CO2对生菜生长和固碳量的影响

陈丹艳，杨振超，孔 政，王晓旭，何 蔚，胡晓婷

(西北农林科技大学 园艺学院，农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100)

固碳是通过捕获碳并安全封存的方式来取代直接向大气中排放CO2的过程，也称为碳封存[1]。目前，全球气候变暖，大气中CO2浓度不断上升，减少温室气体排放及增加碳吸收受到国际社会的广泛关注[2]，而固碳在一定程度上可以减缓大气中CO2浓度的增加。目前固碳方法整体可分为2种[3]：一是人工固碳法，通过将CO2泵入深海区域进行碳封存[4-5]，或者通过向海洋施用微量及常量元素[6]，促进海洋中的浮游植物利用光合作用吸收大气中的CO2，此外还有一些其他化工方法；二是自然固碳法，主要是利用陆地植物的固碳功能[7]，主要包括森林生态系统固碳[8-9]、草地固碳[10-11]、农田固碳[12]等。植物固碳[13]主要通过光合作用同化吸收大量CO2，从而在一定程度上缓解气候变化所带来的危害。目前，关于植物固碳的研究集中在草原生态系统和森林生态系统领域[14]，而关于设施农作物固碳的研究相对较少。随着设施农业的快速发展，设施内环境控制设备及技术也在不断完善，单位面积土地利用率及劳动产出率等均得以提升，同时，设施农业固碳效益也得到了提高。CO2作为光合作用的原料，增加环境中CO2浓度在一定程度上会促进作物生长、提高产量、改善作物品质[15]。

设施农业半封闭的环境为提高作物的固碳能力提供了保证。本试验在人工环境智能化自动控制条件下，选择香港玻璃生菜为供试材料，针对设施内部CO2匮乏及鲜少涉及高浓度CO2研究的现状，设置不同CO2水平，分析CO2含量对生菜形态指标、生物量、光合色素含量、品质指标及固碳量的影响，旨在为设施蔬菜的高产优质栽培及设施农业固碳研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016年3月在西北农林科技大学农科楼园艺学院设施农业生物与环境工程实验室进行。试验材料为生菜(LactucasativaL.)，品种为‘香港玻璃’，种子购于农城种业。栽培基质由内蒙古蒙肥生物科技有限公司生产。营养液选用1/2剂量日本园试通用营养液。根据生产上常用CO2施用量(800～1 200 μmol/mol)及植物工厂中常用的CO2施用量(1 600 μmol/mol)[16-18]，本试验设置5个CO2含量处理，分别为自然状态(CK)、T1(800 μmol/mol)、T2(1 200 μmol/mol)、T3(1 600 μmol/mol)和T4(2 000 μmol/mol)，其余环境因子均一致。

试验选用CO2人工气候箱(RXZ-500，江南制造厂)，光源为LED光源，红光与蓝光强度之比为2∶1，总光照强度为(150±2) μmol/(m2·s)。

1.2 方 法

取长势一致的4叶1心期生菜幼苗，定植于花盆中，置于CO2人工气候箱内进行处理，单层种植，种植层为气候箱自底部向上24.5 cm处，种植密度为10 cm×10 cm，每处理36株。栽培条件控制为：光照强度(150±2) μmol/(m2·s)，昼/夜光周期12 h/12 h，昼/夜温度20 ℃/18 ℃，相对湿度70%。试验前期每2 d浇水1次； 10 d以后每3 d浇1次营养液，每次浇150 mL 1/2剂量日本园试通用营养液。共处理30 d。

1.3 测算指标及方法

1.3.1 形态指标 自CO2处理之日起，每5 d检测1次生菜的形态指标，每个处理随机取3株进行检测。形态指标[19]包括株高、茎粗、叶片数、最大叶面积，其中株高用直尺测量植株基部到最高处长度，茎粗用游标卡尺测量子叶与第一片真叶之间的直径，叶片数为黄化面积小于50%且完全展开的功能叶数量，最大叶面积=最大叶长×最大叶宽[20]。

1.3.2 生物量及根冠比 处理30 d后采收时，每个处理随机取样3株测生菜生物量指标，包括地上、地下部分鲜质量和干质量。先测定生菜地上、地下部分鲜质量，再将鲜样于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后于75 ℃烘干至质量恒定后，测定地上和地下部分的干质量。根冠比指植物地下部分与地上部分干质量的比值。测定结果取平均值。

1.3.3 光合色素含量 采收时每个处理随机取样3株，取自生长中心向下第3 片功能叶鲜样0.200 g，用体积分数96%乙醇浸提至呈白色，用紫外分光光度计分别测定波长665，649，470 nm下的吸光度值(OD值)，并计算叶绿素和类胡萝卜素含量[21]。每个样品重复测定3次，结果取平均值。

1.3.4 品质指标 采收时每个处理随机取样3株，取自生长中心向下第3片功能叶，用于检测可溶性蛋白、维生素C、硝酸盐、还原性糖及可溶性总糖含量，以上指标分别用考马斯亮蓝G-250染色法、钼蓝比色法、水杨酸-硫酸法、3,5-二硝基水杨酸法、蒽酮比色法[21]测定。每个样品重复测定3次，结果取平均值。

1.3.5 地上部固碳量 前人研究表明，植物每生产1 g干物质需固定1.63 g CO2[22-23]。可根据定植时作物的干物质量和采收时的干物质量计算地上部固碳量，具体计算公式为：

(1)

式中：W表示地上部固碳量(g/m2)；a为采收时地上部分干质量(g)；b为采收时地下部分干质量(g)；r为干物质净积累量(g/株)，由采收时干物质量减去定植时干物质量得到；ρ为栽培密度(株/m2)，本研究中取值为100株/m2。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007软件进行数据整理，用SPSS 20软件中的Duncan’s新复极差法进行数据的方差分析(P≤0.05 )，用Origin绘图。

2 结果与分析

2.1 CO2含量对生菜形态指标的影响

CO2含量对生菜株高、茎粗、叶片数和最大叶面积的影响结果见图1。

图1 CO2含量对生菜株高、茎粗、叶片数和最大叶面积的影响Fig.1 Effects of different CO2 concentrations on plant height,stem diameter,blade number and maximum leaf area of lettuce

图1显示，与对照(CK)相比，增施CO2有效地促进了生菜植株的生长，不同含量CO2对生菜形态指标的影响存在差异。随着试验时间的延长，各处理平均株高逐渐增加，试验前期(0～15 d)各处理之间差异较小，后期(15～30 d)各处理之间差异逐渐增大，直至采收时(30 d)T3处理(CO2含量为1 600 μmol/mol)平均株高最大，CK最小，且T3处理与CK之间差异显著，其余3个处理之间差异未达到显著水平。随着试验时间的延长，各处理生菜平均茎粗逐渐增加，至采收时各处理平均茎粗表现为T4>T3>T2>T1>CK，即随着CO2含量的增加，生菜平均茎粗逐渐增加，但各处理间茎粗差异均未达到显著水平。随着试验时间的延长，各处理平均叶片数逐渐增加，其中T4处理平均叶片数显著高于其余处理，其余处理间差异均不显著。各处理生菜的最大叶面积随着试验时间的延长不断增加，且前期(0～10 d)各处理间差异较小， 10 d以后各处理之间差异逐渐增大，至采收时(30 d)T2处理的最大，其次为T3、T4、T1处理，CK最小。

图1还显示，在0～30 d，随着CO2含量的增加，平均株高、最大叶面积呈先升后降趋势，其中1 600 μmol/mol CO2处理(T3)的平均株高最高，1 200 μmol/mol CO2处理(T2)的最大叶面积最大；随着CO2含量的增加，平均茎粗、叶片数呈增大趋势，均以2 000 μmol/mol CO2处理(T4)的较高。

2.2 CO2含量对生菜生物量的影响

表1显示，不同含量CO2处理对生菜生物量的影响很大，各CO2处理的生物量指标均显著高于CK。随着CO2含量的增加，生菜地上和地下部分以及全株的鲜质量、干质量均呈上升趋势，当CO2含量为2 000 μmol/mol时均达到最大，且均显著高于其他处理。随着CO2含量的增加，生菜根冠比也逐渐增大，其中T4处理显著高于其他处理。

表1 CO2含量对生菜生物量的影响Table 1 Effect of different CO2 concentrations on lettuce biomass

注：同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P≤0.05 )。下表同。

Note: Different lowercase letters in each column mean significant difference atP≤0.05 level.The same below.

2.3 CO2含量对生菜光合色素含量的影响

表2显示，T2处理叶绿素a、类胡萝卜素和叶绿素(a+b)含量均最高，且与其他处理均达到差异显著水平；其余各处理叶绿素a、类胡萝卜素和叶绿素(a+b)含量差异均不显著，说明一定程度上增加环境中CO2含量有利于提高叶片中叶绿素a、类胡萝卜素和叶绿素(a+b)含量，但CO2含量超过一定限度后则会导致其含量下降。各处理生菜叶片中叶绿素b含量和叶绿素a/b差异均不显著。

表2 CO2含量对生菜光合色素含量的影响Table 2 Effect of different CO2 concentrations on photosynthetic pigment contents of lettuce

2.4 CO2含量对生菜品质指标的影响

图2显示，随着CO2含量的升高，生菜叶片中可溶性蛋白、维生素C、还原性糖含量均呈上升趋势，T1、T2、T3、T4处理可溶性蛋白含量分别比CK增加了6.83%，12.36%，15.47%和23.59%，维生素C含量分别较CK增加6.88%，11.37%，16.25%和21.21%，还原性糖含量分别较CK增加2.84%，4.74%，9.81%和24.07%，且各处理间差异显著，表明增施CO2有利于提高生菜叶片中可溶性蛋白、维生素C、还原性糖含量。随CO2含量的升高，生菜叶片中硝酸盐含量呈增加趋势，T1、T2、T3、T4处理硝酸盐含量分别比CK增加了5.91%，10.36%，12.18%和16.16%，且各处理间差异均达显著水平，这可能是因为在生菜栽培管理过程中，仅用营养液进行浇灌，期间未能及时调整培养基质电导率，因此导致种植基质中硝酸盐含量较高，进而造成生菜叶片中硝酸盐含量偏高。随CO2含量的升高，生菜叶片中可溶性总糖含量呈先升高后降低的趋势，各处理可溶性总糖含量表现为T2>T3>T4>T1>CK，其中T2和T3处理可溶性总糖含量显著高于其他处理。

图2 CO2含量对生菜品质的影响Fig.2 Effects of different CO2 concentrations on quality of lettuce

2.5 CO2含量对生菜地上部固碳量的影响

本研究发现，定植时生菜地上、地下部分以及全株干质量分别为0.093，0.016和0.109 g/株，栽培密度为100株/m2，将各处理数据(表1)代入式(1)计算，可得本次试验CK、T1、T2、T3、T4处理生菜地上部固碳量分别为338.91，405.84，404.55，454.20和526.34 g/m2。由于本次试验为30 d/茬，1年可栽培12茬，故各处理生菜地上部年固碳量为4 066.88,4 870.14,4 854.59,5 450.41和6 316.13 g/m2。

3 讨论与结论

本试验中，生菜株高和最大叶面积均随着CO2含量的增加呈现先升后降的趋势，说明适当增加CO2含量有利于促进株高和最大叶面积，但过高的CO2含量会抑制株高和叶面积的增加；茎粗、叶片数随CO2含量增加均呈上升趋势，说明升高CO2含量有利于生菜壮苗。各CO2处理的生菜株高、茎粗、叶片数及最大叶面积均大于CK，说明增加CO2含量对生菜的形态指标具有促进作用，这与盛顺等[15]的研究结果一致。本试验结果表明，随着CO2含量的增加，生菜地上部分鲜质量呈增长趋势，各CO2处理生菜地上部分鲜质量均高于CK，表明增施CO2能够促进生菜干物质的积累，提高生菜产量，这与杨富军等[24]、王娟等[25]、陈楠楠[26]的研究结果一致。

本试验中，增施CO2对生菜光合色素含量有明显影响。当CO2含量小于1 200 μmol/mol时，增加环境中CO2含量有利于提高生菜叶片中叶绿素a、类胡萝卜素和叶绿素(a+b)含量；但CO2含量超过1 200 μmol/mol后，则会导致以上指标下降。光合色素含量的增加有利于提高生菜的光合作用，进而产生更多的干物质积累，从而提高生菜的产量。与CK相比，增加环境中CO2含量提高了生菜的可溶性蛋白、维生素C、还原性糖以及可溶性总糖含量，有利于改善生菜品质，这与张志明[27]的CO2能够提高番茄品质的研究结果一致。此外，与CK相比，增加CO2含量也提高了生菜叶片的硝酸盐含量。本研究在生菜生长后期长期浇灌营养液，导致生菜叶片中硝酸盐含量超标，故在生菜生产管理中，应严格控制营养液中硝酸盐含量，可通过测定浇灌营养液时流出残液的电导率值，来判断生菜生产管理中营养液的硝酸盐含量，从而有效控制基质中硝酸盐的含量，以获取叶片中硝酸盐含量较低的生菜。建议在采收前通过浇灌清水的方式降低基质中硝酸盐含量，进而降低生菜叶片中硝酸盐含量。随着CO2含量的增加，生菜固碳量逐渐增加，在CO2含量为2 000 μmol/mol时达到最大值526.34 g/m2，表明一定程度上增加生菜生长环境中CO2含量，有利于提高生菜的固碳量。

由本研究结果可知，在人工光源条件下增施CO2，能够有效促进生菜的生长，提高生菜产量，改善生菜品质，增加生菜固碳量，表明增施CO2有利于提高作物的产量、品质和固碳量，在不考虑成本的条件下，从生菜产量角度考虑以2 000 μmol/mol CO2处理较优。

目前固碳研究多基于森林、草原生态系统等，关于设施农作物固碳的研究相对较少。目前针对CO2气体施肥的研究较少，本试验通过人工环境智能化自动控制设置的CO2含量较高，突破了以往的研究，这为设施农业高产栽培提供了依据。同时，本研究量化了农作物固碳量，为设施农业固碳-高产栽培一体化研究提供了参考依据，也为后期的研究奠定了基础。建议下一步从蛋白或分子水平深入剖析设施农作物固碳的内在机制，为设施农作物固碳的推广应用建立更完善的理论体系。