创新案例一

 

　　　  土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所）“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。朱建国研究员为课题组长，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浓度增加条件下生态系统响应的最理想手段。在我国这样一个农业大国开展FACE研究，不仅可以为国家制定粮食安全保障对策提供科学依据，而且也可为我国政府争取环境外交主动权作出贡献。

 

 

　　　  FACE系统是一个模拟未来CO₂增加的微域生态环境。根据冠层CO₂浓度测定结果，由控制系统实时调节FACE圈层内的CO₂浓度，使之保持在高于对照的设定浓度值。由于FACE圈没有任何隔离设施，气体可以自由流通，因此系统内部通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境。在这一微域生态环境条件下进行CO₂增加的模拟试验，获得的数据更接近于真实情况。国际上普遍认为这是研究大气CO₂浓度增加条件下生态系统响应最理想的方法，被称之为在未来世界开了个窗口。80年代末，美国首先建立了FACE系统，研究陆地生态系统对大气CO₂浓度升高的响应。90年代后期，日本在世界上首次进行水稻FACE研究。

日本的FACE系统只在水稻生长期间运行，只能给出一些水稻对大气CO₂升高响应的观测结果，不能了解农田生态的响应累积过程和机制,另外由于地理位置和气候等因素,使得日本的水稻FACE得到的结果有限。目前国际上只有中国采用FACE方法对集约利用下的农田生态系统进行研究。中国FACE系统自2001年6月以来，坚持全年每天24小时模拟2050年前后的大气CO₂浓度，是世界上首次连续观测农田生态系统对大气CO₂浓度升高的响应。该项研究已引起国际学术界的特别关注，在相应研究领域为我国赢得了荣誉。

 

　 

　　　  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系统的建设方面，他们在国际上首先设计和建立了空气交换式CO₂气化系统，相对国际上的电热式气化系统，不仅节约了电力供应设备的开支，而且每年可节省电耗50万元人民币左右。这也是以后在其它地区建设和运行FACE系统的重要技术储备。

在FACE系统的控制方面，他们在日方提供的控制程序基础上，创建了新的控制系统，特别是CO₂浓度的自动控制软件，使得目前日间FACE圈内CO₂浓度与所设置目标浓度的偏差实现在80％的时间内小于10％，优于日本相应15－20％的偏差。他们还创建和完善了数据分析软件。集成FACE数据处理程序，将FACE数据处理的各种程序如数据日处理、月处理、数据分析等，集成为一个程序包。由于上述创造性的工作，使中国FACE系统为成为综合性研究农田生态系统对大气CO₂浓度升高响应的理想工作平台，在世界上处领先地位。

 

 

　　　　他们着眼于在本领域研究争创世界领先水平。首先抓住高CO₂浓度下源库变化这条主线，围绕光合作用效率、产物迁移转化相关科学问题展开，先了解宏观的因果关系，再深入探讨其过程和机制。他们在FACE条件下的水稻、小麦叶片的光合作用对高CO₂浓度的适应现象、光合效率的增加与作物物候变化、作物生物量变化规律（特别是地下部分）、水稻的早熟早衰现象、土壤养分供应能力变化、C₃ 与C₄植物的竞争及田间杂草群落结构变化、作物能量和水分利用率变化、土壤微生物量、活性及线虫群落变化、土壤温室气体排放等方面，获得了一系列新的认识。

　　　  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浓度升高表现出正响应，植物寄生线虫反应敏感。发现并论证土壤矿化作用和养分供应能力增强，但植物在生长期的后期养分吸收能力降低。发现作物的养分含量与土壤的养分供应条件不尽一致，改变学术界已有的FACE条件下稀释效应导致植物养分含量降低的看法。发现并证实C₃植物竞争生存资源和空间的能力相对增加，C₄植物竞争能力相对下降；C₃杂草耐药性相对增强。研究表明稻田CH₄排放的FACE效应显著与否取决于外源有机质施用量和氮肥用量。稻田CH₄排放的FACE正效应主要是根系分泌物和根系脱落物在FACE条件下增加的结果，水稻植物的传输作用对FACE正效应并不起决定作用。等等。本项目研究在学术上，特别是在农田生态系统对高CO₂浓度响应机制的研究及FACE条件下土壤过程变化研究方面有较大推进和创新认识，在国际同行中已产生较大影响。

 

　　　 该项目首次模拟研究大气CO₂浓度升高对集约化农田生态系统生产力的影响。评估大气CO₂浓度升高对我国稻麦产量和品质影响，为国家制定食品安全保障战略，为育种、种植区划、水资源调控等的长远规划，为农药发展规划提供科学依据。评估大气CO₂浓度升高条件下耕地土壤对大气碳的固定潜力，为国家在有关方面争取外交主动提供科学依据。