全 文 ：外置式与内置式秸秆生物反应堆对番茄生长
及光合性能的影响*
卞中华1,2,3 摇 王摇 玉1 摇 胡晓辉1 摇 邹志荣1**摇 张摇 静1 摇 燕摇 飞1
( 1西北农林科技大学园艺学院, 陕西杨凌 712100; 2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081; 3 农业部
设施农业节能与废弃物处理重点实验室, 北京 100081)
摘摇 要摇 以“魁冠 108冶番茄为试验材料,对比研究了外置式和内置式秸秆生物反应堆在秋延
后番茄生产过程中对日光温室内 CO2浓度、空气相对湿度、空气饱和水汽压差以及番茄生长
和光合性能的影响.结果表明:与对照相比,晴天 9:30—11:30和 14:30—15:00 外置式秸秆生
物反应堆温室内 CO2浓度平均提高了 207. 3 和 103 滋mol·mol-1,差异显著;晴天 9:30-11:30
内置式秸秆生物反应堆温室内 CO2浓度平均提高了 19. 0 滋mol·mol-1;外置式和内置式秸秆
生物反应堆促进了番茄株高生长,使植株提早开花,显著提高了番茄净光合速率、单株产量及
单位面积产量,显著降低了营养生长期和结果期的蒸腾速率.与内置式相比,外置式秸秆生物
反应堆更适合在日光温室秋延后生产中推广应用.
关键词摇 秸秆生物反应堆摇 日光温室摇 CO2 浓度摇 空气相对湿度摇 光合性能 番茄
文章编号摇 1001-9332(2013)03-0753-06摇 中图分类号摇 S216. 2, S625. 5摇 文献标识码摇 A
Effects of outer type and built鄄in type straw bio鄄reactors on tomato growth and photosyn鄄
thetic performance. BIAN Zhong鄄hua1,2,3, WANG Yu,1 HU Xiao鄄hui1, ZOU Zhi鄄rong1, ZHANG
Jing1, YAN Fei1 ( 1College of Horticulture, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi,
China; 2 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of
Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3Key Lab for Energy Saving and Waste Disposal of
Protected Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 10008, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,
24(3): 753-758.
Abstract: Taking the tomato (Solanum lycopersicum) cultivar “Kuiguan108冶 as test object, a com鄄
parative study was made on the effects of outer type and built鄄in type straw bio鄄reactors on the CO2
concentration, air relative humidity , air vapor pressure deficit in the solar greenhouse during the
tomato growth over autumn鄄delayed cultivation as well as the effects of the bio鄄reactors on the tomato
growth and photosynthetic performance. As compared with that in CK, the average CO2 concentra鄄
tion in the greenhouse with outer type straw bio鄄reactor at 9:30-11:30 and 14:30-15:00 on sunny
days was increased significantly by 207. 3 and 103 滋mol·mol-1, respectively, and the ave鄄rage
CO2 concentration in the greenhouse with built鄄in straw bio鄄reactor at 9:30-11:30 on sunny days
was raised by 19. 0 滋mol·mol-1 . Both the outer type and the built鄄in type straw bio鄄reactors pro鄄
moted the tomato plant height growth and early flowering, enhanced the plant net photosynthetic rate
and the yield per plant and per unit area significantly, and decreased the plant transpiration rate at
the stages of vegetative growth and fruit鄄 bearing significantly. Nevertheless, as compared with
built鄄in type straw bio鄄reactor, outer type straw bio鄄reactor was more suitable for the autumn鄄 de鄄
layed cultivation of tomato in solar greenhouse.
Key words: straw bio鄄reactor; solar greenhouse; CO2 concentration; air relative humidity; photo鄄
synthetic performance; tomato.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAD12B03)、大宗蔬菜产业技术体系项目(CAR鄄25)、适合西北非耕地园艺作物栽培的温室结构与建
造技术研究与产业化示范项目(201203002)和陕西省科技攻关项目(2011K01鄄19)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zouzhirong2005@ 163. com
2012鄄06鄄15 收稿,2012鄄12鄄26 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 3 月摇 第 24 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2013,24(3): 753-758
摇 摇 生产设施的环境调控能力直接关系到作物的产
量和品质的提高[1-2] .在反季节生产过程中,由于室
内外温差较大,导致日光温室、塑料大棚等简易生产
设施日间通风量减少,室内外气体不能进行有效的
交换,加之白天室内作物光合作用对 CO2 的消耗,
导致生产设施内 CO2 浓度低于室外平均水平,进而
严重制约了作物光合潜能的发挥[3-4] . 对于通风能
力较差的生产设施,即使在白天高温时段通风条件
下,室 内 CO2 浓 度 仍 低 于 室 外 平 均 值 ( 340
滋mol·mol-1),因此,必须考虑采用强制通风或 CO2
施肥的方法改善日光温室内气体环境条件[5] . 利用
秸秆生物反应堆为日光温室反季节生产补充 CO2,
可有效提高白天日光温室内 CO2 浓度,缓解 CO2亏
缺对室内作物光合作用和生长发育的不良影响[6] .
我国对秸秆生物反应堆在日光温室反季节生产中的
应用进行了大量研究[6-8],但绝大多数局限于秸秆
生物反应堆的宏观应用效果或对温室环境因子的影
响方面,而有关秸秆反应堆在日光温室反季节生产
中对作物生长发育及光合性能的影响研究相对薄
弱.为此,本文研究了外置式与内置式两种秸秆生物
反应堆对秋延后日光温室番茄生长发育及光合性能
的影响,对比分析了两种秸秆生物反应堆的应用效
果,以期为秸秆生物反应堆技术在反季节作物生产
中的推广应用提供理论和技术指导.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
试验于 2011 年 9 月—2012 年 2 月在西北农林
科技大学园艺学院北校区试验场(108毅02忆 N,34毅
17忆 E)的 3 个日光温室(净跨度 7. 0 m,长度 20 m,
脊高 3. 8 m)中进行.在其中一个日光温室内部距离
温室西部山墙 0. 6 m处建造外置式秸秆生物反应堆
(秸秆用量为 4. 50 kg·m-2,储气池规格为南北长
6. 0 m、宽 1. 2 m、深 1. 0 m),采用 220 V、150 W 的
GC鄄O风机和送风管(直径 40 cm、长度 20 m)将微
生物分解秸秆产生的 CO2 输送到温室不同部位(图
1a),将该温室标记为 Y;在另一个日光温室设置行下
式内置式秸秆生物反应堆(图 1b),秸秆用量为 4. 50
kg·m-2,将其标记为 N;第 3 个日光温室内不设置
CO2 发生装置,作为对照温室,将其标记为 CK.
摇 摇 试验以番茄品种“魁冠 108冶为供试材料,2010
年 9 月 14 日将四叶一心的番茄幼苗定植.定植前,3
个试验温室内施入等量的有机肥 (鸡粪 0. 012
m3·m-2,牛粪 0. 003 m3·m-2)和无机化肥(硫酸钾
图 1摇 外置式(a)与内置式(b)秸秆生物反应堆示意图
Fig. 1摇 Schemes of outer type ( a) and built鄄in( b) straw bio鄄
reactors.
0郾 150 kg·m-2、磷酸二铵 0. 240 kg·m-2). 试验过
程中以 CK 为标准,对 3 个温室采取相同的水肥和
通风管理措施,番茄植株留 4 穗果后打顶. 试验期
间,内置式秸秆生物反应堆通过栽培行下预留通气
孔缓慢补充 CO2,外置式秸秆生物反应堆集中在每
个晴天 9:00—11:30 和 14:30—17:30 两个时段通
过开启风机补充 CO2,其他日常栽培管理措施均与
CK相同.
1郾 2摇 测定项目及方法
在晴天 9:30—11:30 利用 Li鄄6400 型便携式光
合仪(美国 Li鄄COR公司)测定各处理番茄营养生长
期(定植 7 d 缓苗后至第一穗花开放)、结果期(第
一穗花开放至第一穗果实停止膨大)和转色期(第
一穗果实停止膨大至第一穗果采收)功能叶片的净
光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(gs)和饱
和水汽压差(VPD),并计算番茄植株的瞬时水分利
用率(W=Pn / Tr).
番茄幼苗定植 7 d (2011 年 10 月 28 日)缓苗
后,测定番茄植株株高、茎粗,计算其相对生长率
(RGR) [9-10],并记录开花时间(各处理中超过 50%
的植株第 1 穗花开花日期)和番茄采收时间. 在各
处理中各设置一台 NHY鄄6 农业环境检测仪(中国杭
州托普仪器有限公司),记录各日光温室内空气温
度、土壤温度、CO2 浓度和空气湿度. CO2 浓度测点
距地面垂直距离 1. 0 m,距东西山墙各 10郾 0 m;温、
湿度测点距地面垂直距离 1. 5 m,距东西山墙各
457 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
10郾 0 m;土壤温度测点位于日光温室北墙 3. 5 m处,
距东西山墙各 10. 0 m,测定深度 15 cm.日光温室内
各传感器数据记录步长为 30 min.
RGR=(lnH2-lnH1) / (T2-T1)
式中:H1、H2 分别为栽培 T1、T2 天植株的株高(cm)
或茎粗(mm).
1郾 3摇 数据处理
利用 SPSS 17. 0 软件对数据进行方差分析,采
用 Duncan多重检验法对各处理进行差异显著性检
验(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 两种秸秆生物反应堆对温室内 CO2 浓度、空
气相对湿度和空气饱和水汽压差(VPD)的影响
由表 1 可知,在通风口关闭情况下,外置式秸秆
生物反应堆可显著提高番茄整个生育期内晴天
9:30—11:30 和 14:30—17:00 日光温室内 CO2 浓
度,有效解决日光温室内 CO2 亏缺现象;内置式秸
秆反应堆能够在一定程度上提高 9:30—11:30 日光
温室内 CO2 浓度,缓解日光温室内 CO2 亏缺,但对
14:30—17:00 日光温室内 CO2 亏缺无缓解作用.在
9:30—11:30 和 14:30—17:00 时间段内,Y 处理
CO2 浓度平均值分别比 CK 提高 207. 3 和 103
滋mol·mol-1,与 CK 存在显著差异; 在 9: 30—
11:30,N 处理 CO2 浓度平均值比 CK 提高 19郾 0
滋mol·mol-1,但与 CK 差异不显著. 与 CK 相比,
9:30—11:30和 14:30—17:00 时间段内,Y 处理相
对空气湿度分别提高了 16. 1%和 7. 8% ,N 处理空
气相对湿度分别提高了 13. 1%和 6. 8% ,但与 CK
差异均不显著.
从图2可以看出,外置式和内置式秸秆生物反
表 1摇 外置式与内置式秸秆生物反应堆对日光温室内 CO2
浓度和空气相对湿度的影响
Table 1摇 Influence of outer type and build鄄in straw bio鄄re鄄
actors on CO2 concentration and air relative humidity in so鄄
lar greenhouse
处理
Treatment
CO2浓度 CO2
concentration (滋mol·mol -1)
9:30—11:30 14:30—17:00
相对湿度
Relative humidity (% )
9:30—11:30 14:30—17:00
CK 257. 7a 251. 0a 57. 2a 61. 2a
N 276. 7a 251. 0a 64. 7a 65. 3a
Y 465. 0b 354. 0b 66. 4a 66. 0a
CK:对照 Control; N:内置式 Built鄄in (b) straw bio鄄reactor; Y:外置式
秸秆生物反应堆 Outer type straw bio鄄reactor. 同列数据后不同小写字
母表示差异显著(P<0. 05)Data with different small letters in the same
column meant significant difference among treatments at 0. 05 level. 下同
The same below.
图 2摇 外置式和内置式秸秆生物反应堆对日光温室内空气
饱和水汽压差(VPD)的影响
Fig. 2 摇 Influence of outer type and build鄄in straw bio鄄reactors
on air VPD in solar greenhouse.
玉:营养生长期 Vegetative stage; 域:结果期 Fruit bearing stage; 芋:
转色期 Fruit turning color stage. CK:对照 Control; N:内置式 Built鄄in
(b) straw bio鄄reactor; Y:外置式秸秆生物反应堆 Outer type straw bio鄄
reactor.不同小写字母表示处理间差异显著(P<0. 05) Different small
letters in the same column meant significant difference among treatments
at 0. 05 level. 下同 The same below.
应堆对日光温室内空气 VPD 的影响因番茄生育期
的不同而存在明显差异.与 CK相比,番茄营养生长
期 Y 和 N 处理空气 VPD 分别提高了 4. 3% 和
6郾 2% ,结果期分别降低了 15. 3%和 5. 6% ,转色期
分别降低了 11. 1%和 3. 3% ,但是在整个生育期内,
3 处理间差异均不显著.
2郾 2摇 两种秸秆生物反应堆对番茄植株长势的影响
由图 3 可知,在秋延后生产过程中,日光温室内
图 3摇 外置式和内置式秸秆生物反应堆对番茄株高和茎粗
生长的影响
Fig. 3 摇 Influence of outer type and build鄄in straw bio鄄reactors
on the growth of plant height and stem diameter of tomato.
5573 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 卞中华等: 外置式与内置式秸秆生物反应堆对番茄生长及光合性能的影响摇 摇 摇 摇 摇
番茄植株株高的生长速度呈现先升高后降低的趋
势,外置式和内置式秸秆生物反应堆可明显促进番
茄植株株高的增长. Y 处理番茄植株株高的生长速
度从 10 月 7 日开始降低,比 CK和 N处理提前了 14
d. 9 月 23 日至 10 月 28 日,番茄植株茎粗的生长速
度表现为 CK>N>Y.
摇 摇 Y 处理番茄株高比 CK 和 N 处理分别提高了
14. 1%和 11. 5% ,与 CK和 N处理存在显著差异;Y
和 N处理茎粗比 CK 分别降低了 14. 8%和 8. 7% ,
与 CK均存在显著差异;Y 和 N 处理番茄开花时间
较 CK分别提前了 6 和 3 d,果实采收期分别提前了
10 和 6 d(表 2).由此可见,两种方式的秸秆生物反
应堆均能促进番茄株高生长和提早开花,虽然对茎
粗生长有一定的抑制作用,但未引起植株徒长.
2郾 3摇 两种秸秆生物反应堆对番茄光合性能的影响
两种秸秆生物反应堆对番茄光合性能的影响因
番茄生育期的不同而存在明显差异.由图 4 可知,秋
延后生产过程中番茄 Pn随着生育期的推进逐渐降
低,秸秆生物反应堆可显著提高番茄不同生育阶段
Pn,并且在整个生育期内 Y 处理均高于 N 处理. 营
养生长期,Y 处理番茄 Pn比 CK 和 N 处理分别提高
了 29. 6%和 12. 8% ,各处理间均存在显著差异;结
果期和转色期,N、Y 处理番茄 Pn比 CK 分别提高了
11. 7% 、12. 8%和 35. 0% 、26. 7% ,与 CK 均存在显
著差异,但是 N与 Y处理间差异不显著.
在番茄整个生育期内,Tr与 Pn的变化规律相
似,呈现逐渐降低的变化趋势.秸秆生物反应堆抑制
了营养生长期和结果期的 Tr,却在不同程度上促进
了转色期的 Tr .营养生长期,Y、N处理番茄 Tr比 CK
分别降低了 6. 1%和 8. 0% ,与 CK均存在显著差异,
但是 Y与 N处理间无显著差异;结果期,Y处理番茄
Tr比 CK和 N处理分别降低了 26. 6%和 19郾 9%,差异
显著,但是 CK与 N处理之间差异不显著.
在整个生育期内,番茄gs先升高后降低,两种
表 2摇 外置式和内置式秸秆生物反应堆对番茄生长发育的
影响
Table 2摇 Influence of outer type and build鄄in straw bio鄄re鄄
actors on growth and development of tomato in solar green鄄
house
处理
Treatment
茎粗
Stem diameter
(mm)
株高
Plant height
(cm)
开花日期
Flowering
date
采收日期
Harvest
date
CK 12. 7b 83. 5a 2011鄄10鄄13 2012鄄01鄄12
N 11. 7a 85. 4a 2011鄄10鄄10 2012鄄01鄄08
Y 11. 1a 95. 3b 2011鄄10鄄07 2012鄄01鄄02
图 4摇 外置式和内置式秸秆生物反应堆对番茄 Pn、Tr和 gs的
影响
Fig. 4 摇 Influence of outer type and build鄄in straw bio鄄reactors
on Pn, Tr and gs of tomato.
秸秆生物反应堆处理营养生长期和结果期 gs下降,
而转色期 gs升高.与 CK相比,结果期 N处理番茄 gs
降低了 29. 7% ,转色期提高了 85. 1% ,均与 CK 存
在显著差异;营养生长期和结果期 Y处理番茄 gs分
别降低了 14. 8%和 52. 5% ,均与 CK 存在显著差
异;结果期和转色期 Y处理番茄 gs比 N处理分别降
低了 32. 4%和 28. 8% ,差异显著.
2郾 4摇 两种秸秆生物反应堆对番茄产量及瞬时水分
利用率(W)的影响
与 CK相比,N 和 Y 处理番茄单株产量分别增
加了 0. 6 和 0. 8 kg,单位面积产量分别提高了 3. 0
和 2. 4 kg,与 CK均存在显著差异.整个生育期 N和
Y处理番茄 W 比 CK 分别提高了 4. 4%和 27. 4% ,
但与 CK差异均不显著. Y 处理番茄单果质量比 N
处理提高了 12. 0 kg,差异显著(表 3).
657 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 3摇 外置式和内置式秸秆生物反应堆对番茄产量和水分
利用效率的影响
Table 3摇 Influence of outer type and build鄄in straw bio鄄re鄄
actors on tomato yield and water use efficiency
处理
Treat鄄
ment
单果质量
Single fruit
mass (g)
单株产量
Yield per
plant (kg)
产量
Yield
(kg·m-2)
水分利用效率
Water use
efficiency
CK 170a 2. 7a 10. 9a 7. 0a
N 174a 3. 3b 13. 3b 7. 4a
Y 186b 3. 5b 13. 9b 9. 0a
3摇 讨摇 摇 论
本研究中,尽管晴天上午番茄光合作用需要消
耗大量的 CO2,但是外置式秸秆生物反应堆集中在
9:30—11:30 和 14:30—17:00 两个时间段对温室
补充 CO2,所以外置式秸秆生物反应堆能够有效提
高9:30—11:30 和 14:30—17:00 温室内 CO2 浓度.
内置式秸秆生物反应堆只能在一定程度上提高
9:30—11:30 温室内 CO2 浓度,对 14:30—17:00
CO2 亏缺无缓解作用. 这可能是因为晴天番茄光合
作用对 CO2 的消耗速率大于内置式秸秆反应堆对
CO2 的补充速率,从而限制了下午温室内番茄植株
光合潜能的发挥,导致白天光合产物积累量减少,引
起 Y与 N处理植株长势差异,最终使 Y处理番茄产
量大于 N处理.
提高环境 CO2 浓度可以诱导细胞生长,明显促
进植株株高生长[11-13] . 朱世东等[14]研究发现,增加
CO2 浓度能够促进瓠瓜茎粗生长. 这与本研究中利
用秸秆生物反应堆显著抑制番茄茎粗生长,以及陈
双臣等[15]通过在番茄生产中补充 CO2 可促进株高
生长却不利于茎粗生长的研究结论不同.可见,CO2
施肥对作物形态发育的影响可能与作物种类及生产
环境条件有关,但其根本原因还有待进一步研究.
两种方式秸秆生物反应堆能够促进秋延后生产
番茄提早开花. 其原因可以用碳氮比理论解释[13]:
对于绝大多数植物而言,只有当碳氮比达到一定程
度时,才能促进植物花芽分化.由于秸秆生物反应堆
显著提高了秋延后生产番茄的 Pn(图 4),使植株的
碳固定量增加,碳氮比升高,促进了花的形成和
发育.
有研究表明,提高环境中的 CO2 浓度会导致植
物叶片 gs下降,引起 Tr降低[16-18] .本试验中,利用秸
秆生物反应堆补充 CO2 使营养生长期和结果期番
茄 gs和 Tr降低,但使结果期番茄 gs、Tr、VPD 升高.
这可能是因为生产后期环境温度降低,露点温度下
降引起空气中水蒸气含量降低,日光温室内空气的
VPD升高,但是两种秸秆生物反应堆均能在一定程
度上提高温室内空气的相对湿度,削弱了环境温度
降低对 VPD 的影响[19],使转色期番茄 gs增大(图
4),最终导致结果期番茄 Tr升高[20-21] .
在本研究中,Y 处理番茄 Tr始终低于 N 处理
(图 4).这可能是因为在利用外置式秸秆生物反应
堆补充 CO2 过程中,风机工作使温室垂直方向上产
生气流运动,提高了番茄植株冠层的空气流动速度,
有效降低了叶片表面的边界层阻力,加之气流对降
低边界层阻力的效果远大于补充 CO2 对气孔阻力
的增加效应[22] . 在这种条件下,气孔需要通过调节
gs以实现在固定 CO2 的同时减少水分的过量散
失[23-24],所以秋延后生产中 Y处理番茄 Tr始终低于
N处理.这也是整个生育期 Y 处理番茄瞬时水分利
用率高于 N处理的原因.
终上所述,两种秸秆生物反应堆能在不同程度
上改善秋延后生产中日光温室内环境,提高 CO2 浓
度和番茄产量.与内置式相比,外置式秸秆生物反应
堆虽然会引起空气相对湿度增加,但是能有效提高
秋延后生产中上午和下午日光温室内 CO2 浓度,改
善日光温室内气体环境,促进番茄植株光合潜能的
发挥,提高水分利用效率和番茄产量. 可见,外置式
秸秆生物反应堆更适合在秋延后生产中推广应用.
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作者简介摇 卞中华,男,1985 年生,博士研究生.主要从事园
艺设施与环境研究. E鄄mail: qilujiaozi1985@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
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