为作物“预演”未来气候：一款低成本、可复现的开顶式气室设计
为作物“预演”未来气候：一款低成本、可复现的开顶式气室设计 | MDPI Hardware
论文标题：Design of a Low-Cost Open-Top Chamber Facility for the Investigation of the Effects of Elevated Carbon Dioxide Levels on Plant Growth
论文链接： https://www.mdpi.com/2813-6640/2/2/7
期刊名： Hardware
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/hardware
随着大气二氧化碳浓度持续攀升，科学家迫切需要了解未来气候将如何影响农作物生长。然而，精确模拟未来CO 2 环境的研究设施往往造价高昂，令许多研究团队望而却步。如何让关键的气候变化研究变得“平易近人”？
澳大利亚中央昆士兰大学领衔的研究团队在MDPI期刊 Hardware 上发表了他们的解决方案：一套完全开源、设计精良且成本可控的“开顶式气室”（Open-Top Chamber, OTC）装置。这套系统能以远低于商业设备的成本，为研究 elevated CO 2 对作物生长的影响提供一个可靠的“时间机器”。
研究设施的核心：平衡“控制精度”与“经济性”
研究团队的设计目标清晰明确：建造一个足以容纳花生等谷类豆科作物生长（面积1.2平方米）、能够稳定维持 650 µmol/mol （约当前大气浓度的1.6倍）CO 2 浓度、且成本低廉、易于复制的实验系统。
主要设计亮点包括：
• 巧妙的八角形结构与锥形顶： 采用再生塑料立柱和聚乙烯薄膜构建气室，顶部的锥形开口（frustum）能有效减少风力对内部CO 2 浓度的干扰。
• 高效的CO 2 混合与循环系统： 通过一个自制混合箱、工业风机和环绕气室底部的带孔通风管，实现CO 2 与空气的均匀混合与输送。特别设计的 回流管 可回收约35%的逸出气体，显著降低CO 2 消耗。
• 精准的反馈控制： 每个高浓度CO 2 气室内均安装有Vaisala GMP252 CO 2 传感器，连接至Indigo520控制器，通过控制电磁阀的开关，将内部浓度精准维持在650±50 µmol/mol的目标范围内。
性能实测：有效模拟，数据可靠
在澳大利亚昆士兰的真实户外环境下，研究团队对这套OTC设施进行了严格验证：
• CO 2 浓度维持能力： 在目标浓度为650 µmol/mol时，系统在 79%的观测时间内能将浓度波动控制在±15%以内 （即552-748 µmol/mol），证明了其在多变天气下的可靠性。
• “气室效应”的量化： 与无气室对照地块相比，气室内部在白天平均升温约 2.3°C ，夜间升温约 0.6°C 。持续运行的通风系统（风机）能有效降低约0.7°C的温升。这一效应被清晰记录，为后续数据校正提供了关键依据。
• 惊人的成本效益： 单个气室（不含CO 2 控制系统）的材料成本仅为 560美元 。支撑4个高浓度处理气室的完整CO 2 调控系统成本为5388美元。整个12单元（含对照）设施的总成本控制在约 10,615美元 ，远低于同类商业系统或FACE（自由大气CO 2 富集）设施。
从硬件到成果：花生生长实验验证
研究团队利用这套设施开展了为期30天的花生（品种Sutherland）种植实验。结果显示：
•在 650 µmol/mol CO 2 浓度 下生长的花生，其地上部生物量累积比环境浓度下生长的花生显著增加了约40%。
•其 内在水分利用效率 也显著提升。
这些生理数据与前人研究高度吻合，从生物学角度验证了该硬件设施用于气候变化研究的有效性。
开源精神：推动研究可复现性
遵循 Hardware 期刊的宗旨，研究团队公开了极其详尽的 物料清单 （包含具体型号、成本、采购渠道）、 三维设计图纸 、 组装说明 以及 控制逻辑 。这意味着全球任何有兴趣的实验室、农业院校甚至高中，都可以根据这份“食谱”在自己的地方复制这套装置，开展本地化的研究。
结论：为全球变化生态学赋能
这项研究的意义不仅在于提供了一个低成本的技术方案，更在于它 降低了气候变化实验研究的门槛 。通过开源详细的硬件设计，它使得更多资源有限的研究团队能够参与到探索未来粮食安全的核心问题中来。正如作者所言，这套系统不仅可用于CO?研究，稍加改造还能用于探究臭氧、氮化合物等大气污染物对生态系统的影响，应用前景广阔。
引用格式：
Novello, N.; Naiker, M.; Laza, H.; Walsh, K.B.; Tausz-Posch, S. Design of a Low-Cost Open-Top Chamber Facility for the Investigation of the Effects of Elevated Carbon Dioxide Levels on Plant Growth. Hardware 2024 , 2 , 138–153.
期刊介绍
主编：Prof. Dr. Peter C. Hauser
Hardware (ISSN: 2813-6640) 是一个国际性的、经同行评审的开放获取期刊。期刊聚焦于物理硬件系统的设计、原型制作、测试和广泛应用，涵盖的领域包括但不限于： 科学仪器、开源硬件、物联网设备、机器人、医疗设备以及农业技术等 。本篇关于开顶式气室的论文，是期刊所倡导的 可复现、可及性强的硬件创新 的杰出范例。