著名的研究機構希伯來大學,並獲得土壤物理學碩士學位。 對於他的博士學位工作後,他搬到了以色列最南部沙漠中的基布茲約瓦塔。 該地區每年降雨量不到一英寸,只有微鹹地下水用於灌溉:農業的外部界限。 他從研究生開始在那裡管理基布茲。
沙尼後來成為一名教授,並於 2006 年被任命為新成立的以色列水務局的第一任負責人。 這個角色很複雜,跨越工程、管理、政治和經濟,他在這個國家經歷了有史以來最嚴重的干旱的情況下承擔了這個角色。 Shani 對水回收和海水淡化進行了渦輪增壓投資。 為了支付這筆費用,他顯著地——而且有爭議地——提高了水價。
N-Drip 的首席可持續發展官、2015 年紐約時報暢銷書的作者 Seth Siegel 說:“在世界範圍內,水問題如此多的原因是很少有國家願意向消費者收取實際價格,” 要有水,這說明了以色列作為水資源保護和技術領導者的崛起。 2012 年,沙尼因淡水盈餘而離開以色列。 “他取得的成就非同尋常。”
沙尼再次成為普通公民,開始思考全球日益嚴重的水資源短缺威脅。 世界上超過四分之一的人口生活在缺水的國家,聯合國估計,到本十年末,缺水可能會導致 700 億人流離失所。 他決定,他能做出的最重要的貢獻是幫助滴灌成為主流。 這意味著發明一種無需過濾器和泵即可運行的系統。
要了解 Shani 的挑戰,您首先必須了解那些不起眼的黑色塑料滴管內部發生了什麼。 沿著每個孔都有一系列孔,每個孔內固定著一個大約 Tic Tac 大小的塑料小部件,稱為發射器。 水流過發射器內部一個非常狹窄的迷宮般的通道,經過調節,它以可測量的液滴形式流出。 這些發射器產生的阻力是傳統系統中將水從場的一端移動到另一端需要如此大的壓力的原因。
Shani 設想了一種新型的發射器,它提供的阻力非常小,僅靠重力提供的水壓——在從灌溉渠道下降 1 到 2 英尺的過程中產生的——就足以推動所有的水沿著數百英尺的管道向下進入地下。 首先,他嘗試將塑料和金屬纖維編織成各種三維晶格結構。 但他說,有一天在一次徒步旅行中,突破出現了:他的發射器不是一個曲折的通道,而是由一根懸掛在圓柱體內的桿組成,水流過它們之間形成的管狀。 與傳統的發射器不同,現在,沒有任何單個碎片顆粒可以阻擋水流。 “轟隆隆,”沙尼說。 “我絕對相信它會奏效。 然後我們開發了所有的數學。”
一旦對概念進行了微調,Shani 就需要將其商業化。 他聯繫了前財政部官員 Eran Pollak,他曾作為水務主席與他密切合作,並告訴 Pollak,他發明了僅利用重力的滴灌。 波拉克持懷疑態度。 他也是在基布茲長大的,他知道灌溉; 沒有零壓滴灌這種東西。
“我的第一反應是,這當然會改變世界,但它永遠不會奏效,”波拉克回憶道。 他在 N-Drip 的總部遇到了 Shani,當時該總部是特拉維夫郊區一個露天購物中心的一個小辦公室。 沙妮領著他來到一個棚屋後面。 “這是 20 米長的管道,手工粘在一起,從一個小塑料垃圾桶裡把水滴在地上,”波拉克說。 “當時還處於可以想像的最基本階段,但在這一刻我才明白它可以奏效。” 波拉克簽約擔任首席執行官。
N-Drip 於 2017 年底在埃斯瓦蒂尼(前斯威士蘭)的 30 英畝甘蔗上進行了首次正式現場試驗,直接從河流中取水。 他們發現該系統不僅有效且用水更少,而且作物產量提高了 17%。 有了令人鼓舞的結果,N-Drip 繼續在澳大利亞和美國進行更大規模的試驗,並已擴展到 XNUMX 個國家,從越南到尼日利亞。 如果 Shani 的願景成真,N-Drip 就有機會對數百萬個農場進行現代化改造,並改變全球淡水消費。
迄今為止,N-Drip 已籌集了 25 萬美元的資金,其係統正被數百名農民用於種植價值 4,000 英畝的農作物,從棉花到土豆再到大豆。 但沙尼要改造地球上600億畝的洪水灌溉土地,任重而道遠,從花園棚到全球灌溉解決方案的道路上將遇到很多障礙。
由於 N-Drip 不使用過濾,因此迄今為止的大多數問題都與人們可能在農場的水中發現的所有意外事件有關。 在一項試驗的早期,一位加利福尼亞種植者驚慌失措地聯繫 N-Drip,說他的系統已經停止運作。 當沙尼到達時,他發現一條食指大小的魚堵住了一個管道。 一叢綠藻在哈薩克斯坦的一個農場做了類似的事情。 現在,N-Drip 的水箱配備了網狀網,可以捕捉各種動植物。
在亞利桑那州的烈日下,在一個富含礦物質的水的地區,滴管變得非常熱,以至於碳酸鈣沉澱出來,像英國茶壺的內部一樣覆蓋著水垢。 這導致 N-Drip 制定了協議,將其線埋在薄薄的土壤中以保持涼爽,並在硬水中使用軟化劑。
David Midmore,澳大利亞植物科學名譽教授 中央昆士蘭大學 一位微滴灌專家表示,如果 N-Drip 真正計劃覆蓋全球 500 億小農,而不僅僅是大型、成熟的種植者,成功不僅取決於設計正確的技術,還取決於對教育的大量投資和支持。 “非常重要的是要教會種植者正確的滴灌方法,在土壤中進行簡單的水量測量,以及如何避免過度灌溉或灌溉不足,”他說。 “這不僅是培訓,還有跟進。”
N-Drip 堅持認為小型農場是其使命的重要組成部分。 “如果澳大利亞的一位富有的農民將產量提高了 47%,那就太好了,打開香檳,在那一年度過一個更美好的假期,”該公司的首席可持續發展官 Siegel 說。 “但如果一個自給自足的農民提高了產量,他們有更多的食物可以吃,也有更多的食物可以出售,那麼這個家庭和社區就會發生變化。”
為此,隨著 Covid-19 大流行在 2020 年爆發,美國和澳大利亞的利潤豐厚的項目被擱置,N-Drip 轉向製造專為這些用戶設計的 1 英畝套件。 這個 DIY 系統帶有 YouTube 視頻的鏈接和簡單的宜家風格的線條圖,可指導農民完成安裝。
N-Drip 還開發了一種專有的土壤傳感器,稱為 N-Drip 連接,監控植物和土壤狀況,並通過智能手機應用程序向農民發送有關何時灌溉和施肥的實時指導。 傳感器也會反饋給公司的農藝團隊,以便它可以密切關注田間狀況。
N-Drip 的另一個挑戰將繼續是經濟方面的。 該系統的安裝成本僅為傳統加壓滴灌系統的一小部分,無需任何持續的能源成本,但對全球大多數農民來說,水是免費的或得到大量補貼。 儘管有些人,例如澳大利亞的棉花種植者,可能願意投資以緊急保護快速減少的資源,但世界上許多小農戶甚至無法支付少量的額外費用。
“小農市場是一個巨大的市場,可以從我們的系統中獲益最多,但如果沒有大型且定位良好的合作夥伴,就很難與之開展業務,”波拉克承認。 N-Drip 設想主要通過非營利組織、政府機構和兌現可持續發展承諾的大公司向這些農民提供其係統。 其高管表示,近期內的機會可以用數十萬英畝的農業用地來衡量。
這種夥伴關係的一個早期例子是 百事公司,直接與 40,000 名農民簽訂合同,採購玉米、燕麥和馬鈴薯等原料,並製定了到 15 年將農業用水效率提高 2025% 的目標。百事可樂與印度的少數農民一起試用了 N-Drip 的技術,與洪水灌溉相比,越南和美國的作物產量提高,肥料投入減少,耗水量減少 50%。
Peter Gleick,名譽總裁兼聯合創始人 太平洋學院,一家專注於淡水問題的非營利性研究機構,強調在談到灌溉的未來時,至關重要的是我們不能忽視大局。 將棉花或苜蓿地轉為滴灌是朝著正確方向邁出的一步,但一個更大的問題迫在眉睫:我們真的應該從一開始就在乾旱氣候中種植這些作物嗎? “我們需要就在缺水的西部種植什麼有意義進行真正的對話,以及關於種植我們選擇更有效、更謹慎地種植的東西的對話,”他說。 “這項技術可能有助於解決第二個問題,但它不會幫助解決第一個更具政治意義的問題。”
格萊克指出,原則上反對使用寶貴的飲用水種植動物飼料作物是一回事,而告訴農民他們應該停止種植又是另一回事。 回到 CRIT Farms,摩爾說他很高興能夠為他認為對該地區農業未來至關重要的研究做出貢獻。 明年,他計劃在更多的種植面積上使用 N-Drip 的系統。 儘管部落的保留地沒有減少用水配額,但摩爾知道總有一天每個人都會出現短缺。 他說:“我們需要像受到這些截止日期的影響一樣開始生活,以便為我們爭取一些時間。” “為了作為一個民族和一個企業生存,我們需要關注這樣的技術。”