田間條件下模擬CO2濃度升高開頂式氣室的改進(jìn)及其效果

郭艷亮，王曉琳，張曉媛，王麗梅*，鄭紀(jì)勇，李世清

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

田間條件下模擬CO2濃度升高開頂式氣室的改進(jìn)及其效果

郭艷亮1，2，王曉琳2，張曉媛2，王麗梅1，2*，鄭紀(jì)勇1，2，李世清1，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

為提高傳統(tǒng)開頂式氣室（Open-top chamber,OTC）在田間條件下原位模擬大氣CO2濃度升高對(duì)作物生長(zhǎng)影響的適用性和精度，通過尺寸放大（長(zhǎng)×寬×高=4.0 m×4.0 m×3.0 m）、形狀調(diào)整（正四邊形棱柱狀）、新材料應(yīng)用（塑鋼P(yáng)C結(jié)構(gòu)）及內(nèi)部CO2濃度優(yōu)化控制等措施對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)的OTC分別于2015—2016年在旱作春玉米農(nóng)田原位模擬大氣CO2濃度升高的情形，通過對(duì)比玉米生育期內(nèi)OTC內(nèi)外CO2濃度、溫度和空氣相對(duì)濕度，探討了其模擬效果。結(jié)果表明：可控CO2OTC內(nèi)部CO2濃度能夠控制在預(yù)期值范圍內(nèi)，2015年控制誤差范圍為-17.2～0.2 μmol·mol-1，2016年為-5.4～0.1 μmol·mol-1，控制效果良好；可控CO2OTC對(duì)室內(nèi)氣溫產(chǎn)生了一定的影響，與氣室外相比，在白天2015年平均增溫0.8℃，差異顯著（P＜0.05），2016年平均增溫0.4℃，差異不顯著（P＞0.05）；可控CO2OTC內(nèi)部空氣相對(duì)濕度與大田相比有所降低，2015年約降低2.4%，2016年降低了3.1%，差異均不顯著（P＞0.05）。研究表明，改進(jìn)后的開頂式氣室性能穩(wěn)定，模擬精度高，能夠較為準(zhǔn)確地反映CO2濃度升高后的旱作春玉米生長(zhǎng)，可用于今后的大田模擬試驗(yàn)研究。

CO2濃度升高；開頂式氣室；原位模擬；改進(jìn)效果；春玉米

受人類活動(dòng)影響，全球氣候變暖形勢(shì)愈來愈嚴(yán)峻。礦石燃料的燃燒、工業(yè)廢氣的排放，使近地層大氣成分的含量和組成發(fā)生改變，CO2濃度不斷升高，造成“溫室效應(yīng)”。進(jìn)入20世紀(jì)以來，全球CO2濃度由18世紀(jì)的280 μmol·mol-1上升到379 μmol·mol-1，且以每年1.5～2.0 μmol·mol-1的速率不斷增加[1]。國(guó)際間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告中預(yù)測(cè)，2035年全球大氣中CO2濃度將超500 μmol·mol-1，同時(shí)會(huì)伴隨有氣溫升高、極端氣象事件頻繁發(fā)生[2]，專家預(yù)測(cè)到21世紀(jì)末大氣中CO2濃度將達(dá)到700 μmol· mol-1[3]。CO2是植物進(jìn)行光合作用的底物，其在大氣中濃度的改變可能會(huì)影響植物的光合作用，改變植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程，繼而導(dǎo)致植物地上部和地下部生物量發(fā)生變化[4]，同時(shí)也會(huì)影響土壤微生物區(qū)系和理化性質(zhì)[5]。為研究農(nóng)作物對(duì)氣候變化的響應(yīng)，研究者采取增加CO2濃度和增溫等措施，通過模擬氣候變化，觀察被監(jiān)測(cè)植物在未來預(yù)計(jì)較高的CO2濃度和溫度條件下作物生長(zhǎng)、品質(zhì)及產(chǎn)量的變化，來評(píng)估未來大氣CO2濃度升高和溫度增加的氣候條件對(duì)農(nóng)作物可能產(chǎn)生的影響。

由于研究目的以及試驗(yàn)水平、生態(tài)系統(tǒng)類型和供試作物種類的差異，國(guó)內(nèi)外學(xué)者用來模擬未來氣候變化趨勢(shì)的研究方法不盡相同。但是一個(gè)總的原則就是通過利用CO2濃度控制裝置來改變生態(tài)系統(tǒng)和植物生長(zhǎng)的小氣候環(huán)境，在模擬小氣候環(huán)境條件下觀測(cè)與分析植物生長(zhǎng)發(fā)育的響應(yīng)過程及其機(jī)理。迄今常用的CO2濃度控制措施主要有3種：可控環(huán)境密閉氣候室、自由大氣CO2施肥裝置（Free-Air CO2Enrichment，F(xiàn)ACE）和半封閉的開頂式氣室（Open Top Chamber，OTC）。

可控環(huán)境密閉氣候室是在完全封閉的空間內(nèi)嚴(yán)格控制溫濕度、水分、光照以及CO2濃度等影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)備[6-7]，這種方法最初被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物試驗(yàn)研究[8-11]。如Robredo等[12]利用可控環(huán)境密閉氣候室研究了CO2濃度升高條件下大麥作物氮代謝受水分脅迫的影響程度；張瑾濤[13]在密閉環(huán)境氣候室研究了大氣CO2濃度升高對(duì)玉米/大豆間作體系生長(zhǎng)的影響及磷營(yíng)養(yǎng)調(diào)控。FACE是在完全開放的農(nóng)田環(huán)境下利用氣體輸送管道分配系統(tǒng)建立一個(gè)大型試驗(yàn)圈，在作物生長(zhǎng)冠層動(dòng)態(tài)釋放CO2，需要有模擬增溫處理的試驗(yàn)則同時(shí)設(shè)立紅外增溫系統(tǒng)[14-17]。Rogers等[18]于1983年首次提出FACE技術(shù)，美國(guó)BNL（Brookhaven National Laboratory）于1989年首次投入使用，將FACE技術(shù)用于棉花方面的研究[17]；Schneider等[19]為研究黑麥草草地生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)，利用FACE系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的定位試驗(yàn)；我國(guó)在江蘇省首次利用FACE技術(shù)進(jìn)行了稻/麥輪作體系的研究[20]。OTC是四周封閉、頂部敞開的半封閉氣候模擬系統(tǒng)。美國(guó)環(huán)保局和農(nóng)業(yè)部利用Heagle等[21]設(shè)計(jì)的OTC系統(tǒng)研究了大氣中臭氧體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)作物生長(zhǎng)的影響[22]，國(guó)內(nèi)利用該技術(shù)進(jìn)行氣候模擬研究的學(xué)者有陳法軍等[23]、萬運(yùn)帆等[24]和許育彬等[25]。

以上3種CO2濃度控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。FACE系統(tǒng)與外界自然環(huán)境條件差異最小，但考慮到FACE系統(tǒng)耗材與后期營(yíng)運(yùn)成本高昂，而可控環(huán)境密閉氣候室與外界環(huán)境差異較大等不利因素，許多學(xué)者采用開頂式氣室這種比較經(jīng)濟(jì)，且與外界環(huán)境條件相對(duì)比較一致的模擬系統(tǒng)來進(jìn)行相關(guān)研究。然而由于OTC內(nèi)的植物生長(zhǎng)環(huán)境與CO2濃度升高的純自然條件仍存在一定差異，尤其是易導(dǎo)致氣室內(nèi)溫度高于自然大氣，再加上有些試驗(yàn)采用盆栽植物作為供試體進(jìn)行研究，不能很好地代表未來氣候變化條件下的自然生長(zhǎng)條件，從而在一定程度上影響研究結(jié)果。此前一些學(xué)者也已經(jīng)注意到了這些問題，并對(duì)OTC系統(tǒng)做了部分改進(jìn)。如陳法軍等[23]用厚度2.5 mm的透明玻璃代替塑料薄膜或玻璃鋼瓦，對(duì)氣室壁從材料方面做了改進(jìn)；萬運(yùn)帆等[24]在傳統(tǒng)OTC基礎(chǔ)上增加控溫系統(tǒng)，精確控制溫度；許育彬等[25]利用風(fēng)扇進(jìn)行降溫，以減少OTC（底部面積1.2 m×1.2 m）的增溫效應(yīng)并促進(jìn)氣室內(nèi)氣體混勻。但是，傳統(tǒng)OTC在體積和形狀方面改進(jìn)的研究還相對(duì)欠缺。氣室體積小，不利于作物生長(zhǎng)，尤其是長(zhǎng)勢(shì)較高的玉米，而且形狀多為八變形棱柱狀，不利于氣室內(nèi)玉米試驗(yàn)種植行距、株距的控制。同時(shí)，傳統(tǒng)OTC雖然在材料方面有所改進(jìn)，但透明玻璃的透光性能仍小于塑鋼P(yáng)C結(jié)構(gòu)。

為提高傳統(tǒng)OTC在田間條件下原位模擬大氣CO2濃度升高對(duì)作物生長(zhǎng)影響的適用性和精度，本研究對(duì)傳統(tǒng)OTC進(jìn)行了尺寸、形狀、材料以及內(nèi)部CO2濃度控制等方面的改進(jìn)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)旱作春玉米生育期內(nèi)OTC內(nèi)外大氣溫度、濕度以及CO2濃度等的變化情況，分析評(píng)價(jià)改進(jìn)后的OTC的模擬效果，為田間條件下氣候變化模擬措施提供技術(shù)參考和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 OTC改進(jìn)設(shè)計(jì)

為使得OTC適應(yīng)田間模擬要求，本研究在傳統(tǒng)氣室基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的OTC如圖1所示，主要由氣室、CO2控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。

1.1.1 OTC氣室

OTC氣室由傳統(tǒng)氣室正八邊形棱柱狀改為正四邊形棱柱狀，便于氣室內(nèi)玉米種植行距和株距的精確控制。氣室尺寸放大為長(zhǎng)×寬×高=4.0 m×4.0 m×3.0 m，使其更適用于玉米等植株較高的作物試驗(yàn)種植，從而避免了因作物生長(zhǎng)空間小而形成的溫室效應(yīng)。氣室無底，直接立于田間土壤之上，為防止室內(nèi)CO2快速逸散，于2.8 m高度處收口，收口后頂部面積為3.0 m× 3.0 m?？紤]到氣室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境更加接近自然條件，根據(jù)2015年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2016年將頂部收口改為全部敞開。為盡可能減少氣室壁對(duì)有效光輻射的吸收，氣室材料選用了透光性≥98%、防結(jié)露、耐刮耐磨的塑鋼P(yáng)C結(jié)構(gòu)，屬聚碳酸酯耐力板，保證了高透光性而避免影響氣室內(nèi)光照強(qiáng)度，且耐用性強(qiáng)。

1.1.2 CO2控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)主要包括CO2減壓流量閥、CO2控制系統(tǒng)強(qiáng)度控制柜、數(shù)據(jù)采集控制器、供氣多孔管、傳感器分析儀和環(huán)流風(fēng)機(jī)（中國(guó)，F(xiàn)-108EX）。經(jīng)過CO2減壓流量閥和CO2控制系統(tǒng)強(qiáng)度控制柜的控制調(diào)節(jié)，從鋼瓶輸出的CO2氣體經(jīng)輸氣管從氣室頂部的多孔管向下供氣，由于CO2密度比自然空氣大，易集中于底部，在保證CO2氣體穩(wěn)定供應(yīng)的同時(shí)，于供氣多孔管上方3.0 cm處呈三角布局增設(shè)3個(gè)環(huán)流風(fēng)機(jī)，將釋放到氣室中的CO2氣體進(jìn)行迅速混勻，并增加氣室內(nèi)外空氣交換速度，以盡可能減少氣室內(nèi)外溫差。在玉米生育期內(nèi)，隨玉米株高增加，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)釋放CO2的供氣多孔管在氣室內(nèi)的高度，使其保持與玉米冠層高度一致，使得所供CO2氣體在玉米生長(zhǎng)冠層均勻分布。同時(shí)在每個(gè)環(huán)流風(fēng)機(jī)邊緣安裝CO2濃度傳感器分析儀感應(yīng)探頭，CO2濃度感應(yīng)探頭位置需與供氣多孔管同步調(diào)節(jié)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整以保證氣室內(nèi)CO2濃度的均勻性。傳感器上方設(shè)不銹鋼罩防雨、煙塵等。氣室內(nèi)實(shí)際CO2濃度通過與供氣多孔管置于同一位置處的傳感器分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過流量閥實(shí)時(shí)調(diào)控。另外，在大田處理小區(qū)同一高度處安裝CO2傳感器分析儀，所測(cè)數(shù)值代表自然大氣CO2濃度，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器直接傳回電腦終端。

圖1 OTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)體照片F(xiàn)igure 1 Structure photo of OTC system

數(shù)據(jù)采集控制器根據(jù)每個(gè)氣室中的CO2傳感器返回的CO2濃度值，對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M的CO2濃度值（即預(yù)先設(shè)定的CO2濃度閾值），超過設(shè)定閾值范圍就啟動(dòng)相應(yīng)調(diào)整程序模塊進(jìn)行調(diào)控。如果氣室內(nèi)CO2濃度低于閾值需進(jìn)行補(bǔ)充氣體，數(shù)據(jù)采集控制器則自動(dòng)開啟對(duì)應(yīng)氣室CO2電磁閥，鋼瓶?jī)?nèi)的CO2氣體通過鋼瓶口連接的CO2減壓閥、輸氣管以及打開的電磁閥，被輸送到對(duì)應(yīng)氣室內(nèi)。如果氣室內(nèi)CO2濃度高于設(shè)定閾值，數(shù)據(jù)采集控制器自動(dòng)關(guān)閉對(duì)應(yīng)氣室CO2電磁閥，停止充氣。當(dāng)氣室內(nèi)CO2濃度達(dá)到設(shè)定的閾值范圍后，停止調(diào)節(jié)，系統(tǒng)探頭繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)氣室內(nèi)CO2濃度超出了設(shè)定的閾值范圍時(shí)，再次啟動(dòng)調(diào)整程序模塊調(diào)節(jié)電磁閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于補(bǔ)充氣體濃度的控制和調(diào)整是利用PID+模糊算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序編程，根據(jù)傳感器反饋回的氣室所需要CO2氣體的量，自動(dòng)控制CO2氣體的補(bǔ)充次數(shù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整模塊和CO2氣體補(bǔ)充模塊配合，全面控制氣室內(nèi)氣體的濃度，控制精度高。

1.1.3 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由溫度傳感器、濕度傳感器和數(shù)據(jù)采集器三部分構(gòu)成。溫度和濕度探頭均置于OTC內(nèi)外且與CO2傳感器分析儀同一高度處，所測(cè)數(shù)值為氣室內(nèi)外溫度、濕度代表值。經(jīng)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)值傳回電腦終端。

1.2 模擬效果檢驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2015—2016年在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（35°12′N，107°40′E）旱塬農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)站位于陜西省咸陽市長(zhǎng)武縣王東村，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水582 mm，年均氣溫9.7℃，無霜期171 d，地下水位50～80 m，試驗(yàn)地土壤為黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，土體疏松，通透性好，具有良好的“土壤水庫”效應(yīng)。

旱作春玉米供試品種為鄭單958。依照當(dāng)?shù)氐墓芾砟Ｊ竭M(jìn)行農(nóng)田水肥管理，試驗(yàn)設(shè)大田（CK）、對(duì)照氣室（用OTC表示，氣室直接立于田間土壤之上，不通CO2氣體，僅用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)氣室內(nèi)的空氣溫濕度，目的在于剝離OTC可能帶來的增溫效應(yīng)）和可控CO2氣室（用OTC+CO2表示，氣室內(nèi)通CO2氣體，并進(jìn)行濃度調(diào)控）3個(gè)處理，每處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)處理小區(qū)。在小區(qū)中央均設(shè)立空氣溫度、濕度和大氣CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中OTC+CO2處理小區(qū)內(nèi)加裝CO2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制氣室內(nèi)CO2濃度保持在700 μmol·mol-1。

氣室自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠每分鐘自動(dòng)記錄一次氣室內(nèi)外空氣溫濕度和CO2濃度，本研究中設(shè)定每10 min記錄一次數(shù)據(jù)。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定及方法

溫度監(jiān)測(cè)：空氣溫度探頭為國(guó)產(chǎn)YX-WSD傳感器，土壤溫度探頭為國(guó)產(chǎn)YX-TRWD傳感器，精度為0.1℃。

CO2濃度監(jiān)測(cè)：感應(yīng)探頭采用芬蘭Vaisala公司GWM115傳感器，量程為0～2000 μmol·mol-1，精度為20 μmol·mol-1，使用前均進(jìn)行校準(zhǔn)。

濕度監(jiān)測(cè)：采用美國(guó)HM1500傳感器。

大氣溫度、濕度及CO2濃度均通過傳感器利用OTC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)化最終將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回電腦端。

該OTC系統(tǒng)于2015年7月開始在田間正常運(yùn)行，只在白天（6：00—20：00）供氣。為更好地模擬未來CO2濃度升高情景下的作物生長(zhǎng)環(huán)境，2016年改為玉米生育期全天24 h處于CO2濃度升高的環(huán)境。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，方差分析使用最小顯著差異LSD（Least-significant difference）法（P＜0.05）和t檢驗(yàn)（P＜0.05）進(jìn)行分析；采用Origin 8.5和Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 改進(jìn)的OTC對(duì)CO2濃度的控制效果

在田間利用改進(jìn)的OTC系統(tǒng)對(duì)氣室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行了調(diào)控，同時(shí)對(duì)氣室內(nèi)外CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2015年系統(tǒng)預(yù)設(shè)CO2濃度在白天（6：00—20：00）為700 μmol·mol-1，2016年改為全天24 h保持氣室內(nèi)CO2濃度為700 μmol·mol-1。結(jié)果表明，玉米生育期內(nèi)氣室內(nèi)外CO2日均濃度差值的波動(dòng)范圍在2015年為284.0～388.5 μmol·mol-1，2016年為279.9～374.0 μmol· mol-1（圖2），將差值除以全生育期總天數(shù)（2015年監(jiān)測(cè)75 d，2016年監(jiān)測(cè)124 d），得到平均差值分別為337.5 μmol·mol-1和336.0 μmol·mol-1，氣室內(nèi)CO2濃度控制范圍2015年為682.8～700.2 μmol·mol-1，2016年為694.6～700.1 μmol·mol-1。

圖2 春玉米生長(zhǎng)季OTC內(nèi)外CO2日均濃度Figure 2 Daily average CO2concentration during spring maize growth period

圖3 春玉米生長(zhǎng)季OTC內(nèi)外不同時(shí)段CO2濃度Figure 3 Hourly average CO2concentration during spring maize growth period

將春玉米生育期內(nèi)監(jiān)測(cè)的每天各個(gè)時(shí)間段的CO2濃度分別求平均值，得到氣室內(nèi)外CO2不同時(shí)間段均值的動(dòng)態(tài)變化情況（圖3）。結(jié)果顯示，2015年白天不同時(shí)間段氣室內(nèi)CO2濃度相對(duì)氣室外增加了289.5～354.5 μmol·mol-1，平均增幅為322.9 μmol·mol-1。晚上氣室內(nèi)CO2濃度接近自然環(huán)境條件，氣室內(nèi)外CO2濃度的差值分析結(jié)果表明，20：00至次日6：00時(shí)間段內(nèi)CO2濃度平均差值為0.1 μmol·mol-1，氣室內(nèi)外差異不顯著（P＞0.05）。2016年氣室內(nèi)全天供CO2氣體，與氣室外相比，CO2增加波動(dòng)范圍為289.5～375.8 μmol·mol-1，平均增幅為335.3 μmol·mol-1。經(jīng)過兩年調(diào)試和運(yùn)行，改進(jìn)的OTC內(nèi)部CO2濃度能夠維持在閾值內(nèi)（700 μmol·mol-1），表明改進(jìn)的OTC可以精確地控制CO2濃度，運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定，可滿足模擬試驗(yàn)的需求。

2.2 改進(jìn)的可控CO2OTC對(duì)大氣溫度的影響

在春玉米生育期內(nèi)，OTC內(nèi)外日均氣溫動(dòng)態(tài)變化情況如圖4。2015年和2016年氣室內(nèi)外氣溫變化趨勢(shì)相同，溫度由高到低依次均為OTC＞OTC+CO2＞CK，2015年可控CO2氣室與大田日均溫差為0.7℃，對(duì)照氣室與大田日均溫差為0.9℃，2016年日均溫差分別為0.2℃和0.9℃。

將春玉米生育期（2015年監(jiān)測(cè)75 d，2016年監(jiān)測(cè)124 d）內(nèi)全天不同時(shí)間段（每小時(shí)）的CO2濃度進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析（圖5），結(jié)果顯示，氣室內(nèi)溫度高于大田環(huán)境條件下的大氣溫度，3種處理的氣溫變化趨勢(shì)相同。通過溫差分析發(fā)現(xiàn)，2015年可控CO2OTC比大田氣溫平均高0.6℃，且在白天（6：00—20：00）平均增溫0.8℃，差異顯著（P＜0.05），對(duì)照OTC比大田氣溫平均高1.0℃，尤其在白天氣溫差異顯著（P＜0.05）。在2016年，與大田氣溫相比，對(duì)照OTC平均氣溫升高0.9℃，可控CO2OTC全天平均氣溫升高0.4℃，差異不顯著（P＞0.05）。2015—2016年可控CO2OTC與對(duì)照OTC直接溫度差異均不顯著（P＞0.05）。

2.3 改進(jìn)的可控CO2OTC對(duì)空氣相對(duì)濕度的影響

圖4 春玉米生長(zhǎng)季OTC內(nèi)外大氣日均溫度動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Dynamics of daily average air temperature during spring maize growth period

以平均全天空氣相對(duì)濕度值得到OTC內(nèi)外空氣相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)變化情況（圖6）。大田、可控CO2OTC和對(duì)照OTC 3種環(huán)境條件下的空氣相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，高低相近。春玉米生育期內(nèi)空氣相對(duì)濕度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，2015年大田、可控CO2OTC和對(duì)照OTC的平均空氣相對(duì)濕度分別為81.6%、 81.8%和 81.0%，2016年分別為 75.8%、76.0%和75.5%。對(duì)氣室內(nèi)外空氣相對(duì)濕度分析發(fā)現(xiàn)，在春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（05-01至07-15），2015年和2016年空氣相對(duì)濕度由大到小依次均為CO2+OTC＞OTC＞CK；在玉米生殖生長(zhǎng)期（07-16至09-14），2015年為CK＞OTC+CO2＞OTC，2016年為CK＞OTC＞OTC+CO2，處理間差異均不顯著（P＞0.05）。

對(duì)氣室內(nèi)外全天不同時(shí)間段的空氣相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明3種環(huán)境條件下的空氣相對(duì)濕度變化均呈現(xiàn)先降低再升高的“凹”字型趨勢(shì)（圖7），從0：00開始空氣相對(duì)濕度逐漸降低，6：00后迅速降低，直到15：00左右達(dá)到最低值，隨后開始逐漸升高，晚上21：00之后上升速度逐漸變慢。2015年可控CO2OTC與大田相比，空氣相對(duì)濕度平均值約降低2.4%，對(duì)照OTC降低了6.8%，差異均不顯著（P＞0.05）。2016年可控CO2OTC和OTC較大田空氣相對(duì)濕度的平均值分別降低了3.1%和5.5%，但差異均不顯著（P＞0.05）。

圖5 春玉米生長(zhǎng)季OTC內(nèi)外不同時(shí)段大氣溫度動(dòng)態(tài)變化Figure 5 Dynamics of hourly average air temperature during spring maize growth period

3 討論

改進(jìn)后的OTC系統(tǒng)對(duì)大氣CO2濃度的調(diào)控效果較好。在不影響試驗(yàn)效果的條件下為降低材料成本，本研究只在需要調(diào)控CO2濃度的氣室（OTC+CO2）內(nèi)和大田處理（CK）各小區(qū)安裝CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)在2015年白天（6：00—20：00）將通氣氣室內(nèi)CO2濃度設(shè)置為700 μmol·mol-1。由于植物在沒有光的條件下不進(jìn)行光合作用，晚上（20：00至次日6：00）將通氣氣室內(nèi)CO2濃度設(shè)置為0 μmol·mol-1。但是為了更加準(zhǔn)確地模擬未來大氣CO2濃度升高的情形，2016年改為全天24 h供氣。本試驗(yàn)預(yù)期CO2控制濃度為700 μmol·mol-1，實(shí)際控制濃度值大多數(shù)情況下均低于700 μmol·mol-1，但2016年控制范圍更接近閾值，控制誤差范圍為-5.4～0.1 μmol·mol-1，說明該系統(tǒng)經(jīng)過兩年的調(diào)試和運(yùn)行，系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定且控制精確，偏低的原因可能是CO2濃度感應(yīng)探頭反應(yīng)滯后所導(dǎo)致的。這與萬運(yùn)帆等[24]利用調(diào)控OTC原位模擬氣候變化在早稻上應(yīng)用的研究結(jié)果一致。

為了驗(yàn)證在不通氣氣室（OTC）內(nèi)CO2濃度與大田處理（CK）大氣CO2濃度是否一致，在2015年，選取天氣晴朗的四天（07-02、07-22、08-12和09-02），在早晨9：00—11：00時(shí)間段內(nèi)測(cè)定春玉米光合作用的同時(shí)，記錄OTC內(nèi)CO2濃度，與該時(shí)間段大田處理的CO2濃度值作對(duì)比（圖8）。結(jié)果表明，OTC與大田的CO2濃度變化趨勢(shì)完全相同且大小接近，差異不顯著（P＞0.05）。這也從側(cè)面反映了該OTC內(nèi)部與外界空氣自然流通，受OTC氣室壁阻擋作用的影響很小，甚至可以忽略不計(jì)。

圖6 春玉米生長(zhǎng)季OTC內(nèi)外日均空氣相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)變化Figure 6 Dynamics of daily average air relative humidity during spring maize growth period

圖7 春玉米生長(zhǎng)季OTC內(nèi)外不同時(shí)段空氣相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)變化Figure 7 Dynamics of hourly average air relative humidity during spring maize growth period

作為氣候變化的主要特征之一，大氣溫度升高也會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不可忽視的影響，其與CO2濃度升高之間也會(huì)產(chǎn)生一定的交互效應(yīng)。因此在控制監(jiān)測(cè)CO2濃度的同時(shí)，測(cè)定氣室內(nèi)大氣溫度動(dòng)態(tài)變化尤為必要。早期一些研究發(fā)現(xiàn)，氣室具有增溫效應(yīng)。Hogsett等[26]早在1985年設(shè)計(jì)氣室并投入試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，氣室內(nèi)外平均溫度差為2.5℃。Leadley等[27]在1992年研究發(fā)現(xiàn)開頂式氣室內(nèi)溫度通常比外界溫度要高出3℃左右。Binnie等[28]利用開頂式氣室研究有機(jī)溶劑在草和大氣之間交換的試驗(yàn)中指出，溫度是影響OTC應(yīng)用的重要因素之一，其研究結(jié)果表明，在白天太陽輻射最強(qiáng)烈時(shí)氣室內(nèi)外溫差竟達(dá)12℃，即使晚上或多云天氣室內(nèi)外溫差也有1～2℃，他認(rèn)為這可能與氣室頂部設(shè)計(jì)有關(guān)，影響氣室內(nèi)外熱量流通。Mcleod等[17]報(bào)道，當(dāng)氣室內(nèi)光子通量為1600 μmol·m-2·s-1時(shí)，OTC內(nèi)氣溫比外界高4.3℃。王春乙[29]自行設(shè)計(jì)的OTC-1型開頂式氣室在供氣試驗(yàn)期間室內(nèi)外日均溫度也相差2.1℃。鑒于大氣CO2濃度升高的同時(shí)伴隨溫度的升高，本研究為了剝離大氣CO2濃度和溫度升高所產(chǎn)生的交互效應(yīng)，在氣室內(nèi)加裝環(huán)流風(fēng)扇以打散攪勻玉米冠層CO2濃度的同時(shí)，加速氣室內(nèi)空氣流動(dòng)。同時(shí)，氣室壁的材料選用透光度高、抗損耗能力強(qiáng)的聚碳酸酯耐力板，采光性能好（透光度≥98%）。為保證室內(nèi)空氣環(huán)境更加接近室外，在2016年采取將氣室頂部半開口改為全開口，試驗(yàn)證明室內(nèi)外溫度更接近且差異不顯著（圖5）。另外，國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)OTC的氣室體積均較小，如Hogsett等[26]設(shè)計(jì)的氣室體積僅有約11 m3，王春乙等[29]設(shè)計(jì)的OTC-1型氣室體積僅為16 m3，阮亞男[30]對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)后的氣室體積大約也只有42 m3，張金恩等[31]在研究開頂式氣室對(duì)冬小麥光合特性差異時(shí)使用的OTC是在OTC-1型氣室的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，但是其體積僅為5.3 m3，其研究表明氣室內(nèi)較外界增溫8.9%。本研究設(shè)計(jì)的OTC氣室體積為48.0 m3，同時(shí)為便于進(jìn)行氣室內(nèi)玉米試驗(yàn)種植行距、株距的控制，將傳統(tǒng)OTC氣室由正八邊形棱柱狀改為正四邊形棱柱狀，試驗(yàn)證明四邊形氣室并不影響對(duì)氣室內(nèi)CO2濃度、溫度的控制。氣室體積增大后，相應(yīng)的氣室頂部敞開面積增大，使得氣室內(nèi)空氣環(huán)境更加接近外界環(huán)境。

圖8 對(duì)照OTC內(nèi)CO2濃度與大田CO2濃度對(duì)比Figure 8 Comparison between the measured CO2concentration in OTC and the natural air CO2concentration

空氣相對(duì)濕度是空氣中的實(shí)際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比值，其變化將會(huì)直接影響設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)和病蟲害的發(fā)生[32]。氣室內(nèi)空氣相對(duì)濕度受OTC影響很小，在春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（05-01至07-15）的空氣相對(duì)濕度略高于大田，在生殖生長(zhǎng)期（07-16至09-14）則略低于大田。這可能是因?yàn)榇河衩自跔I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期生長(zhǎng)旺盛，葉面積指數(shù)高，蒸騰量大，而生殖生長(zhǎng)期玉米葉片開始衰老變黃，蒸騰作用降低，且當(dāng)?shù)赜昙局饕性?—8月，隨降雨減少，土壤濕度降低，從而導(dǎo)致氣室內(nèi)外空氣相對(duì)濕度在玉米生長(zhǎng)的不同時(shí)期存在差異，但差異均不顯著（圖5）。這說明改進(jìn)后的OTC對(duì)玉米生長(zhǎng)環(huán)境改變很小，幾乎接近自然條件，能夠很好地運(yùn)行于大田試驗(yàn)以準(zhǔn)確模擬未來氣候變化情況。

4 結(jié)論

（1）改進(jìn)的可控CO2OTC系統(tǒng)能較精確調(diào)控CO2濃度，控制誤差范圍小，可投入試驗(yàn)使用。

（2）可控CO2OTC內(nèi)溫度較大田平均增加0.4℃，空氣相對(duì)濕度平均降低3.1%，差異均不顯著，該系統(tǒng)能夠?yàn)樽魑锾峁┙咏匀画h(huán)境的生長(zhǎng)條件，適用于未來大氣CO2濃度升高模擬試驗(yàn)研究。

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Improvement and performance of open-top chambers used for simulating elevated CO2under field conditions

GUO Yan-liang1,2,WANG Xiao-lin2,ZHANG Xiao-yuan2,WANG Li-mei1,2*,ZHENG Ji-yong1,2,LI Shi-qing1,2
（1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Northwest A&F University,Yangling 712100,China; 2.College of Environment and Resources,Northwest A&F University,Yangling 712100,China）

In order to improve the applicability and accuracy of Open-Top Chambers（OTCs）in simulating the effects of elevated CO2on crop growth and yield under field conditions,the open-top area of the chamber was increased,the shape of the bottom was modified from octagonal to square,a new material was used for the chamber walls,and fans were installed in the chamber to increase air circulation.These improved OTCs were used for simulating elevated CO2concentration in spring maize farmland in 2015 and 2016.The chamber measured 4.0 m×4.0 m×3.0 m（length×width×height）and was equipped with an automated CO2delivery system designed to maintain the CO2concentration at 700 μmol·mol-1in the chamber.During the maize growth period,CO2concentration,air temperature,and relative humidity were measured automatically every 10 minutes both inside and outside the OTCs.The CO2concentration,air temperature,and relative humidity inside the OTCs were compared to those under natural conditions,and the simulation performance was analyzed.The results demon－strated that the CO2concentration could be well controlled by the improved OTC system.The deviation from the targeted CO2concentration ranged from-17.2 μmol·mol-1to 0.2 μmol·mol-1in 2015 and from-5.4 μmol·mol-1to 0.1 μmol·mol-1in 2016.The mean air temperature inside the OTCs was 0.8℃higher than that of the natural air during daytime in 2015（P＜0.05）,and no significant difference in such was observed for 2016.There was no significant difference in relative humidity between inside and outside of the chambers（P＞0.05）.Our results indicated that the improved OTC has stable performance and high accuracy and can be used for future field simulation experiments.

elevated CO2;open-top chamber;simulation in situ;improved effect;spring maize

S162

A

1672-2043（2017）06-1034-10

10.11654/jaes.2017-0082

2017-01-15

郭艷亮（1990—），女，甘肅慶陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與全球變化方面的研究。E-mail：18700809599@163.com

*通信作者：王麗梅 E-mail：sdwanglimei@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31470523）；國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（A314021402-1614）；西北農(nóng)林科技大學(xué)科研專項(xiàng)（2013BSJJ119）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（31470523）；The Open Foundation of State Key Laboratory，China（A314021402－1614）；The Special Scientific Research Fund of Northwest A＆F University（2013BSJJ119）

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