碳增強模擬實驗系統

 萬師強老師團隊在多倫恢復生態學試驗示范研究站十三里灘基地搭建了開頂式OTC碳增強模擬試驗系統

模擬未來CO2增強的微域生態環境進行試驗

全球碳增強以及對全球升溫和人類生活的影響

  碳排放是溫室氣體排放的一個總稱或簡稱。溫室氣體中主要的氣體是二氧化碳，因此“碳排放”也可理解為“二氧化碳排放”。自18世紀以來，人類因燃燒化石燃料已經向地球累計排放了超過1.5萬億噸二氧化碳，全球氣溫也隨之不斷升高。

全球變暖是一個不爭的事實(IPCC,2001)(2001)

碳排放造成的危害和影響

※碳的過度排放會導致溫室效應，造成全球氣候變暖；

※增加極端惡劣天氣的頻率；

※導致南、北兩極冰雪融化，造成海平面逐年上升；

※碳的過度排放可能會危害人們的身體健康；

※會引起生態系統失衡、造成一些罕見自然災害，如部分地區出現蟲災，全球糧食生產可能會受到嚴重影響。

碳增強模擬實驗的必要性

碳增強研究，對于排放出的二氧化碳在大氣中的留存量以及留存時間這些指標深入研究，會幫助我們理解地球未來的氣候變化規律。在二氧化碳濃度上升的情況下，溫度上升，對植物生理生長方面發生的變化的了解，將有助于我們預測未來的環境變化、人類生產活動。

開頂式OTC碳增強模擬實驗特點

開頂式（Open-top chamber）OTC碳增強模擬實驗系統，是模擬一個未來CO₂濃度增加的微域生態環境而進行的CO₂增強的模擬試驗。系統內部通風、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態環境，從而獲得的數據更接近于真實情況，另外實驗方案設計也可以進行定制化設計和服務。

開頂式OTC碳增強模擬實驗系統組成介紹

碳增強模擬實驗系統主要由CO₂氣體供應裝置和控制系統組成,其中氣體供應裝置由儲氣罐、液態CO₂汽化裝置、送氣和放氣管道等部件組成；控制系統由主控數據采集器、放氣控制系統和CO₂采樣分析系統、氣象系統、無線傳輸系統組成。系統同時記錄了OTC內外空氣溫濕壓、土壤溫濕、光合有效輻射等要素，設置多個對比與重復，以確保實驗的真實可靠性，系統全天候無人值守運行，數據實時遠程監控傳輸。

應用案例介紹

河北大學萬師強老師團隊在多倫恢復生態學試驗示范研究站十三里灘基地搭建了開頂式OTC碳增強模擬試驗系統，我公司根據用戶的需求完成了系統的建設。本次試驗系統占地36*54m，由28個正八邊形頂開箱(OTC)組成。試驗區分布如下圖，14個增強、14個對照，單個OTC面積13.2m²，容積約30m³。

實驗要求：增強區相對于對照區增加200ppm±實際濃度3% (風速：5米/秒以下時，達到該效果)。

氣體供應裝置如下圖：

開頂式OTC碳增強模擬實驗系統的技術改進

★CO₂自動熏蒸均勻度設計

我們在前人實驗的基礎上保留了8邊形的釋放管，又增加了圈型通道釋放管，來實現濃度分布的均一性,并且節省了CO₂的使用。盡管科研人員有詳細的分析，證明不均一的情況在1分鐘平均數據上得到改善，但是我們還是努力使這個濃度更均勻。

★CO₂增強PID自動計算控制調節

PID方程比例微積分方程（PID方程）是過程控制中常用的方法，其框圖如下：

調節分量用來遏制擾動變化的趨勢，進行超前調節，其調節量正比于干擾的變化速度，但對不變或緩變的干擾無作用。P、I、D為比例參數，根據經驗確定。

★CO₂采樣進氣口防水汽凝結，防灰塵過濾

進氣組件包括用于設定流量的孔口，去除大氣灰塵的過濾器和防雨罩，這樣可以允許環境空氣自由采用而不會降低能量進入。

開頂式OTC碳增強模擬實驗系統的優點

開頂式OTC這一設計，用戶可根據要求來設計外形結構基本上可使箱內之物理環境包括光線，溫度、濕度、降雨等接近于周圍自然環境?？裳芯慷趸細怏w濃度升高對農作物及森林樹木的影響，還可以讓研究者進入，隨時觀察研究植物的生長情況；這對科研工作而言，有著很大的便利性。

野外安裝照片

參考文獻

l 大氣CO₂濃度升高對植物的直接影響_模擬實驗研究之主要手段及基本結論_蔣高明

l 大氣二氧化碳濃度增高與植物水分利用效率(綜述)_溫達志

l Hot drought reduces the effects ofelevated CO₂ on tree water-use efficiencyand carbon metabolism_BenjaminBirami,Thomas N?gele,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