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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化為有機物質，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。干旱地區通常覆蓋茂密的植被較少，這限制了其作為碳匯的貢獻。因此，尋找一種方法來增加干旱地區植被的覆蓋和生長，從而提高其碳匯能力，成為了一個重要的研究熱點。

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

成果簡介

為了應對這一挑戰，南京大學朱嘉教授（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，旨在通過降低環境溫度、減少水分蒸發來增強干旱地區植物的光合作用。這種薄膜采用了一種復合結構，可以讓光合作用所需的太陽光透過，同時在中紅外波長范圍內高效發射熱能。實地測試表明，該薄膜能夠顯著降低空氣溫度和水分蒸發水平，并大幅提高植物的生物量產量。預計在全球干旱地區廣泛采用這種薄膜將顯著擴大碳匯。因此，該研究為解決氣候變化帶來的水-食物-能源挑戰提供了一種有效、可擴展和可持續的替代方案。以上成果在“Nature Sustainability”期刊上發表了題為“A photosynthetically active radiative cooling film”的最新論文。

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圖文解讀

為了在干旱地區創造一個涼爽、濕潤的環境來支持植物生長，研究者設計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構，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光子晶體層通過優化結構，實現了對0.4–0.5 和 0.6–0.7?μm波長太陽光的選擇性透射，同時反射其他太陽光。而PAM水凝膠層則通過防霧效果，保持了薄膜表面的透明度。實驗結果顯示，PRCF能夠顯著降低環境溫度和水蒸發水平，提高植物的生物量產量。在實際應用中，PRCF能夠為干旱地區植物提供良好的生長環境，進而增加碳匯容量，為氣候變化減緩做出貢獻。這項研究為解決干旱地區植物栽培中的節能節水問題提供了一種創新的解決方案，有望推動未來植物栽培技術的發展。

圖1：PRCF的設計與表征。

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照組，進行了戶外溫度調控實驗。實驗結果顯示，PRCF在總日照能量輸入方面表現最佳，其透射的有效光照水平與對照組相似，同時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荷。這表明PRCF能夠為植物提供有效的被動冷卻和節水效果，有助于改善植物在干旱炎熱環境下的生長狀況。

圖2. 冷卻和節水性能。

接著，研究者進行了植物栽培實驗，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，并對植物的生長狀態進行了綜合評估。在圖3中，結果顯示，在PRCF下種植的植物生長狀況明顯優于其他條件。萵苣、大豆和梔子等植物在PRCF下的生物量產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，進一步證實了PRCF在提供良好的冷卻和節水效果方面的優勢。這些結果表明，PRCF在干燥炎熱的環境中具有顯著的植物栽培潛力，能夠有效提高植物的生產量，并為氣候變化減緩做出貢獻。

圖3. 植物栽培實驗。

研究者為了評估PRCF在全球干旱地區的大規模應用潛力，進行了圖4的模擬研究。他們利用動態全球植被模型進行了模擬，評估了PRCF在地表溫度、蒸散發和植被生長方面的影響。結果顯示，PRCF能夠顯著降低干旱地區和裸土覆蓋區的地面溫度，并提高植被的生長狀態，從而增加植被的凈生態系統生產力。這意味著PRCF有望在這些地區創造更強的碳匯，對減緩氣候變暖起到積極作用。這項研究為PRCF在全球干旱地區的應用提供了重要的理論支持和科學依據。

圖4. 應用PRCF對全球干旱地區的影響計算。

研究結論

這項研究提供了一個重要的科學價值，即通過創新的設計和工程方法，可以解決炎熱干旱地區植物生長面臨的能量、水分和氣候挑戰，從而實現可持續的生態系統增強和氣候適應。PRCF的夾層結構和光學特性使其具有多功能性，既可以實現輻射制冷和高度選擇性的光學管理，又能有效減少水蒸發和地表溫度，從而提高了植物的生長率和生物量產量。

此外，PRCF的應用還能夠創造大規模的碳匯，有助于減緩全球氣候變化的影響。這項研究突顯了通過科學創新和工程技術解決環境挑戰的潛力，為未來開發可持續的生態系統管理和氣候適應解決方案提供了重要的啟示。通過整合可持續性原則和科技創新，我們可以為應對氣候變化和推動生態系統可持續性發展提供關鍵的科學支持和解決方案。

文獻信息

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

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