北河以北

什么是 FACE 实验

文/宋春林

这几天又接触到一个新概念:FACE实验。这里的FACE和脸无关,而是Free-Air CO2 Enrichment的简称。FACE(自由大气CO2增加)实验是生态学中的一种室外试验方法,主要是研究二氧化碳增加对植物和生态系统的影响,从而模拟和预测全球CO2增加之后对地球生态系统的影响。

FACE实验的主要方法是在实验样地外围以环形布局安装可向植物释放CO2的水平或垂直管道,释放的CO2浓度可以通过传感器和电脑控制。实验尺度可大可小,大部分FACE实验设备安装半径在1米到30米之间。目前已有的FACE实验大多把CO2浓度控制在475-600ppm(地球大气目前的CO2浓度约400ppm)。

FACE实验的理念最早始于1985年之前一些科学家探索O3和SO2对植物影响的研究,这些研究在实验样地外用环形阵列装置增加气体,然后研究植物的反馈情况。美国布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,BNL)于1989年建立了世界上第一个真正意义上的FACE系统,研究增加CO2对棉花生长的影响,该实验由G. R. Hendrey主导。当时研究的结论是CO2浓度在500ppm±10%情况下,棉花的光合作用效率和地上地下生物量显著增加,土壤呼吸和WUE增加,蒸散发减小。

后续的FACE实验研究也得出了类似结论,CO2浓度增加可以提高二磷酸核酮糖羧化酶的羧化效率并约束RubP的氧化作用,从而增加光合速率。其中树木对于CO2浓度增加响应最敏感,叶面积指数有所增加;豆科植物的响应弱于树木;C4植物的响应相对而言最不敏感。气孔导度会随着CO2浓度增加而减小。

FACE实验可用于森林、草地、荒漠和农田生态系统。目前,FACE实验在农业上用得最多,原因可能是全球CO2升高,人们首先关心的是粮食问题。FACE实验与稳定碳同位素技术结合可以从微观上研究CO2浓度增加对植物影响。

相对于室内试验,FACE实验考虑了更多的生态系统环境因子,实验状态更接近植物和生态系统的自然状态,从而可使模拟更真实、有效;由于不局限于室内,可以从多个方面进行研究。可以说,FACE实验是目前模拟地球CO2增加影响的最佳方案。但是FACE实验的缺点是造价昂贵,NBL的FACE实验从1989年到1990年包括设备、管理、人员费用一共花了140万美元,对于一般的研究团队这算是天文数字了。

1990年,FACE Ring-2实验样地。a为风扇罩,b为22米的直径,c为VVP管,d为风速测杆,e为行人通道。图片引自:Vegetatio 104/105: 17-31, 1993。

参考资料:FACE WikipediaNew Phytologist(2005) 165: 351–372Managed Ecosystems and CO2:Case Studies, Processes, and PerspectivesVegetatio 104/105: 17-31, 1993

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分类 学无止境  标签 生态学