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氣候變暖是重要的全球性問題，并對“碳中和”提出了迫切的需求。植樹造林被認為是固碳最有效的方法之一，其中利用占全球陸地面積約40%的幹旱地區進行植被覆蓋是提升碳彙能力并緩解氣候變化的有效策略。然而增加旱地植被覆蓋率和生長量面臨環境限制和水分損失等挑戰。此外，即使植物在幹旱環境中成功生長，也可能會降低反照率，導緻當地變暖效應，抵消光合作用産生的固碳效應。因此，制定節能節水的植樹造林策略至關重要，以實現旱地的可持續植物栽培和碳固存。

基于此，2024年5月21日，bat365在线平台官方网站由朱嘉教授、張永光教授和朱斌副教授組成的跨學科交叉探索團隊共同在《Nature Sustainability》上發表了以“A photosynthetically active radiative cooling film”為題的研究論文。該論文發展了一種具有三明治結構的輻射制冷薄膜，它可有效降低1.9-4.6℃環境溫度，減少2.1-31.9%水分蒸發，增強植物在炎熱幹旱環境下的光合作用，從而使植物生物質産量提升20-370%。經過初步評估，在全球模拟計算下，在全球幹旱地區應用該薄膜有望增加約40%的碳彙收益。這一新技術的發展為解決氣候變化中水-糧食-能源之間的關系問題提供了新的發展路徑。

輻射制冷膜設計策略

幹旱地區常用的種植技術包括微霧噴淋、濕簾風機等方法，往往是高耗能、耗資源的，因此需要通過一種被動式降溫保水策略來構建局部環境适于植物生長。研究團隊通過溫室模型模拟發現，室内氣溫變化率和耗水量很大程度上取決于淨輻射能量輸入（圖1b），因此輻射能量的管理是創造涼爽潮濕環境以支持幹旱地區植物生長的關鍵。輻射制冷通過反射太陽光（0.3-2.5μm）和輻射中紅外能量（2.5-20μm）實現零能耗的被動制冷效果，在過去的十年中已得到廣泛研究。一些針對特殊場景需求如太陽能電池、智能窗和溫室等的選擇性光譜設計也已被開發，然而對于适用于植物光合作用的降溫薄膜光譜要求将更為嚴格。考慮到光合作用的特定作用波段，降溫薄膜的理想光譜應将0.4-0.5μm及0.6-0.7μm的光合作用有效光透過，0.5-0.6μm及0.7-2.5μm的帶來額外熱效應光反射，2.5-20μm的熱輻射光盡可能發射（圖1c,d）。基于此，研究團隊提出的利于植物光合作用的輻射制冷膜（PRCF）由三明治結構構成（圖1e），分别是太陽光波段高透、中紅外波段高發射的聚二甲基矽氧烷輻射層、太陽光選擇性透過的一維光子晶體層（圖1g,f）和起到防霧作用的聚丙烯酰胺水凝膠層（圖1h），實現了寬帶高選擇性光譜管理。該PRCF可通過規模化手段實現米級的材料制備，并獲得與理想光譜一緻的實際光譜（圖1i,j）。

圖1 PRCF的設計與表征

輻射冷卻和節水效果

通過戶外模拟測試，将PRCF與傳統的PVC溫室薄膜、紫外線-近紅外（UV-NIR）濾光薄膜和無覆蓋物的裝置進行對比，評估了PRCF的降溫和節水效果（圖2a,b）。通過模拟計算表明PRCF能維持最小的太陽光能量輸入，同時光合作用有效光透過水平與對照組均一緻（圖2c）。PRCF由于高的中紅外發射率有利于增加熱輻射輸出（圖2d），因此在總的淨輻射能量數值上也處于最低的狀态（圖2e）。通過裝置的實際測試，PRCF能維持最低的空氣溫度和土壤溫度（圖2f,g），并具備最少的水分散失（圖2h），因此，PRCF在降溫保水上體現出優異的性能。

圖2 降溫和節水性能測試

戶外種植實驗

在實際戶外種植實驗中，通過在三種不同覆蓋物（PRCF、UV-NIR濾光膜、PVC薄膜）的米級腔室和露天對照組下進行植物生長記錄（圖3a），選取生菜、大豆苗、栀子花進行普适性評估，均能展現出PRCF下植物生長狀态更優的結果。從生菜的結果中看出，PRCF下方生菜能正常生長（圖3b），其鮮重是其他對照組的兩倍以上（圖3c）。大豆苗同樣具備最好的長勢（圖3d），鮮重幹重均明顯增加（圖3e），并能順利結出果實（圖3f）。通過記錄大豆苗生長過程中的光合作用速率，PRCF下方可達到最高的數值（10.9μmol CO₂ m^-2 s^-1），也證明其健康的生長狀态（圖3g）。栀子花實驗表明，隻有PRCF下能存活并具備最高的葉綠素含量，表現出強光合作用能力（圖3h）。這些種植結果都證明了PRCF帶來的降溫保水效果的顯著影響。

圖3 植物種植實驗

大規模應用模拟

通過動态全球植被模型和CLM模型集成，作者評估了PRCF在大尺度範圍廣泛應用的影響。從模拟結果發現，PRCF使旱地和裸地的平均地面溫度分别降低了5.6℃和3.1℃，蒸散量分别降低了0.3%和12%，葉面積指數增加了95%和41%，顯著改善了植物的生長環境及狀态（圖4a）。基于此，PRCF可使旱地和裸地的碳彙能力分别提高115%和29%，淨生态系統生産力分别增加39%和67%（圖4b-d）。

圖4 全球旱地大規模應用PRCF影響評估

這是一次來自材料科學、光學、農學、地球科學等領域的跨學科交叉探索。bat365在线平台官方网站朱嘉教授、朱斌副教授、張永光教授為文章的通訊作者，bat365在线平台官方网站博士研究生李金磊、蔣毅、劉甲為文章共同第一作者。感謝南京農業大學李剛教授、王鵬教授在溫室計算和植物栽培上的幫助，感謝長春光機所李炜研究員在光學計算上的支持，感謝bat365在线平台官方网站章钊穎助理教授在全球碳彙模拟計算上的貢獻，感謝bat365在线平台官方网站徐凝副教授在材料開發上的幫助。bat365在线平台官方网站博士研究生吳霖升、趙大洋對本文亦有重要貢獻。該工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等項目支持，并得到固體微結構物理國家重點實驗室等平台的大力支持。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41893-024-01350-6