一張“膜”，是如何促進(jìn)可持續(xù)植樹造林的？

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國前沿科技項目推出“生命新知”系列文章，從獨特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

光合作用是植物、藻類以及一些特殊細(xì)菌利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氧氣的過程。該過程不僅能為其自身生長提供營養(yǎng)，還可以在一定程度上減緩大氣中溫室氣體的積累，從而幫助我們抵御全球變暖。

干旱環(huán)境對植物的生長有很大的影響，包括根系受損、光合作用受阻、水分收支不平衡以及生長受限等，最終將導(dǎo)致植物的產(chǎn)量下降，對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生物多樣性造成威脅。

中國的沙漠面積超過六十萬平方公里，是全球沙漠面積最廣的國家之一。在沙漠中種植植物不僅能夠固沙防風(fēng)、減少水土流失，還能消耗溫室氣體，為抵御全球變暖作出巨大貢獻(xiàn)。那么如何實現(xiàn)在干旱的沙漠種植植物呢？

沙漠植物

（圖片來源：veer圖庫）

一張膜，哪里神奇？

2024年5月21日，我國科學(xué)家在《自然可持續(xù)》（Nature Sustainability）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于促進(jìn)植物光合作用的輻射冷卻膜的文章，有望解決氣候變化中“水-糧食-能源”關(guān)系問題。

研究成果發(fā)表于《自然可持續(xù)》雜志

（圖片來源：《自然可持續(xù)》雜志）

作者通過建模，確定凈輻射能的輸入與植物的生長有很大的關(guān)系，凈輻射能的輸入與溫度變化速率和水分丟失速率息息相關(guān)。基于此，作者制備了三明治結(jié)構(gòu)的光合活性輻射冷卻膜(PRCF)。

PRCF由聚二甲基硅氧烷(PDMS)輻射層、優(yōu)化后的光子晶體層和聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠層組成，聚二甲基硅氧烷層具有較高的中紅外發(fā)射率，可以實現(xiàn)最大的輻射冷卻；光子晶體層可以選擇性地透過適合光合作用的光，促進(jìn)光合作用；聚丙烯酰胺層可以防止起霧，避免水蒸氣凝結(jié)的遮陽效應(yīng)。

光合活性輻射冷卻膜的設(shè)計與表征。

旱地種植植物的挑戰(zhàn)；b. 溫度變化速率和水分丟失速率與凈輻射的關(guān)系；c. PRCF的使用效果圖；d. 陽光透射率和中紅外發(fā)射率與波長的關(guān)系；e,f. PRCF的介紹；g,h,i,j. PRCF的表征）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

為驗證光合活性輻射冷卻膜的降溫和節(jié)水效果，作者將其與聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片覆蓋的土壤和沒有覆蓋的土壤進(jìn)行了戶外溫度控制實驗。

實驗結(jié)果顯示，PRCF傳輸?shù)膶χ参锕夂献饔糜行У年柟馑脚c聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片兩個對照組相似，但是卻能大大減少其他波長的陽光輸入。

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(fù)荷。PRCF實驗組的最低氣溫為35.4℃，比UV-NIR濾光片、PVC膜和無覆蓋物情景分別低2.4℃、4.6℃和1.9℃。與紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片、聚氯乙烯（PVC）薄膜和無覆蓋物的對照組相比，PRCF表現(xiàn)出優(yōu)異的減少水分蒸發(fā)的能力。

PRCF具有被動冷卻和減少水分蒸發(fā)的能力，有助于改善植物在干旱炎熱環(huán)境下的生長狀況。研究者評估，在全球范圍內(nèi)，與不使用薄膜的情況相比，在旱地植物上應(yīng)用薄膜可將碳匯增加約40%，對減緩氣候變暖具有積極作用。

光合活性輻射冷卻膜的冷卻和節(jié)水性能

用于測試PRCF性能的設(shè)備照片；b. 不同覆蓋材料的光譜圖；c. 不同覆蓋膜對太陽光的傳輸和吸收；d. 不同覆蓋材料在不同溫度下的中紅外能量輸出；e. 不同覆蓋材料的能量流功率；f,g.不同覆蓋膜條件下，空氣溫度與土壤溫度的比較；h. 不同覆蓋膜條件下的水分丟失率）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

還有哪些途徑可以消耗二氧化碳？

海水的吸收：海洋是大自然中重要的二氧化碳儲存庫，海水可以通過溶解作用和海洋生物的代謝過程實現(xiàn)二氧化碳的消耗，在調(diào)節(jié)大氣中二氧化碳濃度方面起著重要作用。

海洋

（圖片來源：veer圖庫）

微生物的代謝：細(xì)菌和浮游生物等利用二氧化碳作為碳源，通過合成有機(jī)物質(zhì)來固定碳，并減少大氣中的二氧化碳濃度。微生物在土壤、水體等環(huán)境中廣泛存在，對二氧化碳的消耗具有重要影響。

化學(xué)轉(zhuǎn)化：通過化學(xué)方法，如碳捕獲和儲存（CCS）技術(shù)，可以將二氧化碳從工業(yè)排放源中分離出來，并將其儲存在地下或其他安全位置。這種方法可以顯著降低大氣中的二氧化碳濃度，但需要大量的技術(shù)投資和政策支持。

種植植物減少二氧化碳

（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

消耗二氧化碳、減少溫室氣體排放已經(jīng)成為應(yīng)對全球氣候變暖過程中刻不容緩的任務(wù)。從植物的光合作用到海洋的碳匯，再到微生物的代謝和人為技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，我們見證了自然界和人類智慧在應(yīng)對溫室效應(yīng)上的不懈努力。

然而，我們必須認(rèn)識到，這些努力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要真正實現(xiàn)溫室氣體的減排目標(biāo)，需要全社會的共同參與和持續(xù)努力。讓我們從身邊小事做起，節(jié)約能源、減少排放、推廣可再生能源、倡導(dǎo)低碳生活，共同為地球環(huán)境的保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

1.Li, J., Jiang, Y., Liu, J. et al. A photosynthetically active radiative cooling film[J]. Nat Sustain, 2024.

2.張遠(yuǎn)輝,王偉強(qiáng),陳立奇.海洋二氧化碳的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展, 2000, 15(5).

3.陶雨萱,郭亮,高聰,等.代謝工程改造微生物固定二氧化碳研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展, 2023, 42(1).

4.Mackay E .Modelling the injectivity, migration and trapping of CO2 in carbon capture and storage (CCS)[J]. 2013.