CO2增施技術(shù)在溫室增產(chǎn)中的應(yīng)用

王蕊　馬健　須暉

作物光合能力的提高是增加產(chǎn)量，提高品質(zhì)的重要途徑。二氧化碳（CO2）氣體是作物光合作用的重要元素，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育起著與水肥同等的作用，CO2供給不足會(huì)直接影響作物正常的光合作用。自然界大氣中的CO2濃度一般在330～340 μmol/mol，這是維持植物生長(zhǎng)的一個(gè)基本量，目前冬季設(shè)施栽培環(huán)境中，設(shè)施處于相對(duì)封閉的環(huán)境，根據(jù)測(cè)試，在溫室內(nèi)有日照的8 h中有5 h CO2濃度在300 μmol/mol以下，其中有2 h CO2濃度在100 μmol/mol以下，植物處于嚴(yán)重饑餓狀態(tài)，幾乎停止生長(zhǎng)，其根本原因是CO2嚴(yán)重不足，植物無(wú)法完成光合作用?？梢?jiàn)，定時(shí)定量補(bǔ)充CO2對(duì)溫室大棚植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要。

國(guó)外對(duì)CO2施肥的研究及其應(yīng)用非常重視，20世紀(jì)20年代，荷蘭和丹麥開(kāi)始將CO2施肥技術(shù)用于溫室黃瓜及番茄生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代初，日本、美國(guó)等國(guó)家也先后開(kāi)展了溫室蔬菜CO2施肥實(shí)用技術(shù)的研究及應(yīng)用。在我國(guó)CO2施肥技術(shù)雖然早已被認(rèn)可，但是在實(shí)際設(shè)施栽培生產(chǎn)中并沒(méi)有普遍使用。分析其原因主要有兩個(gè)方面：①CO2施肥后作物光合作用效果不顯著。產(chǎn)生原因除施用時(shí)間較短以外，主要是由于植物進(jìn)行光合作用需要光照、水分、溫度綜合環(huán)境因子的共同作用，如何適宜地調(diào)節(jié)其他環(huán)境因素（溫度、光、濕度、養(yǎng)分等）配合CO2施肥對(duì)于施肥效果的提高至關(guān)重要。②施用后作物植株長(zhǎng)勢(shì)增強(qiáng)，作物產(chǎn)量增加不顯著。雖然CO2施肥提高了作物光合作用，增強(qiáng)了植株長(zhǎng)勢(shì)，但由于缺乏對(duì)CO2施肥量的科學(xué)認(rèn)識(shí)和調(diào)控，沒(méi)有合理平衡植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的關(guān)系，導(dǎo)致作物果實(shí)中干物質(zhì)積累增加不顯著，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。因此，本文將從應(yīng)用CO2施肥增加產(chǎn)量的角度出發(fā)，介紹CO2施肥在生產(chǎn)中的技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)。

CO2增施方法

施用時(shí)期

選擇適宜的CO2施肥時(shí)期是節(jié)約氣肥、減少投資、增加產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。大棚蔬菜增施CO2的適宜時(shí)期，依蔬菜種類(lèi)、栽培方式、土壤肥力和作物發(fā)育階段而定。在育苗前半期（如黃瓜第三葉展開(kāi)，其他蔬菜幼苗株高達(dá)20～40 cm），當(dāng)蔬菜具有一定的葉面積時(shí)開(kāi)始施用；對(duì)于果菜類(lèi)，如蕃茄、辣椒等，可在雌花著花、開(kāi)花或結(jié)果初期開(kāi)始施用，而在開(kāi)花坐果前不宜施用，以免營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺造成落花落果，并且要連續(xù)施用效果才顯著。各種作物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，CO2需要量是不同的，一般苗期施用利于縮短苗齡、促進(jìn)花芽分化、培育壯苗，應(yīng)早施。產(chǎn)品器官形成初期是CO2施肥的最佳時(shí)期，定植后CO2施肥時(shí)期取決于蔬菜種類(lèi)、栽培季節(jié)和肥源類(lèi)型，果菜類(lèi)坐果及果實(shí)膨大期是增施CO2的最佳時(shí)期；一般番茄、甜瓜開(kāi)花后10～20天，黃瓜開(kāi)花后增施CO2可強(qiáng)化光合作用，制造更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，充分滿(mǎn)足作物生育對(duì)養(yǎng)分的需求，對(duì)連續(xù)開(kāi)花坐果的黃瓜、番茄、茄子等效果更為明顯。在日本，黃瓜越冬栽培于近收獲期開(kāi)始進(jìn)行CO2施肥，促成栽培則從定植后開(kāi)始。在荷蘭，CO2施肥

通常貫穿作物全生育期。

從季節(jié)看，CO2施肥冬季較春季好。春季由于溫室通風(fēng)換氣強(qiáng)度增大，溫室施用CO2使蔬菜植株容易長(zhǎng)勢(shì)過(guò)旺，增產(chǎn)效果不明顯，冬季由于氣溫低，土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)放出的CO2較少，CO2濃度不足是作物生長(zhǎng)的限制因素，此時(shí)施用CO2效果非常明顯。每天施放的時(shí)間，應(yīng)結(jié)合設(shè)施內(nèi)CO2濃度日變化規(guī)律，在作物光合作用開(kāi)始初期開(kāi)始補(bǔ)充CO2，日光溫室在早晨揭簾后半小時(shí)，即可開(kāi)始施用。陰天、雨雪天或者氣溫較低時(shí)不需要施用。

對(duì)于調(diào)控能力較強(qiáng)的溫室可以采用濕度調(diào)節(jié)與增施CO2并用的方式，即在施用CO2時(shí)，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)相對(duì)濕度保持在80%。由于作物的光合作用是通過(guò)氣孔打開(kāi)狀態(tài)下使CO2進(jìn)入植物體內(nèi)，氣孔的開(kāi)閉主要受水分供給狀態(tài)的調(diào)節(jié)，空氣濕度較低時(shí)，從葉片蒸發(fā)的水較多，如果根部供給水分低于蒸發(fā)量，氣孔關(guān)閉；如果保持空氣相對(duì)濕度處于80%以上，使作物葉片氣孔處于打開(kāi)狀態(tài)，將更有助于植物進(jìn)行光合作用。當(dāng)然分別單獨(dú)對(duì)濕度、CO2控制都可以增強(qiáng)光合作用，將二者并用更有助于提高的光合作用效果。

施用濃度

CO2濃度太高或太低均不利于光合作用的進(jìn)行，并且植物長(zhǎng)期處于高濃度CO2環(huán)境下反而會(huì)抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育，降低產(chǎn)量。根據(jù)Nederhoff等[1]的研究結(jié)果，CO2濃度在250～

350 μmol/mol，作物生長(zhǎng)量減少19%；CO2濃度在350～

450 μmol/mol，作物生長(zhǎng)量增加12%；CO2濃度在600～

700 μmol/mol，作物生長(zhǎng)量增加4%；CO2濃度在1000～

1100 μmol/mol，作物生長(zhǎng)量增加1.5%。因此從理論上將CO2濃度保持在350～1000 μmol/mol

可以提高作物產(chǎn)量，在實(shí)際生產(chǎn)中CO2濃度在350～450 μmol/mol是最為經(jīng)濟(jì)可行的，也就是溫室CO2濃度的管理目標(biāo)濃度。如圖1中溫室內(nèi)CO2濃度變化可知，上午日出后室內(nèi)CO2濃度逐漸減弱，以往施用CO2的方法也多為在日出前后，根據(jù)設(shè)施內(nèi)CO2的濃度，補(bǔ)充2 h左右600～1000 μmol/mol的CO2氣

體。補(bǔ)充后可以發(fā)現(xiàn)設(shè)施內(nèi)CO2濃度在日出前后突然增大，而此時(shí)設(shè)施溫度多處于較低時(shí)期，作物的光合作用正在逐漸增強(qiáng)階段，植物未能完全利用補(bǔ)充的CO2。補(bǔ)充停止后，隨時(shí)間推移CO2濃度逐漸降低，仍然有近5 h處于400 μmol/mol以下的時(shí)候，未能完全滿(mǎn)足作物需求。

因此選擇適宜濃度的CO2低限較為經(jīng)濟(jì)且效果穩(wěn)定。即實(shí)現(xiàn)低濃度長(zhǎng)時(shí)間施用CO2，如圖1中虛線(xiàn)所示，在作物開(kāi)始進(jìn)行光合作用時(shí)一直保持400～600 μmol/mol的低濃度CO2，使設(shè)施內(nèi)CO2一直處于滿(mǎn)足作物光合作用的條件。

日本巖崎泰永等[2]進(jìn)行了關(guān)于設(shè)施內(nèi)番茄高濃度CO2短時(shí)間施用與低濃度CO2長(zhǎng)時(shí)間施用的效果對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)分為3組，①低濃度長(zhǎng)時(shí)間施用組：6：00～16：00（10 h），CO2

濃度為400～600 μmol/mol；

②高濃度短時(shí)間施用組：

6：00～9：00（3 h），CO2濃度為

800～1000 μmol/mol；③對(duì)照組：未施用CO2。試驗(yàn)結(jié)果（圖2）發(fā)現(xiàn)，施用不同濃度的CO2后作物總干物質(zhì)量增加，但是果實(shí)干物質(zhì)增加量對(duì)照與高濃度施用差異不是很大，低濃度長(zhǎng)時(shí)間施用的果實(shí)增加效果顯著。高濃度施用的結(jié)果是莖稈和葉片的增加，因此低濃度長(zhǎng)時(shí)間CO2施用有利于果菜類(lèi)作物的干物質(zhì)增加而使增產(chǎn)效果更加顯著，也是在生產(chǎn)中推薦的控制方式[3]。

CO2增施技術(shù)及設(shè)備

燃?xì)馐紺O2發(fā)生器

采用燃燒液化氣產(chǎn)生大量純凈CO2的方法來(lái)補(bǔ)充溫室大棚內(nèi)CO2嚴(yán)重不足，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，原料易購(gòu)，運(yùn)行費(fèi)用低，每公斤石油液化氣通過(guò)機(jī)器的充分反應(yīng)可產(chǎn)生3 kg CO2，投入產(chǎn)出比高（1：10），實(shí)用性強(qiáng)，使用當(dāng)年可收回全部投資并獲得可觀(guān)收益（圖3）。

液態(tài)CO2發(fā)生器

將氣體CO2加壓儲(chǔ)存于鋼瓶?jī)?nèi)，根據(jù)流量表和溫室體積準(zhǔn)確控制用量，使用時(shí)用一根橡膠管將氣體導(dǎo)出即可（圖4）。

CO2緩釋顆粒

CO2緩釋顆粒物理性狀良好，但CO2濃度偏小，可控性較差。

堆肥發(fā)酵CO2施肥

以稻草、豬糞為原料，通過(guò)添加秸稈腐熟劑，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)效益，還具有明顯的生態(tài)效益，但CO2濃度及純度的穩(wěn)定性不強(qiáng)。

化學(xué)反應(yīng)法

利用碳酸氫銨與硫酸在特制容器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生CO2，用帶孔的塑料管疏散到溫室內(nèi)各處進(jìn)行施肥，優(yōu)點(diǎn)是可控性好，操作簡(jiǎn)單。近幾年山東、遼寧等地相繼開(kāi)發(fā)出多種成套CO2施肥裝置，反應(yīng)生成的副產(chǎn)品硫酸銨用水稀釋后可做氮肥，但溫度過(guò)高易引起碳酸氫銨的分解，產(chǎn)生氨中毒，在生產(chǎn)中要引起注意。

總結(jié)

增施CO2是作物管理中的一種增產(chǎn)措施，同時(shí)不能忽視溫度、光照、肥水的管理。只有在水肥充足、氣溫較高、光照較好的條件下，配合增施CO2才能達(dá)到豐產(chǎn)、增產(chǎn)的目的，溫室控制施用時(shí)間在日出后開(kāi)始至日落停止，施用方法為低濃

度（400～600 μmol/mol），推薦

施用設(shè)備為燃?xì)馐紺O2發(fā)生器和液態(tài)CO2發(fā)生器。

由于CO2比空氣重，為使增施的CO2能均勻地施放到作物功能葉周?chē)?，?yīng)將CO2發(fā)生裝置或輸氣管道置于植株群體冠層高度位置，并采取多點(diǎn)施放或增加施放管上的孔數(shù)以保障其均勻性，使增施的CO2得到充分而有效的利用。

參考文獻(xiàn)

[1] Nederhoff EM， Vegter JG.

Photosynthesis of Stands of

Tomato， Cucumber and Sweet

Pepper Measured in Green-

houses under Various CO2-

concentrations[J].Annals

of Botany， 1994，73（4）：353-361.

[2] 巖崎泰永.環(huán)境調(diào)控技術(shù)與裝置特集

[J].施設(shè)と園蕓，2015，171（3）：4-8.

[3] 齊藤 章.環(huán)境制御

[M].日本：農(nóng)文協(xié)出版社，2015.

項(xiàng)目支持：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“日光溫室番茄群體光分布特征的模擬研究”（31000921）；教育部留學(xué)回國(guó)啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目“東北地區(qū)大跨度日光溫室濕環(huán)境模擬研究”（[2011]1568）。

作者簡(jiǎn)介：王蕊，女，遼寧沈陽(yáng)人，講師，博士，研究方向?yàn)槿展鉁厥噎h(huán)境調(diào)控及模擬，結(jié)合東北地區(qū)日光溫室環(huán)境特點(diǎn)及良好的國(guó)際合作基礎(chǔ)，對(duì)日光溫室環(huán)境特征的研究上積累了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，2011年所在團(tuán)隊(duì)獲得遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。