设施气体环境研究现状与进展13CO2施肥技术课件

高级设施环境工程学高级设施环境工程学 园艺学院园艺学院设施农业科学与工程系设施农业科学与工程系高级设施环境工程学 园艺学院设施气体环境研究现状与进展设施气体环境研究现状与进展 第五章第五章设施气体环境研究现状与进展 第五章设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展第一节 概述 气体条件是设施内重要的环境要素之一，尽管它不如光照和温度那样更直观地影响作物生长发育，但随着设施光温条件的改善，气体组成及其影响越来越引起人们关注。设施气体分类有益气体有害气体氧气、二氧化碳NH3、NOX、CO、SO2 等 由于设施内一般不会发生O2亏缺，因此关于有益气体的研究更多针对CO2环境。设施气体环境研究现状与进展第一节 概述设施气体分类有益气体设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展第二节第二节 设施内设施内CO2环境及其调控环境及其调控 1、设施内、设施内CO2环境及其调控环境及其调控 2、设施内的有害气体及其控制、设施内的有害气体及其控制 3、设施内的气体流动、设施内的气体流动 设施气体环境研究现状与进展第二节 设施内CO2环境及其调控 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1、设施内、设施内CO2环境及其调控环境及其调控1.1设施内设施内CO2环境状况环境状况 设施环境处于相对封闭状态，内部CO2浓度变化幅度远远高于外界。夜间CO2不断积累日出时最高而后降低通风后升高但不能避免亏缺。以黄瓜为例：在夏季晴天通风口全部开放的情况下，温室黄瓜群体内CO2浓度仍比外界低10%以上；若此时通风口完全关闭，CO2浓度会降至50100l.l-1，黄瓜光合作用停止（Slack 和Hand，1984）。傍晚，随光强和温度下降，光合作用减弱，CO2浓度开始回升。若在晴天下午通风口过早关闭，由于作物仍具有较强光合作用，室内CO2浓 度 会 再 度 降 低，出 现 一 日 中 第 二 个 低 谷。设施内发生CO2亏缺的时间长短取决于结构类型、栽培季节、天气条件、管理措施以及作物生育状况等多种因素。对于无土栽培温室，土壤释放CO2少，特别是在通风少的严寒冬季，CO2匮缺更为严重。设施内不同部位的CO2分布并不均匀。在甜瓜栽培温室内，当天窗、侧窗和入口全部开放时，夜间由于植物和土壤呼吸作用，近地层CO2浓度较高，生育层内部CO2浓度也较高，但上层浓度较低；日出后，室内CO2浓度开始下降，中午50180cm高度的平均CO2浓度仅为200l.L-1，即使在通风条件下，群体内最低浓度也只有135l.L-1（图1，a）；对于全天不换气、几乎处于完全封闭状态的砾培番茄温室，正午前后生育层CO2浓度低至75l.L-1，近地面CO2浓度也较低（图1，b）。设施气体环境研究现状与进展1、设施内CO2环境及其调控1.1设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.2 CO2施肥的作用与效果施肥的作用与效果 研究研究CO2施肥效应的方法：施肥效应的方法：一是围绕大气CO2浓度升高问题，研究CO2加富对作物及其生态系统的影响；二是针对设施CO2亏缺现象研究CO2施肥的增产效果与机理。其中，开放式CO2富集系统 优点最多，性能最好。研究CO2浓度增高对作物影响的方法 密闭气室：多用于植株个体或幼苗的试验 半开放梯度系统：可控制CO2浓度以及温度等因子、精度低 开顶式气室：空间小，扩散少，易控制，投资少，但不易重复 开放式CO2富集系统：自然状态、浓度稳定、用于个体或群体微型系统：Mini FACE与FACE的功能和原理相同 设施气体环境研究现状与进展1.2 CO2施肥的作用与效果 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.2 CO2施肥的作用与效果施肥的作用与效果 CO2浓度升高对作物光合作用、蒸腾作用、生长与发育、产量与品质等均有一定影响。提高空气中CO2浓度，作物光合速率明显上升。对大多数作物而言，CO2浓度在补偿点和500mol.mol-1之间的少量增加即对光合速率有较大影响。原因：1、其作为底物激活酶；2、其升高导致光补偿点降低。相同CO2浓度下，长期生长于高CO2环境中的植株光合速率低于低CO2环境下长成的植株，称为光合驯化或光合适应现象。光合驯化原因（1）碳水化合物积累以及光合电子传递链中氧化还原信号对光合作用发生反馈抑制；（2）核酮糖1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性下降，表现为酶蛋白数量减少或者活化百分率降低；（3）气孔状态以及叶绿体超微结构的变化；（4）糖信号、C/N以及生长调节物质对光合基因表达水平的调控等 设施气体环境研究现状与进展1.2 CO2施肥的作用与效果 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.2 CO2施肥的作用与效果施肥的作用与效果 CO2浓度升高，气孔阻力增大，单位叶面积蒸腾速率降低，水分利用效率提高。Mortensen（1987）综合前人的研究认为，提高CO2浓度可降低作物蒸腾20%40%，提高水分利用率30%。但与此同时，CO2施肥作物的光合作用增强，叶面积增加，可补偿由气孔导度降低产生的节水效应，从而导致以单株或单位土地面积计算时的耗水量没有显著差异。多数试验结果表明，CO2施肥条件下，蔬菜株高、茎粗、叶片数、叶面积、分枝数、开花数、座果率增加，生长发育速度加快。CO2施肥促进侧枝发育可能与对顶端优势的抑制有关，而对开花数的影响一方面是由于施肥对花芽诱导和分化、发育和败育的直接效应，另一方面是由于分枝数的增加和茎部伸长增加了单株花数。另外，Tripp等（1992）试验发现，生长于1000l.l-1 CO2浓度下的温室番茄白粉虱发生数量明显减少。高浓度CO2容易引起作物生长异常，表现为叶片失绿黄化、卷曲畸形、坏死等症状。原因：（1）气孔关闭，蒸腾降低，叶温过高加速了叶绿素分解破坏；（2）强光下光合作用旺盛，淀粉含量增加，淀粉大量积累造成叶绿体损伤；（3）蒸腾速率降低影响矿质营养的吸收，造成缺素 设施气体环境研究现状与进展1.2 CO2施肥的作用与效果 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.2 CO2施肥的作用与效果施肥的作用与效果 CO2施肥效果受作物种类、环境条件和施肥方法影响较大。在土壤呼吸少、温室封闭时间长、冷凉寡日照地区，CO2施肥的效果更加显著。综合多数试验结果，CO2施肥可提高蔬菜产量20%30%，部分蔬菜甚至高达40%50%，尤其对提高前期产量的效果明显。苗期CO2施肥对定植后的前期产量和总产量具有积极作用。叶菜类以叶片为产品器官，CO2施肥促进光合作用直接形成产量，叶片数增加，单叶重上升，增产幅度更大。CO2施肥一般使花卉作物花数增加1030%，开花期提前110天，并可增加侧枝数和茎粗，提高切花质量。果树上的试验表明，CO2施肥促进葡萄、梨等新梢伸长和树干肥大，维持生长势，促进果实成熟，增加果数、单果重和果实糖度，增产幅度大约10%。Frydrych（1984）试验发现，CO2浓度1500l.l-1、不授粉番茄的产量与300l.l-1、授粉番茄产量相当，说明CO2施肥可提高不授粉番茄的座果率，具有与人工授粉相同的效果。但试验发现，CO2加富大豆的叶片同化物分配受N素供应状况制约，低N下加富叶片碳输出率增加，高N下减少。设施气体环境研究现状与进展1.2 CO2施肥的作用与效果 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.3 CO2施肥技术施肥技术 设施内增施CO2，始于瑞典、丹麦、荷兰等国家。20世纪60年代，英国、日本、德国、美国等也相继开展CO2施肥试验，目前均进入了生产实用阶段。我国在该领域的研究和应用较晚，但近年来也得到了较大面积推广应用，成为设施栽培中的一项重要增产措施。施肥浓度施肥浓度：将7001500l.L-1作为多数作物的推荐CO2施肥浓度，具体因作物种类、生育时期、光照和温度条件而异，譬如瓜类蔬菜施肥浓度宜高，草莓等作物宜低；晴天和春秋季节光照较强时施肥浓度宜高，阴天和冬季低温弱光季节施肥浓度宜低。施肥时间：施肥时间：应根据设施内CO2变化规律和作物光合特点确定。日本和我国，CO2施肥多习惯于从日出或日出后半小时开始，通风换气之前结束，持续时间0.53小时；白天不通风时可延迟到中午。北欧、英国、荷兰等国则全天候进行，当中午通风窗开至一定大小时自动关停。若施肥时间相同，早晨晚施番茄产量低于下午早停（Calvert 和Slack，1976）。设施气体环境研究现状与进展1.3 CO2施肥技术 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.3 CO2施肥技术施肥技术 CO2施肥过程中注意光照、温度、水分、矿质营养等环境的调控。Wilson等研究表明，温室作物在正常大气CO2浓度下光能转换效率58gCO2J-1，光能利用率6%10%；在1200l.l-1 CO2浓度下光能转换效率710gCO2.J-1，光能利用率12%13%。强光下增加CO2浓度时作物光合速率的增加幅度大于弱光，因此，CO2施肥的同时务必改善群体受光条件。从光合作用的角度，当光强为非限制性因子时，增加 CO2浓度提高光合作用的程度与温度有关，高CO2浓度下的光合适温升高。CO2施肥的同时配合昼间高温管理，往往延迟通风时间，从而引起设施内空气相对湿度增加。一方面可采取地面覆盖等措施，减少水分蒸散；另一方面，尽量选用内张幕、透湿和抑雾型材料。CO2施肥促进作物的生长发育，增加矿质营养吸收。通常CO2施肥植株体内矿质元素含量下降，但矿质元素的吸收总量仍然增加，说明CO2施肥增加了作物对水分和矿质营养的需求。研究表明：CO2施肥的同时应该增加营养液浓度，避免营养缺乏，尤其在高湿环境中。设施气体环境研究现状与进展1.3 CO2施肥技术 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展1.3 CO2施肥技术施肥技术 CO2施肥施肥方法及来源：方法液态CO2：不含有害物质，使用安全可靠，但成本相对较高。燃料燃烧法 CO2发生机：容积较小，适于温室内直接使用 中央锅炉系统：化学反应法：强酸与碳酸盐化学反应产生CO2，硫酸-碳铵法较常用。其它方法：包括采用强制或自然通风、增施有机肥或有机物料、作物 和食用菌间套作等。设施气体环境研究现状与进展1.3 CO2施肥技术 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展2、设施内的有害气体及其控制、设施内的有害气体及其控制 与CO2相比，对设施有害气体及其调控的系统研究甚少，这可能由于现阶段设施栽培条件、专用材料和装备的不断改进能够有效地防控有害气体造成的危害。有害气体种类及危害NOx和和NH3SO2和和CO 乙烯和氯气乙烯和氯气 设施内NH3浓度达到5l.l-1时，作物就开始受害，蔬菜中的黄瓜、番茄、辣椒较敏感；浓度超过40l.l-1约1小时，几乎所有作物产生明显毒害。设施内NO2浓度达到23l.l-1时作物即可出现受害症状。CO的来源主要是燃料的不完全燃烧，当浓度达到23l.l-1时，作物就出现中毒症状。SO2浓度达到0.2 l.l-1，几天后植株就受害；在1l.l-1左右经过4-5小时，蔬菜作物表现出明显受害症状。受害叶片先呈现斑点，进而失绿褪色，尤其对嫩叶危害较重。乙烯浓度达到0.05l.l-1约6小时，黄瓜、番茄等多种作物开始受害。乙烯浓度达到0.1l.l-1后2天，番茄叶片弯曲下垂，褪绿黄化，最后发白枯死。Cl2的毒性高于SO2，高浓度下使作物叶绿素分解，叶片黄化褪色，最后枯萎脱落。设施气体环境研究现状与进展2、设施内的有害气体及其控制 设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展2、设施内的有害气体及其控制、设施内的有害气体及其控制 设施内有害气体的控制设施内有害气体的控制 通风换气是设施气体环境调控最简便有效的手段。严寒季节的设施管理往往以保温为原则，采取少通风或不通风，这不利于对气体环境的有效调控。尽管如此可选在中午进行通风换气。设施施肥应以基肥为主，追肥为辅。追肥应少施、勤施、穴施和深施，禁止地面撒施。适当增施磷、钾肥，尽量少施氮肥，避免施用碳酸氢铵和含氯化肥，施肥后立即覆土和浇水。施用完全腐熟的有机肥，并且用量要适当。设施加温必须通过烟道，不宜采用室内明火加温。选用低硫含量的优质燃料，并保证充分燃烧。炉体和烟道设计要合理，密封性要好。选用优质专用塑料薄膜和其它塑料制品。设施的建造应避开污染地区，远离污染源。设施气体环境研究现状与进展2、设施内的有害气体及其控制 设施设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展3、设施内的气体流动、设施内的气体流动 设施内气体流动与作物生长设施内气体流动与作物生长 田间自然条件下，由于空气的流动，作物群体冠层内风速一般可达1m/s以上。温室等生产设施相对密闭，室内气流运动速率小，影响着水分、CO2、热量等诸多环境要素的分布，以及作物叶片的光合作用、蒸腾作用等系列生理过程，最终影响产量。研究表明，叶片边界层厚度和阻力大小与周边气流速度密切相关，气流速度在0.5m/s以下，边界层厚度和阻力均较大；0.5-1.0m/s的微风可以减少边界层阻力，有利于CO2和水分进出叶片，促进光合和蒸腾作用，因此被视为温室作物生长的适宜气流速度；气流速度进一步增大，为避免水分过度蒸腾，叶片气孔开度将变小，从而使光合作用受到抑制。空气湿度较高时，维持较强的气流更有利于促进叶片光合作用（图5）。设施栽培作物群体密度大，内部气流速度小，与外部比，白天空气湿度高，CO2浓度低，且气流速度低增加了叶片边界层阻力，在此条件下，增加气流速度对群体光合与蒸腾速率的影响非常显著。根据藤本等的试验，当风速为0.5-0.7m/s时，昼夜连续送风的番茄同化量比不送风增加192%，仅在夜间送风的也比不送风增加78%。因此，促进设施内空气流动非常必要。设施气体环境研究现状与进展3、设施内的气体流动 设施内气体流设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展3、设施内的气体流动、设施内的气体流动 促进设施内气体流动的方法促进设施内气体流动的方法 为保证设施内空气有一定的流动速度，需要选择合适的通风设备和方法，并注意调节通风量大小。开启天窗和侧窗进行自然通风是惯用手段，但是自然通风条件下的室内气流分布因窗的位置、室外风速和风向而存在很大差异。试验发现，在栽培面积100m2的番茄温室内，当叶面积指数达到3.5时，仅靠开启天窗自然通风，当室外风速100cm/s左右时，室内绝大多数部位的气流速度都在10cm/s以下；若利用换气扇强制通风，室内的气流速度虽高于自然通风，但最高也不过31cm/s，在0.5米以下高度群体内大部分部位的气流速度不超过10cm/s（图6）。可见，仅仅依靠这些换气方式，维持群体内0.5-1.0m/s的气流速度十分困难。在大型温室内部安装环流风扇，通过强制搅拌室内的空气，促进气流运动的方法被普遍采用。这种方法提高了群体内植株附近的温度，降低了空气湿度，使不同部位的环境条件尽量一致，促进了作物光合作用和产量，抑制了病害发生。但是，对风扇的规格、数量和设置方式等都有严格的标准和要求。设施气体环境研究现状与进展3、设施内的气体流动 促进设施内气设施气体施气体环境研究境研究现状与状与进展展思考题思考题 1、设施种植实际操作中，二氧化碳的调控是如何实现的？、设施种植实际操作中，二氧化碳的调控是如何实现的？不同地区不同温室又有何区别不同地区不同温室又有何区别?2、风速对作物生长发育有何影响？试用近年的研究现状加、风速对作物生长发育有何影响？试用近年的研究现状加以举例说明。以举例说明。3、促进设施内部气体流动的方法有哪些？效果如何？对作、促进设施内部气体流动的方法有哪些？效果如何？对作用的影响如何？用的影响如何？4、查阅近年文献，总结二氧化碳浓度升高对设施作物的影、查阅近年文献，总结二氧化碳浓度升高对设施作物的影响有哪些新进展？响有哪些新进展？设施气体环境研究现状与进展思考题 1、设施种植实际操作中，二Thank You!