西北半干旱雨养农业区FACE平台

发布时间：2012-05-16 16:18 阅读次数：

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1 FACE平台所在地气候背景

放气管

CO₂

采样分

析系统

田间控

制系统

液态

CO₂

气化及调

压装置

CO₂储存罐

主控计算机

送气

管道

兰州干旱气象研究所FACE平台建在甘肃省定西干旱气象与生态环境试验基地，该基地地处黄土高原西部的甘肃省中部半干旱雨养农业区，坐落于全国首批国家级农业科技园区—甘肃定西国家农业科技园区内，地理位置为104°37′E、35°35′N，海拔高度1 896.7 m，下垫面属于典型的黄土高原丘陵沟壑，主要土地利用类型为农田。气候特点是光能较多，热量资源不足，雨热同季，降水少且变率大，气候干燥，气象灾害频繁。年日照时间为2 433 h，其中日照时数在200 h以上的月份有4、5、6、7、8和12月，其余月份日照时间在172~193 h之间；年平均气温6.7 ℃，日平均气温≥0 ℃的积温为2 998.3 ℃，日平均气温≥10 ℃的积温为2 360.5 ℃；多年(1971-2000年)年平均降水量386.0 mm，降水主要集中在5~10月，占年降水量的86.9%；平均无霜期140 d，对黄土高原西部的生态环境、气候特征具有广泛的代表性。

2 FACE平台组成结构

本FACE系统试验平台，由CO₂气体供应装置、控制系统、释放系统3大部分组成（图 1），设有FACE 试验圈、对照圈和风向风速仪。本平台有3个FACE圈、3个大气圈（对照圈）。FACE圈和大气圈的直径均为4 m。

图1 FACE系统平台结构示意图

Fig.1 The structure sketch map of the FACE

2.1 CO₂气体供应装置

供气装置如图2所示：

(1)罐体：容积为10 m³的CO₂液体储存罐1个；

(2)气化装置：1套，将储存罐中的高压液体CO₂气化为气体，便于从送气管道输送和放气管道排放；

(3)压力调节器：1套，起到减压和稳压的作用，保证从送气管道出来的是低压的CO₂气体。

(4)送气管道：1套，由1个总管道和3个分管道连接而成。

图2 FACE平台供气装置（罐体、气化器、减压阀）

Fig.2 CO₂ supply equipments of FACE, including store tank, gasification and pressure reducing valve

2.2控制系统

(1)控制系统有5部分组成（图3），具体如下：

8方向释放管

风向风速传感器

控制箱

气体检测管

FACE圈

释放管路

气源电源

图 3 控制系统的组成

Fig.3 The constitute of control system in FACE

A. 计算机：整个FACE平台配有主控计算机1台；

B. 电源箱：每个FACE圈配有电源箱1个，提供电源；

C. 控制箱（图4）：每个FACE圈配有控制箱1个，箱体采用两面开门的形式，一侧为气体检测和控制系统（图5），另一侧为电控系统（图6），方便维护和检修，同时大大减小了控制箱的体积, 控制箱内部安装的设备和功能见图6。

图4. 控制箱 Fig.4 The control box of FACE 图 5 气体检测控制系统侧 Fig.5 One side of control box

图 6 控制箱电气控制系统侧图 7 触摸LCD显示屏Fig.7 Touch LED display screen

Fig.6 The other side of control box

电气控制侧安装有带有触摸LCD显示屏（图7）的控制电脑、控制输出模块电路板、开关、电源以及电气连接端子等，控制电脑运行有测控软件，通过数据总线读取CO₂和风速风向数据，经计算处理后，通过输出模块操作相应的电磁阀实现控制操作。

控制箱的气体检测和控制系统一侧内安装有CO₂分析仪、气体采样泵、干燥剂管、采样流量计和采样流量调节阀、CO₂气体释放方向控制电磁阀组和释放控制主阀、以及二次稳压调节器等。

为了确保系统的工作可靠，箱内安装有温度控制器和通风风扇，当箱体内部达到一定温度时，采用强制通风的方式进行冷却。

D. CO₂采样分析系统：1套，芬兰Visala公司的GMP343 CO₂传感器1个，分别置于FACE圈的正中心位置；

E. 风向风速传感器：1套，为了控制FACE圈内的CO₂ 浓度，首先必须考虑风向和风速。在每个FACE 圈中心2.5 m 高度上都安装一组测定风速和风向的传感器，当风速很小或无风时，FACE 圈的8 根放气管以对边同时开放方式分为2 组间隔轮流开放；当风速较大时，根据风向，上风处的3 根放气管开放，释放纯CO₂ 气体。

(2)系统工作原理

控制箱内的CO₂检测仪通过气体检测管从FACE圈内采集气体进行CO₂浓度的检测，并根据预置的CO₂浓度设定值进行控制量的计算，然后调整主释放阀的开启度，适当增加或减少CO₂气体的释放量，使圈内的CO₂浓度保持在所要求的水平。

2.3 释放系统

放气管道：即FACE圈（图8），共3个，每个FACE 圈是一个对边距为4 m、由8根释放CO₂气体管带围成的正八角形，每根放气管（图9）是长度约为1.7 m的不锈钢管，放气管面向圈内一面每隔100 mm有孔径约0.5 mm的小孔(采用激光打孔)，放气管的高度可随作物生长高度调节在作物冠层上方30~40 cm 处，以保证作物冠层上方有足够的高CO₂浓度和气体扩散空间。圈内有1个CO₂气体监测器，采集CO₂气样供控制系统分析圈内CO₂ 浓度分布。

图8 不锈钢管围成的释放圈图 9 放气管道

Fig.8 The stainless steel pipe enclose into a circle

Fig.9 The stainless steel pipe from which CO₂ gas release into the air

3 目的与用途

利用FACE试验平台，在半干旱雨养农业区开展田间试验，以当地主要作物春小麦、马铃薯、玉米等农作物为研究对象，通过增加FACE圈内的CO₂浓度，进行CO₂浓度升高对农作物生长过程、生理生态特征、生物量、产量等的观测研究，认识高CO₂浓度对作物影响的生理生态机制以及影响方式、影响规律、影响后果等，明确雨养作物生长及产量对CO₂浓度增加的响应及其机理，通过观测增加试验数据用于改进或验证模型模拟，以增加模拟结果的可信度。另外，作物对气候变化的适应是一个极其复杂的过程^[26-29]，因地区、作物及其品种而异，因此进行区域试验也是非常有必要的。通过试验研究，为该地区适应未来不同气候变化情景提供科学依据。