野外林下环境中模拟气候变暖的新型开顶式气室设计与应用效果

张栋耀，杨洪波，吴代福，冯 彬，李玉杰，张和民，王鹏彦，张晋东

(1．西华师范大学 a.西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，b．生命科学学院，四川 南充 637009；
2．中国大熊猫保护研究中心，四川 都江堰 611830；
3．四川省卧龙国家级自然保护区管理局，四川 汶川 623006)

全球气候变暖及其造成的生态环境影响一直受到世界各国政府和专家学者重视，预计到21世纪末，全球地表平均温度将会上升0.3～4.8 ℃[1]。温度是生物生长发育的关键因子，气候变暖会影响物种生长代谢和发育繁殖，从而导致生物多样性丧失[1]，据估计，未来每6个物种就可能有1个物种因此而灭绝[2]，而种群动态和物种分布变化最终会影响到生态系统，导致全球生态系统能量流动和物质循环功能失常[3]。植物作为连接土壤与大气的纽带，是生态系统中较为活跃的组成部分，也是环境变化的敏感指标[4]，研究气候变化对植物的影响可以帮助进一步了解其对生态系统造成的影响。

近年来，研究人员设计了多种增温模拟实验系统用以模拟气候变暖对不同生态系统(比如农田、湿地、森林等)中植物的影响[5]。增温模拟实验系统可分为被动增温系统和主动增温系统[5]，被动增温系统是被动依赖太阳辐射来增温，通常用简易材料(例如塑料薄膜)搭建，构成封闭或半封闭环境，允许太阳短波辐射进入以及阻挡地面反射长波辐射出去来形成温室效应增温[6]，其中常见的是开顶式气室(Open Top Chambe，OTC)，其成本低、简单易行，适合在野外环境使用，它们在早期野外研究工作中起着重要作用[7]。然而传统OTC也有明显的缺点，太阳辐射强度不同导致其增温效果不稳定，当太阳辐射充足时，增温可达到5 ℃甚至更高；
而太阳辐射不足时(如阴雨天气或夜间)，则无法产生有效增温，甚至导致样地内温度降低，不利于定量模拟增温条件以评估气候变暖对植被生理生态的影响[8]。

基于以上问题，近年来研究人员开始设计应用主动增温模拟系统。该类系统通常运用电流热效应，在供应电能条件下主动、稳定地提高样地内温度[9-10]。常见有结合主动加热装置的OTC和红外辐射加热系统[11-13]。Sun等[14]在OTC中安装主动加热电缆，为生长室提供太阳辐射外的稳定能源，使OTC内部平均气温维持在比外界环境高2.84 ℃左右。这种系统和被动开顶式生长室相比，生长室内增温精度有所提高，尤其在太阳辐射条件较弱的条件下，让温室内外温差维持在设定范围内。但在太阳辐射充足时，辐射的温室效应和室内增温装置的效果会叠加，导致增温超出实验设定范围。因此，此系统的材料成本虽低(建设成本大约每个3 000元)，但增温模拟效果并不稳定，影响气候变暖效应的评估精度。有研究在主动加热OTC系统中安装了温度反馈控制系统，从而提供更加稳定的增温效果。温度反馈系统配合红外线辐射加热器可以很好模拟增温效果，它是将几个红外辐射灯悬挂于样地上方1～3 m处，通过温度反馈系统控制电能转化为红外辐射功率来获得稳定增温效果，并且无需生长室辅助就能对样地内环境均匀增温，可以同时对空气、土壤表面、植物进行加热[11]，例如kimball等[13]在实验中使用该系统的增温精度可达±0.1 ℃。但是此类系统建造和运行成本昂贵，除了温度反馈系统和红外辐射灯(约5 000元/个)需要较高的制造成本外，由于加热系统处于完全开放环境，导致热量散失快，需要消耗大量电力实现稳定增温，这也使得长期运行成本很高。在野外环境中，尤其是欠发达地区，该类系统的运用还面临着挑战，不利于推广使用[15-16]。

由此，本文设计出一种新型OTC系统，其具有建造和维护成本较低、主动稳定增温且精度较高的优点。在四川大熊猫(Ailuropodamelanoleuca)栖息地使用该系统来模拟气候变暖对林下大熊猫主食竹冷箭竹(Bashaniafaberi)的影响，通过对样地温度、空气湿度和土壤水分长期监测来分析评价系统性能。设计目的是为了适用于不同环境下模拟气候变暖对植物的影响，并为低成本研究气候变暖对野外植物生长状况影响提供一种有效工具。

实验地点在四川省卧龙国家级自然保护区(图1)，该区主要保护西南高山林区自然生态系统及大熊猫等珍稀动物。区内大熊猫种群数量丰富，约占全国大熊猫数量的10%[17-18]；
生态系统类型多样，且呈垂直分布，沿海拔梯度，主要分布有常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、亚高山针叶林[19]。目前关于气候变化对大熊猫主食竹影响的研究，均是根据物种分布模型预测得出气候变化将导致大熊猫主食竹在现有分布区出现锐减且向高海拔迁移，从而对大熊猫生存产生巨大威胁。由于缺乏实证研究数据来支撑结论，可能错误地估计气候变化对大熊猫主食竹的影响[20]。本研究使用新型OTC系统研究气候变暖对野外林下环境中大熊猫主食竹(冷箭竹)生长的影响，在实验过程中同时评价其性能。新型OTC系统安放于卧龙保护区内的五一棚区域(图1)[17]，安放地点距五一棚野外观测站约200 m，可方便地获得电力以进行实验，且地形相对平坦，冷箭竹长势良好。实验点海拔2 560 m，处于冷箭竹海拔分布范围(2 500～3 100 m)边缘，对气候条件变化敏感，十分利于监测气候变化对冷箭竹的影响[21]。

2.1 新型OTC的结构

在研究地点建造了16个新型OTC系统。每个新型OTC系统包括开顶式气室(正六边体形)、可加热空气的气泵装置、空气流通管道和温差控制系统(图2)，开顶式气室由6块具有高透光性的PC空心阳光挡板(长2 m，宽1.4 m)和铝合金框架构成，其中一块挡板安放可以开关的门框，以便观察和取用植物。OTC顶部框架连接着透气结构，由钢丝网和纱网构成，保证雨水能顺利进入OTC的同时，降低热量流失速度。可加热空气的气泵装置放置在气室外防水塑料箱中(图3)，由电阻加热器和气泵构成，通过空气流通管道与气室内部环境连接，空气流通管道在气室内底部(距离地面20 cm)环形闭合，气室内管道平均分布着小孔。新鲜空气不断被气泵抽入生长室，途中通过气泵中电阻加热器加热，然后沿空气流通管道均匀地进入生长室。生长室内外温差由温差控制器控制(图3)，该控制器有2个传感器实时感应室内和室外空气温度，根据室内外温差控制加热器工作状态。当温差大于规定值，加热器停止工作；
反之，加热器持续工作。根据先前预测的未来地表平均温度变化情景，设计了3个不同增温水平的实验组和1个对照组。3个实验组室内温度分别比室外温度高1.5、3.0和4.5 ℃，对照组室内温度与室外保持相同(0 ℃)。每个组包括4个OTC系统，覆盖着自然生长的竹子样方(样方面积为1.8 m2)。

2.2 实验监测和数据处理

运用Hobo温湿度记录仪(Onset Computer Corporation,Pocasset,MA,the United States of America)每隔10 min记录1次新型OTC内部环境和外界环境的空气温度、相对空气湿度和土壤水分，空气温湿度探头被放置在OTC系统内外部距离地面100 cm处，土壤水分探头被放置在OTC系统内外土壤10 cm深的位置。Tang和Fang[22]使用了这套Hobo温湿度记录仪装置，并验证了其稳定性和精度可靠性。对收集到的温度、空气湿度、土壤水分数据进行分析，并利用Sigmaplot软件进行绘图。

3.1 新型OTC系统增温效果

由各组新型OTC系统内部24 h空气温度实际变化(随机抽取一天的实际记录情况)(图4)、月温度变化(随机抽取一个月)(图5)、年温度变化(图6)情况可知，在持续使用时间内，不同增温处理下新型OTC室内空气温度差异显著(P<0.05)，在白天和夜间具有相同增温效果，3个实验组室内平均温度分别维持比室外气温高1.5、3.0和4.5 ℃。月平均和年平均温度记录表明，实验组温度变化与外界环境相似。

实验组室内空气温度产生波动(图4)，是由电阻加热器工作造成，加热器本身温度升高和降低是一个变化的过程，再对空气进行加热，并不能立即改变新型OTC室内空气温度。另外在温差控制器控制下，新型OTC室内最大增温偏差小于1 ℃，表明此系统增温时能很好地控制增温偏差并使之保持在规定值±1 ℃之内。年平均温度图(图6)显示，4.5 ℃实验组有温度降低的情况，是由于野外条件下存在突然断电情况，及时发现处理后恢复了正常状态。

3.2 新型OTC系统内空气湿度和土壤水分变化情况

不同增温处理下新型OTC室内相对空气湿度差异显著(P<0.05)。实验组室内平均相对湿度较对照组有所下降，但变化趋势相似(图7)。1.5、3.0、4.5 ℃实验组随着增温条件升高，空气湿度会依次降低4.5%、10.5%、13.7%。无论半封闭式还是开放式增温系统，增温引起空气湿度降低都无法避免，新型OTC系统室内外空气在气泵持续工作下实时流动更新，在一定程度上减缓了空气湿度降低。

增温条件下新型OTC系统内土壤水分变化并不显著(P>0.05)(图8)，说明土壤水分对增温处理响应并不明显。

本研究中的新型OTC系统模拟了林下环境生态系统中气候变暖情景，此系统内部增温可以达到比外界环境高1.5、3.0、4.5 ℃的设计要求，使用者也可以自行设置温度梯度以满足研究需求。本系统可提供持续、稳定的增温效果，且增温控制偏差在±1 ℃内，不会放大或减少昼夜温度差异；
另外，1个新型OTC系统的原材料和安装运输费用大约在5 000元，相比增温效果好的红外辐射增温系统(1个红外辐射灯成本在5 000元左右，通常1个系统至少需要2个红外辐射灯[13])，本系统降低了建造成本，且该系统由常见材料制成，组装简单，可以更改每个挡板长度以安放于不同地形中使用。

目前已有用红外开放式增温系统、红外与OTC相结合的半封闭系统进行气候变暖的相关研究[23-24]。这些系统都会对样地内空气湿度造成影响，张凯等[23]使用红外辐射开放式增温系统，增温1 ℃和2 ℃时，空气湿度分别减少了5.2%和6.0%。本系统通过将OTC外空气源源不断地输送到OTC内，在输送途中进行加热，同等增温条件下，对空气湿度影响更小(增温1.5 ℃时，空气湿度减少4.5%)。虽然尚不能对土壤进行增温，但在后续样地内土壤探究实验中，发现土壤理化性质等方面存在变化，说明本系统可以从模拟增温影响到土壤，进而影响到植物的角度进行探讨研究。

新型OTC系统增温效果能根据昼夜和季节性温度变化自动调节，但未来气候变化不仅仅是温度升高，还存在温室气体增加，全球极端气候事件(如极端干旱和极端降水)发生频率和强度不断增加等情况，在未来实验中，可以利用新型OTC系统结合其他实验装置来进行气候变化的相关研究，以更全面地探讨气候变化对生态系统中各物种产生的影响。