科研人员在试验田中采集数据

　　一片麦地里，从7米多高的液态二氧化碳罐导出一根直径2.5厘米的白色管子，源源不断地释放出高浓度的二氧化碳。就在全球都紧急减少排放二氧化碳的同时，竟然有人“故意”释放出高浓度的二氧化碳。谁敢冒天下之大不韪？

　　“我们不是故意排放二氧化碳，而是要用工业二氧化碳营造出2050年大气二氧化碳的浓度，测试出一生都生长在这种环境下的小麦和大豆的反应。”

　　不久前，中国农业科学院昌平试验基地，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员林而达，站在中澳mini-FACE(Free Air CO2 Enrichment自由大气CO2富集系统)项目试验田边上，向《科学时报》记者介绍了他们的试验。

　　全球气候变化催生FACE试验

　　FACE试验是在全球气候变化的大背景下应运而生的。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第四次评估报告指出，二氧化碳浓度升高，温度升高，降水与蒸散的变化和极端事件频率增加，杂草和病虫害情况会变化，都会影响植物生长发育与产量，从而使气候变化与变率对全世界的粮食、纤维和森林产生不利影响。

　　但二氧化碳是植物光合作用的底物，一般来讲提高二氧化碳浓度能显著影响植物的物质生产量、产量以及植物对养分的吸收利用。早在100多年前，人们就开始利用温室或人工气候室，采用盆栽或根箱等栽培方法研究二氧化碳浓度的增加对植物光合作用、物质生产的影响。

　　从控制二氧化碳浓度的方法来看，主要有塑料大棚、温室、人工气候室、同化箱等封闭式气室、开顶式气室和开放式装置(FACE)三种类型。封闭式、开顶式气室的研究可保证试验的二氧化碳浓度，但由于其箱壁效应使植物的光强和光质、气温日变化、光照和气温的伴随关系、湿度、风等地上部环境，以及水分、养分、植物根圈大小等地下部条件与大田条件下有显著差别，许多学者认为，其研究结果难以真实地反映植物对大气二氧化碳浓度升高的真实效应。开放式的研究由于在大田条件下进行，FACE圈内没有任何隔离设施，二氧化碳可以自由流动，既可保证试验的二氧化碳浓度，还可以使植物的地上部和地下部的环境条件与自然条件一致，因此，国际上普遍认为，这是目前研究植物对大气二氧化碳浓度响应的最理想的研究方法。

　　FACE试验是指在完全没有隔离的情况下，直接将高浓度的二氧化碳通入试验区域，以观察被试植物的响应。其二氧化碳浓度通过计算机系统控制，由一圈管道直接将二氧化碳通入大田，可获得直径约几米、十几米、几十米甚至上百米的高二氧化碳浓度人工试验场；而温度、湿度、风速、光照等其他环境条件与对应区域完全一致。

　　林而达说，近年来FACE技术方兴未艾，目前全球运行和规划中的FACE技术平台有30多个，但大多集中在欧美等发达国家，发展中国家则较少。中国大陆还有中国科学院南京土壤所在无锡开展的FACE试验。

　　目前大气中二氧化碳的浓度大概为370ppm～380ppm，而IPCC2007年报告中指出，2050年大气中二氧化碳的浓度将约为550ppm。

　　在一片开放的麦田中，要控制试验区域二氧化碳的浓度比较稳定地保持在550ppm，就要根据大气中二氧化碳浓度的不断变化和风向风速的随时变化加以补充，“这就需要二氧化碳传感器灵敏精确地测出试验区域二氧化碳的浓度，并通过计算机来决定输送管道的释放量”，林而达说。

　　“我们对二氧化碳的浓度控制情况进行了统计，释放浓度比目标浓度550ppm就是控制精度。我们的控制精度多在90%左右。”一直在野外实施试验的气象学专业硕士研究生韩雪说。

　　站在试验田里，感觉昌平的风比北京城里大得多，“城里的二氧化碳的浓度大概比这里高了20～50ppm。”由于二氧化碳比重高于空气，从管道释放后下沉，所以要保持释放管道高于植物冠层20cm左右，以保证植物能够充分利用二氧化碳。“所以释放管道的高度要随时调试，根据小麦和大豆生长的具体情况而定。”林而达说。

　　二氧化碳浓度升高如何影响作物尚存争论

　　IPCC2003年评估报告指出，在没有气候变化的情况下，单纯二氧化碳浓度升高是促进植物光合作用的。近期的研究确认了二氧化碳浓度升高对植物生长发育和产量的影响，因光合途径、品种、植物生长阶段和管理措施（诸如水分和氮肥的施用）的不同而不同。

　　2007年IPCC的报告指出，在没有胁迫条件下，二氧化碳浓度维持在550ppm下，小麦、水稻等C3作物的产量增长10%～20%，玉米等C4作物的产量升高0～10%。最新的FACE实验总结质疑这个结论，认为可能高估了50%。

　　更重要的是，植物生理学家和模型研究者都认识到，二氧化碳浓度升高对植物的影响无论是在试验观测中还是在模型模拟中，都有可能高估实际的田间反应，因为还有诸如病虫害、杂草、物种竞争、土壤、水资源和空气质量等限制因素。这些因素使田间试验不能大规模进行，在模型模拟当中也不易定量。

　　上述争论如果不解决，就不可能对未来气候变化对农作物的利弊影响给出一个全面可靠的预估，因此也就无法对全球和我国未来的粮食安全给出一个合理的预测。这是全世界主要发达国家都在开展FACE试验的原因。

　　给小麦营造2050年的生长情景

　　“去年5月我们种了一季大豆，这是去年10月种下的冬小麦。”韩雪自试验开始就吃住在基地，负责监控试验每一个步骤的开展——在老师和设备工程师们的指导下以及她的师兄师姐的帮助下，按照最初的试验设计，每天都要保持FACE设备的正常运行，还要观察被试植物的生理生态变化。

　　她介绍说，试验主要选取小麦、大豆两种作物，每种作物选择两个品种。小麦品种主要考虑冬春性差异，大豆主要考虑品质差别。针对每种作物的管理方式，设置常规施肥和少施肥两种管理水平。

　　“为了把两种作物品种、常规和低肥两种施肥处理在常规二氧化碳浓度和550ppm的二氧化碳浓度下的不同反应简单准确地观测出来，需要按照田间试验的科学方法进行不同因素的组合，并有利于试验结果的统计分析。”

　　韩雪除了监测二氧化碳的浓度，“每隔一个星期左右对作物进行抽样，监测作物的生理指标和形体指标”。形态指标主要指叶面积、株高和分蘖状态等，生理生化指标包括光合速率、叶绿素、植物各器官氮磷钾含量和植物叶片中酶的活性等。

　　韩雪说，自己在考硕士研究生面试的时候，“林老师就问我对FACE研究有没有兴趣，我觉得这个项目很前沿，很高兴接下了这个挑战。这个过程中的困难我都能克服”。一个集装箱改装成的监测室，就摆在麦地旁边。“这个集装箱是别的已经结题的项目的，最突出的特点就是夏天热，冬天冷。”

　　“一般农业大田试验都要重复3次以上，这样得到的统计结果才能去除系统误差和随机误差、得到比较可靠的结论。”林而达说。在中国建立miniFACE试验系统，目的是深入地了解冬小麦和大豆在高二氧化碳浓度条件下的生理反应，产量品质变化，获得的数据用于模型模拟，预测未来气候变化条件下小麦和大豆的产量品质变化，就可以为管理部门制定政策提供支持。

　　林而达还介绍说，FACE是个功能强大的试验平台，“用这个平台还可以做很多研究，比如秸秆和籽粒的比重问题、温室气体N2O排放通量变化等，来探究2050年气候变化对作物秸秆生长量的影响和相关的农业生物质利用问题，以及未来农业温室气体排放特点和可能的减排技术。现在已经有一些青年科技人员和研究生正在进行这方面的实验研究”。

　　澳大利亚环境与水资源部副部长Lan Carruthers在北京参加“气候变化与科技创新国际论坛”时评价说：“虽然我们早就开展了FACE试验，但中国的FACE试验具有本土化特征，我们要相互学习，从而相互受益。”