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在全球气候变暖背景下，极端高温威胁农业生产，温室传统冷却技术存在高耗能、高耗水等问题。研究人员开展 “通过光谱控制薄膜实现极端气候下温室被动冷却” 的研究，利用光谱选择性覆盖物和辐射冷却地膜，降低土壤温度，提高作物产量。该研究为可持续农业发展提供了新方向。
在全球气候变暖的大背景下，极端炎热的 “愤怒夏天” 愈发频繁，给植物生长带来了巨大危机。在欧洲、北美和亚洲等地，频繁出现的热浪使得气温屡屡突破植物能承受的极限。比如澳大利亚热带森林冠层温度曾高达 46.7°C，远超植物光合作用的上限 32°C，导致光合作用停滞、树叶大量脱落。这不仅影响了生态平衡，还对全球粮食安全构成了严重威胁，毕竟在中东、北非和美国西南部等炎热地区，超过 30 亿人正面临着食物和水的短缺。
在这样的困境下，温室作为保护植物免受恶劣环境影响、维持可控微气候的重要设施，其作用愈发凸显。目前，全球 130 个国家的温室面积已超 489,214 公顷，成为保障粮食供应的关键一环。然而，在炎热的沙漠气候中，温室却面临着新的难题 —— 内部温度过高。过高的温度抑制了植物的光合作用，破坏了叶绿素的功能，甚至使关键蛋白质结构受损，土壤也变得干燥，最终导致农作物减产。而且，传统的温室冷却技术，如通风、空调、遮阳帘和湿帘风机蒸发冷却器等，要么消耗大量水资源，要么依赖大量电力，成本高昂，还可能因提高温室内湿度而影响植物健康。所以，开发一种高效、环保的温室冷却技术迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）、重庆大学、华中农业大学等机构的研究人员，开展了 “通过光谱控制薄膜实现极端气候下温室被动冷却” 的研究。该研究成果发表在《Nexus》上，为温室冷却提供了全新的解决方案。
研究人员采用了以下几种主要关键技术方法：一是制备光谱选择性覆盖物（PCsW cover），将低密度聚乙烯（LDPE）与氧化钨铯（Cs0.33WO3）纳米颗粒混合，通过挤出吹膜技术制成覆盖膜；二是制备可生物降解的纤维素地膜（cellulose mulch），利用太阳能辅助漂白法处理纤维素纸；三是通过多种设备对材料的光学、热学、力学等性能进行表征；四是进行室内外实验，对比不同材料组合的性能，并利用 EnergyPlus 软件进行能源模拟和生命周期评估。
研究结果如下：
- 材料的光学和热学性能：PCsW 覆盖膜能有效阻挡近红外（NIR）太阳辐射，减少太阳热量输入，同时保持较高的中红外（MIR）透射率，促进辐射散热。其光学响应可通过改变 Cs0.33WO3与 PE 的比例进行调节。纤维素地膜具有高达 0.93 的太阳能反射率和 0.95 的热发射率，能够有效反射阳光并散热。其独特的微观结构使其对不同波长的光具有不同的散射效果，有利于均匀光照分布。
- 室内外性能测试：室内实验表明，与其他商业材料相比，PCsW 覆盖膜和纤维素地膜的组合能显著降低土壤温度，减少土壤水分蒸发。室外实验在沙特阿拉伯的沙漠气候中进行，结果显示，该组合使温室土壤温度比对照组降低了 25.1°C，空气温度也明显降低，有效减少了能源消耗。种植实验中，使用该组合材料的温室种植中国白菜，发芽率达到 100%，产量比其他组大幅提高。
- 材料的稳定性和节能潜力：PCsW 覆盖膜和纤维素地膜在恶劣的沙漠气候条件下表现出良好的稳定性，对紫外线、雨水、酸碱性环境和高温都有较强的耐受性。能源模拟结果显示，在不同气候区域，该被动冷却解决方案都能显著节省能源，减少碳排放。例如在利雅得，每年每平方米可节省 1006.5 MJ 的能源，相当于减少 41.7% 的能源消耗。
研究结论和讨论部分指出，这种宽带光谱选择性 PCsW 覆盖膜与纤维素地膜相结合的被动冷却方法，在炎热沙漠气候的温室中表现出了卓越的性能。它不仅能有效降低土壤和空气温度，为作物生长创造适宜环境，提高作物产量，还具有显著的节能和环保效益，预计在 30 年内，一个 1000 平方米的温室可减少 0.59 百万吨的碳足迹。此外，纤维素地膜的可生物降解性符合循环经济理念，减少了塑料污染。该研究为可持续农业发展提供了一种创新的、经济可行的解决方案，有望推动被动热调节技术在受控环境农业中的广泛应用，对解决全球粮食安全和环境问题具有重要意义。
