研究背景
随着全球气候变化愈发严重，人类对减缓温室气体排放、维护地球生态平衡的迫切需求日益凸显。其中，大气中二氧化碳的固定成为了一项重要的任务，而植物光合作用则被认为是其中一个有潜力的途径。然而，热量和干旱对植物生长造成的压力限制了植被的生长，尤其是在干旱地区。这一现象引发了科学界对如何在这些条件下最大化植物的生长和光合作用的关注。植物光合作用不仅仅是一种生物化学过程，它还对调节大气中的二氧化碳水平和维持生态平衡起着至关重要的作用。然而，干旱地区的高温和干旱条件下，植物的生长受到了严重的限制，这不仅限制了它们的光合作用能力，也限制了它们作为碳汇的潜力。因此，科学家们开始探索如何在这些极端条件下，通过技术手段来提高植物的生长效率和光合作用效率，以更好地应对气候变化挑战。为了解决这一问题，科学家们开展了一系列研究，试图寻找一种能够在干旱地区提供凉爽、湿润环境、减少水分蒸发、增加植物光合作用的方法。然而，现有的技术往往存在能源消耗高、水资源浪费严重等问题，因此需要一种更加可持续、节能、环保的解决方案。有鉴于此，南京大学能源与资源学院朱嘉教授、现代工程与应用科学学院朱斌、国际地球科学研究所张永光教授联合在“Nature Sustainability”期刊上发表了题为“A photosynthetically active radiative cooling film”的最新论文。他们通过设计一种光合活性辐射冷却薄膜（PRCF），成功解决了在干旱地区提高植物生长效率和光合作用效率的问题。该薄膜能够降低环境空气温度、减少水分蒸发，并增加干旱地区植物的光合作用，从而提高其作为碳汇的潜力。通过一系列实验和测试，科学家们验证了该薄膜在实际应用中的效果，证明了其能够显著提高植物生物量产量，并为全球干旱地区的碳汇贡献提供了新的解决方案。
图文解读
为了应对干旱地区植被生长受限的问题，研究者设计了一种名为PRCF（Photosynthetically Active Radiative Cooling Film）的新型材料。他们在图1中展示了PRCF的设计和特性。首先，图1a展示了干旱地区植物生长受限的情况，由于强烈的净辐射和快速的水分蒸发，植被的碳汇潜力受到了严重限制。为了应对这一问题，研究者设计了一个三层结构的PRCF（图1e），分别是聚二甲基硅氧烷（PDMS）辐射层、一维光子晶体层和聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶层。通过这种设计，PRCF实现了高度选择性的宽带光学管理和防雾能力。具体来说，PDMS层实现了中红外波长范围的高发射率，一维光子晶体层能够选择性透射光合作用有效波长的阳光，并反射其余的阳光，而PAM水凝胶层则提供了稳定的防雾效果。通过这种结构设计，PRCF能够降低空气温度（见图1b）和水分蒸发（见图1c），从而增加植物生物量产量（见图1d）。此外，PRCF还具有良好的稳定性和适应性，可以在不同的环境条件下有效地运作。因此，PRCF为解决干旱地区植被生长受限问题提供了一种可行的解决方案，有望为全球的气候变化应对提供有力支持。在图2中，研究者首先分析了不同覆盖材料的光学特性。他们使用聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近红外（UV–NIR）滤光片和PRCF进行了户外温度调控实验。结果显示，PRCF在总日照能量输入方面表现最佳，与两个对照组相比，PRCF降低了其他波长的光照输入，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，进一步提高了冷却效果。通过测量空气温度和土壤温度，研究者发现，PRCF在减轻温度和减少土壤水分蒸发方面表现最佳。这些结果表明，PRCF能够为干旱地区植物提供良好的生长环境，有助于增加植物生物量产量。 在图3中，研究者将PRCF与PVC薄膜和UV–NIR滤光片进行了对比，并使用了开放式对照组，评估了它们对户外植物栽培的影响。他们选择了莴苣、大豆和栀子等植物作为模型植物进行试验。结果显示，在PRCF下种植的植物生长状况显著优于其他条件下的生长情况。特别是在PRCF下，大豆植株的生物量产量明显增加，光合速率和光合效率也显著提高。这说明PRCF在提供良好的冷却和节水效果方面表现出色，有助于改善植物的生长环境，提高植物生产力。 该研究通过使用动态全球植被模型评估了PRCF在大规模应用下对全球干旱地区的影响。图4展示了PRCF对典型干旱地区和裸土覆盖区的地面温度、蒸散发和叶面积指数的影响。结果显示，PRCF显著降低了地面温度，减少了蒸散发，并提高了植被的叶面积指数。对全球干旱地区和裸土覆盖区的净生态系统生产力进行了评估，结果显示PRCF显著提高了植被的净生态系统生产力，从而增加了碳汇的能力。这项研究揭示了PRCF在改善全球干旱地区生态系统功能和减缓气候变化方面的巨大潜力。
总结展望
文章展示了一种基于夹层结构的PRCF的设计，该设计不仅实现了节能节水、光学管理和防雾等功能，还在实地测试中表现出显著的降温和水分保留效果，以及对植物生长的积极影响。这项研究为应对炎热干旱地区的气候挑战提供了新的可持续解决方案。通过优化光学特性和辐射制冷效果，PRCF降低了局部升温效应，有助于维护生态系统的稳定性，并提供了长期的资源效率。 此外，PRCF通过增强植物生长并创造巨大的碳汇，为减缓气候变化提供了有力支持。这项研究不仅为改善炎热干旱地区的生态环境和农业生产提供了新的路径，还表明了创新设计与环境保护的有机结合可以产生深远的可持续发展影响。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
