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氣候變暖是重要的全球性問題，并對(duì)“碳中和”提出了迫切的需求。植樹造林被認(rèn)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%的干旱地區(qū)進(jìn)行植被覆蓋是提升碳匯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(zhǎng)量面臨環(huán)境限制和水分損失等挑戰(zhàn)。此外，即使植物在干旱環(huán)境中成功生長(zhǎng)，也可能會(huì)降低反照率，導(dǎo)致當(dāng)?shù)刈兣?yīng)，抵消光合作用產(chǎn)生的固碳效應(yīng)。因此，制定節(jié)能節(jié)水的植樹造林策略至關(guān)重要，以實(shí)現(xiàn)旱地的可持續(xù)植物栽培和碳固存。

基于此，2024年5月21日，南京大學(xué)由朱嘉教授、張永光教授和朱斌副教授組成的跨學(xué)科交叉探索團(tuán)隊(duì)共同在Nature Sustainability上發(fā)表了以“A photosynthetically active radiative cooling film”為題的研究論文。

該論文發(fā)展了一種具有三明治結(jié)構(gòu)的輻射制冷薄膜，它可有效降低1.9-4.6℃環(huán)境溫度，減少2.1-31.9%水分蒸發(fā)，增強(qiáng)植物在炎熱干旱環(huán)境下的光合作用，從而使植物生物質(zhì)產(chǎn)量提升20-370%。經(jīng)過初步評(píng)估，在全球模擬計(jì)算下，在全球干旱地區(qū)應(yīng)用該薄膜有望增加約40%的碳匯收益。這一新技術(shù)的發(fā)展為解決氣候變化中水-糧食-能源之間的關(guān)系問題提供了新的發(fā)展路徑。

輻射制冷膜設(shè)計(jì)策略

干旱地區(qū)常用的種植技術(shù)包括微霧噴淋、濕簾風(fēng)機(jī)等方法，往往是高耗能、耗資源的，因此需要通過一種被動(dòng)式降溫保水策略來構(gòu)建局部環(huán)境適于植物生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)通過溫室模型模擬發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)氣溫變化率和耗水量很大程度上取決于凈輻射能量輸入（圖1b），因此輻射能量的管理是創(chuàng)造涼爽潮濕環(huán)境以支持干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵。

輻射制冷通過反射太陽(yáng)光（0.3-2.5μm）和輻射中紅外能量（2.5-20μm）實(shí)現(xiàn)零能耗的被動(dòng)制冷效果，在過去的十年中已得到廣泛研究。一些針對(duì)特殊場(chǎng)景需求如太陽(yáng)能電池、智能窗和溫室等的選擇性光譜設(shè)計(jì)也已被開發(fā)，然而對(duì)于適用于植物光合作用的降溫薄膜光譜要求將更為嚴(yán)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(yīng)將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(yīng)光反射，2.5-20μm的熱輻射光盡可能發(fā)射（圖1c，d）。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出的利于植物光合作用的輻射制冷膜（PRCF）由三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成（圖1e），分別是太陽(yáng)光波段高透、中紅外波段高發(fā)射的聚二甲基硅氧烷輻射層、太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)了寬帶高選擇性光譜管理。該P(yáng)RCF可通過規(guī)模化手段實(shí)現(xiàn)米級(jí)的材料制備，并獲得與理想光譜一致的實(shí)際光譜（圖1i，j）。

圖1. PRCF的設(shè)計(jì)與表征

輻射冷卻和節(jié)水效果

通過戶外模擬測(cè)試，將PRCF與傳統(tǒng)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(jìn)行對(duì)比，評(píng)估了PRCF的降溫和節(jié)水效果（圖2a，b）。通過模擬計(jì)算表明PRCF能維持最小的太陽(yáng)光能量輸入，同時(shí)光合作用有效光透過水平與對(duì)照組均一致（圖2c）。PRCF由于高的中紅外發(fā)射率有利于增加熱輻射輸出（圖2d），因此在總的凈輻射能量數(shù)值上也處于最低的狀態(tài)（圖2e）。通過裝置的實(shí)際測(cè)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(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖2 降溫和節(jié)水性能測(cè)試

戶外種植實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際戶外種植實(shí)驗(yàn)中，通過在三種不同覆蓋物（PRCF、UV-NIR濾光膜、PVC薄膜）的米級(jí)腔室和露天對(duì)照組下進(jìn)行植物生長(zhǎng)記錄（圖3a），選取生菜、大豆苗、梔子花進(jìn)行普適性評(píng)估，均能展現(xiàn)出PRCF下植物生長(zhǎng)狀態(tài)更優(yōu)的結(jié)果。

從生菜的結(jié)果中看出，PRCF下方生菜能正常生長(zhǎng)（圖3b），其鮮重是其他對(duì)照組的兩倍以上（圖3c）。大豆苗同樣具備最好的長(zhǎng)勢(shì)（圖3d），鮮重干重均明顯增加（圖3e），并能順利結(jié)出果實(shí)（圖3f）。通過記錄大豆苗生長(zhǎng)過程中的光合作用速率，PRCF下方可達(dá)到最高的數(shù)值（10.9μmol CO2 m-2 s-1），也證明其健康的生長(zhǎng)狀態(tài)（圖3g）。梔子花實(shí)驗(yàn)表明，只有PRCF下能存活并具備最高的葉綠素含量，表現(xiàn)出強(qiáng)光合作用能力（圖3h）。這些種植結(jié)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(shí)驗(yàn)

大規(guī)模應(yīng)用模擬

通過動(dòng)態(tài)全球植被模型和CLM模型集成，作者評(píng)估了PRCF在大尺度范圍廣泛應(yīng)用的影響。從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PRCF使旱地和裸地的平均地面溫度分別降低了5.6℃和3.1℃，蒸散量分別降低了0.3%和12%，葉面積指數(shù)增加了95%和41%，顯著改善了植物的生長(zhǎng)環(huán)境及狀態(tài)（圖4a）。基于此，PRCF可使旱地和裸地的碳匯能力分別提高115%和29%，凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力分別增加39%和67%（圖4b-d）。

圖4 全球旱地大規(guī)模應(yīng)用PRCF影響評(píng)估

這是一次來自材料科學(xué)、光學(xué)、農(nóng)學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域的跨學(xué)科交叉探索。南京大學(xué)朱嘉教授、朱斌副教授、張永光教授為文章的通訊作者，南京大學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)李剛教授、王鵬教授在溫室計(jì)算和植物栽培上的幫助，感謝長(zhǎng)春光機(jī)所李煒研究員在光學(xué)計(jì)算上的支持，感謝南京大學(xué)章釗穎助理教授在全球碳匯模擬計(jì)算上的貢獻(xiàn)，感謝南京大學(xué)徐凝副教授在材料開發(fā)上的幫助。南京大學(xué)博士研究生吳霖升、趙大洋對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。該工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目支持，并得到固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)的大力支持。

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Sustainability

發(fā)布時(shí)間 2024年5月21日

文章標(biāo)題 A photosynthetically active radiative cooling film

（https://doi.org/10.1038/s41893-024-01350-6）

研究團(tuán)隊(duì) | 作者

酥魚 | 編輯

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