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黨建與文化

創新案例一

2009-08-23 分享到:
未來世界的窗口
----模擬未來大氣二氧化碳濃度增加的微域生態系統
 
     土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中國科學院南京土壤研究所)“中国水稻/小麦FACE研究项目课题组”是一个团结、协力、互信、拼搏进取的先进团队。朱建国研究員为课题组长,共有成员12名。由于FACE研究涉及到系统控制技术、作物栽培、植物生理生态、土壤过程、大气化学、生态系统结构等学科领域,对组织和协调工作要求很高。平台建成后,他们组织了中科院上海植物生理生态研究所、大气物理所、沈阳应用生态研究所和扬州大学、南京农业大学、南京理工大学及沈阳农业大学等单位50多名相关学科的科技人员和研究生参与工作。还吸引了来自日本、美国、德国、英国、比利时等国家的近20位研究人员前来交流和合作。自FACE项目从2001年6月正式启动以来,中外科学家凭着对科学研究的执著精神,克服了难以想象的困难,研究进展顺利并取得显著成效。
     大气中CO2浓度的逐渐升高不仅影响着全球气候变化,而且也将对人类的生存环境产生重大影响,由此近年来引起了国际科学界乃至各国政府的广泛关注和高度重视。在美国、日本等科技发达国家新近开展了以FACE(Free-Air Carbon dioxide Enrichment)技术为手段的相关研究。FACE系统是目前研究大气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,不僅可以爲國家制定糧食安全保障對策提供科學依據,而且也可爲我國政府爭取環境外交主動權作出貢獻。
 
爲國爭光的研究
 
     FACE系统是一个模拟未来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。國際上普遍認爲這是研究大氣CO2濃度增加條件下生態系統響應最理想的方法,被稱之爲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年代後期,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年前後的大氣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,在相應研究領域爲我國贏得了榮譽。
 
後來居上的系統建設
  
     中国FACE系统现建在江苏江都市小纪镇的一片开阔地上。据了解, FACE系统的建设,在国外一般需要一到两年的准备时间,即使所有材料具备,在野外建立起系统也得需要半年。该研究团组从日本确认提供我方必须的FACE系统仪器设备、关键器材和控制软件到在野外建成中国FACE系统并运行,只用了95天时间。前来协助系统建设的日方技术人员深深地为中方人员的工作热情所打动。
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。這也是以後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,集成爲一個程序包。由于上述創造性的工作,使中國FACE系統爲成爲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台,在世界上處領先地位。
 
成績斐然的工作
 
    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、産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。
     研究论证FACE处理植物在短期内对光合作用有明显的促进作用,随生长期发展有明显的适应。发现作物光合作用对FACE发生适应的直接原因是Rubisco含量和活化程度的降低,而与气孔因素无关;导致Rubisco含量降低的主要原因是可溶性糖的累积和ATP含量降低导致的RuBP再生限制所致。论证水稻生育期缩短的主要原因是植株温度上升、可溶性糖含量增加以及含氮率下降等。FACE处理使水稻和小麦产量分别提高10-14%和12-20%,明确产量提高的主要原因是单位面积穗数的极显著增加和生物产量的提高。FACE处理使水稻抽穗后20日~成熟期的干物质生产量显著减少,原因为叶片光合产物输出不畅而导致叶片净同化率下降、碳水化合物在根中积淀使根系活力下降。FACE处理使稻谷的整精米率极显著降低、垩白粒率和垩白度极显著提高,使稻米糊化温度极显著提高,使稻米蛋白质、微量元素含量显著降低。研究证实FACE条件使土壤微生物类群和功能多样性增加。发现土壤线虫总数、食细菌线虫和捕食/杂食线虫对大气CO2濃度升高表現出正響應,植物寄生線蟲反應敏感。發現並論證土壤礦化作用和養分供應能力增強,但植物在生長期的後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。發現並證實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正效應並不起決定作用。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,在國際同行中已産生較大影響。
 
点 评:
    该项目首次模拟研究大气CO2濃度升高對集約化農田生態系統生産力的影響。評估大氣CO2濃度升高對我國稻麥産量和品質影響,爲國家制定食品安全保障戰略,爲育種、種植區劃、水資源調控等的長遠規劃,爲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,爲國家在有關方面爭取外交主動提供科學依據。