用于温室光子调制和气候调节的具有光谱选择性的量子点夹层玻璃

《Materials Today Sustainability》：Spectrally selective quantum dot laminated glass for photonic modulation and climate regulation in greenhouses

研究评估了CuInS?/ZnS量子点集成夹层玻璃在温室中的性能，该材料通过被动转换紫外和蓝光为590-620 nm红光，提升光谱质量。实验表明QD玻璃使红光通量增加29%，红蓝比值提高57%，同时提高温室内部空气和根区温度0.68-2°C，促进生菜鲜生物质产量增加37.8%，光能利用效率提升41%，并显著提高氮、磷、钾等主要营养元素吸收量。

　　在面对全球人口增长带来的粮食安全挑战时，温室种植技术正成为提高农业生产效率的重要手段。随着全球人口预计在2050年达到98亿，农业对自然资源的压力不断加剧，尤其是水资源的消耗。农业用水占全球淡水消耗的72%，这一数字在气候变化和人口增长的双重压力下可能进一步上升。在一些关键地区，如美国加利福尼亚州中央谷地、中东和北非，地下水枯竭问题尤为严重，而这些地区的农业发展又依赖于水资源。因此，如何在不增加额外能源消耗的前提下，提高温室内的微气候条件，成为实现可持续农业的关键。

本文探讨了一种创新的温室覆盖材料——集成铜铟硫/锌硫（CuInS?/ZnS）量子点（QD）的夹层玻璃。这种材料能够被动地将紫外线和蓝光转换为橙红色光（590–620 nm），从而优化光谱质量，提升光合作用效率。实验结果显示，与对照玻璃相比，QD玻璃使红光光子通量增加了29%，红蓝光比提升了57%，而总光合有效辐射（PAR）几乎无损失。这些数据表明，QD玻璃不仅能够改善光谱质量，还能在不依赖外部能源输入的情况下实现有效的光能利用。

实验期间，从1月到2月，QD玻璃温室的内部空气温度平均比对照温室高出0.68°C，且在植物根部区域，温度优势更为明显，平均高出1–2°C。这一现象表明，QD玻璃在提高温室温度方面具有显著作用，特别是在冬季光照不足的情况下。较高的温度不仅有助于植物代谢的启动，还能减少对人工加热系统的依赖，从而降低能源成本。

此外，QD玻璃温室在白天表现出更高的蒸气压差（VPD），这反映了增强的蒸发需求，与较高的光合作用活动相吻合。尽管QD玻璃温室的每日光积分（DLI）略低于对照温室，但实验结果表明，QD处理的生菜表现出37.8%的鲜重产量增加和41%的光能利用效率（LUE）提升。这一结果强调了QD玻璃在优化植物生理性能方面的潜力。特别是在低光条件下的冬季种植，这种光谱调整可能带来显著的增产效果。

实验还发现，QD处理的生菜在关键宏量营养素（如氮、磷、钾、钙、镁和硫）和微量营养素（如锌和铜）的浓度方面显著提高。这表明，QD玻璃不仅改善了光谱质量，还可能促进了植物对矿物质的吸收。这些发现为温室微气候的优化提供了新的视角，尤其是在资源有限的环境中，通过被动光谱工程提高作物产量和质量。

然而，QD玻璃在某些微量营养素（如硼和铁）的浓度上并未显示出显著差异，这可能与光谱调整对这些营养素的吸收路径产生影响有关。例如，减少蓝光可能会降低铁的吸收，而锌和铜的增加则可能与更高的蒸腾作用和促进其吸收的光谱变化有关。这些结果表明，光谱调整对营养素吸收的影响是复杂的，不同营养素可能对光谱变化有不同的响应。

从植物生长形态来看，QD玻璃处理的生菜表现出更多的叶片数量、更大的冠层直径和更高的叶面积。这些形态变化可能与光谱调整促进的叶扩展和光合作用效率提升有关。同时，根系长度也有所增加，这可能与较高的根部温度和增强的蒸腾作用相关。这些形态上的改善进一步支持了QD玻璃在提升作物产量方面的有效性。

在营养品质方面，QD玻璃温室的生菜表现出较低的叶绿素含量，这可能与蓝光减少导致的光敏蛋白活性下降有关。同时，总酚类物质（TPC）的含量也有所降低，这可能是因为UV和蓝光减少影响了植物中酚类物质的合成。相反，硝酸盐含量显著增加，这可能与蓝光刺激硝酸盐还原酶活性有关。尽管糖分含量未见显著变化，但QD玻璃对植物代谢的影响仍需进一步研究。

综上所述，QD夹层玻璃作为一种被动光谱调节技术，为温室种植提供了新的可能性。它不仅能够优化光谱质量，提高光合作用效率，还能通过热缓冲效应维持较高的内部温度，从而促进作物生长和营养吸收。此外，其在提高作物产量和质量方面的表现，显示出其在可持续农业中的巨大潜力。未来的研究可以进一步探索如何优化QD玻璃的光谱特性，以及其在不同作物和环境条件下的应用效果。通过将光谱调节与温室微气候管理相结合，有望实现更加高效、环保的农业生产方式。