用FACE研究全球變化

蔣高明

在全球變化研究中，有一個新名詞進入了公眾視野，這就是FACE（Free-air CO2 enrichment），直譯為自由二氧化碳氣體施肥實驗平臺。由于國內普通讀者對氣候變化及其相關研究設施比較陌生，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。這是因為，FACE是為全球變化研究而產生的。全球變化，也稱全球氣候變化，是指在全球范圍內氣候統計學意義上的改變或者持續較長一段時間的氣候異?，F象。

工業革命以來，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，釋放的二氧化碳遠遠高于固定的碳，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（IPCC）的評估，在過去的1個世紀，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。許多學者預測，到本世紀中葉，世界能源消費的格局若不發生根本性變化，大氣中二氧化碳濃度將達到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家的擔憂，針對植物個體、群落、微生物以及動物等展開大量的模擬研究和實驗，尤以植物實驗最多。人們通過采取人為提高二氧化碳濃度的方法并結合溫度、養分、水分和光照等其他環境條件的變化進行模擬研究。在這些方面，國外學者嘗試了許多方法，FACE應運而生。

追本溯源

1996年春天，筆者在美國生物圈二號做訪問學者時，美國同事向筆者介紹了FACE實驗，并帶領筆者到現場參觀。

回國后，筆者將FACE翻譯為“自由二氧化碳氣體施肥實驗”，并將其介紹給國內同行。FACE是在田間狀態下由一圈垂直的管道直接將二氧化碳通入大田，由此形成一個高濃度的二氧化碳場，二氧化碳濃度通過計算機控制;其他環境條件，如溫度、濕度、風速、光照等，基本不發生改變;但植物的生長空間相對于其他控制實驗明顯增大了。FACE由位于亞利桑那州鳳凰城的美國農業部水保持實驗室最早應用，先是應用于棉花、小麥等農作物，后來有人對高大的森林也進行了FACE處理。

簡而言之，FACE是通過改變植物生長的微氣候環境條件來模擬未來氣候變化的一種技術手段，該技術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的變化過程。由于FACE圈沒有任何隔離設施，氣體可以自由流通，因此系統內部的通風、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態環境，在這樣的微域環境條件下，進行二氧化碳增加的模擬試驗獲得的數據更接近于真實情況。

FACE的主要優點在于，它是一個開放體系，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，在光照強度、溫度和濕度以及晝夜溫差等方面與自然環境差異很大。采用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體積限制，而且其提供的樣本規模遠大于室內實驗，并且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，能更真實地模擬未來植物對高二氧化碳濃度的響應和適應情況，更有利于揭示其生態適應的分子機理。

FACE的缺點是維持費用很高，僅二氧化碳一項每年約耗資200萬美元，因此重復實驗受到限制。然而，這是目前公認的研究植物對高二氧化碳濃度響應的最理想的手段。

其他裝置

其實，早在FACE之前，國際上還流行著其他研究全球變化的實驗裝置，有些至今還在采用。

控制環境實驗 ? 這是被大部分生理生態學家廣為采取的一種方法，尤其在農作物實驗方面應用最廣。主要在田間或野外條件下，設立一系列環境控制裝置。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。整個裝置處于封閉狀態，可為研究者提供長期穩定的環境，并使溫度條件與二氧化碳濃度等因素人為組合，重復性好。它的缺點是，光照較自然環境減少，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 ? 基本結構同上，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，并使其他環境因子基本接近自然狀態。雖如此，箱內溫度仍比外界高約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。在這種環境下所得的數據具有一定參考價值。但由于溫度的影響，用該法研究植物的水分生理反應時，數據的可靠性值得懷疑。它的優點是，生長環境基本接近于自然狀態，可自動控制二氧化碳濃度，并使之與溫度的變化同步。但植物的生長空間仍是受限的。

移地實驗 ? 為將模擬實驗最大限度地置于自然環境下，減少人為因素的干擾，近年來不少學者開展了移地實驗，主要用于研究植物對于溫度升高和降水改變的響應。其原理是許多環境因子（如溫度、降水）在空間上（經緯度和海拔高度）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，將一點的原始土體及其植被移入到另一點或相互移植，利用氣候在空間上的差異來替代時間上的變異，達到模擬氣候變化的目的，以研究植物對氣候變化的響應。

國內研究

20世紀90年代末，我國學者在國外FACE設計思路的基礎上，設計了中國人自己的FACE。這個大型裝置位于江蘇省揚州市江都區，以水稻為研究對象，由中國科學院南京土壤研究所的專家設計運行。

該實驗場由3個FACE圈和3個對照圈組成，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，生態系統養分循環加速，水稻產量增加12%～15%，還有一些品種增產達30%，但蛋白質含量下降了6%～10%?？梢哉f，國內的FACE實驗就是要明確不同水稻品種對二氧化碳升高的響應及機制，為未來的育種提供新方向。

這套正在調試的系統還可人為將實驗場氣溫升高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實驗系統有重要的改進。

【責任編輯】趙 ?菲