溫室植物生長所需的CO2的補償方法研究

楊一璐　汪小　陳景波

【摘要】針對春冬季節(jié)溫室內(nèi)CO2濃度低下的問題，采用風(fēng)送式CO2氣體補償裝置，調(diào)控溫室環(huán)境CO2濃度，提高光合作用速率。以補償時間為輸入量，補償效果和補償速率為輸出量，建立補償時間和補償量的線性關(guān)系，通過定時定壓的“多次少量施放，超過上限停施”的方式向溫室補充CO2，調(diào)控溫室環(huán)境中的CO2含量，以達到精確補償?shù)男Ч?。結(jié)果表明，向溫室一次補償5 min的CO2氣體，室內(nèi)CO2平均濃度在

15 min內(nèi)由205 μmol/mol達到540 μmol/mol，間歇補償3次，室內(nèi)CO2平均濃度在45 min內(nèi)由

205 μmol/mol達到1200 μmol/mol。說明補償時間與其補償量呈線性關(guān)系，標準偏差在0～3.03%范圍內(nèi)，實現(xiàn)了溫室CO2快速精確補償?shù)墓δ堋?/p>

溫室各項環(huán)境因子共同影響著溫室植物的生長發(fā)育，其中CO2是植物光合作用必不可少的原料。CO2濃度不僅直接影響植物光合作用速率，對植物生長有很重要的影響，還能修復(fù)土壤中DEHP污染[1]，促進植物健康生長。溫室種植的植物絕大部分都是C3植物，C3植物的酶不像C4植物的酶有很強的親和力[2]，能將大氣中低濃度的CO2固定下來，所以C3植物的光合作用速率易受CO2濃度影響。在目前大氣CO2濃度下，包括在溫室環(huán)境中，CO2的平均濃度為340 μmol/mol，這個數(shù)值沒有達到植物光合作用的飽和點，所以植物光合作用不充分，具體表現(xiàn)為產(chǎn)量低、質(zhì)量低。圍繞這些問題，大量研究學(xué)者提出了很多關(guān)于溫室和塑料大棚里的CO2濃度變化規(guī)律的研究[3-4]，提出了一些低補償辦法，主要有開放式氣體施肥、枝條樹袋法等。

溫室CO2的補償一直是研究領(lǐng)域的熱點，但研究的重點主要在CO2對作物生長發(fā)育的影響[5]，對根系生發(fā)的影響[6-7]，關(guān)于預(yù)測和計算補償?shù)竭_濃度值和保持時間的研究相對較少。本試驗在春季溫室CO2濃度較低的時候開始試驗，最終確定了補償時間和補償量的線性關(guān)系，為溫室CO2的精確補償提供了理論基礎(chǔ)。

溫室內(nèi)CO2濃度的變化分析

植物光合作用效率與CO2濃度密切相關(guān)，CO2濃度與植物生長的關(guān)系呈倒U型，如圖1所示，在CO2濃度為0～200 μmol/mol時，植物停止呼吸，在濃度超過1800 μmol/mol時，視為“有毒濃度”[8]。植物在340 μmol/mol的CO2濃度下能以正常（設(shè)為100%）速率生長，當溫室中CO2濃度達到600 μmol/mol時，植物的生長速率是正常生長速率的2倍（200%），當濃度到達1200 μmol/mol時，植物的生長速率到達峰值（260%），隨后生長速率隨CO2濃度的上升而下降。

不同植物最適合的CO2生長濃度各不相同，實際情況中對最適合CO2濃度難以把握，查閱相關(guān)研究可知：最適合多種植物生長的CO2濃度通常為600～1800 μmol/mol 。雖然在1200～1800 μmol/mol范圍內(nèi)，植物的生長速率也達到了正常生長速率的200%以上，但出于經(jīng)濟效率和成本的考慮，本試驗將CO2濃度補償上限設(shè)為1200 μmol/mol。

受季節(jié)和環(huán)境的影響，一年之中3～6月份大氣中CO2濃度最低[9]，此時又是植物生長的高峰期，植物光合作用需要消耗較多的CO2，而大氣中CO2濃度一般為330～340 μmol/mol，此時僅僅依靠大氣中的CO2含量來提高溫室CO2濃度是不夠的。因此在必要時，需通過補償措施來調(diào)控溫室CO2的濃度[10]。

試驗時間選擇在4月份，為了制定適宜的補償方案，本文記錄了2015年4月1日～15日溫室里CO2濃度日變化的數(shù)據(jù)，算出各時刻的平均值繪制成折線圖2。

在一天之內(nèi)，11：30～18：00時CO2濃度低于大氣中的一般水平，而此時溫度高、光照強，正值植物進行光合作用的好時段，如果CO2濃度再降低，將會導(dǎo)致植物不能正常進行光合作用，影響植物生長，甚至導(dǎo)致植物燒傷，因此本試驗選擇在該時段進行溫室CO2氣體的補償。

材料與方法

材料

試驗選擇在2015年4月，于江蘇省南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院Venlo 玻璃溫室中進行，該Venlo 型玻璃溫室為鋼架磚墻結(jié)構(gòu)，長度16 m，寬度8 m。試驗所種植的植物是辣椒，采用基質(zhì)栽培。試驗內(nèi)容為在CO2濃度呈虧缺狀態(tài)時，用風(fēng)送式CO2氣體補償裝置補充CO2，為植物生長提供充足的CO2。風(fēng)送式CO2氣體補償裝置如圖3所示，是由風(fēng)扇和CO2鋼瓶組成，開啟控制開關(guān)即可向溫室補充CO2氣體。

溫室內(nèi)傳感器分布圖如圖4所示，D與F、E、G位置對稱，每對點中選擇一點測量即可，所以最終選擇A、B、C、D、G作為測量點，然后在測試位置分別安裝CO2傳感器。試驗期間采集參數(shù)包括：各測試點CO2濃度的變化、風(fēng)扇調(diào)節(jié)下CO2濃度到達均勻分布的時間、CO2濃度到達上限的補償時間和補償?shù)拇螖?shù)。

方法

試驗前讀取室內(nèi)CO2的濃度，每次試驗選擇室內(nèi)CO2的濃度與平均濃度接近的時候開始。當溫室CO2的平均濃度低于系統(tǒng)所設(shè)定的下限210 μmol/mol

時，開始進行CO2的補償。為了探究補償時間和補償量的關(guān)系，分別進行不同時間的CO2補償，觀察其濃度變化與補償時間的關(guān)系。然后建立補償時間和補償量的線性關(guān)系，根據(jù)需要補償?shù)牧坑行ьA(yù)測補償CO2氣體的時間，最終選擇適合的補償方法。

試驗過程與分析

時間與補償效果的關(guān)系

試驗分別選擇了4月16日、18日、20日、22日、24日、26日的12：00～14：00進行CO2補償。為了盡可能的減少試驗誤差，降低溫室內(nèi)CO2氣體的流失，試驗過程中需要保持溫室門和天窗關(guān)閉。

選取接近開始濃度的條件下進行試驗，試驗分別進行

1、2、3、4、5、6、7、8 min的CO2氣體補償操作。從試驗開始起，每15 s讀取一次各傳感器的CO2濃度示數(shù)，并進行記錄，共記錄15 min，從5 個CO2傳感器獲得平均最高濃度、平均穩(wěn)定濃度、開始濃度與穩(wěn)定濃度的差值，結(jié)果列于表1。由表1可知，CO2的平均濃度由初始濃度開始分別上升。根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)畫出CO2平均濃度示數(shù)變化，如圖5所示。求出補償時間和補償量之間的擬合方程為y=65.033x+5.8667，決定系數(shù)為0.9996。

試驗前測得室內(nèi)平均CO2濃度為205 μmol/mol，要補償?shù)缴舷?200 μmol/mol，通過擬合公式計算出補償時間為13.825 min。若進行一次大量的補償，則CO2的濃度會急劇增高，到達“有毒濃度”范圍，并維持較長時間，反而會抑制植物生長。因此，本試驗采取的是“多次少量”的補償方式，既可以及時觀察CO2到達的濃度，又方便操作?？紤]到補償過程中植物仍然在吸收CO2氣體，CO2氣體濃度會降低，所以本試驗最終選擇“1次補償為5 min，補償3 次”的方案進行溫室CO2的補償。

補償速率與時間的關(guān)系

選取補充5 min CO2后的濃度變化來研究補償速率與補償時間的關(guān)系。分別選取15、30、45、60 s為時間間隔，建立不同時間尺度下CO2平均濃度變化速率和補償時間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知，剛開始補充CO2的時候，補償速率由0 μmol/（mol·s）急劇上升達到1.09 μmol/（mol·s），之后補償速率便呈緩慢上升趨勢，保持在1.13 μmol/（mol·s）。當停止補充CO2時，室內(nèi)CO2平均濃度還在繼續(xù)增加，只是增長變得緩慢，所以補償速率呈下降趨勢，但補償速率仍然大于

0 μmol/（mol·s）。在6.5 min后，室內(nèi)CO2平均濃度達到最高值后，室內(nèi)CO2平均濃度從最高值一直降低，增長速率便逐漸下降到負值，等CO2平均濃度慢慢趨于穩(wěn)定值時，速率恢復(fù)到0 μmol/（mol·s）。所以補償CO2

時，溫室中的CO2濃度會急劇增高到最高值，然后才緩慢的下降，直至趨于穩(wěn)定濃度。

試驗與分析

第一次補償5 min后，溫室內(nèi)5個不同位置的CO2傳感器示數(shù)的變化如圖7所示，可看出風(fēng)送式CO2氣肥補施裝置的補施效果。傳感器A、B、C都位于裝置正前方，但距離逐漸變大，A距裝置最近，對CO2濃度變化的感知能力最強，到5 min補償結(jié)束時達到該點的濃度最高值750 μmol/mol左右，隨后又逐漸降到穩(wěn)定值540 μmol/mol左右，濃度變化差值最大，所以到達穩(wěn)定值的時間不是最短的。而傳感器D、G不在裝置的正前方且距離較遠，系統(tǒng)啟動后，CO2濃度一直平緩上升，到達穩(wěn)定值的時間較長。

單次補償5 min后，A、B、C、D、G點 CO2濃度達到穩(wěn)定值的平均時間依次約為11、10.5、10、10.8、11.5 min。可見溫室內(nèi)各點達到穩(wěn)定濃度的時間并不一致，該裝置基本能在12 min內(nèi)保證溫室內(nèi)不同的各點處的CO2濃度分布達到均勻。因此本試驗設(shè)置兩次補償間隔為15 min。

一次5 min的CO2氣體補償后，溫室內(nèi)CO2的平均濃度由補償前的205 μmol/mol上升到穩(wěn)定值540 μmol/mol，其示數(shù)明顯高于沒有補充的時候，但溫室內(nèi)CO2濃度未達到設(shè)定上限值1200 μmol/mol，還需補償CO2，直到3次補償結(jié)束。根據(jù)CO2濃度變化數(shù)據(jù)繪制出圖8。由圖8可知，試驗前CO2平均濃度為205 μmol/mol，3次補償后CO2的平均濃度分別增加到540、872、1201 μmol/mol，表明風(fēng)送式CO2氣肥補施裝置對溫室CO2補償?shù)男Ч黠@。

結(jié)論

試驗證明，利用本試驗的風(fēng)送式CO2氣肥補施裝置能大幅度提高溫室CO2濃度。補償時間為5 min，溫室內(nèi)各點處CO2濃度都有不同程度的提高，濃度平均值由205 μmol/mol上升到540 μmol/mol，上升幅度約為335 μmol/mol。

通過數(shù)據(jù)比較證明，在補償5 min CO2氣體之后，各個傳感器的示數(shù)逐漸升高并到達穩(wěn)定值540 μmol/mol，雖然達穩(wěn)定值的時間不一樣，但在停止補充CO2之后的7 min之內(nèi)，各傳感器示數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)。

根據(jù)補償時間與其補償量的線性關(guān)系，精確計算出試驗需要補償?shù)臅r間，并采用本文所提出的“少量多次”的CO2氣肥補施方案，得出“1次補償

5 min，兩次補償間隔15 min，總計補償3次”為本試驗的最佳補償方案，能在45 min內(nèi)使CO2平均濃度由205 μmol/mol上升至1200 μmol/mol，保證植物生長所需。

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項目支持：國家自然科學(xué)基金項目（61273227）；江蘇省科技支撐計劃（BE2013395）。作者簡介：楊一璐，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境檢測與控制方面的研究。

通信作者：汪小旵（1968-），教授，博導(dǎo)，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境模擬與調(diào)控方向的研究。