《表1 国外自由空气中气体浓度增加(FACE)系统概况》

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《FACE实验技术和方法回顾及其在全球变化研究中的应用》

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温室和开顶箱是早期研究大气中气体浓度升高对植物影响的主要手段，但是研究人员逐渐认识到了在野外和（半）封闭环境下的植物生长存在显著差异（Tissue et al.，1996）。因此在开放环境条件下定量增加气体浓度的实验设备开始受到广泛关注。早期FACE系统是将低矮的植物暴露于大气痕量气体中，如SO2和O3（Greenwood et al.，1982；Mooi&van der Zalm，1985）。1989年在亚利桑那州建立了全球第一个CO2-FACE实验（Hendrey et al.，1993），用于研究CO2浓度升高对C3和C4作物的影响。此后全球范围内建立了很多的FACE系统，大量FACE系统在1995–2000年开始运行。作物FACE系统研究对象都是长势较矮小的作物（高度≤2 m），且作物长势一致，在浓度控制的过程中因冠层气流扰动小，释放的气体能够较为均匀地沉降到冠层。而森林的冠层生长高度不一致，释放的气体不能均匀地扩散到样地内部。为了克服这些问题，布鲁克黑文国家实验室采用从底部到冠层顶部垂直布气的方式，这种方式能够有效减少CO2消耗量，降低运行成本（Hendrey et al.，1999）。并且这种布气方式不受冠层非均匀分布的影响。随着同位素技术的发展，在德国南部山毛榉（Fagus longipetiolata）和云杉（Picea abies）混交林内建立了能够长期升高冠层CO2浓度和标记稳定同位素的综合系统，在系统设计中使用了在冠层内部垂直均匀布设PVC管道将δ13C为–46.9‰的CO2均匀释放到冠层内部，在环境CO2浓度基础上增加了约100μmol·mol–1（Grams et al.，2011）。截至目前全球范围内已建成直径超过8 m的CO2-FACE系统共有18个（表1），包括了荒漠、草地、森林和农田等多个生态系统。澳大利亚悉尼的EucFACE是全球目前唯一正在运行的森林CO2-FACE系统，而其他森林FACE系统停止运行。EucFACE的研究对象是原始桉树林，设定的目标CO2浓度为550μmol·mol–1，是目前澳大利亚最大的研究气候变化的设施。利用CO2-FACE研究发现大气CO2升高对陆地生态系统存在显著的“施肥”效应，增加了叶片光合能力和净初级生产力，但是随着时间的推移这种增加效应会随着生态系统氮可利用性的限制而逐步减弱（Long et al.，2004；Long，2006）。