FACE实验技术和方法回顾及其在全球变化研究中的应用
冯兆忠, 徐彦森, 尚博
植物生态学报
2020, 44 ( 4):
340-349.
DOI: 10.17521/cjpe.2019.0223
化石燃料的燃烧和城市化进程的加快导致大气中二氧化碳(CO2)和臭氧(O3)浓度日益升高, 大气气体浓度的变化会对植物个体和陆地生态系统结构与功能产生影响。CO2浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力, 而O3导致作物减产和生态系统固碳损失。自由空气中气体浓度增加(FACE)系统是最接近自然的一种模拟大气气体浓度增加对生态系统影响的研究平台, 已广泛应用于各种生态系统, 为理解陆地生态系统生态过程对全球变化的响应及评估未来情景的生态风险提供了重要科学依据。该文从FACE技术特点出发, 介绍了国内外建成的大型CO2/O3-FACE系统, 分析了FACE系统的不同布气方式在不同生态系统研究过程中的优点与缺点, 概述了全球FACE运行的现状和取得的主要成果, 并指出了FACE系统存在的主要问题和前沿研究方向。
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图3
北京延庆O3-N-FACE系统。
正文中引用本图/表的段落
为了更加减少气体的损失, 将布气管道从顶部均匀地垂到整个冠层中间(Grams et al., 2011)。使用这种方式在全球范围内建设了许多小型FACE系统, 大量节约了研究经费。日本和意大利利用此布气方式, 分别建立了森林树木的O3-FACE系统(Watanabe et al., 2013; Paoletti et al., 2017), 他们利用内径4 mm的特氟龙管, 将高浓度O3布设到整个样地内部, 均匀增加整个样地内的O3浓度, 这种方法也被应用于德国的isoFACE系统, 将低碳稳定同位素比值(δ13C)的CO2气体均匀释放到冠层内部(Grams et al., 2011)。这种布气方式不用考虑冠层和风速的影响, 显著提高了浓度分布的均匀性。但是在增加O3浓度实验中存在严重的问题, O3浓度在实际大气中存在显著的垂直分布规律, 因此这样的布设方法与自然情况下并不一致, 会过高估计大气气体成分的生态效应。此外, 从管道中释放出来的O3浓度极高, 释放气体的管路与植物叶片的间距较小, 直接喷射在叶片表面容易造成叶片的急性伤害。为了研究O3对杨树人工林的影响, 在北京延庆建立了世界第一个杨树(Populus deltoides)人工林开放式O3浓度升高与氮沉降研究平台(O3-N-FACE)(图3)。改进样地内垂直布气方式, 在16 m的正方形样地上方设置了8根长16 m的管道, 从管道释放的O3气体只需要通过自然风扩散2 m的距离即可实现有效布气。增加的O3气体通过自由扩散和沉降方式向下移动更加符合自然大气沉降规律。研究对象杨树具有生长快的特点, 在布气过程中需要保持气体释放的管道距离冠层1 m左右, 避免高浓度O3直接喷射到叶片表面。
相比于CO2-FACE, O3-FACE的发展相对滞后, 大量的O3-FACE是在CO2-FACE得到广泛的应用后改扩建而来的.目前O3-FACE系统在全球范围内共有7个.美国伊利诺伊大学香槟分校在CO2-FACE的基础上进行扩建, 建设了全球第一个大型作物O3-FACE (SoyFACE)用于研究O3胁迫对大豆和玉米的影响.利用SoyFACE筛选出了不同O3敏感性的大豆和玉米品种, 为应对全球变化的农业精细化育种提供了明确方向(Yendrek et al., 2017; Choquette et al., 2019).在美国威斯康辛州的Aspen FACE也增加了O3-FACE研究O3对山杨(Populus tremuloides)的影响, 结果表明O3浓度升高使山杨生物量降低了23% (Karnosky et al., 2003), 且这种影响随着实验时间的增加日益加重.德国的Kranzberg O3-FACE研究结果也表明O3显著降低了山毛榉的生产力(Pretzsch et al., 2010).目前两座森林O3-FACE系统已经停止运行, 美国伊利诺伊大学香槟分校的SoyFACE (大豆和玉米)也停止运行.进入2010年后在日本和意大利建设了两座小型O3-FACE系统.尽管这些系统与大型森林FACE缺乏可比性, 但是小型的FACE具有好的灵活性能够根据实验设计的不同更换研究对象, 有助于研究不同物种的O3敏感性. ... A new-generation 3D ozone FACE (Free Air Controlled Exposure) 2 2017 ... 为了更加减少气体的损失, 将布气管道从顶部均匀地垂到整个冠层中间(Grams et al., 2011).使用这种方式在全球范围内建设了许多小型FACE系统, 大量节约了研究经费.日本和意大利利用此布气方式, 分别建立了森林树木的O3-FACE系统(Watanabe et al., 2013; Paoletti et al., 2017), 他们利用内径4 mm的特氟龙管, 将高浓度O3布设到整个样地内部, 均匀增加整个样地内的O3浓度, 这种方法也被应用于德国的isoFACE系统, 将低碳稳定同位素比值(δ13C)的CO2气体均匀释放到冠层内部(Grams et al., 2011).这种布气方式不用考虑冠层和风速的影响, 显著提高了浓度分布的均匀性.但是在增加O3浓度实验中存在严重的问题, O3浓度在实际大气中存在显著的垂直分布规律, 因此这样的布设方法与自然情况下并不一致, 会过高估计大气气体成分的生态效应.此外, 从管道中释放出来的O3浓度极高, 释放气体的管路与植物叶片的间距较小, 直接喷射在叶片表面容易造成叶片的急性伤害.为了研究O3对杨树人工林的影响, 在北京延庆建立了世界第一个杨树(Populus deltoides)人工林开放式O3浓度升高与氮沉降研究平台(O3-N-FACE)(图3).改进样地内垂直布气方式, 在16 m的正方形样地上方设置了8根长16 m的管道, 从管道释放的O3气体只需要通过自然风扩散2 m的距离即可实现有效布气.增加的O3气体通过自由扩散和沉降方式向下移动更加符合自然大气沉降规律.研究对象杨树具有生长快的特点, 在布气过程中需要保持气体释放的管道距离冠层1 m左右, 避免高浓度O3直接喷射到叶片表面. ...
我国在研究大气气体浓度升高对森林生态系统影响时多利用OTC设施.OTC平台在研究植物对O3升高的响应中有着不可替代的作用, 但植物营养状况等因素是影响植物O3敏感性的主要因素.为了明确自然条件下的O3影响, 2017年在北京延庆建设了我国第一个杨树人工林的O3-FACE系统.研究内容涵盖了光合生理、植物次生代谢物、土壤微生物和根系周转等生态学过程, 为评估空气污染对中国陆地生态系统碳源汇及水分利用的影响提供了模型参数化参数. ... Responses of forest ecosystems to increasing N deposition in China: a critical review 1 2018 ... 两极、赤道和高原地区是对全球变化较敏感的区域, 但目前的FACE研究主要集中在中纬度区域.利用FACE观测的数据进行全球模拟评估的时候, 高估或低估了全球变化对以上区域的影响.利用当前局限于中纬度地区的单点研究, 在整合分析中存在数据代表性不够全面的问题(Tian et al., 2018).全球联网实验是在全球不同区域采用相同的实验设计开展控制实验, 这有助于评估不同生态系统对全球变化过程的响应, 提供具有更高可比性的研究结果, 也为模型评估提供参数.因此未来需要关注在两极、赤道和高原区域的控制实验, 了解极地的生态系统对全球变化的响应过程与机理. ... Growth and photosynthesis of loblolly pine (Pinus taeda) after exposure to elevated CO2 for 19 months in the field 1 1996 ... 温室和开顶箱是早期研究大气中气体浓度升高对植物影响的主要手段, 但是研究人员逐渐认识到了在野外和(半)封闭环境下的植物生长存在显著差异(Tissue et al., 1996).因此在开放环境条件下定量增加气体浓度的实验设备开始受到广泛关注.早期FACE系统是将低矮的植物暴露于大气痕量气体中, 如SO2和O3 (Greenwood et al., 1982; Mooi & van der Zalm, 1985).1989年在亚利桑那州建立了全球第一个CO2-FACE实验(Hendrey et al., 1993), 用于研究CO2浓度升高对C3和C4作物的影响.此后全球范围内建立了很多的FACE系统, 大量FACE系统在1995-2000年开始运行.作物FACE系统研究对象都是长势较矮小的作物(高度≤2 m), 且作物长势一 致, 在浓度控制的过程中因冠层气流扰动小, 释放的气体能够较为均匀地沉降到冠层.而森林的冠层生长高度不一致, 释放的气体不能均匀地扩散到样地内部.为了克服这些问题, 布鲁克黑文国家实验室采用从底部到冠层顶部垂直布气的方式, 这种方式能够有效减少CO2消耗量, 降低运行成本(Hendrey et al., 1999).并且这种布气方式不受冠层非均匀分布的影响.随着同位素技术的发展, 在德国南部山毛榉(Fagus longipetiolata)和云杉(Picea abies)混交林内建立了能够长期升高冠层CO2浓度和标记稳定同位素的综合系统, 在系统设计中使用了在冠层内部垂直均匀布设PVC管道将δ13C为-46.9‰的CO2均匀释放到冠层内部, 在环境CO2 浓度基础上增加了约100 μmol·mol-1 (Grams et al., 2011).截至目前全球范围内已建成直径超过8 m的CO2-FACE系统共有18个(表1), 包括了荒漠、草地、森林和农田等多个生态系统.澳大利亚悉尼的EucFACE是全球目前唯一正在运行的森林CO2-FACE系统, 而其他森林FACE系统停止运行.EucFACE的研究对象是原始桉树林, 设定的目标CO2浓度为550 μmol·mol-1, 是目前澳大利亚最大的研究气候变化的设施.利用CO2-FACE研究发现大气CO2升高对陆地生态系统存在显著的“施肥”效应, 增加了叶片光合能力和净初级生产力, 但是随着时间的推移这种增加效应会随着生态系统氮可利用性的限制而逐步减弱(Long et al., 2004; Long, 2006). ... A review of surface ozone background levels and trends 1 2004 ... 工业革命以来化石燃料的使用导致了大气中二氧化碳(CO2)浓度不断升高, 大气中的CO2浓度从工业革命前的280 μmol·mol-1升高至425 μmol·mol-1 (IPCC, 2017), 预计到21世纪30年代大气中CO2浓度将会升高到550 μmol·mol-1左右(IPCC, 2013), 并在未来仍将持续升高.CO2作为一种温室气体, 持续升高加速全球变暖导致海平面上升威胁人类生存, 影响了陆地生态系统的结构与功能.同时随着人类活动的加剧, 臭氧(O3)的前体物氮氧化物和挥发性 有机污染物浓度居高不下, 导致了近地层O3已成 为很多国家和地区夏季的首要污染物, 并以每年1-3 nmol·mol-1的趋势逐步升高(Cooper et al., 2014).CO2是植物光合作用的底物, 其浓度升高对陆地生态系统固碳具有正向作用(Nowak et al., 2004), 而O3通过植物气孔进入叶片后, 因其强氧化性产生了大量的活性氧自由基, 引起光合速率降低, 进而造成了作物减产和森林植被固碳减少(Ainsworth et al., 2012).因此人类活动引起的大气组分的改变将影响陆地生态系统中碳、氮和水循环的生态过程, 进而影响生态系统功能(Vingarzan, 2004; Ainsworth & Long, 2005).为了预测大气中CO2/O3浓度升高对陆地生态系统的影响, 近30年来, 已在全球范围内不同生态系统开展了大量的野外条件下的控制实验. ... Photosynthetic traits of Siebold’s beech and oak saplings grown under free air ozone exposure in northern Japan 2 2013 ... 为了更加减少气体的损失, 将布气管道从顶部均匀地垂到整个冠层中间(Grams et al., 2011).使用这种方式在全球范围内建设了许多小型FACE系统, 大量节约了研究经费.日本和意大利利用此布气方式, 分别建立了森林树木的O3-FACE系统(Watanabe et al., 2013; Paoletti et al., 2017), 他们利用内径4 mm的特氟龙管, 将高浓度O3布设到整个样地内部, 均匀增加整个样地内的O3浓度, 这种方法也被应用于德国的isoFACE系统, 将低碳稳定同位素比值(δ13C)的CO2气体均匀释放到冠层内部(Grams et al., 2011).这种布气方式不用考虑冠层和风速的影响, 显著提高了浓度分布的均匀性.但是在增加O3浓度实验中存在严重的问题, O3浓度在实际大气中存在显著的垂直分布规律, 因此这样的布设方法与自然情况下并不一致, 会过高估计大气气体成分的生态效应.此外, 从管道中释放出来的O3浓度极高, 释放气体的管路与植物叶片的间距较小, 直接喷射在叶片表面容易造成叶片的急性伤害.为了研究O3对杨树人工林的影响, 在北京延庆建立了世界第一个杨树(Populus deltoides)人工林开放式O3浓度升高与氮沉降研究平台(O3-N-FACE)(图3).改进样地内垂直布气方式, 在16 m的正方形样地上方设置了8根长16 m的管道, 从管道释放的O3气体只需要通过自然风扩散2 m的距离即可实现有效布气.增加的O3气体通过自由扩散和沉降方式向下移动更加符合自然大气沉降规律.研究对象杨树具有生长快的特点, 在布气过程中需要保持气体释放的管道距离冠层1 m左右, 避免高浓度O3直接喷射到叶片表面. ...
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