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CO2增施技术在温室增产中的应用

时间:2016-04-23 13:51 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:王蕊 马健 须晖 点击次数:

  作物光合能力的提高是增加产量,提高品质的重要途径。二氧化碳(CO2)气体是作物光合作用的重要元素,对作物生长发育起着与水肥同等的作用,CO2供给不足会直接影响作物正常的光合作用。自然界大气中的CO2浓度一般在330~340 μmol/mol,这是维持植物生长的一个基本量,目前冬季设施栽培环境中,设施处于相对封闭的环境,根据测试,在温室内有日照的8 h中有5 h CO2浓度在300 μmol/mol以下,其中有2 h CO2浓度在100 μmol/mol以下,植物处于严重饥饿状态,几乎停止生长,其根本原因是CO2严重不足,植物无法完成光合作用。可见,定时定量补充CO2对温室大棚植物的生长至关重要。 

  国外对CO2施肥的研究及其应用非常重视,20世纪20年代,荷兰和丹麦开始将CO2施肥技术用于温室黄瓜及番茄生产。20世纪60年代初,日本、美国等国家也先后开展了温室蔬菜CO2施肥实用技术的研究及应用。在我国CO2施肥技术虽然早已被认可,但是在实际设施栽培生产中并没有普遍使用。分析其原因主要有两个方面:①CO2施肥后作物光合作用效果不显著。产生原因除施用时间较短以外,主要是由于植物进行光合作用需要光照、水分、温度综合环境因子的共同作用,如何适宜地调节其他环境因素(温度、光、湿度、养分等)配合CO2施肥对于施肥效果的提高至关重要。②施用后作物植株长势增强,作物产量增加不显著。虽然CO2施肥提高了作物光合作用,增强了植株长势,但由于缺乏对CO2施肥量的科学认识和调控,没有合理平衡植株营养生长和生殖生长的关系,导致作物果实中干物质积累增加不显著,没有实现增产。因此,本文将从应用CO2施肥增加产量的角度出发,介绍CO2施肥在生产中的技术应用要点。 CO2增施方法施用时期选择适宜的CO2施肥时期是节约气肥、减少投资、增加产量的关键因素。大棚蔬菜增施CO2的适宜时期,依蔬菜种类、栽培方式、土壤肥力和作物发育阶段而定。在育苗前半期(如黄瓜第三叶展开,其他蔬菜幼苗株高达20~40 cm),当蔬菜具有一定的叶面积时开始施用;对于果菜类,如蕃茄、辣椒等,可在雌花着花、开花或结果初期开始施用,而在开花坐果前不宜施用,以免营养生长过旺造成落花落果,并且要连续施用效果才显著。各种作物在不同的生长发育阶段,CO2需要量是不同的,一般苗期施用利于缩短苗龄、促进花芽分化、培育壮苗,应早施。产品器官形成初期是CO2施肥的最佳时期,定植后CO2施肥时期取决于蔬菜种类、栽培季节和肥源类型,果菜类坐果及果实膨大期是增施CO2的最佳时期;一般番茄、甜瓜开花后10~20天,黄瓜开花后增施CO2可强化光合作用,制造更多的营养物质,充分满足作物生育对养分的需求,对连续开花坐果的黄瓜、番茄、茄子等效果更为明显。在日本,黄瓜越冬栽培于近收获期开始进行CO2施肥,促成栽培则从定植后开始。在荷兰,CO2施肥通常贯穿作物全生育期。 

  从季节看,CO2施肥冬季较春季好。春季由于温室通风换气强度增大,温室施用CO2使蔬菜植株容易长势过旺,增产效果不明显,冬季由于气温低,土壤微生物分解有机质放出的CO2较少,CO2浓度不足是作物生长的限制因素,此时施用CO2效果非常明显。每天施放的时间,应结合设施内CO2浓度日变化规律,在作物光合作用开始初期开始补充CO2,日光温室在早晨揭帘后半小时,即可开始施用。阴天、雨雪天或者气温较低时不需要施用。对于调控能力较强的温室可以采用湿度调节与增施CO2并用的方式,即在施用CO2时,调节温室内相对湿度保持在80%。由于作物的光合作用是通过气孔打开状态下使CO2进入植物体内,气孔的开闭主要受水分供给状态的调节,空气湿度较低时,从叶片蒸发的水较多,如果根部供给水分低于蒸发量,气孔关闭;如果保持空气相对湿度处于80%以上,使作物叶片气孔处于打开状态,将更有助于植物进行光合作用。当然分别单独对湿度、CO2控制都可以增强光合作用,将二者并用更有助于提高的光合作用效果。施用浓度CO2浓度太高或太低均不利于光合作用的进行,并且植物长期处于高浓度CO2环境下反而会抑制植物生长发育,降低产量。根据Nederhoff等[1]的研究结果,CO2浓度在250~350 μmol/mol,作物生长量减少19%;CO2浓度在350~450 μmol/mol,作物生长量增加12%;CO2浓度在600~700 μmol/mol,作物生长量增加4%;CO2浓度在1000~1100 μmol/mol,作物生长量增加1.5%。因此从理论上将CO2浓度保持在350~1000 μmol/mol 可以提高作物产量,在实际生产中CO2浓度在350~450 μmol/mol是最为经济可行的,也就是温室CO2浓度的管理目标浓度。如图1中温室内CO2浓度变化可知,上午日出后室内CO2浓度逐渐减弱,以往施用CO2的方法也多为在日出前后,根据设施内CO2的浓度,补充2 h左右600~1000 μmol/mol的CO2气 体。补充后可以发现设施内CO2浓度在日出前后突然增大,而此时设施温度多处于较低时期,作物的光合作用正在逐渐增强阶段,植物未能完全利用补充的CO2。补充停止后,随时间推移CO2浓度逐渐降低,仍然有近5 h处于400 μmol/mol以下的时候,未能完全满足作物需求。 

  因此选择适宜浓度的CO2低限较为经济且效果稳定。即实现低浓度长时间施用CO2,如图1中虚线所示,在作物开始进行光合作用时一直保持400~600 μmol/mol的低浓度CO2,使设施内CO2一直处于满足作物光合作用的条件。日本岩崎泰永等[2]进行了关于设施内番茄高浓度CO2短时间施用与低浓度CO2长时间施用的效果对比试验,试验分为3组,①低浓度长时间施用组:6:00~16:00(10 h),CO2   浓度为400~600 μmol/mol;②高浓度短时间施用组:6:00~9:00(3 h),CO2浓度为800~1000 μmol/mol;③对照组:未施用CO2。试验结果(图2)发现,施用不同浓度的CO2后作物总干物质量增加,但是果实干物质增加量对照与高浓度施用差异不是很大,低浓度长时间施用的果实增加效果显著。高浓度施用的结果是茎秆和叶片的增加,因此低浓度长时间CO2施用有利于果菜类作物的干物质增加而使增产效果更加显著,也是在生产中推荐的控制方式[3]。 

  CO2增施技术及设备燃气式CO2发生器采用燃烧液化气产生大量纯净CO2的方法来补充温室大棚内CO2严重不足,操作简便,运行稳定,原料易购,运行费用低,每公斤石油液化气通过机器的充分反应可产生3 kg CO2,投入产出比高(1:10),实用性强,使用当年可收回全部投资并获得可观收益。液态CO2发生器将气体CO2加压储存于钢瓶内,根据流量表和温室体积准确控制用量,使用时用一根橡胶管将气体导出即可。CO2缓释颗粒CO2缓释颗粒物理性状良好,但CO2浓度偏小,可控性较差。堆肥发酵CO2施肥以稻草、猪粪为原料,通过添加秸秆腐熟剂,提高作物产量及品质,增加经济效益,还具有明显的生态效益,但CO2浓度及纯度的稳定性不强。化学反应法利用碳酸氢铵与硫酸在特制容器内反应产生CO2,用带孔的塑料管疏散到温室内各处进行施肥,优点是可控性好,操作简单。近几年山东、辽宁等地相继开发出多种成套CO2施肥装置,反应生成的副产品硫酸铵用水稀释后可做氮肥,但温度过高易引起碳酸氢铵的分解,产生氨中毒,在生产中要引起注意。 

  总结 

  增施CO2是作物管理中的一种增产措施,同时不能忽视温度、光照、肥水的管理。只有在水肥充足、气温较高、光照较好的条件下,配合增施CO2才能达到丰产、增产的目的,温室控制施用时间在日出后开始至日落停止,施用方法为低浓度(400~600 μmol/mol),推荐施用设备为燃气式CO2发生器和液态CO2发生器。由于CO2比空气重,为使增施的CO2能均匀地施放到作物功能叶周围,应将CO2发生装置或输气管道置于植株群体冠层高度位置,并采取多点施放或增加施放管上的孔数以保障其均匀性,使增施的CO2得到充分而有效的利用。 

  参考文献 

  [1] Nederhoff EM, Vegter JG. Photosynthesis of Stands of Tomato, Cucumber and Sweet Pepper Measured in Green-houses under Various CO2- concentrations[J].Annals of Botany, 1994,73(4):353-361. 

  [2] 岩崎泰永.环境调控技术与装置特集 [J].施設と園芸,2015,171(3):4-8. 

  [3] 齐藤 章.環境制御 [M].日本:农文协出版社,2015. 

 

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