CO2气肥对北方棚室蒜薹生长发育及品质的影响

王向鹤等

摘要：以大蒜（Allium sativum L.）蒜薹为研究对象，通过测定蒜薹生长发育和生理生化的的各项指标，以此评价施用不同浓度CO2气肥对北方棚室蒜薹生长发育和品质的影响。结果表明，CO2气肥浓度为1 000 mL/m3时株高和假茎粗达到最高水平，分别为341 mm和4.98 mm。CO2气肥浓度为1 200 mL/m3时叶宽达11.28 mm，最有利于叶片发育，并且蒜薹叶绿素相对含量（SPAD值）、可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C含量最高，分别为59、15.6%、6.9 mg/g、312 μg/g，分别比空白对照提高了7.3%、83.0%、35.6%、97.5%。游离氨基酸含量在CO2气肥浓度为800 mL/m3时达到最高，为2.75 mg/g，比对照提高了34.8%。蒜薹的干物质含量在CO2气肥浓度为1 000 mL/m3时最高，为12.16%，比对照高5.2%。施用CO2气肥可显著提高蒜薹的产量，在CO2气肥浓度为1 200 mL/m3时产量达到最高，为4.75 kg/m2，比对照高23.2%。大蒜素含量在CO2气肥浓度分别为800、1 600 mL/m3时达到较高水平，分别比对照提高了17%、5%。总之，在北方棚室内施用CO2气肥可以显著促进蒜薹生长发育及营养物质的积累，施肥的最佳浓度为1 000～1 200 mL/m3。

关键词：CO2气肥；北方棚室；大蒜（Allium sativum L.）；蒜薹；生长发育；品质

中图分类号：S145.3；S625.5；S633.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）12-2919-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.028

The Effect of CO2 Gas Fertilizer on Growth and Quality

of Garlic Scape in Northern Greenhouse

WANG Xiang-he1，2， PEI Zhan-jiang2， WANG Su2， GAO Ya-bing2， ZHU Hong-yan1， YAN Hong1， LIU Jie2

（1.College of Chemical and Environmental Engineering/Key Laboratory of Green Chemical Technology of College of Heilongjiang Province， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China；

2. Rural Energy Insititute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Harbin 150086， China）

Abstract： The effects of concentration of CO2 gas fertilizer on growth and quality of garlic（Allium sativum L.） scape were studied by determining the development and physiological-biochemical index. Results showed that when CO2 gas fertilizer concentration was at 1 000 mL/m3， the plant height and pseudostem diameter was the highest（341 mm and 4.98 mm respectively）. Leaf width was 11.28 mm when CO2 gas fertilizer concentration was at 1 200 mL/m3， which was the best for leaf development； and chlorophyll（SPAD）， soluble sugar， soluble protein and vitamin C was 59， 15.6%， 6.9 mg/g， 312 μg/g， respectively， increased by 7.3%， 83.0%， 35.6% and 97.5% than the control group. Free amino was promoted by 34.8% at 800 mL/m3， increasing to 2.75 mg/g. Dry substance of garlic scape was increased by 5.2% at 1 200 mL/m3； while the production of garlic scape was improved by 23.2， reaching to 4.75 kg/m2. Allicin was increased by 17% and 5% at 800 mL/m3 and 1 600 mL/m3 respectively. In conclusion， the growth and nutrients accumulation of garlic scape could be remarkably promoted by applying CO2 gas fertilizer with the best concentration at 1 000 to 1 200 mL/m3.

Key words： CO2 gas fertilizer； northern greenhouse； Allium sativum L.； garlic scape； growth； quality

CO2是植物进行光合作用的重要原料，其与植物体内有机物的合成有关，在一定范围内植物的光合速率与CO2浓度呈正相关关系，即CO2浓度越大，光合效率越强，则产量越高[1]。在中国北方，棚室蔬菜生长常常受到气温、光照、湿度、空气等环境条件的影响，尤其是生产上大量使用的日光温室又是一个相对封闭的生产环境，与外界气体交换较少，造成环境中的CO2严重不足，使得棚室蔬菜常处于CO2饥饿状态，加上光合效率偏低，营养物质积累较慢，产量和品质往往低下[2，3]。通常情况下，日出前棚室内的CO2浓度最大，可超过800 mL/m3，日出后随着作物光合作用的加强，CO2消耗增多，使棚内CO2浓度逐渐降低，最低可降到75 mL/m3左右[4]；而在温室大棚内CO2浓度需要达到800～1 600 mL/m3才可有效促进蔬菜的新陈代谢，有利于蔬菜生长和碳水化合物的积累[5]。康康等[6]研究了净化后的废气作为CO2气肥对温室黄瓜（Cucumis sativus L.）生长、果实发育、经济产量以及品质的影响，结果增施CO2气肥可以显著促进温室黄瓜植株和果实的生长，提高黄瓜果实的品质与产量，其CO2气肥的最佳施用浓度为1 500 mL/m3。CO2气肥技术可以处理沼气能源产生的农业废弃物、缓解环境污染，对沼气燃烧产生的CO2能够有效利用，这不仅可以增加棚室内的CO2浓度，为棚室蔬菜提供CO2气肥，从而增加光合作用的原料，同时还能起到保温和增湿的作用，使棚室内温度上升，防止早春的冻害发生，这对提高棚室蔬菜产量与品质具有积极影响[7]。

大蒜（Allium sativum L.）的蒜薹在北方冬季是经济价值较高的蔬菜种类，不仅口感好，食用价值高，而且其富含的大蒜素还具有极高的保健功能，可对细菌、病毒和真菌等微生物产生一定的消毒作用，还可防治高血压，并能协调人体内的脂蛋白平衡[8，9]；是深受消费者欢迎的冬季绿色蔬菜之一。目前CO2气肥技术由于受到沼气发酵成本及技术的限制，难以得到大范围应用。为此，试验通过设置不同浓度的CO2气肥处理，研究其对蒜薹生长发育及品质的影响，以期为北方棚室蔬菜生长与农家沼气燃烧产生的CO2利用等提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在黑龙江省农业科学院盆栽场完成，以薹用大蒜为试材，用直径为25 cm的塑料圆盆为栽植盆，以体积为0.47 m3的透明玻璃罩模拟温室大棚环境；CO2气肥浓度分别设置为0、800、1 000、1 200、1 400、1 600 mL/m3 6个处理，分别以CK、T1、T2、T3、T4、T5表示，每处理3个重复（盆），每盆14株大蒜。在试验过程中大蒜植株均用玻璃罩盖住；采用向玻璃罩内通入一定体积的CO2气体代替沼气燃烧释放的CO2作为气肥，所用的CO2为市售的钢瓶装CO2气体。

用盆栽场土壤作为栽培土，将准备好的栽培土放入18个塑料盆中，3盆为1组（1个玻璃罩）；挑选大小基本一致，生长充实的大蒜蒜瓣，在每个盆内栽入14瓣；待幼苗长到5 cm高后用玻璃罩盖上，于此后试验期间的每天上午9：00用注射器向6个玻璃罩内通入体积分别为0、168、210、252、294、337 mL的CO2气体（阴雨天不通CO2气体），密闭2 h，之后打开玻璃罩通风1 h；在下午5：00再盖上玻璃罩，防止晚上温度过低损伤幼苗，以模拟温室大棚的生产环境。随时监测玻璃罩内的温度，光照太强时需要在玻璃罩上方支起遮阳网降温，避免罩内温度过高影响大蒜幼苗的正常生长发育。在幼苗高5 cm以后，每天测量大蒜生长的有关指标，如株高、叶宽、假茎粗和叶绿素相对含量（SPAD值），在第16天收获时测定每处理蒜薹的总产量、干物质含量，每盆预留1株大蒜冷藏作样品，测量不同浓度CO2气肥处理下蒜薹的可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸、维生素C以及大蒜素的含量等生化指标。

1.2 方法

使用直尺测量大蒜的株高，即把植株拉直，测量从土面到最高叶尖的距离；叶面宽度采用游标卡尺测定，即植株顶端以下第三片叶中部的宽度；游标卡尺测定假茎粗，即植株根部的最大直径；用TYS-A叶绿素测定仪测定蒜薹叶绿素的相对含量（SPAD值）；蒜薹干物质含量采用烘干法；天平称量蒜薹产量；蒜薹的可溶性糖含量采用蒽酮比色法[10]测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250比色法[10]测定；游离氨基酸含量采用茚三酮比色法[11]测定；维生素C含量采用紫外分光光度法[12]测定；大蒜素含量采用苯腙法[13]测定。以上每一项生化指标测定均3次重复，取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同浓度CO2气肥对薹用大蒜株高的影响

试验测定的CO2气肥对薹用大蒜株高的影响情况见图1。由图1可知，在试验范围内以T2处理（CO2气肥浓度1 000 mL/m3）的效果最好，薹用大蒜平均株高为341 mm，比CK大40 mm。不过试验设置的不同浓度CO2气肥处理对薹用大蒜株高的促进效果不同，当CO2气肥浓度低于1 000 mL/m3时，施用CO2气肥有利于薹用大蒜植株的高度生长，但当浓度超过1 000 mL/m3后，则促进效果减弱；说明在一定范围内增加玻璃罩模拟棚室环境内的CO2气肥浓度可以提高薹用大蒜的植株高度。

2.2 不同浓度CO2气肥对薹用大蒜假茎粗度的影响

试验测定的CO2气肥对薹用大蒜假茎粗度的影响情况见图2。由图2可知，仍然是T2处理（CO2气肥浓度为1 000 mL/m3）的效果最好，其假茎最粗，为4.98 mm，比CK粗0.35 mm，T1、T3、T4、T5处理的薹用大蒜假茎粗分别比CK粗0.24、0.20、0.15、0.07 mm，说明施用CO2气肥可以促进薹用大蒜假茎的增粗生长。测定结果还显示，在CO2气肥浓度低于1 000 mL/m3时，薹用大蒜假茎随着CO2气肥浓度的增加增粗效果明显；而当浓度大于1 000mL/m3时，薹用大蒜假茎随着CO2气肥浓度的增加增粗效果减弱。

2.3 不同浓度CO2气肥对薹用大蒜叶宽的影响

试验测定的CO2气肥对薹用大蒜叶宽的影响情况见图3。由图3可知，在试验范围内，以T3处理（CO2气肥浓度为1 200 mL/m3）的薹用大蒜叶宽增大效果最明显，其叶宽达到了11.28 mm，CK为9.62 mm，T3处理比CK增加了17.3%；当CO2气肥浓度低于1 200 mL/m3时，增施CO2可以促进薹用大蒜叶片的生长，而浓度大于1 200 mL/m3时，继续增施CO2则叶宽的增加幅度不明显。

2.4 不同浓度CO2气肥对蒜薹叶绿素相对含量（SPAD值）的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹叶绿素相对含量（SPAD值）的影响情况见图4。由图4可知，增加CO2气肥浓度可以增加蒜薹叶绿素的相对含量（SPAD值），处理T1、T2、T3、T4、T5的蒜薹叶绿素相对含量都比CK高。以T3处理（CO2气肥浓度为1 200 mL/m3）的蒜薹叶绿素相对含量（SPAD值）最高，可达59，比CK提高了7.3%。随着CO2气肥浓度的增加，蒜薹叶绿素相对含量呈现先增加、后减少的变化趋势。

2.5 不同浓度CO2气肥对蒜薹可溶性糖含量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹可溶性糖含量的影响情况见图5。由图5可知，施用CO2气肥有利于蒜薹可溶性糖的积累。蒜薹可溶性糖含量在CO2气肥浓度为1 200 mL/m3时达到最大值，为15.6%，比CK高83.0%，其他处理的可溶性糖含量均比T3处理低。随着CO2浓度的增加，蒜薹可溶糖含量呈现先增加、后减少的变化趋势。

2.6 不同浓度CO2气肥对蒜薹可溶性蛋白含量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹可溶性蛋白含量的影响情况见图6。由图6可知，T1、T2、T3、T4、T5处理与CK相比，蒜薹可溶蛋白质的含量均有不同程度的提高，CK的可溶性蛋白质含量为5.09 mg/g，T1、T2、T3、T4、T5处理分别是5.99、6.65、6.90、6.48、6.25 mg/g，分别比CK提高了17.7%、30.6%、35.6%、27.3%、22.8%。以T3处理（CO2气肥浓度为1 200 mL/m3）的可溶性蛋白质含量增加效果最明显。随着CO2浓度的增加，蒜薹可溶性蛋白质含量呈现出先增加、后减少的变化趋势。

2.7 不同浓度CO2气肥对蒜薹维生素C含量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹维生素C含量的影响情况见图7。由图7可知，T1、T2、T3、T4、T5处理的维生素C含量都比CK高。CK的维生素C含量为158 μg/g，T1、T2、T3、T4、T5处理的维生素C含量分别是196、234、312、244、188 μg/g，分别比CK提高了24.1%、48.1%、97.5%、54.4%、19.0%，可见施用CO2气肥可以促进蒜薹维生素C含量的增加。以T3处理的维生素C含量增加效果最为明显，远远高出CK和其他4个处理，因此CO2气肥浓度为1 200 mL/m3最有利于蒜薹维生素C的积累。

2.8 不同浓度CO2气肥对蒜薹游离氨基酸含量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹游离氨基酸含量的影响情况见图8。由图8可知，CK和T1、T2、T3、T4、T5处理的蒜薹游离氨基酸含量分别是2.04、2.75、2.47、2.25、1.99、1.87 mg/g。以T1处理（CO2气肥浓度为800 mL/m3）的游离氨基酸含量最高，比CK高34.8%。随着CO2浓度的继续增加，游离氨基酸含量呈下降趋势，在CO2浓度较高的T4、T5处理，游离氨基酸含量比CK还低，分别降低了2.4%和8.3%。所以CO2气肥浓度为800 mL/m3最有利于蒜薹游离氨基酸的积累。

2.9 不同浓度CO2气肥对蒜薹干物质含量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹干物质含量的影响情况见图9。由图9可知，增加CO2气肥浓度对提高蒜薹干物质含量有明显的促进作用，T1、T2、T3、T4、T5处理的蒜薹干物质含量均比CK高。以T2处理的蒜薹干物质含量最高，为12.16%，比CK高5.2%。在气肥浓度小于1 000 mL/m3时，CO2浓度增加，蒜薹干物质含量逐渐增加；而当浓度大于1 000 mL/m3后，CO2浓度增加，蒜薹干物质含量则逐渐减少，其变化呈现先增后减的趋势。由此可见，CO2浓度为1 000 mL/m3最有利于蒜薹干物质的积累。

2.10 不同浓度CO2气肥对蒜薹单位面积产量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹单位面积产量的影响情况见图10。由图10可知，施用CO2气肥有利于蒜薹增产，适宜浓度的CO2气肥可最大程度增加蒜薹的产量。CK、T1、T2、T3、T4、T5处理的蒜薹产量分别是3.85、4.13、4.63、4.75、4.26、4.25 kg/m2，以T3处理的产量最高，比CK高出23.2%，T2比CK高20.5%，说明施加CO2气肥的增产效果十分明显，最佳气肥浓度是1 200 mL/m3。另外，当CO2气肥浓度低于1 200 mL/m3时，蒜薹产量随CO2浓度递增呈正向增长；而当浓度大于1 200 mL/m3后，蒜薹产量随CO2浓度递增呈负向增长。

2.11 不同浓度CO2气肥对蒜薹大蒜素含量的影响

试验测定的CO2气肥对蒜薹大蒜素含量的影响情况见图11。由图11可知，CK的大蒜素含量为10.25‰，T1、T4、T5处理的大蒜素含量分别是12.00‰、10.48‰、10.80‰，比CK要高；而T2、T3处理的大蒜素含量分别是9.35‰、8.44‰，比CK低。T1、T5处理分别比CK提高了17%、5%。由此可见，随着CO2气肥浓度的增加，蒜薹大蒜素含量呈现先增加、后减少、再增加的变化趋势。分析认为，大蒜素是一种含硫化合物，其主要成分是二烯丙基三硫化合物[14]。在棚室内施用低浓度CO2气肥后，由于此时糖类、纤维素、蛋白质、维生素C、叶绿素等化合物的合成积累较慢（前面的测定结果已经说明了这一点），使大蒜素的代谢比较活跃，处在整个植株的的生理活性中心，并促使大蒜植株加速从土壤中吸收硫元素，所以低浓度CO2气肥处理的蒜薹其大蒜素合成积累多、含量较高；当棚室内CO2气肥施用的浓度增加后，糖类、纤维素、蛋白质、维生素C、叶绿素等化合物的代谢被激活，生理活性中心发生转移，其合成积累加快，造成大蒜素的合成变缓。随着CO2气肥浓度的持续增加，糖类、纤维素、蛋白质、维生素C、叶绿素等化合物的代谢又受阻，加上大蒜植株对土壤中硫元素的吸收利用，进而大蒜素含量随之呈现出增加的趋势；因此蒜薹大蒜素含量在试验范围内总体上呈现出先增加、后减少、再增加的变化，这提醒种植者在实际生产中应该注意硫元素的补充。

3 讨论

在薹用大蒜整个生长发育过程中，通过施加CO2气肥，5个施用CO2气肥处理的薹用大蒜的生物学性状如株高、叶宽、假茎粗与对照相比，均有不同程度的增加。蒜薹的农艺性状如干物质含量、产量和生化指标如叶绿素相对含量（SPAD值）及可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸、维生素C含量等与对照相比，都有明显的提高。适宜浓度的CO2气肥会对蒜薹生长产生促进作用，而浓度过高或过低都会对蒜薹生长发育产生不良影响，这与李萍萍等[15]的研究结果一致。

试验结果表明，当CO2气肥浓度为1 000 mL/m3时，株高和假茎粗达到最高水平，分别为341 mm和4.98 mm。气肥浓度为1 200 mL/m3时叶宽达11.28 mm，最有利于叶片发育，并且蒜薹叶绿素相对含量（SPAD值）及可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C含量最高，分别为59、15.6%、6.9 mg/g、312 μg/g，分别比空白对照高7.3%、83.0%、35.6%、97.5%。游离氨基酸含量在CO2气肥浓度为800 mL/m3时达到最高，为2.75 mg/g，比对照提高了34.8%。蒜薹的干物质含量在气肥浓度为1 000 mL/m3时最高，为12.16%，比对照高5.2%.。施用CO2气肥可显著提高蒜薹的产量，在气肥浓度为1 200 mL/m3时，产量达到最高，为4.75 kg/m2，比对照高23.2%。大蒜素含量在气肥浓度分别为800、1 600 mL/m3时达到较高水平，分别比对照提高了17%、5%。综合而言，CO2气肥施肥的最佳浓度为1 000～1 200 mL/m3。

在试验中观察发现，增施CO2气肥的大蒜比不施用气肥的生长速度快，植株均匀健壮，叶片的宽度和厚度都明显提高，而且蒜薹的成熟期约提前3 d，这可以使蒜薹提早上市，加上单位面积蒜薹产量的增加，将会使种植者收入提高，取得良好的经济效益。

利用沼气燃烧释放的CO2作为北方棚室蔬菜种植的气体肥料，一方面可以有效处理废弃物、为农业生产开辟肥源，另一方面还可以对棚室内作物起到保温和增湿的作用，但是试验使用的CO2气肥是直接从钢瓶里放出的CO2气体，因此试验结果的客观性、普遍性还需要在棚室内安装沼气发酵装置进行中试来验证，这就需要下一步的继续研究。

总之，在北方棚室内施用CO2气肥可以有效促进蒜薹生长发育及营养物质的积累，改善蒜薹品质。增加蒜薹产量，并有利于农村沼气能源的合理化利用，这符合国家节能减排的要求，而且符合当前农村的实际情况，利国利民，应当大力提倡、积极宣传推广。

参考文献：

[1] 牛耀芳.大气CO2浓度升高对拟南芥根毛发育与养分吸收的影响及根系对养分的响应机理[D].杭州：浙江大学，2013.

[2] 马鹏里，杨小利，于小娟.日光温室施用CO2气肥对黄瓜生长发育的影响[J].中国农业气象，2003，24（4）：48-50.

[3] 魏 珉.日光温室蔬菜CO2施肥效应与机理及CO2环境调控技术[D].南京：南京农业大学，2000.

[4] 赵国强，朱自玺，邓天宏，等.CO2气肥固体发生剂在温棚室蔬菜栽培中的应用[J].气象，1997，23（10）：53-57.

[5] SHAO F Y， YANG C，YU M Y，et al.Study on effects of CO2 enrichment on C3 plants，production and its mechanism[J].Iournal of Jilin Agricultural Science，2004，29（9）：35-37.

[6] 康 康，呼世斌.净化后的废气作为CO2气肥的施用效果研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2012，40（1）：101-106.

[7] 殷九泽.“四位一体”生态模式上“三沼”综合利用技术[J].农业技术与装备，2011（4b）：65-66.

[8] CHEN C H，CHOU T W，CHENG L H et al. In vitro anti-adenoviral activity of Allium plants[J].J Taiwan Ins Chem Engin， 2011，42（2）：228-232.

[9] KIRKPLNAR F，？譈NL H B，？魻ZDEMIR G. Effect of oregano and garlic essential oils on performance，carcase， organ and blood characteristics and intestinal microflora of broilers[J]. Livestock Sci，2011，137（1/3）：219-225.

[10] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社， 2001.

[11] 王文平.植物样品中游离氨基酸总量测定方法的改进[J].北京农学院学报，1998，13（3）：9-12.

[12] 刘艳芳，孙学文，杨 晴.紫外分光光度法测定VC含量的方法改进[J].安徽农业科学，2011，39（22）：13270-13272.

[13] 张丽霞，张国强.大蒜素含量的测定方法[J].湖北农业科学，2009，43（3）：713-714.

[14] 张凤香，贺成业，李晨光，等.大蒜素对人外周血内皮祖细胞增殖活力及迁移能力的影响[J].中国生物制品学杂志，2014，27（2）：202-206.

[15] 李萍萍，胡永光，赵玉国，等.增施CO2气肥对温室结球莴苣光合作用影响的综合模型研究[J].农业工程学报，2001，17（3）：，75-79.