簡介
FACE實驗系統FACE實驗是最新發展起來的,為研究二氧化碳濃度升高對生態系統和植物生長的影響提供了另一種方法。
技術手段
FACE實驗是通過改變植物和生態系統的微氣候環境條件來模擬未來氣候變化的一種技術手段。通過這種技術,可以使人們了解在未來大氣CO2濃度增加後陸地生物圈系統的變化過程。上個世紀80年代中期,美國科學家們開始研究開放式空氣CO2增加裝置即FACE系統。FACE系統是指一個模擬未來CO2增加的微域環境。該系統主要由CO2氣體供應裝置和控制系統組成,其中氣體供應裝置由儲氣罐、液態CO2汽化裝置、送氣和放氣管道等部件組成;控制系統由主控計算機、放氣控制系統和CO2採樣分析系統組成。根據冠層CO2濃度測定結果,由控制系統實時調節FACE圈層內的CO2濃度,使之保持在高於對照的設定濃度值。由於FACE圈沒有任何隔離設施,氣體可以自由流通,因此系統內部通風、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態環境。因此,在這樣的微域環境條件下進行CO2增加的模擬試驗獲得的數據更接近於真實情況。
開放系統
由於FACE實驗系統是一個開放系統,自然條件又千變萬化,因此給實驗設計以及實驗測定帶來很多室內實驗所沒有的變數;然而也正是這些變數,給研究者提供了機遇,有利於發現室內實驗所不能遇到的新現象和新問題。
主要優點
FACE系統的主要優點在於它是一個開放體系,避免了過去常用的密閉和半密閉CO2施加實驗對植物周圍環境的干擾。以往的實驗,特別是溫室和人工氣候室內的實驗在輻射強度、溫度和濕度以及晝夜溫差等方面與自然環境差異很大。採用FACE系統的室外實驗與以前常用的室內盆栽實驗不同,對植物根系的生長沒有盆栽體積的限制,而且其提供的植物材料數遠大於室內實驗,可以同時進行植物生理、生態以及生化等多方面的比較研究[8]。FACE系統研究植物對高濃度CO2的回響和適應,能更真實地模擬未來植物對高CO2濃度的回響和適應情況,有利於揭示其適應的分子機理。
研究領域
1、植物對開放式CO2濃度增高的回響與適應研究研究CO2濃度對植物光合作用及其生理、生化過程的影響已有近百年的歷史。
20世紀80年代前主要通過提高溫室、培養箱或開頂式氣箱中CO2濃度,觀察植物生理、生化等的一系列變化。但是由於相應的試驗條件如溫度、風速、濕度、降雨等因素與自然條件相去甚遠,採用從這種環境中所取得的研究結果預測自然環境中CO2濃度對生態系統的影響具有較多的不確定性。自1989年利用FACE系統研究植物對高CO2濃度的回響和適應以來,人們對高CO2濃度條件下植物葉片氣孔、光合作用、物質分配、生育期以及作物產量等方面的變化作了大量觀測,發現FACE系統與密閉和半密閉系統的結果有較大的差異,這些差異主要與密閉和半密閉系統中溫度、濕度的變化以及盆栽根系生長受限制有關。
關於植物對FACE的回響和適應,以往的研究主要側重於對植物形態、生長發育和光合作用的一般觀測,而對於多種變化的分子機理缺乏探討,例如:光合適應是如何發生的?早熟和結實率下降的內在機理是什麼?是否由於根系活力不能滿足高濃度CO2條件下高光合引起的對營養的高需求所致?FACE條件下作物籽粒發育和灌漿過程中碳氮代謝的變化如何影響作物籽粒品質等等。
諸如此類的問題都有待於深入的研究。這方面的研究正面臨一個從生理現象的描述向生化機理的探討特別是向相關基因表達調控研究的轉變。這些研究無疑將有助於充分利用大氣CO2濃度不斷增高帶來的一些積極效應,儘量縮小其不良效應,並為開展適應全球氣候變化的優良品種選育和新的農業技術措施的制定提供理論依據,因此具有重要的理論和實踐意義。
2、陸地生態系統對大氣CO2濃度增加的回響與適應研究大氣中的碳通過光合作用和呼吸作用進入生態系統,因此大氣CO2濃度的升高會對生態系統產生重要的影響。通過長期的研究,人們對植物個體或單一的生態系統組分對大氣中的CO2濃度增加的回響有了比較清楚的認識,但是大氣中的CO2濃度增加對整個生態系統是如何影響的卻知之甚少。數百位美國科學家利用美國能源部生物與環境研究辦公室的2個項目(陸地碳過程研究和生態系統研究計畫)提供的FACE研究設備在這一領域開展了廣泛的研究[28,29]。研究涉及的學科從分子生物學、生理學一直到全球生態學。他們對生態系統水平上的研究計畫需要解決2個問題:
(1)使用FACE系統,增加的CO2和其他的微量氣體能夠穩定地保持在21世紀中期時的CO2濃度水平(假設值)。如果達到這個目的,需要在由高度至少在20m的放氣塑膠管圍成的直徑在15~30m的範圍內自然氣流沒有顯著的變化;
(2)採樣地面積過大將大大減小甚至排除了植被的邊緣效應(正常情況下是存在的),這也是在研究過程中需要解決的重要問題。解決了上述問題,從FACE得到的野外觀測數據就可以很準確地描述21世紀中期大氣化學成分的變化情況。有了數百平方米的實驗樣地,就有條件為大批研究團隊回答生態系統水平上的問題提供便利,因此也能為多學科、生態系統尺度上研究氣候變化對陸地生態系統的影響提供平台。
