干旱条件种植物?学科交叉探新路!


气候变暖是重要的全球性问题,并对“碳中和”提出了迫切的需求。植树造林被认为是固碳最有效的方法之一,其中利用占全球陆地面积约40%的干旱地区进行植被覆盖是提升碳汇能力并缓解气候变化的有效策略。然而增加旱地植被覆盖率和生长量面临环境限制和水分损失等挑战。此外,即使植物在干旱环境中成功生长,也可能会降低反照率,导致当地变暖效应,抵消光合作用产生的固碳效应。因此,制定节能节水的植树造林策略至关重要,以实现旱地的可持续植物栽培和碳固存。

基于此,2024年5月21日,南京大学由朱嘉教授、张永光教授和朱斌副教授组成的跨学科交叉探索团队共同在《Nature Sustainability》上发表了以“A photosynthetically active radiative cooling film”为题的研究论文。该论文发展了一种具有三明治结构的辐射制冷薄膜,它可有效降低1.9-4.6℃环境温度,减少2.1-31.9%水分蒸发,增强植物在炎热干旱环境下的光合作用,从而使植物生物质产量提升20-370%。经过初步评估,在全球模拟计算下,在全球干旱地区应用该薄膜有望增加约40%的碳汇收益。这一新技术的发展为解决气候变化中水-粮食-能源之间的关系问题提供了新的发展路径。



辐射制冷膜设计策略

干旱地区常用的种植技术包括微雾喷淋、湿帘风机等方法,往往是高耗能、耗资源的,因此需要通过一种被动式降温保水策略来构建局部环境适于植物生长。研究团队通过温室模型模拟发现,室内气温变化率和耗水量很大程度上取决于净辐射能量输入(图1b),因此辐射能量的管理是创造凉爽潮湿环境以支持干旱地区植物生长的关键。辐射制冷通过反射太阳光(0.3-2.5μm)和辐射中红外能量(2.5-20μm)实现零能耗的被动制冷效果,在过去的十年中已得到广泛研究。一些针对特殊场景需求如太阳能电池、智能窗和温室等的选择性光谱设计也已被开发,然而对于适用于植物光合作用的降温薄膜光谱要求将更为严格。考虑到光合作用的特定作用波段,降温薄膜的理想光谱应将0.4-0.5μm及0.6-0.7μm的光合作用有效光透过,0.5-0.6μm及0.7-2.5μm的带来额外热效应光反射,2.5-20μm的热辐射光尽可能发射(图1c,d)。基于此,研究团队提出的利于植物光合作用的辐射制冷膜(PRCF)由三明治结构构成(图1e),分别是太阳光波段高透、中红外波段高发射的聚二甲基硅氧烷辐射层、太阳光选择性透过的一维光子晶体层(图1g,f)和起到防雾作用的聚丙烯酰胺水凝胶层(图1h),实现了宽带高选择性光谱管理。该PRCF可通过规模化手段实现米级的材料制备,并获得与理想光谱一致的实际光谱(图1i,j)。

图1 PRCF的设计与表征


辐射冷却和节水效果

通过户外模拟测试,将PRCF与传统的PVC温室薄膜、紫外线-近红外(UV-NIR)滤光薄膜和无覆盖物的装置进行对比,评估了PRCF的降温和节水效果(图2a,b)。通过模拟计算表明PRCF能维持最小的太阳光能量输入,同时光合作用有效光透过水平与对照组均一致(图2c)。PRCF由于高的中红外发射率有利于增加热辐射输出(图2d),因此在总的净辐射能量数值上也处于最低的状态(图2e)。通过装置的实际测试,PRCF能维持最低的空气温度和土壤温度(图2f,g),并具备最少的水分散失(图2h),因此,PRCF在降温保水上体现出优异的性能。

图2 降温和节水性能测试


户外种植实验

在实际户外种植实验中,通过在三种不同覆盖物(PRCF、UV-NIR滤光膜、PVC薄膜)的米级腔室和露天对照组下进行植物生长记录(图3a),选取生菜、大豆苗、栀子花进行普适性评估,均能展现出PRCF下植物生长状态更优的结果。从生菜的结果中看出,PRCF下方生菜能正常生长(图3b),其鲜重是其他对照组的两倍以上(图3c)。大豆苗同样具备最好的长势(图3d),鲜重干重均明显增加(图3e),并能顺利结出果实(图3f)。通过记录大豆苗生长过程中的光合作用速率,PRCF下方可达到最高的数值(10.9μmol CO2 m-2 s-1),也证明其健康的生长状态(图3g)。栀子花实验表明,只有PRCF下能存活并具备最高的叶绿素含量,表现出强光合作用能力(图3h)。这些种植结果都证明了PRCF带来的降温保水效果的显著影响。

大规模应用模拟


通过动态全球植被模型和CLM模型集成,作者评估了PRCF在大尺度范围广泛应用的影响。从模拟结果发现,PRCF使旱地和裸地的平均地面温度分别降低了5.6℃和3.1℃,蒸散量分别降低了0.3%和12%,叶面积指数增加了95%和41%,显著改善了植物的生长环境及状态(图4a)。基于此,PRCF可使旱地和裸地的碳汇能力分别提高115%和29%,净生态系统生产力分别增加39%和67%(图4b-d)。

图4 全球旱地大规模应用PRCF影响评估


这是一次来自材料科学、光学、农学、地球科学等领域的跨学科交叉探索。南京大学朱嘉教授、朱斌副教授、张永光教授为文章的通讯作者,南京大学博士研究生李金磊、蒋毅、刘甲为文章共同第一作者。感谢南京农业大学李刚教授、王鹏教授在温室计算和植物栽培上的帮助,感谢长春光机所李炜研究员在光学计算上的支持,感谢南京大学章钊颖助理教授在全球碳汇模拟计算上的贡献,感谢南京大学徐凝副教授在材料开发上的帮助。南京大学博士研究生吴霖升、赵大洋对本文亦有重要贡献。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目支持,并得到固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41893-024-01350-6





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