不同浓度CO2施肥对温室番茄果实品质的影响

李靖，孙胜，邢国明

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)

众所周知，CO2是植物光合作用的原料，而CO2的浓度高低对光合速率影响很大。在适宜浓度范围内，CO2浓度越大，光合速率越高。但在大气中CO2的体积分数仅为0．033%[1]，远低于光合作用所需的最适浓度(大气浓度的3～5倍)[2]，导致作物生长速度较慢。由于设施的封闭性，外界气体与温室气体较难实现流通、交换，因此在日光温室、塑料大棚等保护设施内CO2匮乏更为明显，特别是当光照充足、作物生长迅速、光合代谢旺盛时CO2匮乏所带来的问题更为突出，比如产量下降、品质降低和生长缓慢等。但CO2浓度也不是越高越好，棚屋内空气中二氧化碳浓度过高，常引起蔬菜作物叶片卷曲，甚至严重变形，影响光合作用的正常进行，严重时几乎达到凋萎的程度。 同时叶片中钾、钙、镁和磷等营养元素的含量降低，可能诱发相应的营养元素缺乏症。此外，二氧化碳浓度过高还会影响作物对氧气的吸收，不能进行正常的呼吸代谢作用而影响正常的生长发育，促进衰老过程。[3～5]。因此，选择适宜的CO2施肥浓度，对提高作物光合效率、提升果实品质、增加产量十分重要。

作为全世界栽培最为广泛的果蔬之一，番茄凭借独特的口感、极高的营养价值深受消费者的喜爱。番茄在我国的栽培历史不长，已经成为我国设施种植面积最广的蔬菜。但是设施内CO2匮乏已成为影响番茄生长的一个严重问题。CO2施肥能够提高棚室番茄的维生素C、糖等的含量，从而提高番茄品质。番茄的生物量[6]以及株高[7]在增施CO2后也增高，抗病能力也显著增强，王兴民研究指出，给番茄增施CO2后，蕨叶病毒发病率和病情指数都明显下降[8、9]。在我国秋冬季，日光温室的生产中，常出现弱光低 CO2的环境情况，极大地限制了番茄的产量和品质，常出现番茄单果小，果实着色差，风味淡，抗坏血酸、番茄红素等营养物质含量低、番茄挥发性芳香物质含量低等现象[10～13]。因此，秋冬季日光温室中弱光低 CO2是影响我国设施番茄果实品质特性的关键因素。本实验旨在通过测定四个不同梯度浓度CO2施肥对番茄各成熟期各项品质指标的影响，来确定番茄栽培最适的CO2施肥浓度，为我国北方秋冬季设施内番茄精准施肥与适应品种筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于山西农业大学园艺站日光温室内进行，以栽培种‘兴海12号’为试验材料。

1.2 试验设计

本试验共设置4个浓度处理，地点为山西省太谷县山西农业大学园艺站温室，温室内分为四个隔间，单个小区面积6×8 m。实验地位于我国北方，在每年11月底每日早8～9时、下午4～5需要起放棉被，晴天最多光照时间为8小时。设各隔间CO2浓度依次为大气浓度(CK)、600(±25)μmol·mo-1(T1)、800(±25)μmol·mol-1(T2)、1 000(±25)μmol·mol-1(T3)。除对照外，其余隔间以钢瓶CO2为碳源。CO2释放控制采用GMM220传感器(芬兰VAISALA公司)和邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司的自动控制系统，通过管道和循流风机均匀施入。此系统可通过CO2传感器感应自动控制，在CO2施放时可以做到实时动态补气，使试验小区内CO2浓度一直维持设定值。日光温室内各隔间的CO2浓度变化情况见图1，晴天早上08：30之前各隔间的CO2浓度基本一致，08：30之后随着CO2的逐渐补充，3个隔间的CO2浓度差异逐渐增大，由于CK光合逐渐增强且不补CO2，导致CO2浓度缓慢降低；09：00时，T1、T2、T3隔间的CO2浓度基本达到设定水平，之后处于恒定直到11：30关闭阀门后逐渐降低，到12：00各隔间的C02浓度降到自然环境CO2浓度水平。番茄在2016年8月底播种，待幼苗长至四叶一心时，选取长势一致的幼苗，移栽定植，定植时间为2016年11月3日。每个隔间设置6个重复。当缓苗一周后开始施气，具体为晴天早晨日出后20 min开始施肥，施肥时长为4～6 h，当温室温度超过30摄氏度时开始放风，关闭系统停止施放CO2，阴雨天不进行增施。坐果后取第二穗果不同成熟期果实(绿熟期、白熟期、转色期、成熟期)采样，每个隔间采取生长位置相同、生长健壮、长势相近的番茄3个，并拿回实验室低温保存。

图1 温室内各隔间CO2浓度变化动态Fig.1 Change of CO2 concentration in each compartment of greenhouse.

1.3 测定方法

1.3.1 硬度测定

用硬度计测定，在番茄果实的中心赤道位置，匀速的按压硬度计并时刻观察表盘上数值的变化，记录硬度计的探头进入番茄瞬间时的读数，测试应在室温下进行。每个浓度采3个成熟果，每个果实测三次，测定完毕每组求平均值。

1.3.2 可溶性固形物测定

选取各浓度下的成熟期果实各3个，在之前测硬度留下的孔上用移液枪枪头吸取少量汁液，滴于阿贝折射仪镜面，然后对光读数。注意每次读数前擦净镜面。最后将每个浓度下的3个数值求平均值。

1.3.3 总糖测定

采用蒽酮法，称取0.2 g左右的果实并研磨成匀浆，加少量乙醇抽提2次，将上清液并入10 mL的离心管内，用微量水洗研钵，冲洗液并入离心管，沸水浴煮沸20 min，然后冷却定容到10 mL，离心10 min(5 000 r·min-1)，用移液枪提取1 mL上清液加入一干洁的试管中，加5 mL蒽酮试剂混合，煮沸10 min，冷却后测吸光度，波长620 nm， 将各浓度对应测定值求平均值，在标准曲线上对应查得滤液中的糖含量，然后套入公式计算含糖百分数。糖含量计算式如下：

可溶性糖含量(mg·100 g-1)=(C×V)/(M×103)×100

其中C为滤液中的含糖量(μg·mL-1)；V为样品稀释体积；M为称取样品鲜重(g)。

1.3.4 可滴定酸测定

取各浓度下的果实3个，将果实切成小块并用榨汁机破碎，称取3 g左右搅拌液，研成匀浆，转入50 mL锥形瓶中，冲洗研钵，冲洗液倒入锥形瓶，总体积约20 mL左右。接着将锥形瓶置于75～80度水浴上加温半小时。冷却后摇匀，用脱脂棉过滤，滤液中加2～3滴酚酞。用0.01 mol·L-1的NaOH滴定，至溶液变成微红色，记录NaOH消耗体积，可滴定酸含量计算公式如下：

可滴定酸(mmol·100 g-1)=C×V / M×100

可滴定酸(%)=C×V / M×100×0.075

其中C为NaOH的浓度；V为消耗NaOH的体积(mL)；M为称取样品鲜重(g)。

1.3.5 维生素C测定

采用钼蓝比色法，准备13支干洁的25 mL试管，一号试管为对照管，称取各样品3～4 g，加5 mL草酸EDTA，研磨成匀浆，转入对应试管，提取液冲洗研钵，冲洗液并于试管，然后用草酸EDTA溶液定容至10 mL。移液枪吸取2 mL匀浆，3 000 g离心10 min，吸取1 mL离心后上清液于10 mL离心管中，然后加4 mL草酸EDTA,偏磷酸-乙酸溶液0.5 mL，5% H2SO4 1 mL，5%钼酸铵2 mL。摇匀，30度水浴锅保温15 min，冷却后测定，波长760 nm，对照管调零，记录读数。维生素C计算公式：

植物组织中维生素C含量(mg·kg-1)=C×V/ M×100

C为标曲上查的维生素C的浓度(mg·mL-1)；V为稀释倍数；M为样品重量(g)。

1.3.6 番茄红素测定

采用张连富的方法(2001)稍作改动，采取各浓度下长势接近的成熟果实各3个并带回实验室，称取各样品0.5 g左右放入干洁的试管中，加入甲醇反复抽提并弃滤液，至滤液无色为止。将经过预处理的样品充分研磨并加入石油醚(内含2% 二氯甲烷)萃取至无色，萃取液并于100 mL容量瓶中并定容。摇匀滤液测定吸光度。测定波长502 nm。番茄红素计算公式如下：

番茄组织中番茄红素的含量(μg·g-1)=C×V/M×10-1

C为标准曲线查的番茄红素的浓度；V为滤液总体积；M为番茄样品质量(g)。

1.4 数据处理

数据处理用Excel2010、SAS8.1软件分别进行数据统计和分析(P<0.5)作图。

2 结果与分析

2.1 CO2施肥对可溶性总糖、可滴定总酸含量及糖酸比的影响

可溶性总糖与总酸是影响人体味觉对番茄口感评价的第一直观因素。同时糖也是可为人体提供能量的营养物质。可以说番茄中可溶性糖、酸含量及糖酸比在营养与风味的评价中占据重要作用。

从图2可以看出，番茄在成熟的过程中可溶性总糖含量整体呈升趋势，在到达转色期与成熟期后处理T1、T2、T3与CK相比，可溶性总糖的含量在转色期分别上升36.55%、31.73%、27.44%，成熟期分别上升31.74%、32.77%、27.50%。可以看出在转色期处理T1优势明显而到达最终的成熟期则是T1、T2优势相对明显但二者之间差异不大。总体来说T1、T2、T3均与CK相比有了显著变化，但在成熟期T1与T2差异不显著与T3有显著差异。

番茄果实中的总糖和总酸决定了果实的口感风味。较高的糖度和相对合适的糖酸比可为番茄带来良好的口感风味，糖酸比对番茄果实风味的变化有着重要的决定作用(霍建勇等)高糖和低酸则会令味道变淡，低糖和高酸会形成酸果。所以番茄果实的风味品质首先决定于甜度，酸也在一定程度上影响着番茄的风味品质。从图3看出，番茄中总酸的含量在CO2施肥后总体呈先升后降趋势。在白熟期、转色期、成熟期处理T1、T2、T3相比对照CK分别下降13.34%、16.67%、32.22%和16.87%、25.30%、25.30%及6.35%、22.22%、34.92%。在本实验中可见随着CO2施肥浓度升高，番茄果实的可滴定酸含量有显著下降趋势。

图2 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果实可溶性糖含量的影响Fig.2 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the soluble sugar content of single fruits at different developmental stages

图3 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果实可滴定酸含量的影响Fig.3 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the titratable acid content of single fruits at different developmental stages

口感风味好番茄显然更受人们的青睐，如图4，将各处理的可溶性糖与可滴定酸得出糖酸比。由于可溶性糖含量的上升与可滴定酸含量的下降糖酸比变化显著，成熟的番茄果实因CO2施肥浓度的升高会获得更高的糖酸比。

图4 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果实糖酸比的影响Fig.4 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the sugar/acid ratio of single fruits at different developmental stages

2.2 CO2施肥对维生素C含量的影响

从图5可知，增施CO2后番茄中的维生素C含量整体呈先升后降趋势。番茄维生素C含量在果实成熟时较未成熟时略有下降，这也与前人的相关研究结果吻合。在转色期与成熟期处理T1与T2达到最高值对比CK有明显提升，分别达到46.59%、79.27%、38.93%与69.97%、77.83%、41.91%。在本试验中处理T2对番茄维生素C的提升效果最明显。

图5 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果维生素C含量的影响Fig.5 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the ascorbic acid content of single fruits at different developmental stages

2.3 CO2施肥对番茄红素含量的影响

自然界中番茄红素的来源除番茄果实之外十分有限，人类饮食中的番茄红素主要来源于番茄及其制品。因此果实中番茄红素的含量是评价番茄品质的重要指标。从图6可知，番茄在成熟过程中番茄红素含量会在番茄果色转变时骤然上升，而且随着番茄的成熟，番茄红素的含量也会上升。本试验中CO2施肥会使番茄红素的含量显著增加。到番茄成熟时处理T1、T2、T3相比对照组CK上升了28.20%、87.10%、44.55%。从结果来看处理效果T2>T3>T1。

图6 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果实番茄红素的影响Fig.6 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the carotenoids content of single fruits at different developmental stages

2.4 CO2施肥对番茄果实可溶性固形物含量及硬度的影响

如图7，番茄可溶性固形物在成熟过程中整体呈上升趋势。到达成熟期T1、T2、T3相对CK分别有27.94%、29.41%、16.18%的提升。其中T1与T2有显著差异。本试验中800 μmol·mol-1处理效果相比对照是最好的。

图7 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果实可溶性固形物含量的影响Fig.7 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the soluble soild content of single fruits at different developmental stages

如图8所示，各浓度CO2施肥后，番茄硬度整体在成熟之前的白熟期与转色期各处理相比对照都有差异。但在白熟期T2与T3处理之间无明显差异而转色期T1、T2、T3间亦无明显差异仅与对照与差异。当番茄到达成熟期后，随着果实成熟硬度变小各处理均与对照相比有所降低。

图8 不同浓度CO2施肥对不同成熟期果实硬度含量的影响Fig.8 Effect of different concentrations of CO2 enrichment on the firmness of single fruits at different developmental stages

3 讨论与结论

针对增施CO2对茄果类作物产量及品质影响的试验早已被广泛研究，增施CO2能够大幅提高茄果类作物的产量及品质。本次试验不仅研究了增施CO2对番茄成熟过程品质的影响，还进一步通过设置CO2浓度梯度施肥探究了提升番茄品质的最适CO2浓度。王彦华[14]等人的研究表明番茄不同成熟期果实中维生素C含量不同，从绿熟期到白熟期维生素C含量明显升高，之后趋于平缓，转色期略有下降且到完熟期时达到最高，但与白熟期差别不大。本试验在对番茄增施CO2后转色期与成熟期维生素C均有较大幅度提升，效果明显。但维生素C绝对含量在转色期达到最高。也与张志明[9]的试验结果：在番茄果实的成熟过程中转色期是番茄果实富含维生素量最多的时期，同时CO2施肥促进了番茄果实各个成熟时期维生素含量的增加相吻合。陈双臣[15]等人结果指出CO2施肥对番茄果实中的番茄红素、可溶性固形物、总糖、维生素C含量分析表明,增施 CO2可显著提高番茄果实品质。其中维生素C和番茄红素的增幅最大，分别增加 33.27% 和 30.98%。而本试验在T2处理下维生素C与番茄红素也得到了最大增幅分别为79.27%与87.1%。到转色期时番茄果实硬度在CO2处理下会显著降低。樊琳[7、16、17]等研究表明，采用CO2施肥不但可大幅提高番茄产量,而且采摘期相比对照可提前15 d。本试验中增施CO2后番茄的可溶性固形物含量最高上升29.41%、总糖含量最高上升32.77%、维生素C含量最高上升79.27%、番茄红素的含量最高上升87.10%，而酸的含量最高下降34.92%。这些都是达到显著变化，变化程度与张志明[13]、樊琳[17]等的研究相一致。综合上述数据分析得出，本试验中番茄可溶性固形物、维生素C、可溶性糖、番茄红素的含量在800 μmol·mol-1时与对照有最显著差异且达到最佳，而酸的含量在1 000 μmol·mol-1时降低最明显。同时糖酸比在1 000 μmol·mol-1时最高，此时番茄果实口感相对最好，这与朱世东等对大棚樱桃番茄的研究结果[7]相近。他的研究表明：对大棚樱桃番茄增施CO2时，发现提高品质的最适浓度为1 000 μmol·mol-1左右。李荣华[18]等对2个番茄材料在不同CO2浓度条件下叶片的光合特性进行了分析。，研究结果表明:随着CO2浓度的升高,2个番茄材料的光合量子利用效率出现逐渐升高的趋势,但呼吸作用和光补偿点却随CO2浓度的升高而出现下降的趋势;光合作用速率和光饱和点在CO2浓度低于800 μL/L时随CO2浓度升高而增加，高于这一浓度则随CO2浓度升高而下降。与栽培番茄品种相比,具有适应高光强、抗逆性强等特性的野生番茄品种在多种CO2浓度下基本上表现出相对低的呼吸速率、高的光合同化能力、低光补偿点和高光饱和点等特性。即使在同一物种间,对CO2的反应也存在差异。而且彭长连等[19]在其文中指出，不同的水稻材料,其光合速率对高浓度CO2的反应也不尽相同;在水稻的整个生育期中,有的表现出光合速率一直高于对照，有的则一直低于对照处理，有的材料在生育前期的光合速率高于对照而在生育后期又低于对照，还有的材料在一些生育期其光合速率高于对照而另一些生育期低于对照。不同水稻材料或同一水稻材料在不同生长发育时期对环境中高浓度CO2响应的特性不同，尤其在生育后期,光合作用还表现出适应性下降[20]。

通过本试验可得出：CO2施肥均能够显著提高番茄的可溶性固形物、总糖、维生素C、番茄红素的含量、并减少可滴定酸的含量，提升了番茄口感与营养物质，综合比较在800 μmol·mol-1左右浓度下效果最为明显。可为我国北方番茄温室实际生产做出初步理论参考，最终通过实际投入与产出可选择最佳浓度，也可根据现有初步结论进行进一步品种筛选。本试验使用的是CO2自动控制系统可以做到精确控制CO2浓度。但是气源使用的是钢瓶，成本较高，如果相关企业可以解决CO2来源降低成本，可以为农户造福，提高收入。

参 考 文 献

[1]潘瑞炽，王小菁，李娘辉. 植物生理学[M]. 北京：高等教育出版社, 2012: 112-113.

[2]郑光华.蔬菜保护地栽培中二氧化碳的应用原理和方法[J]. 国外农业科技, 1980(4): 18-22.

[3]倪吾钟，单英杰.大棚蔬菜的二氧化碳浓度障碍与调控[J]. 中国环境科学出版社, 1999(2): 136-139.

[4]杜宝华，杨其长.我国设施环境中二氧化碳施肥问题的探讨[J]. 中国农业气象, 1998, 19 (5): 46-48.

[5]郭淑凤.棚室二氧化碳施肥新技术探讨[J]. 北方园艺, 1997 (2): 42-43.

[6]高文瑞,徐刚,王虹,等. CO2施肥对设施蔬菜影响的研究进展[J]. 江苏农业科学, 2009(6): 213-216.

[7]朱世东,徐文娟.大棚樱桃番茄CO2加富的生理效应[J]. 安徽农业大学学报, 2002, 29 (2): 127-131.

[8]鲁如坤. 土壤与植物营养学原理与施肥[M]. 北京：化学工业出版社, 1998：34-37.

[9]王兴民. 蔬菜大棚栽培与CO2施肥[J]. 北京农业, 1990 (1): 28.

[10]李春龙.二氧化碳施肥技术在设施蔬菜栽培上的应用[J]. 四川农业科技, 2013 (6): 50-51.

[11]张旭伟，徐明磊，李红艳，等.番茄果实可溶性固形物的作用及研究概况[J]. 科技资讯, 2011 (15): 160-161.

[12]樊鸿修，胡立敏，杨海靓. 二氧化碳气肥在保护地番茄栽培上的应用研究[J]. 甘肃农业科技, 1988 (6): 23-24.

[13]张志明.二氧化碳施肥对番茄果实品质的影响[D]. 杭州:浙江大学, 2012.

[14]王彦华，赵婷婷，李会佳，等.番茄果实成熟时期维生素C含量的变化[J].湖北农业科学,2014,53(19):4641-4643,4646.

[15]陈双臣,邹志荣,贺超兴.温室有机土栽培CO2浓度变化规律及增施CO2对番茄生长发育的影响[J]. 西北植物学报, 2004, 24 (9): 1624-1629.

[16]刘志华,蒋海燕,程建峰.CO2肥对保护地茄果类蔬菜光合作用和产量形成的效应[J]. 安徽农学通报, 2009, 15 (5): 81-83.

[17]樊琳,都韶婷,黄利东,等. 农业有机废弃物发酵CO2施肥对大棚番茄产量及品质的影响[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2009, 35 (6): 626-632.

[18]李荣华，Bjorn Martin.CO2浓度对番茄光合特性的影响[J].安徽农学通报,2007，13(14):23-24,143.

[19]彭长连，林植芳，孙梓健，等.水稻光合作用对加富CO2的响应[J].植物生理学报, 1998,24(3):272-278.

[20]Cure J D, Acock B. Crop responses to carbon dioxide doubling: a literature survey [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1986, 38(1):127-145.