上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）在Cell出版社交叉学科期刊Nexus发表题为“Enhancing Food Production in Hot Climates through Radiative Cooling Mulch: A Nexus Approach”的文章。该论文为Nexus创刊首篇研究论文。论文针对农业生产中常见的作物根系高温胁迫和水分胁迫问题，提出了基于辐射制冷地膜的土壤调节策略，通过在土壤表面覆盖具有辐射制冷能力的聚合物地膜，降低炎热气候下的土壤温度，抑制土壤的无效蒸发，可将夏季杭白菜产量提升127.4%。该策略从水-食物-能源关系出发，为解决人类食物危机，实现联合国可持续发展目标提供了一种实用方案。 研究背景 随着全球人口的持续增长，人类对于食物供给总量的需求日益上升，食物危机不断凸显。同时，为了提供足够的食物产出，农业系统消耗了社会总用水量的70%，进一步加剧了水资源危机。因此，解决食物-水问题，成为了联合国可持续发展目标中最具挑战的部分。 为了尽可能提高作物产出，需要为植物提供适宜的生长环境，减小不利因素，例如高温对植物生理的影响。在目前的生产实践中，人们更多关注于炎热气候下高气温对于作物的影响。然而，过高的根际温度（根系周围的基质温度）对于植物的影响更为关键。根系是植物的三大营养器官之一，承担着吸收、运输水分和养分的功能。同时，根系可以感受逆境信号，从而调节整个植株的生长和代谢过程。当多数植物的根际温度超过30℃时，植株的生长就会受到显著影响。因此，作物根际温度的调节需要得到重视。 目前，仅有少量针对作物根际温度调控的研究，且局限于水培、气雾培的种植方式。对于更为常见的土壤栽培，尽管可以通过在土壤基质中埋设冷却管路实现降温，但过高的施工成本与运行能耗，使得以上措施无法得到实际应用。针对这一问题，论文作者提出了基于辐射制冷地膜的土壤降温方法。不同于常规商用地膜材料，辐射制冷地膜能够实现高效的太阳光反射，隔绝土壤表面吸收太阳辐照，同时通过大气窗口波段向外辐射自身热量，实现地膜的被动降温，进一步减小向土壤的热量传递。此外，辐射制冷地膜可以减小土壤的水分蒸发，抑制地膜下方的杂草生长，为植株提供适宜的土壤环境。辐射制冷地膜通过被动形式，同时实现了降温、节水、增产三个目标，为炎热气候下的农业生产提供了更为可行的管理手段。 核心内容 1. 土壤热环境分析 如图1所示，对于裸露土壤而言，土表太阳辐射是其升温的主要热量来源。黑色土壤大量吸收太阳辐射，使得土壤表面温度上升，并进一步通过土壤内部的热传导向下传递热量，使得根际温度整体上升。尽管土壤表面的水分蒸发能够以潜热形式耗散部分热量，但这同时会导致大量的非生产水分消耗，降低作物水分利用效率。在土壤表面覆盖具有日间辐射制冷属性的地膜，可以通过地膜在太阳光波段的高反射，隔绝土壤及地膜材料对太阳辐射的吸收。同时，辐射地膜在中红外波段具备高发射率，可以通过大气窗口向外最大化辐射自身热量。与裸露土壤表面相比，辐射制冷地膜可以在太阳直射下维持低温，进而减小向土壤内部的热量传递。得益于近年来纳米光学技术和超材料领域的进步，日间辐射制冷材料得到了大量发展。论文作者选取了一种基于卷对卷工艺规模化生产的聚合物薄膜，作为本研究中应用的地膜材料，进行后续的传热测试和作物生长实验。 图1 土壤热环境分析 2. 太阳照射下的表面温度响应 首先对比了空白土壤以及不同地膜材料，在太阳直射条件下的表面温度变化。除了本文引入的辐射制冷薄膜(标记为RC)外，选取了两种商用地膜材料(BM、WM)以及高反射铝箔(Al)作为参照。四种薄膜材料的光学属性如图2(a)所示。当同时暴露于直射阳光下时，BM、WM均由于在太阳光波段具有明显的吸收而迅速升温。Al由于自身对外辐射散热的能力很弱，因此在阳光下的升温趋势同样十分明显。空白土壤(NM)则由于土壤表面的蒸发吸热，在一定程度上抑制了土表的升温，但是这样的非生产水分消耗会降低植物的水分利用效率。辐射制冷地膜(RC)则能够在高达900 W/m2的太阳辐射下，实现自身温度低于环境温度约3℃。 图2 太阳照射下温度变化对比 3. 土壤温度及其对作物生长的影响 在模拟土壤环境中，对比了不同覆盖条件下的土壤温度变化，如图3(a)所示。BM、WM覆盖下的2cm深处土壤温度最高值分别为53.3℃及46.9℃，空白土壤温度最高值为45.3℃，而在RC覆盖下的土壤温度最高值仅为32.8℃。与空白土壤相比，通过覆盖辐射制冷地膜，便可实现接近12.5℃的土壤降温效果。土壤内部热通量的测量结果以及不同深度处的土壤温度波动数据均证明辐射制冷地膜能够有效控制土壤升温。实验中，选取樱桃萝卜作为指示作物，通过观测樱桃萝卜种子发芽率以及植株生长指标，反映辐射制冷地膜对于作物生长的促进效果。从图3(e)-(i)可以看出，通过辐射制冷地膜的降温、保水的双重作用，可以使得种子发芽率从空白土壤组的39.6%±4.6%提升至81.3%±3.4%。此外，以萝卜肉质根的直径及干重作为指标，可以看出覆盖辐射制冷地膜能够显著提升作物的生长速度和干物质积累，具备作物增产能力。 图3 模拟土壤实验 4. 田间增产实验 进一步在实际田间种植环境下，验证辐射制冷地膜的作物增产能力，如图4所示。于2021年夏季，在上海一栋聚乙烯薄膜拱棚中进行了田间实验，选取杭白菜作为实验作物，设置空白土壤(NM)以及地膜覆盖(WM、BM、RC)四种不同种植条件，通过分区交叉的布局消除实验过程中的误差。在移栽后29天对杭白菜进行收获统计，BM、NM、WM、RC处理下的地上部鲜重分别为115.4±12.7 g, 228.0±30.8 g, 341.7±52.1 g以及518.4±12.7 g，辐射制冷地膜可使杭白菜的产量在土壤种植的基础上增长127.35%，实现了作物产量的大幅增长。 5. 全球应用展望 论文最后使用计算模型，对该辐射制冷地膜技术在全球范围内的应用进行展望。定义降温效果为覆盖辐射制冷地膜土壤与空白土壤在2cm深处全年最高温度插值。模拟结果表明，通过应用辐射制冷地膜，可在低纬度地区获得到高达25℃的土壤降温效果。通过该计算模型，论文进一步针对辐射制冷地膜在不同气候环境和纬度地区的应用效果进行了讨论，为该技术在全球范围内的应用提供了指导。 图4 田间增产实验 论文总结 本论文提出了一种基于辐射制冷地膜的土壤调节方法，能够实现被动土壤降温-保湿作用，可以缓解作物根系的高温胁迫及水分胁迫，在炎热气候下促进作物发育，实现作物产量的有效提升。田间试验中，该辐射制冷地膜可将杭白菜产量提升127.35%，增长效果显著。数值模拟探究了辐射制冷地膜在全球范围内的应用潜力，为该技术在不同气候环境和纬度地区的应用提供了理论指导。该跨学科工作工作，为解决人类面临的水-食物危机提供了可行的新思路，可贡献于推动联合国可持续发展目标的实现。 研究团队介绍 论文第一作者为上海交通大学王晨曦博士，上海交通大学王如竹教授为本文的通讯作者(Lead Contact)，上海交通大学黄丹枫教授和华中科技大学杨荣贵教授是本文共同通讯作者。 王如竹教授领衔的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉学科创新团队致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现从材料到系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Joule、Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Water、Nature Communications等国际期刊上发表系列多学科交叉论文。
