温室植物生长所需的CO2的补偿方法研究

杨一璐　汪小　陈景波

【摘要】针对春冬季节温室内CO2浓度低下的问题，采用风送式CO2气体补偿装置，调控温室环境CO2浓度，提高光合作用速率。以补偿时间为输入量，补偿效果和补偿速率为输出量，建立补偿时间和补偿量的线性关系，通过定时定压的“多次少量施放，超过上限停施”的方式向温室补充CO2，调控温室环境中的CO2含量，以达到精确补偿的效果。结果表明，向温室一次补偿5 min的CO2气体，室内CO2平均浓度在

15 min内由205 μmol/mol达到540 μmol/mol，间歇补偿3次，室内CO2平均浓度在45 min内由

205 μmol/mol达到1200 μmol/mol。说明补偿时间与其补偿量呈线性关系，标准偏差在0～3.03%范围内，实现了温室CO2快速精确补偿的功能。

温室各项环境因子共同影响着温室植物的生长发育，其中CO2是植物光合作用必不可少的原料。CO2浓度不仅直接影响植物光合作用速率，对植物生长有很重要的影响，还能修复土壤中DEHP污染[1]，促进植物健康生长。温室种植的植物绝大部分都是C3植物，C3植物的酶不像C4植物的酶有很强的亲和力[2]，能将大气中低浓度的CO2固定下来，所以C3植物的光合作用速率易受CO2浓度影响。在目前大气CO2浓度下，包括在温室环境中，CO2的平均浓度为340 μmol/mol，这个数值没有达到植物光合作用的饱和点，所以植物光合作用不充分，具体表现为产量低、质量低。围绕这些问题，大量研究学者提出了很多关于温室和塑料大棚里的CO2浓度变化规律的研究[3-4]，提出了一些低补偿办法，主要有开放式气体施肥、枝条树袋法等。

温室CO2的补偿一直是研究领域的热点，但研究的重点主要在CO2对作物生长发育的影响[5]，对根系生发的影响[6-7]，关于预测和计算补偿到达浓度值和保持时间的研究相对较少。本试验在春季温室CO2浓度较低的时候开始试验，最终确定了补偿时间和补偿量的线性关系，为温室CO2的精确补偿提供了理论基础。

温室内CO2浓度的变化分析

植物光合作用效率与CO2浓度密切相关，CO2浓度与植物生长的关系呈倒U型，如图1所示，在CO2浓度为0～200 μmol/mol时，植物停止呼吸，在浓度超过1800 μmol/mol时，视为“有毒浓度”[8]。植物在340 μmol/mol的CO2浓度下能以正常（设为100%）速率生长，当温室中CO2浓度达到600 μmol/mol时，植物的生长速率是正常生长速率的2倍（200%），当浓度到达1200 μmol/mol时，植物的生长速率到达峰值（260%），随后生长速率随CO2浓度的上升而下降。

不同植物最适合的CO2生长浓度各不相同，实际情况中对最适合CO2浓度难以把握，查阅相关研究可知：最适合多种植物生长的CO2浓度通常为600～1800 μmol/mol 。虽然在1200～1800 μmol/mol范围内，植物的生长速率也达到了正常生长速率的200%以上，但出于经济效率和成本的考虑，本试验将CO2浓度补偿上限设为1200 μmol/mol。

受季节和环境的影响，一年之中3～6月份大气中CO2浓度最低[9]，此时又是植物生长的高峰期，植物光合作用需要消耗较多的CO2，而大气中CO2浓度一般为330～340 μmol/mol，此时仅仅依靠大气中的CO2含量来提高温室CO2浓度是不够的。因此在必要时，需通过补偿措施来调控温室CO2的浓度[10]。

试验时间选择在4月份，为了制定适宜的补偿方案，本文记录了2015年4月1日～15日温室里CO2浓度日变化的数据，算出各时刻的平均值绘制成折线图2。

在一天之内，11：30～18：00时CO2浓度低于大气中的一般水平，而此时温度高、光照强，正值植物进行光合作用的好时段，如果CO2浓度再降低，将会导致植物不能正常进行光合作用，影响植物生长，甚至导致植物烧伤，因此本试验选择在该时段进行温室CO2气体的补偿。

材料与方法

材料

试验选择在2015年4月，于江苏省南京农业大学工学院Venlo 玻璃温室中进行，该Venlo 型玻璃温室为钢架砖墙结构，长度16 m，宽度8 m。试验所种植的植物是辣椒，采用基质栽培。试验内容为在CO2浓度呈亏缺状态时，用风送式CO2气体补偿装置补充CO2，为植物生长提供充足的CO2。风送式CO2气体补偿装置如图3所示，是由风扇和CO2钢瓶组成，开启控制开关即可向温室补充CO2气体。

温室内传感器分布图如图4所示，D与F、E、G位置对称，每对点中选择一点测量即可，所以最终选择A、B、C、D、G作为测量点，然后在测试位置分别安装CO2传感器。试验期间采集参数包括：各测试点CO2浓度的变化、风扇调节下CO2浓度到达均匀分布的时间、CO2浓度到达上限的补偿时间和补偿的次数。

方法

试验前读取室内CO2的浓度，每次试验选择室内CO2的浓度与平均浓度接近的时候开始。当温室CO2的平均浓度低于系统所设定的下限210 μmol/mol

时，开始进行CO2的补偿。为了探究补偿时间和补偿量的关系，分别进行不同时间的CO2补偿，观察其浓度变化与补偿时间的关系。然后建立补偿时间和补偿量的线性关系，根据需要补偿的量有效预测补偿CO2气体的时间，最终选择适合的补偿方法。

试验过程与分析

时间与补偿效果的关系

试验分别选择了4月16日、18日、20日、22日、24日、26日的12：00～14：00进行CO2补偿。为了尽可能的减少试验误差，降低温室内CO2气体的流失，试验过程中需要保持温室门和天窗关闭。

选取接近开始浓度的条件下进行试验，试验分别进行

1、2、3、4、5、6、7、8 min的CO2气体补偿操作。从试验开始起，每15 s读取一次各传感器的CO2浓度示数，并进行记录，共记录15 min，从5 个CO2传感器获得平均最高浓度、平均稳定浓度、开始浓度与稳定浓度的差值，结果列于表1。由表1可知，CO2的平均浓度由初始浓度开始分别上升。根据以上试验数据画出CO2平均浓度示数变化，如图5所示。求出补偿时间和补偿量之间的拟合方程为y=65.033x+5.8667，决定系数为0.9996。

试验前测得室内平均CO2浓度为205 μmol/mol，要补偿到上限1200 μmol/mol，通过拟合公式计算出补偿时间为13.825 min。若进行一次大量的补偿，则CO2的浓度会急剧增高，到达“有毒浓度”范围，并维持较长时间，反而会抑制植物生长。因此，本试验采取的是“多次少量”的补偿方式，既可以及时观察CO2到达的浓度，又方便操作。考虑到补偿过程中植物仍然在吸收CO2气体，CO2气体浓度会降低，所以本试验最终选择“1次补偿为5 min，补偿3 次”的方案进行温室CO2的补偿。

补偿速率与时间的关系

选取补充5 min CO2后的浓度变化来研究补偿速率与补偿时间的关系。分别选取15、30、45、60 s为时间间隔，建立不同时间尺度下CO2平均浓度变化速率和补偿时间的关系，如图6所示。由图6可知，刚开始补充CO2的时候，补偿速率由0 μmol/（mol·s）急剧上升达到1.09 μmol/（mol·s），之后补偿速率便呈缓慢上升趋势，保持在1.13 μmol/（mol·s）。当停止补充CO2时，室内CO2平均浓度还在继续增加，只是增长变得缓慢，所以补偿速率呈下降趋势，但补偿速率仍然大于

0 μmol/（mol·s）。在6.5 min后，室内CO2平均浓度达到最高值后，室内CO2平均浓度从最高值一直降低，增长速率便逐渐下降到负值，等CO2平均浓度慢慢趋于稳定值时，速率恢复到0 μmol/（mol·s）。所以补偿CO2

时，温室中的CO2浓度会急剧增高到最高值，然后才缓慢的下降，直至趋于稳定浓度。

试验与分析

第一次补偿5 min后，温室内5个不同位置的CO2传感器示数的变化如图7所示，可看出风送式CO2气肥补施装置的补施效果。传感器A、B、C都位于装置正前方，但距离逐渐变大，A距装置最近，对CO2浓度变化的感知能力最强，到5 min补偿结束时达到该点的浓度最高值750 μmol/mol左右，随后又逐渐降到稳定值540 μmol/mol左右，浓度变化差值最大，所以到达稳定值的时间不是最短的。而传感器D、G不在装置的正前方且距离较远，系统启动后，CO2浓度一直平缓上升，到达稳定值的时间较长。

单次补偿5 min后，A、B、C、D、G点 CO2浓度达到稳定值的平均时间依次约为11、10.5、10、10.8、11.5 min。可见温室内各点达到稳定浓度的时间并不一致，该装置基本能在12 min内保证温室内不同的各点处的CO2浓度分布达到均匀。因此本试验设置两次补偿间隔为15 min。

一次5 min的CO2气体补偿后，温室内CO2的平均浓度由补偿前的205 μmol/mol上升到稳定值540 μmol/mol，其示数明显高于没有补充的时候，但温室内CO2浓度未达到设定上限值1200 μmol/mol，还需补偿CO2，直到3次补偿结束。根据CO2浓度变化数据绘制出图8。由图8可知，试验前CO2平均浓度为205 μmol/mol，3次补偿后CO2的平均浓度分别增加到540、872、1201 μmol/mol，表明风送式CO2气肥补施装置对温室CO2补偿的效果明显。

结论

试验证明，利用本试验的风送式CO2气肥补施装置能大幅度提高温室CO2浓度。补偿时间为5 min，温室内各点处CO2浓度都有不同程度的提高，浓度平均值由205 μmol/mol上升到540 μmol/mol，上升幅度约为335 μmol/mol。

通过数据比较证明，在补偿5 min CO2气体之后，各个传感器的示数逐渐升高并到达稳定值540 μmol/mol，虽然达稳定值的时间不一样，但在停止补充CO2之后的7 min之内，各传感器示数逐渐趋于平稳。

根据补偿时间与其补偿量的线性关系，精确计算出试验需要补偿的时间，并采用本文所提出的“少量多次”的CO2气肥补施方案，得出“1次补偿

5 min，两次补偿间隔15 min，总计补偿3次”为本试验的最佳补偿方案，能在45 min内使CO2平均浓度由205 μmol/mol上升至1200 μmol/mol，保证植物生长所需。

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项目支持：国家自然科学基金项目（61273227）；江苏省科技支撑计划（BE2013395）。作者简介：杨一璐，硕士研究生，主要从事农业生物环境检测与控制方面的研究。

通信作者：汪小旵（1968-），教授，博导，主要从事农业生物环境模拟与调控方向的研究。