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研究背景

随着全球气候变化的加剧，全球变暖和水资源短缺问题日益严重，对农业生产构成了巨大挑战。在这样的背景下，如何为植物创造一个适宜的生长环境，以提高光合作用效率，成为了农业领域的重要研究课题。传统的温室在寒冷或干燥气候下能够有效创造温暖湿润的环境，但在炎热且水资源匮乏的地区，传统的温室却难以满足需求，因为它们往往需要消耗大量的能源和水资源。因此，开发一种能够在炎热地区提供凉爽环境、同时减少能源和水资源消耗的“冷房”技术，成为了科学家们努力的方向。光合作用是植物生长的关键过程，它需要适宜的光照、温度和水分条件。在寒冷和干燥的气候中，温室通过创造温暖湿润的小环境来促进植物生长。然而，在炎热和干旱的地区，如何在不消耗额外能源和水资源的情况下，为植物提供一个凉爽的生长环境，是一个亟待解决的问题。现有的主动式（如使用空调和风扇）和被动式（如使用蒸发冷却和遮阳）策略，虽然在一定程度上能够实现降温，但它们要么消耗大量能源和水资源，要么成本过高，难以广泛应用。近年来，辐射冷却技术的发展为被动冷却提供了新的思路，但这种技术需要反射几乎所有的太阳光来实现最大冷却效果，这与植物光合作用所需的特定光照条件不相符。因此，设计一种能够选择性地传输光合作用所需光照、同时反射多余热量的冷房薄膜，成为了实现这一目标的关键。

成果简介

在这项研究中，研究人员利用机器学习和遗传算法相结合的方法，成功设计并展示了一种能够调节温度和水分的冷房薄膜，这种薄膜无需额外的能源或水资源消耗，即可为植物光合作用创造理想的环境。研究人员通过对数百种潜在设计进行筛选，最终选定了一种六层薄膜结构（TiO₂/MgF₂/TiO₂/Ag/MgF₂/TiO₂），这种薄膜能够选择性地传输光合作用所需的400-500 nm和600-700 nm波段的太阳光，同时反射其他波段的光，从而减少植物的热负荷和水分蒸发。实验结果表明，这种冷房薄膜在亚热带和干旱地区能够将温度降低5-17°C，并将水分损失减半，显著提高了植物的生物量产量和存活率。此外，这种薄膜还提高了作物在温室培养中的抗热和抗旱能力。研究人员通过室内和室外实验验证了这种冷房薄膜的被动冷却和节水效果。在室内实验中，与传统的聚乙烯（PE）薄膜和紫外线-近红外（UV-NIR）滤光片相比，冷房薄膜在不同阳光强度下均能有效降低空气和土壤温度，并显著减少土壤水分蒸发。在室外实验中，无论是在亚热带的南京还是干旱的乌兰布和沙漠，冷房薄膜均表现出优异的被动冷却效果，使植物能够在高温和干旱条件下健康生长。

图文导读

图1：概念示意图：a：植物与周围环境之间的能量（左）和水分（右）平衡的简化示意图。仅绘制了主要的流动。太阳光是热量输入的主要因素，而水分蒸发是补偿太阳光热量输入的主要途径，也是水分平衡中水分损失的主要原因。b：太阳光的功率分布，包括紫外线（UV，约4%）、可见光（Vis，约43%）和近红外线（NIR，53%）。c：植物光合作用所需色素的吸收光谱。只有特定的可见光波段（400-500 nm和600-700 nm）对光合作用是必需的。d：通过光谱过滤太阳光以实现最佳冷却效果的示意图。e：通过协同遗传算法和深度学习算法设计冷房薄膜的过程。f：由协同遗传算法和深度学习算法生成的冷房薄膜的光子设计。

图2：冷房薄膜的设计与表征：a：实验制备的冷房薄膜的示意图。b：冷房薄膜的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。c：户外太阳光过滤效果。如预期所示，黄色-绿色太阳光（500-600 nm）被反射，而400-500 nm和600-700 nm的太阳光被选择性传输（显示为紫色）。d：实验光谱与理论设计光谱的对比。e：冷房薄膜在不同入射角下的反射光谱。f：太阳光过滤效果。只有268 W/m²的太阳光通过冷房薄膜，这有助于有效降低植物的热负荷和水分损失。g：冷房薄膜的实物照片，展示了其柔性和大规模生产的可能性。

图3：室内冷却性能比较：a：控制样品（包括PE薄膜、UV-NIR滤光片和冷房薄膜）的透射光谱。b：基于光学光谱的能量分析。c：用于比较控制样品的冷却效果（左，封闭系统）和土壤水分蒸发（右，开放系统）的实验装置示意图。d：不同阳光强度下，各控制样品的空气温度。e：不同阳光强度下，各控制样品的土壤温度。f：不同阳光强度下，各控制样品的土壤水分蒸发率。

图4：户外田间测试：a：在南京（亚热带地区）和乌兰布和沙漠（炎热干燥地区）进行的田间测试地图和照片。b：南京地区的空气温度比较。c：第15天时，不同控制样品下的拟南芥俯视图。d：不同控制样品下拟南芥的地上鲜重。e：乌兰布和沙漠地区的空气温度比较。f：第3天时，不同控制样品下的Gaillardia aristate俯视图。g：自然风条件下土壤水分损失率的比较。

小结

这项研究通过机器学习和遗传算法的协同设计，成功开发出一种能够选择性传输光合作用所需光照、同时反射多余热量的冷房薄膜。这种薄膜在亚热带和干旱地区的实验中表现出优异的被动冷却和节水效果，显著提高了植物的生长状况和产量。研究结果表明，这种冷房薄膜不仅能够有效降低植物的热负荷和水分蒸发，还能提高作物在高温和干旱条件下的抗逆性。未来的研究将集中在进一步优化薄膜的光谱特性，以满足不同植物的具体需求，并探索大规模生产和应用的可能性。这项研究为农业领域提供了一种创新的解决方案，有助于应对全球气候变化带来的挑战，推动可持续农业的发展。

文献：Li, J., Jiang, Y., Li, B. et al. Accelerated photonic design of coolhouse film for photosynthesis via machine learning. Nat Commun 16, 1396 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54983-8