增施CO2對設施土壤栽培番茄的生長、產量和養分吸收特性的影響

王立革，郭 珺，韓 雄，王勁松，董二偉，武愛蓮，焦曉燕

(山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西 太原 030006)

現代煤化工過程產生的CO2直接排放到大氣中，不僅會產生溫室效應，而且還會造成空氣污染[1]。CO2作為植物光合作用的底物，參與90%～95%的植物干物質量的形成[2]。由于設施環境長期處于封閉或半封閉狀態，導致蔬菜生長后期出現CO2虧缺現象[3]，影響蔬菜產量[4-5]。因此，將煤化工產生的CO2應用于設施蔬菜生產[6]對于減少CO2排放和蔬菜安全生產都具有重要的意義。

前期的研究主要是從蔬菜的葉片結構[7]、光合速率[8]、產量[3]以及品質[9]對增施CO2的響應。袁會敏等[10]研究了在鹽脅迫下增施CO2黃瓜幼苗對養分吸收的影響。增施CO2對番茄養分吸收影響的研究雖有報道，但采用的是水培和沙培的室內培養方法[11-12]，并且研究周期較短，均在30 d以內，對于指導實際生產有一定的局限性，而且不同生長介質也會影響作物根系生長[13-14]，進而影響其對養分的吸收。增施CO2條件下，蔬菜對養分的吸收直接關系到設施栽培的施肥管理。

我國目前設施蔬菜生產仍以土壤栽培為主[15]，為此本試驗在傳統土壤栽培模式下，采用CO2自動釋放系統，研究了增施CO2對越冬茬土壤栽培番茄物候期、產量及養分吸收量的影響，以期為設施蔬菜實際生產中增施CO2條件下的科學施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

定植前撒施腐熟雞糞27 t/hm2和牛糞56 t/hm2，雞糞養分含量為：有機質 25.5%、全N 25.31 g/kg、全P 4.82 g/kg、全K 9.58 g/kg，牛糞養分含量為：有機質24.8%、全N 14.58 g/kg、全P 3.82 g/kg、全K 10.69 g/kg，同時條施氮肥(N)120 kg/hm2、磷肥(P2O5)120 kg/hm2、鉀肥(K2O)120 kg/hm2，旋耕后起梯形高壟[16]，全生育期采用水肥一體化灌溉追肥，灌溉量2 700 t/hm2，追施氮肥(N)159 kg/hm2、磷肥(P2O5)82.5 kg/hm2、鉀肥(K2O)247.5 kg/hm2。

試驗共設2個處理，增施CO2和CK(自然環境)，為保證試驗環境的一致性，在溫室內南北搭建塑料膜隔斷，將溫室分為東和西兩部分，東部為增施CO2處理區，西部為CK處理區，在每處理區分別設置東西長12.4 m、南北寬11.5 m的3個小區作為重復，進行植株調查和樣品采集。

2016年1月28日開始(定植62 d)，晴天時每天11:30～15:30開啟溫室頂風口溫室內通風換氣，其余時間風口完全關閉；自2016年4月7日起(定植132 d)，溫室頂風口處于晝夜開啟狀態。增施CO2處理區每天9:00～12:00、15:00～16:00光合較強時自動釋放CO2氣體，CO2濃度設置為700～800 μmol/mol，自然環境為對照處理(CK)。分別在CO2增施區和CK區番茄冠層上部，每間隔15 m懸掛CO2氣體傳感器，每間隔15 min采集并記錄1次數據；在增施CO2區距地面2.2 m處，等距離安裝8個CO2自動釋放裝置；在設定時段自動釋放純度≥99%的CO2氣體，保證空氣中CO2濃度不低于700 μmol/mol，在此期間增施CO2區和CK區的澆水、施肥、放風等農事操作和管理水平一致。

1.2 樣品調查、采集及測定方法

從定植45 d開始，每天觀察并記錄固定的20株植株第一穗的花期、座果、果實膨大等物候期變化特征，每個物候期均以50%的植株為準，即50%的植株第一穗開花后，該時期記作花期時間；每間隔15 d調查不同處理區番茄的株高、葉片數等形態指標，定植后110 d因番茄生長點超出溫室內鋼絲層(固定秧蔓作用)，且第一層果未成熟不能落秧，因此對番茄植株進行摘心封頂；進入采收期后，每處理區(3次重復)單獨記產，最后換算為公頃產量。

定植45、90、135、180 d采集植株樣品(地上部)，將莖葉和果實分開，帶回室內沖洗干凈后105℃殺青30 min，在65℃恒溫下烘干至恒重，計算生物量，粉碎后用于氮磷鉀養分的測定。植株N含量用濃H2SO4消煮，全自動凱氏定氮儀測定；用1∶3濃HClO4和濃HNO3消煮，釩鉬黃法紫外分光光度計測定全P含量，火焰光度計測定全K[17]。根據養分含量及生物量計算養分累積吸收量。

1.3 數據處理

用Excel 2010制作圖表，用Minitab 15進行t檢驗數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 空氣溫度及CO2濃度變化

從番茄的花期(定植后50 d)、采收期(定植后120 d)和生長后期(定植后160 d)溫室內空氣溫度及CO2濃度變化特征(圖1)可以看出，開花期(定植后50 d)，增施CO2區的空氣溫度與CK區相當，采收期(定植后120 d)和生長后期(定植后160 d)，增施CO2區的空氣溫度均低于CK區。從圖中可以看出，花期的最高溫出現在14：00左右，采收期(定植后120 d)最高溫出現在16：00左右。主要是因為前期外界氣溫較低，頂風口長期處于關閉狀態，從定植后62 d開始，晴天時每天11：30～15：30開啟溫室頂風口，所以花期最高溫的時間點比采收期前移；隨著外界溫度逐步升高，定植后132 d溫室頂風口處于晝夜開啟狀態，而此時的最高溫出現在14：00左右，但整體溫度均高于花期和采收期。

從CO2變化趨勢圖中可以看出，在花期(定植后50 d)和采收期(定植后120 d)，無論是增施CO2區還是CK區，從7：00開始至10：00期間，溫室CO2濃度均高于700 μmol/mol；從10：00至12：00期間，增施CO2區室內的CO2濃度均高于700 μmol/mol，而對照區室內的CO2濃度已降至700 μmol/mol以下。生長后期，雖然在設定時間內(9：00至12：00；15：00至16：00)補充CO2氣體，但由于頂風口長期處于開啟狀態，增施CO2區室內的CO2濃度在600 μmol/mol上下波動，均低于設定的范圍值，但仍比CK區高。

2.2 生長發育和產量

2.2.1 生長發育

與CK區比較，增施CO2促進了番茄的生長發育，第一穗的花期、座果期、果實膨大期、果實轉色和采收期分別提前了4、4、6、15和22 d。而且增施CO2也縮短了各物候期，其中從座果期進入果實膨大期，CK區為6 d，增施CO2區為4 d，相對提前了2 d；從果實膨大期進入轉色期，CK區為44 d，增施CO2區為35 d，相對提前了9 d；從果實轉色期進入采收期，CK區為21 d，增施CO2區為14 d，相對提前了7 d。

圖1 不同時期不同處理區空氣溫度以及CO2濃度變化趨勢

與對照區相比，增施CO2對設施番茄的株高和葉片數影響不大，但增加了花層和果層數量(表1)，定植后60～90 d，增施CO2區番茄的花層和果層數量均顯著高于CK區(P<0.05)；定植后105～135 d，增施CO2對番茄花層和果層沒有明顯影響(P>0.05)，這可能與定植后110 d采取了摘心封頂有關。

表1 增施CO2對番茄生長發育的影響

注:數值后不同字母表示同一指標不同處理間0.05水平差異顯著。

2.2.2 產量

增施CO2對設施番茄產量的影響見圖2。從圖中可以看出，增施CO2處理于定植后112 d開始采收，而CK區為134 d，整個生育期番茄累計產量始終高于CK區；由于增施CO2縮短了座果期到采收期的時間，故每時段增施CO2均提高了番茄產量；從整個生育期番茄的累計產量來看，增施CO2處理區為86 142.9 kg/hm2，是CK區62 491.1 kg/hm2的1.4倍，增產效果明顯，產量提高了37.8%。

圖2 增施CO2對番茄產量的影響

2.2.3 干物質累積量

增施CO2不同程度的增加了設施番茄干物質累積量(表2)，在定植后45、90、135和180 d，增施CO2區番茄莖葉干物質量相比CK區分別提高了3.3%、0.6%、5.7%、0.9%，統計分析顯示，差異均未達到顯著水平(P>0.05)；定植后90、135、180 d，增施CO2區番茄果實干物質相比CK區分別提高了37.8%、87.2%、53.0%，統計分析顯示，除了在定植后90 d差異不顯著外，其它時期差異均達到顯著水平(P<0.05)；就總干物質量而言，定植后45、90、135和180 d，增施CO2區番茄總干物質量相比CK區分別提高了3.3%、10.2%、24.3%、24.2%，統計分析顯示，除了在定植后180 d差異顯著外(P<0.05)，其它時期差異均未達到顯著水平(P>0.05)。

整個生育期，增施CO2區番茄總干物質累積量為14 140.1 kg/hm2，其中果實干物質累積量為8 270.0 kg/hm2，占總干物質量的58.5%；CK區番茄總干物質累積量為11 224.4 kg/hm2、果實干物質累積量為5 406.1 kg/hm2，占總干物質量的48.2%。

表2 增施CO2對番茄干物質累積量的影響 (kg/hm2)

注： 數值后不同字母表示同一植株部位不同處理間0.05水平差異顯著。

2.3 增施CO2對番茄養分含量及累積吸收量的影響

2.3.1 養分含量

增施CO2對不同生育期番茄植株不同部位的養分含量有一定的影響(表3)。就莖葉中氮含量而言，定植后45 d，增施CO2明顯降低了番茄莖葉中氮的含量(P<0.05)，而在定植后90、135、180 d，增施CO2區番茄莖葉中氮含量均高于CK區，但統計分析顯示，差異均未達顯著水平(P>0.05)；就果實中的氮含量而言，在定植后90、135 d，增施CO2區番茄果實中氮含量均高于CK區，而定植后180 d低于CK區，統計分析顯示，差異均未達到顯著水平(P>0.05)；說明增施CO2明顯降低了番茄前期莖葉中氮的含量，對中后期無論是莖葉還是果實中氮含量無明顯影響。

從增施CO2對番茄植株磷含量的結果可以看出，在定植后45、90、135和180 d，除了在定植后90 d，其它時期增施CO2區番茄莖葉中磷含量均高于CK區，統計分析顯示，只有在定植后45 d和180 d差異顯著(P<0.05)；定植后90、135和180 d，增施CO2區番茄果實中磷含量均高于CK區，統計分析顯示，差異均未達到顯著水平(P>0.05)。說明增施CO2可明顯增加番茄前期和后期莖葉中磷的含量。

增施CO2對番茄植株鉀含量有不同程度的影響，定植后45 d，增施CO2明顯降低了番茄莖葉中鉀含量(P<0.05)，隨著生育期延長，增施CO2區番茄莖葉中鉀含量呈現出有增有減的變化趨勢，定植后180 d，增施CO2明顯增加了番茄莖葉中鉀含量(P<0.05)；整個生育期，增施CO2對番茄果實中鉀含量無明顯影響(P<0.05)。

2.3.2 養分吸收量

氮隨著番茄生育期的延長，氮素累積吸收量不斷增加(表4)，從移栽定植到定植后45 d，增施CO2區番茄莖葉累積吸氮量為19.5 kg/hm2，相比CK區17.2 kg/hm2增加了13.1%，統計分析顯示，差異極顯著(P<0.01)。

表3 增施CO2對番茄植株養分含量的影響

注：數值后不同字母表示同一植株部位不同處理間0.05水平差異顯著。

表4 增施CO2對番茄不同生育期氮、磷、鉀養分吸收量的影響 (kg/hm2)

注：表中數值后不同小寫、大寫字母分別表示同一養分不同處理間0.05和0.01水平差異顯著。

定植后45～90 d，番茄逐步進入座果和果實膨大期(第一層果)，植株吸氮量迅速增大，其中，增施CO2區番茄莖葉吸氮量為88.9 kg/hm2，極顯著高于CK區50.9 kg/hm2(P<0.01)；果實累積吸氮量為24.0 kg/hm2，高于CK區16.2 kg/hm2，但統計分析結果差異不顯著(P>0.05)；莖葉和果實總吸氮量為113.0 kg/hm2，是CK區67.0 kg/hm2的1.7倍，差異顯著(P<0.05)。

定植后135 d，增施CO2區番茄莖葉吸氮量為165.1 kg/hm2，顯著高于CK區135.1 kg/hm2(P<0.05)；果實吸氮量為39.2 kg/hm2，極顯著高于CK區的17.5 kg/hm2(P<0.01)；莖葉和果實總吸氮量為204.3 kg/hm2，是CK區152.6 kg/hm2的1.3倍。

從定植后90 d到收獲(定植后180 d)，氮素在植株體內的分配均表現出莖葉>果實。整個生育期，增施CO2區番茄莖葉和果實總吸氮量為515.4 kg/hm2，比CK區的361.7 kg/hm2增加了42.5%，差異顯著(P<0.05)；其中，莖葉和果實吸氮量分別為325.5和158.7 kg/hm2，相比CK區的250.6和111.1 kg/hm2分別增加了30.0%和42.8%。

磷從表4中植株對磷的吸收量分析結果可以看出，開花前期(移栽定植到定植后45 d)，番茄主要以營養生長為主，無論是增施CO2區還是CK區，番茄對磷吸收量均較小。

從開花座果到采收期(定植后90～135 d)，植株對磷的吸收量明顯增大。定植后90 d，增施CO2區的番茄莖葉和果實吸磷量分別為19.4和5.8 kg/hm2，均高于CK區的17.0和3.6 kg/hm2，但差異不顯著(P>0.05)；莖葉和果實總吸磷量表現出，增施CO2區為25.2 kg/hm2，顯著高于CK區的20.6 kg/hm2(P<0.05)。

定植后135 d，增施CO2區番茄莖葉吸磷量為40.6 kg/hm2，顯著高于CK區37.2 kg/hm2；果實吸磷量9.1 kg/hm2，極顯著高于CK區的3.7 kg/hm2；莖葉和果實總吸磷量相比CK區提高了21.6%，差異極顯著(P<0.01)。

定植后180 d，增施CO2區番茄莖葉和果實總吸磷量為145.2 kg/hm2，是CK區90.1 kg/hm2的1.6倍，相對提高了61.1%，差異極顯著(P<0.01)；其中，莖葉、果實吸磷量分別(108.5、36.8 kg/hm2)是CK區(70.9、19.2 kg/hm2)的1.5和1.9倍。

鉀鉀對番茄的品質有一定的影響，從表4可看出，定植后45 d，植株對鉀的吸收量介于氮和磷之間，其中，增施CO2區番茄吸鉀量為16.1 kg/hm2，極顯著低于CK區的21.8 kg/hm2(P<0.01)。

進入開花座果期(定植后90 d)，植株對鉀的吸收量迅速增大，其中，增施CO2區番茄莖葉、果實吸鉀量分別為83.7、18.5 kg/hm2，均高于CK區的64.5、9.2 kg/hm2，但差異不顯著(P>0.05)；莖葉和果實總吸鉀量102.2 kg/hm2，比CK區的73.6 kg/hm2提高了38.9%，差異達到顯著水平(P<0.05)。

定植后135 d，無論是莖葉、果實以及總吸鉀量，增施CO2區與CK區無明顯差別。定植后180 d，增施CO2區番茄莖葉和果實總吸鉀量為327.2 kg/hm2，是CK區217.3 kg/hm2的1.5倍，相對增加了50.6%，差異顯著(P<0.05)；其中，莖葉累積吸鉀量為179.3 kg/hm2，相比CK區的123.9 kg/hm2提高了55.4%，差異達到顯著水平(P<0.05)；果實累積吸鉀量193.4 kg/hm2，極顯著高于CK區的93.5 kg/hm2，相對提高了105.5%。

3 討論

3.1 空氣溫度及CO2濃度變化

對不同處理區的空氣溫度和CO2濃度變化監測結果顯示，番茄從定植到開花座果期(第一層)，10：00之前，CK區CO2最低濃度在700 μmol/mol左右波動，與設定的最低CO2濃度相當，說明在此期間，沒有釋放CO2的必要，此結果與楊延杰[18]等的研究結果一致，這可能與土壤釋放CO2氣體[19]以及施用的有機肥中有機碳礦化[15]有關。隨著時間的推移，作物光合作用增強，在10：00之后，CK區CO2濃度迅速下降，而增施CO2區的自動釋放裝置啟動，隨時補充氣體，保證處理區CO2濃度維持在700～800 μmol/mol，從而說明該時間段是釋放CO2的最佳時期。

隨著作物生育期的延長以及外界氣溫的逐步回升，尤其是到了番茄生長后期，溫室風口長期處于開啟狀態，所以無論是增施CO2區還是CK區，溫室內CO2濃度均處于較低水平，但增施區的CO2濃度始終高于CK區。

3.2 生長發育

物候期是制定農業技術措施時的重要參考依據，也是植物響應氣候變化的敏感指標之一[20]，本研究結果表明，增施CO2促進了番茄的生長，其中花期(第一穗)、座果期(第一層)、果實膨大期、轉色和采收期均有所提前；但對番茄葉片數無明顯影響，此結果與王紅玉等[5]研究結果一致。在本試驗環境條件下，增施CO2對番茄的株高無影響，與魏珉等[21]和李寧等[22]研究結果不一致，但與鄒春蕾等[8]的結果一致，這可能與栽培條件、番茄品種和CO2濃度有關。

定植后45～90 d，番茄處于開花座果前期，主要是以營養生長為主，增施CO2區雖然明顯增加了番茄的花層和果層數量，但干物質累積量與CK區相比并沒有顯著增加。從定植后90 d開始，果實逐步進入膨大期，增施CO2區番茄總干物質累積量相比CK區增幅10.2%～26.0%，而果實干物質累積量增加幅度在37.8%～87.2%；定植后135 d增加的幅度最高。這主要是因為在定植后110 d時，采取了摘心封頂的農事操作，而且增施CO2區番茄的果層和花層數量又顯著高于CK區，當摘心封頂后，植株主要以膨果生長為主，所以果實干物質累積量所占的比例較大。

增施CO2明顯增加了番茄的花層和果層數量，而且也提前了各物候期，所以相比CK區而言，采收期提前了22 d，從采收到拉秧，增施CO2區的番茄產量相比CK區提高了37.8%。

3.3 養分含量及累積吸收量

本研究結果表明，增施CO2顯著降低了番茄開花前(定植后45 d)莖葉中氮的含量，與前人研究結果一致[4]，但和于成艷等[11]研究不同。該時期增施CO2并未明顯增加番茄干物質累積量，因此對于增施CO2對養分含量稀釋作用[12,23]的解釋與本試驗結果不符，從而說明在設施土壤栽培條件下，增施CO2氣體，番茄植株(開花前期)明顯增加了對氮的吸收。隨著生育期的延長，增施CO2對番茄植株(包括莖葉和果實)中氮含量仍無明顯影響，而且番茄干物質累積量也無明顯增加，但明顯增加了不同生育期番茄莖葉和果實氮的累積量，這可能與增施CO2與養分的交互作用有關[5]，此原因還需做進一步的分析。

在本試驗條件下，增施CO2區番茄整個生育期對磷的累積吸收量相比CK區提高了61.1%。從不同生育期植株體內磷含量的分析結果可以看出，增施CO2明顯增加了生長前期(定植后45 d)和后期(定植后180 d)番茄植株莖葉中磷的含量，而對于生長中期(定植后90～135 d)無明顯影響，但增施CO2明顯增加了番茄生長中期(定植后60～135 d)的花層和果層數量。由以上研究結果推斷，增施CO2促進了番茄由營養生長向生殖生長的轉變，增加了植株體內磷的含量，促進其花芽分化，導致該時期植株對磷的吸收量顯著增加。也有研究表明，增施CO2可促進作物根系生長，改變根系結構[12,24]，增強根系從土壤中獲取水肥的能力，同時增加根系分泌物[7]，對難溶性磷起到了活化作用，從而增加了對磷的吸收[12]。由于在本試驗條件下，并未研究增施CO2對番茄根系以及根系分泌物的影響，因此，在土壤栽培條件下，增施CO2促進番茄對磷的吸收有待做進一步研究。

鉀在蔬菜生長中對其產量的影響較大，本研究結果表明，生長前期(定植后45 d)，增施CO2區番茄莖葉中鉀含量顯著低于CK區，與于承艷等[11]和袁會敏等[25]研究結果一致。其原因可能是由于生長前期增施CO2區番茄莖葉的生物量高于CK區，對鉀的含量起到了稀釋作用。隨著生育期的延長，在定植后90 d，增施CO2區無論是莖葉還是果實中鉀的吸收量均高于CK區，說明了增施CO2促進了該時期番茄植株對鉀的吸收。在定植后135 d的時候，增施CO2區無論是莖葉還是果實中鉀的吸收量與CK區相當，這可能與110 d摘心封頂的農事操作有關。收獲拉秧時(定植后180 d)，增施CO2區番茄植株對鉀的總吸收量相比CK區增加了55.4%。其原因分析有兩點，第一、在收獲拉秧時發現，增施CO2區番茄植株葉片保持綠色，而CK區番茄植株葉片已枯萎發黃，雖然增施CO2區番茄莖葉的生物量僅高出CK區0.9%，但從植株養分含量的分析結果可知，收獲拉秧時(定植后180 d)，CK區番茄植株葉片中鉀含量為6.0 g/kg，而增施CO2區為18.3 g/kg，極顯著高于CK區，也就是說本試驗在收獲拉秧時CK區番茄莖葉枯萎發黃已導致葉片內鉀素的回流。所以在收獲拉秧時增施CO2區番茄莖葉中鉀的累積吸收量相比CK區增加了55.4%。第二、增施CO2區果實中鉀含量高于CK區39.8%，番茄產量提高了37.8%，生物量提高了53.0%，果實鉀累積吸收量相比CK區提高了105.5%，所以增施CO2區番茄果實對鉀的累積吸收量所占比例較大。也有研究表明[26]，當CO2濃度達到1 000 μmol/mol時，增施鉀肥可促進黃瓜干物質量和對鉀的吸收。因此，增施CO2和供鉀水平對番茄生長的交互作用還需深入的研究與探討。

4 結論

設施番茄越冬茬土壤栽培，從移栽定植到定植后100 d期間，每天10：00之前設施內CO2濃度在700 μmol/mol左右，無需對棚室內進行補充CO2氣體。

增施CO2可使番茄各物候期明顯提前，花層和果層數量明顯增加。

增施CO2條件下，整個生育期番茄對氮吸收量明顯增加，實際生產中應重視氮肥的投入；開花座果期，番茄對磷、鉀的吸收量顯著增加，其中磷的吸收量達到極顯著水平，實際生產中應重視磷、鉀的投入，尤其是磷的投入。