用于研究 CO₂ 浓度升高及土壤因素对草地生态系统功能影响的 CO₂ 浓度梯度实验装置

本实验的总体目标是确定过去和未来大气二氧化碳浓度升高对草原生态系统生产力、水分平衡及碳循环的影响。该研究包括监测二氧化碳对不同类型土壤的作用。我们的实验有助于回答有关气候变化对草原影响的关键生态学问题，包括草原在多大程度上可能抵消大气浓度上升所带来的影响。

我们的方法独特之处在于能够确定自工业革命开始以来二氧化碳（CO2）浓度升高所产生的影响，并能够预测未来二氧化碳影响可能发生的变化。我们创建二氧化碳梯度的方法依赖于利用所研究的植物自身来形成其周围的二氧化碳梯度。这种调控二氧化碳及其对草原生态系统影响的研究方法，最早于20世纪80年代末在我们的实验室开发建立。

本文记录的实验是第三代二氧化碳梯度实验。采集土壤单体时，使用一个一米见方、一米深的敞口钢箱。钢箱的钢板厚度必须至少为八毫米。

随后将在底部焊接基座。使用固定在地面上、深达三米的螺旋锚将液压机固定，把盒子压入所需深度的土壤中。将盒子压入土壤后，用反铲挖掘机挖除周围的土壤。

将整段土体从其下方的土壤中切割分离，并取出整段土体。将一条玻璃纤维灯芯紧贴土壤放置。在箱体底部，该灯芯将水分排入一个10升的储水罐中，该储水罐已焊接固定在图示钢箱的底部。

蓄水池用于收集实验过程中可能从单体土柱中渗出的水分，同时为采集水样进行化学分析提供便利。将待研究的植物物种以适合该物种研究需求的密度种植于土柱中。如有必要，可使用无残留型除草剂（如草甘膦）清除土柱上已有的植被。

对于高草草原物种，每平方米种植56株较为适宜。每个单体使用不同的随机化方式，将七种物种的八株幼苗按拉丁方阵排列，所用草种包括侧金盏花、奶奶草、小蓝茎草、印第安草和白 Tritons。所用的杂类草物种包括瓶子草、加拿大鼠尾草、金rod和伊利诺伊捆花。

在植株定植期间，豆科植物采用滴灌或喷灌方式，以确保植物获得充足的水分。目标是在植株定植阶段尽量减少水分胁迫，灌溉量和频率应根据研究物种的需求进行适当调整。在植株完成定植后，维持植物依靠自然降雨生长，直至完成微环境控制室（chamber）的建造。

整体式腔室被安装在宽约7米、深1.5米、长60米的沟槽中。每条沟槽可容纳两个腔室，每个腔室包含10个相互连接的节段。每条沟槽中安装10个由重型钢材制成的容器，容器之间间隔1米。

这些结构构成每个部分的基础，每个部分将容纳四个整体式装置。使用金属板风管连接相邻部分，以提供气流通道。在每个风管内安装冷却盘管。

线圈由一台161千瓦的制冷机组提供10摄氏度的冷水。每个线圈的冷水流量由一个控制阀调节，该控制阀根据室内空气温度进行响应。在每个五米长的容器段中，放置四个量程为4,540千克的秤，每个秤上放置一个带有已建立草原植物的整块基质。

每个五米长的区段应随机排列两种土壤类型的单体，各区段内的土壤类型组合也应随机化，并在每隔一个区段的组合中包含砂质壤土。为完成小室搭建，需用0.15毫米厚的温室薄膜覆盖每个区段，这种薄膜常用于气候调控实验。为便于按需接触植物，在覆盖膜上安装带有防风褶边的拉链开口。

在需要采样或维护时可移除盖子。在整个生长季节中，只要植被的光合能力足以维持 CO2 梯度，就应保持植被覆盖。每 20 分钟对每个腔室的进气口和出气口处的空气进行一次采样。

将空气通过过滤后的气路导入红外气体分析仪，以实时测量 CO2 浓度。同样，每 20 分钟测量一次水蒸气含量。此外，对于每个区段，使用屏蔽细丝热电偶在空气入口、区段中点和空气出口处每 20 分钟测量一次环境温度。

利用样本温度数据，调节冷却盘管，以维持各区域之间一致的中部环境空气温度。最后，测量照射在室内的光合光子通量密度。使用量子传感器，通过室入口处的风扇将环境空气吸入超环境空气室内。

使用质量流量控制器将纯 CO2 注入腔室，并将浓度维持在每升空气中 500 微升。同时调节风扇速度，使腔室出口气体中的 CO2 浓度达到每升空气中 390 微升。在光合光子通量密度测量中使用 CO2。

为了维持该参数，较低速度的控制是保持规定 CO2 梯度最关键的方面。对于亚环境浓度室，引入环境空气并调节风扇速度，以在夜间使排出的 CO2 浓度达到 250 微升/升。反转两个室内的气流方向，并设置气体注入和风扇，以使高环境浓度室满足以下参数。

将进入的空气富集至每升含530微升CO2，并调节气流，使出口气体在亚环境室中达到每升640微升CO2。调节空气，使CO2浓度在入口处为每升390微升，出口处为每升530微升，以实现降水条件。应用平均生长季参数。

对每个单体进行降雨处理。使用来自本地水源的滴灌系统，模拟季节性降雨模式。使用数字流量计测量施加的水量。

确保单体中的植物得到充分浇水以避免严重干旱胁迫至关重要。这样，植物的光合速率才能保持足够高，以建立并维持 CO2 梯度。若在部分单体中种植具有高光合速率的汇流植物，将有助于实现这一目标。

在七年的运行期间，草原草单体的培养室维持在线性大气 CO2 浓度或 ca 条件下，仅有少量中断。除一个区段外，土壤表层 20 厘米内的温度和水汽压亏缺也保持恒定。在研究的三种土壤中的两种，体积含水量沿 CA 梯度呈线性变化，仅在粉质黏土中存在该现象。

该参数无变化。植物生产力采用地上部分净初级生产力指标进行测量。在所有土壤中，该指标与CA呈线性变化关系。

在黏土中，植物对CA的响应最低，而在砂质壤土中响应最大。实验中数量最多的植物是中温型C4高草Sarga Newan。在砂质壤土上，CA对该植物的影响最为显著，而在黏土上仅产生轻微影响。

苏黎世C四中生草BTU Lua Kerti垂枝型是总体上第二丰富的物种，在亚环境条件下的粉质粘土土壤中也是如此。它是该生境中最丰富的物种。其生产力在粉质粘土上受ca影响最大，而在粘土上受ca影响最小。

观看本视频后，您应能充分了解如何建立和维护用于调控二氧化碳浓度梯度的实验性植被，并理解为控制该二氧化碳梯度所需测量的关键参数。该设施的建设大约需要两年时间，但可支持持续数十年的植物对过去和未来二氧化碳水平响应的研究。此类长期研究对于深入理解大气二氧化碳浓度升高对草地碳循环的影响至关重要。

该方法可应用于任何可放入腔室内的植物物种。