創新案例一

 

　　　  土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所）“中國水稻/小麥FACE研究項目課題組”是一個團結、協力、互信、拼搏進取的先進團隊。朱建國研究員為課題組長，共有成員12名。由于FACE研究涉及到系統控制技術、作物栽培、植物生理生態、土壤過程、大氣化學、生態系統結構等學科領域，對組織和協調工作要求很高。平臺建成后，他們組織了中科院上海植物生理生態研究所、大氣物理所、沈陽應用生態研究所和揚州大學、南京農業大學、南京理工大學及沈陽農業大學等單位50多名相關學科的科技人員和研究生參與工作。還吸引了來自日本、美國、德國、英國、比利時等國家的近20位研究人員前來交流和合作。自FACE項目從2001年6月正式啟動以來，中外科學家憑著對科學研究的執著精神，克服了難以想象的困難，研究進展順利并取得顯著成效。

　　　　 大氣中CO₂濃度的逐漸升高不僅影響著全球氣候變化，而且也將對人類的生存環境產生重大影響，由此近年來引起了國際科學界乃至各國政府的廣泛關注和高度重視。在美國、日本等科技發達國家新近開展了以FACE(Free-Air Carbon dioxide Enrichment)技術為手段的相關研究。FACE系統是目前研究大氣CO₂濃度增加條件下生態系統響應的最理想手段。在我國這樣一個農業大國開展FACE研究，不僅可以為國家制定糧食安全保障對策提供科學依據，而且也可為我國政府爭取環境外交主動權作出貢獻。

 

 

　　　  FACE系統是一個模擬未來CO₂增加的微域生態環境。根據冠層CO₂濃度測定結果，由控制系統實時調節FACE圈層內的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，因此系統內部通風、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態環境。在這一微域生態環境條件下進行CO₂增加的模擬試驗，獲得的數據更接近于真實情況。國際上普遍認為這是研究大氣CO₂濃度增加條件下生態系統響應最理想的方法，被稱之為在未來世界開了個窗口。80年代末，美國首先建立了FACE系統，研究陸地生態系統對大氣CO₂濃度升高的響應。90年代后期，日本在世界上首次進行水稻FACE研究。

日本的FACE系統只在水稻生長期間運行，只能給出一些水稻對大氣CO₂升高響應的觀測結果，不能了解農田生態的響應累積過程和機制,另外由于地理位置和氣候等因素,使得日本的水稻FACE得到的結果有限。目前國際上只有中國采用FACE方法對集約利用下的農田生態系統進行研究。中國FACE系統自2001年6月以來，堅持全年每天24小時模擬2050年前后的大氣CO₂濃度，是世界上首次連續觀測農田生態系統對大氣CO₂濃度升高的響應。該項研究已引起國際學術界的特別關注，在相應研究領域為我國贏得了榮譽。

 

　 

　　　  中國FACE系統現建在江蘇江都市小紀鎮的一片開闊地上。據了解， FACE系統的建設，在國外一般需要一到兩年的準備時間，即使所有材料具備，在野外建立起系統也得需要半年。該研究團組從日本確認提供我方必須的FACE系統儀器設備、關鍵器材和控制軟件到在野外建成中國FACE系統并運行，只用了95天時間。前來協助系統建設的日方技術人員深深地為中方人員的工作熱情所打動。

在FACE系統的建設方面，他們在國際上首先設計和建立了空氣交換式CO₂氣化系統，相對國際上的電熱式氣化系統，不僅節約了電力供應設備的開支，而且每年可節省電耗50萬元人民幣左右。這也是以后在其它地區建設和運行FACE系統的重要技術儲備。

在FACE系統的控制方面，他們在日方提供的控制程序基礎上，創建了新的控制系統，特別是CO₂濃度的自動控制軟件，使得目前日間FACE圈內CO₂濃度與所設置目標濃度的偏差實現在80％的時間內小于10％，優于日本相應15－20％的偏差。他們還創建和完善了數據分析軟件。集成FACE數據處理程序，將FACE數據處理的各種程序如數據日處理、月處理、數據分析等，集成為一個程序包。由于上述創造性的工作，使中國FACE系統為成為綜合性研究農田生態系統對大氣CO₂濃度升高響應的理想工作平臺，在世界上處領先地位。

 

 

　　　　他們著眼于在本領域研究爭創世界領先水平。首先抓住高CO₂濃度下源庫變化這條主線，圍繞光合作用效率、產物遷移轉化相關科學問題展開，先了解宏觀的因果關系，再深入探討其過程和機制。他們在FACE條件下的水稻、小麥葉片的光合作用對高CO₂濃度的適應現象、光合效率的增加與作物物候變化、作物生物量變化規律（特別是地下部分）、水稻的早熟早衰現象、土壤養分供應能力變化、C₃ 與C₄植物的競爭及田間雜草群落結構變化、作物能量和水分利用率變化、土壤微生物量、活性及線蟲群落變化、土壤溫室氣體排放等方面，獲得了一系列新的認識。

　　　  研究論證FACE處理植物在短期內對光合作用有明顯的促進作用，隨生長期發展有明顯的適應。發現作物光合作用對FACE發生適應的直接原因是Rubisco含量和活化程度的降低，而與氣孔因素無關；導致Rubisco含量降低的主要原因是可溶性糖的累積和ATP含量降低導致的RuBP再生限制所致。論證水稻生育期縮短的主要原因是植株溫度上升、可溶性糖含量增加以及含氮率下降等。FACE處理使水稻和小麥產量分別提高10-14%和12-20%，明確產量提高的主要原因是單位面積穗數的極顯著增加和生物產量的提高。FACE處理使水稻抽穗后20日～成熟期的干物質生產量顯著減少，原因為葉片光合產物輸出不暢而導致葉片凈同化率下降、碳水化合物在根中積淀使根系活力下降。FACE處理使稻谷的整精米率極顯著降低、堊白粒率和堊白度極顯著提高，使稻米糊化溫度極顯著提高，使稻米蛋白質、微量元素含量顯著降低。研究證實FACE條件使土壤微生物類群和功能多樣性增加。發現土壤線蟲總數、食細菌線蟲和捕食/雜食線蟲對大氣CO₂濃度升高表現出正響應，植物寄生線蟲反應敏感。發現并論證土壤礦化作用和養分供應能力增強，但植物在生長期的后期養分吸收能力降低。發現作物的養分含量與土壤的養分供應條件不盡一致，改變學術界已有的FACE條件下稀釋效應導致植物養分含量降低的看法。發現并證實C₃植物競爭生存資源和空間的能力相對增加，C₄植物競爭能力相對下降；C₃雜草耐藥性相對增強。研究表明稻田CH₄排放的FACE效應顯著與否取決于外源有機質施用量和氮肥用量。稻田CH₄排放的FACE正效應主要是根系分泌物和根系脫落物在FACE條件下增加的結果，水稻植物的傳輸作用對FACE正效應并不起決定作用。等等。本項目研究在學術上，特別是在農田生態系統對高CO₂濃度響應機制的研究及FACE條件下土壤過程變化研究方面有較大推進和創新認識，在國際同行中已產生較大影響。

 

　　　 該項目首次模擬研究大氣CO₂濃度升高對集約化農田生態系統生產力的影響。評估大氣CO₂濃度升高對我國稻麥產量和品質影響，為國家制定食品安全保障戰略，為育種、種植區劃、水資源調控等的長遠規劃，為農藥發展規劃提供科學依據。評估大氣CO₂濃度升高條件下耕地土壤對大氣碳的固定潛力，為國家在有關方面爭取外交主動提供科學依據。