半开放式CO2和温度递增系统(CTGC)的改进：CO2浓度控制效果*

李豫婷，冯永祥，韩 雪，仝乘风，魏 强，李迎春



半开放式CO2和温度递增系统(CTGC)的改进：CO2浓度控制效果*

李豫婷1,2，冯永祥1**，韩 雪2**，仝乘风2，魏 强2，李迎春2

（1.黑龙江八一农垦大学农学院, 大庆 163000；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室, 北京 100081）

环境控制模拟系统，是开展农田生态系统对全球气候变化响应研究的有效手段，但目前应用于试验中的模拟系统均存在一定局限，如CO2气体过量消耗、试验成本较高、模拟的试验环境与真实的自然环境差异较大、试验空间有限、不易重复等。针对这些问题，本研究对半开放式CO2浓度和温度递增模拟系统（CTGC）进行了硬件升级和设计改进，针对其CO2浓度的控制效果包括CO2浓度监测、CO2气体释放两大系统进行改进，使其能达到精准控制CO2气体释放，降低试验成本，精确模拟未来高CO2浓度的生产环境，其空间面积较大，适合多种作物同时试验。改进后的系统利用电磁阀组和CO2浓度检测传感器组成的多通道监测系统，实时检测各处理区域内的CO2浓度，实现精准监测。在CO2气体释放源端，采用比例调节式减压器，有效减少了CO2从储气罐中被减压后在气体管路中的压力积蓄，控制CO2气体精量释放；系统将CO2释放方式由纵向改为横向，释放管道由主管加支管组成，由控制流量调节阀将主管与支管相连接，使气室内形成均匀的CO2释放区域，从而达到CO2浓度梯度升高的模拟效果。试运行结果表明，改进后的CTGC系统可以实现CO2浓度387±4.5、441±13.4、490±20.9、534±24.3和567±28.9μmol·mol-1的梯度递增，系统对环境变化的响应速度加快，能够精确实时监测气室内各处理区域CO2浓度的变化，并实现CO2气体的精量释放；系统内的CO2浓度梯度递增趋于稳定，从而更好地模拟大气CO2浓度逐渐升高的过程，满足作物对气候变化响应研究的需要。

CTGC系统；CO2梯度；半开放；CO2控制系统

全球气候变化已在世界范围内引起广泛关注，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告显示，大气中CO2浓度已达400mg·kg-1，预计至2050年将达到550mg·kg-1左右。报告同时指出，CO2浓度升高全球变暖加剧，1880−2012年全球海陆表面平均温度升高了0.85℃，呈线性上升趋势。预计21世纪末全球平均温度将比21世纪初增高0.3～4.8℃[1]。CO2作为作物光合作用的原料，其浓度升高一般会促进作物的光合作用，并显著减小叶片气孔导度，影响蒸腾和水分利用率等[2-4]，从而导致作物生长发育、产量和品质发生一系列变化；此外，大气中CO2浓度升高气候变暖还导致区域降水发生显著变化，降水分布不均和降水量异常等现象发生频繁[5]；加之气候变暖加快地表水的蒸发，导致农业灌溉用水量增加，淡水资源损耗加速，作物生产需水量与可供给水量之间的矛盾越来越突出[6]。由此可见，气候变化不仅影响作物自身的生长发育、产量和品质，还将通过影响降水分布、降水量和温度等环境因素从而改变作物种植区域等方式对作物产生影响，直接关乎作物生产和粮食安全[7]。面对全球气候变化趋势日趋严重的问题，研究未来大气CO2浓度、温度和水分等直接影响作物生产的环境因素的变化，对农业生产尤其是粮食作物生产至关重要，对制订气候变化适应与减缓对策和措施具有重要意义[8]。目前，研究CO2浓度升高对作物影响的环境模拟系统，经历了封闭式—半开放式—开放式的发展过程。主要模拟系统包括CO2长期处理温室系统(CO2-controlled Long-Term greenhouse system CO2LT)、土壤植物大气研究系统(Soil Plant Atmosphere Research system SPAR)、开顶式气室(Open Top Chambers，OTCs)、半开放式温度梯度系统(Temperature gradient chambers, TGC)、半开放式CO2浓度-温度梯度系统(CO2-Temperature Gradient Chambers，CTGC)、开放式CO2浓度富集系统(Free-air CO2Enrichment，FACE)以及Mini-FACE系统[9-15]。各类型的环境模拟系统均存在一定的局限性，封闭式模拟系统由于为全封闭状态，其气室内的光照减少，温度升高，昼夜温差减小，风速相对静止，气室内部环境与自然环境隔绝，试验结果与自然环境下的结果差异较大[10]。半开放式OTC系统最大的缺陷是试验空间面积较小，不易重复，并不适合各种类作物进行响应试验，而且作物的根系生长空间有限，试验条件变幅大。开放式FACE系统因其最接近于自然大气状态，试验精度高等独特的优越性适用范围较广[16]；但由于是开放式模拟系统，其CO2气体释放量较大，FACE系统运行费用相对较高[9,17]。且多数环境模拟系统仅考虑当前和倍增后的大气CO2浓度两个CO2浓度处理，然而，气候变化是个循序渐进的过程[17]，大气中的CO2浓度是逐渐变化而不是陡然升高到某个程度，因此，模拟CO2浓度升高的系统也应该实现梯度升高，以更加真实地模拟未来CO2浓度变化环境，从而更接近作物对未来环境的响应。

半封闭式CTGC环境模拟系统，能够实现CO2浓度的梯度升高。目前，CTGC系统在美国、日本、韩国、印度等国家被应用于研究气候变化、作物育种、作物栽培等领域[18-21]。中国学者也利用自行设计的CTGC系统进行了一定的试探性研究，结果表明，CTGC系统适用于研究未来大气CO2浓度升高对作物的影响，是研究作物对CO2浓度升高响应的有效手段。该系统可以同时控制CO2浓度和温度等多个环境因子，达到较好的模拟效果[9,17,19]，适用于多种环境因素交互作用对作物影响的研究。虽然该系统气室内的风、光照和温湿度等与自然环境存在一定差异，但其可供试验使用的空间面积较大，适合更多种类的作物进行响应试验；由于其为半开放式环境模拟系统，其CO2气体的用量远小于开放式的FACE系统，节约资源的同时降低了试验运行费用。虽然CTGC系统有足够的优势用于作物响应试验中，但目前试验所使用的CTGC系统在设计思路上仍存在一定不足，在硬件设备方面也存在改进空间[17]。例如，CTGC系统内的CO2浓度监测装置对环境变化的响应速度不够迅速，从而导致整个系统气室内不能完全实现CO2浓度梯度的均匀分布。此外，CO2气体的释放方式为纵向释放，并且释放管道仅为一根纵向主管道，难以实现各处理区域CO2气体的精确释放。因此，本研究针对CTGC系统存在的不足，在设计思路和硬件设备上分别进行改进与升级，使其能达到实时精确地监测系统气室内各处理区域的CO2浓度，并达到精量释放CO2气体的目的，从而使该系统内形成稳定的CO2浓度梯度递增处理，更好地模拟自然界大气CO2浓度渐进升高的过程，从而满足气候变化研究的需要。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验在黑龙江八一农垦大学校内试验基地（46.59°N，125.16°E）进行。2012年4月8日利用基地内一长28m、宽5m、高2.5m的独立钢架塑料气室，内部安装CO2浓度监测装置、CO2气体释放装置和气体流通装置共同组成CTGC系统。该系统由南向北形成5个连通的区域（图1），分别为CK区、e1区、e2区、e3区和e4区，每区面积为5.1m×1.2m，每个区域又继续划分为3个裂区作为该处理的重复区域。

1.2 系统设计原理

针对CO2浓度监测系统和CO2气体释放系统对CTGC进行改进，采用CO2红外传感器与多通道电磁阀组进行配套，形成CO2浓度数据采集监控系统；并加密CTGC气室内CO2浓度检测点，以更精确监测各处理区域CO2浓度的变化。基于监测数据由计算机算出CO2气体的控制释放量，并向比例调节式减压器输出控制电压，由其控制CO2气体的释放量。改进后的CTGC系统其CO2气体以横向释放，释放管道由主管道和支管道组合而成 （图1），二者由气体流量调节阀相连接；流量调节阀用于调节各区域内的回送风量，从而控制各CO2浓度梯度差。通过对各处理区域CO2浓度的精确监测，实现精量释放，以形成气室内稳定的CO2浓度梯度。

1.3 CO2浓度处理设计

2012年5月23日−9月10日对当地主栽水稻五优稻四号和松粳9号两个水稻品种进行CO2浓度升高的环境模拟。各处理区域的CO2浓度预设值分别为390μmol·mol-1±10%（CK），450μmol·mol-1±10%（e1），500μmol·mol-1±10%（e2），550μmol·mol-1±10%（e3），600μmol·mol-1±10%（e4）。

2 结果与分析

2.1 改进CTGC系统的设计和构造

改进后的CTGC系统共包括气室、CO2浓度控制系统和气体流通装置3大部分（图1），系统气室长28m，宽5m，高2.5m，由南向北纵向安置，入口处为进气端，装有1.8m´1.6m网帘（日间启用，夜晚关闭），出气端装4个直径42cm大功率排风扇，因此，气室内的气流方向为由南向北。由数据采集监控箱内设置的CO2红外传感器（VAISALA: GMP-343型，芬兰）与12个通道电磁阀组（MAC型，美国）配套，通过程序控制实现系统内10个CO2浓度气体检测通道间定时切换（间隔10s），从而完成系统内各处理区域CO2浓度的监测。在气室内每个CO2浓度处理区域安装一个温湿度传感器，距地面2m高，每两个相邻的温湿度传感器间隔5.6m。CO2释放装置由CO2钢瓶、减压器、鼓风设备、释放管道和流量调节阀组成。钢瓶连接的释放管道处安装释放比例式减压器(SMC:ITV2030-312BL型，日本)，用于控制CO2钢瓶的出气量，有效降低了减压后的CO2在管路中的压力积蓄。该系统的CO2释放方式为横向释放，释放管道由主管道和支管道组合而成，距地面2.3m。主管道沿南北纵向安装在气室内，一端密封，另一端连接回风鼓风机，鼓风机出口处设置CO2气体补充进气口。沿纵向横截面方向每隔5m安装一条CO2释放支管道，支管道顶端密封，管体上均匀排列直径2mm的释放孔，释放孔垂直朝向地面；支管道与主管道由气体流量调节阀相连，流量调节阀用于调节断层内的回送风量，并通过回送风量控制各区域CO2浓度梯度差，使整个气室内形成间隔5m的4个均匀的CO2释放区。

2.2 改进CTGC系统的运行原理

气室内CO2气体在鼓风机的作用下，由与CO2钢瓶连接的气体管道经CO2释放比例式减压器进入释放主管道。CO2气体与主管道末端的高CO2浓度空气混合，然后输送至各支管道，释放到空气中形成CO2浓度的梯度分段区域。在气室出气端排风扇的作用下，由进气端进入新鲜空气，流经各分段区域时，由回风释放管道分段释放CO2，系统通过加大回送风管的直径及风机压力，有效提高了混合回风量，确保空气混合持续循环，实现气室内稳定的CO2浓度梯度升高，并使各处理区域内的CO2浓度误差控制在10％以内。控制计算机在进行数据采集和控制的同时，自动完成实时数据的存储。为进一步明确CO2浓度在每一梯度处理区域内的水平分布情况，试验期间使用便携式CO2浓度测定仪，在系统气室内分别沿各处理区域的纵向及横向进行观测。

改进后的CTGC系统其CO2浓度梯度处理，沿气室纵向由进气端向出气端依次排列。系统进气端3m内为对照，即进气端与第一道放气支管之间不进行CO2释放，为CK（390μmol·mol-1±10%）；e1（450μmol·mol-1±10%）位于第一道放气支管与第二道放气支管之间；e2、e3、e4依次排列，由此形成4个面积为5.1m×1.2m的CO2浓度梯度处理区域（表1）。

表1 观测期（2012-05-23―09-10）各处理区域CO2浓度均值及梯度差值（平均值±标准差）

2.3 改进CTGC系统中CO2浓度控制方法

CO2浓度控制系统由CO2浓度传感装置、数据信号传输设备、控制计算机、CO2气体释放装置组成，利用PID（Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分）控制模式，通过监测、比较差值、自动释放3个步骤实时动态完成CO2浓度的调整和控制。首先通过电磁阀组和CO2浓度检测传感器（VAISALA:GMP-343型红外传感器，芬兰）组成的多通道监测系统，实时检测5个预设梯度处理区域内CO2浓度，由控制计算机通过与系统预设CO2浓度梯度值比较计算控制量，向比例调节式减压器输出控制电压，然后由减压器控制CO2气体的释放量，使系统内CO2浓度梯度值达到预设的浓度范围。

2.4 改进CTGC系统中CO2浓度的监测

CTGC系统使用的液态CO2纯度为99.9%，由石化公司工业废气分离提纯获得，高压钢瓶贮运，试验采用多个钢瓶并联的方式供气。2012年5月23日− 9月10日对CTGC系统内CO2浓度分布进行连续监测和调控。使用便携式CO2检测仪（EGM-4，PP Systems，美国）检测各区域CO2浓度。

气室内CO2浓度测点的横向分布：以CO2气体释放主管道为中心线将气室纵向分为两部分，每部分均包含一组CO2浓度梯度，由于每个处理区域有3个裂区作为重复，因此，每个CO2浓度处理区域内包含6个均匀分布的检测点。

气室内CO2浓度测点的纵向分布：依照处理区域的长度，气室内纵向共均匀分布15个检测点，第1个检测点距离进气端0.9m，相邻两个检测点之间的距离为0.9m´2=1.8m，故第2个检测点的位置为距进气端2.7m，第3个检测点距进气端2.7m+1.8m= 4.5m，后续检测点位置依次类推。因进气端3m内为CK区域，所以其内分布的2个检测点分别设置在距进气端0.9m、2.7m的位置；而e1区域内分布3个检测点分别距离进气端4.5m、6.3m、8.1m；e2区域内分布3个检测点分别距离进气端9.9m、11.7m、13.5m；e3区域内3个检测点分别距离进气端15.3m、17.1m、18.9m；e4区域靠近出气端，因此多设置一个检测点，其4个检测点分别距离进气端20.7m、22.5m、24.3m、26.1m，从而实现纵向检测各处理区域的CO2浓度，以验证整个试验系统内的CO2浓度梯度状况。

2.5 改进CTGC系统内CO2浓度的控制效果验证

2.5.1 各处理区域CO2浓度的梯度变化

对2012年5月23日−9月10日各处理区域CO2浓度的监测结果显示（图2），观测期内各区域CO2浓度均明显高于外界和CK，且各区域间存在明显差异，并按照区域e1、e2、e3、e4的顺序逐渐增加，基本达到分区域增加的目的。进一步由图中可见，观测期内外界CO2浓度变化较平稳，在329～415μmol·mol-1，CK处理CO2浓度保持在351～429μmol·mol-1，与大气CO2浓度差异不大且变化趋势基本一致，仅个别时间（如7月26日）CO2浓度异常高于大气CO2浓度，说明系统所释放的CO2气体呈单向流动，极少发生倒流。图中各处理区域CO2浓度变化过程完全一致，也说明CO2气体控制达到了单向流动的目的。CO2逆流的情况主要发生在遇到与排气方向相反的大风天气时，如7月26日和7月27日，由于试验基地发生了强烈的北风，使系统产生的气体倒流进入试验气室内，降低了释放控制点的CO2浓度，导致控制系统的CO2释放量急剧增加。

从整个试验期CO2浓度均值来看（表1），随着CO2浓度梯度的升高，每两个相邻处理间存在一个CO2浓度梯度差值，气室内共4个CO2浓度梯度差值且并不均等，低CO2浓度处理之间的梯度差值较大，而高CO2浓度处理间较小。其原因是各CO2气体释放支管的回气释放量虽然相同，但由于各处理的基础CO2浓度值不同，获得相同量的CO2气体补充时升高的幅度亦不同，从而导致梯度差值不一致。可通过支管上的气体流量调节阀控制CO2释放量，适当降低低CO2浓度处理区的通气量，以使各处理间的梯度差值趋于一致。此外，由表1还可见，各处理的CO2浓度标准差，随着梯度递进而升高，可能是由于相邻梯度处理的CO2浓度发生波动对后续处理产生影响，且这种影响有累积效应。

2.5.2 区域内CO2分布的均匀性

以CO2气体释放支管为界，系统气室内各CO2浓度处理的界限分明，且均表现为在靠近释放支管的下风向处略高。其中e1、e2、e3、e4处理靠近支管的下风向处的CO2浓度，分别较这些处理内其余观测点的CO2浓度平均高6.7、3.9、19、7.1μmol·mol-1，但其增幅均小于标准差，基本可以忽略，所以，可以认为各处理的CO2浓度分布较为均匀一致。由此证明，利用横向支管垂直向下的方式进行CO2气体释放，完全能够实现系统气室内的CO2浓度的梯度递增，且在同一处理区域内CO2浓度分布均匀（图3）。

由图4可见，整体而言，除e1处理可能由于接近进气端受气流的影响其CO2浓度的波动较大外，各处理区域内CO2浓度的横向分布均较均匀。e1处理区域内，中间部分的CO2浓度略低于两侧，这与两侧气流受到气室壁的摩擦阻力有关，越接近气室壁受到的阻力越大，流速越慢，从气室的横截面来看，释放支管受气室半圆形顶气室的物理空间限制，虽然释放管道内外的喷孔直径一致，依据流体力学的理论能够形成外侧喷气量略大于内侧的结果，但依然无法形成完全均匀的释放气幕，加之气室两侧边缘裸露土地的释放作用，积累的CO2偏多，导致气室边缘CO2浓度略有增高。

3 结论与讨论

改进后的CTGC系统能够有效迅速、精准地调节CO2气体的释放量，满足了不同处理区域内CO2气体的浓度需求，大大提高了CO2释放精度，从而达到很好的CO2浓度梯度升高的模拟效果。这主要是由于该CTGC系统的CO2浓度监测装置，系统内检测点增至10个，从而实现了快速精确检测，并可保持系统气室内的CO2浓度趋于稳定。在整个试验期间，各处理区域CO2浓度均明显升高，且各处理之间存在明显差异，系统实现了CO2浓度梯度升高的试验设计目标。各处理区域内CO2浓度的最大标准差为28.9μmol·mol-1，均低于改良前的CTGC系统和FACE系统等环境模拟系统[22]。并且，该系统气室内CO2气体控制能够实现单向流动，使各处理区域CO2浓度变化趋势保持与大气CO2浓度的变化趋势基本一致。因此，就CO2浓度的稳定性来比较，新型CTGC系统更能满足试验要求。

改进后，各CO2气体释放支管的回气释放量虽然相同，但由于各处理的基础CO2浓度不同，获得相同量的CO2气体补充时升高的幅度亦不同，导致各处理区域的梯度差值不一致。可通过CO2释放支管上的气体流量调节阀控制释放量，适当减少低浓度处理的通气量，实现各处理区域CO2浓度差的随时可调，使各处理间的梯度差值趋于一致，从而更加容易达到CO2浓度梯度递增的要求。

锌指蛋白作为转录因子中的一个大家族，广泛参与了人类体内的各种生物学进程，尤其是在基因表达调控方面具有重要作用，使锌指蛋白在结肠恶性肿瘤的诊断、治疗等领域彰显出巨大的潜力。近年来，随着越来越多的锌指蛋白被发现，以及对锌指蛋白功能研究的更加深入，锌指蛋白在结肠癌中调节转录、控制基因表达的特性已经得到了广泛的证实与认可；用锌指蛋白作为工具，调控哺乳动物特定基因表达的相关体外实验也取得了很大的进展。但是就目前国内外研究现状来看，在结肠癌中还有许多锌指蛋白和其作用机制尚未完全明了，锌指蛋白能否作为结肠癌治疗新靶点的问题也尚未明确，这些都有待于进一步的研究与探索。

改进后的系统采用了支管释放CO2气体的方式，纵向上气室内CO2浓度从线性连续变化转变为梯度变化。并且，系统可以对各个处理的面积进行调整，两个CO2释放支管间有较大的控制面积，每个控制面积内有相对较为一致的环境，使之更加适合应用到各种不同面积要求的试验中。CO2释放支管上的释放孔垂直向下，通过气室内气流的作用使释放气体在横向上对释放面的覆盖更为均匀。

改进后的CTGC系统，包含5个CO2浓度处理区域，能够实现CO2浓度梯度升高的模拟环境，优越于其它模拟系统仅包含两个或三个CO2浓度升高处理，可以更好地模拟未来CO2浓度逐渐升高的环境和作物的响应过程。该系统气室内各处理的CO2浓度，在纵向上分布较均匀，由此可见，利用CO2气体释放主管道与支管道组合方式进行气体释放，能够使各处理区域的CO2浓度在纵向上均匀分布，并实现系统气室内的CO2浓度梯度递增。而各处理区域在横向上其CO2浓度分布整体而言也较均匀，但e1处理CO2浓度的横向分布有较大波动，这可能是由于其接近进气端，受外界气流的影响，加之气室两侧气流受阻的关系，从而造成其CO2浓度横向分布波动较大，气室边缘CO2浓度略高。

该系统气室内CK区域的CO2浓度高于外界，分析其原因可能是，气室内作物和土壤微生物的夜间呼吸作用释放一定量的CO2，由于气室塑料薄膜的阻挡作用，CO2未能及时扩散至外界，所以造成CK区域CO2浓度高于大气。这种差异在春秋季节较小，而在夏季较大，这是由作物和温度两方面原因造成的，首先，夏季作物生长量大，生理活动旺盛，呼吸作用强，释放的CO2气体较多[23]；其次，夏季气室内温度较高，作物的加速生长和土壤微生物的各种代谢活动也是增加系统内CO2浓度的主要原因之一[24]。

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Improved Semi-open CO2Concentration and Temperature Gradient Chambers (CTGC): Controlling to CO2Concentration

LI Yu-ting1,2, FENG Yong-xiang1, HAN Xue2, TONG Cheng-feng2, WEI Qiang2, LI Ying-chun2

(1.College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163000, China; 2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

Environmental simulation system is an effective way to study the response of agro-ecological system to global change.However, current atmospheric carbon dioxide (CO2) enrichmentsimulation systems have some limitations, includingexcessive CO2gas consumption, high experimental cost, disparity between the simulated and the natural environments, space limitation, lack of replications. To address these problems, we upgraded the hardware and improved the design of the CO2concentration and temperature gradient chambers (CTGCs) that control CO2gas to release accurately and cost-effectively to improve the simulation of future elevated CO2concentration environment. Besides, the improved CTGCs was more spacious, which allowed the growth of more crop species simultaneously. In this system we used a set of electromagnetic valves and an individual CO2concentration infrared sensor to constitute a multi-passageway CO2concentration monitoring system for real-time monitoring of the change in CO2concentration. A proportional pressure reducing regulator valve was also deployed at the source of CO2gas emission. This effectively reduced the pressure storing in the gas pipeline when CO2was compressed and released from the gasholder, which resulted in accurate CO2gas emission. The pipeline consisted of head and peripheral branch tubes which were connected to the flux regulating valve. The equipment changed the CO2gas emission from longitudinal to lateral emission. The above changes form an evenly-distributed CO2gas released area in the improved CTGC system. The improved CTGC system achieved CO2concentrations of 387±4.5, 441±13.4, 490±20.9, 534±24.3and 567±28.9μmol·mol-1. The system improved effectively the response to environmental change, performed accurately real-time monitoring the change in CO2concentration in every treatment of the chamber, and released precisely CO2gas to maintain the targeted CO2concentration gradient in a stable and continuously manner. In summary, the improved CTGC system would be a better system for studying the responses of plants to CO2enrichment.

CTGC system; CO2concentration gradient; Semi-open; CO2simulation systems

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.02.005

2016−06−30

国家科技支撑计划“旱地生态系统固碳减排技术集成与示范”(2013BAD11B03); 国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2012CB955904)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项

李豫婷（1990-），女，硕士，主要研究方向为作物栽培与耕作、气候变化对作物的影响。E-mail:729392000@qq.com

**通讯作者。E-mail:312652275@qq.com; hanxue@caas.cn