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。由于國內(nèi)普通讀者對氣候變化及其相關(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)?，F(xiàn)ACE是為全球變化研究而產(chǎn)生的。全球變化，也稱全球氣候變化，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)較長一段時(shí)間的氣候異?，F(xiàn)象。

工業(yè)革命以來，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門委員會(huì)（IPCC）的評估，在過去的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，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科學(xué)家的擔(dān)憂，針對植物個(gè)體、群落、微生物以及動(dòng)物等展開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，筆者在美國生物圈二號做訪問學(xué)者時(shí)，美國同事向筆者介紹了FACE實(shí)驗(yàn)，并帶領(lǐng)筆者到現(xiàn)場參觀。

回國后，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，二氧化碳濃度通過計(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;但植物的生長空間相對于其他控制實(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，后來有人對高大的森林也進(jìn)行了FACE處理。

簡而言之，F(xiàn)ACE是通過改變植物生長的微氣候環(huán)境條件來模擬未來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大氣二氧化碳濃度增加后陸地生物圈系統(tǒng)的變化過程。由于FACE圈沒有任何隔離設(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)開放體系，避免了過去常用的密閉和半密閉二氧化碳施加實(shí)驗(yàn)對植物周圍環(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，對植物根系的生長沒有體積限制，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)地模擬未來植物對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)速相對靜止。其最大的缺陷是，大部分植物種在花盆中，根系的生長受限。

開頂式同化箱 ? 基本結(jié)構(gòu)同上，只是頂部開放，與大氣相通。通過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，近年來不少學(xué)者開展了移地實(shí)驗(yàn)，主要用于研究植物對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，以研究植物對氣候變化的響應(yīng)。

國內(nèi)研究

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

該實(shí)驗(yàn)場由3個(gè)FACE圈和3個(gè)對照圈組成，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，國內(nèi)的FACE實(shí)驗(yàn)就是要明確不同水稻品種對二氧化碳升高的響應(yīng)及機(jī)制，為未來的育種提供新方向。

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

【責(zé)任編輯】趙 ?菲