基于設施內外零濃度差的CO2增施對日光溫室草莓生產的影響

賀冬仙　古在豐樹　竇海杰

【摘要】針對日光溫室冬季生產頻繁發生的CO2虧缺問題，提出了一種基于設施內外零濃度差的CO2增施調控方法，開發裝置后在北京市小湯山進行了為期2年的日光溫室草莓栽培應用測試。結果表明：零濃度差CO2增施調控與無CO2增施相比，日光溫室草莓葉片的凈光合速率提高了26%～41%，果實的單果重提高了20%～50%、糖酸比提高了21%～47%，設施產量增加14%～21%、實際凈增收19%～23%；與定時施放和高濃度施放的CO2增施調控相比，其草莓植株的生長發育、設施產量和果實品質無顯著性差異，但氣肥利用效率高，有效地避免了CO2氣體外泄對環境的二次污染。因此，基于設施內外零濃度差的CO2增施調控是一種安全可靠、節能高效的設施CO2增施促產技術。

溫室設施在冬季為了保溫即使白天也有部分時間處于相對密閉的環境，如果不能及時補充CO2氣體則會使得設施內CO2虧缺現象頻繁發生。Sanchez-Guerrero等研究發現，當黃瓜植株的葉面積指數達到3.0～3.5時，溫室內CO2濃度低于300 ?mol/mol的時長可達有效日長的60%[1]。由于CO2增施技術在我國幾乎未曾得到普及，日光溫室內的CO2虧缺問題嚴重地制約了設施作物的生長發育，導致其產量和品質難以得到進一步的提高[2-4]。為此，設施CO2增施技術在近年來日益被溫室栽培者和管理者所重視。日光溫室增施CO2氣體能夠有效地避免CO2虧缺現象的發生[5-6]，顯著地提高作物的水分利用效率[7]，提高草莓葉片的凈光合速率、增加果實可溶性固形物含量、提前收獲并增加產量[8-12]。目前，國內外常用的CO2增施方法主要有通風法[2]、燃燒法[5，13-14]、化學反應法[10，15-16]、秸稈發酵法[6，17-18]、及液態CO2鋼瓶法[7-8，19-20]。溫室生產在冬季通風盡管可以緩解CO2虧缺，但不利于保溫[2]；燃燒法、化學反應法及秸稈發酵法的成本較低，但其供氣速率不穩定，易產生有害氣體，不易得到有效調控[5-6，13，15，21]；液態CO2鋼瓶法氣源穩定，但初期投入大，且高濃度施放易產生泄漏損失，難以滿足簡易設施的CO2增施調控的技術要求。

當日光溫室的CO2濃度由200 ?mol/mol增至400 ?mol/mol

時，設施內黃瓜、番茄和辣椒的凈光合速率可提高約55%～130%，即400 ?mol/mol的CO2增施調控顯著地促進了溫室內作物的光合作用，提高了設施作物的產量和品質，從而增加了設施經濟效益[22]。為此，本文提出了基于設施內外零濃度差的CO2增施調控方法（以下簡稱：零濃度差CO2增施），即當設施內CO2濃度低于設施外時，在設施內施放CO2氣體使其CO2濃度提高到等于或略高于設施外CO2濃度，持續使得設施內外的CO2濃度差維持在零水平，從而保證在進行CO2增施的同時避免CO2氣體的泄漏損失，從而提高CO2氣體利用效率。通過在北京市小湯山進行的為期2年的日光溫室草莓栽培試驗以評價零濃度差CO2增施的促產增收效果，為該CO2增施調控技術的應用推廣提供技術支撐。

材料與方法

零濃度差CO2增施調控裝置

零濃度差CO2增施調控裝置以液態CO2鋼瓶作為氣源，利用傳感器模塊、嵌入式信息監控模塊、執行機構模塊和供電模塊實現CO2氣體的監測與控制（圖1），所用電子元器件以適應日光溫室高濕環境為選擇依據（表1）。當設施白天溫度高于15℃，設施內CO2傳感器的檢測值低于室外CO2檢測值達15 ?mol/mol時，電磁閥驅動CO2氣體由鋼瓶經減壓閥、電磁閥、供氣管道輸出，最后由兩個風向相反的軸流風機將其均勻地擴散到日光溫室；當溫室內CO2濃度高于室外CO2濃度達15 ?mol/mol時，電磁閥關閉，停止CO2氣體施放。

日光溫室的草莓栽培

草莓（Fragaria×ananassa L.）品種選用紅顏（cv.Benihoppe）和章姬（cv.Akihime），分別于2011年到2013年在北京市昌平區興壽鎮東營草莓園的6棟日光溫室進行栽培。日光溫室的跨度為8 m、長度為50 m、脊高3.5 m，東西走向。紅顏草莓苗于2011年9月15日定植、2012年1月初開始采收、4月30日結束采收。草莓栽植密度為12株/m2，高壟雙行種植，株距20 cm×20 cm，壟寬35 cm，壟溝寬40 cm，壟深30 cm，滴灌灌溉，農戶常規管理。草莓苗定植前施腐熟農家肥

75 t/hm2（雞糞：牛糞=1：1）、復合肥750 kg/hm2，草莓栽培用土壤的全氮含量為1.67～1.82 g/kg、全磷含量為1.65～1.93 g/kg、全鉀含量為19.1～19.8 g/kg，各日光溫室之間無顯著性差異。章姬草莓苗于2012年9月18日定植，2012年12月中旬開始采收、2013年4月30日結束采收，栽培方法與上述紅顏品種一致。

試驗區設置

2年試驗均以無CO2增施處理作為對照，CO2增施處理分別為零濃度差CO2增施（Zero Concentration Difference method，ZCD），CO2定時施放（Timing CO2 Enrichment method，TCE）及CO2高濃度施放（High Concentration Control method，HCC）（表2）。CO2定時施放

采用本研究組研發的CO2增施定時調控裝置，將液態CO2鋼瓶作為氣源，每天8：30開始釋放15 min、14：30開始釋放10 min進行CO2增施，CO2氣體由鋼瓶經減壓閥、電磁閥、供氣管道和軸流風機均勻擴散至日光溫室。CO2高濃度施放法利用商業化智能精準氣肥機（Fill，深圳市潤普科技有限公司，中國）進行CO2增施（圖2）。CO2增施調控從草莓苗定植2個月后到次年3月底為止，每個CO2增施處理和對照分別采用2棟溫室作為重復。

檢測指標與方法

草莓定植緩苗后，每處理每重復隨機選取長勢一致的草莓植株10株，每月定期測定草莓葉片的光合特性、生長量及果實品質。草莓的凈光合速率采用便攜式光合儀（LI-6400，LI-COR公司，美國）的標準光源葉室，測量條件在晴天或陰天的光照強度分別設置為800 ?mol/（m2·s）或

400 ?mol/（m2·s），CO2濃度設置為400 ?mol/mol，葉溫設置為22℃，氣流速度設置為500 ?mol/s。每月測量一次草莓植株的葉數、花數及果數，拉秧前測定植株地上部和地下部的鮮重和干重。草莓開始采收后，每處理每重復隨機選取草莓果實10顆，每月定期測定其單果重、可溶性固形物含量、維生素C含量及糖酸比。可溶性固形物含量采用數顯糖度計（PAL-1，Atago公司，日本）測定；維生素C含量、可溶性糖含量及總酸含量分別采用2，6-二氯靛酚滴定法、蒽酮比色法和pH電位法進行測定[23]，并核算其果實的糖酸比。每年結束采收后累計各日光溫室的草莓產量和經濟效益。數據均采用EXCEL與SPSS軟件進行單因素方差分析（P = 0.95）。

結果與討論

日光溫室內CO2濃度日變化的影響

日光溫室內CO2濃度的變化呈不規則的“U”型，夜間由于植物及土壤旺盛的呼吸作用使得溫室內CO2濃度逐漸升高，日出后隨著作物光合作用的消耗而導致其CO2濃度迅速下降并出現CO2虧缺現象（圖3）。對照設施內的CO2濃度在15：00左右降至248 ?mol/mol，CO2虧缺現象持續時間約為4 h，CO2虧缺時間是有效日長的40%，嚴重地制約了草莓葉片的光合作用。零濃度差CO2增施使日光溫室內的CO2濃度不低于大氣CO2濃度，有效地避免了設施CO2虧缺問題的發生，且由于其設施內CO2濃度與大氣CO2濃度無顯著性差異，未造成CO2氣體泄漏損失的同時，極大地提高了CO2氣體利用效率。CO2增施處理的日光溫室夜間CO2濃度顯著高于對照溫室達67～159 ?mol/mol，這與Klaring等在溫室內進行黃瓜CO2增施（380 ?mol/mol）的試驗結果是一致的[5]。

零濃度差CO2增施對日光溫室草莓葉片光合特性的影響

幾種CO2增施都顯著地提高了日光溫室草莓葉片的凈光合速率，這是由于高濃度CO2環境在增加植物核酮糖二磷酸羧化酶（RuBP）羧化底物的同時也提高了RuBP羧化酶的活性，減少了O2對RuBP的競爭氧化，從而提高植物葉片的光合活性。與無CO2增施相比，零濃度差CO2增施分別使紅顏和章姬草莓葉片的凈光合速率提高11%～26%和7%～41%，但其草莓葉片的凈光合速率與定時施放法和高濃度施放法增施的無顯著性差異（圖4）。溫室內大氣濃度的CO2增施與定時施放和550 ?mol/mol的CO2增施調控對植物光合作用的影響無顯著性差異。

零濃度差CO2增施對日光溫室草莓植株生長發育的影響

與無CO2增施相比，零濃度差CO2增施處理的草莓植株的葉數增加了2～6片、花數增加了3～9朵、果數增加了6～8個；在4月份采收盛期，植株地上部和地下部的鮮重與干重的增幅均達43%以上（圖5）。CO2增施顯著地促進了草莓植株的光合作用，提高了干物質積累，進而有效地促進了日光溫室內草莓植株的生長發育。零濃度差CO2增施與其他CO2增施方法之間的植物生長發育無顯著性差異。

零濃度差CO2增施對日光溫室草莓品質的影響

與無CO2增施相比，不同的CO2增施處理均使草莓果實的單果重、可溶性固形物含量、維生素C含量及糖酸比有不同程度的提高，但不同的CO2增施處理之間無顯著性差異（圖6）。零濃度差CO2增施比無CO2增施相比使草莓單果重提高20%～50%，果實可溶性固形物含量提高10%～20%，維生素C含量增加約20%，糖酸比提高約21%～47%，顯著地提高了草莓果實的營養物質含量、口感和風味。

日光溫室草莓產量和經濟效益的核算

CO2增施成本包括設備投入與CO2氣源費用，將CO2鋼瓶、減壓閥、電磁閥、供氣管道、電源線、軸流風機等費用按其使用年限（CO2鋼瓶為10年，其他為5年）均攤至每年以核算其設備投入的年均折舊。零濃度差CO2增施的施放濃度較低，其CO2氣肥用量為3瓶/年，CO2定時施放和CO2高濃度施放均為4瓶/年。零濃度差CO2增施、CO2定時施放和CO2高濃度施放比無CO2增施的運行成本分別增加1525、364和1010元/年。

與無CO2增施相比，零濃度差CO2增施使日光溫室紅顏和章姬草莓采收期提前約7 天，顯著地提高了其春節前后、尤其是春節前的草莓產量，年凈增利潤率達18.5%和23.3%；CO2定時施放和CO2高濃度施放分別使日光溫室草莓增收18.0%和19.4%（表3）。與其他CO2增施方法相比，零濃度差CO2增施的促產增收效果沒有顯著性差異，但其用氣量僅為CO2定時施放和CO2高濃度施放的75%，有效地避免了日光溫室內CO2氣肥的滲漏損失和對環境的二次污染，顯著地提高了CO2氣體利用效率。由于大氣CO2濃度基本恒定，可將零濃度差CO2增施調控系統減為一個設施內CO2傳感器，當白天檢測到設施內CO2濃度低于設定濃度（約為380 ?mol/mol，可根據大氣CO2濃度調節）達15 ?mol/mol時開始增施，以降低零濃度差CO2增施的成本投入，從而進一步提高設施效益。

結論

日光溫室的冬季作物生產中，CO2虧缺現象的頻繁發生嚴重制約了設施產量和品質形成。零濃度差CO2增施提出了一種基于設施內外的CO2濃度差的CO2增施調控方法，具有促產增效、氣源穩定、操作簡便、氣肥利用效率高、無二次污染等優點，且與CO2定時施放和CO2高濃度施放的促產增效效果無顯著性差異，有效地避免了設施內CO2虧缺問題的發生，提高了設施效益。該零濃度差CO2增施調控是一種安全可靠、節能高效的設施CO2增施促產技術，適于在更多的設施作物生產中開展應用試驗以確認其普及推廣的可行性。

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*項目支持：國家科技支撐計劃項目“農業生態系統固碳減排的關鍵技術及固碳減排效果的認證技術研發”（2013BAD11B01）和現代農業產業技術體系建設專項（CARS-25-D-4）。

作者簡介：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士生導師。