李豫婷，馮永祥，韓 雪，仝乘風(fēng)，魏 強(qiáng)，李迎春

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半開放式CO2和溫度遞增系統(tǒng)(CTGC)的改進(jìn)：CO2濃度控制效果*

李豫婷1,2，馮永祥1**，韓 雪2**，仝乘風(fēng)2，魏 強(qiáng)2，李迎春2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 大慶 163000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081）

環(huán)境控制模擬系統(tǒng)，是開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球氣候變化響應(yīng)研究的有效手段，但目前應(yīng)用于試驗(yàn)中的模擬系統(tǒng)均存在一定局限，如CO2氣體過量消耗、試驗(yàn)成本較高、模擬的試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)的自然環(huán)境差異較大、試驗(yàn)空間有限、不易重復(fù)等。針對(duì)這些問題，本研究對(duì)半開放式CO2濃度和溫度遞增模擬系統(tǒng)（CTGC）進(jìn)行了硬件升級(jí)和設(shè)計(jì)改進(jìn)，針對(duì)其CO2濃度的控制效果包括CO2濃度監(jiān)測(cè)、CO2氣體釋放兩大系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其能達(dá)到精準(zhǔn)控制CO2氣體釋放，降低試驗(yàn)成本，精確模擬未來高CO2濃度的生產(chǎn)環(huán)境，其空間面積較大，適合多種作物同時(shí)試驗(yàn)。改進(jìn)后的系統(tǒng)利用電磁閥組和CO2濃度檢測(cè)傳感器組成的多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)各處理區(qū)域內(nèi)的CO2濃度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。在CO2氣體釋放源端，采用比例調(diào)節(jié)式減壓器，有效減少了CO2從儲(chǔ)氣罐中被減壓后在氣體管路中的壓力積蓄，控制CO2氣體精量釋放；系統(tǒng)將CO2釋放方式由縱向改為橫向，釋放管道由主管加支管組成，由控制流量調(diào)節(jié)閥將主管與支管相連接，使氣室內(nèi)形成均勻的CO2釋放區(qū)域，從而達(dá)到CO2濃度梯度升高的模擬效果。試運(yùn)行結(jié)果表明，改進(jìn)后的CTGC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)CO2濃度387±4.5、441±13.4、490±20.9、534±24.3和567±28.9μmol·mol-1的梯度遞增，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度加快，能夠精確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣室內(nèi)各處理區(qū)域CO2濃度的變化，并實(shí)現(xiàn)CO2氣體的精量釋放；系統(tǒng)內(nèi)的CO2濃度梯度遞增趨于穩(wěn)定，從而更好地模擬大氣CO2濃度逐漸升高的過程，滿足作物對(duì)氣候變化響應(yīng)研究的需要。

CTGC系統(tǒng)；CO2梯度；半開放；CO2控制系統(tǒng)

全球氣候變化已在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告顯示，大氣中CO2濃度已達(dá)400mg·kg-1，預(yù)計(jì)至2050年將達(dá)到550mg·kg-1左右。報(bào)告同時(shí)指出，CO2濃度升高全球變暖加劇，1880?2012年全球海陸表面平均溫度升高了0.85℃，呈線性上升趨勢(shì)。預(yù)計(jì)21世紀(jì)末全球平均溫度將比21世紀(jì)初增高0.3～4.8℃[1]。CO2作為作物光合作用的原料，其濃度升高一般會(huì)促進(jìn)作物的光合作用，并顯著減小葉片氣孔導(dǎo)度，影響蒸騰和水分利用率等[2-4]，從而導(dǎo)致作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)發(fā)生一系列變化；此外，大氣中CO2濃度升高氣候變暖還導(dǎo)致區(qū)域降水發(fā)生顯著變化，降水分布不均和降水量異常等現(xiàn)象發(fā)生頻繁[5]；加之氣候變暖加快地表水的蒸發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加，淡水資源損耗加速，作物生產(chǎn)需水量與可供給水量之間的矛盾越來越突出[6]。由此可見，氣候變化不僅影響作物自身的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)，還將通過影響降水分布、降水量和溫度等環(huán)境因素從而改變作物種植區(qū)域等方式對(duì)作物產(chǎn)生影響，直接關(guān)乎作物生產(chǎn)和糧食安全[7]。面對(duì)全球氣候變化趨勢(shì)日趨嚴(yán)重的問題，研究未來大氣CO2濃度、溫度和水分等直接影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素的變化，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是糧食作物生產(chǎn)至關(guān)重要，對(duì)制訂氣候變化適應(yīng)與減緩對(duì)策和措施具有重要意義[8]。目前，研究CO2濃度升高對(duì)作物影響的環(huán)境模擬系統(tǒng)，經(jīng)歷了封閉式—半開放式—開放式的發(fā)展過程。主要模擬系統(tǒng)包括CO2長(zhǎng)期處理溫室系統(tǒng)(CO2-controlled Long-Term greenhouse system CO2LT)、土壤植物大氣研究系統(tǒng)(Soil Plant Atmosphere Research system SPAR)、開頂式氣室(Open Top Chambers，OTCs)、半開放式溫度梯度系統(tǒng)(Temperature gradient chambers, TGC)、半開放式CO2濃度-溫度梯度系統(tǒng)(CO2-Temperature Gradient Chambers，CTGC)、開放式CO2濃度富集系統(tǒng)(Free-air CO2Enrichment，F(xiàn)ACE)以及Mini-FACE系統(tǒng)[9-15]。各類型的環(huán)境模擬系統(tǒng)均存在一定的局限性，封閉式模擬系統(tǒng)由于為全封閉狀態(tài)，其氣室內(nèi)的光照減少，溫度升高，晝夜溫差減小，風(fēng)速相對(duì)靜止，氣室內(nèi)部環(huán)境與自然環(huán)境隔絕，試驗(yàn)結(jié)果與自然環(huán)境下的結(jié)果差異較大[10]。半開放式OTC系統(tǒng)最大的缺陷是試驗(yàn)空間面積較小，不易重復(fù)，并不適合各種類作物進(jìn)行響應(yīng)試驗(yàn)，而且作物的根系生長(zhǎng)空間有限，試驗(yàn)條件變幅大。開放式FACE系統(tǒng)因其最接近于自然大氣狀態(tài)，試驗(yàn)精度高等獨(dú)特的優(yōu)越性適用范圍較廣[16]；但由于是開放式模擬系統(tǒng)，其CO2氣體釋放量較大，F(xiàn)ACE系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高[9,17]。且多數(shù)環(huán)境模擬系統(tǒng)僅考慮當(dāng)前和倍增后的大氣CO2濃度兩個(gè)CO2濃度處理，然而，氣候變化是個(gè)循序漸進(jìn)的過程[17]，大氣中的CO2濃度是逐漸變化而不是陡然升高到某個(gè)程度，因此，模擬CO2濃度升高的系統(tǒng)也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)梯度升高，以更加真實(shí)地模擬未來CO2濃度變化環(huán)境，從而更接近作物對(duì)未來環(huán)境的響應(yīng)。

半封閉式CTGC環(huán)境模擬系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2濃度的梯度升高。目前，CTGC系統(tǒng)在美國、日本、韓國、印度等國家被應(yīng)用于研究氣候變化、作物育種、作物栽培等領(lǐng)域[18-21]。中國學(xué)者也利用自行設(shè)計(jì)的CTGC系統(tǒng)進(jìn)行了一定的試探性研究，結(jié)果表明，CTGC系統(tǒng)適用于研究未來大氣CO2濃度升高對(duì)作物的影響，是研究作物對(duì)CO2濃度升高響應(yīng)的有效手段。該系統(tǒng)可以同時(shí)控制CO2濃度和溫度等多個(gè)環(huán)境因子，達(dá)到較好的模擬效果[9,17,19]，適用于多種環(huán)境因素交互作用對(duì)作物影響的研究。雖然該系統(tǒng)氣室內(nèi)的風(fēng)、光照和溫濕度等與自然環(huán)境存在一定差異，但其可供試驗(yàn)使用的空間面積較大，適合更多種類的作物進(jìn)行響應(yīng)試驗(yàn)；由于其為半開放式環(huán)境模擬系統(tǒng)，其CO2氣體的用量遠(yuǎn)小于開放式的FACE系統(tǒng)，節(jié)約資源的同時(shí)降低了試驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用。雖然CTGC系統(tǒng)有足夠的優(yōu)勢(shì)用于作物響應(yīng)試驗(yàn)中，但目前試驗(yàn)所使用的CTGC系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思路上仍存在一定不足，在硬件設(shè)備方面也存在改進(jìn)空間[17]。例如，CTGC系統(tǒng)內(nèi)的CO2濃度監(jiān)測(cè)裝置對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度不夠迅速，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)氣室內(nèi)不能完全實(shí)現(xiàn)CO2濃度梯度的均勻分布。此外，CO2氣體的釋放方式為縱向釋放，并且釋放管道僅為一根縱向主管道，難以實(shí)現(xiàn)各處理區(qū)域CO2氣體的精確釋放。因此，本研究針對(duì)CTGC系統(tǒng)存在的不足，在設(shè)計(jì)思路和硬件設(shè)備上分別進(jìn)行改進(jìn)與升級(jí)，使其能達(dá)到實(shí)時(shí)精確地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氣室內(nèi)各處理區(qū)域的CO2濃度，并達(dá)到精量釋放CO2氣體的目的，從而使該系統(tǒng)內(nèi)形成穩(wěn)定的CO2濃度梯度遞增處理，更好地模擬自然界大氣CO2濃度漸進(jìn)升高的過程，從而滿足氣候變化研究的需要。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地（46.59°N，125.16°E）進(jìn)行。2012年4月8日利用基地內(nèi)一長(zhǎng)28m、寬5m、高2.5m的獨(dú)立鋼架塑料氣室，內(nèi)部安裝CO2濃度監(jiān)測(cè)裝置、CO2氣體釋放裝置和氣體流通裝置共同組成CTGC系統(tǒng)。該系統(tǒng)由南向北形成5個(gè)連通的區(qū)域（圖1），分別為CK區(qū)、e1區(qū)、e2區(qū)、e3區(qū)和e4區(qū)，每區(qū)面積為5.1m×1.2m，每個(gè)區(qū)域又繼續(xù)劃分為3個(gè)裂區(qū)作為該處理的重復(fù)區(qū)域。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

針對(duì)CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和CO2氣體釋放系統(tǒng)對(duì)CTGC進(jìn)行改進(jìn)，采用CO2紅外傳感器與多通道電磁閥組進(jìn)行配套，形成CO2濃度數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)；并加密CTGC氣室內(nèi)CO2濃度檢測(cè)點(diǎn)，以更精確監(jiān)測(cè)各處理區(qū)域CO2濃度的變化?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)算出CO2氣體的控制釋放量，并向比例調(diào)節(jié)式減壓器輸出控制電壓，由其控制CO2氣體的釋放量。改進(jìn)后的CTGC系統(tǒng)其CO2氣體以橫向釋放，釋放管道由主管道和支管道組合而成 （圖1），二者由氣體流量調(diào)節(jié)閥相連接；流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)各區(qū)域內(nèi)的回送風(fēng)量，從而控制各CO2濃度梯度差。通過對(duì)各處理區(qū)域CO2濃度的精確監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)精量釋放，以形成氣室內(nèi)穩(wěn)定的CO2濃度梯度。

1.3 CO2濃度處理設(shè)計(jì)

2012年5月23日?9月10日對(duì)當(dāng)?shù)刂髟运疚鍍?yōu)稻四號(hào)和松粳9號(hào)兩個(gè)水稻品種進(jìn)行CO2濃度升高的環(huán)境模擬。各處理區(qū)域的CO2濃度預(yù)設(shè)值分別為390μmol·mol-1±10%（CK），450μmol·mol-1±10%（e1），500μmol·mol-1±10%（e2），550μmol·mol-1±10%（e3），600μmol·mol-1±10%（e4）。

2 結(jié)果與分析

2.1 改進(jìn)CTGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造

改進(jìn)后的CTGC系統(tǒng)共包括氣室、CO2濃度控制系統(tǒng)和氣體流通裝置3大部分（圖1），系統(tǒng)氣室長(zhǎng)28m，寬5m，高2.5m，由南向北縱向安置，入口處為進(jìn)氣端，裝有1.8m′1.6m網(wǎng)簾（日間啟用，夜晚關(guān)閉），出氣端裝4個(gè)直徑42cm大功率排風(fēng)扇，因此，氣室內(nèi)的氣流方向?yàn)橛赡舷虮?。由?shù)據(jù)采集監(jiān)控箱內(nèi)設(shè)置的CO2紅外傳感器（VAISALA: GMP-343型，芬蘭）與12個(gè)通道電磁閥組（MAC型，美國）配套，通過程序控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)10個(gè)CO2濃度氣體檢測(cè)通道間定時(shí)切換（間隔10s），從而完成系統(tǒng)內(nèi)各處理區(qū)域CO2濃度的監(jiān)測(cè)。在氣室內(nèi)每個(gè)CO2濃度處理區(qū)域安裝一個(gè)溫濕度傳感器，距地面2m高，每?jī)蓚€(gè)相鄰的溫濕度傳感器間隔5.6m。CO2釋放裝置由CO2鋼瓶、減壓器、鼓風(fēng)設(shè)備、釋放管道和流量調(diào)節(jié)閥組成。鋼瓶連接的釋放管道處安裝釋放比例式減壓器(SMC:ITV2030-312BL型，日本)，用于控制CO2鋼瓶的出氣量，有效降低了減壓后的CO2在管路中的壓力積蓄。該系統(tǒng)的CO2釋放方式為橫向釋放，釋放管道由主管道和支管道組合而成，距地面2.3m。主管道沿南北縱向安裝在氣室內(nèi)，一端密封，另一端連接回風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置CO2氣體補(bǔ)充進(jìn)氣口。沿縱向橫截面方向每隔5m安裝一條CO2釋放支管道，支管道頂端密封，管體上均勻排列直徑2mm的釋放孔，釋放孔垂直朝向地面；支管道與主管道由氣體流量調(diào)節(jié)閥相連，流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)斷層內(nèi)的回送風(fēng)量，并通過回送風(fēng)量控制各區(qū)域CO2濃度梯度差，使整個(gè)氣室內(nèi)形成間隔5m的4個(gè)均勻的CO2釋放區(qū)。

2.2 改進(jìn)CTGC系統(tǒng)的運(yùn)行原理

氣室內(nèi)CO2氣體在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，由與CO2鋼瓶連接的氣體管道經(jīng)CO2釋放比例式減壓器進(jìn)入釋放主管道。CO2氣體與主管道末端的高CO2濃度空氣混合，然后輸送至各支管道，釋放到空氣中形成CO2濃度的梯度分段區(qū)域。在氣室出氣端排風(fēng)扇的作用下，由進(jìn)氣端進(jìn)入新鮮空氣，流經(jīng)各分段區(qū)域時(shí)，由回風(fēng)釋放管道分段釋放CO2，系統(tǒng)通過加大回送風(fēng)管的直徑及風(fēng)機(jī)壓力，有效提高了混合回風(fēng)量，確?？諝饣旌铣掷m(xù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氣室內(nèi)穩(wěn)定的CO2濃度梯度升高，并使各處理區(qū)域內(nèi)的CO2濃度誤差控制在10％以內(nèi)。控制計(jì)算機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制的同時(shí)，自動(dòng)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為進(jìn)一步明確CO2濃度在每一梯度處理區(qū)域內(nèi)的水平分布情況，試驗(yàn)期間使用便攜式CO2濃度測(cè)定儀，在系統(tǒng)氣室內(nèi)分別沿各處理區(qū)域的縱向及橫向進(jìn)行觀測(cè)。

改進(jìn)后的CTGC系統(tǒng)其CO2濃度梯度處理，沿氣室縱向由進(jìn)氣端向出氣端依次排列。系統(tǒng)進(jìn)氣端3m內(nèi)為對(duì)照，即進(jìn)氣端與第一道放氣支管之間不進(jìn)行CO2釋放，為CK（390μmol·mol-1±10%）；e1（450μmol·mol-1±10%）位于第一道放氣支管與第二道放氣支管之間；e2、e3、e4依次排列，由此形成4個(gè)面積為5.1m×1.2m的CO2濃度梯度處理區(qū)域（表1）。

表1 觀測(cè)期（2012-05-23―09-10）各處理區(qū)域CO2濃度均值及梯度差值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

2.3 改進(jìn)CTGC系統(tǒng)中CO2濃度控制方法

CO2濃度控制系統(tǒng)由CO2濃度傳感裝置、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸設(shè)備、控制計(jì)算機(jī)、CO2氣體釋放裝置組成，利用PID（Proportion Integration Differentiation，比例-積分-微分）控制模式，通過監(jiān)測(cè)、比較差值、自動(dòng)釋放3個(gè)步驟實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)完成CO2濃度的調(diào)整和控制。首先通過電磁閥組和CO2濃度檢測(cè)傳感器（VAISALA:GMP-343型紅外傳感器，芬蘭）組成的多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)5個(gè)預(yù)設(shè)梯度處理區(qū)域內(nèi)CO2濃度，由控制計(jì)算機(jī)通過與系統(tǒng)預(yù)設(shè)CO2濃度梯度值比較計(jì)算控制量，向比例調(diào)節(jié)式減壓器輸出控制電壓，然后由減壓器控制CO2氣體的釋放量，使系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度梯度值達(dá)到預(yù)設(shè)的濃度范圍。

2.4 改進(jìn)CTGC系統(tǒng)中CO2濃度的監(jiān)測(cè)

CTGC系統(tǒng)使用的液態(tài)CO2純度為99.9%，由石化公司工業(yè)廢氣分離提純獲得，高壓鋼瓶貯運(yùn)，試驗(yàn)采用多個(gè)鋼瓶并聯(lián)的方式供氣。2012年5月23日? 9月10日對(duì)CTGC系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度分布進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。使用便攜式CO2檢測(cè)儀（EGM-4，PP Systems，美國）檢測(cè)各區(qū)域CO2濃度。

氣室內(nèi)CO2濃度測(cè)點(diǎn)的橫向分布：以CO2氣體釋放主管道為中心線將氣室縱向分為兩部分，每部分均包含一組CO2濃度梯度，由于每個(gè)處理區(qū)域有3個(gè)裂區(qū)作為重復(fù)，因此，每個(gè)CO2濃度處理區(qū)域內(nèi)包含6個(gè)均勻分布的檢測(cè)點(diǎn)。

氣室內(nèi)CO2濃度測(cè)點(diǎn)的縱向分布：依照處理區(qū)域的長(zhǎng)度，氣室內(nèi)縱向共均勻分布15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，第1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離進(jìn)氣端0.9m，相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.9m′2=1.8m，故第2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的位置為距進(jìn)氣端2.7m，第3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距進(jìn)氣端2.7m+1.8m= 4.5m，后續(xù)檢測(cè)點(diǎn)位置依次類推。因進(jìn)氣端3m內(nèi)為CK區(qū)域，所以其內(nèi)分布的2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在距進(jìn)氣端0.9m、2.7m的位置；而e1區(qū)域內(nèi)分布3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別距離進(jìn)氣端4.5m、6.3m、8.1m；e2區(qū)域內(nèi)分布3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別距離進(jìn)氣端9.9m、11.7m、13.5m；e3區(qū)域內(nèi)3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別距離進(jìn)氣端15.3m、17.1m、18.9m；e4區(qū)域靠近出氣端，因此多設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別距離進(jìn)氣端20.7m、22.5m、24.3m、26.1m，從而實(shí)現(xiàn)縱向檢測(cè)各處理區(qū)域的CO2濃度，以驗(yàn)證整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的CO2濃度梯度狀況。

2.5 改進(jìn)CTGC系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度的控制效果驗(yàn)證

2.5.1 各處理區(qū)域CO2濃度的梯度變化

對(duì)2012年5月23日?9月10日各處理區(qū)域CO2濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示（圖2），觀測(cè)期內(nèi)各區(qū)域CO2濃度均明顯高于外界和CK，且各區(qū)域間存在明顯差異，并按照區(qū)域e1、e2、e3、e4的順序逐漸增加，基本達(dá)到分區(qū)域增加的目的。進(jìn)一步由圖中可見，觀測(cè)期內(nèi)外界CO2濃度變化較平穩(wěn)，在329～415μmol·mol-1，CK處理CO2濃度保持在351～429μmol·mol-1，與大氣CO2濃度差異不大且變化趨勢(shì)基本一致，僅個(gè)別時(shí)間（如7月26日）CO2濃度異常高于大氣CO2濃度，說明系統(tǒng)所釋放的CO2氣體呈單向流動(dòng)，極少發(fā)生倒流。圖中各處理區(qū)域CO2濃度變化過程完全一致，也說明CO2氣體控制達(dá)到了單向流動(dòng)的目的。CO2逆流的情況主要發(fā)生在遇到與排氣方向相反的大風(fēng)天氣時(shí)，如7月26日和7月27日，由于試驗(yàn)基地發(fā)生了強(qiáng)烈的北風(fēng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體倒流進(jìn)入試驗(yàn)氣室內(nèi)，降低了釋放控制點(diǎn)的CO2濃度，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的CO2釋放量急劇增加。

從整個(gè)試驗(yàn)期CO2濃度均值來看（表1），隨著CO2濃度梯度的升高，每?jī)蓚€(gè)相鄰處理間存在一個(gè)CO2濃度梯度差值，氣室內(nèi)共4個(gè)CO2濃度梯度差值且并不均等，低CO2濃度處理之間的梯度差值較大，而高CO2濃度處理間較小。其原因是各CO2氣體釋放支管的回氣釋放量雖然相同，但由于各處理的基礎(chǔ)CO2濃度值不同，獲得相同量的CO2氣體補(bǔ)充時(shí)升高的幅度亦不同，從而導(dǎo)致梯度差值不一致。可通過支管上的氣體流量調(diào)節(jié)閥控制CO2釋放量，適當(dāng)降低低CO2濃度處理區(qū)的通氣量，以使各處理間的梯度差值趨于一致。此外，由表1還可見，各處理的CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)差，隨著梯度遞進(jìn)而升高，可能是由于相鄰梯度處理的CO2濃度發(fā)生波動(dòng)對(duì)后續(xù)處理產(chǎn)生影響，且這種影響有累積效應(yīng)。

2.5.2 區(qū)域內(nèi)CO2分布的均勻性

以CO2氣體釋放支管為界，系統(tǒng)氣室內(nèi)各CO2濃度處理的界限分明，且均表現(xiàn)為在靠近釋放支管的下風(fēng)向處略高。其中e1、e2、e3、e4處理靠近支管的下風(fēng)向處的CO2濃度，分別較這些處理內(nèi)其余觀測(cè)點(diǎn)的CO2濃度平均高6.7、3.9、19、7.1μmol·mol-1，但其增幅均小于標(biāo)準(zhǔn)差，基本可以忽略，所以，可以認(rèn)為各處理的CO2濃度分布較為均勻一致。由此證明，利用橫向支管垂直向下的方式進(jìn)行CO2氣體釋放，完全能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)氣室內(nèi)的CO2濃度的梯度遞增，且在同一處理區(qū)域內(nèi)CO2濃度分布均勻（圖3）。

由圖4可見，整體而言，除e1處理可能由于接近進(jìn)氣端受氣流的影響其CO2濃度的波動(dòng)較大外，各處理區(qū)域內(nèi)CO2濃度的橫向分布均較均勻。e1處理區(qū)域內(nèi)，中間部分的CO2濃度略低于兩側(cè)，這與兩側(cè)氣流受到氣室壁的摩擦阻力有關(guān)，越接近氣室壁受到的阻力越大，流速越慢，從氣室的橫截面來看，釋放支管受氣室半圓形頂氣室的物理空間限制，雖然釋放管道內(nèi)外的噴孔直徑一致，依據(jù)流體力學(xué)的理論能夠形成外側(cè)噴氣量略大于內(nèi)側(cè)的結(jié)果，但依然無法形成完全均勻的釋放氣幕，加之氣室兩側(cè)邊緣裸露土地的釋放作用，積累的CO2偏多，導(dǎo)致氣室邊緣CO2濃度略有增高。

3 結(jié)論與討論

改進(jìn)后的CTGC系統(tǒng)能夠有效迅速、精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放量，滿足了不同處理區(qū)域內(nèi)CO2氣體的濃度需求，大大提高了CO2釋放精度，從而達(dá)到很好的CO2濃度梯度升高的模擬效果。這主要是由于該CTGC系統(tǒng)的CO2濃度監(jiān)測(cè)裝置，系統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)增至10個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)了快速精確檢測(cè)，并可保持系統(tǒng)氣室內(nèi)的CO2濃度趨于穩(wěn)定。在整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理區(qū)域CO2濃度均明顯升高，且各處理之間存在明顯差異，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CO2濃度梯度升高的試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。各處理區(qū)域內(nèi)CO2濃度的最大標(biāo)準(zhǔn)差為28.9μmol·mol-1，均低于改良前的CTGC系統(tǒng)和FACE系統(tǒng)等環(huán)境模擬系統(tǒng)[22]。并且，該系統(tǒng)氣室內(nèi)CO2氣體控制能夠?qū)崿F(xiàn)單向流動(dòng)，使各處理區(qū)域CO2濃度變化趨勢(shì)保持與大氣CO2濃度的變化趨勢(shì)基本一致。因此，就CO2濃度的穩(wěn)定性來比較，新型CTGC系統(tǒng)更能滿足試驗(yàn)要求。

改進(jìn)后，各CO2氣體釋放支管的回氣釋放量雖然相同，但由于各處理的基礎(chǔ)CO2濃度不同，獲得相同量的CO2氣體補(bǔ)充時(shí)升高的幅度亦不同，導(dǎo)致各處理區(qū)域的梯度差值不一致?？赏ㄟ^CO2釋放支管上的氣體流量調(diào)節(jié)閥控制釋放量，適當(dāng)減少低濃度處理的通氣量，實(shí)現(xiàn)各處理區(qū)域CO2濃度差的隨時(shí)可調(diào)，使各處理間的梯度差值趨于一致，從而更加容易達(dá)到CO2濃度梯度遞增的要求。

鋅指蛋白作為轉(zhuǎn)錄因子中的一個(gè)大家族，廣泛參與了人類體內(nèi)的各種生物學(xué)進(jìn)程，尤其是在基因表達(dá)調(diào)控方面具有重要作用，使鋅指蛋白在結(jié)腸惡性腫瘤的診斷、治療等領(lǐng)域彰顯出巨大的潛力。近年來，隨著越來越多的鋅指蛋白被發(fā)現(xiàn)，以及對(duì)鋅指蛋白功能研究的更加深入，鋅指蛋白在結(jié)腸癌中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄、控制基因表達(dá)的特性已經(jīng)得到了廣泛的證實(shí)與認(rèn)可；用鋅指蛋白作為工具，調(diào)控哺乳動(dòng)物特定基因表達(dá)的相關(guān)體外實(shí)驗(yàn)也取得了很大的進(jìn)展。但是就目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，在結(jié)腸癌中還有許多鋅指蛋白和其作用機(jī)制尚未完全明了，鋅指蛋白能否作為結(jié)腸癌治療新靶點(diǎn)的問題也尚未明確，這些都有待于進(jìn)一步的研究與探索。

改進(jìn)后的系統(tǒng)采用了支管釋放CO2氣體的方式，縱向上氣室內(nèi)CO2濃度從線性連續(xù)變化轉(zhuǎn)變?yōu)樘荻茸兓?。并且，系統(tǒng)可以對(duì)各個(gè)處理的面積進(jìn)行調(diào)整，兩個(gè)CO2釋放支管間有較大的控制面積，每個(gè)控制面積內(nèi)有相對(duì)較為一致的環(huán)境，使之更加適合應(yīng)用到各種不同面積要求的試驗(yàn)中。CO2釋放支管上的釋放孔垂直向下，通過氣室內(nèi)氣流的作用使釋放氣體在橫向上對(duì)釋放面的覆蓋更為均勻。

改進(jìn)后的CTGC系統(tǒng)，包含5個(gè)CO2濃度處理區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2濃度梯度升高的模擬環(huán)境，優(yōu)越于其它模擬系統(tǒng)僅包含兩個(gè)或三個(gè)CO2濃度升高處理，可以更好地模擬未來CO2濃度逐漸升高的環(huán)境和作物的響應(yīng)過程。該系統(tǒng)氣室內(nèi)各處理的CO2濃度，在縱向上分布較均勻，由此可見，利用CO2氣體釋放主管道與支管道組合方式進(jìn)行氣體釋放，能夠使各處理區(qū)域的CO2濃度在縱向上均勻分布，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)氣室內(nèi)的CO2濃度梯度遞增。而各處理區(qū)域在橫向上其CO2濃度分布整體而言也較均勻，但e1處理CO2濃度的橫向分布有較大波動(dòng)，這可能是由于其接近進(jìn)氣端，受外界氣流的影響，加之氣室兩側(cè)氣流受阻的關(guān)系，從而造成其CO2濃度橫向分布波動(dòng)較大，氣室邊緣CO2濃度略高。

該系統(tǒng)氣室內(nèi)CK區(qū)域的CO2濃度高于外界，分析其原因可能是，氣室內(nèi)作物和土壤微生物的夜間呼吸作用釋放一定量的CO2，由于氣室塑料薄膜的阻擋作用，CO2未能及時(shí)擴(kuò)散至外界，所以造成CK區(qū)域CO2濃度高于大氣。這種差異在春秋季節(jié)較小，而在夏季較大，這是由作物和溫度兩方面原因造成的，首先，夏季作物生長(zhǎng)量大，生理活動(dòng)旺盛，呼吸作用強(qiáng)，釋放的CO2氣體較多[23]；其次，夏季氣室內(nèi)溫度較高，作物的加速生長(zhǎng)和土壤微生物的各種代謝活動(dòng)也是增加系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度的主要原因之一[24]。

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Improved Semi-open CO2Concentration and Temperature Gradient Chambers (CTGC): Controlling to CO2Concentration

LI Yu-ting1,2, FENG Yong-xiang1, HAN Xue2, TONG Cheng-feng2, WEI Qiang2, LI Ying-chun2

(1.College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163000, China; 2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

Environmental simulation system is an effective way to study the response of agro-ecological system to global change.However, current atmospheric carbon dioxide (CO2) enrichmentsimulation systems have some limitations, includingexcessive CO2gas consumption, high experimental cost, disparity between the simulated and the natural environments, space limitation, lack of replications. To address these problems, we upgraded the hardware and improved the design of the CO2concentration and temperature gradient chambers (CTGCs) that control CO2gas to release accurately and cost-effectively to improve the simulation of future elevated CO2concentration environment. Besides, the improved CTGCs was more spacious, which allowed the growth of more crop species simultaneously. In this system we used a set of electromagnetic valves and an individual CO2concentration infrared sensor to constitute a multi-passageway CO2concentration monitoring system for real-time monitoring of the change in CO2concentration. A proportional pressure reducing regulator valve was also deployed at the source of CO2gas emission. This effectively reduced the pressure storing in the gas pipeline when CO2was compressed and released from the gasholder, which resulted in accurate CO2gas emission. The pipeline consisted of head and peripheral branch tubes which were connected to the flux regulating valve. The equipment changed the CO2gas emission from longitudinal to lateral emission. The above changes form an evenly-distributed CO2gas released area in the improved CTGC system. The improved CTGC system achieved CO2concentrations of 387±4.5, 441±13.4, 490±20.9, 534±24.3and 567±28.9μmol·mol-1. The system improved effectively the response to environmental change, performed accurately real-time monitoring the change in CO2concentration in every treatment of the chamber, and released precisely CO2gas to maintain the targeted CO2concentration gradient in a stable and continuously manner. In summary, the improved CTGC system would be a better system for studying the responses of plants to CO2enrichment.

CTGC system; CO2concentration gradient; Semi-open; CO2simulation systems

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.02.005

2016?06?30

國家科技支撐計(jì)劃“旱地生態(tài)系統(tǒng)固碳減排技術(shù)集成與示范”(2013BAD11B03); 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2012CB955904)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)

李豫婷（1990-），女，碩士，主要研究方向?yàn)樽魑镌耘嗯c耕作、氣候變化對(duì)作物的影響。E-mail:729392000@qq.com

**通訊作者。E-mail:312652275@qq.com; hanxue@caas.cn