用FACE研究全球變化

蔣高明

在全球變化研究中，有一個(gè)新名詞進(jìn)入了公眾視野，這就是FACE（Free-air CO2 enrichment），直譯為自由二氧化碳?xì)怏w施肥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于國(guó)內(nèi)普通讀者對(duì)氣候變化及其相關(guān)研究設(shè)施比較陌生，因此，有必要在這里簡(jiǎn)要介紹一下。

因何而生

在介紹FACE之前，先要談全球變化。這是因?yàn)椋現(xiàn)ACE是為全球變化研究而產(chǎn)生的。全球變化，也稱(chēng)全球氣候變化，是指在全球范圍內(nèi)氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的改變或者持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間的氣候異?，F(xiàn)象。

工業(yè)革命以來(lái)，大氣中各種溫室氣體的濃度都在增加。1750年之前，大氣中二氧化碳濃度基本維持在280ppm。隨著人類(lèi)活動(dòng)加劇，尤其是不斷消耗化石燃料（煤炭、石油等），大量砍伐森林，釋放的二氧化碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固定的碳，大氣中二氧化碳濃度逐漸上升，每年大約上升1.8ppm，其中人為排放約占增加部分的一半。二氧化碳濃度升高造成的最大問(wèn)題是氣溫升高及其引起的海平面上升。按照政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）的評(píng)估，在過(guò)去的1個(gè)世紀(jì)，全球表面平均溫度上升了0.3℃～0.6℃，全球海平面平均上升了10～25厘米。許多學(xué)者預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中葉，世界能源消費(fèi)的格局若不發(fā)生根本性變化，大氣中二氧化碳濃度將達(dá)到560ppm，全球平均溫度可能上升1.5℃～4℃。

上述變化引起了各國(guó)科學(xué)家的擔(dān)憂，針對(duì)植物個(gè)體、群落、微生物以及動(dòng)物等展開(kāi)大量的模擬研究和實(shí)驗(yàn)，尤以植物實(shí)驗(yàn)最多。人們通過(guò)采取人為提高二氧化碳濃度的方法并結(jié)合溫度、養(yǎng)分、水分和光照等其他環(huán)境條件的變化進(jìn)行模擬研究。在這些方面，國(guó)外學(xué)者嘗試了許多方法，F(xiàn)ACE應(yīng)運(yùn)而生。

追本溯源

1996年春天，筆者在美國(guó)生物圈二號(hào)做訪問(wèn)學(xué)者時(shí)，美國(guó)同事向筆者介紹了FACE實(shí)驗(yàn)，并帶領(lǐng)筆者到現(xiàn)場(chǎng)參觀。

回國(guó)后，筆者將FACE翻譯為“自由二氧化碳?xì)怏w施肥實(shí)驗(yàn)”，并將其介紹給國(guó)內(nèi)同行。FACE是在田間狀態(tài)下由一圈垂直的管道直接將二氧化碳通入大田，由此形成一個(gè)高濃度的二氧化碳場(chǎng)，二氧化碳濃度通過(guò)計(jì)算機(jī)控制;其他環(huán)境條件，如溫度、濕度、風(fēng)速、光照等，基本不發(fā)生改變;但植物的生長(zhǎng)空間相對(duì)于其他控制實(shí)驗(yàn)明顯增大了。FACE由位于亞利桑那州鳳凰城的美國(guó)農(nóng)業(yè)部水保持實(shí)驗(yàn)室最早應(yīng)用，先是應(yīng)用于棉花、小麥等農(nóng)作物，后來(lái)有人對(duì)高大的森林也進(jìn)行了FACE處理。

簡(jiǎn)而言之，F(xiàn)ACE是通過(guò)改變植物生長(zhǎng)的微氣候環(huán)境條件來(lái)模擬未來(lái)氣候變化的一種技術(shù)手段，該技術(shù)可使人們了解在未來(lái)大氣二氧化碳濃度增加后陸地生物圈系統(tǒng)的變化過(guò)程。由于FACE圈沒(méi)有任何隔離設(shè)施，氣體可以自由流通，因此系統(tǒng)內(nèi)部的通風(fēng)、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態(tài)環(huán)境，在這樣的微域環(huán)境條件下，進(jìn)行二氧化碳增加的模擬試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)更接近于真實(shí)情況。

FACE的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它是一個(gè)開(kāi)放體系，避免了過(guò)去常用的密閉和半密閉二氧化碳施加實(shí)驗(yàn)對(duì)植物周?chē)h(huán)境的干擾。以往的實(shí)驗(yàn)，特別是溫室和人工氣候室，在光照強(qiáng)度、溫度和濕度以及晝夜溫差等方面與自然環(huán)境差異很大。采用FACE系統(tǒng)的室外實(shí)驗(yàn)與以前常用的室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)不同，對(duì)植物根系的生長(zhǎng)沒(méi)有體積限制，而且其提供的樣本規(guī)模遠(yuǎn)大于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并且可以同時(shí)進(jìn)行植物生理、生態(tài)以及生化等多方面的比較研究，能更真實(shí)地模擬未來(lái)植物對(duì)高二氧化碳濃度的響應(yīng)和適應(yīng)情況，更有利于揭示其生態(tài)適應(yīng)的分子機(jī)理。

FACE的缺點(diǎn)是維持費(fèi)用很高，僅二氧化碳一項(xiàng)每年約耗資200萬(wàn)美元，因此重復(fù)實(shí)驗(yàn)受到限制。然而，這是目前公認(rèn)的研究植物對(duì)高二氧化碳濃度響應(yīng)的最理想的手段。

其他裝置

其實(shí)，早在FACE之前，國(guó)際上還流行著其他研究全球變化的實(shí)驗(yàn)裝置，有些至今還在采用。

控制環(huán)境實(shí)驗(yàn) ? 這是被大部分生理生態(tài)學(xué)家廣為采取的一種方法，尤其在農(nóng)作物實(shí)驗(yàn)方面應(yīng)用最廣。主要在田間或野外條件下，設(shè)立一系列環(huán)境控制裝置。一般以鋁合金為骨架，將透明材料（玻璃、塑料薄膜等）罩在外面。整個(gè)裝置處于封閉狀態(tài)，可為研究者提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的環(huán)境，并使溫度條件與二氧化碳濃度等因素人為組合，重復(fù)性好。它的缺點(diǎn)是，光照較自然環(huán)境減少，溫度偏高;晝夜溫差減少，光溫不能同步; 溫度升高后，風(fēng)速相對(duì)靜止。其最大的缺陷是，大部分植物種在花盆中，根系的生長(zhǎng)受限。

開(kāi)頂式同化箱 ? 基本結(jié)構(gòu)同上，只是頂部開(kāi)放，與大氣相通。通過(guò)人為方式提高二氧化碳濃度，并使其他環(huán)境因子基本接近自然狀態(tài)。雖如此，箱內(nèi)溫度仍比外界高約3℃， 光照減少約20%。因與其他植物隔離，病蟲(chóng)害狀況與大田也有差異。尤其偏高的溫度影響了植物的蒸騰作用。在這種環(huán)境下所得的數(shù)據(jù)具有一定參考價(jià)值。但由于溫度的影響，用該法研究植物的水分生理反應(yīng)時(shí)，數(shù)據(jù)的可靠性值得懷疑。它的優(yōu)點(diǎn)是，生長(zhǎng)環(huán)境基本接近于自然狀態(tài)，可自動(dòng)控制二氧化碳濃度，并使之與溫度的變化同步。但植物的生長(zhǎng)空間仍是受限的。

移地實(shí)驗(yàn) ? 為將模擬實(shí)驗(yàn)最大限度地置于自然環(huán)境下，減少人為因素的干擾，近年來(lái)不少學(xué)者開(kāi)展了移地實(shí)驗(yàn)，主要用于研究植物對(duì)于溫度升高和降水改變的響應(yīng)。其原理是許多環(huán)境因子（如溫度、降水）在空間上（經(jīng)緯度和海拔高度）客觀存在著梯度變化。利用這些梯度變化，可選擇存在著一定溫差、降水差異或其他因子差異、并且在空間上相互分離的兩點(diǎn)，將一點(diǎn)的原始土體及其植被移入到另一點(diǎn)或相互移植，利用氣候在空間上的差異來(lái)替代時(shí)間上的變異，達(dá)到模擬氣候變化的目的，以研究植物對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

國(guó)內(nèi)研究

20世紀(jì)90年代末，我國(guó)學(xué)者在國(guó)外FACE設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了中國(guó)人自己的FACE。這個(gè)大型裝置位于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)，以水稻為研究對(duì)象，由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的專(zhuān)家設(shè)計(jì)運(yùn)行。

該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)由3個(gè)FACE圈和3個(gè)對(duì)照圈組成，前者的二氧化碳濃度始終比后者高200ppm。研究顯示，二氧化碳濃度升高后，生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)加速，水稻產(chǎn)量增加12%～15%，還有一些品種增產(chǎn)達(dá)30%，但蛋白質(zhì)含量下降了6%～10%?？梢哉f(shuō)，國(guó)內(nèi)的FACE實(shí)驗(yàn)就是要明確不同水稻品種對(duì)二氧化碳升高的響應(yīng)及機(jī)制，為未來(lái)的育種提供新方向。

這套正在調(diào)試的系統(tǒng)還可人為將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)氣溫升高2℃，綜合模擬二氧化碳和氣溫升高后對(duì)水稻的影響，比起美國(guó)早期的FACE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有重要的改進(jìn)。

【責(zé)任編輯】趙 ?菲