溫室蔬菜CO2施肥技術研究進展

賀超興，趙春雷，李繼締

（中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

黃瓜、番茄是我國日光溫室秋冬茬和早春茬栽培的主要設施蔬菜，具有生長快、產量高的特點，其正常光合生長要求空氣中有較高的CO2濃度和充足的肥水。在補償濃度與飽和濃度之間，CO2濃度越高，光合速率越高，增產效果越明顯。蔬菜設施栽培增施CO2技術是實現(xiàn)蔬菜高產優(yōu)質的重要技術措施之一。國外對CO2施肥技術研究較早，特別是荷蘭、德國、加拿大等設施栽培發(fā)達國家的應用較普遍，作物增產效果十分明顯。我國由于技術條件、經濟水平、CO2來源等因素限制了該項技術的推廣應用。

近年來，隨著我國設施栽培從面積擴大向提質增效的減肥減藥方向發(fā)展，設施內CO2施肥作為一項高產、優(yōu)質、抗病的技術措施，越來越受到園藝工作者和廣大菜農的關注。設施蔬菜肥水氣一體化施用技術立足于解決日光溫室低成本供氣和化學法反應液利用的問題，既提高了肥效，又妥善處理了黃瓜低成本肥水配施問題，易于操作；不產生任何有害廢棄物，符合環(huán)保和生態(tài)農業(yè)的需要；可以根據需要供水、供肥、供氣；顯著地改善了蔬菜根際環(huán)境；是適于日光溫室越冬栽培應用，亦可應用于大型連棟溫室及春秋大棚的實用新技術。肥水氣一體化技術的應用，使不同營養(yǎng)成分相互配合，不僅能增加作物根系的總量，提高根系活力，擴大吸收水分、養(yǎng)分的空間和動力，還能提高蒸騰蒸發(fā)量中蒸騰量的比例和光合速率，從而大幅度提高作物產量和水分利用效率[1]，達到增產的目的。所以將CO2施肥和水肥一體化結合為肥水氣一體化耦合施用技術，具有較高的實用價值。

1 日光溫室CO2施肥的意義

1.1 CO2與環(huán)境效應

CO2排放引起的全球氣候變化造成的各種全球性環(huán)境問題嚴重影響著人類的生存和發(fā)展，已向人類敲響了警鐘，成為全世界關注的焦點問題和科技熱點[2-3]，CO2的捕集與資源化利用已成為科技前沿問題。

CO2的農業(yè)資源化利用是指將所捕集的CO2作為氣肥應用于農作物的增產過程，依靠光合速率的提高，吸收轉化更多的CO2形成有機物，促進農作物生長，提高農作物產量及品質。據統(tǒng)計，20世紀全球農作物增產中10%的貢獻是由于CO2濃度升高帶來的[4]。此外，增施CO2氣肥會增強作物的抗病能力[5]、減少農藥用量、大幅提高成品率和優(yōu)等品率。據研究計算，在設施農業(yè)中科學合理增施CO2氣肥，每667 m2平均可多吸納CO2約2.4 t[6-7]。我國現(xiàn)有設施農業(yè)總面積約為3.33×106hm2，若CO2施肥技術能推廣達60%，則可實現(xiàn)每年減排7 200萬t以上，占我國CO2總排放量的1%以上。已有研究[8]表明：采用CO2增施技術后，設施典型農作物年均667 m2產量可提高約3 000 kg，每667 m2增收約6 000元，每年新增經濟效益超過1 000億元?？梢?，這種途徑不僅可達到大規(guī)模減排CO2的目的，而且具有良好的經濟效益。因此，CO2的農業(yè)資源化利用是實現(xiàn)CO2大規(guī)模減排的“天然、綠色”途徑，具有顯著的經濟和社會效益。

1.2 溫室CO2施肥的必要性

隨著設施栽培技術的不斷發(fā)展成熟，設施栽培面積的逐年擴大，進行設施反季節(jié)栽培的作物種類也越來越多。采取人工控制的栽培條件，實現(xiàn)超時令、反季節(jié)的市場供應是當下的發(fā)展趨勢。設施栽培在滿足市場需要的同時，也帶來了較高的經濟效益。

因溫室栽培的封閉性，影響了溫室與外界空氣的對流，特別是在設施蔬菜成熟采收期，植株高大且密集，光合作用強烈。溫室CO2的變化規(guī)律一般表現(xiàn)為晴天上午隨著蔬菜光合作用的進行，清晨較高的CO2濃度很快被消耗至最低點，打開風口雖然可使CO2得到補充，但由于白天大多數時間CO2嚴重虧缺或處在與室外相當的濃度[9]，光合作用效率受到了很大影響，進而影響到蔬菜的光合同化量及蔬菜的產量、品質、抗性等。增施CO2為解決上述問題提供了有效途徑。

2 設施CO2施肥的國內外應用情況

2.1 設施CO2施肥的國外應用情況

國外已經進行了大量有關CO2施肥的研究，在生產中已取得了顯著的效果[10]。早在1840年，De Saussure就對豌豆進行了高濃度CO2的處理試驗；在1920年德國首先提出“碳酸氣施肥”后，國外在設施栽培的CO2施肥就在歐美、日本等地開始推廣大規(guī)模的應用，挪威有75%、荷蘭有90%以上作物生產均采用在溫室施用CO2[11]，溫室增施CO2氣肥后，設施番茄的產量由70年代的20 kg/m2增加到現(xiàn)在的50～60 kg/m2[8]。

英國常用的溫室CO2濃度是空氣中的3倍，可使作物產量提高30%左右；美國約有50%以上的溫室作物施用CO2，但主要用于早春作物，其在增產效果、提前上市及改進作物品質等方面均有良好的效果[12]。隨著試驗設備和計算機技術的迅速發(fā)展，某些發(fā)達國家的設施農業(yè)CO2施肥的試驗研究更為深入。在基礎理論應用方面，如不同種類的作物、相同作物不同發(fā)育期對CO2的供求關系，施用不同CO2濃度對作物的生理過程、生長發(fā)育、產量及品質的影響都有了不少進展[13]。

國外溫室蔬菜CO2的施用主要是采用規(guī)模化的方式進行，由于荷蘭、加拿大等國家地處高緯度，冬季日照短、溫度低，所以設施蔬菜多采取越夏長季節(jié)周年栽培模式。在早春和晚秋，由于氣溫較低、光照不足，所以多采用后半夜補光4 h（4：00—8：00）的措施改善光合作用，白天則可采取燃燒天然氣的方法，包括通過特殊的燃燒器直接在溫室燃燒產生CO2的同時對溫室有一定加溫作用或者對水進行加熱后將天然氣燃燒產生的CO2通過管道輸送到溫室植物周圍。在夏季的大部分時間，由于光照時間長，光合作用時間也長，且蔬菜處于采收期，通常使用大型CO2鋼瓶直接對溫室增施CO2。

2.2 國內日光溫室蔬菜CO2施肥應用情況

日光溫室是我國北方地區(qū)冬春季蔬菜生產的主要設施形式，雖然溫室蔬菜栽培面積在不斷擴大，蔬菜產量逐年提高，然而我國設施番茄的單位面積產量僅為10～20 kg/m2左右[14]，故設施蔬菜產量增加的潛力巨大。早在日光溫室發(fā)展的20世紀90年代，各種形式的CO2施肥方法在北方日光溫室生產中得到了一定的推廣和運用，常用的方法有碳銨硫酸反應法、燃煤后廢氣過濾法和鋼瓶直接施用法，研究的主要作物包括黃瓜和番茄，雖然取得了較好的應用效果，但由于使用不方便，所以實際使用不多。研究表明日光溫室CO2濃度日變化曲線通常呈不規(guī)則“U”形，即白天CO2濃度低，夜晚CO2濃度高，與植物的光合作用需求正好相反。表現(xiàn)為冬春季早晨日出后CO2濃度由日最高濃度逐漸減小，2 h后達日最低濃度并持續(xù)到下午覆蓋保溫被后。由于植物和土壤的呼吸作用逐漸升高，春季隨日長增加CO2虧缺時間逐漸延長[9]。年變化表現(xiàn)為近地面CO2濃度以4—6月較低，而冬季11月—翌年2月較高[15]。影響日光溫室CO2濃度變化的主要因素是光照和植物的高度與密度，采用通風措施不能避免溫室中CO2虧缺和阻止高濃度CO2外逸。幼苗期植株因為葉量少、光合能力弱、土壤呼吸旺盛，溫室CO2濃度較高，CO2虧缺較少發(fā)生。而結果采收期植株群體光合旺盛、土壤呼吸衰竭，CO2虧缺嚴重[15]。

朱世東等[16]對春季大棚櫻桃番茄增施CO2發(fā)現(xiàn)CO2適宜施用濃度為1 000 μL/L左右。陳雙臣等[17]研究增施CO2對番茄生長發(fā)育的影響，結果表明，光照強度是影響溫室內CO2濃度和利用效率的主要因素。與對照相比，增施CO2使番茄株高增高18.29%，光合速率提高48.92%，葉綠素含量增加33.00%，產量增加18.69%，果實VC增加33.27%。

由此可見，CO2施肥對提高設施蔬菜的產量、品質的作用十分明顯，研發(fā)適合我國農業(yè)現(xiàn)狀的CO2氣肥技術具有積極的意義。因此，必須通過科學手段挖掘我國設施農業(yè)潛力，在減肥減藥的同時增施CO2氣肥是推動我國設施農業(yè)發(fā)展的重要途徑。

3 設施增施CO2氣肥對蔬菜生長的影響

研究增施CO2對蔬菜生長發(fā)育的影響主要包括生長方面，如植株株高、干鮮質量；生理生化方面，如光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等；產量方面，包括生物產量和經濟產量。通過各方面的研究，全面揭示CO2施肥對作物生長發(fā)育的影響機理，以便進行生長管理調控，施肥配方精細量化，達到農業(yè)生產節(jié)水節(jié)肥和高產高效的目的。

3.1 設施CO2施肥對蔬菜生長發(fā)育的影響

許多研究表明，CO2施肥可使黃瓜、番茄、西葫蘆等蔬菜作物的株高、莖粗、節(jié)數、植株干鮮質量、葉面積及厚度、單果質量、比葉質量、葉綠素含量、根系活性、壯苗指數等生長指標顯著增加[18-19]。

王書潔等[20]的試驗結果表明，溫室黃瓜增施CO2后，株高、莖粗增加，葉片數增多，結瓜數增加。魏珉等[19]對溫室黃瓜、番茄苗期施用（700±100）μL/L和（1 100±100）μL/L CO2處理后，也有同樣效果。Li等[21]研究表明，當CO2濃度從360 μL/L增加到720 μL/L時，番茄幼苗的株高、莖粗、干鮮質量（根、莖、葉）、G值（干質量/苗齡）及幼苗的活力指數等都升高。

3.2 設施CO2施肥對蔬菜光合速率及呼吸作用的影響

光合作用的總過程的反應表達式概括為：CO2+H2O=（光照、葉綠素）C6H12O6+O2，由此看出CO2是光合作用的重要原料，它的供應量直接影響著光合產物的生成量。光合作用研究表明：在光合碳循環(huán)中，RuBp（1,5-二磷酸核酮糖）接受CO2后形成兩個分子的PGA（3-磷酸甘油酸），PGA再利用光合電子傳遞鏈中形成的同化力，在光和各種酶的作用下經過復雜的光化學反應，將CO2同化為有機物，進而生成了新的RuBP，完成光合碳循環(huán)。RuBP具有雙重催化作用，既起羧化酶的作用，又起加氧酶的作用，高濃度的CO2和低濃度的O2有利于羧化反應，從而加速光合作用。CO2作為植物生長的碳源，是影響植物生長發(fā)育和功能的重要因子，它既是光合作用的底物，又是初級代謝過程、光合同化物分配和生長的調節(jié)者，參與一系列生化反應，對作物的生長產生直接影響?？諝庵蠧O2濃度高，可使蔬菜光合速率明顯上升，且在補償點和500 μmol/mol之間少量增加對光合速率就有較大影響。高CO2濃度下光合速率上升的原因在于增加Rubisco羧化酶活性、降低加氧酶活性，加速碳同化過程。CO2濃度的提高降低了光補償點，增加光合量子產額，提高了蔬菜利用弱光的能力[22]。不同CO2濃度對光合速率的影響不同，當CO2濃度從200 μL/L增加到350 μL/L時，光合速率增加幅度最大，當超過500 μL/L后，光合速率增長幅度逐漸變小[23]。國外學者研究也表明，當CO2濃度從300 μL/L增加到900 μL/L時，黃瓜葉片的光合速率呈直線上升。于國華等[24]的試驗結果表明，黃瓜在增施CO2后其光合速率可提高50%。植物進行光合作用的能量來源主要是光合色素捕獲的光能，所以葉綠素的高低與光合功能關系密切[25]。郭衛(wèi)華等[26]報道CO2施肥提高了番茄的葉綠素含量。隨著CO2濃度的升高，C3植物的凈光合生產力提高，其對CO2濃度升高的反應比C4植物敏感[27]。

環(huán)境中CO2濃度升高會導致植物氣孔的關閉，從而導致氣孔導度降低。其機理可能是氣孔對胞間CO2濃度變化非常敏感，隨著環(huán)境中CO2含量升高胞間CO2含量增大，為了保持胞間CO2分壓高于大氣CO2分壓，植物需要通過增大氣孔阻力來調節(jié)。當CO2濃度升高時，氣孔會部分關閉，氣孔阻力增加至一定值時，蒸騰速率將會降低[28]。王修蘭等[29]通過對大量C3、C4植物的研究顯示，680 μL/L CO2濃度比340 μL/LCO2濃度的氣孔導度減少33%，蒸騰降低23%。研究表明，CO2濃度在300～1 200 μmol/mol 范圍，每增加100 μmol/mol，茄子葉片氣孔導度減少10.2%，但其蒸騰僅降低了4%[30]。CO2施肥提高了作物光合水分利用率（光合CO2吸收與蒸騰水分散失的比），減小了因水分脅迫對作物產量的影響。Wittwer[31]研究表明：高濃度CO2下水分脅迫的作物產量與正常濃度CO2下非水分脅迫的產量無明顯差異。

作物的光呼吸始于RuBP的加氧反應，其活性的大小與葉綠體中CO2/O2值有關[32]。增施CO2使進入單位葉面積的CO2增多，CO2/O2增大，提高了光合作用的光能吸收、傳遞和轉化效率，從而減少了光呼吸消耗，抑制了不必要的能量損耗[9]。資料表明[33]，高濃度CO2下生長的植物其補償點和光呼吸速率降低；當高濃度CO2下生長的植株放到對照條件下時，其氧吸收速率與對照的一樣。研究表明，隨著CO2的增加，與光合速率的增加相比，呼吸速率消耗量比光合積累量要小[34]。

3.3 設施CO2施肥對蔬菜礦質營養(yǎng)吸收和分配的影響

CO2施肥使作物體內的礦質元素含量呈降低趨勢，體內N、P、K、Ca、Mg含量降低，N、Ca表現(xiàn)顯著。升高CO2濃度降低了氣孔開度和蒸騰速率，減少了礦質吸收[35]。王忠等[36]分析了1 000 μL/L CO2使黃瓜葉片全氮含量較對照下降了10.7%，其原因可能是碳代謝增強促進了碳水化合物的合成，加快了作物的生長，進而相應增加了氮素的需求。在1 000 μL/L CO2下生長的黃瓜，葉片中Ca、N的含量都比在350 μL/L下的低，開花期最明顯[37]?？赡苁翘妓衔锓e累和植株快速生長對營養(yǎng)元素的稀釋作用造成的。魏珉等[38]研究表明，每天上午以1 000 μL/L CO2施肥3 h使得黃瓜植株各部位的大多數礦質元素含量降低顯著，施肥時間越長，其降幅越大。增施CO2提高了作物對礦質元素的吸收能力，明顯增加了單株吸收總量。因此，在CO2施肥時注重增加礦質肥料的施用是很有必要的。

3.4 設施CO2施肥對蔬菜產量和品質的影響

日光溫室中，秋冬季節(jié)和春季的CO2濃度會因植物的吸收而降到較低水平，致使蔬菜生長緩慢并嚴重減產。Klaring等[37]人通過模型精確控制溫室內的CO2濃度，使其與外界CO2濃度接近，結果黃瓜產量增加了35%。當CO2濃度為1 000 μL/L時可促進黃瓜的雌花分化，增加坐果數，增產可達35.56%。當溫室內的CO2濃度達到700～1 000 μL/L，黃瓜產量平均增產30%以上，番茄增產30%～50%[38]。孫治強等[39]研究表明，CO2施肥后能顯著提高西葫蘆的單株產量。

增施CO2會使光合產物增多，從而對蔬菜品質有明顯的改善。陳雙臣等[17]研究表明，溫室內增施CO2可使番茄果實VC增加33.27%，番茄紅素增加30.98%，與對照相比差異顯著。Madsen[40]對增施CO2的番茄果實品質測定表明，葡萄糖含量增加7.4%～19%，果糖增加6.3%～14.4%，滴定酸降低2.6%～5.5%，糖酸比提高13.8%～24.1%，VC含量增加2.9%～10.5%。朱世東等[16]研究表明，施用1 000 μL/L CO2可使大棚櫻桃番茄果實中的固形物含量提高4.53%～8.89%，抗壞血酸含量增加12.84%～26.67%。楊文斌等[41]研究顯示，增施CO2（800～l 000 μL/L）后，黃瓜葉片的可溶性糖、全N、全P分別比對照增加了54.60%、47.70%、34.92% 。

3.5 設施CO2施肥對蔬菜抗性的影響

CO2施肥對設施蔬菜影響還表現(xiàn)在增施CO2有助于增強植物的抗逆能力。當蔬菜增施CO2后，其植株健壯，葉片肥厚，抗病力大大增強，從而降低了溫室病害的發(fā)生率及其危害程度。如番茄的蕨葉型病毒病發(fā)病率降低32%，病情指數降低50%[42]。趙文華等[43]試驗結果表明，1 500～2 000 μL/L CO2使黃瓜霜霉病發(fā)病率降低30%，病情指數下降20%。魏珉等[44]研究CO2施肥對黃瓜苗期的影響，結果表明，CO2施肥有利于提高黃瓜幼苗的抗寒力。

4 設施CO2施肥方法及其優(yōu)缺點比較

有關CO2濃度變化對植物的影響的研究已有近百年的歷史，80年代前主要是通過提高溫室、培養(yǎng)箱或開頂式氣箱中CO2濃度來觀察植物的一系列變化。為了模擬自然條件下CO2濃度升高對植物的影響，80年代末美國發(fā)展了自由空氣條件下使CO2濃度升高技術。

較高濃度的CO2是蔬菜正常生長的因素之一。大量試驗表明，大多數蔬菜作物的CO2補償點為30～90 μL/L，飽和點為1 000～2 000 μL/L[15]。當CO2濃度在補償點與飽和點之間，作物才能進行有效的光合作用。在有效的CO2濃度范圍內，作物光合強度隨CO2濃度的升高而增大，增產幅度也隨之變大。當CO2濃度不足時，作物的光合作用減弱，光合產物變少，使得植株供應養(yǎng)分不足導致生長緩慢，進而出現(xiàn)了產量低、品質差、畸形果多、落花落果嚴重等問題。一般當溫室內的CO2濃度低于大氣CO2濃度360 μL/L左右時，就需要及時地補充CO2。

目前，設施農業(yè)增施CO2的方法主要是CO2鋼瓶法、有機堆肥法、有機物燃燒法、化學反應法、氣肥吊袋法等。發(fā)達國家多采用鋼瓶法直接增施CO2，具有安全、潔凈、濃度可控的特點，如荷蘭、日本等國20世紀已普遍使用[45]。

鋼瓶法便于控制用量，但冬季使用因CO2氣化時吸收熱量易降低溫室內的溫度，特別是鋼瓶很笨重，不便搬運且來源有限，不適合中國國情。有機堆肥法和氣肥吊袋法，成本低廉，但對CO2濃度、施放時間高度不可控，應用效果有限。有機物燃燒法屬于燃燒化石能源放出CO2，煙氣成分復雜，易產生有毒氣體，存在安全隱患，與國家節(jié)能減排戰(zhàn)略不符，無法滿足當前設施農業(yè)標準化、大規(guī)模生產的發(fā)展需求。

CO2氣體化學反應法目前應用的方法有：鹽酸—石灰石法（CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O）、硝酸—石灰石（2HNO3+CaCO3=Ca(NO3)2+CO2↑+H2O）和碳酸氫銨—硫酸法（2NH4HCO3+H2SO4=(NH4)2SO4+2H2O+2CO2↑），其中碳酸氫銨—硫酸法取材容易、成本低、操作簡單，在產生CO2的同時，由于碳酸氫銨不宜在溫室內直接施用，此法將其轉化為比較穩(wěn)定的且可直接用作追肥的硫酸銨，所以應用比較廣[15]。

設施施用CO2的具體施用濃度依蔬菜種類、生育時期、光照及溫度等條件而定。如葉菜類蔬菜以600～1 000 μL/L為宜，果菜類蔬菜以1 000～1 500 μL/L為宜。果菜結果期以前CO2濃度以1 000 μL/L左右為宜，旺盛生長期以1 200～1 500 μL/L為宜。冬季低溫弱光或陰天CO2施用濃度要低，以800～1 000 μL/L為宜，春秋季光照強時以1 000～1 500 μL/L為宜。設施施用CO2時間一般在春、秋、冬三季，葉菜類整個生長期均可施用，果菜類在結果期施用。當溫度低于15 ℃不宜施用，CO2施用時間一般選擇晴天太陽出來后或揭開草苫2 h后或下午通風后，隨著植株光合作用的加強，生長加快，消耗了室內大量的CO2，此時需要補充CO2，之后還應加大肥水供應[46]。多云天可推遲半小時施用，陰天和雪天等弱光下不施用CO2，以防止發(fā)生CO2氣體中毒。開風口前半小時停止施用，否則會造成原料浪費且影響效果。

5 設施CO2施肥新技術及未來應用前景

基于我國設施農業(yè)的現(xiàn)狀，在化學法增施CO2基礎上開發(fā)出的溫室蔬菜肥水氣一體化施用技術可以對坐果采收期的蔬菜通過碳銨與磷酸化學反應產生的CO2對蔬菜增施氣肥，然后將反應液配施鉀肥后通過肥水一體化裝置對根系補充肥水，實現(xiàn)了資源高效利用。

具體做法是在533～667 m2的日光溫室下午收風后2點左右施用CO2。首先在電熱反應器的進料口中加入碳酸氫銨3 kg，在出氣口的過濾器（即貯酸桶）中先加入3.6 L水，然后加入1.8 L 87%的工業(yè)磷酸，稀釋混勻后備用。通電加熱后碳酸氫銨分解產生的CO2和氨氣經管道通路輸送到盛有由工業(yè)磷酸3倍稀釋的稀磷酸的貯酸桶中，氨氣被磷酸吸收反應生成磷酸二銨，釋放的CO2經軟管輸送到黃瓜冠層供其光合生長。次日上午當作物需要灌溉施肥時，可將生成的磷酸銨液肥倒在施肥桶中，按照n（N）︰n（K）=1︰2加入58%的速溶硫酸鉀5 kg，加水稀釋至完全溶解后，將此肥液通過文丘里吸肥器吸入滴灌系統(tǒng)，就可在灌水的同時向植物提供N、P、K肥等速效養(yǎng)分，滿足瓜條迅速生長需要。

設施蔬菜肥水氣一體化施用技術不僅解決了日光溫室低成本供氣問題，還將化學法產生的廢液直接配制成速溶液肥隨水灌溉，解決了復合液肥的來源問題，降低了生產成本，不但提高了肥效而且還減少了資源的浪費，也改善了作物根際環(huán)境。該裝置具有節(jié)水、節(jié)肥、省工省力和促進增產及改善作物品質等特點，一般每周施用1次，連續(xù)施用10～15周可使設施蔬菜增產30%以上，667 m2增加純收入3 000元以上。

6 結語

從溫室蔬菜增施CO2的化學反應法發(fā)展而來的設施蔬菜肥水一體化技術實現(xiàn)了設施光溫水氣肥資源的高效利用，將環(huán)境測量與智能控制相結合，有助于在日光溫室內更好地創(chuàng)造出適宜蔬菜生長的環(huán)境，適合中國日光溫室的國情，不僅可以提高肥水利用率，減少化肥農藥使用，還可以促進作物增產增效，提高經濟效益，在未來日光溫室增施CO2技術中必將有廣泛的應用前景。

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