改进式开顶气室模拟CO2浓度控制系统性能分析

为提高开顶气室(open-top chamber,OTC)模拟气候变化研究植物生理响应的控制效果,基于前期OTC控制系统基础,对气室结构、控制系统及监测系统改进升级。对改进后的OTC控制系统采集了试验期间5月10月OTC气室内CO2浓度、温度及空气相对湿度实时数据分析模拟效果,结果表明:改进后的OTC控制系统能够控制CO2浓度达到试验预设浓度梯度,在试验期OTC气室内监测的CO2浓度平均值对照组(CK)为369.33μmol·mol^-1,处理1组(TR1)为558.35μmol·mol^-1,处理2组(TR2)为772.71μmol·mol^-1;CO2浓度波动范围TR1组为551.82-572.40μmol·mol^-1,变幅为20.58μmol·mol^-1;TR2组为756.71 779.79μmol·mol^-1,变幅为23.08μmol·mol^-1,满足试验预设模拟要求;气室内不同处理间温度、空气相对湿度差异均不显著(p>0.05)。改进后的OTC控制系统模拟效果好,可用于研究植物响应气候变化的模拟试验。

开顶式气室的内外环境差异及其对小麦生长的影响

为探究开顶式气室(Open top chamber,OTC)内外环境差异及其对植物生长的影响,通过对比观测OTC内外的温度、湿度、光合有效辐射以及小麦的净光合速率、生物量、产量,评价了OTC对小麦生长的环境条件及叶片光合速率和产量的影响程度。结果表明:实验通气时间段(9:00—17:00),OTC内部温度比外部高4.8℃(P<0.05),相对湿度低0.6个百分点(P<0.05),光合有效辐射低32.3%(P<0.05)。OTC内小麦的净光合速率显著高于OTC外(P<0.05),且最大影响出现在小麦灌浆阶段。OTC内的小麦单株生物量增加了13.3%,其中穗生物量增加最多(35.2%);小麦单株产量增加了49.2%,其中籽粒数和千粒质量均增加了34.5%。实验结果不仅表明OTC增温能够促进农作物生产并提高产量,而且也提示,若采用OTC开展空气CO_(2)和O_(3)等浓度增加对植物影响模拟实验时,应该尽量减少OTC内外的微气候差异,并考虑OTC增温可能对实验结果的影响。

野外林下环境中模拟气候变暖的新型开顶式气室设计与应用效果

开顶式气室(OTC)是研究气候变化对植物生长和营养状况影响的重要工具。然而在野外森林环境条件下,运用传统OTC系统研究气候变化对林下植物生长影响,存在太阳辐射不足、增温效果波动大或运行成本高等局限。本文改良出一种稳定增温、价格低廉的新型OTC系统,并将其用于研究气候变暖对野外林下环境冷箭竹(Bashania faberi)生长实验中,以评价其性能。结果表明:在为期两年测试期间,气室内能提供稳定增温条件,3个处理组与对照组相比,分别增温了1.5、3.0和4.5℃,并且日平均温度控制偏差可达±1℃以内。此外,不同增温处理对新型OTC内空气湿度影响较小,对土壤湿度影响不明显。实验证明了该系统以低成本研究温度变化对植物影响的可行性,表明该系统是研究气候变化对森林生态系统中林下植物影响的一种有效工具。

OTC-1型开顶式气室物理性能的测试与评价

针对OTC-1型开顶式气室的物理性能进行了评价,结果表明:在不同CO_2浓度下,CO_2送入量控制稳定,气室内CO_2浓度的水平和垂直分布均匀。在通风和不通风两种情况下,气室内温度和湿度分布基本相近,碳过滤器的过滤效率显著。

OTC-1型开顶式气室中CO_2对大豆影响的试验结果

利用OTC-1型开顶式气室对大豆进行了长时期不同CO_2浓度处理的接触试验,结果表明:不同CO_2浓度处理对大豆生长发育、生物产量、籽粒产量及叶片光合作用率等影响显著,且均为正效应。

用旋转布气法开顶式气室研究臭氧对水稻生物量和产量的影响

在开顶式气室(open top chamber,OTC)内,检测了旋转布气法的气体交换效能和对O3分布的均匀性及稳定性,研究了O3体积分数升高对水稻(Oryza sativaL.)光合速率、生物量和产量的原位影响.经实验检测,旋转布气法能使O3在OTC内分布比较均匀、稳定,满足OTC内布气要求,使气室内外最大温差为1.87℃;同时实验还表明O3体积分数的升高减少了水稻叶片光合速率、抑制了生物量的累积和降低了水稻的产量.在O3体积分数为1×10-7和2×10-7暴露下,水稻叶片光合速率分别比对照降低38.6%和53.9%,地上生物量累积速率分别降低8.8%和32.3%,产量分别降低10.1%和53.1%.结果表明,该旋转布气方法性能稳定,可广泛用于大气特定成分变化对近地层生态系统的原位影响研究.

开顶式气室原位模拟温度和CO_2浓度升高在早稻上的应用效果

该研究针对气候变化模拟中自由大气CO2浓度增加和红外增温技术投入及运行成本高、波动大，而全封闭的环境模拟室对作物生长环境改变大的不利因素，对传统的开顶式气室（open-top chamber，OTC）系统加以改进，采用将 OTC 外部空气抽入内部交换过程中自动控制增补 CO2浓度及加热增温的方式来模拟未来大气中 CO2浓度及气温升高的情况，在早稻生育期内对其温度、CO2浓度和空气相对湿度进行了监测，结果表明：可控温及CO2的 OTC 内部的日平均温度控制偏差能达到＆#177;0.2℃以内，最大偏差为-0.58℃；对 CO2浓度的控制偏差范围在-39.4～4.8μL/L，达到了很好的控制效果，完全可以用于气候变化研究中模拟大气CO2浓度及温度升高的情景。同时，该研究还对OTC内部的空气湿度进行了监测，其结果显示在不增温的情况下对空气相对湿度无影响，若增温，则OTC内部的空气相对湿度会增加2%左右。总体来说，可控温及CO2的OTC技术可以用于稻田气候变化模拟试验研究。

用于研究大气二氧化碳浓度升高对农田有害生物影响的田间试验装置——改良的开顶式气室

开顶式气室可精准控制大气CO2(或其它气体成分)的浓度,使之稳定在一个特定的水平,为研究未来大气CO2浓度升高(或其它气体成分变化)对植物害虫天敌之间相互关系的影响提供了条件。该装置由CO2气源、CO2浓度测控系统和气室3部分组成。气室又包括无色透明玻璃(2.5mm厚)室壁,正八边形的铁框架和中空底座,以及换气扇组成的通风系统4部分。能实现气室内CO2浓度的自动控制。经试验检测,气室内CO2浓度、温度、相对湿度等环境条件的水平分布和垂直分布都很均匀,与自然环境十分接近。该气室设计的结构合理,使用性能稳定,可广泛应用于大气特定成分变化对生态系统影响的研究。

OTC-Ⅰ型开顶式气室优化设计与性能分析

为了模拟CO2、O3质量浓度升高的环境条件,OTC-Ⅰ型优化开顶式气室设计实现计算机自动控制气室内的气体质量浓度,其它环境条件接近自然状态,气室内空间适合木本植物生长。对气室性能试验分析结果表明,高质量浓度CO2处理(700μmol/mol)的变异量≤4%,高质量浓度O3处理(80mmol/mol)的变异量≤9%,说明处理气室内CO2与O3质量浓度比较稳定,各重复气室之间控制气体质量浓度无显著差异。本套系统可用于植物对气候变化的响应研究,所得数据相对可靠,是模拟气体环境的较好装置,适用于长期的监测研究。

开顶式气室在生态学研究中的应用进展

介绍了开顶式气室在模拟未来可能影响生态系统的环境变化(如CO2和O3浓度增加、污染加剧等)的应用研究进展情况,指出应用开顶式气室进行研究必须注意由于气室结构本身无法避免的缺陷导致的试验误差,并对该技术在生态学领域未来的应用前景进行了展望.

模拟大气CO_2变化仪器开顶式气室安装与测试

为进行模拟气候变化对寒地粳稻的影响,通过在黑龙江省安装开顶式气室(OTC),并进行CO2浓度的测试,分析OTC运行时仪器内气体的稳定性。结果表明:仪器运行时,在气体收集室内,不同高度(50和100cm)CO2气体浓度变异系数均小于0.04;不同时间(每2h测一次)和不同天数(连续10d)OTC内CO2气体浓度变化差异不明显;气体流量与气体收集室内CO2浓度呈线性关系。由此说明,在黑龙江省安装的OTC可以控制气体收集室内CO2浓度,并保持气体浓度稳定性。

开顶式气室CO2浓度自动控制系统的设计与实现

为实现对开顶式气室OTC中CO2浓度的实时采集和自动控制,设计了一种基于无线信息采集的CO2浓度自动控制系统。该系统以STC12C5A32高速型单片机作为控制中心,以星形网络作为系统拓朴结构,以数字式红外CO2传感器模块C20作为OTC室内CO2浓度检测装置。利用射频通讯模块nRF2401的半双工收发方式实现气室内CO2浓度数据的实时无线传输。下位机软件采用C51语言编写,实现了网络通信、CO2浓度实时采集和实时控制,基于Visual Basic6.0开发的上位机软件实现了数据的自动存储。

田间条件下模拟CO_2浓度升高开顶式气室的改进及其效果

为提高传统开顶式气室(Open-top chamber,OTC)在田间条件下原位模拟大气CO_2浓度升高对作物生长影响的适用性和精度,通过尺寸放大(长×宽×高=4.0 m×4.0 m×3.0 m)、形状调整(正四边形棱柱状)、新材料应用(塑钢PC结构)及内部CO_2浓度优化控制等措施对其进行了改进,并利用改进的OTC分别于2015—2016年在旱作春玉米农田原位模拟大气CO_2浓度升高的情形,通过对比玉米生育期内OTC内外CO_2浓度、温度和空气相对湿度,探讨了其模拟效果。结果表明:可控CO_2OTC内部CO_2浓度能够控制在预期值范围内,2015年控制误差范围为-17.2~0.2μmol·mol-1,2016年为-5.4~0.1μmol·mol-1,控制效果良好;可控CO_2OTC对室内气温产生了一定的影响,与气室外相比,在白天2015年平均增温0.8℃,差异显著(P<0.05),2016年平均增温0.4℃,差异不显著(P>0.05);可控CO_2OTC内部空气相对湿度与大田相比有所降低,2015年约降低2.4%,2016年降低了3.1%,差异均不显著(P>0.05)。研究表明,改进后的开顶式气室性能稳定,模拟精度高,能够较为准确地反映CO_2浓度升高后的旱作春玉米生长,可用于今后的大田模拟试验研究。

田间原位开顶式臭氧熏蒸系统研究

臭氧污染造成的粮食作物减产及经济损失受到普遍关注,研究植被对臭氧的响应是评估臭氧污染造成影响的重要依据.针对国内外已有开顶式熏蒸系统的缺点,改进布气管的布气孔大小和形状,以保证气室内布气的均匀性;改进风机的供气方式,采用一供三的方式以提高各平行样间的平行性;通过计算机负反馈控制和采用引流装置,以提高臭氧浓度控制和测定的准确性.在国内率先尝试在跟随环境臭氧浓度的基础上增加一定浓度的臭氧作为熏蒸气体.田间实测表明:该装置气室内臭氧浓度与设定浓度一致且分布均匀,平行样的平行性好,气室内外温度、相对湿度及光照强度衰减均达到了国内外同类装置水平,可广泛用于田间原位大气污染物对植被影响的研究.

开顶式气室原位研究水稻汞富集对大气汞浓度升高的响应

采用开顶式气室熏气实验和土壤加汞培育实验,原位研究水稻各器官汞富集对大气汞质量浓度升高的响应关系.结果表明,水稻根中汞含量与大气汞质量浓度无显著相关性(P>0.05),与土壤汞含量呈显著正相关(R=0.998 8,P<0.05),表明水稻根中的汞主要来自于对土壤中汞的吸收累积.水稻茎中汞含量随大气汞质量浓度的升高呈线性增加(RB=0.964 6,RU=0.983 1,P<0.05),且上部茎中汞含量高于下部茎;茎下部汞含量随土壤汞含量的升高呈线性增加(R=0.990 1,P<0.05),茎上部汞含量随土壤汞含量的升高呈二次拟合增加(R=0.998 9,P<0.05),且下部茎汞含量高于上部茎,说明茎汞含量受土壤和大气汞浓度的共同影响.水稻叶中汞含量与大气汞质量浓度呈显著正相关(R=0.998 5,P<0.05),与土壤汞含量也有很好的线性关系(R=0.998 3,P=0.058 5),表明水稻从大气吸收的汞主要积累在叶片中,从土壤吸收的汞主要富集在根中并通过茎部向叶部传输.利用实验建立的函数关系对水稻地上生物质中汞的大气来源估算,至少60%~94%和56%~77%水稻叶和上部茎中的汞来自大气,而大气对下部茎仅贡献8%~56%.由此水稻地上部分生物质汞主要来自对大气汞的吸收,为区域大气汞的收支及汞循环模型提供理论依据.

OTC－1型开顶式气室的结构和性能

本文详细论述了开放式气室的结构与性能，二氧化碳浓度数据采集系统、物理性能等。并重点介绍了作者自行研制的ＯＴＣ－Ｉ型开顶式气室。

臭氧浓度升高对小白菜叶片生理特性的影响随暴露时间的变化研究

为探究近地面臭氧(O3)浓度升高对植物的不良影响随暴露时间延长的变化情况,本研究以小白菜(Brassica pekinensis)为研究对象,采用开顶式气室(OTC),设置4种O3浓度水平,即环境浓度(NF),环境浓度+40 nmol·mol^(-1)(NF40),环境浓度+80 nmol·mol^(-1)(NF80),环境浓度+120 nmol·mol^(-1)(NF120)。根据小白菜叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Car)、可溶性蛋白(SP)、可溶性糖(SS)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性(PEPC)、丙二醛(MDA)、抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、总抗氧化能力(T-AOC)与O3暴露剂量(AOT40)的线性模型截距与模型斜率在不同测定时间的关系,明确O3浓度升高对小白菜叶片生理特征的影响随暴露时间的变化规律。研究发现,累积熏蒸28 d时,随着O3浓度升高,与NF组相比,NF40、NF80、NF120组小白菜叶片Chl,Car和SP含量分别减少19.09%、30.45%、33.66%,12.85%、24.69%、27.78%和26.30%、37.89%、38.16%(P<0.05),而叶片MDA,SS,GSH,AsA,T-AOC含量分别增加31.11%、33.42%、75.23%,165.61%、207.08%、306.00%,78.30%、89.08%、162.09%,14.47%、15.11%、92.35%,27.87%、32.84%、42.61%。结果表明,O3浓度升高会造成小白菜叶片光合色素下降和生理伤害增加,并诱使小白菜抵御O3胁迫的抗氧化能力增强。随着O3暴露时间延长,叶片中Chl、Car、SP、MDA对O3的敏感性(即指标对单位O3暴露剂量变化的响应大小)减弱(P<0.05),而SS、GSH、AsA、T-AOC对O3敏感性无显著变化,说明随着暴露时间延长O3胁迫对小白菜叶片生理特征的影响强度呈下降趋势,小白菜对O3胁迫的敏感性降低。研究表明,长时间高浓度O3熏蒸降低了小白菜的光合作用,提高了抗氧化能力,最终导致生物量降低,同时降低了小白菜对O3胁迫的敏感性。

大气CO_(2)浓度缓增对冬小麦土壤呼吸的影响

为研究大气CO_(2)浓度缓增对冬小麦(Triticum aestivum)土壤呼吸的影响,基于开顶式气室组成的CO_(2)浓度自动调控平台,在2017—2019年开展了两季冬小麦CO_(2)浓度缓增试验.每季试验在背景大气CO_(2)浓度基础上(CK,对照),均设置了CO_(2)浓度缓增处理(C_(80)和C_(120),即从2016年起逐年增加40μmol·mol^(-1),至2017—2018年和2018—2019年冬小麦生长季CO_(2)浓度分别为CK+80μmol·mol^(-1)和CK+120μmol·mol^(-1)).采用静态暗箱-气相色谱法测定土壤呼吸速率.结果表明:CO_(2)浓度缓增没有显著改变土壤呼吸的季节变化规律,但是会显著影响冬小麦旺盛生长期的土壤呼吸速率.在2018—2019年冬小麦抽穗-扬花期,C_(120)处理使土壤呼吸速率显著增加50.2%(P=0.008),且使得生长季土壤碳排放显著增加25.9%(P=0.044),而在2017—2018年冬小麦生长季,与CK相比,C_(80)处理对土壤呼吸没有显著影响.土壤呼吸与土壤温度呈指数正相关,与CK相比,CO_(2)浓度缓增降低了土壤呼吸对温度的敏感性.研究表明,CO_(2)浓度缓增120μmol·mol^(-1)增加了冬小麦生长季土壤碳排放.

开顶式气室对冬小麦的生长及产量的影响

开顶式气室(open-top chamber,OTC)通常是用来研究气候变化对农业生产的影响,为了探明开顶式气室内外冬小麦生长和产量的差异,分析了OTC内外气象因子(温度、相对湿度、饱和水汽压差和太阳辐射)的变化,测定了OTC内(CK组)和OTC外(AA组)冬小麦(扬麦13)在不同生育期的株高、叶面积、干物质、生长参数及产量指标。结果表明,OTC内温度、相对湿度和饱和水汽压差高于OTC外,而光合有效辐射低于OTC外。此外,OTC对冬小麦的株高、叶面积、生物量和产量都会造成不同程度的影响。与AA组相比,OTC对冬小麦的株高具有抑制作用,但是在生育后期对叶面积有促进作用。在冬小麦整个生育期,OTC对冬小麦叶干重、茎干重都表现出明显的负效应,但是对根干重具有促进作用。CK组穗的干物质累积低于AA组。OTC内的冬小麦穗重、单株粒数、单株粒重和千粒重都低于OTC外,导致OTC内冬小麦产量降低。