野外林下環(huán)境中模擬氣候變暖的新型開頂式氣室設計與應用效果

張棟耀，楊洪波，吳代福，馮 彬，李玉杰，張和民，王鵬彥，張晉東

(1．西華師范大學 a.西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室，b．生命科學學院，四川 南充 637009；2．中國大熊貓保護研究中心，四川 都江堰 611830；3．四川省臥龍國家級自然保護區(qū)管理局，四川 汶川 623006)

全球氣候變暖及其造成的生態(tài)環(huán)境影響一直受到世界各國政府和專家學者重視，預計到21世紀末，全球地表平均溫度將會上升0.3～4.8 ℃[1]。溫度是生物生長發(fā)育的關鍵因子，氣候變暖會影響物種生長代謝和發(fā)育繁殖，從而導致生物多樣性喪失[1]，據(jù)估計，未來每6個物種就可能有1個物種因此而滅絕[2]，而種群動態(tài)和物種分布變化最終會影響到生態(tài)系統(tǒng)，導致全球生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)功能失常[3]。植物作為連接土壤與大氣的紐帶，是生態(tài)系統(tǒng)中較為活躍的組成部分，也是環(huán)境變化的敏感指標[4]，研究氣候變化對植物的影響可以幫助進一步了解其對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。

近年來，研究人員設計了多種增溫模擬實驗系統(tǒng)用以模擬氣候變暖對不同生態(tài)系統(tǒng)(比如農(nóng)田、濕地、森林等)中植物的影響[5]。增溫模擬實驗系統(tǒng)可分為被動增溫系統(tǒng)和主動增溫系統(tǒng)[5]，被動增溫系統(tǒng)是被動依賴太陽輻射來增溫，通常用簡易材料(例如塑料薄膜)搭建，構成封閉或半封閉環(huán)境，允許太陽短波輻射進入以及阻擋地面反射長波輻射出去來形成溫室效應增溫[6]，其中常見的是開頂式氣室(Open Top Chambe，OTC)，其成本低、簡單易行，適合在野外環(huán)境使用，它們在早期野外研究工作中起著重要作用[7]。然而傳統(tǒng)OTC也有明顯的缺點，太陽輻射強度不同導致其增溫效果不穩(wěn)定，當太陽輻射充足時，增溫可達到5 ℃甚至更高；而太陽輻射不足時(如陰雨天氣或夜間)，則無法產(chǎn)生有效增溫，甚至導致樣地內(nèi)溫度降低，不利于定量模擬增溫條件以評估氣候變暖對植被生理生態(tài)的影響[8]。

基于以上問題，近年來研究人員開始設計應用主動增溫模擬系統(tǒng)。該類系統(tǒng)通常運用電流熱效應，在供應電能條件下主動、穩(wěn)定地提高樣地內(nèi)溫度[9-10]。常見有結合主動加熱裝置的OTC和紅外輻射加熱系統(tǒng)[11-13]。Sun等[14]在OTC中安裝主動加熱電纜，為生長室提供太陽輻射外的穩(wěn)定能源，使OTC內(nèi)部平均氣溫維持在比外界環(huán)境高2.84 ℃左右。這種系統(tǒng)和被動開頂式生長室相比，生長室內(nèi)增溫精度有所提高，尤其在太陽輻射條件較弱的條件下，讓溫室內(nèi)外溫差維持在設定范圍內(nèi)。但在太陽輻射充足時，輻射的溫室效應和室內(nèi)增溫裝置的效果會疊加，導致增溫超出實驗設定范圍。因此，此系統(tǒng)的材料成本雖低(建設成本大約每個3 000元)，但增溫模擬效果并不穩(wěn)定，影響氣候變暖效應的評估精度。有研究在主動加熱OTC系統(tǒng)中安裝了溫度反饋控制系統(tǒng)，從而提供更加穩(wěn)定的增溫效果。溫度反饋系統(tǒng)配合紅外線輻射加熱器可以很好模擬增溫效果，它是將幾個紅外輻射燈懸掛于樣地上方1～3 m處，通過溫度反饋系統(tǒng)控制電能轉化為紅外輻射功率來獲得穩(wěn)定增溫效果，并且無需生長室輔助就能對樣地內(nèi)環(huán)境均勻增溫，可以同時對空氣、土壤表面、植物進行加熱[11]，例如kimball等[13]在實驗中使用該系統(tǒng)的增溫精度可達±0.1 ℃。但是此類系統(tǒng)建造和運行成本昂貴，除了溫度反饋系統(tǒng)和紅外輻射燈(約5 000元/個)需要較高的制造成本外，由于加熱系統(tǒng)處于完全開放環(huán)境，導致熱量散失快，需要消耗大量電力實現(xiàn)穩(wěn)定增溫，這也使得長期運行成本很高。在野外環(huán)境中，尤其是欠發(fā)達地區(qū)，該類系統(tǒng)的運用還面臨著挑戰(zhàn)，不利于推廣使用[15-16]。

由此，本文設計出一種新型OTC系統(tǒng)，其具有建造和維護成本較低、主動穩(wěn)定增溫且精度較高的優(yōu)點。在四川大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)棲息地使用該系統(tǒng)來模擬氣候變暖對林下大熊貓主食竹冷箭竹(Bashaniafaberi)的影響，通過對樣地溫度、空氣濕度和土壤水分長期監(jiān)測來分析評價系統(tǒng)性能。設計目的是為了適用于不同環(huán)境下模擬氣候變暖對植物的影響，并為低成本研究氣候變暖對野外植物生長狀況影響提供一種有效工具。

1 實驗地點

實驗地點在四川省臥龍國家級自然保護區(qū)(圖1)，該區(qū)主要保護西南高山林區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)及大熊貓等珍稀動物。區(qū)內(nèi)大熊貓種群數(shù)量豐富，約占全國大熊貓數(shù)量的10%[17-18]；生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，且呈垂直分布，沿海拔梯度，主要分布有常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、針闊混交林、亞高山針葉林[19]。目前關于氣候變化對大熊貓主食竹影響的研究，均是根據(jù)物種分布模型預測得出氣候變化將導致大熊貓主食竹在現(xiàn)有分布區(qū)出現(xiàn)銳減且向高海拔遷移，從而對大熊貓生存產(chǎn)生巨大威脅。由于缺乏實證研究數(shù)據(jù)來支撐結論，可能錯誤地估計氣候變化對大熊貓主食竹的影響[20]。本研究使用新型OTC系統(tǒng)研究氣候變暖對野外林下環(huán)境中大熊貓主食竹(冷箭竹)生長的影響，在實驗過程中同時評價其性能。新型OTC系統(tǒng)安放于臥龍保護區(qū)內(nèi)的五一棚區(qū)域(圖1)[17]，安放地點距五一棚野外觀測站約200 m，可方便地獲得電力以進行實驗，且地形相對平坦，冷箭竹長勢良好。實驗點海拔2 560 m，處于冷箭竹海拔分布范圍(2 500～3 100 m)邊緣，對氣候條件變化敏感，十分利于監(jiān)測氣候變化對冷箭竹的影響[21]。

2 裝置構造和設計

2.1 新型OTC的結構

在研究地點建造了16個新型OTC系統(tǒng)。每個新型OTC系統(tǒng)包括開頂式氣室(正六邊體形)、可加熱空氣的氣泵裝置、空氣流通管道和溫差控制系統(tǒng)(圖2)，開頂式氣室由6塊具有高透光性的PC空心陽光擋板(長2 m，寬1.4 m)和鋁合金框架構成，其中一塊擋板安放可以開關的門框，以便觀察和取用植物。OTC頂部框架連接著透氣結構，由鋼絲網(wǎng)和紗網(wǎng)構成，保證雨水能順利進入OTC的同時，降低熱量流失速度。可加熱空氣的氣泵裝置放置在氣室外防水塑料箱中(圖3)，由電阻加熱器和氣泵構成，通過空氣流通管道與氣室內(nèi)部環(huán)境連接，空氣流通管道在氣室內(nèi)底部(距離地面20 cm)環(huán)形閉合，氣室內(nèi)管道平均分布著小孔。新鮮空氣不斷被氣泵抽入生長室，途中通過氣泵中電阻加熱器加熱，然后沿空氣流通管道均勻地進入生長室。生長室內(nèi)外溫差由溫差控制器控制(圖3)，該控制器有2個傳感器實時感應室內(nèi)和室外空氣溫度，根據(jù)室內(nèi)外溫差控制加熱器工作狀態(tài)。當溫差大于規(guī)定值，加熱器停止工作；反之，加熱器持續(xù)工作。根據(jù)先前預測的未來地表平均溫度變化情景，設計了3個不同增溫水平的實驗組和1個對照組。3個實驗組室內(nèi)溫度分別比室外溫度高1.5、3.0和4.5 ℃，對照組室內(nèi)溫度與室外保持相同(0 ℃)。每個組包括4個OTC系統(tǒng)，覆蓋著自然生長的竹子樣方(樣方面積為1.8 m2)。

2.2 實驗監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理

運用Hobo溫濕度記錄儀(Onset Computer Corporation,Pocasset,MA,the United States of America)每隔10 min記錄1次新型OTC內(nèi)部環(huán)境和外界環(huán)境的空氣溫度、相對空氣濕度和土壤水分，空氣溫濕度探頭被放置在OTC系統(tǒng)內(nèi)外部距離地面100 cm處，土壤水分探頭被放置在OTC系統(tǒng)內(nèi)外土壤10 cm深的位置。Tang和Fang[22]使用了這套Hobo溫濕度記錄儀裝置，并驗證了其穩(wěn)定性和精度可靠性。對收集到的溫度、空氣濕度、土壤水分數(shù)據(jù)進行分析，并利用Sigmaplot軟件進行繪圖。

3 應用效果

3.1 新型OTC系統(tǒng)增溫效果

由各組新型OTC系統(tǒng)內(nèi)部24 h空氣溫度實際變化(隨機抽取一天的實際記錄情況)(圖4)、月溫度變化(隨機抽取一個月)(圖5)、年溫度變化(圖6)情況可知，在持續(xù)使用時間內(nèi)，不同增溫處理下新型OTC室內(nèi)空氣溫度差異顯著(P<0.05)，在白天和夜間具有相同增溫效果，3個實驗組室內(nèi)平均溫度分別維持比室外氣溫高1.5、3.0和4.5 ℃。月平均和年平均溫度記錄表明，實驗組溫度變化與外界環(huán)境相似。

實驗組室內(nèi)空氣溫度產(chǎn)生波動(圖4)，是由電阻加熱器工作造成，加熱器本身溫度升高和降低是一個變化的過程，再對空氣進行加熱，并不能立即改變新型OTC室內(nèi)空氣溫度。另外在溫差控制器控制下，新型OTC室內(nèi)最大增溫偏差小于1 ℃，表明此系統(tǒng)增溫時能很好地控制增溫偏差并使之保持在規(guī)定值±1 ℃之內(nèi)。年平均溫度圖(圖6)顯示，4.5 ℃實驗組有溫度降低的情況，是由于野外條件下存在突然斷電情況，及時發(fā)現(xiàn)處理后恢復了正常狀態(tài)。

3.2 新型OTC系統(tǒng)內(nèi)空氣濕度和土壤水分變化情況

不同增溫處理下新型OTC室內(nèi)相對空氣濕度差異顯著(P<0.05)。實驗組室內(nèi)平均相對濕度較對照組有所下降，但變化趨勢相似(圖7)。1.5、3.0、4.5 ℃實驗組隨著增溫條件升高，空氣濕度會依次降低4.5%、10.5%、13.7%。無論半封閉式還是開放式增溫系統(tǒng)，增溫引起空氣濕度降低都無法避免，新型OTC系統(tǒng)室內(nèi)外空氣在氣泵持續(xù)工作下實時流動更新，在一定程度上減緩了空氣濕度降低。

增溫條件下新型OTC系統(tǒng)內(nèi)土壤水分變化并不顯著(P>0.05)(圖8)，說明土壤水分對增溫處理響應并不明顯。

4 性能評價

本研究中的新型OTC系統(tǒng)模擬了林下環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中氣候變暖情景，此系統(tǒng)內(nèi)部增溫可以達到比外界環(huán)境高1.5、3.0、4.5 ℃的設計要求，使用者也可以自行設置溫度梯度以滿足研究需求。本系統(tǒng)可提供持續(xù)、穩(wěn)定的增溫效果，且增溫控制偏差在±1 ℃內(nèi)，不會放大或減少晝夜溫度差異；另外，1個新型OTC系統(tǒng)的原材料和安裝運輸費用大約在5 000元，相比增溫效果好的紅外輻射增溫系統(tǒng)(1個紅外輻射燈成本在5 000元左右，通常1個系統(tǒng)至少需要2個紅外輻射燈[13])，本系統(tǒng)降低了建造成本，且該系統(tǒng)由常見材料制成，組裝簡單，可以更改每個擋板長度以安放于不同地形中使用。

目前已有用紅外開放式增溫系統(tǒng)、紅外與OTC相結合的半封閉系統(tǒng)進行氣候變暖的相關研究[23-24]。這些系統(tǒng)都會對樣地內(nèi)空氣濕度造成影響，張凱等[23]使用紅外輻射開放式增溫系統(tǒng)，增溫1 ℃和2 ℃時，空氣濕度分別減少了5.2%和6.0%。本系統(tǒng)通過將OTC外空氣源源不斷地輸送到OTC內(nèi)，在輸送途中進行加熱，同等增溫條件下，對空氣濕度影響更小(增溫1.5 ℃時，空氣濕度減少4.5%)。雖然尚不能對土壤進行增溫，但在后續(xù)樣地內(nèi)土壤探究實驗中，發(fā)現(xiàn)土壤理化性質(zhì)等方面存在變化，說明本系統(tǒng)可以從模擬增溫影響到土壤，進而影響到植物的角度進行探討研究。

新型OTC系統(tǒng)增溫效果能根據(jù)晝夜和季節(jié)性溫度變化自動調(diào)節(jié)，但未來氣候變化不僅僅是溫度升高，還存在溫室氣體增加，全球極端氣候事件(如極端干旱和極端降水)發(fā)生頻率和強度不斷增加等情況，在未來實驗中，可以利用新型OTC系統(tǒng)結合其他實驗裝置來進行氣候變化的相關研究，以更全面地探討氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)中各物種產(chǎn)生的影響。