FACE實驗技術(shù)手段

FACE實驗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。上個世紀(jì)80年代中期,美國科學(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濃度測定結(jié)果,由控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)FACE圈層內(nèi)的CO2濃度,使之保持在高于對照的設(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增加的模擬試驗獲得的數(shù)據(jù)更接近于真實情況。

由于FACE實驗系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng),自然條件又千變?nèi)f化,因此給實驗設(shè)計以及實驗測定帶來很多室內(nèi)實驗所沒有的變數(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)實驗所不能遇到的新現(xiàn)象和新問題。

FACE系統(tǒng)的主要優(yōu)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CO2施加實驗對植物周圍環(huán)境的干擾。以往的實驗,特別是溫室和人工氣候室內(nèi)的實驗在輻射強(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)的室外實驗與以前常用的室內(nèi)盆栽實驗不同,對植物根系的生長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)實驗,可以同時進(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)研究植物對高濃度CO2的響應(yīng)和適應(yīng),能更真實地模擬未來植物對高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。

1、植物對開放式CO2濃度增高的響應(yīng)與適應(yīng)研究研究CO2濃度對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)測自然環(huán)境中CO2濃度對生態(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)研究植物對高CO2濃度的響應(yīng)和適應(yīng)以來,人們對高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,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受限制有關(guān)。

關(guān)于植物對FACE的響應(yīng)和適應(yīng),以往的研究主要側(cè)重于對植物形態(tài)、生長發(fā)育和光合作用的一般觀測,而對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營養(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踐意義。

2、陸地生態(tài)系統(tǒng)對大氣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濃度的升高會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。通過長期的研究,人們對植物個體或單一的生態(tài)系統(tǒng)組分對大氣中的CO2濃度增加的響應(yīng)有了比較清楚的認(rèn)識,但是大氣中的CO2濃度增加對整個生態(tài)系統(tǒng)是如何影響的卻知之甚少。數(shù)百位美國科學(xué)家利用美國能源部生物與環(huán)境研究辦公室的2個項目(陸地碳過程研究和生態(tài)系統(tǒng)研究計劃)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)。他們對生態(tài)系統(tǒng)水平上的研究計劃需要解決2個問題:

(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)中期時的CO2濃度水平(假設(shè)值)。如果達(dá)到這個目的,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)百平方米的實驗樣地,就有條件為大批研究團(tuán)隊回答生態(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陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響提供平臺。

由于實驗設(shè)計牽涉多方面的內(nèi)容，設(shè)計過程必須遵循一定的程序。一般來說，化學(xué)實驗設(shè)計有下列的程序:

(1)提出實驗研究課題(實驗?zāi)康?。實驗?zāi)康囊笫菍嶒灥某霭l(fā)點和歸宿，因此在實驗設(shè)計前，必須對實驗的目的要求相當(dāng)明確。

(2)根據(jù)實驗?zāi)康囊螅_定實驗的原理和方法。只有明確實驗原理和方法，才能對實驗設(shè)計作出合理的規(guī)劃。

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

(4)實施、對比、控制。在實驗實施過程中要特別重視對比和控制，對照不當(dāng)，實驗將失去意義;沒有控制，則不能成為實驗。實驗應(yīng)始終保持主題活性，細(xì)致觀察實驗現(xiàn)象，詳實記錄數(shù)據(jù)。

(5)結(jié)果處理。對實驗現(xiàn)象、結(jié)果、數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理，準(zhǔn)確表述實驗結(jié)論。

(6)評價與修正?；仡檶嶒炘O(shè)計，反思實驗過程，修正檢驗假設(shè)，對結(jié)果評價。

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驗器材自己做實驗。都說青少年是未來的希望，但是在如今這個科技主導(dǎo)一切的新時代，學(xué)生們連獨立的實驗都做不了，更別說發(fā)明創(chuàng)造。不管是從個人的角度還是國家的角度，學(xué)校和學(xué)生個人都應(yīng)該提高對動手做實驗的關(guān)注。