不同浓度CO2施肥对温室黄瓜生长与产量的影响

刘洋，孙胜，邢国明，李靖，张振花，袁红霞，郑金英

黄瓜(CucumissativusL.)是我国设施蔬菜栽培最广泛的蔬菜作物之一[1]。随着我国设施蔬菜产业的快速发展，黄瓜设施栽培面积已达设施蔬菜总面积的50%左右[2]。设施栽培通过环境因子调控提供植物生长的适宜条件，CO2作为植物光合作用的重要原料，在冬季设施蔬菜栽培中，设施环境相对封闭，空气不能及时的流通更换，加上植物光合作用的不断消耗，使得设施内CO2浓度严重不足，在100～250 μmol·mol-1之间[3]。当光照充足时，能降到100 μmol·mol-1以下，接近蔬菜生长CO2浓度的补偿点。因此CO2成为影响冬季设施蔬菜生长的关键环境因素[4～7]。为了提高反季节设施蔬菜的生产，人工增施CO2必然成为人们的选择。在国外，许多设施栽培发达的国家对作物增施CO2做了大量的研究，CO2施肥技术的推广及应用较早，英国通过温室内增施CO2，可以提高作物产量30%左右，美国50%、挪威75%、荷兰90%以上的温室作物生产采用CO2施肥，并在提早上市及提质增效方面取得了良好的效果[8，9]。

我国设施蔬菜产业由于缺乏科学的管理，盲目施肥用药等因素使得土壤严重次生盐渍化，造成连作障碍影响设施蔬菜的产量和品质[10]。而CO2施肥技术向着减肥减药的方向发展，为设施蔬菜产业提质增效及绿色健康发展提供了新思路。本文通过增施不同浓度的CO2，研究施肥浓度对黄瓜生长发育及产量的影响，为设施蔬菜增产保质，选择合适的CO2施肥浓度提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

由山西省介休市兴海种苗有限公司提供黄瓜品种“兴海7号”。

1.2 试验设计

试验于2016年12月-2017年4月在山西农业大学园艺学院园艺站日光温室中进行，秧苗于12月29日，三叶一心时定植，缓苗后连续进行CO2施肥处理，其它管理同常规。

试验设置4个CO2浓度处理，CK(400±25) μmol·mol-1、E1(800±25) μmol·mol-1、E2(1 200±25) μmol·mol-1、E3(1 600±25) μmol·mol-1。在日光温室中各处理分别用塑料薄膜隔离成相对独立空间，每个隔室长7 m、宽8 m为1个处理，各处理种植6个小区，每小区种植2行，大行距80 cm，小行距50 cm，株距40 cm，每个小区定植36株。

CO2施肥传感器采用瑞士维瓦斯GM-220型(精度为±3%)，设备采用邯郸盛炎电子科技有限公司提供的智能自动释放设备(外接CO2气体压缩钢瓶)。施肥时间于晴天早上保温被卷起30 min后开始，室内温度高于35 ℃时放风停止施放；下午关闭风口后继续释放直到保温被降下为止。晴天施肥时间大约4 h，阴雨雪天气不释放。

1.3 测定项目与方法

每个处理随机选取5株，分别测定CO2施肥后第10、25、40、55、70天的生长指标，用米尺测定株高、游标卡尺测定茎粗、黄瓜长度、横径，叶面积采用手持式活体叶面仪测定，用分析天平测定干、鲜重，产量采用精度到g的电子秤称量；净光合速率采用美国LICOR 公司生产的LI-6400 便携式光合仪测定，选取黄瓜生长点以下第4片完全展开的功能叶。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件对数据进行处理和作图，利用 SAS 8.0 软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理间CO2浓度、温度、光照的日变化

由图1a可见，各处理的温度变化趋势相同，无明显差异，在8：00时温度为一天中最低，约17 ℃，之后随着光照强度的增加，设施内各处理温度上升，在12:00时温度接近35 ℃，进行放风，各处理温度迅速下降，之后随光照强度增加仍会出现一个峰值，在15:00以后温度开始下降；图1b中各处理的光照强度日变化基本一致，在13:00光照强度达到最大，达1 000～1 100 μmol·m-2·s-1；所以不同CO2浓度处理间温度、光照变化一致，符合试验要求。由图1c可见，8：00时各处理CO2浓度较高，在1 600～1 900 μmol·mol-1之间，是由夜间植物呼吸及有机肥发酵产生大量CO2，而E2、E3偏高是因为在此之外人工增施CO2使得整个环境就处在高浓度下，之后随光照增强和温度的上升，植物光合作用加快，各处理CO2浓度下降，当下降到该处理设定的浓度范围，自动CO2施肥，维持在一定水平，中午由于温度过高进行通风，CO2浓度开始下降，在14:00关闭风口，继续增施，CO2浓度迅速升高至稳定，对照处理在8:00～11:30，浓度一直下降，之后保持稳定，E1、E2、E3处理变化趋势较一致，且各处理施肥时间满足每天4 h，符合试验要求。

图1 不同CO2浓度施肥处理温度、光照的日变化Fig.1 Diurnal variation of different CO2 concentrations on Temperature and Light intensity

2.2 不同CO2浓度施肥对黄瓜生长的影响

2.2.1 不同CO2浓度施肥对黄瓜株高的影响

由图2可见，在CO2施肥10 d后，各处理之间株高的变化没有差异，直到施肥25 d后，增施CO2处理E1、E2、E3较CK表现出显著性差异(P<0.05)，特别在施肥25～40 d之间，增施CO2处理组较CK增长明显(P<0.05)，之后差异增幅较小，CO2施肥效果下降，在CO2施肥70 d时，处理组较CK株高分别增长36.8%，43.9%，64.8%，各处理间相比，施肥浓度E3株高增长最为明显，E2和E1相近，E3较E1增施CO2翻倍，株高增长只提高20.5%，因此选择800 μmol·mol-1比较合适；说明设施内增施CO2能使黄瓜株高增长，在施肥前期效果最为明显，同时达到一定浓度后增幅较小，在此基础施加高浓度CO2并不能使株高显著增长。

图2 不同CO2浓度施肥对黄瓜株高的影响Fig.2 Effects of different CO2 concentration on cucumber plant height 注: 相同天数不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note：Different capital letters in the same time mean significant difference at the 0.05 level.

2.2.2 不同CO2浓度施肥对黄瓜茎粗的影响

从图3可见，各处理对黄瓜茎粗的影响同株高的变化趋势相似，但不同于株高变化的是，施肥10～25 d，增施CO2处理茎粗就有明显的变化，且差异达显著水平,在施肥25 d时，处理E1、E2、E3比CK分别增长了20.49%、34.2%、37.1%，而当施肥70 d后，处理E1、E2、E3比CK分别增长了26.7%，31.0%，34.2%，增施CO2前期效果显著，之后继续增施，且E2、E3增长幅度有所下降。说明增施CO2能增加黄瓜的茎粗，在施肥前期就有明显的效果。

图3 不同CO2浓度施肥对黄瓜茎粗的影响Fig.3 Effects of different CO2 concentration on cucumber stem diameter 注: 相同天数不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note：Different capital letters in the same time mean significant difference at the 0.05 level.

2.2.3 不同处理对黄瓜叶面积及叶片数的影响

从图4可知，施肥10 d，增施CO2的处理较CK叶面积差异呈显著，其中E1、E2、E3处理间差异不显著(P>0.05), 随着施肥时间和生育期的延长CO2施肥优势更加突出。施肥55 d后对黄瓜进行降蔓、去除老叶，各处理叶面积达到最大值，E2、E3单株叶面积分别达到5 016.17 cm2、5 109.51 cm2，E1、E2、E3比CK增长16.2%，25.3%，27.6%，且从图中可以明显看出，施肥10～25 d叶面积较之后相同天数增长幅度较大，说明短时间增施CO2能有效提高黄瓜叶面积的增长，长时间施肥效果有所缓减；同时，从表1中可以看出，CO2施肥前期，叶片数无明显差异，在增施CO225 d时，施CO2处理组叶片数有所增长，E3较CK差异显著(P<0.05)，之后施肥40 d、55 d时，E2、E3处理较CK差异显著(P<0.05)，增长近2片叶。说明增施CO2能有效提高叶面积的增长，更有利于植物光合作用的进行。

图4 不同CO2浓度施肥对黄瓜单株叶面积的影响Fig.4 Effects of different CO2 concentration on cucumber plant leaf-area 注: 相同天数不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note：Different capital letters in the same time mean significant difference at the 0.05 level.

2.2.4 不同处理对黄瓜植株干重、鲜重的影响

从表2可见，随着各处理间CO2浓度的增加，黄瓜植株地上部、地下部的鲜重均呈增长趋势，其中地上部鲜重增施CO2处理较CK差异显著(P<0.05)，E1、E2、E3较CK分别增长57.47%、70.12%、102.91%，说明增施CO2有利于植株营养物质及水分的吸收；同时CO2浓度升高增加了黄瓜地上部、地下部的干物重，E1、E2、CK间差异不显著(P>0.05)，E3较CK差异显著，地下部干重比CK增长43.70%，地上部干重增长70.70%。说明增施CO2有利于植物干物质的积累，反映了光合作用能力的增强。

表1不同CO2浓度对黄瓜叶片数的影响

Table1 Effects of different CO2concentration on cucumber leaf number

处理Treatments施肥天数Fertilizationtime/d0d10d25d40d55d70dCK34.6a8.2b10.0c12.4b12.0aE135.0a9.2ab10.6bc13.6ab12.0aE234.8a9.2ab11.8a14.0a13.0aE335.0a9.6a11.4ab14.0a12.6a

注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note：Different capital letters show significant difference at the 0.05 level in the same row.

表2 不同浓度CO2施肥55天对黄瓜鲜重、干重的影响Table 2 Effects of different CO2 concentration on fresh and dry plant weight of cucumber in 55 days

注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note：Different capital letters show significant difference at the 0.05 level in the same row.

2.3 不同处理对黄瓜果实发育与产量的影响

2.3.1 不同处理对黄瓜果实发育的影响

由图5可见，设施内CO2施肥对黄瓜的果长和果实横径有明显的影响，但对幼瓜的影响不明显，从记录的第5 d开始，增施CO2处理的果长、果实横径快速增长，第11 d，增施CO2处理E1、E2、E3较CK果长分别增加24.02%、29.41%、33.8%，果实横径增长17.19%、22.43%、19.76%，增施CO2处理间增长较一致，说明高浓度CO2能加快果实发育，且到果实膨大阶段影响更加显著。

2.3.2 不同CO2浓度施肥对黄瓜产量的影响

本试验以2月12日-4月12日的产量为衡量标准，从表3可以看出CO2施肥，可以使得产量相对增长，其中单果重有明显的效果，E1、E2、E3较CK分别增重11.4%、16.65%、14.5%，增施CO2有效提高结瓜数，致使单株产量有明显差异(P<0.05)，E1、E2、E3分别增长1.44倍、1.34倍、1.39倍，小区产量更直观显示增施CO2的作用，较对照分别增长44.3%，34.2%，39.0%，E1较CK增幅较大，施CO2浓度800 μmol·mol-1对产量影响最为显著(P<0.05)。说明增施CO2能够有效提高设施黄瓜的产量，且过多的增施CO2达不到继续增产的效果。

图5 不同CO2浓度施肥对黄瓜果实发育的影响Fig.5 Effects of different CO2 concentration on cucumber fruit development

Table9 Effects of different CO2concentration on cucumber yield

处理Treatments单果重/gPerfruitweight单株结果/个Fruitnumberperplant单株产量/kg·株-1Yieldperplant小区产量/kgPlotyieldCK123.7b7.2b1.656b496.86E1137.8ab8.9a2.390a717.02E2144.3a8.6a2.223a666.99E3141.6ab8.5a2.302a690.56

注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note：Different capital letters show significant difference at the 0.05 level in the same column.

图6显示各不同CO2浓度处理黄瓜产量形成的5个阶段，可以看出，各处理产量呈先增加后下降的趋势；每个阶段里，E1、E2、E3较CK产量都有差异，且前3个阶段差异显著，增施 CO2效果明显，在第1阶段各处理产量较低，由于黄瓜处于结果初期及根瓜等影响；第2阶段，增施CO2浓度处理较CK产量增长将近1倍，增施效果明显，且E1、E2、E3之间无差异(P>0.05)；第3阶段，CK组产量较前2个阶段明显增加，与增施CO2处理组仍差异显著，其中E2较其他处理优势明显；第4阶段， 各处理产量都有所减少，E2增产效果依然明显；最后阶段，增施CO2处理和CK产量相近，施肥效果减弱；说明增施CO2可以有效提高黄瓜产量，且主要集中在前期阶段，后期施肥作用不明显，浓度为800 μmol·mol-1的增产效果最佳。

图6 不同CO2浓度施肥对黄瓜阶段性产量的影响Fig.6 Effects of different CO2 concentration on cucumber Yield at different time periods

2.4 不同CO2浓度施肥70天对黄瓜叶片净光合速率日变化的影响

图7 不同CO2浓度施肥70 d黄瓜叶片净光合速率的日变化Fig.7 Diurnal variation of different CO2 concentrations on photosynthesis of cucumber in 70 days

由图7可知，在黄瓜结果盛期，CO2施肥70 d，黄瓜叶片的净光合速率日变化曲线呈先上升后下降，主要随温度、光照强度变化而改变；8：00～11:00随温度、光照升高，Pn迅速增大，14:00之后，随温度、光照降低，Pn随之下降，最大值(Amax)出现在12:00左右；与CK相比，E1、E2、E3的Amax分别增长70.05%、95.49%、95.87%，数据分析可得，处理E1、E2、E3较CK差异极其显著(P<0.01)，但E1、E2、E3各自之间的差异不显著(P>0.05)，CO2浓度800 μmol·mol-1能够明显提高叶片的净化合速率；由此可见，增施CO2能有效提高黄瓜叶片的光合能力，更有利于光合产物的积累。

3 讨论与结论

CO2是植物进行光合作用的原料，限制着光合产物的形成，是黄瓜生长发育的关键因素之一。有研究表明CO2施肥可以使西葫芦、番茄、大白菜等蔬菜的株高、茎粗、植株干鲜质量、叶面积、根系活力、产量等生长指标显著增加[11～13]。本研究表明，在黄瓜的整个生长期，随着施CO2浓度的升高，黄瓜的营养生长株高、茎粗、叶面积、地上部干重、鲜重也有明显的增长，从果实生长发育和产量来看，增施CO2浓度明显加快了果实的生长，提高了产量，当施肥浓度为800 μmol·mol-1时，能有效增产43.3%，而且CO2施肥前期对产量影响较大。朱世东等[14]认为增施CO2能使温室樱桃番茄增产6.21%～12.91%，且浓度为1 000 μmol·mol-1最适宜；蒋跃林等[15]研究表明CO2浓度升高对大豆株高、茎粗、叶面积、比叶重影响显著，施肥浓度为750 μmol·mol-1能有效提高产量29.1%；同时潘玖琴等[16]对4个辣椒品种进行增施CO2处理，增产幅度为10.62%～16.12%。

本研究表明，增施CO2浓度显著提高了黄瓜叶片净光合速率，这与前人研究结果一致[17]。增施CO2浓度可以有效提高RuBpcase羧化活性，降低RuBpcase加氧活性，限制了光呼吸，最终使得净光合速率的增长[18]，使得同化物积累增多，作物生长发育加快，产量增加[1]。

近几年研究发现，施CO2浓度过高或者施用时间过长也不利于蔬菜的生长，造成植株营养生长过旺[19]，还会导致RuBpcase活性降低，限制了RuBp和CO2催化结合，净光合速率下降[20]。因此，CO2施肥需要在合适的浓度，本试验结果表明CO2施肥浓度为800 μmol·mol-1时，能促进黄瓜的生长发育，过多的增施可能促进了植株营养生长但并不能有效提高产量，反而会增加施用CO2成本。这为CO2施肥技术在我国温室蔬菜生产中的推广及应用提供了理论依据。

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