人工氣候?qū)嶒?yàn)室

(都柏林大學(xué)派克氣候?qū)嶒?yàn)室外觀)

植物與環(huán)境的相互作用。

        植物或狹義的陸生維管植物，從約5億年前的晚志留世登陸。植物可以通過(guò)光合作用，吸收大氣中的二氧化碳，固定其中的碳，釋放出比較穩(wěn)定的氧氣，通過(guò)改變大氣成分來(lái)改變陸地環(huán)境。大氣和海洋的循環(huán)作用，間接影響海洋環(huán)境。

隨著植物根系的不斷演化，植物固定土壤的能力逐漸增強(qiáng)，更多的碳被保存在巖石中，陸表向海洋輸送的碎屑物質(zhì)減少，陸表物理風(fēng)化作用對(duì)海洋水體的污染也減弱，這些直接促進(jìn)了海洋環(huán)境的變化。這些復(fù)雜的物理、生物和化學(xué)過(guò)程徹底改變了早期地球大氣圈、水圈、生物圈的成分和結(jié)構(gòu)，為下一次生命演化提供了必要條件。

        相反，植物也受生存環(huán)境的影響，大規(guī)模地產(chǎn)生了植物的地理區(qū)劃。例如，熱帶植物中常見(jiàn)的藤本、廣葉和板根是對(duì)溫暖潮濕環(huán)境的適應(yīng)，而冷帶植物的針葉形態(tài)演化是對(duì)寒冷干燥氣候的適應(yīng)。從小規(guī)模來(lái)看，植物的氣孔(與大氣交換氣體的器官)也會(huì)隨著二氧化碳濃度的變化而調(diào)整，即相應(yīng)的密度和分布的變化。二氧化碳濃度越高，植物可以用更少的氣孔來(lái)完成正常的生長(zhǎng)需求，同時(shí)也可以減少?gòu)臍饪字猩⑹У乃帧?/span>

        這樣，植物似乎也有獨(dú)特的智慧，受環(huán)境的影響，也可以用自己的方法改變環(huán)境，兩者之間的相互作用是怎樣完成的呢？植物能告訴我們環(huán)境變化規(guī)律的重要信息嗎？

植物在地球固碳中的重要作用。

        植物是陸地固定碳的主力軍，根據(jù)目前地球生物圈(不包括土壤和巖石中的碳)的調(diào)查，陸地植物固定了450x109噸碳，約占其他生物碳儲(chǔ)藏量總和的82%。植物大量死亡的話，大量的碳會(huì)再次進(jìn)入空氣中，快速大量產(chǎn)生的二氧化碳也會(huì)產(chǎn)生溫室效果。土壤失去根的固定作用，陸地的水土流失惡化，污染水體，不僅會(huì)給依賴植物的大量動(dòng)物帶來(lái)滅絕災(zāi)害，對(duì)海洋生物來(lái)說(shuō)也是重大災(zāi)害，可能會(huì)使環(huán)境惡化到地球進(jìn)化初期的惡劣狀態(tài)(這在地質(zhì)記錄中被稱為錯(cuò)誤的時(shí)間相的沉積，也就是說(shuō)這個(gè)階段不應(yīng)該出現(xiàn)的原始地球環(huán)境)。

(晚古生代石松類鱗片(左)和現(xiàn)生被子植物(右)碳儲(chǔ)存量比較圖。單位:噸/公頃/年)

        其實(shí)，地質(zhì)歷史時(shí)期曾多次發(fā)生過(guò)這樣的事件。例如，顯生宇**的生物滅絕(二重紀(jì)-三重紀(jì)生物大滅絕)前后出現(xiàn)的大量藍(lán)細(xì)菌巖(重疊石)發(fā)生在植物危機(jī)發(fā)生后和植物恢復(fù)前。大量陸源碎屑有機(jī)物的加入消耗了水體中的大量氧氣，水體的豐富營(yíng)養(yǎng)化也使藍(lán)細(xì)菌大量繁榮，反而加快了水體氧含量的消耗，導(dǎo)致海水缺氧，導(dǎo)致海洋生物滅絕，緩慢了生物的恢復(fù)過(guò)程。

這樣的證據(jù)還有很多。圖中從以前的寒武紀(jì)到現(xiàn)在，幾個(gè)主要植物群的演化過(guò)程和環(huán)境因子(大氣氧含量、二氧化碳含量、碳埋藏量等)與冰期的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隱孢菌素植物(苔蘚等)出現(xiàn)，維管植物大量出現(xiàn)，種子植物(包括裸子植物和被子植物)大量出現(xiàn)的重要時(shí)期，大氣氧含量增加，二氧化碳減少和碳埋藏量增加，同時(shí)在一些植物進(jìn)化的重要時(shí)期，如植物登陸時(shí)的晚志留下，石松類、楔形葉類、蕨類和種子蕨類蕨類植物極其茂盛的石炭紀(jì)二疊紀(jì)(石炭紀(jì)的命名是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期有大量的碳埋藏)

人工氣候?qū)嶒?yàn)室的緣起

         綜上所述，植物對(duì)環(huán)境的影響不容忽視。但是，這些都是我們的推測(cè)，植物是如何影響環(huán)境的？植物對(duì)環(huán)境變化有什么生理反應(yīng)？植物對(duì)環(huán)境影響多還是環(huán)境對(duì)植物影響多？很多問(wèn)題還沒(méi)有令人滿意的答案。

         特別是地質(zhì)歷史時(shí)期滅絕的植物，不能直接研究。由于化石記錄不足，親近的現(xiàn)生植物也不足，解剖學(xué)研究不足，我們不知道這些植物長(zhǎng)什么樣，能固定多少碳。但而，我們可以知道不同植物的固定碳能力是不同的。也許存在于地質(zhì)歷史時(shí)期的植物比稱霸地球的被子植物有更強(qiáng)的固定碳能力。克里爾(Cleal)和托馬斯(Thomas)于2005年發(fā)表了對(duì)晚古生代石松類植物鱗木和現(xiàn)代被子植物固碳量的估算，可能不像我們想象的那么簡(jiǎn)單。維管束發(fā)達(dá)的植物不一定碳量大，研究植物與環(huán)境的關(guān)系必須定量計(jì)算。地質(zhì)記錄顯示，大多數(shù)古代環(huán)境與當(dāng)前環(huán)境大不相同。那么，我們應(yīng)該如何模擬古如何研究古代植物呢？

(人工氣候室實(shí)驗(yàn)室原理圖)

        這些問(wèn)題困擾科學(xué)家很長(zhǎng)一段時(shí)間，直到1949年，美國(guó)**植物學(xué)家、園藝學(xué)家溫特在加州帕薩迪納市主持建設(shè)了世界上**個(gè)植物人工氣候?qū)嶒?yàn)室，通過(guò)在封閉環(huán)境中控制溫度、濕度、二氧化碳和氧氣等多種環(huán)境因子，觀察不同植物在不同環(huán)境中的生長(zhǎng)過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)很快受到各國(guó)的重視。現(xiàn)在科學(xué)家可以正確控制和觀察各環(huán)境因子的變化，為揭示植物與環(huán)境關(guān)系的秘密提供了更直接的方法，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生物研究。

(實(shí)驗(yàn)室的外觀)

(人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室需要特殊保護(hù))