他，「国家杰青」，师从崔屹院士，31岁成教授，一张膜登顶Nat. Sustain.！

研究背景

植物光合作用是通过植物吸收二氧化碳并将其转化为有机物质，从而帮助减缓气候变化的重要途径。然而，随着全球气候变暖和干旱化的加剧，热量和干旱胁迫限制了植物生长，从而影响了植被的减缓潜力，尤其是在干旱地区。干旱地区通常覆盖茂密的植被较少，这限制了其作为碳汇的贡献。因此，寻找一种方法来增加干旱地区植被的覆盖和生长，从而提高其碳汇能力，成为了一个重要的研究热点。

然而，通过造林进行碳固定在干旱地区面临着诸多挑战。首先，干旱地区的局部环境条件，如强烈的净辐射和快速的水分蒸散，使植物难以在无外部补充的情况下生长。此外，即使成功在干燥和高温环境中种植植物，其可能会降低地表的反射率，进而产生局部增温效应，抵消光合作用的碳固定效应。因此，寻找一种能够在节能和节水的同时为植物提供凉爽湿润环境，并最小化地表对光的吸收的可持续植物栽培策略成为了一项迫切的任务。

成果简介

为了应对这一挑战，南京大学朱嘉教授（国家杰青）、朱斌副教授、张永光教授等人携手提出了一种光合活性辐射冷却薄膜（PRCF）的新方法，旨在通过降低环境温度、减少水分蒸发来增强干旱地区植物的光合作用。这种薄膜采用了一种复合结构，可以让光合作用所需的太阳光透过，同时在中红外波长范围内高效发射热能。实地测试表明，该薄膜能够显著降低空气温度和水分蒸发水平，并大幅提高植物的生物量产量。预计在全球干旱地区广泛采用这种薄膜将显著扩大碳汇。因此，该研究为解决气候变化带来的水-食物-能源挑战提供了一种有效、可扩展和可持续的替代方案。以上成果在“Nature Sustainability”期刊上发表了题为“A photosynthetically active radiative cooling film”的最新论文。

他，「国家杰青」，师从崔屹院士，31岁成教授，一张膜登顶Nat. Sustain.！

图文解读

为了在干旱地区创造一个凉爽、湿润的环境来支持植物生长，研究者设计了一种光合活性辐射冷却薄膜（PRCF）。在图1中，该薄膜采用了三明治结构，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）辐射层、一维（1D）光子晶体层和聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶层。PDMS层提供了高宽带的中红外波长范围的辐射能量输出，1D光子晶体层通过优化结构，实现了对0.4–0.5 和 0.6–0.7 μm波长太阳光的选择性透射，同时反射其他太阳光。而PAM水凝胶层则通过防雾效果，保持了薄膜表面的透明度。实验结果显示，PRCF能够显著降低环境温度和水蒸发水平，提高植物的生物量产量。在实际应用中，PRCF能够为干旱地区植物提供良好的生长环境，进而增加碳汇容量，为气候变化减缓做出贡献。这项研究为解决干旱地区植物栽培中的节能节水问题提供了一种创新的解决方案，有望推动未来植物栽培技术的发展。

图1：PRCF的设计与表征。

在图2中，研究者首先使用了聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近红外（UV–NIR）滤光片和无覆盖的情况作为对照组，进行了户外温度调控实验。实验结果显示，PRCF在总日照能量输入方面表现最佳，其透射的有效光照水平与对照组相似，同时大大降低了其他波长的光照输入。此外，PRCF具有较高的中红外波长的辐射能量输出，有助于减少辐射热负荷。这表明PRCF能够为植物提供有效的被动冷却和节水效果，有助于改善植物在干旱炎热环境下的生长状况。

图2. 冷却和节水性能。

接着，研究者进行了植物栽培实验，选择了莴苣、大豆和栀子等植物作为模型植物，种植在PRCF、UV–NIR滤光片、PVC薄膜和无覆盖条件下，并对植物的生长状态进行了综合评估。在图3中，结果显示，在PRCF下种植的植物生长状况明显优于其他条件。莴苣、大豆和栀子等植物在PRCF下的生物量产量显著高于其他三种覆盖条件。特别是在PRCF下种植的大豆植株，其光合速率和光合效率明显提高，进一步证实了PRCF在提供良好的冷却和节水效果方面的优势。这些结果表明，PRCF在干燥炎热的环境中具有显著的植物栽培潜力，能够有效提高植物的生产量，并为气候变化减缓做出贡献。

图3. 植物栽培实验。

研究者为了评估PRCF在全球干旱地区的大规模应用潜力，进行了图4的模拟研究。他们利用动态全球植被模型进行了模拟，评估了PRCF在地表温度、蒸散发和植被生长方面的影响。结果显示，PRCF能够显著降低干旱地区和裸土覆盖区的地面温度，并提高植被的生长状态，从而增加植被的净生态系统生产力。这意味着PRCF有望在这些地区创造更强的碳汇，对减缓气候变暖起到积极作用。这项研究为PRCF在全球干旱地区的应用提供了重要的理论支持和科学依据。

图4. 应用PRCF对全球干旱地区的影响计算。

研究结论

这项研究提供了一个重要的科学价值，即通过创新的设计和工程方法，可以解决炎热干旱地区植物生长面临的能量、水分和气候挑战，从而实现可持续的生态系统增强和气候适应。PRCF的夹层结构和光学特性使其具有多功能性，既可以实现辐射制冷和高度选择性的光学管理，又能有效减少水蒸发和地表温度，从而提高了植物的生长率和生物量产量。

此外，PRCF的应用还能够创造大规模的碳汇，有助于减缓全球气候变化的影响。这项研究突显了通过科学创新和工程技术解决环境挑战的潜力，为未来开发可持续的生态系统管理和气候适应解决方案提供了重要的启示。通过整合可持续性原则和科技创新，我们可以为应对气候变化和推动生态系统可持续性发展提供关键的科学支持和解决方案。

文献信息

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

原创文章，作者：wang，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/06/02/332e46ff1e/

他，「国家杰青」，师从崔屹院士，31岁成教授，一张膜登顶Nat. Sustain.！

相关推荐