人工气候实验室

(都柏林大学派克气候实验室外观)

植物与环境的相互作用。

        植物或狭义的陆生维管植物，从约5亿年前的晚志留世登陆。植物可以通过光合作用，吸收大气中的二氧化碳，固定其中的碳，释放出比较稳定的氧气，通过改变大气成分来改变陆地环境。大气和海洋的循环作用，间接影响海洋环境。

随着植物根系的不断演化，植物固定土壤的能力逐渐增强，更多的碳被保存在岩石中，陆表向海洋输送的碎屑物质减少，陆表物理风化作用对海洋水体的污染也减弱，这些直接促进了海洋环境的变化。这些复杂的物理、生物和化学过程彻底改变了早期地球大气圈、水圈、生物圈的成分和结构，为下一次生命演化提供了必要条件。

        相反，植物也受生存环境的影响，大规模地产生了植物的地理区划。例如，热带植物中常见的藤本、广叶和板根是对温暖潮湿环境的适应，而冷带植物的针叶形态演化是对寒冷干燥气候的适应。从小规模来看，植物的气孔(与大气交换气体的器官)也会随着二氧化碳浓度的变化而调整，即相应的密度和分布的变化。二氧化碳浓度越高，植物可以用更少的气孔来完成正常的生长需求，同时也可以减少从气孔中散失的水分。

        这样，植物似乎也有独特的智慧，受环境的影响，也可以用自己的方法改变环境，两者之间的相互作用是怎样完成的呢？植物能告诉我们环境变化规律的重要信息吗？

植物在地球固碳中的重要作用。

        植物是陆地固定碳的主力军，根据目前地球生物圈(不包括土壤和岩石中的碳)的调查，陆地植物固定了450x109吨碳，约占其他生物碳储藏量总和的82%。植物大量死亡的话，大量的碳会再次进入空气中，快速大量产生的二氧化碳也会产生温室效果。土壤失去根的固定作用，陆地的水土流失恶化，污染水体，不仅会给依赖植物的大量动物带来灭绝灾害，对海洋生物来说也是重大灾害，可能会使环境恶化到地球进化初期的恶劣状态(这在地质记录中被称为错误的时间相的沉积，也就是说这个阶段不应该出现的原始地球环境)。

(晚古生代石松类鳞片(左)和现生被子植物(右)碳储存量比较图。单位:吨/公顷/年)

        其实，地质历史时期曾多次发生过这样的事件。例如，显生宇**的生物灭绝(二重纪-三重纪生物大灭绝)前后出现的大量蓝细菌岩(重叠石)发生在植物危机发生后和植物恢复前。大量陆源碎屑有机物的加入消耗了水体中的大量氧气，水体的丰富营养化也使蓝细菌大量繁荣，反而加快了水体氧含量的消耗，导致海水缺氧，导致海洋生物灭绝，缓慢了生物的恢复过程。

这样的证据还有很多。图中从以前的寒武纪到现在，几个主要植物群的演化过程和环境因子(大气氧含量、二氧化碳含量、碳埋藏量等)与冰期的对应关系。隐孢菌素植物(苔藓等)出现，维管植物大量出现，种子植物(包括裸子植物和被子植物)大量出现的重要时期，大气氧含量增加，二氧化碳减少和碳埋藏量增加，同时在一些植物进化的重要时期，如植物登陆时的晚志留下，石松类、楔形叶类、蕨类和种子蕨类蕨类植物极其茂盛的石炭纪二叠纪(石炭纪的命名是因为这个时期有大量的碳埋藏)

人工气候实验室的缘起

         综上所述，植物对环境的影响不容忽视。但是，这些都是我们的推测，植物是如何影响环境的？植物对环境变化有什么生理反应？植物对环境影响多还是环境对植物影响多？很多问题还没有令人满意的答案。

         特别是地质历史时期灭绝的植物，不能直接研究。由于化石记录不足，亲近的现生植物也不足，解剖学研究不足，我们不知道这些植物长什么样，能固定多少碳。但而，我们可以知道不同植物的固定碳能力是不同的。也许存在于地质历史时期的植物比称霸地球的被子植物有更强的固定碳能力。克里尔(Cleal)和托马斯(Thomas)于2005年发表了对晚古生代石松类植物鳞木和现代被子植物固碳量的估算，可能不像我们想象的那么简单。维管束发达的植物不一定碳量大，研究植物与环境的关系必须定量计算。地质记录显示，大多数古代环境与当前环境大不相同。那么，我们应该如何模拟古如何研究古代植物呢？

(人工气候室实验室原理图)

        这些问题困扰科学家很长一段时间，直到1949年，美国**植物学家、园艺学家温特在加州帕萨迪纳市主持建设了世界上**个植物人工气候实验室，通过在封闭环境中控制温度、湿度、二氧化碳和氧气等多种环境因子，观察不同植物在不同环境中的生长过程。这项技术很快受到各国的重视。现在科学家可以正确控制和观察各环境因子的变化，为揭示植物与环境关系的秘密提供了更直接的方法，广泛应用于现代生物研究。

(实验室的外观)

(人员进入实验室需要特殊保护)