温室大棚内CO2施用控制技术的研究

王停停，李亚灵，乔洁婷，温祥珍

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)



温室大棚内CO2施用控制技术的研究

王停停，李亚灵，乔洁婷，温祥珍*

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)

摘要：为了研究温室大棚内CO2施用控制技术，本文对温室大棚内环境以及同期施用了不同浓度CO2的大棚内环境因子参数进行了观测记录和分析，明确了在定植初期、开花期、生长盛期温室内CO2浓度变化规律；通过CO2气罐控制流量，获得简易CO2施肥控制技术。测定结果表明，棚内CO2浓度日变化通常呈“U”型，晴天变化较阴天更剧烈，可使设施内CO2低于200 μL·L-1，通风换气可以将棚内CO2控制在270～330 μL·L-1左右；定植初、开花期、生长盛期，随着群体光合能力提升，设施内CO2消耗更快，更需要及时补充CO2；通过CO2气罐控制流量，在跨度为9 m、长度为10 m、脊高4.5 m的节能温室隔断空间内，仅通顶风状态下，CO2施用流速为2.5 L·min-1时，能将温室内CO2浓度维持在382.7 μL·L-1，CO2施用流速为5.0 L·min-1时，维持在586.8 μL·L-1，而不施肥自然状态下的小区内CO2浓度仅为303.2 μL·L-1。

关键词：日光温室； CO2气肥； 变化规律； CO2浓度； 施用技术

设施园艺是科技含量高、产品附加值高、土地产出率和劳动生产率高的“三高”农业[1]，温室作为设施园艺的一个重要组成部分，与人民生活水平关系十分密切，也是实现农业现代化的重要途径[2]。植物体干物质的45%为碳元素，而空气中的CO2是植物碳素的唯一来源，光合作用是碳素摄取的唯一方式[3]。适宜作物生长的CO2浓度一般在1 000 μL·L-1左右。而正常情况下，大气中CO2浓度仅在300 μL·L-1左右。在高密栽培的大棚内，光照强烈、光合作用旺盛时段的CO2浓度甚至低于100 μL·L-1，处于CO2补偿区，作物完全不能满足生长的需要，生长严重受到限制[4]。实践表明，CO2浓度已经成为日光温室进一步增产的最小因子[5]，施用CO2气肥可以大幅度提高植物光合作用速率[6]。

在设施园艺栽培中，提高CO2浓度已被广泛用作促进园艺作物生长和产量提高的一项有效措施。早在20世纪60年代，日本、美国等国家已经开始开展CO2施肥试验，目前已进入生产实用阶段，而我国由于生产力水平和生产机制的限制，CO2施肥尚未获得大力推广，目前尚处于起步阶段[7]。近年来，我们已经意识到CO2施肥的重要性，CO2施肥技术也已经得到了一定程度上的推广普及[8]。然而，目前农民仍多采用通过增施有机肥来提高温室内CO2浓度[9]，此方法较为粗放，缺乏精确性、科学性。温室大棚内CO2施用技术还不成熟，尤其是对于在夏季通风状态下的施用技术研究更少[10]。CO2匮缺与低风速是温室存在的普遍现象，即使在温室通风状态下也不例外[11]。为了研究一套在温室自然通风状态下CO2合理施用控制技术，本文对温室大棚内环境以及同期施用了不同浓度CO2的大棚内环境因子参数都进行了观测记录和分析，尤其主要是对CO2浓度变化和控制情况进行了分析。这对改善设施温室大棚的CO2匮乏现象有重要的指导意义，为温室大棚的高效生产提供了理论依据。

1试验设计与方法

1.1试验地点

山西省太谷县(东经112°25′，北纬37°25′)，山西农业大学设施农业工程中心日光温室大棚，日光温室坐北朝南。温室长43 m，跨度9.75 m，脊高4.5 m，后墙高3 m，屋面为拱圆形无支柱钢结构，外覆盖材料为自制复合保温被[12]。

日光温室内种植作物为番茄，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试验仪器

试验所用的环境因子监控设备为农用通2S，由北京旗硕基业科技股份有限公司提供。仪器设定时间间隔为10 min，即每10 min记录一次CO2浓度等环境参数，记录结果较为精确。

1.3试验方法

本试验于2015年3月至5月进行。用塑料膜从温室顶端到地面将日光温室隔成3个面积相同的小区，东区设为处理M，中区H，西区CK，各小区长10.5 m，宽9.0 m，面积约94.5 m2。4月20日开始CO2处理，为了达到所需浓度，3种处理的CO2流速分别为：

M:中浓度CO2施肥处理，CO2施用流速为2.5 L·min-1。

H:高浓度CO2施肥处理，CO2施用流速为5.0 L·min-1。

CK:自然状态，即不施CO2。

1.4试验数据处理

采用Excel 2003对数据进行整理统计和图形绘制，然后进行分析讨论。

2结果与分析

2.1日光温室内CO2浓度变化规律

2.1.1不同天气温室内CO2浓度变化

图中为4月15日晴天的数据，与4月16日阴天的数据，通风时间为9：00—17：00。从图1可以看出温室大棚内CO2浓度日变化曲线在晴天和阴天都是一条近“U”型曲线。通过分析图1中曲线，得出以下规律：

(1) 一天中温室内CO2浓度变化的幅度比较大，即使是在白天9：00—17：00一直通风换气的情况下，CO2的浓度日较差平均值也达到300 μL·L-1，如果不通风则日较差将更大。阴天变化程度较晴天平稳。

(2)一天中在早上5:00—7：00会出现CO2最高值，最低值则出现在10：00—18：00，时间较长。在日出之后7：00—9:00时CO2下降速度最快，直到9：30左右打开通风口后，一直维持在350 μL·L-1左右，直到17：00关闭通风口，而晴天维持在300 μL·L-1左右。在18：00之后CO2浓度又开始上升直到次日5：00左右。

(3)白天晴天通风时，温室内CO2浓度维持在271～330 μL·L-1左右，明显低于阴天的330～385 μL·L-1。

2.1.2不同发育时期温室内CO2浓度变化

图2中，番茄植株定植初期为3月11日的数据，结果前期为4月14日数据；结果盛期为4月28日的数据。各个时期均是从9:00—17：00进行顶端通风。从图2可以得出以下规律：

(1)在番茄定植初期，CO2消耗比较少，温室内CO2浓度维持在较高水平，并且变化幅度小；在番茄结果期，温室内CO2浓度降得很低，低于大气水平；而4月23、25日CO2下降速率略低于4月14日。

(2)对比日出后温室内CO2浓度下降速率，可以发现苗期下降速率小于结果期。并且在4月份，8：00—9：00下降速率最快。

2.2施CO2条件下温室内CO2浓度变化分析

2.2.1不同通风条件下各小区内CO2浓度变化分析

在夏季温室栽培中常常为了降温需要通风换气，供试温室于4月份在每天9：00—17：00点通风换气，进入5月份，夜间不再关闭通风口，全天通风。图3为3个小区各小区不同通风条件下的CO2变化曲线，从上到下分别为中浓度、高度度和对照3个处理小区。

图3是连续几天的平均值。可以很清楚地看出来各小区在都通风的时间段，即9：00—17：00，CO2浓度变化曲线较平稳，波动不大。在17：00到次日9：00时间段内，3个小区通风时CO2浓度维持平稳在300 μL·L-1左右，与白天一样；而不通风时则均呈现先下降，18：00后再逐渐上升到次日日出时达到最大值，之后再降低的规律。通风换气时棚内CO2浓度会维持在270～330 μL·L-1左右。

2.2.2不同浓度CO2处理下温室内全天CO2浓度变化规律

图4为通风条件下不同处理CO2浓度日变化曲线，图为4月20日的数据。表1是大棚内CO2浓度的极值与均值情况，从图4可以很直观地看出施气肥明显提高了白天棚内CO2浓度。进一步分析还能看出以下规律：

(1)3个小区6：00左右日出之前均达到最大值，随后迅速下降，直到9：00施上CO2后又明显升高。

(2)CO2施肥后浓度可以在较高水平维持1 h左右，然后下降，基本在当日日均值左右波动，该波动范围与施肥浓度有关，H处理的波动范围略高于M处理的。

(3)图4中处理H、M，17：00后CO2明显下降，到18：00后才开始逐渐上升。表明17：00后仍有较强光合作用消耗CO2。

(4)由表1可以看到3个小区夜均值差异不大，日均值差较大。与CK相比，处理H白天CO2浓度在580 μL·L-1左右，提高了94.6%，处理M为380 μL·L-1左右，提高了26.0%，中区施肥浓度是东区的2倍，显然CO2处理、控制效果很好。

3结论与讨论

3.1温室大棚内CO2浓度变化规律

温室大棚内CO2浓度变化受番茄群体发育时期、天气状况、通风情况以及CO2施肥等影响[14]。一天内温室大棚内CO2的浓度表现为日出前最高，中午最低，并且变化规律通常呈一条“U”型曲线，这和李胜利，魏珉[15]等人之前的研究结果都一致。这是因为，随着太阳出来，植物开始进行光合作用，逐渐消耗CO2，到中午时光合作用最为强烈，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机质向大棚内释放累积CO2，在日出前达到最高。

另外，阴天条件下棚内CO2浓度平均水平高于晴天，阴天变化幅度低于晴天，相对比较平缓，这也再一次证实了前人们的研究[15]。所以，通风换气对于调整棚内环境有一定效果，而且简单、成本低，一般可将CO2浓度维持到270～330 μL·L-1之间。在不同发育时期，苗期棚内CO2水平高于结果期，这与张建新的研究结果[4]一致。

3.2温室大棚内CO2施用控制技术

在春夏茬日光温室番茄栽培中，CO2施肥后可以使CO2在较高水平维持1 h，通风后浓度下降，基本保持一个稳定值，下降幅度与施肥浓度有关。

试验表明在夏季通风条件下，通风可以将棚内浓度控制在270～330 μL·L-1左右。仅白天通风状态下，M处理，CO2施用流速为2.5 L·min-1时可使白天CO2浓度日均值保持在382.7 μL·L-1；H处理，CO2施用流速为5.0 L·min-1时，可使白天CO2浓度日均值保持在586.8 μL·L-1；而自然状态下，CO2浓度日均值保持在303.7 μL·L-1。

全天通顶风状态下，M处理，可使白天CO2浓度日均值保持在316.5 μL·L-1；H处理可使白天CO2浓度日均值保持在444.6 μL·L-1；自然状态下，CO2浓度日均值保持在244.2 μL·L-1，这与此时番茄植株进入盛果期，叶面积指数增大，植株光合作用较强有关。也说明，夜间关闭通风口可以整体上提高温室内CO2浓度。

CO2施肥处理20 d后，H处理的果实横径为79 mm，比M处理高20%，比CK处理高40%。处理H的植株干物质累积量为67 g，比处理M高21.8%，比CK高51.1%。不同施肥处理时，与对照CK相比，处理H净光合速率可提高33%，M提高14%，三者之间呈显著性差异，说明CO2施肥对番茄生长发育有很大的影响。

总之，CO2施肥浓度具体应该依作物种类、生育时期、光照和温度等条件而定[16]。在本试验的研究条件下表明，自然状态温室一天中CO2浓度变化规律通常呈一条“U”型曲线，开花结果期对CO2需求量更大。通风可以适当缓解CO2浓度太低的状况；在只开顶端通风口(约25 cm)，CO2施用流速为2.5 L·min-1时可使白天CO2浓度日均值保持在382.7 μL·L-1，CO2施用流速为5.0 L·min-1时，可使白天CO2浓度日均值保持在586.8 μL·L-1，控制效果很明显。

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(编辑：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

作者简介：王停停(1989-)，女(汉)，山东菏泽人，在读硕士研究生，研究方向：蔬菜栽培生理 *通讯作者：温祥珍，教授，博士生导师。Tel: 13935439298；E-mail: wenxiangzhen2009@hotmail.com

基金项目：国家自然科学基金重点项目(61233006)；山西省煤基重点科技攻关项目(FT201402-05)

中图分类号：S625.5

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)06-0407-05