香港城市大学曹之胤团队 Advanced Science：农业废弃物“变身”辐射制冷地膜，实现闭环可持续的土壤降温保水与作物促生长

在全球变暖背景下，持续高温和水分亏缺正成为制约农业生产的重要环境因素。尤其在作物生长早期，裸露土壤在太阳辐照下容易迅速升温，不仅会影响种子萌发和根系生长，还会加剧土壤水分蒸发，形成热胁迫与旱胁迫叠加的不利环境。因此，开发一种能够同时兼顾土壤降温、保水和环境友好性的新型农业覆盖材料，具有重要现实意义。

被动辐射制冷（Passive Radiative Cooling, PRC）技术因无需额外能耗、可通过反射太阳辐射并向外太空释放热量而受到广泛关注。然而，现有辐射制冷地膜多依赖石化或非农业来源材料，往往面临制备复杂、回收困难以及环境兼容性不足等问题。针对这一挑战，香港城市大学曹之胤教授团队，利用废弃玉米叶开发出一种可持续辐射制冷地膜（Sustainable Radiative Cooling Mulch, SRCM），构建出“农业废弃物—高性能地膜—土壤回归”的闭环利用路径。SRCM在兼具优异机械性能的同时，实现了高效光热调控：太阳反射率可达 93.3%，中红外发射率达 92.6%。在户外测试中，SRCM 相较对照可使土壤温度最高降低 18.0°C，蒸发失水抑制最高可达 85.8%，并显著提升小白菜的发芽率和早期生长表现(220%提升较对照)。此外，该材料还具备可回收、可降解和良好生物安全性等特点，为农业废弃物高值利用和绿色农业材料开发提供了新的思路。

相关成果以 “Closed-Loop Radiative Cooling Mulch Upcycled from Agricultural Residues for Efficient Soil Heat–Water Stress Mitigation” 为题发表于《Advanced Science》。香港城市大学曹之胤教授与林凯昕全球研究助理教授为共同通讯作者，博士生李豪与博士后吕东为共同第一作者。

【背景】农业热-水双重胁迫与传统地膜的局限

农业高度依赖适宜的温度和水分条件。全球变暖背景下，热浪与干旱复合发生加剧，农业系统面临显著增强的热-水双重胁迫。研究表明，全球平均气温每升高 ，主要粮食作物产量平均下降 3.1%–7.4%。当前农业环境调控多聚焦地上微气候，而对根区热环境关注不足。事实上，作物生长早期裸土在太阳直射下易快速升温，不仅抑制根系活力及水肥吸收，还会加速土壤蒸发失水，进而加剧干旱胁迫。因此，发展面向根区热-水协同调控的新型农业热管理材料，具有重要科学意义和应用价值。

传统地膜虽具有保墒、抑草和低成本等优势，但在光热调控方面存在明显缺陷。透明膜易引发土壤热积累，黑色等吸光膜会增强太阳能吸收，常见反光膜的太阳反射率通常仍不足 60%，降温能力有限。此外，塑料地膜还存在回收困难、残膜污染和微塑料累积等问题，难以满足绿色农业发展的要求。

被动辐射制冷技术依托高太阳反射率和高红外发射率，可在零能耗条件下实现有效降温，为农业热管理提供了新方向。然而，现有多数 PRC 材料普遍存在制备复杂、成本较高、依赖不可降解聚合物或有机溶剂、规模化应用受限等问题，尚难满足农业领域对低成本、可持续和环境友好材料的需求。

农业废弃物资源丰富，仅中国每年农作物残余物产量即超过 7.3 亿吨，但其高值利用不足。此类生物质富含纤维素，而纤维素在可见光波段低吸收、在 8-13大气窗口内高发射，具有构筑辐射制冷材料的天然优势。因此，以农业废弃物为原料开发新型辐射制冷地膜，有望同时实现农业废弃物资源化利用、根区降温保墒和地膜绿色替代。

【研究思路】从农业中来，再回到农业中去

研究团队提出了一种“源于农业、服务农业、回归农业”的闭环设计理念。该策略以废弃玉米叶为唯一生物质来源，将其转化为可持续辐射制冷地膜 SRCM，在田间用于作物根区降温和保水，使用寿命结束后再自然降解回归土壤，从而构建“农业残余物—材料—土壤”的闭环循环体系。

具体而言，团队从废弃玉米叶中提取出两类结构不同的纤维素组分：纤维素微纤维（CMF）和纤维素纳米纤维（CNF）。受天然生物结构启发，研究人员利用 CNF 作为类似“纳米胶黏剂”或“纳米砂浆”的组分，将 CMF 有效连接起来，在水相铸膜过程中通过氢键自发组装形成致密而连续的分级多孔纤维网络。该结构不仅能够显著提升材料的机械强度，还可通过多尺度散射增强太阳光反射，并结合纤维素本征的中红外发射能力，实现高效被动辐射制冷。

这一策略的突出优势在于：其制备过程以水为介质，不依赖高能耗热压挤出或复杂有机溶剂处理；所使用的增强组分同样来源于同一农业废弃物，不需要额外引入化学交联剂；最终材料既能满足田间使用的力学要求，又能实现高效降温保水，并在使用后通过再加工或自然降解进入下一轮循环，从而真正实现材料性能与农业可持续性的统一。

 图 1 SRCM的设计，功能，规模化和性能对比

【材料构筑】氢键驱动的自增强纤维网络

在材料制备方面，研究团队首先对废弃玉米叶进行顺序脱木质素处理。随后通过均质处理得到直径约 10–20 μm 的 纤维素微米纤维（CMF），并进一步通过 TEMPO 氧化获得直径小于 22 nm 的高长径比 纤维素纳米纤维（CNF）。最终，在含有少量 CNF 的 CMF 浆料中，通过简单浇铸和水分蒸发诱导两类纤维素协同组装，得到 SRCM。

光谱和结构表征表明，CNF 的引入保留了纤维素主链结构，同时由于表面羧基的存在，显著增强了 CMF 与 CNF 之间的氢键相互作用。分子动力学模拟进一步揭示，相较于纯 CMF 体系，CNF 的加入显著增加了界面氢键数量，尤其强化了分子间氢键连接，从而提升网络连续性与应力传递效率。随着 CNF 含量增加，材料结构由疏松逐渐转为致密，机械性能同步增强。实验显示，SRCM 的拉伸强度最高可达 17.8 MPa；其中 SRCM-5% 的强度已超过 10 MPa，达到典型商用塑料地膜的应用要求。相比不含 CNF 的纯 CMF 膜，其强度提升约 8 倍。

图 2 SRCM的制备工艺、多尺度结构表征及力学性能提升

【光学性能】高太阳反射与高红外发射的协同实现

微观表征显示，CNF 填充并连接于 CMF 搭建的骨架之间，形成具有双峰分布特征的纤维和孔隙结构。基于 Mie 散射理论的模拟表明，这种多尺度结构能够在不同波段分别发挥散射作用：微米尺度特征对近红外光散射更强，而亚微米尺度特征则更有利于散射可见光和紫外光。

实验结果表明，SRCM 在可见光波段的反射率达到 96.4%，在近红外波段仍保持 90.1% 的高反射率，紫外反射率也达到 90.1%，最终实现了 93.3% 的太阳加权反射率。与此同时，得益于纤维素分子中 C–O 和 C–O–C 键的本征振动，SRCM 在大气窗口内的平均发射率达到 92.6%。相比商业反光膜（CRM，约 51%）和商业可降解膜（CBM，约 49%），SRCM 的太阳反射率几乎提高了一倍，显著优于黑膜和白膜等传统覆盖材料。

进一步地，研究团队还考察了其环境稳定性。通过引入少量二氧化硅纳米颗粒，SRCM 获得近超疏水表面，且并未牺牲其原有光学性能。材料在浸水、摩擦和紫外老化后仍保持良好反射性能，表明其具备在农业环境中长期使用的潜力。此外，与传统塑料地膜近乎不透气不同，SRCM 还具有较好的透气性，有利于根区气体交换和作物健康生长。

图 3 SRCM的光学性质

【制冷性能与保水效果】同步缓解土壤热胁迫与失水问题

围绕农业应用的核心需求，研究团队系统评估了 SRCM 对土壤热湿环境的调控能力。结果显示，在太阳模拟照射下，SRCM 覆盖可明显抑制土壤温升；在室外自然环境中，其表面温度甚至可以低于环境温度，体现出典型的辐射制冷特征。

在连续 48 小时的室外测试中，SRCM 覆盖下土壤表面温度最高仅为 20.8°C，相比裸土以及多种商业地膜处理组，降温幅度达到 7.3–18.0°C。这一结果说明，SRCM 能够有效阻隔太阳热量输入，并通过向外辐射散热维持较低的表面温度，从而为作物根区创造更温和的热环境。

除了降温之外，SRCM 还表现出优异的保水能力。由于其能够降低土壤温度并削弱表面蒸发驱动力，因此在覆盖条件下土壤湿度保持效果更好。实验结果表明，相较裸土，SRCM 对蒸发失水的抑制最高可达 85.8%。这种“降温+保墒”的协同作用，使其在缓解高温干旱条件下的土壤热-水双重胁迫方面展现出明显优势。

进一步结合中国不同区域的气候模拟分析，研究团队发现 SRCM 在多类气候条件下均具有较好的应用适应性，尤其在太阳辐照较强、气温较高和蒸发旺盛地区，其土壤降温和节水潜力更为突出。

图 4 SRCM的冷却与节水性能

【种植验证】促进种子萌发和作物早期生长

为了进一步验证 SRCM 的实际农业效益，研究团队以小白菜为模型作物开展了室外盆栽种植实验。结果表明，在 SRCM 覆盖条件下，种子萌发与幼苗生长均得到明显改善。

具体来看，SRCM 处理组的小白菜发芽率达到 95%，约为裸土组的 5.3 倍，同时也明显优于商业反光膜和可降解膜处理组。研究人员认为，这与 SRCM 所营造的较低土壤温度和更稳定的水分环境密切相关，因为适宜的热湿条件能够有效提升种子萌发活性，并减少幼苗早期遭受的环境胁迫。

在后续生长阶段，SRCM 组植株的株高、根长、叶片生物量及总鲜重均表现出明显优势。其中，总鲜重达到裸土处理组的三倍以上，显示出该材料不仅能够改善土壤微环境，还能够进一步转化为可观的作物生长收益。

图 5 不同覆盖物对作物早期生长的影响

【可持续优势】可循环利用并最终安全回归土壤

与传统塑料地膜相比，SRCM 的另一大亮点在于其全生命周期层面的可持续性。由于材料内部主要依赖氢键连接，研究团队证明其在使用后可以通过简单再分散和重构方式实现回收再加工，并在多轮循环后仍保持较稳定的光学性能和结构特征。

同时，SRCM 还具有良好的土壤降解能力。实验显示，该材料在土壤环境中可在约 3 个月 内逐步崩解并被同化，避免了传统塑料地膜残留对农田生态造成的长期影响。进一步的生物安全评估表明，其降解产物不会对土壤生物产生明显不良作用，表现出良好的环境兼容性。

此外，研究团队还分析了 SRCM 在温室等设施农业场景中的应用潜力，结果显示其有望通过降低土壤和近地表热负荷，减少相关温控能耗，从而带来额外的节能减碳效益。

图 6 SRCM的可回收性、生物降解性和生物安全性

【总结】

该研究以废弃玉米叶为原料，成功构建出一种兼具高太阳反射率、高中红外发射率、良好机械性能及优异环境适应性的可持续辐射制冷地膜 SRCM。该材料可显著降低土壤温度、抑制水分蒸发，并有效促进作物种子萌发和早期生长，在缓解农田热-水双重胁迫方面展现出良好应用潜力。

更为重要的是，该工作打通了“农业废弃物—功能材料—农业回归”的闭环利用路径，不仅拓展了农业废弃物高值化利用的新方向，也为绿色农业覆盖材料和低碳农业技术的发展提供了新的材料设计思路。该研究在农业热管理、可持续材料以及循环农业等领域均具有较强的科学意义与应用前景。