开顶式气室的内外环境差异及其对小麦生长的影响

2023-03-06童思思孙旭郑飞翔王效科

农业环境科学学报 2023年1期

童思思，孙旭，郑飞翔，王效科

（1.云南大学生态与环境学院，昆明 650091；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室，北京 100085；3.中国科学院北京城市生态系统研究站，北京 100085；4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

大气环境变化，特别是全球增温、空气CO2和O3浓度增加，是人类目前面临的最重大的全球环境问题，已经成为威胁全球粮食安全的重要因素[1]。因此，研究大气环境变化对农作物的影响也是农业生态学的研究热点之一。开顶式气室（Open top chamber，OTC）作为一种最常见的大气环境变化生态学研究装置[2-5]，其不仅可以单独模拟CO2浓度升高、空气污染[6-10]和温度升高[5，11-12]，而且还常与其他方法结合模拟多种环境因素变化[13]，从而用来研究大气环境变化对植物和生态系统的影响。

OTC 实验装置具有简单、经济、可靠和保证植物原位生长等优点，但也会对植物生长环境产生一定程度的影响。OTC内外环境条件存在一定程度的差异，即OTC 气室效应（Chamber effect）。有研究表明，OTC内部温度[14-15]和相对湿度[4]会有所升高，而光照强度[16-18]和风速[4，19]则会降低。Fuhrer 等[17]研究发现，OTC 内日平均气温升高了1.3 ℃；郑启伟等[20]研究发现，外界温度在30 ℃以上时，OTC 内外最大温差可达到1.87 ℃。Weinstock 等[15]的研究指出，OTC 内外植物的冠层温度相差1～1.5 ℃。OTC 内外环境的差异，对生长在OTC 内的植物也会产生一定的影响。大多研究发现OTC 内的植物株高增加[15，21-22]，但曹嘉晨等[23]发现OTC 内的植物株高降低。OTC 会导致植物叶面积和冠幅增大[21]。此外OTC 还会影响植物的物候，有研究发现OTC 会导致蚕豆的展叶期和开花期提前[21]，使莎草生长季延长[19]。OTC 不但影响植物生长发育，而且也影响了农作物产量。有研究报道，OTC 会导致菜豆[24]、小麦[25]、苜蓿[2]和蚕豆[21]的产量增加，但也有研究发现OTC内的小麦[22]产量降低。现有的国内外主要研究结果的结论并不完全一致（表1）。因此，研究和讨论OTC 气室效应，对科学评价大气环境变化对农业生产的影响非常必要。

表1 国内外开顶式气室（OTC）的气室效应评价研究Table 1 OTC research at home and abroad

随着我国社会经济的快速发展，空气污染曾非常严重。近几年来，在全社会的共同努力下，空气PM2.5污染已经得到了明显控制，但空气O3浓度仍然很高[32]。特别是在我国华北地区，夏初经常出现的很高的O3浓度，可能对我国主要粮食作物小麦的生产构成极大威胁[33]。为此，本课题组在北京郊区搭建了OTC 装置，拟开展O3污染对小麦和其他植物的影响研究。为保证实验结果的科学性和有效性，本研究对OTC的气室效应进行了评价，并分析了气室效应形成的原因及其对植物生长和产量的影响。

本研究通过观测OTC 内外的空气温度、相对湿度和光合有效辐射来探讨OTC 内外的环境差异，并对OTC 内外小麦的净光合速率以及生物量和产量的差异进行评价，为合理利用OTC 开展模拟实验研究提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

实验地位于北京市昌平区马池口镇丈村的北京市昌平区种子管理站试验基地（40.18′N，116.13′E）。该地为温带大陆性季风气候，四季分明，冬春干燥多风，夏秋多雨。年平均气温11.8 ℃，全年降水量约550.3 mm，主要集中在6—8月。

1.2 实验材料

供试作物冬小麦“京411（Triticum aestivumL.jing411）”为当地普栽品种。实验采用盆栽方式，选当地土壤加入基肥搅拌均匀后装入盆中。每盆10 kg土壤，拌入1 250 g 有机土（含N 2.5 g·kg-1、P2O50.012 g·kg-1、K2O 1 g·kg-1），39.2 g 复合肥（含N、P2O5和K2O 均为15%），6.2 g尿素（含N 46%），即每盆施入的养分含量为N 11.9 g、P2O55.9 g、K2O 7.2 g。每盆均匀播种10粒。2020年10月6日播种，2021年5月28日收获。

1.3 实验设计

本研究使用的OTC 于2015 年建成，共12 个，此次实验使用了3 个气室。气室主体为圆柱体，采用焊接的钢构架，外面使用阳光板（聚碳酸酯，Polycarbonate）包裹，直径2 m、高2.5 m，顶部收口，并覆有遮雨罩。小麦成熟季节，气室外覆盖透明网纱，防止鸟食。采用风量为14 m3·min-1、功率为750 W 的离心式鼓风机，将室外气体通过聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）管道鼓入OTC[34]。当进行气体（如CO2或O3）影响模拟研究时，可将一定浓度的气体加入管道，经混合后从4个出口喷出，进入OTC 内。通过可编程时间控制器（PLC）和多个电磁阀，设定一定时间间隔，依次从不同气室内抽取气体，导入气体分析仪，监测各气室内气体浓度变化。根据气室内气体浓度变化，及时调整加入管道的气体物质量[20]。熏气系统示意图见图1。

图1 熏气系统示意图Figure 1 Schematic diagram of OTC

本实验设置两组处理：OTC内部处理组（In），在3个相同设计的OTC 内部分散放置盆栽冬小麦；OTC外部环境处理组（Out），在OTC 南向外部放置盆栽冬小麦。实验观测时间为2021 年3 月16 日—5 月20日，OTC 通气设置为每日9：00—17：00，雨天除外。实验期间每间隔2～3 d 对气室内外小麦进行统一浇水，每次浇水5 000 mL。2021 年3 月16 日，将18 盆小麦放置于3 个OTC 内，6 盆放在OTC 外，开始实验。直到5 月20 日，小麦叶片变黄后，OTC 门打开与外界环境完全通气。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 气象数据

OTC 内外温度与相对湿度数据由置于OTC 内外的HOBO 温度/相对湿度数据记录仪（UX100-011，Onset Computer Corporation，美国）监测，间隔5 min 记录一次数据。本文使用了2021 年3 月16 日—5 月20日实验期间的监测数据。使用辐射仪（LI-250A，LICOR，美国）测定9：00—17：00期间的光合有效辐射。

1.4.2 净光合速率的测定

在2021 年4 月8 日—5 月10 日期间，每隔2～5 d使用便携式光合测定仪（美国LI-COR 公司，LI-6400XT），于天气晴朗的上午9：00—12：00，每盆选取长势一致的3 丛小麦进行挂牌标记，每次测定倒二叶的光合速率，每片叶子重复测定3次。

1.4.3 生物量与产量构成测定

在每盆内随机收获一丛作物植株，记录每丛植株个数，然后将各器官分开装袋。在烘箱70 ℃下烘干至质量恒定，用分析天平称取各器官的干质量。测量指标参照气象行业标准《农业气象观测规范——冬小麦》（QX/T 299—2015）。干物质分配指数=某器官干物质质量/总干物质质量。每盆的单株生物量及产量（籽粒质量）、籽粒数、千粒质量和收获指数等指标均取采样丛的每株平均值。

1.5 数据分析

对于空气温湿度数据，重点分析每日通气阶段（9：00—17：00）的OTC内外温度差异，并采用配对t检验评价差异显著性水平。光合速率观测数据和收获后的生物量及产量数据，采用One-Way ANOVA方法，评价OTC 内外差异显著性水平。对于光合速率OTC内外的整体差异，还采用线性混合模型进行评价，处理作为固定变量，观测日期作为分组变量。数据分析和制图采用RStudio软件的相应程序包完成。

2 结果与分析

2.1 OTC内外空气温湿度差异

实验期间，OTC内外日平均温度分别为19.2 ℃和17.4 ℃，具有显著差异（P＜0.05）（图2a）。OTC 内外日平均相对湿度分别为41.1%和39.3%，具有显著差异（P＜0.05）（图2b）。OTC 内温度比外部高1.8 ℃，即增长了10.3%，OTC 内相对湿度比外部高1.8 个百分点，即增长了4.6%。

图2 全天和通气时间段OTC内外温度和相对湿度平均值差异Figure 2 Differences in mean values of temperature and relative humidity inside and outside OTC throughout the day and during ventilation time

在通气时间段内（9：00—17：00）温度升高了4.8 ℃（P＜0.05），即增长了21.2%。相对湿度减少了0.6 个百分点，即降低了2.0%（P＜0.05）（图2）。由此可以看出，白天通气时间OTC内外的温度差异更大。

OTC 内空气温度与相对湿度的日变化幅度明显大于OTC 外（图3a）。OTC 内外温度除了在上午7：00和8：00 没有显著差异（P＞0.05）外，其他时间点都具有显著差异（P＜0.05）。OTC内外相对湿度除在17：00没有显著差异（P＞0.05）外，其他时间点都具有显著差异（P＜0.05）（图3b）。

图3 OTC内外温度和相对湿度每小时变化Figure 3 OTC inside and outside temperature and relative humidity hourly change

温度差异以8：00 和18：00 为界，在8：00—18：00期间OTC内的温度高于OTC外，在18：00至次日8：00期间相反。在14：00 时，OTC 内外温差最大，为7.1 ℃。实验观测期间OTC内外温度最低均出现在凌晨5：00，分别为9.0 ℃和9.7 ℃，OTC 内最高值出现在14：00，为32.3 ℃，OTC 外最高值出现在13：00，为25.4 ℃。OTC 内早晚温差为23.3 ℃，OTC 外早晚温差为15.7 ℃。相对湿度以17：00 和10：00 为界，在10：00—17：00 期间，OTC 内相对湿度低于OTC 外，在17：00 至次日10：00 期间相反。在5：00 时，OTC 内外相对湿度差最大，为4.2 个百分点。OTC 内外相对湿度最低值均出现在14：00，分别为20.3%和21.8%。OTC内相对湿度最高值出现在5：00，为62.2%，OTC 外相对湿度最高值出现在4：00，为58.1%。

OTC内外抽穗期、扬花期、灌浆期平均温度差分别为1.6 ℃（内外分别为16.6 ℃和15.0 ℃）、1.7 ℃（18.3 ℃和16.6 ℃）、1.7 ℃（21.5 ℃和19.8 ℃），平均相对湿度差分别为3.2 个百分点（43.0%和39.8%）、3.0 个百分点（31.7%和28.7%）、1.6个百分点（39.5%和37.9%）。不同生育期间OTC内外空气温湿度差异较小。

2.2 OTC内外光合有效辐射差异

OTC 内的光合有效辐射除17：00 外，均显著低于OTC 外（P＜0.05），并且中午差别最大，早晚差别较小（图4）。OTC 内外光合有效辐射（以CO2计）小时均值分别为478.4 μmol·m-2·s-1和706.4 μmol·m-2·s-1，OTC内光合有效辐射平均降低了32.3%。

图4 OTC内外光合有效辐射每小时变化Figure 4 Hourly change of photosynthetically active radiation inside and outside OTC

2.3 OTC内外净光合速率差异

OTC 内外小麦平均净光合速率（以CO2计）分别为12.5 μmol·m-2·s-1和9.6 μmol·m-2·s-1（图5），相对于OTC 外，OTC 内净光合速率增加了2.9 μmol·m-2·s-1，即增长了30.2%。

图5 OTC内外净光合速率差异Figure 5 Difference between net photosynthetic rates inside and outside of OTC

除4 月13 日和4 月23 日外，在实验期间OTC 内小麦净光合速率均显著（P＜0.05）大于OTC外，平均高57.4%。4 月28 日OTC 内净光合速率是OTC 外的2.0倍，其余时间增长范围在50.4%～70.3%之间。4 月28日前后，OTC 内外小麦均处于灌浆阶段，此时OTC 内外小麦净光合速率差异最大，说明灌浆阶段OTC 对小麦净光合速率的影响最大。

2.4 OTC内外生物量与产量差异

OTC 内小麦单株生物量比OTC 外增加了13.3%（图6a）。OTC 内部的小麦单株穗生物量显著大于OTC 外（P＜0.05），增长了35.2%；但小麦单株根部生物量却显著小于OTC 外（P＜0.05），减少了47.3%。OTC 内外小麦单株茎和叶生物量之间没有显著差异（P＞0.05）。

小麦生物量的各器官分配百分比均为根＜叶＜茎＜穗（图6b）。OTC 内外干物质分配百分比在根和穗上具有显著差异（P＜0.05）。与OTC外部相比较，OTC内根干物质分配百分比降低了53.1%，而OTC 内穗干物质分配百分比增长了24.0%，说明OTC 对小麦根部产生了负效应，而对小麦穗部产生了正效应。

图6 OTC内外各器官生物量及其各器官分配百分比差异Figure 6 Difference between the biomass of each organ inside and outside the OTC and its allocation percentage to each organ

OTC 内外的小麦单株籽粒数、籽粒质量（产量）、千粒质量和收获指数均有显著差异（P＜0.05）（图7）。相对于OTC 外，OTC 内的小麦单株千粒质量、籽粒数、籽粒质量和收获指数分别增加了34.5%、34.5%、49.2%和86.2%。

图7 OTC内外小麦籽粒质量、籽粒数、千粒质量和收获指数Figure 7 Grain weight per ear，number of grains per ear，1 000-grain weight，and harvest index of wheat inside and outside OTC

3 讨论

影响OTC 内部空气温度的因素较多，包括OTC外的自然环境温度、风速和湍流模式以及鼓风机通风、气室材料、内壁与植物冠层之间的红外辐射交换[35]。本研究中，OTC 内日平均温度比OTC 外高1.8 ℃，辐射小时均值降低了32.3%。这与Fuhrer 等[17]研究发现的OTC 内日平均气温升高了1.3 ℃的结果一致，也与Sanders 等[21]研究报道的OTC 内辐射减少20%的研究结果一致。Mcleod 等[36]报道，在室外环境温度高过30 ℃时，OTC 内外温差最大；当OTC 内光合有效辐射为1 600 μmol·m-2·s-1时，OTC内气温比外界高出4.3 ℃。本研究也发现在白天，即使在通气情况下（每分钟OTC 内空气交换2次左右），OTC 内外也存在较大温差，OTC 内部气温比外部高4.8 ℃。本研究中OTC 内相对湿度日平均值会增加0～5.0 个百分点，与前人报道的结果也基本一致[21，23，37]。但本研究发现在白天通气时间段内，OTC 内的相对湿度低于OTC外（图2b），这与OTC 内温度升高有关。空气相对湿度是水汽压与饱和水汽压之比，当OTC 内部温度升高时，饱和水汽压也随之增加，从而导致相对湿度降低。总之，OTC气室效应表现：OTC内部气温升高；相对湿地日平均值增加，但白天平均值降低；光合有效辐射降低。

本研究发现生长在OTC 内的小麦净光合速率显著大于OTC 外，且主要表现在小麦的扬花阶段和灌浆阶段。张金恩等[30]研究发现，OTC 内冬小麦在整个生育期内均具有较高的净光合速率，且主要表现在灌浆期和乳熟期，与本研究观测到的现象基本一致。小麦净光合速率的增加可能与OTC 内空气温度提高有关。已有研究发现白天增温可以提高小麦孕穗期光能利用效率[38]，并且植物光合速率与气温之间具有显著的正相关性[39]。因此，增温可能是OTC 造成的植物净光合速率显著增高的主要原因[40]。尽管OTC 内部光合有效辐射存在明显降低，但其对小麦叶片光合速率和产量的影响并不显著，说明OTC 造成的光合有效辐射减少对植物影响较小。

本研究表明，OTC内部小麦单株生物量和产量得到显著提高（图6 和图7），这与国内外许多研究结果一致（表1）。OTC 内部白天增温，能够提高光合速率。OTC内部虽然光合有效辐射减少，但大部分时间仍然能够保证小麦光合作用的需要（即光合有效辐射不低于光饱和点），增温可能是OTC 内部光合速率和产量增加的主要原因。

增温作为全球气候变化的一个重要因素，其对作物产量的影响，IPCC 相关报告[1，41]已经给出了明确结论：在气候温暖和寒冷的中高纬度地方，增温能够提高作物产量；而在气候炎热的低纬度地方，增温能够引起作物减产。Tao 等[42]分析发现，1981—2009 年期间，增温造成了我国北方小麦增产，南方小麦减产。科学家在美国的亚利桑那州[43]以及我国的山东禹城[44]、河北城固[45]和河北栾城[46]，开展的农田增温实验结果都表明，气温升高能够引起农作物增产。有关增温造成的农作物减产，除在少数热带地区有报道外，大部分报道来自于模型评估结果[47-49]。目前有关增温造成农作物减产的原因主要有两点：一是如果增温发生在夜间，增温能够增加夜间植物的呼吸消耗，减少植物碳水化合物的积累，影响农作物籽粒形成和成熟。二是增温缩短了农作物籽熟期的长度，影响农作物籽粒形成的碳水化合物供给总量[50]。这两种情况在本实验中都不存在。首先在本实验中，OTC门白天关闭，形成OTC 内部增温；晚间OTC 门打开通气，保持OTC 内外温度一致，OTC 内部不会产生夜间增温。Johnson 等[51]还曾报道OTC 具有白天增温，而夜间不降温的作用。其次，在本实验中，也没有发现OTC 内外籽熟期长短的显著差异。还需要说明的是，在进行增温对植物影响分析时，需要将增温（Warming）和热胁迫（Heat stress）两种实验结果区分开来。增温实验将温度控制到比气温高1～5 ℃，大部分情况下植物生长会得到促进，能够增加农作物产量。而热胁迫实验将气温控制到38 ℃以上，大部分情况下会对植物造成损害，造成植物减产[47]。本实验中OTC内部的温度没有超过38 ℃，因此温度升高促进了农作物生长，提高了农作物产量。

OTC 内外小麦生物量和干物质分配差异主要表现在根与穗上。OTC对小麦根部产生了负效应，温度升高有利于土壤有机质分解，增加了土壤养分供给。养分不再是植物生长的限制因素时，分配到植物根系的光合产物将会减少[52-53]。而OTC 对小麦穗部产生了正效应。OTC 内的籽粒质量、籽粒数、千粒质量都显著大于OTC 外，表明OTC 对小麦籽粒数和单粒质量均有影响。对蚕豆[21]、菜豆[24]和小麦[3]等的研究也都发现OTC 内部作物产量增加与单个种子质量增加有关。

早在20 世纪60 年代，OTC 就已经被广泛应用到空气污染研究中，如研究SO2、O3等对植物的影响。到20世纪80年代，气候变化引起了全球关注，OTC就被用来研究空气CO2浓度升高和气温增加对植物的影响。与密闭式气室熏气装置比较，OTC内的环境改变相对较小，并且可以栽种较大植株。与一些复杂的实验装置（如自由大气CO2升高装置FACE）[54]和红外辐射器加温装置[54]相比较，OTC 具有经济且操作简单等特点[55-56]。但由于不同研究者建造的OTC 形状、大小、材料、通气方式等不一样，OTC的气室效应也存在很大不同。对于研究空气化学成分（如污染物和CO2浓度增加）对植物影响时，OTC 对植物生长环境的影响常被忽略，因为在比较不同空气化学成分变化对植物影响时，比较的是采用同样OTC 装置的不同浓度间的实验结果，其假定OTC 气室效应对所有实验结果都会产生同样的影响，即可以忽略OTC 影响。近来的研究发现，CO2浓度增加和空气污染与增温对植物影响具有交互作用，例如：苏营等[57]报道增温能够促进CO2对大豆的增产作用；Xu 等[58]报道增温2 ℃能够减轻O3对林木的危害。为了减少OTC 气室效应对研究结果的影响，建议：（1）形成统一规范的OTC 实验装置技术导则，明确OTC 气室效应限制阈值。需要根据不同研究目的，确定实验拟达到的增温幅度和时间变化特征[56]，推荐合适的OTC形状、大小、材料和通气方式。（2）采用一些技术手段降低OTC 内部气温。除了改进的体积较大的气室[33，52]可以降低室内外温度差异外，可以构建多种控温式OTC[59]，如水蒸发式冷却器[60]、水冷交换器[61]和空调式系统[62]，以有效降低OTC 内部温度，但由于成本问题，控温式OTC 在国内外的应用还比较少。

采用OTC 开展增温对植物的影响实验，正是利用OTC 气室效应（主要是增温作用）来开展模拟研究。目前大部分情况下，OTC增温实验被认为是一种被动式的实验装置，不需要其他动力，经济且特别适用于偏远地区，但存在的问题是增温幅度很难控制。Johnson 等[51]比较了OTC 和红外灯加温实验，指出这两种实验方法产生的增温强度、日变化特征和受天气影响程度等具有明显差异。在本实验中，为了防止OTC 内增温过高，采用离心风机通风方式，OTC 内部气体每分钟交换2次，但仍然造成OTC 内部的气温增加高达4.8 ℃。因此，应该考虑当地的气候条件，确定合适的降温方式，减少OTC内外温度差异。