用FACE研究全球变化

在全球变化研究中，有一个新名词进入了公众视野，这就是FACE（Free-air CO2 enrichment），直译为自由二氧化碳气体施肥实验平台。由于国内普通读者对气候变化及其相关研究设施比较陌生，因此，有必要在这里简要介绍一下。
　　因何而生
　　在介绍FACE之前，先要谈全球变化。这是因为，FACE是为全球变化研究而产生的。全球变化，也称全球气候变化，是指在全球范围内气候统计学意义上的改变或者持续较长一段时间的气候异常现象。
　　工业革命以来，大气中各种温室气体的浓度都在增加。1750年之前，大气中二氧化碳浓度基本维持在280ppm。随着人类活动加剧，尤其是不断消耗化石燃料（煤炭、石油等），大量砍伐森林，释放的二氧化碳远远高于固定的碳，大气中二氧化碳浓度逐渐上升，每年大约上升1.8ppm，其中人为排放约占增加部分的一半。二氧化碳浓度升高造成的最大问题是气温升高及其引起的海平面上升。按照政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估，在过去的1个世纪，全球表面平均温度上升了0.3℃～0.6℃，全球海平面平均上升了10～25厘米。许多学者预测，到本世纪中叶，世界能源消费的格局若不发生根本性变化，大气中二氧化碳浓度将达到560ppm，全球平均温度可能上升1.5℃～4℃。
　　上述变化引起了各国科学家的担忧，针对植物个体、群落、微生物以及动物等展开大量的模拟研究和实验，尤以植物实验最多。人们通过采取人为提高二氧化碳浓度的方法并结合温度、养分、水分和光照等其他环境条件的变化进行模拟研究。在这些方面，国外学者尝试了许多方法，FACE应运而生。
　　追本溯源
　　1996年春天，笔者在美国生物圈二号做访问学者时，美国同事向笔者介绍了FACE实验，并带领笔者到现场参观。
　　回国后，笔者将FACE翻译为“自由二氧化碳气体施肥实验”，并将其介绍给国内同行。FACE是在田间状态下由一圈垂直的管道直接将二氧化碳通入大田，由此形成一个高浓度的二氧化碳场，二氧化碳浓度通过计算机控制;其他环境条件，如温度、湿度、风速、光照等，基本不发生改变;但植物的生长空间相对于其他控制实验明显增大了。FACE由位于亚利桑那州凤凰城的美国农业部水保持实验室最早应用，先是应用于棉花、小麦等农作物，后来有人对高大的森林也进行了FACE处理。
　　简而言之，FACE是通过改变植物生长的微气候环境条件来模拟未来气候变化的一种技术手段，该技术可使人们了解在未来大气二氧化碳浓度增加后陆地生物圈系统的变化过程。由于FACE圈没有任何隔离设施，气体可以自由流通，因此系统内部的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，在这样的微域环境条件下，进行二氧化碳增加的模拟试验获得的数据更接近于真实情况。
　　FACE的主要优点在于，它是一个开放体系，避免了过去常用的密闭和半密闭二氧化碳施加实验对植物周围环境的干扰。以往的实验，特别是温室和人工气候室，在光照强度、温度和湿度以及昼夜温差等方面与自然环境差异很大。采用FACE系统的室外实验与以前常用的室内盆栽实验不同，对植物根系的生长没有体积限制，而且其提供的样本规模远大于室内实验，并且可以同时进行植物生理、生态以及生化等多方面的比较研究，能更真实地模拟未来植物对高二氧化碳浓度的响应和适应情况，更有利于揭示其生态适应的分子机理。
　　FACE的缺点是维持费用很高，仅二氧化碳一项每年约耗资200万美元，因此重复实验受到限制。然而，这是目前公认的研究植物对高二氧化碳浓度响应的最理想的手段。
　　其他装置
　　其实，早在FACE之前，国际上还流行着其他研究全球变化的实验装置，有些至今还在采用。
　　控制环境实验 这是被大部分生理生态学家广为采取的一种方法，尤其在农作物实验方面应用最广。主要在田间或野外条件下，设立一系列环境控制装置。一般以铝合金为骨架，将透明材料（玻璃、塑料薄膜等）罩在外面。整个装置处于封闭状态，可为研究者提供长期稳定的环境，并使温度条件与二氧化碳浓度等因素人为组合，重复性好。它的缺点是，光照较自然环境减少，温度偏高;昼夜温差减少，光温不能同步; 温度升高后，风速相对静止。其最大的缺陷是，大部分植物种在花盆中，根系的生长受限。
　　开顶式同化箱 基本结构同上，只是顶部开放，与大气相通。通过人为方式提高二氧化碳浓度，并使其他环境因子基本接近自然状态。虽如此，箱内温度仍比外界高约3℃， 光照减少约20%。因与其他植物隔离，病虫害状况与大田也有差异。尤其偏高的温度影响了植物的蒸腾作用。在这种环境下所得的数据具有一定参考价值。但由于温度的影响，用该法研究植物的水分生理反应时，数据的可靠性值得怀疑。它的优点是，生长环境基本接近于自然状态，可自动控制二氧化碳浓度，并使之与温度的变化同步。但植物的生长空间仍是受限的。
　　移地实验 为将模拟实验最大限度地置于自然环境下，减少人为因素的干扰，近年来不少学者开展了移地实验，主要用于研究植物对于温度升高和降水改变的响应。其原理是许多环境因子（如温度、降水）在空间上（经纬度和海拔高度）客观存在着梯度变化。利用这些梯度变化，可选择存在着一定温差、降水差异或其他因子差异、并且在空间上相互分离的两点，将一点的原始土体及其植被移入到另一点或相互移植，利用气候在空间上的差异来替代时间上的变异，达到模拟气候变化的目的，以研究植物对气候变化的响应。
　　国内研究
　　20世纪90年代末，我国学者在国外FACE设计思路的基础上，设计了中国人自己的FACE。这个大型装置位于江苏省扬州市江都区，以水稻为研究对象，由中国科学院南京土壤研究所的专家设计运行。
　　该实验场由3个FACE圈和3个对照圈组成，前者的二氧化碳浓度始终比后者高200ppm。研究显示，二氧化碳浓度升高后，生态系统养分循环加速，水稻产量增加12%～15%，还有一些品种增产达30%，但蛋白质含量下降了6%～10%。可以说，国内的FACE实验就是要明确不同水稻品种对二氧化碳升高的响应及机制，为未来的育种提供新方向。
　　这套正在调试的系统还可人为将实验场气温升高2℃，综合模拟二氧化碳和气温升高后对水稻的影响，比起美国早期的FACE实验系统有重要的改进。
　　【责任编辑】赵 菲