溫室大棚內(nèi)CO2施用控制技術(shù)的研究

王停停，李亞靈，喬潔婷，溫祥珍

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

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溫室大棚內(nèi)CO2施用控制技術(shù)的研究

王停停，李亞靈，喬潔婷，溫祥珍*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：為了研究溫室大棚內(nèi)CO2施用控制技術(shù)，本文對溫室大棚內(nèi)環(huán)境以及同期施用了不同濃度CO2的大棚內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)進(jìn)行了觀測記錄和分析，明確了在定植初期、開花期、生長盛期溫室內(nèi)CO2濃度變化規(guī)律；通過CO2氣罐控制流量，獲得簡易CO2施肥控制技術(shù)。測定結(jié)果表明，棚內(nèi)CO2濃度日變化通常呈“U”型，晴天變化較陰天更劇烈，可使設(shè)施內(nèi)CO2低于200 μL·L-1，通風(fēng)換氣可以將棚內(nèi)CO2控制在270～330 μL·L-1左右；定植初、開花期、生長盛期，隨著群體光合能力提升，設(shè)施內(nèi)CO2消耗更快，更需要及時(shí)補(bǔ)充CO2；通過CO2氣罐控制流量，在跨度為9 m、長度為10 m、脊高4.5 m的節(jié)能溫室隔斷空間內(nèi)，僅通頂風(fēng)狀態(tài)下，CO2施用流速為2.5 L·min-1時(shí)，能將溫室內(nèi)CO2濃度維持在382.7 μL·L-1，CO2施用流速為5.0 L·min-1時(shí)，維持在586.8 μL·L-1，而不施肥自然狀態(tài)下的小區(qū)內(nèi)CO2濃度僅為303.2 μL·L-1。

關(guān)鍵詞：日光溫室； CO2氣肥； 變化規(guī)律； CO2濃度； 施用技術(shù)

設(shè)施園藝是科技含量高、產(chǎn)品附加值高、土地產(chǎn)出率和勞動生產(chǎn)率高的“三高”農(nóng)業(yè)[1]，溫室作為設(shè)施園藝的一個(gè)重要組成部分，與人民生活水平關(guān)系十分密切，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑[2]。植物體干物質(zhì)的45%為碳元素，而空氣中的CO2是植物碳素的唯一來源，光合作用是碳素?cái)z取的唯一方式[3]。適宜作物生長的CO2濃度一般在1 000 μL·L-1左右。而正常情況下，大氣中CO2濃度僅在300 μL·L-1左右。在高密栽培的大棚內(nèi)，光照強(qiáng)烈、光合作用旺盛時(shí)段的CO2濃度甚至低于100 μL·L-1，處于CO2補(bǔ)償區(qū)，作物完全不能滿足生長的需要，生長嚴(yán)重受到限制[4]。實(shí)踐表明，CO2濃度已經(jīng)成為日光溫室進(jìn)一步增產(chǎn)的最小因子[5]，施用CO2氣肥可以大幅度提高植物光合作用速率[6]。

在設(shè)施園藝栽培中，提高CO2濃度已被廣泛用作促進(jìn)園藝作物生長和產(chǎn)量提高的一項(xiàng)有效措施。早在20世紀(jì)60年代，日本、美國等國家已經(jīng)開始開展CO2施肥試驗(yàn)，目前已進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段，而我國由于生產(chǎn)力水平和生產(chǎn)機(jī)制的限制，CO2施肥尚未獲得大力推廣，目前尚處于起步階段[7]。近年來，我們已經(jīng)意識到CO2施肥的重要性，CO2施肥技術(shù)也已經(jīng)得到了一定程度上的推廣普及[8]。然而，目前農(nóng)民仍多采用通過增施有機(jī)肥來提高溫室內(nèi)CO2濃度[9]，此方法較為粗放，缺乏精確性、科學(xué)性。溫室大棚內(nèi)CO2施用技術(shù)還不成熟，尤其是對于在夏季通風(fēng)狀態(tài)下的施用技術(shù)研究更少[10]。CO2匱缺與低風(fēng)速是溫室存在的普遍現(xiàn)象，即使在溫室通風(fēng)狀態(tài)下也不例外[11]。為了研究一套在溫室自然通風(fēng)狀態(tài)下CO2合理施用控制技術(shù)，本文對溫室大棚內(nèi)環(huán)境以及同期施用了不同濃度CO2的大棚內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)都進(jìn)行了觀測記錄和分析，尤其主要是對CO2濃度變化和控制情況進(jìn)行了分析。這對改善設(shè)施溫室大棚的CO2匱乏現(xiàn)象有重要的指導(dǎo)意義，為溫室大棚的高效生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

山西省太谷縣(東經(jīng)112°25′，北緯37°25′)，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程中心日光溫室大棚，日光溫室坐北朝南。溫室長43 m，跨度9.75 m，脊高4.5 m，后墻高3 m，屋面為拱圓形無支柱鋼結(jié)構(gòu)，外覆蓋材料為自制復(fù)合保溫被[12]。

日光溫室內(nèi)種植作物為番茄，定植于3月5日，采用大行距1.5 m，小株距0.25 m的栽培方式。

1.2試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用的環(huán)境因子監(jiān)控設(shè)備為農(nóng)用通2S，由北京旗碩基業(yè)科技股份有限公司提供。儀器設(shè)定時(shí)間間隔為10 min，即每10 min記錄一次CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，記錄結(jié)果較為精確。

1.3試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2015年3月至5月進(jìn)行。用塑料膜從溫室頂端到地面將日光溫室隔成3個(gè)面積相同的小區(qū)，東區(qū)設(shè)為處理M，中區(qū)H，西區(qū)CK，各小區(qū)長10.5 m，寬9.0 m，面積約94.5 m2。4月20日開始CO2處理，為了達(dá)到所需濃度，3種處理的CO2流速分別為：

M:中濃度CO2施肥處理，CO2施用流速為2.5 L·min-1。

H:高濃度CO2施肥處理，CO2施用流速為5.0 L·min-1。

CK:自然狀態(tài)，即不施CO2。

1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)和圖形繪制，然后進(jìn)行分析討論。

2結(jié)果與分析

2.1日光溫室內(nèi)CO2濃度變化規(guī)律

2.1.1不同天氣溫室內(nèi)CO2濃度變化

圖中為4月15日晴天的數(shù)據(jù)，與4月16日陰天的數(shù)據(jù)，通風(fēng)時(shí)間為9：00—17：00。從圖1可以看出溫室大棚內(nèi)CO2濃度日變化曲線在晴天和陰天都是一條近“U”型曲線。通過分析圖1中曲線，得出以下規(guī)律：

(1) 一天中溫室內(nèi)CO2濃度變化的幅度比較大，即使是在白天9：00—17：00一直通風(fēng)換氣的情況下，CO2的濃度日較差平均值也達(dá)到300 μL·L-1，如果不通風(fēng)則日較差將更大。陰天變化程度較晴天平穩(wěn)。

(2)一天中在早上5:00—7：00會出現(xiàn)CO2最高值，最低值則出現(xiàn)在10：00—18：00，時(shí)間較長。在日出之后7：00—9:00時(shí)CO2下降速度最快，直到9：30左右打開通風(fēng)口后，一直維持在350 μL·L-1左右，直到17：00關(guān)閉通風(fēng)口，而晴天維持在300 μL·L-1左右。在18：00之后CO2濃度又開始上升直到次日5：00左右。

(3)白天晴天通風(fēng)時(shí)，溫室內(nèi)CO2濃度維持在271～330 μL·L-1左右，明顯低于陰天的330～385 μL·L-1。

2.1.2不同發(fā)育時(shí)期溫室內(nèi)CO2濃度變化

圖2中，番茄植株定植初期為3月11日的數(shù)據(jù)，結(jié)果前期為4月14日數(shù)據(jù)；結(jié)果盛期為4月28日的數(shù)據(jù)。各個(gè)時(shí)期均是從9:00—17：00進(jìn)行頂端通風(fēng)。從圖2可以得出以下規(guī)律：

(1)在番茄定植初期，CO2消耗比較少，溫室內(nèi)CO2濃度維持在較高水平，并且變化幅度?。辉诜呀Y(jié)果期，溫室內(nèi)CO2濃度降得很低，低于大氣水平；而4月23、25日CO2下降速率略低于4月14日。

(2)對比日出后溫室內(nèi)CO2濃度下降速率，可以發(fā)現(xiàn)苗期下降速率小于結(jié)果期。并且在4月份，8：00—9：00下降速率最快。

2.2施CO2條件下溫室內(nèi)CO2濃度變化分析

2.2.1不同通風(fēng)條件下各小區(qū)內(nèi)CO2濃度變化分析

在夏季溫室栽培中常常為了降溫需要通風(fēng)換氣，供試溫室于4月份在每天9：00—17：00點(diǎn)通風(fēng)換氣，進(jìn)入5月份，夜間不再關(guān)閉通風(fēng)口，全天通風(fēng)。圖3為3個(gè)小區(qū)各小區(qū)不同通風(fēng)條件下的CO2變化曲線，從上到下分別為中濃度、高度度和對照3個(gè)處理小區(qū)。

圖3是連續(xù)幾天的平均值?？梢院芮宄乜闯鰜砀餍^(qū)在都通風(fēng)的時(shí)間段，即9：00—17：00，CO2濃度變化曲線較平穩(wěn)，波動不大。在17：00到次日9：00時(shí)間段內(nèi)，3個(gè)小區(qū)通風(fēng)時(shí)CO2濃度維持平穩(wěn)在300 μL·L-1左右，與白天一樣；而不通風(fēng)時(shí)則均呈現(xiàn)先下降，18：00后再逐漸上升到次日日出時(shí)達(dá)到最大值，之后再降低的規(guī)律。通風(fēng)換氣時(shí)棚內(nèi)CO2濃度會維持在270～330 μL·L-1左右。

2.2.2不同濃度CO2處理下溫室內(nèi)全天CO2濃度變化規(guī)律

圖4為通風(fēng)條件下不同處理CO2濃度日變化曲線，圖為4月20日的數(shù)據(jù)。表1是大棚內(nèi)CO2濃度的極值與均值情況，從圖4可以很直觀地看出施氣肥明顯提高了白天棚內(nèi)CO2濃度。進(jìn)一步分析還能看出以下規(guī)律：

(1)3個(gè)小區(qū)6：00左右日出之前均達(dá)到最大值，隨后迅速下降，直到9：00施上CO2后又明顯升高。

(2)CO2施肥后濃度可以在較高水平維持1 h左右，然后下降，基本在當(dāng)日日均值左右波動，該波動范圍與施肥濃度有關(guān)，H處理的波動范圍略高于M處理的。

(3)圖4中處理H、M，17：00后CO2明顯下降，到18：00后才開始逐漸上升。表明17：00后仍有較強(qiáng)光合作用消耗CO2。

(4)由表1可以看到3個(gè)小區(qū)夜均值差異不大，日均值差較大。與CK相比，處理H白天CO2濃度在580 μL·L-1左右，提高了94.6%，處理M為380 μL·L-1左右，提高了26.0%，中區(qū)施肥濃度是東區(qū)的2倍，顯然CO2處理、控制效果很好。

3結(jié)論與討論

3.1溫室大棚內(nèi)CO2濃度變化規(guī)律

溫室大棚內(nèi)CO2濃度變化受番茄群體發(fā)育時(shí)期、天氣狀況、通風(fēng)情況以及CO2施肥等影響[14]。一天內(nèi)溫室大棚內(nèi)CO2的濃度表現(xiàn)為日出前最高，中午最低，并且變化規(guī)律通常呈一條“U”型曲線，這和李勝利，魏珉[15]等人之前的研究結(jié)果都一致。這是因?yàn)椋S著太陽出來，植物開始進(jìn)行光合作用，逐漸消耗CO2，到中午時(shí)光合作用最為強(qiáng)烈，消耗CO2也最多，而到了晚上植物和土壤呼吸作用以及微生物分解有機(jī)質(zhì)向大棚內(nèi)釋放累積CO2，在日出前達(dá)到最高。

另外，陰天條件下棚內(nèi)CO2濃度平均水平高于晴天，陰天變化幅度低于晴天，相對比較平緩，這也再一次證實(shí)了前人們的研究[15]。所以，通風(fēng)換氣對于調(diào)整棚內(nèi)環(huán)境有一定效果，而且簡單、成本低，一般可將CO2濃度維持到270～330 μL·L-1之間。在不同發(fā)育時(shí)期，苗期棚內(nèi)CO2水平高于結(jié)果期，這與張建新的研究結(jié)果[4]一致。

3.2溫室大棚內(nèi)CO2施用控制技術(shù)

在春夏茬日光溫室番茄栽培中，CO2施肥后可以使CO2在較高水平維持1 h，通風(fēng)后濃度下降，基本保持一個(gè)穩(wěn)定值，下降幅度與施肥濃度有關(guān)。

試驗(yàn)表明在夏季通風(fēng)條件下，通風(fēng)可以將棚內(nèi)濃度控制在270～330 μL·L-1左右。僅白天通風(fēng)狀態(tài)下，M處理，CO2施用流速為2.5 L·min-1時(shí)可使白天CO2濃度日均值保持在382.7 μL·L-1；H處理，CO2施用流速為5.0 L·min-1時(shí)，可使白天CO2濃度日均值保持在586.8 μL·L-1；而自然狀態(tài)下，CO2濃度日均值保持在303.7 μL·L-1。

全天通頂風(fēng)狀態(tài)下，M處理，可使白天CO2濃度日均值保持在316.5 μL·L-1；H處理可使白天CO2濃度日均值保持在444.6 μL·L-1；自然狀態(tài)下，CO2濃度日均值保持在244.2 μL·L-1，這與此時(shí)番茄植株進(jìn)入盛果期，葉面積指數(shù)增大，植株光合作用較強(qiáng)有關(guān)。也說明，夜間關(guān)閉通風(fēng)口可以整體上提高溫室內(nèi)CO2濃度。

CO2施肥處理20 d后，H處理的果實(shí)橫徑為79 mm，比M處理高20%，比CK處理高40%。處理H的植株干物質(zhì)累積量為67 g，比處理M高21.8%，比CK高51.1%。不同施肥處理時(shí)，與對照CK相比，處理H凈光合速率可提高33%，M提高14%，三者之間呈顯著性差異，說明CO2施肥對番茄生長發(fā)育有很大的影響。

總之，CO2施肥濃度具體應(yīng)該依作物種類、生育時(shí)期、光照和溫度等條件而定[16]。在本試驗(yàn)的研究條件下表明，自然狀態(tài)溫室一天中CO2濃度變化規(guī)律通常呈一條“U”型曲線，開花結(jié)果期對CO2需求量更大。通風(fēng)可以適當(dāng)緩解CO2濃度太低的狀況；在只開頂端通風(fēng)口(約25 cm)，CO2施用流速為2.5 L·min-1時(shí)可使白天CO2濃度日均值保持在382.7 μL·L-1，CO2施用流速為5.0 L·min-1時(shí)，可使白天CO2濃度日均值保持在586.8 μL·L-1，控制效果很明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑順淑, 齊飛, 魏曉明,等. 中國設(shè)施園藝發(fā)展的意義和作用[J]. 北方園藝, 2010(15):25-28.

[2]張福墁. 設(shè)施園藝學(xué)[M]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2010(2):114.

[3]高井康雄著, 敖光明, 梁振興譯. 植物營養(yǎng)與技術(shù)[M]. 北京:農(nóng)業(yè)出版社, 1998: 9-11, 51-69, 395-416.

[4]張建新,李玉堯,王果靜,等.日光溫室二氧化碳施肥技術(shù)研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2000,21(3):44-48.

[5]王喜,賁井芳.二氧化碳在溫室蔬菜栽培中如何應(yīng)用[J].中國科技博覽, 2010(25):321.

[6]汪永欽, 劉榮花, 王良啟. 日光溫室蔬菜栽培中人工增施CO2技術(shù)[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 1997, 8(4): 460-468.

[7]梁玉龍. 溫室CO2控釋技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué), 2005.

[8]郭世榮,李世軍.設(shè)施園藝學(xué)[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2011(2):173-175.

[9]何啟偉,艾希珍,孫小鐳,等.日光溫室黃瓜栽培CO2濃度的消長規(guī)律初探[J]. 中國蔬菜, 2002(1):7-10.

[10]呂衛(wèi)光,趙京音,姚政.現(xiàn)代化溫室二氧化碳施肥技術(shù)研究[J]. 上海農(nóng)業(yè)科技, 2002(1):24-25.

[11]仝宇欣, 程瑞鋒, 辛敏,等. 溫室零濃度差CO2施肥與送風(fēng)耦合法對番茄生長的影響[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2014(10):53-56.

[12]溫祥珍, 李亞靈. 非對稱連跨式節(jié)能溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能特點(diǎn)[J]. 溫室園藝(農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù)), 2003(2): 18-19.

[13]謝臣,滿紅,王學(xué)斌.日光溫室CO2施肥效應(yīng)及施用技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 寧夏農(nóng)林科技, 2009(4):70-72.

[14]楊延杰,郭泳,孫曉榮,等.番茄長季節(jié)栽培日光溫室內(nèi)CO2濃度變化的分析[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000,32(1):82-85.

[15]魏珉,邢禹賢,王秀峰,等.日光溫室CO2濃度變化規(guī)律研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003,14(3):354-358.

[16]馬俊,賀超興.日光溫室二氧化碳施用技術(shù)研究進(jìn)展[C]// 設(shè)施園藝創(chuàng)新與進(jìn)展——中國.壽光國際設(shè)施園藝高層學(xué)術(shù)論壇論文集， 2012：350-357.

(編輯：武英耀)

Study on control technology of CO2application in greenhouse

Wang Tingting, Li Yaling, Qiao Jieting, Wen Xiangzhen*

(CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Key words:Greenhouse; CO2gas fertilization; Change rule; CO2concentration; Application technique

Abstract:In order to obtain a set of reasonable and economical control technology of CO2application, the internal environment factor parameters of the greenhouse and which with applying different concentrations of CO2were recorded and analyzed, and the changes of CO2concentration in greenhouse at different growth stages such as planting, flowering, blooming were learned. By controlling the flow of CO2tank, we got a simple CO2fertilization control technology. The test results showed that the daily variation of CO2concentration was usually in the form of "U" type, and which was more intense and could be less than 200 μL·L-1in sunny days. In addition, ventilation could remain CO2concentration around 270～330 μL·L-1. From early planting to flowering to blooming, with the photosynthetic capacity of population increases, the CO2consumption becames faster, accordingly, more CO2need to be replenished in greenhouse. In the condition of natural ventilation, in the span of 9 m, length of 10 m, high ridge of 4.5m partition space, CO2concentration could maintain at 382.7 μL·L-1with CO2fertilization velocity of 2.5 LPM (liters/min).And, CO2concentration could maintain at 586.8 μL·L-1with CO2fertilization velocity of 5.0 LPM. However, CO2concentration was only 303.2 μL·L-1without fertilization.

收稿日期：2016-01-25 修回日期：2016-03-04

作者簡介：王停停(1989-)，女(漢)，山東菏澤人，在讀碩士研究生，研究方向：蔬菜栽培生理 *通訊作者：溫祥珍，教授，博士生導(dǎo)師。Tel: 13935439298；E-mail: wenxiangzhen2009@hotmail.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61233006)；山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(FT201402-05)

中圖分類號：S625.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)06-0407-05