FACE實(shí)驗(yàn)

由于FACE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng),自然條件又千變?nèi)f化,因此給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)定帶來很多室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所沒有的變數(shù);然而也正是這些變數(shù),給研究者提供了機(jī)遇,有利于發(fā)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所不能遇到的新現(xiàn)象和新問題。

1、植物對(duì)開放式CO2濃度增高的響應(yīng)與適應(yīng)研究研究CO2濃度對(duì)植物光合作用及其生理、生化過程的影響已有近百年的歷史。

20世紀(jì)80年代前主要通過提高溫室、培養(yǎng)箱或開頂式氣箱中CO2濃度,觀察植物生理、生化等的一系列變化。但是由于相應(yīng)的試驗(yàn)條件如溫度、風(fēng)速、濕度、降雨等因素與自然條件相去甚遠(yuǎn),采用從這種環(huán)境中所取得的研究結(jié)果預(yù)測(cè)自然環(huán)境中CO2濃度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響具有較多的不確定性。自1989年利用FACE系統(tǒng)研究植物對(duì)高CO2濃度的響應(yīng)和適應(yīng)以來,人們對(duì)高CO2濃度條件下植物葉片氣孔、光合作用、物質(zhì)分配、生育期以及作物產(chǎn)量等方面的變化作了大量觀測(cè),發(fā)現(xiàn)FACE系統(tǒng)與密閉和半密閉系統(tǒng)的結(jié)果有較大的差異,這些差異主要與密閉和半密閉系統(tǒng)中溫度、濕度的變化以及盆栽根系生長(zhǎng)受限制有關(guān)。

關(guān)于植物對(duì)FACE的響應(yīng)和適應(yīng),以往的研究主要側(cè)重于對(duì)植物形態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育和光合作用的一般觀測(cè),而對(duì)于多種變化的分子機(jī)理缺乏探討,例如:光合適應(yīng)是如何發(fā)生的?早熟和結(jié)實(shí)率下降的內(nèi)在機(jī)理是什么?是否由于根系活力不能滿足高濃度CO2條件下高光合引起的對(duì)營(yíng)養(yǎng)的高需求所致?FACE條件下作物籽粒發(fā)育和灌漿過程中碳氮代謝的變化如何影響作物籽粒品質(zhì)等等。

諸如此類的問題都有待于深入的研究。這方面的研究正面臨一個(gè)從生理現(xiàn)象的描述向生化機(jī)理的探討特別是向相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控研究的轉(zhuǎn)變。這些研究無疑將有助于充分利用大氣CO2濃度不斷增高帶來的一些積極效應(yīng),盡量縮小其不良效應(yīng),并為開展適應(yīng)全球氣候變化的優(yōu)良品種選育和新的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的制定提供理論依據(jù),因此具有重要的理論和實(shí)踐意義。

2、陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2濃度增加的響應(yīng)與適應(yīng)研究大氣中的碳通過光合作用和呼吸作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng),因此大氣CO2濃度的升高會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。通過長(zhǎng)期的研究,人們對(duì)植物個(gè)體或單一的生態(tài)系統(tǒng)組分對(duì)大氣中的CO2濃度增加的響應(yīng)有了比較清楚的認(rèn)識(shí),但是大氣中的CO2濃度增加對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是如何影響的卻知之甚少。數(shù)百位美國(guó)科學(xué)家利用美國(guó)能源部生物與環(huán)境研究辦公室的2個(gè)項(xiàng)目(陸地碳過程研究和生態(tài)系統(tǒng)研究計(jì)劃)提供的FACE研究設(shè)備在這一領(lǐng)域開展了廣泛的研究[28,29]。研究涉及的學(xué)科從分子生物學(xué)、生理學(xué)一直到全球生態(tài)學(xué)。他們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水平上的研究計(jì)劃需要解決2個(gè)問題:

(1)使用FACE系統(tǒng),增加的CO2和其他的微量氣體能夠穩(wěn)定地保持在21世紀(jì)中期時(shí)的CO2濃度水平(假設(shè)值)。如果達(dá)到這個(gè)目的,需要在由高度至少在20m的放氣塑料管圍成的直徑在15~30m的范圍內(nèi)自然氣流沒有顯著的變化;

(2)采樣地面積過大將大大減小甚至排除了植被的邊緣效應(yīng)(正常情況下是存在的),這也是在研究過程中需要解決的重要問題。解決了上述問題,從FACE得到的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)就可以很準(zhǔn)確地描述21世紀(jì)中期大氣化學(xué)成分的變化情況。有了數(shù)百平方米的實(shí)驗(yàn)樣地,就有條件為大批研究團(tuán)隊(duì)回答生態(tài)系統(tǒng)水平上的問題提供便利,因此也能為多學(xué)科、生態(tài)系統(tǒng)尺度上研究氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響提供平臺(tái)。

FACE實(shí)驗(yàn)是通過改變植物和生態(tài)系統(tǒng)的微氣候環(huán)境條件來模擬未來氣候變化的一種技術(shù)手段。通過這種技術(shù),可以使人們了解在未來大氣CO2濃度增加后陸地生物圈系統(tǒng)的變化過程。上個(gè)世紀(jì)80年代中期,美國(guó)科學(xué)家們開始研究開放式空氣CO2增加裝置即FACE系統(tǒng)。FACE系統(tǒng)是指一個(gè)模擬未來CO2增加的微域環(huán)境。該系統(tǒng)主要由CO2氣體供應(yīng)裝置和控制系統(tǒng)組成,其中氣體供應(yīng)裝置由儲(chǔ)氣罐、液態(tài)CO2汽化裝置、送氣和放氣管道等部件組成;控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、放氣控制系統(tǒng)和CO2采樣分析系統(tǒng)組成。根據(jù)冠層CO2濃度測(cè)定結(jié)果,由控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)FACE圈層內(nèi)的CO2濃度,使之保持在高于對(duì)照的設(shè)定濃度值。由于FACE圈沒有任何隔離設(shè)施,氣體可以自由流通,因此系統(tǒng)內(nèi)部通風(fēng)、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態(tài)環(huán)境。因此,在這樣的微域環(huán)境條件下進(jìn)行CO2增加的模擬試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)更接近于真實(shí)情況。

FACE系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它是一個(gè)開放體系,避免了過去常用的密閉和半密閉CO2施加實(shí)驗(yàn)對(duì)植物周圍環(huán)境的干擾。以往的實(shí)驗(yàn),特別是溫室和人工氣候室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)在輻射強(qiáng)度、溫度和濕度以及晝夜溫差等方面與自然環(huán)境差異很大。采用FACE系統(tǒng)的室外實(shí)驗(yàn)與以前常用的室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)不同,對(duì)植物根系的生長(zhǎng)沒有盆栽體積的限制,而且其提供的植物材料數(shù)遠(yuǎn)大于室內(nèi)實(shí)驗(yàn),可以同時(shí)進(jìn)行植物生理、生態(tài)以及生化等多方面的比較研究[8]。FACE系統(tǒng)研究植物對(duì)高濃度CO2的響應(yīng)和適應(yīng),能更真實(shí)地模擬未來植物對(duì)高CO2濃度的響應(yīng)和適應(yīng)情況,有利于揭示其適應(yīng)的分子機(jī)理。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)牽涉多方面的內(nèi)容，設(shè)計(jì)過程必須遵循一定的程序。一般來說，化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有下列的程序:

(1)提出實(shí)驗(yàn)研究課題(實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊笫菍?shí)驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)的目的要求相當(dāng)明確。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊螅_定實(shí)驗(yàn)的原理和方法。只有明確實(shí)驗(yàn)原理和方法，才能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作出合理的規(guī)劃。

(3)理清設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路是:目的--假設(shè)--變量--方法--步驟--器材。即根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶岢黾僭O(shè)，圍繞假設(shè)確定被試和變量，按照實(shí)驗(yàn)變量采取相應(yīng)的方法、手段、依從變量控制安排實(shí)驗(yàn)步驟、選擇合適器材和反應(yīng)條件等。

(4)實(shí)施、對(duì)比、控制。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中要特別重視對(duì)比和控制，對(duì)照不當(dāng)，實(shí)驗(yàn)將失去意義;沒有控制，則不能成為實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)始終保持主題活性，細(xì)致觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，詳實(shí)記錄數(shù)據(jù)。

(5)結(jié)果處理。對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果、數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理，準(zhǔn)確表述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(6)評(píng)價(jià)與修正?；仡檶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，反思實(shí)驗(yàn)過程，修正檢驗(yàn)假設(shè)，對(duì)結(jié)果評(píng)價(jià)。

很多中學(xué)生都是理科愛好者，但是由于種種原因，他們很少拿起這些實(shí)驗(yàn)器材自己做實(shí)驗(yàn)。都說青少年是未來的希望，但是在如今這個(gè)科技主導(dǎo)一切的新時(shí)代，學(xué)生們連獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)都做不了，更別說發(fā)明創(chuàng)造。不管是從個(gè)人的角度還是國(guó)家的角度，學(xué)校和學(xué)生個(gè)人都應(yīng)該提高對(duì)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的關(guān)注。