研究高寒区植物生长过程对气候变化响应的封顶式生长室系统

为了研究高寒区植物生长过程对主要全球气候变化因子〔如环境CO2浓度加倍(EC)、环境温度升高(ET)〕及其二者组合(ECT)条件下的响应和适应,在青藏高原东缘岷江上游中部的中国科学院成都生物研究所茂县生态站〔λ(E)103°53′,φ(N)31°41′,海拔1820m〕建立了一组全封闭的生长室系统.系统由6个独立、自控、封闭的生长室和2个对照组成.本文首先描述了生长室系统的结构和控制原理,然后基于2004年的运行结果,分析了系统的各项指标特征.结果表明:(1)EC和ECT生长室内的CO2浓度在650～800μmolmol-1之间的时间分别占91.32%和91.67%(目标CO2浓度=环境CO2浓度加倍);(2)ET和ECT生长室内空气温度升高1.0～3.5℃的时间分别占95.06%和88.73%(目标温度=现行环境温度+2℃);(3)生长室内太阳辐射和光合有效辐射强度减少20%～40%的时间分别占90.42%和89.43%.生长室系统能够提供多种与自然环境变量较一致的环境条件,也能提供长期的、稳定的目标环境变量,是研究高寒区植物生长过程对全球气候变化响应和适应的有效模拟实验系统.

生长工艺对生长室内温度分布影响的数值模拟

为给实验研究晶体生长工艺提供必要的理论指导,以氢气和氧气的燃烧为基础,研究了焰熔法生长金红石单晶体过程中生长室内的温度分布特征,分析了H_2和O_2流量、喷嘴尺寸对温度分布的影响.研究表明:适合金红石单晶体生长的最佳燃烧器为内O_2、中H_2和外O_2的三管结构;随着H_2流量增加,生长室轴心线上和径向温度逐渐增大,H_2流量增加2 L/min,中心最高温度平均升高160℃,位置向下移动约2.5 mm;随着内、外O_2流量增加,生长室轴心线上和径向温度逐渐降低,与内O_2的影响相比,外O_2对中心温度影响较小,而对径向温度的影响较大;随着内O_2喷嘴孔径的增加,生长室轴心线上最高温度逐渐增大,而位置逐渐向喷嘴方向移动,而外O_2和H_2喷嘴孔径对轴心线上最高温度的影响非常小.

焰熔法生长金红石单晶体生长室内温度分布的数值模拟

以氢气和氧气的燃烧为基础,研究了焰熔法生长金红石单晶体过程中生长室内的温度分布特征,分析了H_2和O_2流量对温度分布的影响。结果表明:中心轴向温度随喷嘴距离的增加而升高,在距喷嘴92 mm处达到最高温度3290.3 K后开始下降;晶体熔帽径向温度随直径的增加逐渐减小,熔帽边缘温度则急剧升高;随着H_2流量增加,生长室内中心轴向和径向温度逐渐增大,H_2流量增加2 L/min,中心最高温度平均升高130℃,最高温度的位置向下移3.1mm,晶体熔帽表面温度平均升高70℃;增加内O_2和外O_2流量均导致生长室内中心轴向和径向温度降低,而使晶体熔帽上的压力升高,外O_2对温度的影响较大,而内O_2对晶体熔帽压力的影响较大。

焰熔法生长钛酸锶单晶体生长室内温度分布的数值模拟

通过研究焰熔法生长钛酸锶单晶体过程中生长室内的温度分布特征,分析了H_2和O_2流量、喷嘴孔径对温度分布的影响。结果表明,采用焰熔法生长SrTiO_3晶体时,晶体熔帽表面温度和压力由中心逐渐向外降低;随着H_2流量的增加,中心轴向的最高温度的位置基本不变,晶体熔帽温度和晶体四周的最高温度逐渐升高,只是升高幅度有所减小;晶体熔帽温度、压力及晶体周围烟气温度随O_2流量增大而升高,而轴向最高温度则降低;增加喷嘴的中心孔径将使轴向最高温度、晶体熔帽温度和径向温度梯度降低,而喷嘴的H_2孔径对生长室内轴向和径向温度分布的影响不是很明显。

加拿大圭尔夫大学作物系的生长室

圭尔夫大学安大略农学院为了在室内创造良好的大田作物生长条件,于1968年设计并建造了可以控制环境和人工照明的生长室,它比一般的玻璃温室优越,为科学研究和教学实验提供良好的手段。这种生长室虽然已经沿用了十多年,但至今在北美和世界农业院校中仍是先进而有用的。生长室占作物系大楼底层的大部分,共十一间房,总面积达901平方米。其中5间最大的是8.7×13.9米~2。每间从地面到顶棚高3.1米。

基于CAN总线植物生长室专家系统的设计

植物生长室可以控制室内的光照、温度、湿度和CO2等参数,通过模拟植物生长环境,进而深入研究不同环境对植物生理特征的影响。本文介绍了基于CAN总线的人工气候室专家系统的基本组成,讨论了系统的工作原理、硬件结构和软件设计方案。植物生长室广泛应用于科学研究、教学等领域。

两管燃烧器在生长室内燃烧特性的数值模拟

通过研究两管燃烧器在生长室内的燃烧特性,分析了燃烧器结构对燃烧特性的影响。结果表明:中心O2达到晶体熔帽上表面时,沿着熔帽表面向外流动,与晶体周围的H2发生反应,放出大量的热能,易使晶体熔帽边缘温度过高而引起溢流现象的发生;喷嘴中O2孔降低,不仅使晶体熔帽的边缘温度升高,而且大幅度增大了熔帽中心的压力,造成晶体熔帽产生较大的变形量,容易引起晶体在生长过程中发生溢流现象。

分子束外延生长室内晶片生长过程中真空度的测量

分子束外延生长室内晶片生长过程中真空度的测量张伯文（复旦大学）ＶａｃｕｕｍＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣｒｙｓｔａｌＣｈｉｐＧｒｏｗｔｈｉｎｔｈｅＧｒｏｗｔｈＣｈａｍｂｅｒｏｆＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ￥Ｚ...

等离子体加热单晶体生长室内温度分布的数值模拟

建立等离子加热条件下单晶体生长环境的物理模型,划分网格,并对温度和速度的分布数值进行计算与分析,研究初始条件和边界条件的影响规律,进而获得单晶体生长的最佳参数和晶体生长炉的设计数据。结果表明:中心轴向温度在距离喷嘴入口65 mm左右处达到适合钛酸锶晶体生长熔点,确定了晶体在生长炉内的合理位置。

焰熔法制备单晶体生长室内的燃烧特性

以氢气和氧气的燃烧为基础,研究了焰熔法生长单晶体过程中生长室内的燃烧特性。结果表明:在O2和H2的流量分别为6 L/min和20 L/min条件下炉膛中心最高温度为3504.3 K,根据这个结果可确定晶体生长的位置或确定在已知位置晶体生长所需要的最佳流量;随着H2流量的增大,生长室内中心和径向的温度都逐渐提高,而最高温度的位置随着O2流量的增大而逐渐向下移动,中心O2流量每增大1 L/min,最高温度的位置向下移动5 mm,在距喷嘴110 mm处的温度平均升高230℃左右;H2分布圆直径对生长室内中心与径向的温度分布、O2的冲击深度和开始燃烧位置的影响很小。

三管燃烧器在生长室内燃烧特性的数值模拟

通过研究三管燃烧器在生长室内的燃烧特性,分析了喷嘴结构对燃烧特性的影响。结果表明:H_2从喷嘴流出后,由于内O_2与外O_2的作用,在中心和近壁面处产生两股火焰。外O_2和H_2吹入深度接近,相互扩散明显,燃烧反应完全,生长室的氧化气氛主要通过内O_2实现。晶体熔帽所受压力主要来自于中心气流的作用,熔帽中心受到最大的压应力作用,而在晶体熔帽边缘附近,气流对熔体产生的压力为拉应力。喷嘴内O_2孔径对晶体熔帽表面温度和压力的影响比较明显,而外O_2环直径的影响很小,H_2环直径对熔帽温度影响较大,对压力的影响很小。

模拟增温对川西亚高山林线交错带绵穗柳生长、叶物候和叶性状的影响

采用开顶式生长室(open-top chamber,OTC)模拟增温的方法,研究了模拟增温对川西亚高山林线交错带绵穗柳生长和叶性状的影响.结果表明:与对照样地相比,OTC内日平均气温(地上1.2m)在植物生长季中增加2.9℃,而5cm土壤温度仅增加0.4℃;温度升高使绵穗柳芽开放时间明显提前、落叶时间明显推迟,叶寿命延长;OTC内绵穗柳叶面积和侧枝生长速率明显加快,比叶面积明显增加,而叶氮浓度却显著下降;OTC内绵穗柳的气孔导度、净光合速率、光呼吸速率和暗呼吸速率总体上呈增加趋势.综上所述,绵穗柳适应增温效应的能力较强,在未来气候变化背景下,其分布的海拔高度有可能上升.

川西亚高山林线交错带糙皮桦和岷江冷杉幼苗物候与生长对模拟增温的响应

采用开顶式生长室(Open-top chamber,OTC)模拟增温对植被影响的研究方法,研究了川西亚高山林线交错带糙皮桦(Betula utilis)和岷江冷杉(Abies faxoniana)幼苗物候及生长特性对模拟增温的响应。结果表明,温度升高使岷江冷杉幼苗芽开放时间显著提前(15.2d);糙皮桦春季芽物候期变化不显著,而落叶时间明显推迟(19.7d),叶寿命延长(22.8d)。与对照(CK)相比,OTC内糙皮桦叶面积和岷江冷杉叶片长度及两者侧枝生长速率都显著加快。模拟增温对两物种基径相对生长速率都表现为正效应,增温对两物种枝叶特性及分布格局表现为不同程度的正效应、负效应或无影响。不同功能型两物种对模拟增温响应方式存在一定程度差异。

灵芝生长气候环境控制系统的设计

介绍了灵芝温室栽培气候环境控制系统,采用灵芝生长室和循环风室隔离的结构设计,通过室内空气的交叉循环,结合风机变频调速、空气全热交换、智能照明补光等技术,调节灵芝生长室内的温度、湿度、光照、氧量等灵芝生长要素,实现全天候环境下灵芝的栽培,达到灵芝一年多季种植,提高灵芝成品的产量和质量。

不同生长条件下ZnO薄膜电学性质的研究

ZnO薄膜中的高的背景电子浓度能够对p型掺杂形成补偿,从而对p型掺杂造成障碍,了解高背景电子浓度的来源有助于对p型掺杂的研究。本文采用分子束外延技术在不同真空度下在a面蓝宝石衬底上生长了一系列氧化锌薄膜,发现在低真空度下生长的样品的载流子浓度较高,为1019cm-3量级;而高真空度下生长的样品,其载流子浓度比低真空生长的样品显著降低,降低了3个数量级。在相同条件下生长的样品,通过不同的后处理手段进行处理后,其电子浓度未发生明显变化,说明氧空位等本征缺陷不是ZnO薄膜中电子的主要来源,高背景电子浓度应该与生长过程中非故意引入的杂质相关。通过低温光致发光表征,发现低真空度下生长的样品在低温下3.366 eV处有强的施主束缚激子发光峰,而高真空度下生长的样品的此发光峰显著变弱。由此,高电子浓度被归结为与生长过程中非故意引入的氢杂质相关。

垄距和天气对玉米灌浆期开顶式气室(OTCs)增温效果的影响

气候变暖对作物生产系统影响显著,利用OTCs增温装置模拟农作物对气候变暖的响应是气候变化和农业生态领域的研究热点。作物生产系统在不同种植垄距下存在一定的水热交换差异,探明OTCs在不同垄距下的增温效果,尤其是在不同天气状况下的增温效果对分析作物生产系统响应气候变暖具有重要意义。本文在玉米灌浆期利用OTCs在黑龙江省海伦市野外田间开展了相同种植密度下垄距为55 cm、60 cm、65 cm和70 cm的模拟增温试验,利用Savitzky-Golay法和积分法定量分析了不同垄距,尤其是不同天气状况下,玉米OTCs冠层内外日温度变化特征和OTCs的增温幅度、增温时长和增温强度。研究发现,该装置能够使各垄距玉米冠层温度升高,65 cm垄距的增温时长最长,增温强度最大,升温最为明显。就增温幅度而言,55 cm垄距最大,65 cm垄距次之。不同天气状况下,晴天的增温幅度和增温强度最大,多云次之,雨天最小;但是,雨天天气下的增温时长最长。总之,不同垄距和天气状况显著影响OTCs装置的增温效果,垄距65 cm的增温效果最优,且晴天和多云天气下增温效果优于雨天。

短期增温对青藏高原高寒草甸植物群落结构和生物量的影响

采用增温棚模拟增温的方法,对比研究了青藏高原腹地典型高寒草甸和沼泽草甸在两种增温梯度条件下植物群落结构及植物生长对温度升高的初期响应。由于开顶式生长室(OTC)的增温作用,在整个生长季内,沼泽草甸月平均气温分别较对照提高2.98℃(OTC1)和5.52℃((OTC2),20cm处土壤水分分别减少了2.45%(OTC1)和3.44%(OTC2);高寒草甸月平均气温分别比对照升高了2.59℃(OTC1)和5.16℃(OTC2)。20cm处土壤水分分别减少了1.83%(OTC1)和7.71%(OTC2)。受温度升高及土壤含水量减少的影响,模拟增温2个生长季后,与对照样地相比,群落种群高度、密度、盖度、频度和重要值发生变化,群落结构也发生一定变化。增温处理使高寒草甸禾草和莎草盖度减少,杂草盖度增加,而使沼泽草甸中禾草和莎草盖度增加,杂草盖度减少。增温后,两种草甸总生物量均增加,但大幅度的增温条件抑制了高寒草甸的这种促进作用,而促进了沼泽草甸的这种促进作用。两种草甸的地下生物量主要分布在土壤表层,模拟增温使得高寒草甸的生物量分配格局向深层转移,但不明显;而使沼泽草甸生物量明显的趋向深层土壤中转移。

植物地上部分氮素的挥发损失

采用水培、土培、^(16)N标记试验,在尽量杜绝土壤和空气有关气体干扰的生长室中,捕获和测定了植物生长过程中地上部分释放的N_2,N_2O和NH_3。试验结果表明,植物不挥发N_2,但能释放N_2O和NH_3。释放的N_2O数量甚微,而释放的NH_3数量较大,是挥发损失的主要形态。挥发损失主要发生在作物生长后期。但是植物挥发损失的NH_3量难以与地上部分氮素的减少量相比似。要彻底阐明作物生长后期地上部分减少的氮素的归宿,需要拓宽视野,从多方面进行探索。

青藏高原东缘林线交错带糙皮桦幼苗光合特性对模拟增温的短期响应

采用开顶式生长室(OTC)模拟增温对植被影响的研究方法,研究了青藏高原东缘林线交错带糙皮桦(Betula utilis)光合特性对模拟增温的响应。结果表明:与对照样地相比,OTC内日平均气温(1.2m)在植物生长季中增加2.9℃,5cm土壤温度增加0.4℃。增温使糙皮桦幼苗叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)分别增加17.4%、21.4%和33.9%,但对糙皮桦幼苗叶片的水分利用率(WUE)却没有明显影响,而对糙皮桦的叶氮浓度却表现为显著的负效应。同时,增温能显著增加糙皮桦幼苗的最大同化速率(Pnmax)(+19.6%)、暗呼吸速率(Rd)(+14.3%)、表观量子效率(AQY)(+7.9%),但对其光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)却没有明显的影响。此外,增温使糙皮桦幼苗叶片的最大羧化速率(Vcmax)和电子传递速率(J)分别增加了12.3%和11.7%,而磷酸丙糖利用率(TPU)和CO2补偿点(CCP)对增温却并不敏感。该研究表明,模拟增温对林线糙皮桦光合生理总体上表现为正效应,这有可能帮助该物种对未来气候变化更快更好地适应。

长期增温对高寒草甸植物群落和土壤养分的影响

采用国际冻原计划模拟增温效应的方法,研究了连续增温16年后高寒草甸和高寒灌丛的植物群落结构、地上地下生物量、物种多样性、土壤养分含量的响应,以期揭示长期增温对植物群落特征和土壤养分的影响.结果表明：与对照相比,长期增温使高寒草甸植物群落高度增加18.4%,盖度降低5%;灌丛群落高度增加42.8%,盖度增加12.9%。草甸群落地上生物量减少23.6%,0～10,10～20,20～30 cm的地下生物量分别减少22.2%,38.6%,52.1%;灌丛群落地上生物量增加15.1%,0～10,10～20,20～30 cm的地下生物量分别增加4.9%,17.5%,3.1%。草甸群落物种数减少7,6,灌丛群落的物种数减少30%。长期增温使草甸和灌丛的土壤速效磷和全磷增加,而全钾降低,其他元素含量变化不一致。长期增温改变了高寒草甸和高寒灌丛的群落结构以及土壤养分含量,但对二者的影响不完全相同.