FACE實驗研究領域

1、植物對開放式CO2濃度增高的響應與適應研究研究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。但是由于相應的試驗條件如溫度、風速、濕度、降雨等因素與自然條件相去甚遠,采用從這種環(huán)境中所取得的研究結果預測自然環(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濃度的響應和適應以來,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。

關于植物對FACE的響應和適應,以往的研究主要側重于對植物形態(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理缺乏探討,例如:光合適應是如何發(fā)生的?早熟和結實率下降的內(nèi)在機理是什么?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)象的描述向生化機理的探討特別是向相關基因表達調(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,盡量縮小其不良效應,并為開展適應全球氣候變化的優(yōu)良品種選育和新的農(nóng)業(yè)技術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濃度增加的響應與適應研究大氣中的碳通過光合作用和呼吸作用進入生態(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濃度增加的響應有了比較清楚的認識,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研究設備在這一領域開展了廣泛的研究[28,29]。研究涉及的學科從分子生物學、生理學一直到全球生態(tài)學。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世紀中期時的CO2濃度水平(假設值)。如果達到這個目的,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(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)就可以很準確地描述21世紀中期大氣化學成分的變化情況。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。

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)遠大于室內(nèi)實驗,可以同時進行植物生理、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的響應和適應,能更真實地模擬未來植物對高CO2濃度的響應和適應情況,有利于揭示其適應的分子機理。

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手段。通過這種技術,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80年代中期,美國科學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氣體供應裝置和控制系統(tǒng)組成,其中氣體供應裝置由儲氣罐、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、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定濃度值。由于FACE圈沒有任何隔離設施,氣體可以自由流通,因此系統(tǒng)內(nèi)部通風、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。

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

(1)提出實驗研究課題(實驗目的)。實驗目的要求是實驗的出發(fā)點和歸宿，因此在實驗設計前，必須對實驗的目的要求相當明確。

(2)根據(jù)實驗目的要求，確定實驗的原理和方法。只有明確實驗原理和方法，才能對實驗設計作出合理的規(guī)劃。

(3)理清設計思路。實驗設計的基本思路是:目的--假設--變量--方法--步驟--器材。即根據(jù)實驗目的提出假設，圍繞假設確定被試和變量，按照實驗變量采取相應的方法、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，實驗將失去意義;沒有控制，則不能成為實驗。實驗應始終保持主題活性，細致觀察實驗現(xiàn)象，詳實記錄數(shù)據(jù)。

(5)結果處理。對實驗現(xiàn)象、結果、數(shù)據(jù)進行加工整理，準確表述實驗結論。

(6)評價與修正?；仡檶嶒炘O計，反思實驗過程，修正檢驗假設，對結果評價。

很多中學生都是理科愛好者，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一切的新時代，學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，學校和學生個人都應該提高對動手做實驗的關注。