通过
植物光合作用封存大气中的CO
2
有助于减缓气候变化
，同时还能带来其他生态效益。然而，高温和干旱胁迫会限制植物生长，从而限制植被的减排潜力，尤其是在干旱地区。
2024年5月21日，南京大学
朱嘉
教授/
朱斌
副教授、南京大学国际地球科学研究所
张永光
教授团队合作在
Nature Sustainability
期刊发表题为“A photosynthetically active radiative cooling film”的研究论文，南京大学
Li
Jinlei
、
Jiang
Yi
、
Liu
Jia
为论文共同第一作者，
朱斌副教授、
张永光教授、
朱嘉教授为论文共同通讯作者。
朱嘉
，南京大学教授，科学探索奖（2020）、国家杰出青年基金（2019）、陈嘉庚青年科学家奖（2018）获得者；专注于基于微纳结构的光热调控领域的研究，研究方向包括纳米光子学、低维热传输、界面光热材料、辐射制冷等。
张永光
，南京大学国际地球科学研究所教授，国家杰出青年基金（2021）、自然资源学会青年科技奖（2019）、首届“李小文遥感科学奖”（2017）获得者；专注于植被叶绿素荧光遥感和陆地碳循环研究，建立了基于植被荧光遥感的生态系统GPP和最大羧化率遥感反演新方法。
朱斌
，南京大学副教授、博士生导师，国家“万人计划”青年拔尖人才、中国十大新锐科技人物（2021），专注于光热调控、热管理、锂电池储能等新能源材料方面研究。
该研究介绍了一种光合有效辐射冷却膜，它能降低环境空气温度，最大程度地减少水分蒸发，并提高旱地植物的光合作用。该薄膜由夹在聚二甲基硅氧烷层和防雾聚丙烯酰胺水凝胶层之间的光子晶体层组成。聚二甲基硅氧烷层具有较高的中红外发射率（波长为2.5-20μm，发射率为92%），可实现最大程度的辐射冷却，光子晶体可选择性地透射具有光合活性的太阳光（波长为0.4-0.5μm，发射率为71%；波长为0.6-0.7μm，发射率为77%），从而促进光合作用，聚丙烯酰胺层可防止遮光效应，从而支持植物生长。田间实验表明，该薄膜可使气温降低 1.9-4.6°C，水分蒸发量减少2.1-31.9%，从而使植物的生物量产量增加20-370%。据评估，在全球范围内，与不使用薄膜的情况相比，将薄膜应用于旱地植物可增加约40%的碳汇（2.26±1.43PgC·yr
-1
）。该研究工作强调了下一代技术的发展，这些技术可以解决气候变化中水-粮食-能源关系。
https://www.nature.com/articles/s41893-024-01350-6
研究人员开发了一种光合有效辐射冷却膜（PRCF），专门用于降低环境空气温度、减少水分蒸发，从而在不消耗能源的情况下提高炎热干旱环境中的植物光合作用。该薄膜由夹层结构组成，既能传输植物生长所需的有效太阳光成分，又能有效释放中红外线波长范围内的热能。使用该薄膜进行的田间实验表明，空气温度降低了1.9-4.6°C，水分蒸发量减少了2.1-31.9%，从而使植物生物量产量显著增加了20-370%。此外，预计在全球旱地广泛采用该薄膜将大幅增加碳汇，估计增加了
2.26±1.43PgC·yr
-1
。因此，这种PRCF有潜力成为植物种植中传统冷却和节水技术的有效、可扩展和可持续替代方案，有助于实现全球净零碳目标。
图1. PRCF的设计和表征
图3. 植物栽培实验
图4. 应用PRCF对全球旱地影响的计算
总之，该研究提出了一种基于PRCF的节能节水策略，可持续促进植物生长，同时最大限度地减少局部变暖效应，并为广袤的炎热旱地带来最大的气候效益。PRCF的夹层结构实现了辐射冷却、光合作用的高选择性光学管理和防雾能力。田间实验表明，与常规覆盖材料和无覆盖情况相比，该PRCF显著降低了气温（1.9~4.6°C）和水分蒸发（2.1~31.9%），提高了植物的存活率和生物量产量（20~370%）。模型显示，在全球旱地使用这种PRCF会产生一个巨大的碳汇，比没有使用这种薄膜的情况大四倍以上。
通过利用创新的设计原则来促进植物生长，同时最大限度地减少对环境的影响，PRCF可能有助于促进可持续造林和/或农业实践的广泛目标，同时减轻气候变化影响。首先，PRCF设计的节能和节水特点可能是提高造林和/或农业资源效率的重要一步。减少水分蒸发和优化热条件有助于节约宝贵的资源，减少对水/能源密集型灌溉/冷却系统的依赖，从而促进水/热紧张地区的长期可持续发展。此外，通过应用PRCF减少局部变暖效应还能带来多重可持续发展效益。缓解高温胁迫对植物和生态系统的影响可以保护干旱地区的生物多样性，增强生态系统的恢复能力。这种效应将有助于保护脆弱的生态系统，促进自然资源的可持续管理。此外，通过促进植物生长形成巨大的碳汇，为减缓气候变化提供了变革性机遇。通过封存大气中的
CO
2
，PRCF的部署将有助于全球碳减排工作，并有助于减轻气候变化对脆弱社区和生态系统的影响。通过将环境因素与创新设计方案相结合，PRCF可能会激发更多伟大的想法，为人类和地球的可持续发展创造持久的积极影响。
来源：科服 公众号
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