万师强老师团队在多伦恢复生态学试验示范研究站十三里滩基地搭建了开顶式OTC碳增强模拟试验系统

模拟未来CO2增强的微域生态环境进行试验

全球碳增强以及对全球升温和人类生活的影响

  碳排放是温室气体排放的一个总称或简称。温室气体中主要的气体是二氧化碳，因此“碳排放”也可理解为“二氧化碳排放”。自18世纪以来，人类因燃烧化石燃料已经向地球累计排放了超过1.5万亿吨二氧化碳，全球气温也随之不断升高。

全球变暖是一个不争的事实(IPCC,2001)(2001)

碳排放造成的危害和影响

※碳的过度排放会导致温室效应，造成全球气候变暖；

※增加极端恶劣天气的频率；

※导致南、北两极冰雪融化，造成海平面逐年上升；

※碳的过度排放可能会危害人们的身体健康；

※会引起生态系统失衡、造成一些罕见自然灾害，如部分地区出现虫灾，全球粮食生产可能会受到严重影响。

碳增强模拟实验的必要性

碳增强研究，对于排放出的二氧化碳在大气中的留存量以及留存时间这些指标深入研究，会帮助我们理解地球未来的气候变化规律。在二氧化碳浓度上升的情况下，温度上升，对植物生理生长方面发生的变化的了解，将有助于我们预测未来的环境变化、人类生产活动。

开顶式OTC碳增强模拟实验特点

开顶式（Open-top chamber）OTC碳增强模拟实验系统，是模拟一个未来CO₂浓度增加的微域生态环境而进行的CO₂增强的模拟试验。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，从而获得的数据更接近于真实情况，另外实验方案设计也可以进行定制化设计和服务。

开顶式OTC碳增强模拟实验系统组成介绍

碳增强模拟实验系统主要由CO₂气体供应装置和控制系统组成,其中气体供应装置由储气罐、液态CO₂汽化装置、送气和放气管道等部件组成；控制系统由主控数据采集器、放气控制系统和CO₂采样分析系统、气象系统、无线传输系统组成。系统同时记录了OTC内外空气温湿压、土壤温湿、光合有效辐射等要素，设置多个对比与重复，以确保实验的真实可靠性，系统全天候无人值守运行，数据实时远程监控传输。

应用案例介绍

河北大学万师强老师团队在多伦恢复生态学试验示范研究站十三里滩基地搭建了开顶式OTC碳增强模拟试验系统，我公司根据用户的需求完成了系统的建设。本次试验系统占地36*54m，由28个正八边形顶开箱(OTC)组成。试验区分布如下图，14个增强、14个对照，单个OTC面积13.2m²，容积约30m³。

实验要求：增强区相对于对照区增加200ppm±实际浓度3% (风速：5米/秒以下时，达到该效果)。

气体供应装置如下图：

开顶式OTC碳增强模拟实验系统的技术改进

★CO₂自动熏蒸均匀度设计

我们在前人实验的基础上保留了8边形的释放管，又增加了圈型通道释放管，来实现浓度分布的均一性,并且节省了CO₂的使用。尽管科研人员有详细的分析，证明不均一的情况在1分钟平均数据上得到改善，但是我们还是努力使这个浓度更均匀。

★CO₂增强PID自动计算控制调节

PID方程比例微积分方程（PID方程）是过程控制中常用的方法，其框图如下：

调节分量用来遏制扰动变化的趋势，进行超前调节，其调节量正比于干扰的变化速度，但对不变或缓变的干扰无作用。P、I、D为比例参数，根据经验确定。

★CO₂采样进气口防水汽凝结，防灰尘过滤

进气组件包括用于设定流量的孔口，去除大气灰尘的过滤器和防雨罩，这样可以允许环境空气自由采用而不会降低能量进入。

开顶式OTC碳增强模拟实验系统的优点

开顶式OTC这一设计，用户可根据要求来设计外形结构基本上可使箱内之物理环境包括光线，温度、湿度、降雨等接近于周围自然环境。可研究二氧化碳气体浓度升高对农作物及森林树木的影响，还可以让研究者进入，随时观察研究植物的生长情况；这对科研工作而言，有着很大的便利性。

野外安装照片

参考文献

l 大气CO₂浓度升高对植物的直接影响_模拟实验研究之主要手段及基本结论_蒋高明

l 大气二氧化碳浓度增高与植物水分利用效率(综述)_温达志

l Hot drought reduces the effects ofelevated CO₂ on tree water-use efficiencyand carbon metabolism_BenjaminBirami,Thomas Nägele,MarielleGattmann,Yakir Preisler,AndreasGast,Almut Arneth,Nadine K.Ruehr 

l Ruiz-Vera,U.M.,M.Siebers,S.B.Gray,D.W.Drag,D.M.Rosenthal,B.A.Kimball,et al.2013.Global warming cannegate the expected CO₂ stimulation in photosynthesis andproductivity for soybean grown in the midwestern United States.Plant Physiol.162:410–423.doi:10.1104/pp.112.211938

l Kimball,B.A.,R.L.LaMorte,P.J.Pinter,Jr.,G.W.Wall,D.J.Hunsaker,F.J. Adamsen,et al.1999.Free-air CO₂ enrichment (FACE)and soil nitrogen effects on energy balance and evapotranspiration of wheat.Water Resour. Res.35:1179–1190.doi:10.1029/1998WR900115

l Kimball,B.A.,R.L.LaMorte,R.S.Seay,P.J.Pinter,Jr.,R.R.Rokey,D.J.Hunsaker,et al.1994.Effects of free-air CO₂enrichment on energy balance and evapotranspiration of cotton.Agric.For.Meteorol.70:259– 278.doi:10.1016/0168-1923(94)90062-0

l Understand distribution of carbondioxide to interpret crop growth data: Australian grainsfree-air carbon dioxide enrichment experiment Mahabubur MollahA,C,Debra Partington B,and Genn FitzgeraldA