一张“膜”，是如何促进可持续植树造林的？

出品：科普中国

作者：石畅（物理化学博士）

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

光合作用是植物、藻类以及一些特殊细菌利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物并释放氧气的过程。该过程不仅能为其自身生长提供营养，还可以在一定程度上减缓大气中温室气体的积累，从而帮助我们抵御全球变暖。

干旱环境对植物的生长有很大的影响，包括根系受损、光合作用受阻、水分收支不平衡以及生长受限等，最终将导致植物的产量下降，对生态系统的稳定性和生物多样性造成威胁。

中国的沙漠面积超过六十万平方公里，是全球沙漠面积最广的国家之一。在沙漠中种植植物不仅能够固沙防风、减少水土流失，还能消耗温室气体，为抵御全球变暖作出巨大贡献。那么如何实现在干旱的沙漠种植植物呢？

沙漠植物

（图片来源：veer图库）

一张膜，哪里神奇？

2024年5月21日，我国科学家在《自然可持续》（Nature Sustainability）杂志上发表了一篇关于促进植物光合作用的辐射冷却膜的文章，有望解决气候变化中“水-粮食-能源”关系问题。

研究成果发表于《自然可持续》杂志

（图片来源：《自然可持续》杂志）

作者通过建模，确定净辐射能的输入与植物的生长有很大的关系，净辐射能的输入与温度变化速率和水分丢失速率息息相关。基于此，作者制备了三明治结构的光合活性辐射冷却膜(PRCF)。

PRCF由聚二甲基硅氧烷(PDMS)辐射层、优化后的光子晶体层和聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶层组成，聚二甲基硅氧烷层具有较高的中红外发射率，可以实现最大的辐射冷却；光子晶体层可以选择性地透过适合光合作用的光，促进光合作用；聚丙烯酰胺层可以防止起雾，避免水蒸气凝结的遮阳效应。

光合活性辐射冷却膜的设计与表征。

旱地种植植物的挑战；b. 温度变化速率和水分丢失速率与净辐射的关系；c. PRCF的使用效果图；d. 阳光透射率和中红外发射率与波长的关系；e,f. PRCF的介绍；g,h,i,j. PRCF的表征）

（图片来源：参考文献1）

为验证光合活性辐射冷却膜的降温和节水效果，作者将其与聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近红外（UV–NIR）滤光片覆盖的土壤和没有覆盖的土壤进行了户外温度控制实验。

实验结果显示，PRCF传输的对植物光合作用有效的阳光水平与聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近红外（UV–NIR）滤光片两个对照组相似，但是却能大大减少其他波长的阳光输入。

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。PRCF实验组的最低气温为35.4℃，比UV-NIR滤光片、PVC膜和无覆盖物情景分别低2.4℃、4.6℃和1.9℃。与紫外–近红外（UV–NIR）滤光片、聚氯乙烯（PVC）薄膜和无覆盖物的对照组相比，PRCF表现出优异的减少水分蒸发的能力。

PRCF具有被动冷却和减少水分蒸发的能力，有助于改善植物在干旱炎热环境下的生长状况。研究者评估，在全球范围内，与不使用薄膜的情况相比，在旱地植物上应用薄膜可将碳汇增加约40%，对减缓气候变暖具有积极作用。

光合活性辐射冷却膜的冷却和节水性能

用于测试PRCF性能的设备照片；b. 不同覆盖材料的光谱图；c. 不同覆盖膜对太阳光的传输和吸收；d. 不同覆盖材料在不同温度下的中红外能量输出；e. 不同覆盖材料的能量流功率；f,g.不同覆盖膜条件下，空气温度与土壤温度的比较；h. 不同覆盖膜条件下的水分丢失率）

（图片来源：参考文献1）

还有哪些途径可以消耗二氧化碳？

海水的吸收：海洋是大自然中重要的二氧化碳储存库，海水可以通过溶解作用和海洋生物的代谢过程实现二氧化碳的消耗，在调节大气中二氧化碳浓度方面起着重要作用。

海洋

（图片来源：veer图库）

微生物的代谢：细菌和浮游生物等利用二氧化碳作为碳源，通过合成有机物质来固定碳，并减少大气中的二氧化碳浓度。微生物在土壤、水体等环境中广泛存在，对二氧化碳的消耗具有重要影响。

化学转化：通过化学方法，如碳捕获和储存（CCS）技术，可以将二氧化碳从工业排放源中分离出来，并将其储存在地下或其他安全位置。这种方法可以显著降低大气中的二氧化碳浓度，但需要大量的技术投资和政策支持。

种植植物减少二氧化碳

（图片来源：veer图库）

结语

消耗二氧化碳、减少温室气体排放已经成为应对全球气候变暖过程中刻不容缓的任务。从植物的光合作用到海洋的碳汇，再到微生物的代谢和人为技术的创新应用，我们见证了自然界和人类智慧在应对温室效应上的不懈努力。

然而，我们必须认识到，这些努力还远远不够。要真正实现温室气体的减排目标，需要全社会的共同参与和持续努力。让我们从身边小事做起，节约能源、减少排放、推广可再生能源、倡导低碳生活，共同为地球环境的保护作出贡献。

参考文献：

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

2.张远辉,王伟强,陈立奇.海洋二氧化碳的研究进展[J].地球科学进展, 2000, 15(5).

3.陶雨萱,郭亮,高聪,等.代谢工程改造微生物固定二氧化碳研究进展[J].化工进展, 2023, 42(1).

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