童思思，孫旭，鄭飛翔，王效科

（1.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650091；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3.中國科學(xué)院北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站，北京 100085；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

大氣環(huán)境變化，特別是全球增溫、空氣CO2和O3濃度增加，是人類目前面臨的最重大的全球環(huán)境問題，已經(jīng)成為威脅全球糧食安全的重要因素[1]。因此，研究大氣環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響也是農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。開頂式氣室（Open top chamber，OTC）作為一種最常見的大氣環(huán)境變化生態(tài)學(xué)研究裝置[2-5]，其不僅可以單獨(dú)模擬CO2濃度升高、空氣污染[6-10]和溫度升高[5，11-12]，而且還常與其他方法結(jié)合模擬多種環(huán)境因素變化[13]，從而用來研究大氣環(huán)境變化對植物和生態(tài)系統(tǒng)的影響。

OTC 實(shí)驗(yàn)裝置具有簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠和保證植物原位生長等優(yōu)點(diǎn)，但也會對植物生長環(huán)境產(chǎn)生一定程度的影響。OTC內(nèi)外環(huán)境條件存在一定程度的差異，即OTC 氣室效應(yīng)（Chamber effect）。有研究表明，OTC內(nèi)部溫度[14-15]和相對濕度[4]會有所升高，而光照強(qiáng)度[16-18]和風(fēng)速[4，19]則會降低。Fuhrer 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，OTC 內(nèi)日平均氣溫升高了1.3 ℃；鄭啟偉等[20]研究發(fā)現(xiàn)，外界溫度在30 ℃以上時(shí)，OTC 內(nèi)外最大溫差可達(dá)到1.87 ℃。Weinstock 等[15]的研究指出，OTC 內(nèi)外植物的冠層溫度相差1～1.5 ℃。OTC 內(nèi)外環(huán)境的差異，對生長在OTC 內(nèi)的植物也會產(chǎn)生一定的影響。大多研究發(fā)現(xiàn)OTC 內(nèi)的植物株高增加[15，21-22]，但曹嘉晨等[23]發(fā)現(xiàn)OTC 內(nèi)的植物株高降低。OTC 會導(dǎo)致植物葉面積和冠幅增大[21]。此外OTC 還會影響植物的物候，有研究發(fā)現(xiàn)OTC 會導(dǎo)致蠶豆的展葉期和開花期提前[21]，使莎草生長季延長[19]。OTC 不但影響植物生長發(fā)育，而且也影響了農(nóng)作物產(chǎn)量。有研究報(bào)道，OTC 會導(dǎo)致菜豆[24]、小麥[25]、苜蓿[2]和蠶豆[21]的產(chǎn)量增加，但也有研究發(fā)現(xiàn)OTC內(nèi)的小麥[22]產(chǎn)量降低?，F(xiàn)有的國內(nèi)外主要研究結(jié)果的結(jié)論并不完全一致（表1）。因此，研究和討論OTC 氣室效應(yīng)，對科學(xué)評價(jià)大氣環(huán)境變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響非常必要。

表1 國內(nèi)外開頂式氣室（OTC）的氣室效應(yīng)評價(jià)研究Table 1 OTC research at home and abroad

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣污染曾非常嚴(yán)重。近幾年來，在全社會的共同努力下，空氣PM2.5污染已經(jīng)得到了明顯控制，但空氣O3濃度仍然很高[32]。特別是在我國華北地區(qū)，夏初經(jīng)常出現(xiàn)的很高的O3濃度，可能對我國主要糧食作物小麥的生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅[33]。為此，本課題組在北京郊區(qū)搭建了OTC 裝置，擬開展O3污染對小麥和其他植物的影響研究。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和有效性，本研究對OTC的氣室效應(yīng)進(jìn)行了評價(jià)，并分析了氣室效應(yīng)形成的原因及其對植物生長和產(chǎn)量的影響。

本研究通過觀測OTC 內(nèi)外的空氣溫度、相對濕度和光合有效輻射來探討OTC 內(nèi)外的環(huán)境差異，并對OTC 內(nèi)外小麥的凈光合速率以及生物量和產(chǎn)量的差異進(jìn)行評價(jià)，為合理利用OTC 開展模擬實(shí)驗(yàn)研究提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)地位于北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)丈村的北京市昌平區(qū)種子管理站試驗(yàn)基地（40.18′N，116.13′E）。該地為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬春干燥多風(fēng)，夏秋多雨。年平均氣溫11.8 ℃，全年降水量約550.3 mm，主要集中在6—8月。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

供試作物冬小麥“京411（Triticum aestivumL.jing411）”為當(dāng)?shù)仄赵云贩N。實(shí)驗(yàn)采用盆栽方式，選當(dāng)?shù)赝寥兰尤牖蕯嚢杈鶆蚝笱b入盆中。每盆10 kg土壤，拌入1 250 g 有機(jī)土（含N 2.5 g·kg-1、P2O50.012 g·kg-1、K2O 1 g·kg-1），39.2 g 復(fù)合肥（含N、P2O5和K2O 均為15%），6.2 g尿素（含N 46%），即每盆施入的養(yǎng)分含量為N 11.9 g、P2O55.9 g、K2O 7.2 g。每盆均勻播種10粒。2020年10月6日播種，2021年5月28日收獲。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究使用的OTC 于2015 年建成，共12 個(gè)，此次實(shí)驗(yàn)使用了3 個(gè)氣室。氣室主體為圓柱體，采用焊接的鋼構(gòu)架，外面使用陽光板（聚碳酸酯，Polycarbonate）包裹，直徑2 m、高2.5 m，頂部收口，并覆有遮雨罩。小麥成熟季節(jié)，氣室外覆蓋透明網(wǎng)紗，防止鳥食。采用風(fēng)量為14 m3·min-1、功率為750 W 的離心式鼓風(fēng)機(jī)，將室外氣體通過聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）管道鼓入OTC[34]。當(dāng)進(jìn)行氣體（如CO2或O3）影響模擬研究時(shí)，可將一定濃度的氣體加入管道，經(jīng)混合后從4個(gè)出口噴出，進(jìn)入OTC 內(nèi)。通過可編程時(shí)間控制器（PLC）和多個(gè)電磁閥，設(shè)定一定時(shí)間間隔，依次從不同氣室內(nèi)抽取氣體，導(dǎo)入氣體分析儀，監(jiān)測各氣室內(nèi)氣體濃度變化。根據(jù)氣室內(nèi)氣體濃度變化，及時(shí)調(diào)整加入管道的氣體物質(zhì)量[20]。熏氣系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 熏氣系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of OTC

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩組處理：OTC內(nèi)部處理組（In），在3個(gè)相同設(shè)計(jì)的OTC 內(nèi)部分散放置盆栽冬小麥；OTC外部環(huán)境處理組（Out），在OTC 南向外部放置盆栽冬小麥。實(shí)驗(yàn)觀測時(shí)間為2021 年3 月16 日—5 月20日，OTC 通氣設(shè)置為每日9：00—17：00，雨天除外。實(shí)驗(yàn)期間每間隔2～3 d 對氣室內(nèi)外小麥進(jìn)行統(tǒng)一澆水，每次澆水5 000 mL。2021 年3 月16 日，將18 盆小麥放置于3 個(gè)OTC 內(nèi)，6 盆放在OTC 外，開始實(shí)驗(yàn)。直到5 月20 日，小麥葉片變黃后，OTC 門打開與外界環(huán)境完全通氣。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 氣象數(shù)據(jù)

OTC 內(nèi)外溫度與相對濕度數(shù)據(jù)由置于OTC 內(nèi)外的HOBO 溫度/相對濕度數(shù)據(jù)記錄儀（UX100-011，Onset Computer Corporation，美國）監(jiān)測，間隔5 min 記錄一次數(shù)據(jù)。本文使用了2021 年3 月16 日—5 月20日實(shí)驗(yàn)期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)。使用輻射儀（LI-250A，LICOR，美國）測定9：00—17：00期間的光合有效輻射。

1.4.2 凈光合速率的測定

在2021 年4 月8 日—5 月10 日期間，每隔2～5 d使用便攜式光合測定儀（美國LI-COR 公司，LI-6400XT），于天氣晴朗的上午9：00—12：00，每盆選取長勢一致的3 叢小麥進(jìn)行掛牌標(biāo)記，每次測定倒二葉的光合速率，每片葉子重復(fù)測定3次。

1.4.3 生物量與產(chǎn)量構(gòu)成測定

在每盆內(nèi)隨機(jī)收獲一叢作物植株，記錄每叢植株個(gè)數(shù)，然后將各器官分開裝袋。在烘箱70 ℃下烘干至質(zhì)量恒定，用分析天平稱取各器官的干質(zhì)量。測量指標(biāo)參照氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范——冬小麥》（QX/T 299—2015）。干物質(zhì)分配指數(shù)=某器官干物質(zhì)質(zhì)量/總干物質(zhì)質(zhì)量。每盆的單株生物量及產(chǎn)量（籽粒質(zhì)量）、籽粒數(shù)、千粒質(zhì)量和收獲指數(shù)等指標(biāo)均取采樣叢的每株平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

對于空氣溫濕度數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析每日通氣階段（9：00—17：00）的OTC內(nèi)外溫度差異，并采用配對t檢驗(yàn)評價(jià)差異顯著性水平。光合速率觀測數(shù)據(jù)和收獲后的生物量及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用One-Way ANOVA方法，評價(jià)OTC 內(nèi)外差異顯著性水平。對于光合速率OTC內(nèi)外的整體差異，還采用線性混合模型進(jìn)行評價(jià)，處理作為固定變量，觀測日期作為分組變量。數(shù)據(jù)分析和制圖采用RStudio軟件的相應(yīng)程序包完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 OTC內(nèi)外空氣溫濕度差異

實(shí)驗(yàn)期間，OTC內(nèi)外日平均溫度分別為19.2 ℃和17.4 ℃，具有顯著差異（P＜0.05）（圖2a）。OTC 內(nèi)外日平均相對濕度分別為41.1%和39.3%，具有顯著差異（P＜0.05）（圖2b）。OTC 內(nèi)溫度比外部高1.8 ℃，即增長了10.3%，OTC 內(nèi)相對濕度比外部高1.8 個(gè)百分點(diǎn)，即增長了4.6%。

圖2 全天和通氣時(shí)間段OTC內(nèi)外溫度和相對濕度平均值差異Figure 2 Differences in mean values of temperature and relative humidity inside and outside OTC throughout the day and during ventilation time

在通氣時(shí)間段內(nèi)（9：00—17：00）溫度升高了4.8 ℃（P＜0.05），即增長了21.2%。相對濕度減少了0.6 個(gè)百分點(diǎn)，即降低了2.0%（P＜0.05）（圖2）。由此可以看出，白天通氣時(shí)間OTC內(nèi)外的溫度差異更大。

OTC 內(nèi)空氣溫度與相對濕度的日變化幅度明顯大于OTC 外（圖3a）。OTC 內(nèi)外溫度除了在上午7：00和8：00 沒有顯著差異（P＞0.05）外，其他時(shí)間點(diǎn)都具有顯著差異（P＜0.05）。OTC內(nèi)外相對濕度除在17：00沒有顯著差異（P＞0.05）外，其他時(shí)間點(diǎn)都具有顯著差異（P＜0.05）（圖3b）。

圖3 OTC內(nèi)外溫度和相對濕度每小時(shí)變化Figure 3 OTC inside and outside temperature and relative humidity hourly change

溫度差異以8：00 和18：00 為界，在8：00—18：00期間OTC內(nèi)的溫度高于OTC外，在18：00至次日8：00期間相反。在14：00 時(shí)，OTC 內(nèi)外溫差最大，為7.1 ℃。實(shí)驗(yàn)觀測期間OTC內(nèi)外溫度最低均出現(xiàn)在凌晨5：00，分別為9.0 ℃和9.7 ℃，OTC 內(nèi)最高值出現(xiàn)在14：00，為32.3 ℃，OTC 外最高值出現(xiàn)在13：00，為25.4 ℃。OTC 內(nèi)早晚溫差為23.3 ℃，OTC 外早晚溫差為15.7 ℃。相對濕度以17：00 和10：00 為界，在10：00—17：00 期間，OTC 內(nèi)相對濕度低于OTC 外，在17：00 至次日10：00 期間相反。在5：00 時(shí)，OTC 內(nèi)外相對濕度差最大，為4.2 個(gè)百分點(diǎn)。OTC 內(nèi)外相對濕度最低值均出現(xiàn)在14：00，分別為20.3%和21.8%。OTC內(nèi)相對濕度最高值出現(xiàn)在5：00，為62.2%，OTC 外相對濕度最高值出現(xiàn)在4：00，為58.1%。

OTC內(nèi)外抽穗期、揚(yáng)花期、灌漿期平均溫度差分別為1.6 ℃（內(nèi)外分別為16.6 ℃和15.0 ℃）、1.7 ℃（18.3 ℃和16.6 ℃）、1.7 ℃（21.5 ℃和19.8 ℃），平均相對濕度差分別為3.2 個(gè)百分點(diǎn)（43.0%和39.8%）、3.0 個(gè)百分點(diǎn)（31.7%和28.7%）、1.6個(gè)百分點(diǎn)（39.5%和37.9%）。不同生育期間OTC內(nèi)外空氣溫濕度差異較小。

2.2 OTC內(nèi)外光合有效輻射差異

OTC 內(nèi)的光合有效輻射除17：00 外，均顯著低于OTC 外（P＜0.05），并且中午差別最大，早晚差別較?。▓D4）。OTC 內(nèi)外光合有效輻射（以CO2計(jì)）小時(shí)均值分別為478.4 μmol·m-2·s-1和706.4 μmol·m-2·s-1，OTC內(nèi)光合有效輻射平均降低了32.3%。

圖4 OTC內(nèi)外光合有效輻射每小時(shí)變化Figure 4 Hourly change of photosynthetically active radiation inside and outside OTC

2.3 OTC內(nèi)外凈光合速率差異

OTC 內(nèi)外小麥平均凈光合速率（以CO2計(jì)）分別為12.5 μmol·m-2·s-1和9.6 μmol·m-2·s-1（圖5），相對于OTC 外，OTC 內(nèi)凈光合速率增加了2.9 μmol·m-2·s-1，即增長了30.2%。

圖5 OTC內(nèi)外凈光合速率差異Figure 5 Difference between net photosynthetic rates inside and outside of OTC

除4 月13 日和4 月23 日外，在實(shí)驗(yàn)期間OTC 內(nèi)小麥凈光合速率均顯著（P＜0.05）大于OTC外，平均高57.4%。4 月28 日OTC 內(nèi)凈光合速率是OTC 外的2.0倍，其余時(shí)間增長范圍在50.4%～70.3%之間。4 月28日前后，OTC 內(nèi)外小麥均處于灌漿階段，此時(shí)OTC 內(nèi)外小麥凈光合速率差異最大，說明灌漿階段OTC 對小麥凈光合速率的影響最大。

2.4 OTC內(nèi)外生物量與產(chǎn)量差異

OTC 內(nèi)小麥單株生物量比OTC 外增加了13.3%（圖6a）。OTC 內(nèi)部的小麥單株穗生物量顯著大于OTC 外（P＜0.05），增長了35.2%；但小麥單株根部生物量卻顯著小于OTC 外（P＜0.05），減少了47.3%。OTC 內(nèi)外小麥單株莖和葉生物量之間沒有顯著差異（P＞0.05）。

小麥生物量的各器官分配百分比均為根＜葉＜莖＜穗（圖6b）。OTC 內(nèi)外干物質(zhì)分配百分比在根和穗上具有顯著差異（P＜0.05）。與OTC外部相比較，OTC內(nèi)根干物質(zhì)分配百分比降低了53.1%，而OTC 內(nèi)穗干物質(zhì)分配百分比增長了24.0%，說明OTC 對小麥根部產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)，而對小麥穗部產(chǎn)生了正效應(yīng)。

圖6 OTC內(nèi)外各器官生物量及其各器官分配百分比差異Figure 6 Difference between the biomass of each organ inside and outside the OTC and its allocation percentage to each organ

OTC 內(nèi)外的小麥單株籽粒數(shù)、籽粒質(zhì)量（產(chǎn)量）、千粒質(zhì)量和收獲指數(shù)均有顯著差異（P＜0.05）（圖7）。相對于OTC 外，OTC 內(nèi)的小麥單株千粒質(zhì)量、籽粒數(shù)、籽粒質(zhì)量和收獲指數(shù)分別增加了34.5%、34.5%、49.2%和86.2%。

圖7 OTC內(nèi)外小麥籽粒質(zhì)量、籽粒數(shù)、千粒質(zhì)量和收獲指數(shù)Figure 7 Grain weight per ear，number of grains per ear，1 000-grain weight，and harvest index of wheat inside and outside OTC

3 討論

影響OTC 內(nèi)部空氣溫度的因素較多，包括OTC外的自然環(huán)境溫度、風(fēng)速和湍流模式以及鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)、氣室材料、內(nèi)壁與植物冠層之間的紅外輻射交換[35]。本研究中，OTC 內(nèi)日平均溫度比OTC 外高1.8 ℃，輻射小時(shí)均值降低了32.3%。這與Fuhrer 等[17]研究發(fā)現(xiàn)的OTC 內(nèi)日平均氣溫升高了1.3 ℃的結(jié)果一致，也與Sanders 等[21]研究報(bào)道的OTC 內(nèi)輻射減少20%的研究結(jié)果一致。Mcleod 等[36]報(bào)道，在室外環(huán)境溫度高過30 ℃時(shí)，OTC 內(nèi)外溫差最大；當(dāng)OTC 內(nèi)光合有效輻射為1 600 μmol·m-2·s-1時(shí)，OTC內(nèi)氣溫比外界高出4.3 ℃。本研究也發(fā)現(xiàn)在白天，即使在通氣情況下（每分鐘OTC 內(nèi)空氣交換2次左右），OTC 內(nèi)外也存在較大溫差，OTC 內(nèi)部氣溫比外部高4.8 ℃。本研究中OTC 內(nèi)相對濕度日平均值會增加0～5.0 個(gè)百分點(diǎn)，與前人報(bào)道的結(jié)果也基本一致[21，23，37]。但本研究發(fā)現(xiàn)在白天通氣時(shí)間段內(nèi)，OTC 內(nèi)的相對濕度低于OTC外（圖2b），這與OTC 內(nèi)溫度升高有關(guān)?？諝庀鄬穸仁撬麎号c飽和水汽壓之比，當(dāng)OTC 內(nèi)部溫度升高時(shí)，飽和水汽壓也隨之增加，從而導(dǎo)致相對濕度降低。總之，OTC氣室效應(yīng)表現(xiàn)：OTC內(nèi)部氣溫升高；相對濕地日平均值增加，但白天平均值降低；光合有效輻射降低。

本研究發(fā)現(xiàn)生長在OTC 內(nèi)的小麥凈光合速率顯著大于OTC 外，且主要表現(xiàn)在小麥的揚(yáng)花階段和灌漿階段。張金恩等[30]研究發(fā)現(xiàn)，OTC 內(nèi)冬小麥在整個(gè)生育期內(nèi)均具有較高的凈光合速率，且主要表現(xiàn)在灌漿期和乳熟期，與本研究觀測到的現(xiàn)象基本一致。小麥凈光合速率的增加可能與OTC 內(nèi)空氣溫度提高有關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)白天增溫可以提高小麥孕穗期光能利用效率[38]，并且植物光合速率與氣溫之間具有顯著的正相關(guān)性[39]。因此，增溫可能是OTC 造成的植物凈光合速率顯著增高的主要原因[40]。盡管OTC 內(nèi)部光合有效輻射存在明顯降低，但其對小麥葉片光合速率和產(chǎn)量的影響并不顯著，說明OTC 造成的光合有效輻射減少對植物影響較小。

本研究表明，OTC內(nèi)部小麥單株生物量和產(chǎn)量得到顯著提高（圖6 和圖7），這與國內(nèi)外許多研究結(jié)果一致（表1）。OTC 內(nèi)部白天增溫，能夠提高光合速率。OTC內(nèi)部雖然光合有效輻射減少，但大部分時(shí)間仍然能夠保證小麥光合作用的需要（即光合有效輻射不低于光飽和點(diǎn)），增溫可能是OTC 內(nèi)部光合速率和產(chǎn)量增加的主要原因。

增溫作為全球氣候變化的一個(gè)重要因素，其對作物產(chǎn)量的影響，IPCC 相關(guān)報(bào)告[1，41]已經(jīng)給出了明確結(jié)論：在氣候溫暖和寒冷的中高緯度地方，增溫能夠提高作物產(chǎn)量；而在氣候炎熱的低緯度地方，增溫能夠引起作物減產(chǎn)。Tao 等[42]分析發(fā)現(xiàn)，1981—2009 年期間，增溫造成了我國北方小麥增產(chǎn)，南方小麥減產(chǎn)?？茖W(xué)家在美國的亞利桑那州[43]以及我國的山東禹城[44]、河北城固[45]和河北欒城[46]，開展的農(nóng)田增溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，氣溫升高能夠引起農(nóng)作物增產(chǎn)。有關(guān)增溫造成的農(nóng)作物減產(chǎn)，除在少數(shù)熱帶地區(qū)有報(bào)道外，大部分報(bào)道來自于模型評估結(jié)果[47-49]。目前有關(guān)增溫造成農(nóng)作物減產(chǎn)的原因主要有兩點(diǎn)：一是如果增溫發(fā)生在夜間，增溫能夠增加夜間植物的呼吸消耗，減少植物碳水化合物的積累，影響農(nóng)作物籽粒形成和成熟。二是增溫縮短了農(nóng)作物籽熟期的長度，影響農(nóng)作物籽粒形成的碳水化合物供給總量[50]。這兩種情況在本實(shí)驗(yàn)中都不存在。首先在本實(shí)驗(yàn)中，OTC門白天關(guān)閉，形成OTC 內(nèi)部增溫；晚間OTC 門打開通氣，保持OTC 內(nèi)外溫度一致，OTC 內(nèi)部不會產(chǎn)生夜間增溫。Johnson 等[51]還曾報(bào)道OTC 具有白天增溫，而夜間不降溫的作用。其次，在本實(shí)驗(yàn)中，也沒有發(fā)現(xiàn)OTC 內(nèi)外籽熟期長短的顯著差異。還需要說明的是，在進(jìn)行增溫對植物影響分析時(shí)，需要將增溫（Warming）和熱脅迫（Heat stress）兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果區(qū)分開來。增溫實(shí)驗(yàn)將溫度控制到比氣溫高1～5 ℃，大部分情況下植物生長會得到促進(jìn)，能夠增加農(nóng)作物產(chǎn)量。而熱脅迫實(shí)驗(yàn)將氣溫控制到38 ℃以上，大部分情況下會對植物造成損害，造成植物減產(chǎn)[47]。本實(shí)驗(yàn)中OTC內(nèi)部的溫度沒有超過38 ℃，因此溫度升高促進(jìn)了農(nóng)作物生長，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量。

OTC 內(nèi)外小麥生物量和干物質(zhì)分配差異主要表現(xiàn)在根與穗上。OTC對小麥根部產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)，溫度升高有利于土壤有機(jī)質(zhì)分解，增加了土壤養(yǎng)分供給。養(yǎng)分不再是植物生長的限制因素時(shí)，分配到植物根系的光合產(chǎn)物將會減少[52-53]。而OTC 對小麥穗部產(chǎn)生了正效應(yīng)。OTC 內(nèi)的籽粒質(zhì)量、籽粒數(shù)、千粒質(zhì)量都顯著大于OTC 外，表明OTC 對小麥籽粒數(shù)和單粒質(zhì)量均有影響。對蠶豆[21]、菜豆[24]和小麥[3]等的研究也都發(fā)現(xiàn)OTC 內(nèi)部作物產(chǎn)量增加與單個(gè)種子質(zhì)量增加有關(guān)。

早在20 世紀(jì)60 年代，OTC 就已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到空氣污染研究中，如研究SO2、O3等對植物的影響。到20世紀(jì)80年代，氣候變化引起了全球關(guān)注，OTC就被用來研究空氣CO2濃度升高和氣溫增加對植物的影響。與密閉式氣室熏氣裝置比較，OTC內(nèi)的環(huán)境改變相對較小，并且可以栽種較大植株。與一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置（如自由大氣CO2升高裝置FACE）[54]和紅外輻射器加溫裝置[54]相比較，OTC 具有經(jīng)濟(jì)且操作簡單等特點(diǎn)[55-56]。但由于不同研究者建造的OTC 形狀、大小、材料、通氣方式等不一樣，OTC的氣室效應(yīng)也存在很大不同。對于研究空氣化學(xué)成分（如污染物和CO2濃度增加）對植物影響時(shí)，OTC 對植物生長環(huán)境的影響常被忽略，因?yàn)樵诒容^不同空氣化學(xué)成分變化對植物影響時(shí)，比較的是采用同樣OTC 裝置的不同濃度間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其假定OTC 氣室效應(yīng)對所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會產(chǎn)生同樣的影響，即可以忽略O(shè)TC 影響。近來的研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度增加和空氣污染與增溫對植物影響具有交互作用，例如：蘇營等[57]報(bào)道增溫能夠促進(jìn)CO2對大豆的增產(chǎn)作用；Xu 等[58]報(bào)道增溫2 ℃能夠減輕O3對林木的危害。為了減少OTC 氣室效應(yīng)對研究結(jié)果的影響，建議：（1）形成統(tǒng)一規(guī)范的OTC 實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)導(dǎo)則，明確OTC 氣室效應(yīng)限制閾值。需要根據(jù)不同研究目的，確定實(shí)驗(yàn)擬達(dá)到的增溫幅度和時(shí)間變化特征[56]，推薦合適的OTC形狀、大小、材料和通氣方式。（2）采用一些技術(shù)手段降低OTC 內(nèi)部氣溫。除了改進(jìn)的體積較大的氣室[33，52]可以降低室內(nèi)外溫度差異外，可以構(gòu)建多種控溫式OTC[59]，如水蒸發(fā)式冷卻器[60]、水冷交換器[61]和空調(diào)式系統(tǒng)[62]，以有效降低OTC 內(nèi)部溫度，但由于成本問題，控溫式OTC 在國內(nèi)外的應(yīng)用還比較少。

采用OTC 開展增溫對植物的影響實(shí)驗(yàn)，正是利用OTC 氣室效應(yīng)（主要是增溫作用）來開展模擬研究。目前大部分情況下，OTC增溫實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是一種被動式的實(shí)驗(yàn)裝置，不需要其他動力，經(jīng)濟(jì)且特別適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，但存在的問題是增溫幅度很難控制。Johnson 等[51]比較了OTC 和紅外燈加溫實(shí)驗(yàn)，指出這兩種實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的增溫強(qiáng)度、日變化特征和受天氣影響程度等具有明顯差異。在本實(shí)驗(yàn)中，為了防止OTC 內(nèi)增溫過高，采用離心風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式，OTC 內(nèi)部氣體每分鐘交換2次，但仍然造成OTC 內(nèi)部的氣溫增加高達(dá)4.8 ℃。因此，應(yīng)該考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，確定合適的降溫方式，減少OTC內(nèi)外溫度差異。

4 結(jié)論

（1）相對開頂式氣室（OTC）外，OTC 內(nèi)日平均溫度升高1.8 ℃，白天實(shí)驗(yàn)通氣階段增溫更明顯，溫度升高4.8 ℃。OTC 內(nèi)相對濕度日平均值增加0～5.0 個(gè)百分點(diǎn)，白天實(shí)驗(yàn)階段則降低0.6 個(gè)百分點(diǎn)。光合有效輻射在白天實(shí)驗(yàn)階段降低32.3%。

（2）OTC引起了小麥的單株籽粒數(shù)和千粒質(zhì)量增加，進(jìn)而提高了小麥產(chǎn)量。

（3）OTC 內(nèi)空氣溫度增加提高了小麥凈光合速率，進(jìn)而導(dǎo)致小麥產(chǎn)量增加。小麥產(chǎn)量的增加主要與OTC帶來的增溫效應(yīng)關(guān)系密切。

（4）OTC 具有明顯的增溫效應(yīng)，可以用來開展增溫模擬實(shí)驗(yàn)。但如果采用OTC進(jìn)行CO2升高和空氣污染模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該盡量保證OTC內(nèi)外溫度差異最小化，并考慮OTC的氣室效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。