全球变化研究的装置——

自由CO₂气体施肥实验平台(FACE)

蒋高明

本文以《用FACE研究全球变化》为题发表在百科知识，2014年第12A期，有删节

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，直译为自由CO₂气体施肥实验平台。由于国内普通读者对气候变化及其研究设施比较陌生，因此，有必要在这里简要介绍一下。

气候变化及其模拟研究

在介绍FACE之前，先得来说全球变化（Global change），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。然而，当前因温室气体升高而引起的全球变化，按照当前科学界的共识，是人为改变大气组成成分和土地利用格局所诱发的。

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CO₂含量基本维持在280ppm(笔者上大学时用的植物生理学教材上的CO₂浓度还是290ppm，那是30年前的事了)。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CO₂多，固定的碳少，大气中CO₂逐渐上升，每年大约上升1.8ppm（约0.4%），当前已经上升到390ppm，其中人为排放约占增加部分的一半。CO₂升高造成的最大问题是气温升高，引起海平面升高。按照政府间气候变化小组（IPCC）的评估，在过去一个世纪里，全球表面平均温度已经上升了0.3℃到0.6℃，全球海平面上升了10到25厘米。许多学者的预测表明，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CO₂浓度将达到560ppm，全球平均温度可能上升1.5℃到4℃。

上述全球变化引起了各国科学家的担忧，纷纷开展了大量的模拟研究，主要针对植物个体、群落、微生物以及动物等开展实验，尤其开展的植物实验最多，包括农作物和蔬菜等。由于真正的CO₂浓度和温度变化尚未发生，因而只有采取人为提高CO₂浓度的方法并结合其它环境条件(如温度、养分、水分和光照)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。

FACE是什么？

1996年春天，笔者在美国生物圈二号做访问学者时，美国同事们给我介绍了FACE实验，并愿意带我到现场参观。由于我的研究方向是植物生理生态学，在国内对此也略有所闻，于是非常高兴地接受了邀请。我们驱车4个多小时来到位于凤凰城郊区的一片农田，这是亚利桑那州立大学的试验田，美国农业部的FACE实验也在那里。

回国后，我将FACE(Free-air CO₂ enrichment, FACE)翻译为“自由 CO₂气体施肥实验”，介绍给国内同行。FACE是在田间状态下直接通入高浓度的CO₂，由一圈垂直的管道直接将CO₂通入大田，CO₂浓度通过计算机控制；形成一个高浓度的CO₂场，可获得直径约23m的人工场；而其他环境条件如温度、湿度、风速、光照等很少发生改变，但植物的生长空间相对于其它控制实验实施明显增大了。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、小麦等农作物实验，后来有人对高大的森林也进行FACE处理。

简言之，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CO₂浓度增加后陆地生物圈系统的变化过程。该系统主要由CO₂气体供应装置和控制系统组成，其中气体供应装置由储气罐、液态CO₂汽化装置、送气和放气管道等部件组成；控制系统由主控计算机、放气控制系统和CO₂采样分析系统组成。根据冠层CO₂浓度测定结果，由控制系统实时调节FACE圈层内的CO₂浓度，使之一定的高CO₂值。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CO₂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CO₂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盆栽体积的限制，而且其提供的植物材料数远大于室内实验，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。FACE系统研究植物对高浓度CO₂的响应和适应，能更真实地模拟未来植物对高CO₂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CO₂一项每年约耗资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CO₂浓度响应的最理想的手段，目前已有大量的实验结果发表在国际刊物上。

其他的实验装置

其实，早在FACE之前，国际上还流行着其他的全球变化押金的实验装置，有些至今还在采用着。

1) 控制环境实验(ControlledEnviroment, CE)  这是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，设立一系列控制环境装置。一般以铝合金作骨架，以透明材料(玻璃、塑料薄膜等)罩在外面。由于要控制水分、CO₂浓度等，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CO₂浓度等因素人为组合，重复性好。缺点是光照通常减少，温度升高; 昼夜温差减少，光温不能同步; 温度升高，风速相对静止。最大的缺陷是大部分植物种在花盆中，植物根系生长的空间受限。

2) 开顶式同化箱(Open-topChambers, OTC)  基本结构同CE, 只是顶部开放，与大气相通。人为提高CO₂浓度，并使其他环境因子基本接近自然状态。虽如此，温度仍比外界高约3°C, 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。尤其温度升高影响了植物的蒸腾作用。在这种环境下所得的实验数据，不同的植物对CO₂ 升高的反应不同, 如大豆和玉米生物量提高，红薯的生物量反而低于对照。但由于温度的影响，用该法研究植物的水分生理反应时，数据的可靠性是值得怀疑的。优点是生长环境基本接近于自然状态，可自动控制CO₂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。

3) 移地实验(Transposingof Surface Soil with Vegetation, TSSV)  为了使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, 主要用于植物对于温度升高和降水改变响应的研究。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、降水差异或其它因子差异，且在空间上相互分离的两点，将一点的原状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。

国内的FACE实验

上世纪90年代末，中国学者在FACE设计思路基础上，设计了中国人自己的FACE。这个大型试验装置，位于扬州市江都区，以水稻为试验对象，由中国科学院南京土壤研究所的专家设计运行。

扬州的FACE实验场，由3个FACE圈和3个对照圈组成，前者二氧化碳浓度始终比后者高出后者200ppm。CO₂浓度升高，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%。国内的FACE实验，就是要明确不同水稻品种对CO₂升高的响应及机制，为未来育种提供新方向。

这套正在调试的系统，还可人为将气温升高2°C，综合模拟CO₂和气温升高后对水稻的影响。因此，我国学者的FACE实验，可监测温室气体与气温升高双因子对水稻的影响，比起美国早期的FACE有重要的改进。

中国科学院南京土壤研究所的上述FACE装置，是由该所的研究员朱建国博士建立的。他从事农业生态系统元素循环研究，1999年在日本看到FACE试验后，意识到这个试验将对全球变化下的粮食生产有重要作用，于是决定将该技术引到中国。2000年日本项目结束后，朱建国热切地邀请日方负责人前来中国考察。于是，中国科学家有了自己的FACE。

由于FACE实验系统是一个开放系统，自然条件千变万化，因此给实验设计以及实验测定带来很多室内实验所没有的变数，这些变数给研究者提供了机遇，有利于发现实验室内所不能观察到的新现象，因此受到了国内外全球变化研究学者的青睐，成为该领域理想的研究平台。