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研究背景

植物光合作用是通過植物吸收二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)，從而幫助減緩氣候變化的重要途徑。然而，隨著全球氣候變暖和干旱化的加劇，熱量和干旱脅迫限制了植物生長，從而影響了植被的減緩潛力，尤其是在干旱地區(qū)。干旱地區(qū)通常覆蓋茂密的植被較少，這限制了其作為碳匯的貢獻(xiàn)。因此，尋找一種方法來增加干旱地區(qū)植被的覆蓋和生長，從而提高其碳匯能力，成為了一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。

然而，通過造林進(jìn)行碳固定在干旱地區(qū)面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，干旱地區(qū)的局部環(huán)境條件，如強(qiáng)烈的凈輻射和快速的水分蒸散，使植物難以在無外部補(bǔ)充的情況下生長。此外，即使成功在干燥和高溫環(huán)境中種植植物，其可能會(huì)降低地表的反射率，進(jìn)而產(chǎn)生局部增溫效應(yīng)，抵消光合作用的碳固定效應(yīng)。因此，尋找一種能夠在節(jié)能和節(jié)水的同時(shí)為植物提供涼爽濕潤環(huán)境，并最小化地表對(duì)光的吸收的可持續(xù)植物栽培策略成為了一項(xiàng)迫切的任務(wù)。

成果簡(jiǎn)介

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，南京大學(xué)朱嘉教授（國家杰青）、朱斌副教授、張永光教授等人攜手提出了一種光合活性輻射冷卻薄膜（PRCF）的新方法，旨在通過降低環(huán)境溫度、減少水分蒸發(fā)來增強(qiáng)干旱地區(qū)植物的光合作用。這種薄膜采用了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以讓光合作用所需的太陽光透過，同時(shí)在中紅外波長范圍內(nèi)高效發(fā)射熱能。實(shí)地測(cè)試表明，該薄膜能夠顯著降低空氣溫度和水分蒸發(fā)水平，并大幅提高植物的生物量產(chǎn)量。預(yù)計(jì)在全球干旱地區(qū)廣泛采用這種薄膜將顯著擴(kuò)大碳匯。因此，該研究為解決氣候變化帶來的水-食物-能源挑戰(zhàn)提供了一種有效、可擴(kuò)展和可持續(xù)的替代方案。以上成果在“Nature Sustainability”期刊上發(fā)表了題為“A photosynthetically active radiative cooling film”的最新論文。

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圖文解讀

為了在干旱地區(qū)創(chuàng)造一個(gè)涼爽、濕潤的環(huán)境來支持植物生長，研究者設(shè)計(jì)了一種光合活性輻射冷卻薄膜（PRCF）。在圖1中，該薄膜采用了三明治結(jié)構(gòu)，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）輻射層、一維（1D）光子晶體層和聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠層。PDMS層提供了高寬帶的中紅外波長范圍的輻射能量輸出，1D光子晶體層通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)0.4–0.5 和 0.6–0.7?μm波長太陽光的選擇性透射，同時(shí)反射其他太陽光。而PAM水凝膠層則通過防霧效果，保持了薄膜表面的透明度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PRCF能夠顯著降低環(huán)境溫度和水蒸發(fā)水平，提高植物的生物量產(chǎn)量。在實(shí)際應(yīng)用中，PRCF能夠?yàn)楦珊档貐^(qū)植物提供良好的生長環(huán)境，進(jìn)而增加碳匯容量，為氣候變化減緩做出貢獻(xiàn)。這項(xiàng)研究為解決干旱地區(qū)植物栽培中的節(jié)能節(jié)水問題提供了一種創(chuàng)新的解決方案，有望推動(dòng)未來植物栽培技術(shù)的發(fā)展。

圖1：PRCF的設(shè)計(jì)與表征。

在圖2中，研究者首先使用了聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片和無覆蓋的情況作為對(duì)照組，進(jìn)行了戶外溫度調(diào)控實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PRCF在總?cè)照漳芰枯斎敕矫姹憩F(xiàn)最佳，其透射的有效光照水平與對(duì)照組相似，同時(shí)大大降低了其他波長的光照輸入。此外，PRCF具有較高的中紅外波長的輻射能量輸出，有助于減少輻射熱負(fù)荷。這表明PRCF能夠?yàn)橹参锾峁┯行У谋粍?dòng)冷卻和節(jié)水效果，有助于改善植物在干旱炎熱環(huán)境下的生長狀況。

圖2. 冷卻和節(jié)水性能。

接著，研究者進(jìn)行了植物栽培實(shí)驗(yàn)，選擇了萵苣、大豆和梔子等植物作為模型植物，種植在PRCF、UV–NIR濾光片、PVC薄膜和無覆蓋條件下，并對(duì)植物的生長狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)估。在圖3中，結(jié)果顯示，在PRCF下種植的植物生長狀況明顯優(yōu)于其他條件。萵苣、大豆和梔子等植物在PRCF下的生物量產(chǎn)量顯著高于其他三種覆蓋條件。特別是在PRCF下種植的大豆植株，其光合速率和光合效率明顯提高，進(jìn)一步證實(shí)了PRCF在提供良好的冷卻和節(jié)水效果方面的優(yōu)勢(shì)。這些結(jié)果表明，PRCF在干燥炎熱的環(huán)境中具有顯著的植物栽培潛力，能夠有效提高植物的生產(chǎn)量，并為氣候變化減緩做出貢獻(xiàn)。

圖3. 植物栽培實(shí)驗(yàn)。

研究者為了評(píng)估PRCF在全球干旱地區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用潛力，進(jìn)行了圖4的模擬研究。他們利用動(dòng)態(tài)全球植被模型進(jìn)行了模擬，評(píng)估了PRCF在地表溫度、蒸散發(fā)和植被生長方面的影響。結(jié)果顯示，PRCF能夠顯著降低干旱地區(qū)和裸土覆蓋區(qū)的地面溫度，并提高植被的生長狀態(tài)，從而增加植被的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。這意味著PRCF有望在這些地區(qū)創(chuàng)造更強(qiáng)的碳匯，對(duì)減緩氣候變暖起到積極作用。這項(xiàng)研究為PRCF在全球干旱地區(qū)的應(yīng)用提供了重要的理論支持和科學(xué)依據(jù)。

圖4. 應(yīng)用PRCF對(duì)全球干旱地區(qū)的影響計(jì)算。

研究結(jié)論

這項(xiàng)研究提供了一個(gè)重要的科學(xué)價(jià)值，即通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和工程方法，可以解決炎熱干旱地區(qū)植物生長面臨的能量、水分和氣候挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)增強(qiáng)和氣候適應(yīng)。PRCF的夾層結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性使其具有多功能性，既可以實(shí)現(xiàn)輻射制冷和高度選擇性的光學(xué)管理，又能有效減少水蒸發(fā)和地表溫度，從而提高了植物的生長率和生物量產(chǎn)量。

此外，PRCF的應(yīng)用還能夠創(chuàng)造大規(guī)模的碳匯，有助于減緩全球氣候變化的影響。這項(xiàng)研究突顯了通過科學(xué)創(chuàng)新和工程技術(shù)解決環(huán)境挑戰(zhàn)的潛力，為未來開發(fā)可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)管理和氣候適應(yīng)解決方案提供了重要的啟示。通過整合可持續(xù)性原則和科技創(chuàng)新，我們可以為應(yīng)對(duì)氣候變化和推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展提供關(guān)鍵的科學(xué)支持和解決方案。

文獻(xiàn)信息

Li, J., Jiang, Y., Liu, J. et al. A photosynthetically active radiative cooling film. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01350-6

原創(chuàng)文章，作者：wang，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/06/02/332e46ff1e/

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