FACE实验

通过改变植物和生态系统的微气候环境条件来模拟未来气候变化的技术手段

FACE是指在自由空气中增加CO2浓度(Free-Air CO2 Enrichment)。FACE实验的实质就是创造一个模拟未来CO2增加的微域生态环境进行CO2增加的模拟试验。其试验尺度相对较大，系统内部通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，获得的数据更接近于真实情况。

简介

FACE实验是最新发展起来的,为研究二氧化碳浓度升高对生态系统和植物生长的影响提供了另一种方法。

技术手段

FACE实验是通过改变植物和生态系统的微气候环境条件来模拟未来气候变化的一种技术手段。通过这种技术,可以使人们了解在未来大气CO2浓度增加后陆地生物圈系统的变化过程。上个世纪80年代中期,美国科学家们开始研究开放式空气CO2增加装置即FACE系统。FACE系统是指一个模拟未来CO2增加的微域环境。该系统主要由CO2气体供应装置和控制系统组成,其中气体供应装置由储气罐、液态CO2汽化装置、送气和放气管道等部件组成;控制系统由主控计算机、放气控制系统和CO2采样分析系统组成。根据冠层CO2浓度测定结果,由控制系统实时调节FACE圈层内的CO2浓度,使之保持在高于对照的设定浓度值。由于FACE圈没有任何隔离设施,气体可以自由流通,因此系统内部通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境。因此,在这样的微域环境条件下进行CO2增加的模拟试验获得的数据更接近于真实情况。

开放系统

由于FACE实验系统是一个开放系统,自然条件又千变万化,因此给实验设计以及实验测定带来很多室内实验所没有的变数;然而也正是这些变数,给研究者提供了机遇,有利于发现室内实验所不能遇到的新现象和新问题。

主要优点

FACE系统的主要优点在于它是一个开放体系,避免了过去常用的密闭和半密闭CO2施加实验对植物周围环境的干扰。以往的实验,特别是温室和人工气候室内的实验在辐射强度、温度和湿度以及昼夜温差等方面与自然环境差异很大。采用FACE系统的室外实验与以前常用的室内盆栽实验不同,对植物根系的生长没有盆栽体积的限制,而且其提供的植物材料数远大于室内实验,可以同时进行植物生理、生态以及生化等多方面的比较研究[8]。FACE系统研究植物对高浓度CO2的响应和适应,能更真实地模拟未来植物对高CO2浓度的响应和适应情况,有利于揭示其适应的分子机理。

研究领域

1、植物对开放式CO2浓度增高的响应与适应研究研究CO2浓度对植物光合作用及其生理、生化过程的影响已有近百年的历史。

20世纪80年代前主要通过提高温室、培养箱或开顶式气箱中CO2浓度,观察植物生理、生化等的一系列变化。但是由于相应的试验条件如温度、风速、湿度、降雨等因素与自然条件相去甚远,采用从这种环境中所取得的研究结果预测自然环境中CO2浓度对生态系统的影响具有较多的不确定性。自1989年利用FACE系统研究植物对高CO2浓度的响应和适应以来,人们对高CO2浓度条件下植物叶片气孔、光合作用、物质分配、生育期以及作物产量等方面的变化作了大量观测,发现FACE系统与密闭和半密闭系统的结果有较大的差异,这些差异主要与密闭和半密闭系统中温度、湿度的变化以及盆栽根系生长受限制有关。

关于植物对FACE的响应和适应,以往的研究主要侧重于对植物形态、生长发育和光合作用的一般观测,而对于多种变化的分子机理缺乏探讨,例如:光合适应是如何发生的?早熟和结实率下降的内在机理是什么?是否由于根系活力不能满足高浓度CO2条件下高光合引起的对营养的高需求所致?FACE条件下作物籽粒发育和灌浆过程中碳氮代谢的变化如何影响作物籽粒品质等等。

诸如此类的问题都有待于深入的研究。这方面的研究正面临一个从生理现象的描述向生化机理的探讨特别是向相关基因表达调控研究的转变。这些研究无疑将有助于充分利用大气CO2浓度不断增高带来的一些积极效应,尽量缩小其不良效应,并为开展适应全球气候变化的优良品种选育和新的农业技术措施的制定提供理论依据,因此具有重要的理论和实践意义。

2、陆地生态系统对大气CO2浓度增加的响应与适应研究大气中的碳通过光合作用和呼吸作用进入生态系统,因此大气CO2浓度的升高会对生态系统产生重要的影响。通过长期的研究,人们对植物个体或单一的生态系统组分对大气中的CO2浓度增加的响应有了比较清楚的认识,但是大气中的CO2浓度增加对整个生态系统是如何影响的却知之甚少。数百位美国科学家利用美国能源部生物与环境研究办公室的2个项目(陆地碳过程研究和生态系统研究计划)提供的FACE研究设备在这一领域开展了广泛的研究[28,29]。研究涉及的学科从分子生物学、生理学一直到全球生态学。他们对生态系统水平上的研究计划需要解决2个问题:

(1)使用FACE系统,增加的CO2和其他的微量气体能够稳定地保持在21世纪中期时的CO2浓度水平(假设值)。如果达到这个目的,需要在由高度至少在20m的放气塑料管围成的直径在15~30m的范围内自然气流没有显著的变化;

(2)采样地面积过大将大大减小甚至排除了植被的边缘效应(正常情况下是存在的),这也是在研究过程中需要解决的重要问题。解决了上述问题,从FACE得到的野外观测数据就可以很准确地描述21世纪中期大气化学成分的变化情况。有了数百平方米的实验样地,就有条件为大批研究团队回答生态系统水平上的问题提供便利,因此也能为多学科、生态系统尺度上研究气候变化对陆地生态系统的影响提供平台。

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