安紅艷，張京開(kāi)，劉 旺，盛 順，苗秋生，孫貴芹，謝 杰，王榮雪

（北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079）

CO2是植物光合作用的主要原料，在設(shè)施栽培條件下，增施CO2是實(shí)現(xiàn)溫室蔬菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要技術(shù)，因此，CO2增施技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外設(shè)施蔬菜發(fā)達(dá)國(guó)家所普及應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，荷蘭和挪威分別有65%和75%的日光溫室正在使用CO2施肥技術(shù)，其他發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本等在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也大量運(yùn)用了CO2施肥技術(shù)[2]。中國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究溫室CO2增施技術(shù)，目前，溫室內(nèi)CO2增施技術(shù)主要有鋼瓶法、燃燒法、吊袋施肥、施用固體CO2氣肥、CO2發(fā)生器法、增施有機(jī)肥法等，部分技術(shù)在遼寧、北京、甘肅、寧夏等地進(jìn)行了推廣應(yīng)用，已經(jīng)取得了良好效果[3-5]。但由于成本較高或使用不方便等原因，中國(guó)大部分日光溫室蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用CO2增施技術(shù)的還較少，增加日光溫室中CO2濃度仍主要靠溫室通風(fēng)口的空氣流通。這就存在通風(fēng)不足的現(xiàn)象，特別是嚴(yán)冬季節(jié)不通風(fēng)或僅中午前后（一般為中午11：00-14：30）于屋脊部位扒小縫短時(shí)間進(jìn)行自然通風(fēng)，由于通風(fēng)量小，中午前后很容易造成CO2虧缺。如果這段時(shí)間進(jìn)行溫室CO2增施，也容易造成浪費(fèi)，調(diào)節(jié)不當(dāng)還會(huì)起反作用，經(jīng)濟(jì)效益不高。因此，利用太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)將加熱的空氣輸送到溫室內(nèi)，通過(guò)增加溫室通風(fēng)量，在溫室內(nèi)CO2濃度虧損較嚴(yán)重的時(shí)段提高CO2濃度，以期探索一種中午前后提高溫室CO2濃度的經(jīng)濟(jì)有效的方法，為溫室蔬菜高效、優(yōu)質(zhì)、綠色生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和工作原理

太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)（圖1）由太陽(yáng)能空氣集熱器、通風(fēng)管道、風(fēng)機(jī)等組成。太陽(yáng)能空氣集熱器置于南北走向的大棚的西側(cè)，面向正南，與地面呈約25°角放置；在塑料大棚地下40 cm深處，由磚砌成的主通風(fēng)道位于大棚最南部，從西向東橫穿大棚，末端由PVC管引出地面，主通風(fēng)道上每隔10 m引出地面1個(gè)通風(fēng)管（PVC），共計(jì)6個(gè)通風(fēng)管，每個(gè)通風(fēng)管露出地面距離約為44 cm。其中，中間通風(fēng)管直徑為5 cm，末端通風(fēng)管直徑為11 cm，通風(fēng)管的間距為10 m，通風(fēng)管A端口與風(fēng)機(jī)相連；白天，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器內(nèi)的空氣溫度升高至35 ℃時(shí)（圖2中10），風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，將室外冷空氣抽入太陽(yáng)集熱器，沿著順時(shí)針?lè)较蝾A(yù)熱后，從C口進(jìn)入加熱管上部進(jìn)行加熱，加熱管表面涂一層黑漆，較熱的空氣由D口進(jìn)入加熱管內(nèi)二次加熱，最后，熱空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)從A口進(jìn)入溫室主通風(fēng)道。熱空氣從太陽(yáng)集熱器進(jìn)入地下主通風(fēng)道后，先將一部分熱量傳給地下土壤蓄積起來(lái)，散熱后的空氣從通風(fēng)管道排入棚內(nèi)，增大通風(fēng)量，提高棚內(nèi)CO2濃度，同時(shí)也可提高土壤耕作層的地溫。夜間當(dāng)棚內(nèi)氣溫較低時(shí)，蓄積在土壤耕作層的熱量一方面通過(guò)通風(fēng)管排入棚內(nèi)，另一方面，土壤中蓄積的熱量從溫度較高的地下土壤向上緩慢傳遞，以提高大棚內(nèi)淺層土壤溫度，滿(mǎn)足作物根系對(duì)地溫的需求。

1.2 日光溫室大棚結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)用日光溫室位于北京市昌平區(qū)昌鑫農(nóng)業(yè)種植園區(qū)，溫室脊高3.45 m，橫跨8 m，高跨比為0.43，東西長(zhǎng)50 m，溫室后墻為黏土磚墻。冬季保溫覆蓋材料采用塑料薄膜和保溫被。

圖1 太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)

2 試驗(yàn)方法

在北京市昌平區(qū)昌鑫農(nóng)業(yè)種植園區(qū)選取2座朝向、大小、建筑結(jié)構(gòu)等相同的溫室大棚，為了減少熱量損失，選擇連棟溫室，分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)，1號(hào)棚為試驗(yàn)棚，安裝太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)，2號(hào)棚為對(duì)照棚，不安裝該設(shè)備。2棟溫室內(nèi)的同一位置種植相同數(shù)量、相同種類(lèi)的葉菜。

試驗(yàn)棚和對(duì)照棚內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置3個(gè)，位于溫室南端，平面位置見(jiàn)圖2。在各平面點(diǎn)垂直方向上設(shè)2個(gè)點(diǎn)，分別位于地表上方20 cm，地表下方10 cm，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)棚內(nèi)CO2測(cè)點(diǎn)布置在（2）、（3）號(hào)位置，對(duì)照棚內(nèi)CO2測(cè)點(diǎn)布置在（4）、（5）的位置，室外CO2測(cè)點(diǎn)布置在（6）的位置。

由于溫室CO2虧缺最嚴(yán)重季節(jié)為低溫寡照的12月-翌年2月，因此，選擇2015年12月-2016年2月開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)該裝置進(jìn)行了連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)試。而且，1月份晴天、陰天等天氣類(lèi)型較為豐富，因此選擇1月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同天氣條件下太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)每天工作時(shí)長(zhǎng)分析

圖2 溫濕度、CO2測(cè)試布點(diǎn)

由圖3可知，對(duì)2016年1月份太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)每天工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，1月份該設(shè)備平均每天累計(jì)工作時(shí)間為217 min，其中以200～300 min的頻率最多，為18次，其余時(shí)間段0～100 min、100～200 min、300～400 min的頻率分別為2次、8次和3次。經(jīng)查詢(xún)北京1月份天氣情況，1月份陰天或霧霾天為9 d，晴天多云為4 d，晴天為18 d，所以設(shè)備每天工作累計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)的頻率高。

圖3 太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)每天工作累計(jì)時(shí)間頻數(shù)

根據(jù)圖4可知，該設(shè)備晴天、多云天氣工作時(shí)間主要集中在9：30-15：30，9：30-13：30期間開(kāi)始斷斷續(xù)續(xù)工作，1：30-15：30期間開(kāi)始連續(xù)工作。其中，晴天（2016年1月11日）該設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間為9：46，停止工作時(shí)間為15：30，實(shí)際工作時(shí)間為290 min；多云天（2016年1月13日）該設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間為10：00，停止工作時(shí)間為15：30，實(shí)際工作時(shí)間為205 min；陰天（2016年1月16日）該設(shè)備一天都不工作。工作時(shí)間晴天＞多云天＞陰天，多云天開(kāi)始工作時(shí)間較晴天晚。

3.2 不同天氣條件下太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)CO2濃度的影響

持續(xù)陰天和晴天，棚內(nèi)CO2濃度日變化均表現(xiàn)為晝間下降夜間升高的變化趨勢(shì)，在13：00-14：00降至最低值，在9：00-10：00達(dá)到最大值，呈不規(guī)則的“W”或“U”形，這與魏珉等[2-6]的研究結(jié)果一致。

由圖5可知，連續(xù)陰天條件下，試驗(yàn)棚和對(duì)照棚內(nèi)CO2濃度呈增加趨勢(shì)，溫室外CO2濃度為近似直線(xiàn)，有小幅波動(dòng)。使用該設(shè)備的3 d時(shí)間里，試驗(yàn)棚CO2平均濃度為783.66 μmol/mol，對(duì)照棚CO2平均濃度為769.12 μmol/mol，溫室外CO2平均濃度為524.83 μmol/mol，試驗(yàn)棚較對(duì)照棚平均CO2濃度增加1.9%。其中，試驗(yàn)棚內(nèi)CO2濃度白天最低為545.2 μmol/mol，夜間最高濃度為953.16 μmol/mol，對(duì)照棚CO2濃度白天最低為534.6 μmol/mol，夜間最高為934.2 μmol/mol，試驗(yàn)棚白天、夜間溫室內(nèi)CO2濃度與對(duì)照棚接近。這表明在連續(xù)陰天，該設(shè)備不工作，對(duì)照棚與試驗(yàn)棚內(nèi)濃度差異不大。而且由于冬季氣溫較低，光照不足，作物消耗溫室內(nèi)CO2較少，晚上作物呼吸作用也產(chǎn)生CO2，所以溫室內(nèi)CO2濃度較高，連續(xù)陰天會(huì)使溫室內(nèi)CO2發(fā)生積累，溫室內(nèi)CO2濃度最低含量都比溫室外高，不會(huì)發(fā)生虧損。

圖4 太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)工作時(shí)間

圖5 持續(xù)陰天下CO2濃度變化（2016年1月1-3日）

在持續(xù)晴天條件下，試驗(yàn)棚和對(duì)照棚內(nèi)CO2濃度呈現(xiàn)出劇烈的變化，溫室外CO2濃度在夜間有小幅波動(dòng)，總體來(lái)說(shuō)呈近似直線(xiàn)型。由圖6可知，不論是夜間還是白天，試驗(yàn)組CO2濃度較對(duì)照棚的CO2濃度高，試驗(yàn)組CO2濃度平均為801.85 μmol/mol，白天最低為410.78 μmol/mol，夜間最高為1 085.7 μmol/mol；對(duì)照棚CO2濃度平均值為700.17 μmol/mol，白天最低為376.2 μmol/mol，夜間最高為931.5 μmol/mol，平均濃度增加14.5%。這是由于一般1月份溫室開(kāi)膜時(shí)間為12：00左右，而該設(shè)備在9：30就開(kāi)始工作，使得試驗(yàn)棚內(nèi)CO2濃度相對(duì)較高，中午前后維持在外界CO2濃度水平，16：30左右溫室蓋棉被后，試驗(yàn)棚內(nèi)CO2又開(kāi)始積累，所以試驗(yàn)棚內(nèi)CO2濃度始終高于對(duì)照棚。在使用該設(shè)備的3 d，試驗(yàn)組每天虧損的時(shí)間分別為0、0.5、2 h，平均虧損0.83 h，對(duì)照棚每天虧損的時(shí)間為2、4、3.5 h，平均虧損3.17 h，平均減少虧損2.34 h。這說(shuō)明使用該設(shè)備后，晴天可以減少溫室內(nèi)CO2虧損時(shí)間，減少約2.34 h左右。

圖6 持續(xù)晴天下CO2濃度變化（2016年1月27-29日）

3.3 晴天太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)溫度的影響

由圖7可知，地面以上0～20 cm氣溫，8：00-13：00試驗(yàn)棚由4 ℃升高到33.6 ℃，升高了29.6 ℃，對(duì)照棚在8：00-14：00由2.4 ℃升高到44.1 ℃，升高了41.7 ℃，高于試驗(yàn)棚。試驗(yàn)棚日平均溫度為14.34 ℃，對(duì)照棚日平均溫度為14.40 ℃，對(duì)照棚略高于試驗(yàn)棚。但在光照較弱或夜晚期間，試驗(yàn)棚氣溫較對(duì)照棚氣溫略高，平均高1.22 ℃。這可能是由于該設(shè)備使得溫室內(nèi)空氣加速流通，中午前后不會(huì)使溫室內(nèi)氣溫上升太高，但夜晚蓄積在土壤中的熱量使得溫室內(nèi)氣溫較對(duì)照棚高，夜間試驗(yàn)棚平均比對(duì)照棚高1.22 ℃。

由圖8可以看出，溫室內(nèi)土壤溫度升高比氣溫升高得慢，具有滯后性，且變化幅度較小。對(duì)照棚的南端日平均地溫為12.94 ℃，9：30-16：00土壤溫度從9.7 ℃升高到16.7 ℃，升高了7 ℃；試驗(yàn)棚內(nèi)日平均地溫為13.90 ℃，8：30-16：00土壤溫度從10.60 ℃升高到18.50 ℃，升高7.9 ℃，16：00左右，試驗(yàn)棚地面以下0～10 cm土層溫度升高幅度較大，較對(duì)照棚高0.9 ℃，平均溫度較對(duì)照棚高0.96 ℃。這可能由于中午前后該設(shè)備對(duì)0～10 cm土壤溫度升高有一定的作用，且土壤熱容量較大，能使土壤溫度穩(wěn)定在一定范圍。

圖7 2016年1月11日太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)對(duì)地面以上0～20 cm氣溫的影響

圖8 2016年1月11日太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)對(duì)地面以下0～10 cm土層溫度的影響

4 討論與結(jié)論

研究表明，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物基本上屬于C3植物，C3植物的光合能力隨CO2濃度升高而增加的幅度較大[7-8]。但是對(duì)作物而言，并非CO2濃度越高越好，在低CO2濃度時(shí)，植物的光合速率隨CO2濃度的升高幾乎呈直線(xiàn)增加，越接近CO2飽和點(diǎn)，光合速率增加越慢。過(guò)高的CO2濃度還會(huì)降低CO2利用效率，甚至對(duì)作物會(huì)造成損害。因此，適宜的CO2濃度應(yīng)根據(jù)設(shè)施的密閉狀況、植物的種類(lèi)、品種、生育階段和其他環(huán)境因子而定。實(shí)際生產(chǎn)中，在設(shè)施密閉性較好，室內(nèi)光、溫等環(huán)境條件較為適宜的條件下，增施CO2的濃度，葉菜類(lèi)蔬菜以600～1 000 μmol/mol為宜，生長(zhǎng)發(fā)育前期和陰天取最低值，生長(zhǎng)發(fā)育后期和晴天取最高值。也有研究表明，增施CO2到室外濃度水平可以在很大程度上提高植物的凈光合速率，此時(shí)，增施CO2的利用效率約為1[9]。Sanchez等[10]在氣候溫和的國(guó)家，利用通風(fēng)換氣的方式降低溫室內(nèi)的溫度，同時(shí)補(bǔ)充棚室內(nèi)CO2，對(duì)作物起到增產(chǎn)早熟的效果。

該試驗(yàn)中，在晴天較多的1月份，該設(shè)備每天平均累計(jì)工作時(shí)間為217 min，工作時(shí)長(zhǎng)以200～300 min的次數(shù)較多。陰天該設(shè)備不工作，晴天實(shí)際工作時(shí)間為290 min，工作時(shí)間較長(zhǎng)，多云天實(shí)際工作時(shí)間為205 min，工作時(shí)間晴天＞多云天＞陰天，多云天開(kāi)始工作時(shí)間較晴天晚。在持續(xù)陰天情況下，試驗(yàn)棚內(nèi)的CO2平均濃度為783.66 μmol/mol，對(duì)照棚CO2平均濃度為769.12 μmol/mol，試驗(yàn)棚較對(duì)照棚平均CO2濃度增加1.9%，試驗(yàn)棚與對(duì)照棚差異不明顯，白天溫室內(nèi)CO2濃度不會(huì)發(fā)生虧損。在持續(xù)晴天情況下，使用該設(shè)備后，試驗(yàn)組CO2濃度平均為801.85 μmol/mol，對(duì)照棚CO2濃度平均值為700.17 μmol/mol，平均濃度增加14.5%，試驗(yàn)棚較對(duì)照棚平均減少虧損2.34 h，說(shuō)明該設(shè)備對(duì)于改善冬季溫室CO2虧損是可行的，具有明顯的增加溫室CO2濃度的效果，有可能滿(mǎn)足作物對(duì)CO2濃度的需要。同時(shí)，晴天使用太陽(yáng)能加熱換氣式CO2增施系統(tǒng)后，白天有可能使得溫室南端地面以下0～10 cm土層土壤溫度升高，夜間，蓄積在土壤中的熱量向空氣中散發(fā)，使得地面以上0～20 cm氣溫升高1.22 ℃，可以緩解冬季低溫的影響。