基于设施内外零浓度差的CO2增施对日光温室草莓生产的影响

贺冬仙　古在丰树　窦海杰

【摘要】针对日光温室冬季生产频繁发生的CO2亏缺问题，提出了一种基于设施内外零浓度差的CO2增施调控方法，开发装置后在北京市小汤山进行了为期2年的日光温室草莓栽培应用测试。结果表明：零浓度差CO2增施调控与无CO2增施相比，日光温室草莓叶片的净光合速率提高了26%～41%，果实的单果重提高了20%～50%、糖酸比提高了21%～47%，设施产量增加14%～21%、实际净增收19%～23%；与定时施放和高浓度施放的CO2增施调控相比，其草莓植株的生长发育、设施产量和果实品质无显著性差异，但气肥利用效率高，有效地避免了CO2气体外泄对环境的二次污染。因此，基于设施内外零浓度差的CO2增施调控是一种安全可靠、节能高效的设施CO2增施促产技术。

温室设施在冬季为了保温即使白天也有部分时间处于相对密闭的环境，如果不能及时补充CO2气体则会使得设施内CO2亏缺现象频繁发生。Sanchez-Guerrero等研究发现，当黄瓜植株的叶面积指数达到3.0～3.5时，温室内CO2浓度低于300 ?mol/mol的时长可达有效日长的60%[1]。由于CO2增施技术在我国几乎未曾得到普及，日光温室内的CO2亏缺问题严重地制约了设施作物的生长发育，导致其产量和品质难以得到进一步的提高[2-4]。为此，设施CO2增施技术在近年来日益被温室栽培者和管理者所重视。日光温室增施CO2气体能够有效地避免CO2亏缺现象的发生[5-6]，显著地提高作物的水分利用效率[7]，提高草莓叶片的净光合速率、增加果实可溶性固形物含量、提前收获并增加产量[8-12]。目前，国内外常用的CO2增施方法主要有通风法[2]、燃烧法[5，13-14]、化学反应法[10，15-16]、秸秆发酵法[6，17-18]、及液态CO2钢瓶法[7-8，19-20]。温室生产在冬季通风尽管可以缓解CO2亏缺，但不利于保温[2]；燃烧法、化学反应法及秸秆发酵法的成本较低，但其供气速率不稳定，易产生有害气体，不易得到有效调控[5-6，13，15，21]；液态CO2钢瓶法气源稳定，但初期投入大，且高浓度施放易产生泄漏损失，难以满足简易设施的CO2增施调控的技术要求。

当日光温室的CO2浓度由200 ?mol/mol增至400 ?mol/mol

时，设施内黄瓜、番茄和辣椒的净光合速率可提高约55%～130%，即400 ?mol/mol的CO2增施调控显著地促进了温室内作物的光合作用，提高了设施作物的产量和品质，从而增加了设施经济效益[22]。为此，本文提出了基于设施内外零浓度差的CO2增施调控方法（以下简称：零浓度差CO2增施），即当设施内CO2浓度低于设施外时，在设施内施放CO2气体使其CO2浓度提高到等于或略高于设施外CO2浓度，持续使得设施内外的CO2浓度差维持在零水平，从而保证在进行CO2增施的同时避免CO2气体的泄漏损失，从而提高CO2气体利用效率。通过在北京市小汤山进行的为期2年的日光温室草莓栽培试验以评价零浓度差CO2增施的促产增收效果，为该CO2增施调控技术的应用推广提供技术支撑。

材料与方法

零浓度差CO2增施调控装置

零浓度差CO2增施调控装置以液态CO2钢瓶作为气源，利用传感器模块、嵌入式信息监控模块、执行机构模块和供电模块实现CO2气体的监测与控制（图1），所用电子元器件以适应日光温室高湿环境为选择依据（表1）。当设施白天温度高于15℃，设施内CO2传感器的检测值低于室外CO2检测值达15 ?mol/mol时，电磁阀驱动CO2气体由钢瓶经减压阀、电磁阀、供气管道输出，最后由两个风向相反的轴流风机将其均匀地扩散到日光温室；当温室内CO2浓度高于室外CO2浓度达15 ?mol/mol时，电磁阀关闭，停止CO2气体施放。

日光温室的草莓栽培

草莓（Fragaria×ananassa L.）品种选用红颜（cv.Benihoppe）和章姬（cv.Akihime），分别于2011年到2013年在北京市昌平区兴寿镇东营草莓园的6栋日光温室进行栽培。日光温室的跨度为8 m、长度为50 m、脊高3.5 m，东西走向。红颜草莓苗于2011年9月15日定植、2012年1月初开始采收、4月30日结束采收。草莓栽植密度为12株/m2，高垄双行种植，株距20 cm×20 cm，垄宽35 cm，垄沟宽40 cm，垄深30 cm，滴灌灌溉，农户常规管理。草莓苗定植前施腐熟农家肥

75 t/hm2（鸡粪：牛粪=1：1）、复合肥750 kg/hm2，草莓栽培用土壤的全氮含量为1.67～1.82 g/kg、全磷含量为1.65～1.93 g/kg、全钾含量为19.1～19.8 g/kg，各日光温室之间无显著性差异。章姬草莓苗于2012年9月18日定植，2012年12月中旬开始采收、2013年4月30日结束采收，栽培方法与上述红颜品种一致。

试验区设置

2年试验均以无CO2增施处理作为对照，CO2增施处理分别为零浓度差CO2增施（Zero Concentration Difference method，ZCD），CO2定时施放（Timing CO2 Enrichment method，TCE）及CO2高浓度施放（High Concentration Control method，HCC）（表2）。CO2定时施放

采用本研究组研发的CO2增施定时调控装置，将液态CO2钢瓶作为气源，每天8：30开始释放15 min、14：30开始释放10 min进行CO2增施，CO2气体由钢瓶经减压阀、电磁阀、供气管道和轴流风机均匀扩散至日光温室。CO2高浓度施放法利用商业化智能精准气肥机（Fill，深圳市润普科技有限公司，中国）进行CO2增施（图2）。CO2增施调控从草莓苗定植2个月后到次年3月底为止，每个CO2增施处理和对照分别采用2栋温室作为重复。

检测指标与方法

草莓定植缓苗后，每处理每重复随机选取长势一致的草莓植株10株，每月定期测定草莓叶片的光合特性、生长量及果实品质。草莓的净光合速率采用便携式光合仪（LI-6400，LI-COR公司，美国）的标准光源叶室，测量条件在晴天或阴天的光照强度分别设置为800 ?mol/（m2·s）或

400 ?mol/（m2·s），CO2浓度设置为400 ?mol/mol，叶温设置为22℃，气流速度设置为500 ?mol/s。每月测量一次草莓植株的叶数、花数及果数，拉秧前测定植株地上部和地下部的鲜重和干重。草莓开始采收后，每处理每重复随机选取草莓果实10颗，每月定期测定其单果重、可溶性固形物含量、维生素C含量及糖酸比。可溶性固形物含量采用数显糖度计（PAL-1，Atago公司，日本）测定；维生素C含量、可溶性糖含量及总酸含量分别采用2，6-二氯靛酚滴定法、蒽酮比色法和pH电位法进行测定[23]，并核算其果实的糖酸比。每年结束采收后累计各日光温室的草莓产量和经济效益。数据均采用EXCEL与SPSS软件进行单因素方差分析（P = 0.95）。

结果与讨论

日光温室内CO2浓度日变化的影响

日光温室内CO2浓度的变化呈不规则的“U”型，夜间由于植物及土壤旺盛的呼吸作用使得温室内CO2浓度逐渐升高，日出后随着作物光合作用的消耗而导致其CO2浓度迅速下降并出现CO2亏缺现象（图3）。对照设施内的CO2浓度在15：00左右降至248 ?mol/mol，CO2亏缺现象持续时间约为4 h，CO2亏缺时间是有效日长的40%，严重地制约了草莓叶片的光合作用。零浓度差CO2增施使日光温室内的CO2浓度不低于大气CO2浓度，有效地避免了设施CO2亏缺问题的发生，且由于其设施内CO2浓度与大气CO2浓度无显著性差异，未造成CO2气体泄漏损失的同时，极大地提高了CO2气体利用效率。CO2增施处理的日光温室夜间CO2浓度显著高于对照温室达67～159 ?mol/mol，这与Klaring等在温室内进行黄瓜CO2增施（380 ?mol/mol）的试验结果是一致的[5]。

零浓度差CO2增施对日光温室草莓叶片光合特性的影响

几种CO2增施都显著地提高了日光温室草莓叶片的净光合速率，这是由于高浓度CO2环境在增加植物核酮糖二磷酸羧化酶（RuBP）羧化底物的同时也提高了RuBP羧化酶的活性，减少了O2对RuBP的竞争氧化，从而提高植物叶片的光合活性。与无CO2增施相比，零浓度差CO2增施分别使红颜和章姬草莓叶片的净光合速率提高11%～26%和7%～41%，但其草莓叶片的净光合速率与定时施放法和高浓度施放法增施的无显著性差异（图4）。温室内大气浓度的CO2增施与定时施放和550 ?mol/mol的CO2增施调控对植物光合作用的影响无显著性差异。

零浓度差CO2增施对日光温室草莓植株生长发育的影响

与无CO2增施相比，零浓度差CO2增施处理的草莓植株的叶数增加了2～6片、花数增加了3～9朵、果数增加了6～8个；在4月份采收盛期，植株地上部和地下部的鲜重与干重的增幅均达43%以上（图5）。CO2增施显著地促进了草莓植株的光合作用，提高了干物质积累，进而有效地促进了日光温室内草莓植株的生长发育。零浓度差CO2增施与其他CO2增施方法之间的植物生长发育无显著性差异。

零浓度差CO2增施对日光温室草莓品质的影响

与无CO2增施相比，不同的CO2增施处理均使草莓果实的单果重、可溶性固形物含量、维生素C含量及糖酸比有不同程度的提高，但不同的CO2增施处理之间无显著性差异（图6）。零浓度差CO2增施比无CO2增施相比使草莓单果重提高20%～50%，果实可溶性固形物含量提高10%～20%，维生素C含量增加约20%，糖酸比提高约21%～47%，显著地提高了草莓果实的营养物质含量、口感和风味。

日光温室草莓产量和经济效益的核算

CO2增施成本包括设备投入与CO2气源费用，将CO2钢瓶、减压阀、电磁阀、供气管道、电源线、轴流风机等费用按其使用年限（CO2钢瓶为10年，其他为5年）均摊至每年以核算其设备投入的年均折旧。零浓度差CO2增施的施放浓度较低，其CO2气肥用量为3瓶/年，CO2定时施放和CO2高浓度施放均为4瓶/年。零浓度差CO2增施、CO2定时施放和CO2高浓度施放比无CO2增施的运行成本分别增加1525、364和1010元/年。

与无CO2增施相比，零浓度差CO2增施使日光温室红颜和章姬草莓采收期提前约7 天，显著地提高了其春节前后、尤其是春节前的草莓产量，年净增利润率达18.5%和23.3%；CO2定时施放和CO2高浓度施放分别使日光温室草莓增收18.0%和19.4%（表3）。与其他CO2增施方法相比，零浓度差CO2增施的促产增收效果没有显著性差异，但其用气量仅为CO2定时施放和CO2高浓度施放的75%，有效地避免了日光温室内CO2气肥的渗漏损失和对环境的二次污染，显著地提高了CO2气体利用效率。由于大气CO2浓度基本恒定，可将零浓度差CO2增施调控系统减为一个设施内CO2传感器，当白天检测到设施内CO2浓度低于设定浓度（约为380 ?mol/mol，可根据大气CO2浓度调节）达15 ?mol/mol时开始增施，以降低零浓度差CO2增施的成本投入，从而进一步提高设施效益。

结论

日光温室的冬季作物生产中，CO2亏缺现象的频繁发生严重制约了设施产量和品质形成。零浓度差CO2增施提出了一种基于设施内外的CO2浓度差的CO2增施调控方法，具有促产增效、气源稳定、操作简便、气肥利用效率高、无二次污染等优点，且与CO2定时施放和CO2高浓度施放的促产增效效果无显著性差异，有效地避免了设施内CO2亏缺问题的发生，提高了设施效益。该零浓度差CO2增施调控是一种安全可靠、节能高效的设施CO2增施促产技术，适于在更多的设施作物生产中开展应用试验以确认其普及推广的可行性。

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*项目支持：国家科技支撑计划项目“农业生态系统固碳减排的关键技术及固碳减排效果的认证技术研发”（2013BAD11B01）和现代农业产业技术体系建设专项（CARS-25-D-4）。

作者简介：贺冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士生导师。