第1章模拟大气CO2和03浓度升高的控制实验方法与技术
1.1背景
工业革命以来，由于人类活动对化石燃料的过量使用和土地利用方式的改变等，引发了大气中二氧化碳（CO2）等温室气体浓度的急剧上升。大气中的CO2浓度已由1860年的280ppm（1ppm=10—6）升高至目前的410ppm左右，以每年0.45%的速率升高。CO2浓度的升高加剧了全球变暖，并引发了冰川融化、海平面上升、洪水、台风、热浪等一系列极端事件的频发，严重影响生态系统结构和功能的可持续性。目前人们已认识到大气CO2浓度升高对植物光合作用、产量及生产力具有积极的促进作用，这种现象被称为CO2“施肥效应”。由于在*近几十年内CO2浓度升高的趋势很难改变，因此，CO2“施肥效应”增加生态系统的“碳汇”功能不失为一种积极应对气候变化的策略。许多陆地生态系统生理生态过程会响应大气CO2浓度的升高，其中以植物光合固碳、植物蒸腾作用、土壤微生物活动和有机质分解等过程受到的关注*多。这些生理生态过程的变化将进一步改变陆地生态系统的物质循环和生物群落组成，对陆地生态系统服务功能造成影响。了解大气CO2浓度升高对主要陆地生态系统生理生态过程、物质循环的影响，有助于准确预测陆地生态系统对大气CO2浓度升高及其带来的全球变化的响应、适应与反馈的方式和程度，对人类应对和减缓大气CO2浓度升高带来的负面影响具有深远意义。
地表臭氧（O3）特指距离地球表面15km范围内的近地层〇3，除少量来自平流层大气传输外，其余大部分是由氮氧化物（NOX）、挥发性有机化合物（VOC）、一氧化碳（CO）等前体物在强烈光照下发生光化学反应而产生的（冯兆忠等，2018）。自工业革命以来，伴随城市化进程加快和化石燃料的过度燃烧，地表Og浓度在世界范围内普遍升高。地表Og具有强氧化性，可以对地球上的生命包括人类及其他动物、植物和微生物等产生严重危害。Og污染在世界各地均不同程度地出现，已成为全球性的环境问题。地表O3不仅是空气污染物，也是一种重要的温室气体，对地球辐射效应（气候系统辐射的收支变化）的贡献仅次于CO2和CH4。除了作为温室气体的直接增温效应，还能够通过降低生态系统CO]吸收能力间接影响全球变化。随着地表Og浓度升高，其对未来全球变暖的间接贡献大于直接影响。地表Og浓度升高不仅会导致植物生理生态过程发生变化，也对生态系统物质循环过程与服务功能具有重要影响。
大气气体浓度的变化会对植物个体及生态系统结构与功能产生影响。为理解陆地生
态系统生态过程对CO2和浓度升高的响应及模拟评估未来情景的风险，需要依托野外控制实验模拟大气气体浓度升高对生态系统的影响。随着对大气气体浓度升高的生态效应认识的逐渐加深，相应的研究手段和方法也得到同步发展并被不断改进与优化。综观大气气体浓度升高对植物影响的研究历程，以实验设备与手段的改进和更新为标志，控制实验大致可分为三个发展阶段（王春乙，1995）:**阶段，1973年之前，研究者主要利用封闭式静态或动态气室以及室内生长箱；第二阶段，从1973年开始，美国学者利用开顶式气室（又称开顶箱）（open-top chamber，OTC）研究大气气体浓度升高对植物的影响；第三阶段，20世纪90年代，Hendrey和Kimball（1994）设计了开放式气体浓度增加系统（free-air concentration enrichment system，FACE）研究方法。这些方法各有利弊（表1-1）。
1.2室内生长箱
室内生长箱是*早被用于研究大气气体浓度增加对植物影响的方法，其原理是将密闭气箱布置于内部环境相对均一的生长室、实验室或者温室内，人为控制生长箱内部大气气体组分浓度，研究生长箱内植物的生长状况，技术相对简单。根据生长箱的特点可将其分为4类：可调节温室（Menser，1966）、可调节生长室（Wood et al.，1973）、矩形实验气室（Heagle et al.，1979）和圆柱形气室（Heck et al.，1978）。生长箱的特点是实验设备小、操作方便、控制精度高、重复性好和成本较低。由于生长箱内部气体浓度可控性高，室内生长箱在研究低浓度气体对植物影响方面具有重要的意义（Dochinger et al.，1970）。Heck等（1978）对早期的室内生长箱进行了改进，设计了连续搅拌箱式反应器，解决了生长箱内布气不均匀的问题，随后该类生长箱在O3对植物叶片伤害评价及生理生化响应机制等研究中被广泛采用，其设计理念为后来OTC的发明提供了重要基础。但由于生长箱内的小环境与自然环境差别较大，不能客观反映植物生长对大气气体浓度升高的真实响应，应用范围受到限制，并且设备通常较小，仅适合于少数植物的短期实验，因此目前此类方法已基本被淘汰。
1.3开顶式气室及典型案例1.3.1开顶式气室的发展历程
OTC技术自从1973年推出以来（Heagle et al.，1973;Mandle，1973），就在世界
各地广泛用于大气气体浓度升高对农作物的影响研究中。20世纪80年代，因修订大气O3污染控制指标所需，美国农业部和国家环境保护局创建了全美农作物损失评价网（NCLAN），率先在全美范围内利用OTC研究O3对农作物生长和产量的影响，供试作物主要包括小麦iTriticum aestivum）、玉米（Zeamays）、大豆（Glycine max）和马铃薯iSolanumtuberosum）等（Heck et al.，1983）。随后，1986～1991年，欧洲OTC研究项目（EOTC）针对扁豆（Lablabpurpureus）、高山梯牧草（Phleum alpinum）、小麦（Triticum aestivum）、大麦（Hordeum vulgare）等主要作物也迅速开展研究。自90年代起，日本、印度、中国、巴基斯坦等亚洲国家也先后开展了利用OTC模拟浓度升高对作物影响的研究（Kobayashi et al.，1995;Feng et al.，2003）。同一时期，在全球范围内大规模利用OTC研究了O3对树木的影响，研究树种包括黑樱桃（Prunus serotina）、北美鹅掌楸（.Liriodendron tulipifera）、红懈栋（Quercus rubra）、灰毛械（Acer rubrum）、黑杨（Populusnigra）、欧洲山毛榉（Fagussylvatica）、欧洲赤松（P加us sylvestris）、欧洲云杉（Pceaabies）、银杏（GinkgoMo办a）和蒙古栋（Quercus mongolica）等。
随着OTC实验的开展，OTC气室结构也在不断改进和优化，如气室壁外形从开始的直筒圆柱形改为正八面的柱体结构；由于外界空气很容易从柱体结构的气室顶部侵入，研究人员在顶部增加了收缩口，以减少外界空气从顶部侵入对气室内部气体的影响；气室框架采用更为轻便、耐用的合金和塑钢等材料；气室壁膜的光照透性不断优化，气室壁主要采用聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和透明玻璃等材质。OTC技术革新的关键是保证目标气体能在OTC内均匀分布，因此通气方式不断地被优化。按照通气方式优化的时间顺序将不同通气方式的优化特点、优点以及缺点进行总结，如表1-2所示。
1.3.2开顶式气室的**案例
经过不断优化，目前OTC技术已经相当成熟，下面以南京信息工程大学扬州绿色农业研究与示范基地的大型O3-CO2-OTC为例（图1-1），详细介绍OTC的结构和运行原理。该OTC搭建于2020年，主要由过滤系统、鼓气系统、Os/CO]发生和投加系统、布气系统、暴露室、气体浓度控制系统和自动采集测量系统组成。暴露室主体高为13m，横截面为正八边形（直径为4.8m）。为减少外部气体对室内气体的影响，正八面柱体顶端增加45°收缩口，收缩口高为1Jm，整个气室的体积约为40m5。气室框架由塑钢构成，室壁材质为透明钢化玻璃，如图1-1所示。过滤系统被用于对照实验处理，加活性炭过滤自然大气中的Os;鼓气系统采用2000W风机以保证气室内气体每分钟交换1次以上，使得气室内温度和湿度等环境因素与外界基本保持一致；Os发生主要以洁净的压缩氧气（O2）作为气源，用O3发生器产生O3;CO2直接用压缩的CO2作为气源；然后将O3、CO2通过鼓气系统的风机混合空气送入气室；布气系统运用一圈聚氯乙烯（PVC）管道，使气室内气体分布更加均匀。气体浓度控制系统和自动采集测量系统由可编程逻辑控制器、电磁阀系统、多通路布气控制器、质量流量计、数据采集器、O3和CO2分析仪及计算机等构成。分别使用O3和CO2分析仪对OTC内气体浓度进行实时监测与记录，然后根据OTC内气体浓度与设定目标气体浓度的差异，用质量流量计供应的压缩O2/CO2的流量来控制气室内O3/CO2的浓度。利用可编程逻辑控制器对气室内的气体浓度进行动态控制。
图1-1O3-CO2-OTC（江苏扬州，2020年）
1.3.3开顶式气室技术的利弊
该方法可在田间条件下研究大气气体浓度升高对植物的影响，气室内气体浓度控制精确度较高，结果相对可靠，并可设置过滤空气和不过滤空气两种对照实验，特别的是，它还可以进行几种气体（如CO2和O3）或者O3（或CO2）和其他环境胁迫因子的复合实验。几十年来，OTC—直是植物对大气气体浓度升高响应研究的主要手段，用于定性阐明植物对大气气体浓度升高的响应机理（Iglesias et al.，2006），以及定量评价大气气体浓度升高对地表植被生长、生物量等方面的影响（Mills et al.，2007）。
尽管OTC经历了上述的改进和优化，能较精确控制气室内气体浓度，但室内温度、水分、光照、风力等生态因素与自然状态下仍存在明显差异。这些生态因子可能与O3/CO2存在交互效应，从而与自然中的真实效应存在较大差异。OTC本身仍存在一些不足：①气室内光照强度、增温效应及内部气流变化模式等皆与自然生境存在较大差异（Olszyk et al.，1980），因此微气候效应在一定程度上制约着实验结果向自然生境的外推；②无法利用OTC开展大气气体浓度升高对成年大树影响的研究，只能以幼苗作为研究对象，其生长及生理应答特点等均有别于成年树种；③气室内树种相对单一，大多为盆栽植物，不存在激烈的种间及种内竞争；④气室内实验空间狭小，人为设置的隔离设施等可能对植物周围气候产生较大的扰动，再加上气室实验的边际效应，从而会改变植物对大气气体浓度升高响应的程度。上述不足共同决定了基于OTC的研究结果可能与自然条件下的实际情况之间仍然存在偏差（Kolband Matyssek，2001）。
1.4开放式气体浓度增加系统的发展历程及控制原理
室内生长箱和开顶式气室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。自20世纪90年代，国际上开始建立在完全开放式大气环境下，升高特定气体组分（主要是CO2和O3）浓度的FACE平台，创造了一个开放式气体浓度升高的环境，有效地避免了气室研究的局限性。同时，该平台具有实验空间大（可支持树木长期生长，实验代表性强）、持续时间长等优点，从硬件上保证了实验内容的拓展性，同时也有利于形态、生理、遗传、生化等多学科的协同研究，以便从细胞、器官、个体、群落以及生态系统等多个水平上揭示大气气体浓度升高对植物影响的深层机理（列涂文等，2014）。
1.4.1国内外开放式气体浓度增加系统的发展历史与现状
1.4.1.1国外开放式气体浓度增加系统发展历史与现状
早期开放式气体浓度增加系统（FACE）是将低矮的植物暴露于大气痕量气体中，如二氧化硫（SO2）和O3（
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