论文标题：Photothermal-Management Agricultural Films Toward Industrial Planting: Opportunities and Challenges

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.016

微信链接：点击此处阅读微信文章

在现代农业的征程中，温室和植物工厂作为受控环境农业（CEA）的核心组成部分，正扮演着越来越重要的角色。据最新研究预测，到2050年，全球粮食产量需增加约70%以满足90亿人口的需求，而CEA被公认为提高粮食生产的可靠战略之一。上海大学材料科学与工程学院教授高彦峰团队发表在中国工程院院刊《Engineering》上的一篇综述论文“Photothermal-Management Agricultural Films Toward Industrial Planting: Opportunities and Challenges”（面向工业化种植的光热管理农膜——机遇与挑战），深入探讨了光热管理农膜在温室种植中的应用及其面临的挑战，为工业化种植的发展提供了新的视角和思路。上海大学高彦峰教授和崔苑苑副教授为通讯作者，博士研究生张松为第一作者。该研究获得了国家自然科学基金和上海市教委的资助和支持。

论文指出，传统的聚乙烯覆盖膜虽具有诸多优点，但其高太阳光透过率可能导致温室内部温度过高，对部分作物的生长产生不利影响。而现代温室集成了农业覆盖材料、供暖、通风和空调（HVAC）系统以及智能灌溉和通信等技术，以提高种植效率。然而，HVAC系统的高能耗问题不容忽视，它可能占温室总运营成本的70%~85%。此外，温室中的光照强度不仅较低，且在空间上不均匀，这对于处于较低位置的叶片尤为不利。垂直农业虽最大限度地利用了光，但仍需大量运营成本用于补充照明的电力。

在这样的背景下，被动辐射制冷材料和光散射材料应运而生。被动辐射制冷材料通过将阳光和热量反射到较冷的外部空间，有效调节室内热量。当这些材料应用于温室时，有助于调控合适的温度。光散射膜则能在阳光不足的时期，将直射阳光散射，扩大不同位置叶片受到的照射面积，提高光合作用效率。论文详细介绍了作物的光热需求，包括光的强度、均匀性和光质，以及温度对作物生长的影响。例如，草莓的可溶性固态物含量（SSC）与成熟过程中的平均气温呈负相关，而高温强度和持续时间会显著影响葡萄的苯丙烷含量。

图1 功能性农膜的研究与制备过程。（a）确定作物的光热需求；（b）进行数据挖掘，找出影响生物生长的主要因素；（c）设计和合成功能材料；（d）制造光热管理薄膜；（e）模拟能源消耗和环境条件；（f）在温室中应用，收集环境数据。

在温室被动辐射制冷材料方面，论文提到，通过增加太阳辐射的反射率来降低吸收率是实现被动辐射制冷的关键。一些具有大带隙、高折射率和低消光系数的陶瓷颗粒，如二氧化钛（TiO₂）、硫酸钡（BaSO₄）等，有利于反向散射太阳光。此外，选择合适的基体材料，如聚乙烯、聚偏二氟乙烯（PVDF）等，也是提高被动辐射制冷效果的重要因素。近红外反射材料在温室中的应用显示出良好的前景，如在泰国中部的温室中种植番茄的研究表明，近红外反射可有效降低温室温度，且对番茄的生长参数影响不大。

温室光散射材料的研究同样重要。光散射膜的效果受到当地气候、阳光条件和作物类型的影响。通过三维（3D）植物模型进行光线跟踪模拟，可以评估光散射膜在多种光环境下的表现。光散射材料可分为表面浮雕材料和体积材料，其中体积材料的制造工艺相对简单高效。研究表明，在散射光条件下，不同作物的产量有显著提高，且散射光的透过率受入射光角度变化的影响较小。

论文还强调了能源消耗和环境条件模拟的重要性。温室的能源消耗和环境条件受到内外多种因素的影响，通过模拟可以深入研究光热管理膜与各种系统之间的最佳协同作用。例如，使用瞬态系统模拟（TRNSYS）程序和Energy Plus软件进行的能耗模拟，以及计算流体动力学（CFD）模拟，都为温室的设计和优化提供了有力支持。

尽管光热管理农膜在温室种植中展现出巨大潜力，但仍面临诸多挑战。论文指出，需要在充分了解特定作物的光热特异性需求的基础上进行定向设计和应用温室光热管理农膜；筛选制备具有预期折射率和尺寸分布的材料是关键；有机基质和无机颗粒之间的界面也是决定材料性能的重要因素；通过示范应用验证光热管理膜的综合性能，收集温室内的环境以及作物的质量和产量数据，建立农膜、环境和作物之间的相互作用关系。

论文信息：

Song Zhang, Zhang Chen, Chuanxiang Cao, Yuanyuan Cui, Yanfeng Gao. Photothermal-Management Agricultural Films Toward Industrial Planting: Opportunities and Challenges. Engineering, 2024, 35(4): 191–200

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.016

更多内容

中国农业大学团队研究发现：纳米气泡可控制农业废水灌溉污垢

赵春江院士团队与中国农大合作研发新型电动拖拉机，推动农业绿色发展

罗锡文院士团队新成果！双卸粮协同系统让水稻收获转运效率飙升

抗干扰！这项研究让无人飞行器目标跟踪更稳、更准、更强

Engineering征稿启事：人工智能赋能工程科技