《Advances in Agriculture》：Mitigating Water Salinity in the Jordan Valley: Experimental Evidence for the Effectiveness of Electronic Water Treatment on Irrigation Water Quality and Crop Productivity
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本综述通过对照实验证实，电子水处理（EWT）技术可有效改善高盐度废水（HSTWW）的灌溉品质。研究显示经Max Grow设备处理的盐水灌溉的黄瓜在植株长度和产量指标上显著优于低盐度地下水（LSGW）对照组，且设备能耗远低于反渗透（RO）等传统脱盐技术。该技术为干旱地区农业提供了低成本、易推广的盐渍化解决方案，对促进水资源可持续管理具有重要实践意义。
引言：水盐度对全球农业的挑战
水盐度已成为威胁全球农业生产的关键因素，严重影响土壤结构、作物产量及水资源可利用性。据联合国粮农组织（FAO）统计，全球超过20%的灌溉耕地受到盐渍化影响，造成巨大经济损失和粮食安全危机。约旦作为典型干旱国家，其重要农业区约旦河谷正面临严峻的水盐度危机。该区域位于该国西北部，不仅是农村人口的主要生计来源，更为这个粮食高度依赖进口的国家提供了核心农产品供给。然而，极端干旱气候与水资源短缺的叠加效应导致约旦河谷灌溉水盐度持续升高，对整个流域的农业生产力和农业部门可持续性构成威胁。
水资源短缺、人口增长、淡水资源的过度开采以及气候变化共同给现有水源带来巨大压力。约旦的地下水形势尤为严峻：12个主要含水层中有10个已超采且无法自然恢复，地下水平均每年下降约2米（热点区域达5-20米），年超采量约达2亿立方米。近年来的独立评估同样记录了主要流域的长期过度开采和地下水位下降现象。因此，约旦政府与农民开始转向非常规水源以补充灌溉供应，主要是再生废水（TWW）和微咸地下水。然而，再生废水本身盐度较高，其长期使用加剧了约旦河谷的水盐度问题。随着地下水枯竭，溶解性盐分浓度上升，进而提高了用于灌溉的地下水盐度。由此产生的水体盐化已成为约旦农业部门的重大战略障碍，而许多现有解决方案因约旦河谷严峻的气候和社会经济因素仍难以实施。
材料与方法：实验设计与技术路径
研究区域与水盐化特征
约旦河谷作为国家农业中心，依赖三大水源：阿卜杜拉国王运河（KAC）、再生废水（TWW）和微咸地下水。KAC是主要的地表水输水系统，纵贯整个河谷，输送来自太巴列湖和雅穆克河的淡水。KAC由来自阿斯萨姆拉污水处理厂的再生废水补充，这些废水排入扎尔卡河，随后储存于塔拉勒国王水坝（KTD），并输送至KAC用于约旦河谷灌溉。因此，再生废水是约旦河谷灌溉供水的重要组成部分，但其典型水质往往显示较高的钠离子（Na+）和氯离子（Cl-）含量，若管理不当可能增加土壤盐度。同时，地下水含水层供应了约旦大部分淡水；微咸地下水也是重要的灌溉水源，尤其在约旦河谷南部，其特点是更高的盐度和矿物质含量。
水盐化是干旱农业生态系统中土壤盐渍化的主要驱动因素，导致作物生产力下降、土壤结构退化，并威胁长期可持续性。在约旦河谷，这些过程转化为渗透胁迫、离子毒性（尤其是Na+/Cl-）、营养失衡和土壤物理性状恶化——这些因素共同抑制产量。作为高价值作物的战略应对措施，无土栽培/设施园艺将根系与盐渍化土壤分离，实现了精准的水肥管理和盐度控制。因此，为河谷农业的可持续性开发有效且负担得起的盐度缓解方案至关重要。
EWT与磁化水处理（MWT）的技术原理
虽然反渗透（RO）脱盐对大多数约旦河谷农场而言成本高昂，但电子水处理（EWT）/磁化水处理（MWT）提供了一种低能耗、在线调理的方法。在盐水环境下，场暴露被报道可增强根区盐分淋洗、改善土壤保水性和结构，并在某些条件下改善发芽率、营养状况、生长和产量。这些效果具有系统特异性（设备、场强、流速、作物和盐度），但最近的温室和田间研究已证实其有效性。EWT/MWT并不去除溶解性盐分，而是调理水和沉淀行为，间接减轻盐胁迫和灌溉系统中的结垢。多项研究发表的实验证据表明，电磁信号能显著降低盐度对作物产量和发芽的负面影响，甚至在突尼斯和巴勒斯坦等与约旦河谷气候相似的干旱地区改善了作物生长。在希腊和马耳他使用相同EWT设备（Max Grow）的田间试验报告显示，植物生长得到改善，土壤和水盐度效应得到缓解。其他研究也显示了电磁处理盐水灌溉水的不同结果，强调了系统特异性反应以及谨慎监测和重复试验的必要性。我们的研究结果扩展了地中海地区的证据基础，并提供了一个约旦案例研究，表明在线EWT设备可以成为解决盐渍化的有效且可行的选择。
实验设计与实施
实验比较了两种灌溉水源：从供应商处购买的低盐度地下水（LSGW；总溶解固体TDS约100毫克/升）和来自KAC-KTD系统的高盐度再生废水（总溶解固体TDS约1200毫克/升），后者称为高盐度处理废水（HSTWW）。高盐度再生废水在分配到指定支管前先通过EWT设备（处理组），而低盐度地下水则不经过EWT直接供应到其余支管（对照组）。该设计旨在测试对约旦河谷典型高盐度灌溉水源应用EWT，是否能达到与使用低盐度地下水相当的植物表现，进而验证低成本的EWT设备是否可作为购买低盐度水或使用高能耗脱盐技术的实用替代方案。所有其他管理因素（作物品种、施肥方案、温室操作）在各处理间保持一致。
实验于2024年9月至11月在温室黄瓜上进行，黄瓜是约旦及更广泛地中海饮食中的主要作物，且对盐度高度敏感。试验由专注于可持续灌溉技术的约旦非政府组织MIRRA在其位于约旦河谷北部的研究农场进行。所有植物均采用无土椰糠基质（种植 slabs）栽培，该基质具有高孔隙度和持水能力，但其阳离子交换特性和固有盐分可能影响作物对盐水灌溉的响应。当灌溉水的电导率（EC）超过约2–2.5 dS m-1时，Na+和Cl-易在根区积累，引起渗透胁迫和离子毒性，从而降低生长、水分吸收和产量。若无充分淋洗、频繁的电导率监测或循环，盐分可能随时间积累至植物毒性水平。
为测试EWT设备能否缓解当地可用水源的盐度效应，温室分为三个区域，由阀门V1–V3控制。V1和V3（外部区域；对照组）供应未经EWT处理的低盐度地下水（EC约0.15 dS/m）。V2（中央区域；处理组）供应经过EWT设备的高盐度处理废水（HSTWW；EC约1.5–2.0 dS m-1）。每个区域包含四条灌溉支管（总支管数=12）。每条支管灌溉34个种植袋，每个袋容纳五株黄瓜。所有区域使用相同的品种、施肥方案、灌溉计划和温室操作，确保各区之间唯一的实验变量是水源/处理（低盐度地下水 vs. EWT处理的高盐度处理废水）。
EWT处理使用Max Grow设备实施。该设备对流动的水施加频率约1 kHz至3 MHz的射频（RF）信号，旨在改变离子聚集和成核行为，从而减少结垢沉淀物（如碳酸钙和氯化钠）的形成。设备安装在高盐度处理废水分干管上，位于阀门V2的上游，向四条中央支管（处理组）供应经EWT处理的高盐度处理废水；供应阀门V1和V3的低盐度地下水线路则绕过该设备（对照组）。该设备无活动部件、过滤器或需常规校准，便于集成到现有灌溉网络而无需改造管道。设备由220V交流电源供电，在流速约2.5–3.0 m3h-1下运行，管道为约1英寸（约25毫米）塑料管。尽管推荐使用铜管以实现最佳能量耦合，但本设置使用了塑料管，设备仍按预期运行。处理在水流经射频场时单次通过（连续、在线）完成。
数据收集与统计分析
对EWT设备的评估分为两部分：首先，在电子处理前后采集水样，记录电导率（EC）和pH值，以评估设备的现场技术性能。为量化EWT设备对作物生长的影响，从所有12条支管线中随机抽取黄瓜植株样本。每周记录这些植株的长度（厘米）、茎粗（厘米）和产量（千克），持续8周。
试验重点关注生长响应和水质变化（EC、pH）。未测定可食用产品（如果实）中的差异性盐分积累或根区淋洗液中的盐分；因此，本研究无法从数据推断处理间在果实中盐残留的差异。由于盐度效应通常跨季节累积——且在新鲜椰糠基质中的短周期黄瓜可能无法揭示处理间差异——检测盐负荷的任何差异通常需要在相同的施肥和淋洗分数下对淋洗液EC/离子以及基质/土壤EC进行多季节监测。此范围限制已被记录，组织和淋洗液检测程序在讨论部分为未来重复试验概述。
为准确测量EWT对作物生长的影响，应用了带随机效应的线性混合模型来解释每周对同一对象的重复测量，并包含固定效应来解释黄瓜生长周期内的时间变化。为三个独立的生长指标分别拟合了三个线性混合模型。通过比较包含处理因子变量和不包含该变量的简化模型（零模型），进行方差分析（ANOVA）检验，以测试处理效应在每个生长指标上的显著性，并汇总结果。
结果与讨论：EWT技术的有效性验证
实证结果分析
在处理前后测量的水样中，盐度水平降低了6.0%至24.0%。这些结果证明了使用电子信号解聚盐化合物并防止离子积累成更大、不溶性沉淀物的有效性。另一方面，水样的pH值相较于处理前样本并未显著下降。然而，即使是pH值的微小降低也可能是由于水的离子平衡发生变化，这证明了EWT设备干扰了碳酸盐或碳酸氢盐等关键化合物的键合模式。在磷、铁和锰等养分有效性受限制的高pH值土壤中，即使pH值的轻微改善也可能是有益的。
在每周的测量中，用EWT处理的高盐度处理废水（HSTWW）灌溉的黄瓜通常表现出与低盐度地下水（LSGW）下植物相等或更快的生长。到最终评估时（2024年11月11日），植株长度和茎粗的组平均值紧密接近，分布上有大量重叠。总体而言，EWT处理的高盐度处理废水产生的读数和性能与低盐度地下水几乎相同，并在几个间隔期有平均增益。
虽然经EWT处理的高盐度处理废水下的生长性能相当或有所改善，但未测量可食用组织和淋洗液的离子分布，因此无法从这些数据推断处理间在盐分积累上的差异。
线性混合模型的结果使我们能够在考虑同一观察对象重复测量引起的内生性的同时，解析时间、水处理和实验误差的影响。结果表明，用当地水源的盐水（但经EWT设备处理）栽培的黄瓜植株，与用高质量低盐水灌溉的植物具有相似的生长模式。为了检验处理效应在每个生长指标上的显著性，我们拟合了一个零模型，该模型包含方程（1）中除处理因子变量外的所有项。在这两个模型之间运行了ANOVA检验，并汇总了结果。对于植株长度和产量，包含处理因子的模型具有统计上显著的F统计量，这表明添加了处理因子的模型对模型有显著改进；这些模型还具有更低的AIC和BIC值，表明对数据的拟合更稳健。
ANOVA检验并未产生表明茎粗是模型显著附加项的统计结果。实际上，添加此因子变量显著增加了模型的BIC值，表明模型的稳健性因该变量的加入而降低。模型本身的结果也证实了这一点。
我们发现用EWT处理的高盐度处理废水（Max Grow）灌溉的黄瓜在植株长度和产量上高于低盐度地下水下的黄瓜，混合效应模型中效应具有统计学显著性。根据混合效应模型，在EWT处理的高盐度处理废水下，植株长度平均高出约13厘米，每株产量高出约0.42千克。混合效应估计表明，在EWT处理的高盐度处理废水下存在统计学显著但适度的效应：植株长度平均+13.0厘米（95% CI 7.9–18.1厘米），产量每株+0.42千克（95% CI 0.21–0.62千克），对茎粗无显著效应。重要的是，我们的研究目标是可比性而非优越性：高盐度处理废水+EWT和低盐度地下水的每周轨迹 largely 相互跟踪，并在最终评估时趋于一致，表明EWT处理的高盐度处理废水可以在温室规模下提供类似低盐度地下水的性能。此外，我们没有足够的证据表明处理间在茎粗上存在差异，因为估计的效应很小且不精确。两种处理的每周读数总体上相互跟踪，并且在最终评估时，植株长度和茎粗的组平均值紧密接近，表明具有实际可比性。综上所述，结果表明使用EWT处理的高盐度处理废水可以获得与低盐度地下水几乎相同的测量值，同时在长度和产量上仍能产生平均增益。虽然我们没有直接量化根区离子或淋洗液EC，但观察到的模式与Max Grow设备在减轻盐度相关生长惩罚方面的预期功能一致。
统计结果表明，用EWT处理的高盐度处理废水灌溉的黄瓜达到了与用低盐度地下水灌溉相当的生长结果。换句话说，研究结果支持两种处理间的生长可比性，而非主张一种灌溉方法优于另一种。实际上，这意味着在使用KAC/KTD水的约旦河谷农民，在采用在线EWT后，假设品种、施肥、计划和温室管理相同，可以预期植物表现与使用低盐度地下水时相当。
EWT技术在约旦河谷的适用性分析
像Max Grow这样的EWT系统的采用特别适合约旦河谷的地理和经济现实。许多解决水盐化的方法面临高壁垒。解决盐渍化的基于自然的解决方案可能有效，但在约旦河谷并未广泛使用，甚至可能需要专门管理新的种植模式或肥料施用，而许多农民在这方面缺乏丰富经验。传统的反渗透（RO）脱盐系统能耗高、费用昂贵，并且需要定期维护和技术专业知识。适合约旦河谷此类运营规模（日产能10–15立方米）的小型RO单元通常成本在16,000至25,000美元之间，此外还需定期更换滤芯和熟练维护。由于能源需求和膜污染，RO系统运营成本高，导致长期费用增加。购买淡水对许多农民来说同样成本高昂。在我们的实验期间，高质量淡水的成本为430立方米1050美元，相当于每立方米2.44美元。
相比之下，EWT运行无需膜、化学品或高压泵。其低资本成本、零消耗性部件和最低限度的电力消耗，使其成为约旦河谷中小规模农民实用且创新的解决方案。Max Grow设备成本约为2600美元，无维护成本，无可更换部件，耗电极少。这些成本节约并非以作物生产力为代价：统计结果证实两组作物生长速率相似，使农民能够从这种新的处理技术中受益而不会遭受作物生长损失。当多个季节使用时，EWT设备显示出强大的投资回报，特别是在考虑到避免的脱盐水或淡水购买成本时。这种经济优势是推动EWT设备在像约旦河谷这样的缺水农业区更广泛采用的关键因素。
数据质量与食品安全影响（范围适宜的监测）
本试验针对单一短周期黄瓜的生长响应和水质变化（EC、pH）。对于像黄瓜这样的果类葫芦科植物，在一个短季节内，Na+/Cl-在可食用组织中的积累通常相对于叶片组织有限，因为盐胁迫主要表现为营养器官的渗透效应和离子毒性，管理通常侧重于无土栽培系统中根区/淋洗液的EC控制。因此，在盐水/再生废水灌溉下，短周期黄瓜的主要食品安全问题是根区盐分管理，而非果实中的大量盐残留；系统性的淋洗液EC监测和定期的离子分析是行业标准的质控工具。也就是说，当使用再生废水时，简单的周期末果实离子检查（Na+、Cl-；如果硝酸盐施肥量高，还包括NO3-）是一项低成本补充，用以确认处理间的残留等效性。
结论与展望
我们对Max Grow EWT设备的实验评估表明，对高盐度处理废水（HSTWW）应用EWT可以减轻与盐度相关的生长惩罚：用EWT处理的高盐度处理废水灌溉的黄瓜，在生长和产量上达到了与低盐度地下水（LSGW）下相当甚至在某些指标上更高的水平。这些发现对约旦农业部门具有重要意义，在约旦河谷，水资源短缺和盐度使得负担得起且高效的解决方案至关重要。
EWT并非通过脱盐去除盐分，而是应用射频能量在线影响离子聚集和结垢行为，无需过滤器或重大改造即可集成到现有灌溉网络中。这在约旦河谷尤其相关，因为该地区在低盐度地下水稀缺的情况下，高盐度处理废水和微咸地下水是可用的资源。该设备较低的操作复杂度和适中的功率需求，使EWT成为无法承担脱盐系统资本和运行成本的风险规避型农民的实用选择。降低这些财务和技术壁垒可以支持更广泛的采用，为低资源温室系统中的盐度缓解提供一条现实途径，并为利用边际水进行可持续生产开辟机会。
通过在灌溉点降低盐负荷，EWT有助于限制根区盐分积累，从而支持土壤健康，降低土壤肥力长期下降的风险。重复使用盐水是约旦河谷土壤盐渍化的已知驱动因素，而扩大再生废水在农业中安全再利用的持续努力意味着盐度压力将继续存在。因此，保持土壤质量对于维持生产力至关重要。在此背景下，更广泛地采用EWT可以使农民在利用高盐度处理废水的同时，减轻对土壤的盐度相关风险。
EWT方法解决了约旦河谷盐水灌溉的关键经济、运营和环境限制：它相对经济实惠，易于集成到现有系统，并且在我们的实验中提供了与低盐度地下水相当的作物性能。通过降低使用高盐度处理废水的技术成本和壁垒，像Max Grow这样的EWT设备可以帮助农民维持生产力，避免更高的脱盐成本，并为约旦温室系统更可持续的水资源利用做出贡献。
尽管该研究在约旦河谷的地中海-干旱温室中进行评估，但该方法可直接转移到以下地区：（i）依赖微咸地下水或再生废水进行灌溉（大致总溶解固体TDS ~1000–3000毫克/升；EC ~1–3 dS/m），（ii）使用加压滴灌系统，子干管流量适中（约1–5立方米/小时），以及（iii）拥有稳定的低压电源和基本的泵/过滤基础设施。在此类环境中，在线EWT只需最少的管道改动且无需处理浓盐水即可被采用，在目标是作物性能不劣化而非去除盐分的情况下，为小规模脱盐提供了一种低成本替代方案。采用时应包括灌溉水/淋洗液EC的常规监测和定期的土壤/组织检测，以管理盐度和食品安全风险，并且对于盐度高于约3–5 dS m-1的水源或对盐高度敏感的作物，可能需要混合和一定的淋洗分数。有了这些保障措施，EWT途径适用于面临低盐度地下水短缺但能获得高盐度处理废水或微咸水源的干旱和半干旱温室中心，为在控制资本和运营成本的同时保持产量提供了一条实用路径。
