宋成秀

摘要：目前，CO₂增施技術(shù)在我國(guó)幾乎未得到普及，前人對(duì)溫室內(nèi)作物適宜CO₂濃度的研究單一且濃度單位使用不一，因此綜述了溫室內(nèi)不同方位、不同時(shí)間、不同作物生長(zhǎng)期CO₂濃度的差異。得出基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室cO₂感應(yīng)器放置應(yīng)均勻分布于棚室各個(gè)方位;若碳源不足，應(yīng)該在中午、作物生長(zhǎng)旺期及溫度較高、光合作用強(qiáng)烈的時(shí)期之前及時(shí)補(bǔ)充;CO₂濃度低極值應(yīng)設(shè)定在210mg/L濃度以上，高極值位于1765mg/L以上。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);溫室;CO₂

在可控氣候環(huán)境即設(shè)施條件下進(jìn)行園藝作物生產(chǎn)栽培的方式叫作設(shè)施園藝。我國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展歷史悠久，早在2000多年前，就已經(jīng)出現(xiàn)采用透明覆蓋物提供高于外界的溫度生產(chǎn)時(shí)令蔬菜。截至2017年，我國(guó)設(shè)施園藝面積達(dá)370萬(wàn)hm，位居世界第一，約占世界設(shè)施園藝總面積的80%，主要分布在我國(guó)北方地區(qū)。我國(guó)北方地區(qū)習(xí)慣上稱這種設(shè)施為節(jié)能日光溫室、日光溫室或暖棚，即使在冬季，依靠太陽(yáng)也能滿足作物生長(zhǎng)所需的溫度，一般溫室不需加熱。

日光溫室內(nèi)的溫度、濕度、CO₂濃度等環(huán)境因子傳統(tǒng)的控制方式為人工值守進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，隨著勞動(dòng)力成本的逐漸升高，以及人為控制環(huán)境因子的不精確性，智能化控制必將成為趨勢(shì)?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷成熟，必將逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)施園藝作物生產(chǎn)中。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，以集傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)溫室智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度、CO₂濃度等環(huán)境因子以及設(shè)施裝備的自動(dòng)化控制?；谖锫?lián)網(wǎng)的溫室智能控制系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集，自動(dòng)控制溫室的CO₂增補(bǔ)等溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，使溫室內(nèi)的環(huán)境因子滿足作物生長(zhǎng)所需，實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)過(guò)程中的精確控制。

日光溫室內(nèi)CO₂虧缺會(huì)導(dǎo)致設(shè)施作物生長(zhǎng)發(fā)育受阻，影響產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。早在30年前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展對(duì)增施CO₂提高溫室作物產(chǎn)量品質(zhì)的研究，但未對(duì)溫室內(nèi)CO₂適宜的濃度范圍進(jìn)行綜述，并且各研究文章對(duì)CO₂濃度單位使用不一，通過(guò)綜述溫室內(nèi)不同方位、不同時(shí)間、不同作物生長(zhǎng)期CO₂濃度的差異，并將CO₂濃度單位統(tǒng)一為百萬(wàn)分比濃度（mg/L），以期為基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)溫室自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)中CO₂感應(yīng)器、釋放器的放置位置、工作參數(shù)提供理論支持。

1溫室CO₂虧缺增補(bǔ)的效應(yīng)

CO₂是作物光合作用的原料，溫室CO₂濃度低于外界大氣水平即為‘虧缺。作物生長(zhǎng)在CO₂‘虧缺環(huán)境中，會(huì)嚴(yán)重降低作物產(chǎn)量。

CO₂虧缺增補(bǔ)后有如下作用，①光合作用提高：CO₂施肥提高作物光合作用的活性、增大葉片氣孔內(nèi)外的CO₂濃度差，同時(shí)也提升了葉綠體中CO₂與O₂的比例、RuBP羧化酶的活性增強(qiáng)等，從而提高了作物的凈同化率閉。②增加產(chǎn)量：花芽分化量增加、雌花數(shù)量增加、單株結(jié)果量也有提升。③降低植株發(fā)病率：黃瓜每100株的發(fā)病株次降低了9株次，施用CQ肥后，株高、坐果率均有提高，灰霉病發(fā)病率下降，產(chǎn)量提高、并且上市提前。④促進(jìn)葉綠體的發(fā)育：CO₂增施后黃瓜葉片柵欄組織、表皮及葉片厚度均增加，同時(shí)柵欄組織厚度增加比例大于葉片總厚度增加比例，柵欄組織的細(xì)胞變長(zhǎng)、排列更加整齊緊密;葉片葉綠體、淀粉粒、基粒均體積變大，葉綠體、淀粉粒、基粒片層數(shù)目以及單位葉綠體含淀粉粒數(shù)上升。⑤提升產(chǎn)品品質(zhì)：增施CO₂處理黃瓜的株高、莖粗，可溶性糖、Vc含量均顯著高于不增施CO₂處理提高;也有研究表明，高溫下，增施CO₂可以緩解高溫對(duì)作物的危害。增施CO₂作為溫室的配套應(yīng)用技術(shù)，對(duì)于提高溫室蔬菜生產(chǎn)效率有重要指導(dǎo)意義。

2溫室不同方位CO₂的濃度

吳翠蘭對(duì)溫室作物不同生育期CO₂濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，株頂上部、冠層、壟面、溝內(nèi)之間CO₂濃度差別不明顯，在植株垂直方向CO₂濃度變化總的趨勢(shì)為溝內(nèi)>壟面>株頂上部和冠層，平均CO₂濃度溝內(nèi)為877mg/L、壟面861mg/L、株頂上部844mg/L、冠層為841mg/L，最大相差36mg/L。

魏珉研究了日光溫室內(nèi)CQ濃度的空間變化規(guī)律，結(jié)果表明，溫室內(nèi)CO₂空間分布特點(diǎn)不同時(shí)間段分布不同，一般在早晨和傍晚CO₂濃度由高到低分別是：前部、中部、后部，垂直方向是近地面層、作物冠層、頂層;中午一般是前部<中部<后部，近地面層>頂層>作物冠層。影響日光溫室CO₂濃度變化的主要環(huán)境因素是光照度，通風(fēng)可以稀釋溫室內(nèi)高濃度CO₂，但是當(dāng)溫室內(nèi)CO₂虧缺時(shí)，通風(fēng)也無(wú)濟(jì)于事。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室CO₂感應(yīng)器放置應(yīng)均勻分布于棚室的前部、中部、后部及近地面層、作物冠層、頂層。

3溫室不同時(shí)間CO₂的濃度

3.1CO₂濃度日變化

C02濃度日變化曲線常呈“U”“W”型，即一天中作物開始光合作用之前濃度最高，之后出現(xiàn)1個(gè)或2個(gè)低谷。1個(gè)低谷一般是12.00～14：00，2個(gè)低谷一般是中午放風(fēng)前和下午閉風(fēng)后。1個(gè)低谷的情況通常是不放風(fēng)或者放風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)、溫室夜間CO₂積累水平較高，2個(gè)低谷多是放風(fēng)時(shí)間短、光合速率高，短暫的通風(fēng)僅短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充了CO₂的虧缺。陰天溫室內(nèi)CO₂的日變化曲線與晴天明顯不同，晴天白天的大部分時(shí)間溫室內(nèi)CQ濃度低于外界CO₂濃度，呈虧缺狀態(tài)，而陰天溫室內(nèi)CO₂濃度高于晴天，白天大部分時(shí)間接近外界CO₂濃度。陰天和多云時(shí)，溫室內(nèi)CO₂濃度變化趨于平緩，有一個(gè)低谷或沒有低谷。

吳翠蘭測(cè)定日光溫室茄子不同生育期傍晚（17：00）至次日早晨（6：00～9：00）棚內(nèi)CO₂濃度，結(jié)果顯示C02濃度隨閉風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈遞減趨勢(shì)上升，但上升速度不同，苗期至采收前期CO₂濃度增加量逐漸增高，采收前期至采收中期逐漸下降，這種變化趨勢(shì)與作物生長(zhǎng)旺盛程度有很大關(guān)系。日出后冠層CO₂濃度的變化呈遞減趨勢(shì)，不同生育期下降速度不同，其中采收前期下降速度最快;胡德奎測(cè)定溫室番茄CO₂濃度在184～577mg/L之間，日平均值為383mg/L。8～9時(shí)C02濃度下降最大明顯，平均52 mg/L/hEa;馬成芝測(cè)定的溫室內(nèi)C02濃度日變化幅度較大，范圍在235.1～1838.3mg/L，平均濃度為792.7 mg/L。按大氣CO₂濃度300mg/L來(lái)看，馬成芝測(cè)定溫室內(nèi)CO₂虧缺程度很低，基本能滿足作物需求，吳翠蘭和胡德奎測(cè)定結(jié)果均存在不同程度的虧缺，一般在日出6小時(shí)之后開始出現(xiàn)虧缺。

3.2 CO₂濃度季節(jié)變化

魏氓研究溫室CO₂濃度季節(jié)變化，得出溫室CO₂濃度變化規(guī)律是在冬春寒冷季節(jié)，由于外界溫度低，日光溫室通風(fēng)少甚至全天候封閉，作物光合作用旺盛CO₂虧缺嚴(yán)重，夏秋季節(jié)虧缺程度低于冬春，李勝利研究結(jié)果為棚內(nèi)CO₂濃度在3月達(dá)到峰值，在6月達(dá)到整個(gè)生育期的低谷響。而胡德奎探究高寒冷涼地區(qū)溫室一年中CO₂濃度變化，結(jié)果顯示6月虧缺時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到8小時(shí)，4～5月虧缺在7小時(shí)左右，7～9月在5小時(shí)左右，10月至翌年3月虧缺時(shí)間只有1小時(shí)左右。其中李勝利與胡德奎研究結(jié)果基本一致，與魏珉研究結(jié)果相反，矛盾點(diǎn)在于判斷虧缺標(biāo)準(zhǔn)不一，魏氓依大氣CO₂濃度作為虧缺與否的界限，因此在不通風(fēng)時(shí)易發(fā)生虧缺;而其他兩人依作物生長(zhǎng)適宜濃度為標(biāo)準(zhǔn)，因此作物光合作用劇烈時(shí)易發(fā)生虧缺。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室CO₂釋放器釋放時(shí)間一般在接近中午，作物生長(zhǎng)旺期及溫度較高、光合作用強(qiáng)烈的時(shí)期，若碳源不足，應(yīng)該在這些時(shí)期之前及時(shí)補(bǔ)充。

4溫室不同作物生長(zhǎng)期CO₂的濃度

作物生長(zhǎng)從苗期至收獲結(jié)束整個(gè)時(shí)期對(duì)CO₂需求不一，苗期生長(zhǎng)量增長(zhǎng)緩慢，因此對(duì)CO₂需求量也較低，收獲后期生長(zhǎng)量逐漸降低，CO₂需求量也逐漸降低。而作物生長(zhǎng)的旺盛期，光合作用旺盛，CO₂需求量很大，即使自然通風(fēng)也無(wú)法避免CO₂虧缺。不同物候期溫室內(nèi)一天中CO₂變化規(guī)律基本一致，但旺盛期白天CO₂濃度下降更快，低谷虧缺程度高，日平均值也低。作物苗期光合及呼吸作用弱、成株光合及呼吸作用強(qiáng)，土壤呼吸強(qiáng)弱也有變化，通風(fēng)也對(duì)溫室CO₂濃度有影響，因此溫室內(nèi)CO₂是否虧缺影響因素較多，而基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室CO₂感應(yīng)器無(wú)需考慮物候期等影響因素，直接以CO₂濃度范圍判斷是否虧缺及時(shí)補(bǔ)增。

5溫室適宜CO₂的濃度極值

董正武主張?jiān)鍪〤O₂濃度至900mg/L;侯新村對(duì)溫室CO₂濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明溫室內(nèi)CO₂濃度范圍處于200～800mg/L，表明油桃的CO₂吸收低點(diǎn)是200m～L左右，但無(wú)法確定飽和點(diǎn)，飽和點(diǎn)處于800mg/g以上。

魏氓研究溫室黃瓜棚內(nèi)CO₂濃度變化結(jié)果顯示：上午棚內(nèi)CO₂虧缺時(shí)，補(bǔ)施CO₂濃度達(dá)到780mg/L和1215mg/L，光合速率升高至2.10倍和2.75倍，因此說(shuō)明溫室黃瓜CQ飽和點(diǎn)高于1215 mg/L。左鵬研究高效節(jié)能日光溫室中，CO₂氣肥補(bǔ)施濃度控制在1130～1765mg/L的條件下，栽培的黃瓜苗壯、葉徑大，抗病能力增強(qiáng)，產(chǎn)量高、提前上市、結(jié)果期長(zhǎng)㈣，但并未對(duì)1765mg/L濃度以上CO₂進(jìn)行試驗(yàn)。

外界CO₂濃度210～340mg/L，大氣中CO₂濃度隨季節(jié)和外界作物生長(zhǎng)量的不同而略有變化，自然狀態(tài)下溫室內(nèi)CO₂濃度低限與外界接近，此時(shí)因濃度過(guò)低作物無(wú)法吸收利用CO₂，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室CQ濃度低極值應(yīng)設(shè)定在210mg/L濃度以上，目前還無(wú)文獻(xiàn)探究高極值，根據(jù)魏珉和左鵬的試驗(yàn)結(jié)果可以判斷高極值位于1765mg/L以上。至于特定的作物CQ最佳濃度還需進(jìn)一步研究。

6結(jié)論

溫室CO₂虧缺增補(bǔ)可以提高光合作用、增加產(chǎn)量、降低植株發(fā)病率、促進(jìn)葉綠體的發(fā)育、提升產(chǎn)品品質(zhì)等，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室CO₂感應(yīng)器放置應(yīng)均勻分布于棚室的前部、中部、后部及近地面層、作物冠層、頂層;CO₂釋放器釋放時(shí)間一般在接近中午，作物生長(zhǎng)旺期及溫度較高、光合作用強(qiáng)烈的時(shí)期，若碳源不足，應(yīng)該在這些時(shí)期之前及時(shí)補(bǔ)充;CO₂感應(yīng)器無(wú)需考慮物候期，直接以CO₂濃度范圍判斷是否虧缺及補(bǔ)增;CO₂濃度低極值應(yīng)設(shè)定在210mg/L濃度以上，高極值位于1765mg/L以上，至于特定的作物CO₂最佳濃度還需進(jìn)一步研究。