温室蔬菜CO2施肥技术研究进展

贺超兴，赵春雷，李继缔

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

黄瓜、番茄是我国日光温室秋冬茬和早春茬栽培的主要设施蔬菜，具有生长快、产量高的特点，其正常光合生长要求空气中有较高的CO2浓度和充足的肥水。在补偿浓度与饱和浓度之间，CO2浓度越高，光合速率越高，增产效果越明显。蔬菜设施栽培增施CO2技术是实现蔬菜高产优质的重要技术措施之一。国外对CO2施肥技术研究较早，特别是荷兰、德国、加拿大等设施栽培发达国家的应用较普遍，作物增产效果十分明显。我国由于技术条件、经济水平、CO2来源等因素限制了该项技术的推广应用。

近年来，随着我国设施栽培从面积扩大向提质增效的减肥减药方向发展，设施内CO2施肥作为一项高产、优质、抗病的技术措施，越来越受到园艺工作者和广大菜农的关注。设施蔬菜肥水气一体化施用技术立足于解决日光温室低成本供气和化学法反应液利用的问题，既提高了肥效，又妥善处理了黄瓜低成本肥水配施问题，易于操作；不产生任何有害废弃物，符合环保和生态农业的需要；可以根据需要供水、供肥、供气；显著地改善了蔬菜根际环境；是适于日光温室越冬栽培应用，亦可应用于大型连栋温室及春秋大棚的实用新技术。肥水气一体化技术的应用，使不同营养成分相互配合，不仅能增加作物根系的总量，提高根系活力，扩大吸收水分、养分的空间和动力，还能提高蒸腾蒸发量中蒸腾量的比例和光合速率，从而大幅度提高作物产量和水分利用效率[1]，达到增产的目的。所以将CO2施肥和水肥一体化结合为肥水气一体化耦合施用技术，具有较高的实用价值。

1 日光温室CO2施肥的意义

1.1 CO2与环境效应

CO2排放引起的全球气候变化造成的各种全球性环境问题严重影响着人类的生存和发展，已向人类敲响了警钟，成为全世界关注的焦点问题和科技热点[2-3]，CO2的捕集与资源化利用已成为科技前沿问题。

CO2的农业资源化利用是指将所捕集的CO2作为气肥应用于农作物的增产过程，依靠光合速率的提高，吸收转化更多的CO2形成有机物，促进农作物生长，提高农作物产量及品质。据统计，20世纪全球农作物增产中10%的贡献是由于CO2浓度升高带来的[4]。此外，增施CO2气肥会增强作物的抗病能力[5]、减少农药用量、大幅提高成品率和优等品率。据研究计算，在设施农业中科学合理增施CO2气肥，每667 m2平均可多吸纳CO2约2.4 t[6-7]。我国现有设施农业总面积约为3.33×106hm2，若CO2施肥技术能推广达60%，则可实现每年减排7 200万t以上，占我国CO2总排放量的1%以上。已有研究[8]表明：采用CO2增施技术后，设施典型农作物年均667 m2产量可提高约3 000 kg，每667 m2增收约6 000元，每年新增经济效益超过1 000亿元。可见，这种途径不仅可达到大规模减排CO2的目的，而且具有良好的经济效益。因此，CO2的农业资源化利用是实现CO2大规模减排的“天然、绿色”途径，具有显著的经济和社会效益。

1.2 温室CO2施肥的必要性

随着设施栽培技术的不断发展成熟，设施栽培面积的逐年扩大，进行设施反季节栽培的作物种类也越来越多。采取人工控制的栽培条件，实现超时令、反季节的市场供应是当下的发展趋势。设施栽培在满足市场需要的同时，也带来了较高的经济效益。

因温室栽培的封闭性，影响了温室与外界空气的对流，特别是在设施蔬菜成熟采收期，植株高大且密集，光合作用强烈。温室CO2的变化规律一般表现为晴天上午随着蔬菜光合作用的进行，清晨较高的CO2浓度很快被消耗至最低点，打开风口虽然可使CO2得到补充，但由于白天大多数时间CO2严重亏缺或处在与室外相当的浓度[9]，光合作用效率受到了很大影响，进而影响到蔬菜的光合同化量及蔬菜的产量、品质、抗性等。增施CO2为解决上述问题提供了有效途径。

2 设施CO2施肥的国内外应用情况

2.1 设施CO2施肥的国外应用情况

国外已经进行了大量有关CO2施肥的研究，在生产中已取得了显著的效果[10]。早在1840年，De Saussure就对豌豆进行了高浓度CO2的处理试验；在1920年德国首先提出“碳酸气施肥”后，国外在设施栽培的CO2施肥就在欧美、日本等地开始推广大规模的应用，挪威有75%、荷兰有90%以上作物生产均采用在温室施用CO2[11]，温室增施CO2气肥后，设施番茄的产量由70年代的20 kg/m2增加到现在的50～60 kg/m2[8]。

英国常用的温室CO2浓度是空气中的3倍，可使作物产量提高30%左右；美国约有50%以上的温室作物施用CO2，但主要用于早春作物，其在增产效果、提前上市及改进作物品质等方面均有良好的效果[12]。随着试验设备和计算机技术的迅速发展，某些发达国家的设施农业CO2施肥的试验研究更为深入。在基础理论应用方面，如不同种类的作物、相同作物不同发育期对CO2的供求关系，施用不同CO2浓度对作物的生理过程、生长发育、产量及品质的影响都有了不少进展[13]。

国外温室蔬菜CO2的施用主要是采用规模化的方式进行，由于荷兰、加拿大等国家地处高纬度，冬季日照短、温度低，所以设施蔬菜多采取越夏长季节周年栽培模式。在早春和晚秋，由于气温较低、光照不足，所以多采用后半夜补光4 h（4：00—8：00）的措施改善光合作用，白天则可采取燃烧天然气的方法，包括通过特殊的燃烧器直接在温室燃烧产生CO2的同时对温室有一定加温作用或者对水进行加热后将天然气燃烧产生的CO2通过管道输送到温室植物周围。在夏季的大部分时间，由于光照时间长，光合作用时间也长，且蔬菜处于采收期，通常使用大型CO2钢瓶直接对温室增施CO2。

2.2 国内日光温室蔬菜CO2施肥应用情况

日光温室是我国北方地区冬春季蔬菜生产的主要设施形式，虽然温室蔬菜栽培面积在不断扩大，蔬菜产量逐年提高，然而我国设施番茄的单位面积产量仅为10～20 kg/m2左右[14]，故设施蔬菜产量增加的潜力巨大。早在日光温室发展的20世纪90年代，各种形式的CO2施肥方法在北方日光温室生产中得到了一定的推广和运用，常用的方法有碳铵硫酸反应法、燃煤后废气过滤法和钢瓶直接施用法，研究的主要作物包括黄瓜和番茄，虽然取得了较好的应用效果，但由于使用不方便，所以实际使用不多。研究表明日光温室CO2浓度日变化曲线通常呈不规则“U”形，即白天CO2浓度低，夜晚CO2浓度高，与植物的光合作用需求正好相反。表现为冬春季早晨日出后CO2浓度由日最高浓度逐渐减小，2 h后达日最低浓度并持续到下午覆盖保温被后。由于植物和土壤的呼吸作用逐渐升高，春季随日长增加CO2亏缺时间逐渐延长[9]。年变化表现为近地面CO2浓度以4—6月较低，而冬季11月—翌年2月较高[15]。影响日光温室CO2浓度变化的主要因素是光照和植物的高度与密度，采用通风措施不能避免温室中CO2亏缺和阻止高浓度CO2外逸。幼苗期植株因为叶量少、光合能力弱、土壤呼吸旺盛，温室CO2浓度较高，CO2亏缺较少发生。而结果采收期植株群体光合旺盛、土壤呼吸衰竭，CO2亏缺严重[15]。

朱世东等[16]对春季大棚樱桃番茄增施CO2发现CO2适宜施用浓度为1 000 μL/L左右。陈双臣等[17]研究增施CO2对番茄生长发育的影响，结果表明，光照强度是影响温室内CO2浓度和利用效率的主要因素。与对照相比，增施CO2使番茄株高增高18.29%，光合速率提高48.92%，叶绿素含量增加33.00%，产量增加18.69%，果实VC增加33.27%。

由此可见，CO2施肥对提高设施蔬菜的产量、品质的作用十分明显，研发适合我国农业现状的CO2气肥技术具有积极的意义。因此，必须通过科学手段挖掘我国设施农业潜力，在减肥减药的同时增施CO2气肥是推动我国设施农业发展的重要途径。

3 设施增施CO2气肥对蔬菜生长的影响

研究增施CO2对蔬菜生长发育的影响主要包括生长方面，如植株株高、干鲜质量；生理生化方面，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等；产量方面，包括生物产量和经济产量。通过各方面的研究，全面揭示CO2施肥对作物生长发育的影响机理，以便进行生长管理调控，施肥配方精细量化，达到农业生产节水节肥和高产高效的目的。

3.1 设施CO2施肥对蔬菜生长发育的影响

许多研究表明，CO2施肥可使黄瓜、番茄、西葫芦等蔬菜作物的株高、茎粗、节数、植株干鲜质量、叶面积及厚度、单果质量、比叶质量、叶绿素含量、根系活性、壮苗指数等生长指标显著增加[18-19]。

王书洁等[20]的试验结果表明，温室黄瓜增施CO2后，株高、茎粗增加，叶片数增多，结瓜数增加。魏珉等[19]对温室黄瓜、番茄苗期施用（700±100）μL/L和（1 100±100）μL/L CO2处理后，也有同样效果。Li等[21]研究表明，当CO2浓度从360 μL/L增加到720 μL/L时，番茄幼苗的株高、茎粗、干鲜质量（根、茎、叶）、G值（干质量/苗龄）及幼苗的活力指数等都升高。

3.2 设施CO2施肥对蔬菜光合速率及呼吸作用的影响

光合作用的总过程的反应表达式概括为：CO2+H2O=（光照、叶绿素）C6H12O6+O2，由此看出CO2是光合作用的重要原料，它的供应量直接影响着光合产物的生成量。光合作用研究表明：在光合碳循环中，RuBp（1,5-二磷酸核酮糖）接受CO2后形成两个分子的PGA（3-磷酸甘油酸），PGA再利用光合电子传递链中形成的同化力，在光和各种酶的作用下经过复杂的光化学反应，将CO2同化为有机物，进而生成了新的RuBP，完成光合碳循环。RuBP具有双重催化作用，既起羧化酶的作用，又起加氧酶的作用，高浓度的CO2和低浓度的O2有利于羧化反应，从而加速光合作用。CO2作为植物生长的碳源，是影响植物生长发育和功能的重要因子，它既是光合作用的底物，又是初级代谢过程、光合同化物分配和生长的调节者，参与一系列生化反应，对作物的生长产生直接影响。空气中CO2浓度高，可使蔬菜光合速率明显上升，且在补偿点和500 μmol/mol之间少量增加对光合速率就有较大影响。高CO2浓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，加速碳同化过程。CO2浓度的提高降低了光补偿点，增加光合量子产额，提高了蔬菜利用弱光的能力[22]。不同CO2浓度对光合速率的影响不同，当CO2浓度从200 μL/L增加到350 μL/L时，光合速率增加幅度最大，当超过500 μL/L后，光合速率增长幅度逐渐变小[23]。国外学者研究也表明，当CO2浓度从300 μL/L增加到900 μL/L时，黄瓜叶片的光合速率呈直线上升。于国华等[24]的试验结果表明，黄瓜在增施CO2后其光合速率可提高50%。植物进行光合作用的能量来源主要是光合色素捕获的光能，所以叶绿素的高低与光合功能关系密切[25]。郭卫华等[26]报道CO2施肥提高了番茄的叶绿素含量。随着CO2浓度的升高，C3植物的净光合生产力提高，其对CO2浓度升高的反应比C4植物敏感[27]。

环境中CO2浓度升高会导致植物气孔的关闭，从而导致气孔导度降低。其机理可能是气孔对胞间CO2浓度变化非常敏感，随着环境中CO2含量升高胞间CO2含量增大，为了保持胞间CO2分压高于大气CO2分压，植物需要通过增大气孔阻力来调节。当CO2浓度升高时，气孔会部分关闭，气孔阻力增加至一定值时，蒸腾速率将会降低[28]。王修兰等[29]通过对大量C3、C4植物的研究显示，680 μL/L CO2浓度比340 μL/LCO2浓度的气孔导度减少33%，蒸腾降低23%。研究表明，CO2浓度在300～1 200 μmol/mol 范围，每增加100 μmol/mol，茄子叶片气孔导度减少10.2%，但其蒸腾仅降低了4%[30]。CO2施肥提高了作物光合水分利用率（光合CO2吸收与蒸腾水分散失的比），减小了因水分胁迫对作物产量的影响。Wittwer[31]研究表明：高浓度CO2下水分胁迫的作物产量与正常浓度CO2下非水分胁迫的产量无明显差异。

作物的光呼吸始于RuBP的加氧反应，其活性的大小与叶绿体中CO2/O2值有关[32]。增施CO2使进入单位叶面积的CO2增多，CO2/O2增大，提高了光合作用的光能吸收、传递和转化效率，从而减少了光呼吸消耗，抑制了不必要的能量损耗[9]。资料表明[33]，高浓度CO2下生长的植物其补偿点和光呼吸速率降低；当高浓度CO2下生长的植株放到对照条件下时，其氧吸收速率与对照的一样。研究表明，随着CO2的增加，与光合速率的增加相比，呼吸速率消耗量比光合积累量要小[34]。

3.3 设施CO2施肥对蔬菜矿质营养吸收和分配的影响

CO2施肥使作物体内的矿质元素含量呈降低趋势，体内N、P、K、Ca、Mg含量降低，N、Ca表现显著。升高CO2浓度降低了气孔开度和蒸腾速率，减少了矿质吸收[35]。王忠等[36]分析了1 000 μL/L CO2使黄瓜叶片全氮含量较对照下降了10.7%，其原因可能是碳代谢增强促进了碳水化合物的合成，加快了作物的生长，进而相应增加了氮素的需求。在1 000 μL/L CO2下生长的黄瓜，叶片中Ca、N的含量都比在350 μL/L下的低，开花期最明显[37]。可能是碳水化合物积累和植株快速生长对营养元素的稀释作用造成的。魏珉等[38]研究表明，每天上午以1 000 μL/L CO2施肥3 h使得黄瓜植株各部位的大多数矿质元素含量降低显著，施肥时间越长，其降幅越大。增施CO2提高了作物对矿质元素的吸收能力，明显增加了单株吸收总量。因此，在CO2施肥时注重增加矿质肥料的施用是很有必要的。

3.4 设施CO2施肥对蔬菜产量和品质的影响

日光温室中，秋冬季节和春季的CO2浓度会因植物的吸收而降到较低水平，致使蔬菜生长缓慢并严重减产。Klaring等[37]人通过模型精确控制温室内的CO2浓度，使其与外界CO2浓度接近，结果黄瓜产量增加了35%。当CO2浓度为1 000 μL/L时可促进黄瓜的雌花分化，增加坐果数，增产可达35.56%。当温室内的CO2浓度达到700～1 000 μL/L，黄瓜产量平均增产30%以上，番茄增产30%～50%[38]。孙治强等[39]研究表明，CO2施肥后能显著提高西葫芦的单株产量。

增施CO2会使光合产物增多，从而对蔬菜品质有明显的改善。陈双臣等[17]研究表明，温室内增施CO2可使番茄果实VC增加33.27%，番茄红素增加30.98%，与对照相比差异显著。Madsen[40]对增施CO2的番茄果实品质测定表明，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%。朱世东等[16]研究表明，施用1 000 μL/L CO2可使大棚樱桃番茄果实中的固形物含量提高4.53%～8.89%，抗坏血酸含量增加12.84%～26.67%。杨文斌等[41]研究显示，增施CO2（800～l 000 μL/L）后，黄瓜叶片的可溶性糖、全N、全P分别比对照增加了54.60%、47.70%、34.92% 。

3.5 设施CO2施肥对蔬菜抗性的影响

CO2施肥对设施蔬菜影响还表现在增施CO2有助于增强植物的抗逆能力。当蔬菜增施CO2后，其植株健壮，叶片肥厚，抗病力大大增强，从而降低了温室病害的发生率及其危害程度。如番茄的蕨叶型病毒病发病率降低32%，病情指数降低50%[42]。赵文华等[43]试验结果表明，1 500～2 000 μL/L CO2使黄瓜霜霉病发病率降低30%，病情指数下降20%。魏珉等[44]研究CO2施肥对黄瓜苗期的影响，结果表明，CO2施肥有利于提高黄瓜幼苗的抗寒力。

4 设施CO2施肥方法及其优缺点比较

有关CO2浓度变化对植物的影响的研究已有近百年的历史，80年代前主要是通过提高温室、培养箱或开顶式气箱中CO2浓度来观察植物的一系列变化。为了模拟自然条件下CO2浓度升高对植物的影响，80年代末美国发展了自由空气条件下使CO2浓度升高技术。

较高浓度的CO2是蔬菜正常生长的因素之一。大量试验表明，大多数蔬菜作物的CO2补偿点为30～90 μL/L，饱和点为1 000～2 000 μL/L[15]。当CO2浓度在补偿点与饱和点之间，作物才能进行有效的光合作用。在有效的CO2浓度范围内，作物光合强度随CO2浓度的升高而增大，增产幅度也随之变大。当CO2浓度不足时，作物的光合作用减弱，光合产物变少，使得植株供应养分不足导致生长缓慢，进而出现了产量低、品质差、畸形果多、落花落果严重等问题。一般当温室内的CO2浓度低于大气CO2浓度360 μL/L左右时，就需要及时地补充CO2。

目前，设施农业增施CO2的方法主要是CO2钢瓶法、有机堆肥法、有机物燃烧法、化学反应法、气肥吊袋法等。发达国家多采用钢瓶法直接增施CO2，具有安全、洁净、浓度可控的特点，如荷兰、日本等国20世纪已普遍使用[45]。

钢瓶法便于控制用量，但冬季使用因CO2气化时吸收热量易降低温室内的温度，特别是钢瓶很笨重，不便搬运且来源有限，不适合中国国情。有机堆肥法和气肥吊袋法，成本低廉，但对CO2浓度、施放时间高度不可控，应用效果有限。有机物燃烧法属于燃烧化石能源放出CO2，烟气成分复杂，易产生有毒气体，存在安全隐患，与国家节能减排战略不符，无法满足当前设施农业标准化、大规模生产的发展需求。

CO2气体化学反应法目前应用的方法有：盐酸—石灰石法（CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O）、硝酸—石灰石（2HNO3+CaCO3=Ca(NO3)2+CO2↑+H2O）和碳酸氢铵—硫酸法（2NH4HCO3+H2SO4=(NH4)2SO4+2H2O+2CO2↑），其中碳酸氢铵—硫酸法取材容易、成本低、操作简单，在产生CO2的同时，由于碳酸氢铵不宜在温室内直接施用，此法将其转化为比较稳定的且可直接用作追肥的硫酸铵，所以应用比较广[15]。

设施施用CO2的具体施用浓度依蔬菜种类、生育时期、光照及温度等条件而定。如叶菜类蔬菜以600～1 000 μL/L为宜，果菜类蔬菜以1 000～1 500 μL/L为宜。果菜结果期以前CO2浓度以1 000 μL/L左右为宜，旺盛生长期以1 200～1 500 μL/L为宜。冬季低温弱光或阴天CO2施用浓度要低，以800～1 000 μL/L为宜，春秋季光照强时以1 000～1 500 μL/L为宜。设施施用CO2时间一般在春、秋、冬三季，叶菜类整个生长期均可施用，果菜类在结果期施用。当温度低于15 ℃不宜施用，CO2施用时间一般选择晴天太阳出来后或揭开草苫2 h后或下午通风后，随着植株光合作用的加强，生长加快，消耗了室内大量的CO2，此时需要补充CO2，之后还应加大肥水供应[46]。多云天可推迟半小时施用，阴天和雪天等弱光下不施用CO2，以防止发生CO2气体中毒。开风口前半小时停止施用，否则会造成原料浪费且影响效果。

5 设施CO2施肥新技术及未来应用前景

基于我国设施农业的现状，在化学法增施CO2基础上开发出的温室蔬菜肥水气一体化施用技术可以对坐果采收期的蔬菜通过碳铵与磷酸化学反应产生的CO2对蔬菜增施气肥，然后将反应液配施钾肥后通过肥水一体化装置对根系补充肥水，实现了资源高效利用。

具体做法是在533～667 m2的日光温室下午收风后2点左右施用CO2。首先在电热反应器的进料口中加入碳酸氢铵3 kg，在出气口的过滤器（即贮酸桶）中先加入3.6 L水，然后加入1.8 L 87%的工业磷酸，稀释混匀后备用。通电加热后碳酸氢铵分解产生的CO2和氨气经管道通路输送到盛有由工业磷酸3倍稀释的稀磷酸的贮酸桶中，氨气被磷酸吸收反应生成磷酸二铵，释放的CO2经软管输送到黄瓜冠层供其光合生长。次日上午当作物需要灌溉施肥时，可将生成的磷酸铵液肥倒在施肥桶中，按照n（N）︰n（K）=1︰2加入58%的速溶硫酸钾5 kg，加水稀释至完全溶解后，将此肥液通过文丘里吸肥器吸入滴灌系统，就可在灌水的同时向植物提供N、P、K肥等速效养分，满足瓜条迅速生长需要。

设施蔬菜肥水气一体化施用技术不仅解决了日光温室低成本供气问题，还将化学法产生的废液直接配制成速溶液肥随水灌溉，解决了复合液肥的来源问题，降低了生产成本，不但提高了肥效而且还减少了资源的浪费，也改善了作物根际环境。该装置具有节水、节肥、省工省力和促进增产及改善作物品质等特点，一般每周施用1次，连续施用10～15周可使设施蔬菜增产30%以上，667 m2增加纯收入3 000元以上。

6 结语

从温室蔬菜增施CO2的化学反应法发展而来的设施蔬菜肥水一体化技术实现了设施光温水气肥资源的高效利用，将环境测量与智能控制相结合，有助于在日光温室内更好地创造出适宜蔬菜生长的环境，适合中国日光温室的国情，不仅可以提高肥水利用率，减少化肥农药使用，还可以促进作物增产增效，提高经济效益，在未来日光温室增施CO2技术中必将有广泛的应用前景。

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