基于設(shè)施內(nèi)外零濃度差的CO2增施對(duì)日光溫室草莓生產(chǎn)的影響

賀冬仙　古在豐樹　竇海杰

【摘要】針對(duì)日光溫室冬季生產(chǎn)頻繁發(fā)生的CO2虧缺問題，提出了一種基于設(shè)施內(nèi)外零濃度差的CO2增施調(diào)控方法，開發(fā)裝置后在北京市小湯山進(jìn)行了為期2年的日光溫室草莓栽培應(yīng)用測(cè)試。結(jié)果表明：零濃度差CO2增施調(diào)控與無CO2增施相比，日光溫室草莓葉片的凈光合速率提高了26%～41%，果實(shí)的單果重提高了20%～50%、糖酸比提高了21%～47%，設(shè)施產(chǎn)量增加14%～21%、實(shí)際凈增收19%～23%；與定時(shí)施放和高濃度施放的CO2增施調(diào)控相比，其草莓植株的生長發(fā)育、設(shè)施產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)無顯著性差異，但氣肥利用效率高，有效地避免了CO2氣體外泄對(duì)環(huán)境的二次污染。因此，基于設(shè)施內(nèi)外零濃度差的CO2增施調(diào)控是一種安全可靠、節(jié)能高效的設(shè)施CO2增施促產(chǎn)技術(shù)。

溫室設(shè)施在冬季為了保溫即使白天也有部分時(shí)間處于相對(duì)密閉的環(huán)境，如果不能及時(shí)補(bǔ)充CO2氣體則會(huì)使得設(shè)施內(nèi)CO2虧缺現(xiàn)象頻繁發(fā)生。Sanchez-Guerrero等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黃瓜植株的葉面積指數(shù)達(dá)到3.0～3.5時(shí)，溫室內(nèi)CO2濃度低于300 ?mol/mol的時(shí)長可達(dá)有效日長的60%[1]。由于CO2增施技術(shù)在我國幾乎未曾得到普及，日光溫室內(nèi)的CO2虧缺問題嚴(yán)重地制約了設(shè)施作物的生長發(fā)育，導(dǎo)致其產(chǎn)量和品質(zhì)難以得到進(jìn)一步的提高[2-4]。為此，設(shè)施CO2增施技術(shù)在近年來日益被溫室栽培者和管理者所重視。日光溫室增施CO2氣體能夠有效地避免CO2虧缺現(xiàn)象的發(fā)生[5-6]，顯著地提高作物的水分利用效率[7]，提高草莓葉片的凈光合速率、增加果實(shí)可溶性固形物含量、提前收獲并增加產(chǎn)量[8-12]。目前，國內(nèi)外常用的CO2增施方法主要有通風(fēng)法[2]、燃燒法[5，13-14]、化學(xué)反應(yīng)法[10，15-16]、秸稈發(fā)酵法[6，17-18]、及液態(tài)CO2鋼瓶法[7-8，19-20]。溫室生產(chǎn)在冬季通風(fēng)盡管可以緩解CO2虧缺，但不利于保溫[2]；燃燒法、化學(xué)反應(yīng)法及秸稈發(fā)酵法的成本較低，但其供氣速率不穩(wěn)定，易產(chǎn)生有害氣體，不易得到有效調(diào)控[5-6，13，15，21]；液態(tài)CO2鋼瓶法氣源穩(wěn)定，但初期投入大，且高濃度施放易產(chǎn)生泄漏損失，難以滿足簡易設(shè)施的CO2增施調(diào)控的技術(shù)要求。

當(dāng)日光溫室的CO2濃度由200 ?mol/mol增至400 ?mol/mol

時(shí)，設(shè)施內(nèi)黃瓜、番茄和辣椒的凈光合速率可提高約55%～130%，即400 ?mol/mol的CO2增施調(diào)控顯著地促進(jìn)了溫室內(nèi)作物的光合作用，提高了設(shè)施作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而增加了設(shè)施經(jīng)濟(jì)效益[22]。為此，本文提出了基于設(shè)施內(nèi)外零濃度差的CO2增施調(diào)控方法（以下簡稱：零濃度差CO2增施），即當(dāng)設(shè)施內(nèi)CO2濃度低于設(shè)施外時(shí)，在設(shè)施內(nèi)施放CO2氣體使其CO2濃度提高到等于或略高于設(shè)施外CO2濃度，持續(xù)使得設(shè)施內(nèi)外的CO2濃度差維持在零水平，從而保證在進(jìn)行CO2增施的同時(shí)避免CO2氣體的泄漏損失，從而提高CO2氣體利用效率。通過在北京市小湯山進(jìn)行的為期2年的日光溫室草莓栽培試驗(yàn)以評(píng)價(jià)零濃度差CO2增施的促產(chǎn)增收效果，為該CO2增施調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支撐。

材料與方法

零濃度差CO2增施調(diào)控裝置

零濃度差CO2增施調(diào)控裝置以液態(tài)CO2鋼瓶作為氣源，利用傳感器模塊、嵌入式信息監(jiān)控模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和供電模塊實(shí)現(xiàn)CO2氣體的監(jiān)測(cè)與控制（圖1），所用電子元器件以適應(yīng)日光溫室高濕環(huán)境為選擇依據(jù)（表1）。當(dāng)設(shè)施白天溫度高于15℃，設(shè)施內(nèi)CO2傳感器的檢測(cè)值低于室外CO2檢測(cè)值達(dá)15 ?mol/mol時(shí)，電磁閥驅(qū)動(dòng)CO2氣體由鋼瓶經(jīng)減壓閥、電磁閥、供氣管道輸出，最后由兩個(gè)風(fēng)向相反的軸流風(fēng)機(jī)將其均勻地?cái)U(kuò)散到日光溫室；當(dāng)溫室內(nèi)CO2濃度高于室外CO2濃度達(dá)15 ?mol/mol時(shí)，電磁閥關(guān)閉，停止CO2氣體施放。

日光溫室的草莓栽培

草莓（Fragaria×ananassa L.）品種選用紅顏（cv.Benihoppe）和章姬（cv.Akihime），分別于2011年到2013年在北京市昌平區(qū)興壽鎮(zhèn)東營草莓園的6棟日光溫室進(jìn)行栽培。日光溫室的跨度為8 m、長度為50 m、脊高3.5 m，東西走向。紅顏草莓苗于2011年9月15日定植、2012年1月初開始采收、4月30日結(jié)束采收。草莓栽植密度為12株/m2，高壟雙行種植，株距20 cm×20 cm，壟寬35 cm，壟溝寬40 cm，壟深30 cm，滴灌灌溉，農(nóng)戶常規(guī)管理。草莓苗定植前施腐熟農(nóng)家肥

75 t/hm2（雞糞：牛糞=1：1）、復(fù)合肥750 kg/hm2，草莓栽培用土壤的全氮含量為1.67～1.82 g/kg、全磷含量為1.65～1.93 g/kg、全鉀含量為19.1～19.8 g/kg，各日光溫室之間無顯著性差異。章姬草莓苗于2012年9月18日定植，2012年12月中旬開始采收、2013年4月30日結(jié)束采收，栽培方法與上述紅顏品種一致。

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置

2年試驗(yàn)均以無CO2增施處理作為對(duì)照，CO2增施處理分別為零濃度差CO2增施（Zero Concentration Difference method，ZCD），CO2定時(shí)施放（Timing CO2 Enrichment method，TCE）及CO2高濃度施放（High Concentration Control method，HCC）（表2）。CO2定時(shí)施放

采用本研究組研發(fā)的CO2增施定時(shí)調(diào)控裝置，將液態(tài)CO2鋼瓶作為氣源，每天8：30開始釋放15 min、14：30開始釋放10 min進(jìn)行CO2增施，CO2氣體由鋼瓶經(jīng)減壓閥、電磁閥、供氣管道和軸流風(fēng)機(jī)均勻擴(kuò)散至日光溫室。CO2高濃度施放法利用商業(yè)化智能精準(zhǔn)氣肥機(jī)（Fill，深圳市潤普科技有限公司，中國）進(jìn)行CO2增施（圖2）。CO2增施調(diào)控從草莓苗定植2個(gè)月后到次年3月底為止，每個(gè)CO2增施處理和對(duì)照分別采用2棟溫室作為重復(fù)。

檢測(cè)指標(biāo)與方法

草莓定植緩苗后，每處理每重復(fù)隨機(jī)選取長勢(shì)一致的草莓植株10株，每月定期測(cè)定草莓葉片的光合特性、生長量及果實(shí)品質(zhì)。草莓的凈光合速率采用便攜式光合儀（LI-6400，LI-COR公司，美國）的標(biāo)準(zhǔn)光源葉室，測(cè)量條件在晴天或陰天的光照強(qiáng)度分別設(shè)置為800 ?mol/（m2·s）或

400 ?mol/（m2·s），CO2濃度設(shè)置為400 ?mol/mol，葉溫設(shè)置為22℃，氣流速度設(shè)置為500 ?mol/s。每月測(cè)量一次草莓植株的葉數(shù)、花數(shù)及果數(shù)，拉秧前測(cè)定植株地上部和地下部的鮮重和干重。草莓開始采收后，每處理每重復(fù)隨機(jī)選取草莓果實(shí)10顆，每月定期測(cè)定其單果重、可溶性固形物含量、維生素C含量及糖酸比?？扇苄怨绦挝锖坎捎脭?shù)顯糖度計(jì)（PAL-1，Atago公司，日本）測(cè)定；維生素C含量、可溶性糖含量及總酸含量分別采用2，6-二氯靛酚滴定法、蒽酮比色法和pH電位法進(jìn)行測(cè)定[23]，并核算其果實(shí)的糖酸比。每年結(jié)束采收后累計(jì)各日光溫室的草莓產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)均采用EXCEL與SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析（P = 0.95）。

結(jié)果與討論

日光溫室內(nèi)CO2濃度日變化的影響

日光溫室內(nèi)CO2濃度的變化呈不規(guī)則的“U”型，夜間由于植物及土壤旺盛的呼吸作用使得溫室內(nèi)CO2濃度逐漸升高，日出后隨著作物光合作用的消耗而導(dǎo)致其CO2濃度迅速下降并出現(xiàn)CO2虧缺現(xiàn)象（圖3）。對(duì)照設(shè)施內(nèi)的CO2濃度在15：00左右降至248 ?mol/mol，CO2虧缺現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間約為4 h，CO2虧缺時(shí)間是有效日長的40%，嚴(yán)重地制約了草莓葉片的光合作用。零濃度差CO2增施使日光溫室內(nèi)的CO2濃度不低于大氣CO2濃度，有效地避免了設(shè)施CO2虧缺問題的發(fā)生，且由于其設(shè)施內(nèi)CO2濃度與大氣CO2濃度無顯著性差異，未造成CO2氣體泄漏損失的同時(shí)，極大地提高了CO2氣體利用效率。CO2增施處理的日光溫室夜間CO2濃度顯著高于對(duì)照溫室達(dá)67～159 ?mol/mol，這與Klaring等在溫室內(nèi)進(jìn)行黃瓜CO2增施（380 ?mol/mol）的試驗(yàn)結(jié)果是一致的[5]。

零濃度差CO2增施對(duì)日光溫室草莓葉片光合特性的影響

幾種CO2增施都顯著地提高了日光溫室草莓葉片的凈光合速率，這是由于高濃度CO2環(huán)境在增加植物核酮糖二磷酸羧化酶（RuBP）羧化底物的同時(shí)也提高了RuBP羧化酶的活性，減少了O2對(duì)RuBP的競爭氧化，從而提高植物葉片的光合活性。與無CO2增施相比，零濃度差CO2增施分別使紅顏和章姬草莓葉片的凈光合速率提高11%～26%和7%～41%，但其草莓葉片的凈光合速率與定時(shí)施放法和高濃度施放法增施的無顯著性差異（圖4）。溫室內(nèi)大氣濃度的CO2增施與定時(shí)施放和550 ?mol/mol的CO2增施調(diào)控對(duì)植物光合作用的影響無顯著性差異。

零濃度差CO2增施對(duì)日光溫室草莓植株生長發(fā)育的影響

與無CO2增施相比，零濃度差CO2增施處理的草莓植株的葉數(shù)增加了2～6片、花數(shù)增加了3～9朵、果數(shù)增加了6～8個(gè)；在4月份采收盛期，植株地上部和地下部的鮮重與干重的增幅均達(dá)43%以上（圖5）。CO2增施顯著地促進(jìn)了草莓植株的光合作用，提高了干物質(zhì)積累，進(jìn)而有效地促進(jìn)了日光溫室內(nèi)草莓植株的生長發(fā)育。零濃度差CO2增施與其他CO2增施方法之間的植物生長發(fā)育無顯著性差異。

零濃度差CO2增施對(duì)日光溫室草莓品質(zhì)的影響

與無CO2增施相比，不同的CO2增施處理均使草莓果實(shí)的單果重、可溶性固形物含量、維生素C含量及糖酸比有不同程度的提高，但不同的CO2增施處理之間無顯著性差異（圖6）。零濃度差CO2增施比無CO2增施相比使草莓單果重提高20%～50%，果實(shí)可溶性固形物含量提高10%～20%，維生素C含量增加約20%，糖酸比提高約21%～47%，顯著地提高了草莓果實(shí)的營養(yǎng)物質(zhì)含量、口感和風(fēng)味。

日光溫室草莓產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的核算

CO2增施成本包括設(shè)備投入與CO2氣源費(fèi)用，將CO2鋼瓶、減壓閥、電磁閥、供氣管道、電源線、軸流風(fēng)機(jī)等費(fèi)用按其使用年限（CO2鋼瓶為10年，其他為5年）均攤至每年以核算其設(shè)備投入的年均折舊。零濃度差CO2增施的施放濃度較低，其CO2氣肥用量為3瓶/年，CO2定時(shí)施放和CO2高濃度施放均為4瓶/年。零濃度差CO2增施、CO2定時(shí)施放和CO2高濃度施放比無CO2增施的運(yùn)行成本分別增加1525、364和1010元/年。

與無CO2增施相比，零濃度差CO2增施使日光溫室紅顏和章姬草莓采收期提前約7 天，顯著地提高了其春節(jié)前后、尤其是春節(jié)前的草莓產(chǎn)量，年凈增利潤率達(dá)18.5%和23.3%；CO2定時(shí)施放和CO2高濃度施放分別使日光溫室草莓增收18.0%和19.4%（表3）。與其他CO2增施方法相比，零濃度差CO2增施的促產(chǎn)增收效果沒有顯著性差異，但其用氣量僅為CO2定時(shí)施放和CO2高濃度施放的75%，有效地避免了日光溫室內(nèi)CO2氣肥的滲漏損失和對(duì)環(huán)境的二次污染，顯著地提高了CO2氣體利用效率。由于大氣CO2濃度基本恒定，可將零濃度差CO2增施調(diào)控系統(tǒng)減為一個(gè)設(shè)施內(nèi)CO2傳感器，當(dāng)白天檢測(cè)到設(shè)施內(nèi)CO2濃度低于設(shè)定濃度（約為380 ?mol/mol，可根據(jù)大氣CO2濃度調(diào)節(jié)）達(dá)15 ?mol/mol時(shí)開始增施，以降低零濃度差CO2增施的成本投入，從而進(jìn)一步提高設(shè)施效益。

結(jié)論

日光溫室的冬季作物生產(chǎn)中，CO2虧缺現(xiàn)象的頻繁發(fā)生嚴(yán)重制約了設(shè)施產(chǎn)量和品質(zhì)形成。零濃度差CO2增施提出了一種基于設(shè)施內(nèi)外的CO2濃度差的CO2增施調(diào)控方法，具有促產(chǎn)增效、氣源穩(wěn)定、操作簡便、氣肥利用效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，且與CO2定時(shí)施放和CO2高濃度施放的促產(chǎn)增效效果無顯著性差異，有效地避免了設(shè)施內(nèi)CO2虧缺問題的發(fā)生，提高了設(shè)施效益。該零濃度差CO2增施調(diào)控是一種安全可靠、節(jié)能高效的設(shè)施CO2增施促產(chǎn)技術(shù)，適于在更多的設(shè)施作物生產(chǎn)中開展應(yīng)用試驗(yàn)以確認(rèn)其普及推廣的可行性。

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*項(xiàng)目支持：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的關(guān)鍵技術(shù)及固碳減排效果的認(rèn)證技術(shù)研發(fā)”（2013BAD11B01）和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-25-D-4）。

作者簡介：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士生導(dǎo)師。