研究背景
隨著全球氣候變化愈發(fā)嚴重，人類對減緩溫室氣體排放、維護地球生態(tài)平衡的迫切需求日益凸顯。其中，大氣中二氧化碳的固定成為了一項重要的任務，而植物光合作用則被認為是其中一個有潛力的途徑。然而，熱量和干旱對植物生長造成的壓力限制了植被的生長，尤其是在干旱地區(qū)。這一現象引發(fā)了科學界對如何在這些條件下最大化植物的生長和光合作用的關注。植物光合作用不僅僅是一種生物化學過程，它還對調節(jié)大氣中的二氧化碳水平和維持生態(tài)平衡起著至關重要的作用。然而，干旱地區(qū)的高溫和干旱條件下，植物的生長受到了嚴重的限制，這不僅限制了它們的光合作用能力，也限制了它們作為碳匯的潛力。因此，科學家們開始探索如何在這些極端條件下，通過技術手段來提高植物的生長效率和光合作用效率，以更好地應對氣候變化挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，科學家們開展了一系列研究，試圖尋找一種能夠在干旱地區(qū)提供涼爽、濕潤環(huán)境、減少水分蒸發(fā)、增加植物光合作用的方法。然而，現有的技術往往存在能源消耗高、水資源浪費嚴重等問題，因此需要一種更加可持續(xù)、節(jié)能、環(huán)保的解決方案。有鑒于此，南京大學能源與資源學院朱嘉教授、現代工程與應用科學學院朱斌、國際地球科學研究所張永光教授聯合在“Nature Sustainability”期刊上發(fā)表了題為“A photosynthetically active radiative cooling film”的最新論文。他們通過設計一種光合活性輻射冷卻薄膜（PRCF），成功解決了在干旱地區(qū)提高植物生長效率和光合作用效率的問題。該薄膜能夠降低環(huán)境空氣溫度、減少水分蒸發(fā)，并增加干旱地區(qū)植物的光合作用，從而提高其作為碳匯的潛力。通過一系列實驗和測試，科學家們驗證了該薄膜在實際應用中的效果，證明了其能夠顯著提高植物生物量產量，并為全球干旱地區(qū)的碳匯貢獻提供了新的解決方案。
圖文解讀
為了應對干旱地區(qū)植被生長受限的問題，研究者設計了一種名為PRCF（Photosynthetically Active Radiative Cooling Film）的新型材料。他們在圖1中展示了PRCF的設計和特性。首先，圖1a展示了干旱地區(qū)植物生長受限的情況，由于強烈的凈輻射和快速的水分蒸發(fā)，植被的碳匯潛力受到了嚴重限制。為了應對這一問題，研究者設計了一個三層結構的PRCF（圖1e），分別是聚二甲基硅氧烷（PDMS）輻射層、一維光子晶體層和聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠層。通過這種設計，PRCF實現了高度選擇性的寬帶光學管理和防霧能力。具體來說，PDMS層實現了中紅外波長范圍的高發(fā)射率，一維光子晶體層能夠選擇性透射光合作用有效波長的陽光，并反射其余的陽光，而PAM水凝膠層則提供了穩(wěn)定的防霧效果。通過這種結構設計，PRCF能夠降低空氣溫度（見圖1b）和水分蒸發(fā)（見圖1c），從而增加植物生物量產量（見圖1d）。此外，PRCF還具有良好的穩(wěn)定性和適應性，可以在不同的環(huán)境條件下有效地運作。因此，PRCF為解決干旱地區(qū)植被生長受限問題提供了一種可行的解決方案，有望為全球的氣候變化應對提供有力支持。在圖2中，研究者首先分析了不同覆蓋材料的光學特性。他們使用聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片和PRCF進行了戶外溫度調控實驗。結果顯示，PRCF在總日照能量輸入方面表現最佳，與兩個對照組相比，PRCF降低了其他波長的光照輸入，并保持了有效光照水平，有助于植物光合作用。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，進一步提高了冷卻效果。通過測量空氣溫度和土壤溫度，研究者發(fā)現，PRCF在減輕溫度和減少土壤水分蒸發(fā)方面表現最佳。這些結果表明，PRCF能夠為干旱地區(qū)植物提供良好的生長環(huán)境，有助于增加植物生物量產量。 在圖3中，研究者將PRCF與PVC薄膜和UV–NIR濾光片進行了對比，并使用了開放式對照組，評估了它們對戶外植物栽培的影響。他們選擇了萵苣、大豆和梔子等植物作為模型植物進行試驗。結果顯示，在PRCF下種植的植物生長狀況顯著優(yōu)于其他條件下的生長情況。特別是在PRCF下，大豆植株的生物量產量明顯增加，光合速率和光合效率也顯著提高。這說明PRCF在提供良好的冷卻和節(jié)水效果方面表現出色，有助于改善植物的生長環(huán)境，提高植物生產力。 該研究通過使用動態(tài)全球植被模型評估了PRCF在大規(guī)模應用下對全球干旱地區(qū)的影響。圖4展示了PRCF對典型干旱地區(qū)和裸土覆蓋區(qū)的地面溫度、蒸散發(fā)和葉面積指數的影響。結果顯示，PRCF顯著降低了地面溫度，減少了蒸散發(fā)，并提高了植被的葉面積指數。對全球干旱地區(qū)和裸土覆蓋區(qū)的凈生態(tài)系統(tǒng)生產力進行了評估，結果顯示PRCF顯著提高了植被的凈生態(tài)系統(tǒng)生產力，從而增加了碳匯的能力。這項研究揭示了PRCF在改善全球干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能和減緩氣候變化方面的巨大潛力。 圖 4. 應用PRCF對全球干旱地區(qū)的影響計算。
總結展望
文章展示了一種基于夾層結構的PRCF的設計，該設計不僅實現了節(jié)能節(jié)水、光學管理和防霧等功能，還在實地測試中表現出顯著的降溫和水分保留效果，以及對植物生長的積極影響。這項研究為應對炎熱干旱地區(qū)的氣候挑戰(zhàn)提供了新的可持續(xù)解決方案。通過優(yōu)化光學特性和輻射制冷效果，PRCF降低了局部升溫效應，有助于維護生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并提供了長期的資源效率。 此外，PRCF通過增強植物生長并創(chuàng)造巨大的碳匯，為減緩氣候變化提供了有力支持。這項研究不僅為改善炎熱干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和農業(yè)生產提供了新的路徑，還表明了創(chuàng)新設計與環(huán)境保護的有機結合可以產生深遠的可持續(xù)發(fā)展影響。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
