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1、高級(jí)設(shè)施環(huán)境工程學(xué),園藝學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程系,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,第五章,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,第一節(jié) 概述 氣體條件是設(shè)施內(nèi)重要的環(huán)境要素之一，盡管它不如光照和溫度那樣更直觀地影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，但隨著設(shè)施光溫條件的改善，氣體組成及其影響越來(lái)越引起人們關(guān)注。,設(shè)施氣體分類,有益氣體,有害氣體,氧氣、二氧化碳,NH3、NOX、CO、SO2 等,由于設(shè)施內(nèi)一般不會(huì)發(fā)生O2虧缺，因此關(guān)于有益氣體的研究更多針對(duì)CO2環(huán)境。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,第二節(jié) 設(shè)施內(nèi)CO2環(huán)境及其調(diào)控,1、設(shè)施內(nèi)CO2環(huán)境及其調(diào)控 2、設(shè)施內(nèi)的有害氣體及其控制 3、設(shè)施內(nèi)的氣體流動(dòng),設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)

2、狀與進(jìn)展,1、設(shè)施內(nèi)CO2環(huán)境及其調(diào)控,1.1設(shè)施內(nèi)CO2環(huán)境狀況 設(shè)施環(huán)境處于相對(duì)封閉狀態(tài)，內(nèi)部CO2濃度變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界。 夜間CO2不斷積累日出時(shí)最高而后降低通風(fēng)后升高但不能避免虧缺。以黃瓜為例：,在夏季晴天通風(fēng)口全部開(kāi)放的情況下，溫室黃瓜群體內(nèi)CO2濃度仍比外界低10%以上；若此時(shí)通風(fēng)口完全關(guān)閉，CO2濃度會(huì)降至50100l.l-1，黃瓜光合作用停止（Slack 和Hand，1984）。傍晚，隨光強(qiáng)和溫度下降，光合作用減弱，CO2濃度開(kāi)始回升。若在晴天下午通風(fēng)口過(guò)早關(guān)閉，由于作物仍具有較強(qiáng)光合作用，室內(nèi)CO2濃度會(huì)再度降低，出現(xiàn)一日中第二個(gè)低谷。,設(shè)施內(nèi)發(fā)生CO2虧缺的時(shí)間長(zhǎng)短取決

3、于結(jié)構(gòu)類型、栽培季節(jié)、天氣條件、管理措施以及作物生育狀況等多種因素。對(duì)于無(wú)土栽培溫室，土壤釋放CO2少，特別是在通風(fēng)少的嚴(yán)寒冬季，CO2匱缺更為嚴(yán)重。 設(shè)施內(nèi)不同部位的CO2分布并不均勻。在甜瓜栽培溫室內(nèi)，當(dāng)天窗、側(cè)窗和入口全部開(kāi)放時(shí)，夜間由于植物和土壤呼吸作用，近地層CO2濃度較高，生育層內(nèi)部CO2濃度也較高，但上層濃度較低；日出后，室內(nèi)CO2濃度開(kāi)始下降，中午50180cm高度的平均CO2濃度僅為200l.L-1，即使在通風(fēng)條件下，群體內(nèi)最低濃度也只有135l.L-1（圖1，a）；對(duì)于全天不換氣、幾乎處于完全封閉狀態(tài)的礫培番茄溫室，正午前后生育層CO2濃度低至75l.L-1，近地面CO2濃

4、度也較低（圖1，b）。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.2 CO2施肥的作用與效果,研究CO2施肥效應(yīng)的方法：一是圍繞大氣CO2濃度升高問(wèn)題，研究CO2加富對(duì)作物及其生態(tài)系統(tǒng)的影響；二是針對(duì)設(shè)施CO2虧缺現(xiàn)象研究CO2施肥的增產(chǎn)效果與機(jī)理。,其中，開(kāi)放式CO2富集系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)最多，性能最好。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.2 CO2施肥的作用與效果,CO2濃度升高對(duì)作物光合作用、蒸騰作用、生長(zhǎng)與發(fā)育、產(chǎn)量與品質(zhì)等均有一定影響。,提高空氣中CO2濃度，作物光合速率明顯上升。對(duì)大多數(shù)作物而言，CO2濃度在補(bǔ)償點(diǎn)和500mol.mol-1之間的少量增加即對(duì)光合速率有較大影響。原因：1、其作為底物激活

5、酶；2、其升高導(dǎo)致光補(bǔ)償點(diǎn)降低。 相同CO2濃度下，長(zhǎng)期生長(zhǎng)于高CO2環(huán)境中的植株光合速率低于低CO2環(huán)境下長(zhǎng)成的植株，稱為光合馴化或光合適應(yīng)現(xiàn)象。,光合馴化原因,（1）碳水化合物積累以及光合電子傳遞鏈中氧化還原信號(hào)對(duì)光合作用發(fā)生反饋抑制；（2）核酮糖1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性下降，表現(xiàn)為酶蛋白數(shù)量減少或者活化百分率降低；（3）氣孔狀態(tài)以及葉綠體超微結(jié)構(gòu)的變化；（4）糖信號(hào)、C/N以及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)光合基因表達(dá)水平的調(diào)控等,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.2 CO2施肥的作用與效果,CO2濃度升高，氣孔阻力增大，單位葉面積蒸騰速率降低，水分利用效率提高。Mortensen（19

6、87）綜合前人的研究認(rèn)為，提高CO2濃度可降低作物蒸騰20%40%，提高水分利用率30%。但與此同時(shí)，CO2施肥作物的光合作用增強(qiáng)，葉面積增加，可補(bǔ)償由氣孔導(dǎo)度降低產(chǎn)生的節(jié)水效應(yīng)，從而導(dǎo)致以單株或單位土地面積計(jì)算時(shí)的耗水量沒(méi)有顯著差異。,多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，CO2施肥條件下，蔬菜株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積、分枝數(shù)、開(kāi)花數(shù)、座果率增加，生長(zhǎng)發(fā)育速度加快。CO2施肥促進(jìn)側(cè)枝發(fā)育可能與對(duì)頂端優(yōu)勢(shì)的抑制有關(guān)，而對(duì)開(kāi)花數(shù)的影響一方面是由于施肥對(duì)花芽誘導(dǎo)和分化、發(fā)育和敗育的直接效應(yīng)，另一方面是由于分枝數(shù)的增加和莖部伸長(zhǎng)增加了單株花數(shù)。另外，Tripp等（1992）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)于1000l.l-1 CO2濃

7、度下的溫室番茄白粉虱發(fā)生數(shù)量明顯減少。,高濃度CO2容易引起作物生長(zhǎng)異常，表現(xiàn)為葉片失綠黃化、卷曲畸形、壞死等癥狀。原因：,（1）氣孔關(guān)閉，蒸騰降低，葉溫過(guò)高加速了葉綠素分解破壞；（2）強(qiáng)光下光合作用旺盛，淀粉含量增加，淀粉大量積累造成葉綠體損傷；（3）蒸騰速率降低影響礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，造成缺素,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.2 CO2施肥的作用與效果,CO2施肥效果受作物種類、環(huán)境條件和施肥方法影響較大。在土壤呼吸少、溫室封閉時(shí)間長(zhǎng)、冷涼寡日照地區(qū)，CO2施肥的效果更加顯著。,綜合多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，CO2施肥可提高蔬菜產(chǎn)量20%30%，部分蔬菜甚至高達(dá)40%50%，尤其對(duì)提高前期產(chǎn)量的效果明顯。

8、苗期CO2施肥對(duì)定植后的前期產(chǎn)量和總產(chǎn)量具有積極作用。葉菜類以葉片為產(chǎn)品器官，CO2施肥促進(jìn)光合作用直接形成產(chǎn)量，葉片數(shù)增加，單葉重上升，增產(chǎn)幅度更大。,CO2施肥一般使花卉作物花數(shù)增加1030%，開(kāi)花期提前110天，并可增加側(cè)枝數(shù)和莖粗，提高切花質(zhì)量。果樹(shù)上的試驗(yàn)表明，CO2施肥促進(jìn)葡萄、梨等新梢伸長(zhǎng)和樹(shù)干肥大，維持生長(zhǎng)勢(shì)，促進(jìn)果實(shí)成熟，增加果數(shù)、單果重和果實(shí)糖度，增產(chǎn)幅度大約10%。,Frydrych（1984）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CO2濃度1500l.l-1、不授粉番茄的產(chǎn)量與300l.l-1、授粉番茄產(chǎn)量相當(dāng)，說(shuō)明CO2施肥可提高不授粉番茄的座果率，具有與人工授粉相同的效果。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CO2加

9、富大豆的葉片同化物分配受N素供應(yīng)狀況制約，低N下加富葉片碳輸出率增加，高N下減少 。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.3 CO2施肥技術(shù),設(shè)施內(nèi)增施CO2，始于瑞典、丹麥、荷蘭等國(guó)家。20世紀(jì)60年代，英國(guó)、日本、德國(guó)、美國(guó)等也相繼開(kāi)展CO2施肥試驗(yàn)，目前均進(jìn)入了生產(chǎn)實(shí)用階段。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較晚，但近年來(lái)也得到了較大面積推廣應(yīng)用，成為設(shè)施栽培中的一項(xiàng)重要增產(chǎn)措施。,施肥濃度：將7001500l.L-1作為多數(shù)作物的推薦CO2施肥濃度，具體因作物種類、生育時(shí)期、光照和溫度條件而異，譬如瓜類蔬菜施肥濃度宜高，草莓等作物宜低；晴天和春秋季節(jié)光照較強(qiáng)時(shí)施肥濃度宜高，陰天和冬季低溫弱光季節(jié)施肥

10、濃度宜低。,施肥時(shí)間：應(yīng)根據(jù)設(shè)施內(nèi)CO2變化規(guī)律和作物光合特點(diǎn)確定。日本和我國(guó)，CO2施肥多習(xí)慣于從日出或日出后半小時(shí)開(kāi)始，通風(fēng)換氣之前結(jié)束，持續(xù)時(shí)間0.53小時(shí)；白天不通風(fēng)時(shí)可延遲到中午。北歐、英國(guó)、荷蘭等國(guó)則全天候進(jìn)行，當(dāng)中午通風(fēng)窗開(kāi)至一定大小時(shí)自動(dòng)關(guān)停。若施肥時(shí)間相同，早晨晚施番茄產(chǎn)量低于下午早停（Calvert 和Slack，1976）。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.3 CO2施肥技術(shù),CO2施肥過(guò)程中注意光照、溫度、水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境的調(diào)控 。 Wilson等研究表明，溫室作物在正常大氣CO2濃度下光能轉(zhuǎn)換效率58gCO2J-1，光能利用率6%10%；在1200l.l-1 CO

11、2濃度下光能轉(zhuǎn)換效率710gCO2.J-1，光能利用率12%13%。強(qiáng)光下增加CO2濃度時(shí)作物光合速率的增加幅度大于弱光，因此，CO2施肥的同時(shí)務(wù)必改善群體受光條件。從光合作用的角度，當(dāng)光強(qiáng)為非限制性因子時(shí)，增加 CO2濃度提高光合作用的程度與溫度有關(guān)，高CO2濃度下的光合適溫升高。 CO2施肥的同時(shí)配合晝間高溫管理，往往延遲通風(fēng)時(shí)間，從而引起設(shè)施內(nèi)空氣相對(duì)濕度增加。一方面可采取地面覆蓋等措施，減少水分蒸散；另一方面，盡量選用內(nèi)張幕、透濕和抑霧型材料。,CO2施肥促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，增加礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收。通常CO2施肥植株體內(nèi)礦質(zhì)元素含量下降，但礦質(zhì)元素的吸收總量仍然增加，說(shuō)明CO2施肥增加了作物

12、對(duì)水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的需求。 研究表明：CO2施肥的同時(shí)應(yīng)該增加營(yíng)養(yǎng)液濃度，避免營(yíng)養(yǎng)缺乏，尤其在高濕環(huán)境中。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,1.3 CO2施肥技術(shù),CO2施肥施肥方法及來(lái)源：,方法,液態(tài)CO2 ：不含有害物質(zhì)，使用安全可靠，但成本相對(duì)較高。燃料燃燒法,CO2發(fā)生機(jī)：容積較小，適于溫室內(nèi)直接使用 中央鍋爐系統(tǒng)：,化學(xué)反應(yīng)法 ：強(qiáng)酸與碳酸鹽化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生CO2，硫酸-碳銨法較常用。其它方法：包括采用強(qiáng)制或自然通風(fēng) 、增施有機(jī)肥或有機(jī)物料 、作物 和食用菌間套作等。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,2、設(shè)施內(nèi)的有害氣體及其控制,與CO2相比，對(duì)設(shè)施有害氣體及其調(diào)控的系統(tǒng)研究甚少，這可能由于現(xiàn)階段

13、設(shè)施栽培條件、專用材料和裝備的不斷改進(jìn)能夠有效地防控有害氣體造成的危害。,有害氣體種類及危害,NOx和NH3SO2和CO 乙烯和氯氣,設(shè)施內(nèi)NH3濃度達(dá)到5l.l-1時(shí)，作物就開(kāi)始受害，蔬菜中的黃瓜、番茄、辣椒較敏感；濃度超過(guò)40l.l-1約1小時(shí)，幾乎所有作物產(chǎn)生明顯毒害。設(shè)施內(nèi)NO2濃度達(dá)到23l.l-1時(shí)作物即可出現(xiàn)受害癥狀。,CO的來(lái)源主要是燃料的不完全燃燒，當(dāng)濃度達(dá)到23l.l-1時(shí)，作物就出現(xiàn)中毒癥狀。 SO2濃度達(dá)到0.2 l.l-1，幾天后植株就受害；在1l.l-1左右經(jīng)過(guò)4-5小時(shí)，蔬菜作物表現(xiàn)出明顯受害癥狀。受害葉片先呈現(xiàn)斑點(diǎn)，進(jìn)而失綠褪色，尤其對(duì)嫩葉危害較重。,乙烯濃度達(dá)

14、到0.05l.l-1約6小時(shí)，黃瓜、番茄等多種作物開(kāi)始受害。乙烯濃度達(dá)到0.1l.l-1后2天，番茄葉片彎曲下垂，褪綠黃化，最后發(fā)白枯死。Cl2的毒性高于SO2，高濃度下使作物葉綠素分解，葉片黃化褪色，最后枯萎脫落。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,2、設(shè)施內(nèi)的有害氣體及其控制,設(shè)施內(nèi)有害氣體的控制 通風(fēng)換氣是設(shè)施氣體環(huán)境調(diào)控最簡(jiǎn)便有效的手段。嚴(yán)寒季節(jié)的設(shè)施管理往往以保溫為原則，采取少通風(fēng)或不通風(fēng)，這不利于對(duì)氣體環(huán)境的有效調(diào)控。盡管如此可選在中午進(jìn)行通風(fēng)換氣。 設(shè)施施肥應(yīng)以基肥為主，追肥為輔。追肥應(yīng)少施、勤施、穴施和深施，禁止地面撒施。適當(dāng)增施磷、鉀肥，盡量少施氮肥，避免施用碳酸氫銨和含氯化肥，施

15、肥后立即覆土和澆水。施用完全腐熟的有機(jī)肥，并且用量要適當(dāng)。 設(shè)施加溫必須通過(guò)煙道，不宜采用室內(nèi)明火加溫。選用低硫含量的優(yōu)質(zhì)燃料，并保證充分燃燒。爐體和煙道設(shè)計(jì)要合理，密封性要好。 選用優(yōu)質(zhì)專用塑料薄膜和其它塑料制品。設(shè)施的建造應(yīng)避開(kāi)污染地區(qū)，遠(yuǎn)離污染源。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,3、設(shè)施內(nèi)的氣體流動(dòng),設(shè)施內(nèi)氣體流動(dòng)與作物生長(zhǎng) 田間自然條件下，由于空氣的流動(dòng)，作物群體冠層內(nèi)風(fēng)速一般可達(dá)1m/s以上。溫室等生產(chǎn)設(shè)施相對(duì)密閉，室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速率小，影響著水分、CO2、熱量等諸多環(huán)境要素的分布，以及作物葉片的光合作用、蒸騰作用等系列生理過(guò)程，最終影響產(chǎn)量。 研究表明，葉片邊界層厚度和阻力大小與周邊氣

16、流速度密切相關(guān)，氣流速度在0.5m/s以下，邊界層厚度和阻力均較大；0.5-1.0m/s的微風(fēng)可以減少邊界層阻力，有利于CO2和水分進(jìn)出葉片，促進(jìn)光合和蒸騰作用，因此被視為溫室作物生長(zhǎng)的適宜氣流速度；氣流速度進(jìn)一步增大，為避免水分過(guò)度蒸騰，葉片氣孔開(kāi)度將變小，從而使光合作用受到抑制?？諝鉂穸容^高時(shí)，維持較強(qiáng)的氣流更有利于促進(jìn)葉片光合作用（圖5）。 設(shè)施栽培作物群體密度大，內(nèi)部氣流速度小，與外部比，白天空氣濕度高，CO2濃度低，且氣流速度低增加了葉片邊界層阻力，在此條件下，增加氣流速度對(duì)群體光合與蒸騰速率的影響非常顯著。根據(jù)藤本等的試驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)速為0.5-0.7m/s時(shí)，晝夜連續(xù)送風(fēng)的番茄同化量比不送風(fēng)增加192%，僅在夜間送風(fēng)的也比不送風(fēng)增加78%。因此，促進(jìn)設(shè)施內(nèi)空氣流動(dòng)非常必要。,設(shè)施氣體環(huán)境研究現(xiàn)狀與進(jìn)展,3、設(shè)施內(nèi)的氣體流動(dòng),促進(jìn)設(shè)施內(nèi)氣體流動(dòng)的方法 為保證設(shè)施內(nèi)空氣有一定的流動(dòng)速度，需要選擇合適的通風(fēng)設(shè)備和方法，并注意調(diào)節(jié)通風(fēng)量大小。 開(kāi)啟天窗和側(cè)窗進(jìn)行自然通風(fēng)是慣用手段，但是自然通風(fēng)條件下的室內(nèi)氣流分布因窗的位置、室外風(fēng)速和風(fēng)向而存在很大差異。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在栽培面積100m2的