全 文 ：日光温室CO2浓度变化规律研究*
魏 珉 邢禹贤 王秀峰* * 马 红
(山东农业大学园艺学院, 泰安 271018)
摘要 研究了日光温室内 CO2 浓度的时空变化规律.结果表明, 日光温室 CO2 浓度日变化曲线通常呈
不规则! U∀形,有时呈不规则! W∀形.冬春栽培过程中日最高 CO2 浓度逐渐减小,日最低浓度和昼平均浓
度先降后升, CO2 亏缺时间逐渐延长. 温室内 CO 2空间分布特点通常是早晨和傍晚为前部> 中部> 后部,
近地面层> 作物冠层> 顶层; 中午前后为前部< 中部< 后部,近地面层> 顶层> 作物冠层. 影响日光温室
CO2浓度变化的主要环境因素是光照度,通风不能阻止温室内高浓度 CO 2 外逸和避免 CO2 亏缺. 幼苗期
群体光合较弱、土壤呼吸旺盛,温室 CO2 浓度较高; 结果期群体光合旺盛、土壤呼吸衰竭, CO2 亏缺严重.
关键词 日光温室 CO2 浓度 日变化 季节变化 空间分布 CO2亏缺
文章编号 1001- 9332( 2003) 03- 0354- 05 中图分类号 S625 文献标识码 A
Variation of CO2 concentration in solar greenhouse in Northern China. WEI M in, XING Yux ian, WANG Xi
ufeng, MA Hong ( College of Hor ticultur e, Shandong Agricultural Univer sity , T aian 271018, China) . Chin .
J . A pp l. Ecol . , 2003, 14( 3) : 354~ 358.
The var iat ion of CO2 concentr ation in winterspr ing cultivated solar g reenhouse in northern China was studied.
The diurnal change of CO2 concentration show ed an ir regular #U∃ shape in most case, the maximum value ap
peared prior to unveiling str aw mat in the morning , and the minimum betw een 12%00 and 14%00 PM . Some
times, an irregular #W∃ shape curve with two valleys w as also observed, w ith the first one appear ed prior to the
vent ilation at noon, and the second occur red bet ween 15%00~ 16%30 PM . During the period of w interspring
cultiv ation, the daily max imum concentration of CO 2 in solar greenhouse decreased g radually, w hile the daily
minimum concentration and daytime aver age concentr ation dr opped first, then w ent up. At the same time, the
time of CO2 depletion lasted longer and longer. In December, CO2 depletion happened 2. 1~ 3. 1 hours after
morning unveiling. In the nex t March, however, it moved up to 0. 6~ 1. 1 hours after unveiling in the morn
ing. A t daytime, both during and after ventilation, solar g reenhouse often showed CO2 depletion. The period of
CO2 depletion extended from 4~ 5. 8 hours per day in December to 8~ 8. 5 hours per day in March of nex t year .
The spacial distribution of CO2 concentrations wit hin the gr eenhouse show ed that in the morning and in the
evening, the order was the front> t he middle> the back, and the g round> the canopy> the upper, and at mid
day, t he order w as the front < the middle< the back, and the ground> the upper> the canopy. Photon flux
density w as the most important env ironmental factor affecting CO 2 concentration in greenhouse. Ventilat ion did
no t avoided CO 2 depletion. Canopy photosynt hetic rate and soil respiratory rate were measured at different
grow th stages of tomato. A t seedling stage, CO2 concentration in gr eenhouse w as higher than that outside, due
to the v igorous soil respiration and lower canopy pho tosynthetic rate. But at fr uiting stage, severe CO 2 depletion
occurred because of stronger canopy photosynthesis and weak soil respiration.
Key words Solar g reenhouse, CO2 concentr at ion, Diurnal change, Seasonal change, Spacial distr ibution.
* 山东省教育厅基金( J99I04)和山东省优秀中青年科学家科研奖励
基金资助项目(鲁科计字( 1997)第 319号) .
* * 通讯联系人.
2001- 08- 15收稿, 2001- 11- 30接受.
1 引 言
CO2 是光合作用的原料,设施内部 CO2 亏缺限
制了蔬菜光合作用,成为提高产量的关键制约因素
之一. Schapendonk[ 6] 等根据模型测算, 早春温室
CO2 亏缺使黄瓜群体净同化量损失 15% ,长期亏缺
造成黄瓜减产 11% . 刘保才等[ 4]调查了 13 栋黄瓜
日光温室内 12月~ 翌年 2月的有效积温、见光时数
和CO2 气肥释放浓度的总和, 并将其对产量的影响
进行了通径分析,结果表明 CO2 浓度对产量的贡献
最大.因此,研究设施 CO2 环境变化规律并进行科
学调控是实现高产高效的基础. 日光温室是我国北
方地区冬春季节主要设施栽培形式,有关 CO2 浓度
的研究虽有报道[ 3, 8, 10]但缺乏系统深入的研究. 而
且日光温室结构、土壤温光条件和作物自身源汇时
空变化必然导致 CO2 分布的复杂性. 为此, 本试验
对日光温室 CO2环境进行了系统测定, 旨在探讨温
光环境、作物生育与 CO2 浓度变化的关系, 为合理
调控和 CO2 施肥提供依据.
应 用 生 态 学 报 2003 年 3 月 第 14 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2003, 14( 3)%354~ 358
2 材料与方法
21 供试材料
试验于 1998 年 10月~ 2000 年 5 月在山东省泰安市郊
区省庄镇和山东农业大学教学试验站进行. 黄瓜 ( Cucumis
sativus L. ) 品种新泰密刺, 番茄 ( Lycop er sicon esculentum
M ill)品种毛粉 802, 越冬栽培茬口, 生育期常规管理. 试验期
间依据温室内温度高低调节通风口大小, 通风面积率 0~
14% .省庄日光温室: 长 50 m,跨度 8. 0 m,脊高 2. 8 m, 砂壤
土.黄瓜 1998年 10 月 6 日播种, 11月 17 日定植,行株距 60
cm & 30 cm;番茄 1998年 9月 6 日播种, 10 月 16 日定植, 行
株距 65 cm & 35 cm;两者均于次年 5 月中旬拉秧. 整地前每
栋温室施入有机肥 4~ 5 m3, 磷酸二铵 40 kg, 硫酸钾复合肥
50 kg. 教学试验站日光温室: 长 50 m, 跨度 9. 0 m, 脊高 4. 0
m, 壤土 (有机质 1. 18% , 水解氮 84. 96 mg∋kg- 1 , 速效磷
311. 2 mg∋kg- 1 ,速效钾 389. 0 mg∋kg- 1 ) . 番茄 1999 年 9 月
16 日播种, 10 月 31 日定植,行株距 65 cm & 33 cm, 2000 年 5
月底拉秧.整地前施入有机肥 5 m3、豆饼 150 kg、复合肥 40
kg .
22 研究方法
从定植开始, 测定不同季节和生育阶段温室内 CO2 浓
度,同时记载室内外环境、作物长势、管理作业等项目. 测定
部位分前部(种植带南端, 距温室前沿 1~ 1. 2 m)、作物冠部
(种植带中部, 距温室前沿 4~ 5 m)、后部(种植带北端, 距后
墙0. 8~ 1. 0 m) 3 个位置和近地面层(距离地面 0. 05~ 0. 1
m)、中层(植株生长点以下 0. 1~ 0. 2 m)、顶层(冠层上方, 距
地面 2. 0 m) 3 个高度, 重复测定 2 次. 在教学试验站用自制
玻璃和塑料同化箱 (体积分别为 0. 5 m & 0. 5 m & 0. 37 m、
0. 8 m & 0. 8 m & 0. 9 m 和 1. 0 m & 1. 0 m& 0. 7 m)测定番茄
群体光合速率和土壤呼吸速率,根据同化箱容积和内部 CO 2
浓度变化计算.重复测定 3 次. 除比较温室内不同位点 CO 2
浓度外,以冠层各点 CO2 浓度平均值代表温室 CO2 浓度.
用 L I3000A 型便携式叶面积仪 (美国 LICOR 公司产 )
测定叶面积; GXH305 红外线 CO 2 分析仪(北京分析仪器厂
产)测定 CO2 浓度; LI6200 型便携式光合仪 (美国 L ICOR
公司产)测定 CO2 浓度和光合速率. 文中将温室 CO 2 浓度低
于室外大气时称为!亏缺∀ .
3 结果与分析
31 CO2浓度季节变化和日变化
日光温室 CO2 浓度日变化曲线通常呈不规则
! U∀型,早晨揭苫之前最高,揭苫后随作物光合消耗
逐渐减小, 12%00~ 14%00最低,而后缓慢上升(图 1,
图 2) . ! U∀型变化通常发生于不放风或放风持续时
间较长且夜间 CO2积累水平较高条件下.有时一天
中 CO2 浓度出现 2 次低谷, 第 1 次于上午放风之
前,第2次于下午闭风后的15%00~ 16%30(图1, 图
图 1日光温室CO 2 浓度季节变化和日变化
Fig. 1 Seasonal and diurnal changes of CO 2 concentrat ion in solar green
house.
. . .外界 CO2 浓度 CO2 concent rat ion outside; ( 揭苫和盖苫时间 Time
of un veiling and covering mat; 通风和闭风时间 Time of opening and
closing vent ; a)番茄 Tomato; b)黄瓜 Cucumber.下同 The same below .
1) 1998. 11. 14; 2) 1998. 11. 30; 3) 1998. 12. 30; 4) 1999. 01. 09; 5 )
1999. 01. 12; 6) 1999. 02. 04; 7) 1999. 02. 05; 8 ) 1999. 03. 23; 9) 1999.
05. 05.
图 2 天气和生育时期对日光温室番茄群体 CO 2浓度变化的影响
Fig. 2 Ef fect s of weather and grow th stages on CO 2 concent ration in
tomato greenhouse.
1) 1999. 11. 12,阴,幼苗期 Cloudy, seedling stage; 2) 1999. 11. 19, 晴,
幼苗期 Sunny, seedling stage, LAI= 0. 48; 3) 2000. 01. 09, 阴,结果期
Cloudy, f ruit ing stage; 4) 2000. 01. 25,晴,结果期 Sunny, fruit ing stage,
LAI= 4. 16.
2) . 该情形多发生于群体叶面积系数较大、光合旺
盛、上午放风较晚而下午闭风较早的晴天.与黄瓜相
比,番茄日光温室 CO2 亏缺更严重( CO2 浓度低、亏
缺持续时间长) ,可能与其群体结构较大有关.
图 2进一步说明天气和作物群体大小对温室
CO2浓度的影响. 幼苗期, 温室内夜间CO2积累水平
3553 期 魏 珉等:日光温室 CO2 浓度变化规律研究
图 3 日光温室 CO 2环境特点
Fig. 3 Characteristics of CO2 environm ent in solar greenhouse.) .日最高浓度 Daily maximum CO2 concent rat ion; ∗ .日最低浓度 Daily minimum CO 2 concentration; + .日平均浓度Daily mean average CO 2 con
centration; ,.放风前Before vent ilat ion; − .放风中 During vent ilat ion; . .放风后 After vent ilat ion; / .亏缺时长 CO 2 depletion t ime; 0 .揭苫亏缺时间 T ime from morning unveiling to CO2 deplet ion; 1 .亏缺时间比 Rat io CO2 deplet ion t ime.
较高,白天无论何种天气均不发生亏缺,而且晴天中
午通风会导致室内 CO2 大量外逸, 加上幼苗的光合
消耗, CO2 浓度迅速降低,直至与外界水平接近, 因
此,通风期难以维持日光温室 CO2 浓度高水平. 结
果期,番茄群体叶面积系数较大( LAI= 4. 16) , 光合
旺盛,晴天上午揭苫后约 1. 4 h即呈现 CO2亏缺, 最
低浓度达 100 l∋L - 1, 通风虽可缓解但不能避免亏
缺,通风期群体 CO2 浓度仍比外界低 16. 90%左右.
由图 3看出,冬春栽培过程中日光温室日最高
CO2 浓度逐渐减小, 日最低浓度和昼平均浓度先降
后升. 前期作物群体较小,温室 CO2 浓度较高, 通风
量较大(包括通风口大小和通风时间) , 不发生或仅
发生轻度亏缺; 12月~ 翌年 2月是一年中最寒冷季
节,日光温室通风量较小甚至全天封闭,作物群体较
大,光合旺盛, CO2 亏缺最严重; 2月以后加强通风,
日最低 CO2浓度重新上升.伴随温室日最高 CO2 浓
度减少和作物群体的增大, 发生 CO2 亏缺的时间提
早,持续时间延长. 12月~ 翌年 2月, 番茄群体发生
CO2 亏缺时间从早晨揭苫后 2. 1 h提早到 1. 0 h, 黄
瓜从 3. 1 h提早到 1. 3 h;每天亏缺持续时间黄瓜从
4 h延长到 6. 8 h, 番茄从 5. 8 h延长到 7. 7 h. 其中
通风前亏缺时间 0. 5~ 3 h,通风后 0. 5~ 2. 5 h. 2月
以后 CO2亏缺时间比(亏缺时长/日照长度)降低与
日长的增加有关.
将黄瓜、番茄结果期日光温室 CO2 浓度的变化
与光照度、气温和相对湿度进行通径分析, 结果表
明,影响日光温室 CO2 浓度变化的主要环境因素是
光照度,气温与光照度呈显著正相关.这是因为光照
不仅与作物的光合过程息息相关, 而且是日光温室
能量来源,温度高低既影响作物和土壤微生物的生
理活动,同时也是现阶段温室管理的主要指标.
32 日光温室 CO2空间分布特点
321 不同高度CO2浓度 日光温室不同高度 CO2
浓度日变化趋势基本相同,但其高低顺序随时间而
改变.揭苫前的空间 CO2 浓度, 近地面层> 作物冠
层> 顶层 2 m 高处; 揭苫后,作物光合消耗使冠层
CO2浓度迅速下降, 并在短时间内成为最低, 这种状
况通常维持至盖苫后 1 h甚至更长时间才能恢复.
白天,近地面层和 2 m 高处 CO2 浓度相比较有两种
情形: 1)前者始终高于后者; 2)上午前者低于后者,
下午相反(图 4) . 冠层与两者的相对距离是影响彼
此浓度高低的重要因素,同时受近地面群体结构、冠
层上部温室空间大小以及通风等的影响.
322 不同位置 CO2 浓度 温室前、中、后不同位
置CO2浓度高低顺序是揭苫之前和盖苫以后为前
356 应 用 生 态 学 报 14卷
图 4 日光温室 CO 2浓度的时空分布
Fig. 4 T emperalspat ial dist ribut ion CO 2 concentration in solar greenhouse.
1)近地面 Ground; 2)作物冠层 Crop canopy; 3)顶部 Upper; 4)前部 Front ; 5)中部 Meddle; 6)后部 Back.
图 5 日光温室 CO 2浓度变化与番茄光合作用和土壤呼吸的关系
Fig. 5 Ef fects of canopy photosynthesis and soil respirat ion on CO2 concent rat ion in tomato solar greenhouse.
A)幼苗期 Seedling stage( LAI= 0. 48) ; B)结果期Fruiting stage( LAI= 4. 16) . ) .外界 CO2 浓度CO 2 concentration ambient ; ∗ .温室CO 2 浓度CO 2
concentrat ion w ithin the greenhouse; + .土壤呼吸速率 Soil respiration; ,.群体光合速率 Canopy photosynthesis. a)见光时间 Sunshine time( a1: 7%40
~ 17%10, a2: 8%30~ 16%50) ; b)通风时间 Vent ilation t ime( b1: 10%30~ 15%00, b2: 11%40~ 14%00) .
部> 中部> 后部; 揭苫以后前部 CO2 浓度迅速下
降,不论通风与否, 前部< 中部< 后部(图 4) . 这种
现象可由温室前部缓冲空间小、作物受光条件好利
于光合作用得到解释.
33 作物光合、土壤呼吸与温室 CO2浓度变化
331 幼苗期 番茄群体光合消耗 CO2 速率和土
壤呼吸释放 CO2 速率均呈单峰曲线变化,最高值分
别出现于 11%00和 11%30, 此时光温条件俱佳, 土壤
呼吸大于光合消耗, 后者仅为前者的 66. 67%. 早
晨,温室 CO2 浓度高于外界, 揭苫后伴随光温条件
改善, 光合作用增强, CO2降低;中午通风期,温室内
外 CO2落差减小, 但由于土壤呼吸大于光合消耗,
CO2 呈现!援外∀态势. 下午,通风口关闭, 光合作用
逐渐减弱,土壤呼吸导致 CO2浓度上升(图 5A) .
332 结果期 土壤呼吸明显减弱, 日平均释放
CO2速率为幼苗期的 24. 23%, 中午前后仅为光合
速率的 6. 88% ,远低于光合消耗. 9%40温室 CO2 浓
度高于外界,但旺盛的群体光合作用使其迅速降低,
并在短时间内发生亏缺; 通风期, 大量 CO2 进入温
室,室内外建立一种新的平衡, 但内部 CO2 浓度仍
低于外界,说明通风量相对不足; 通风口关闭后, 群
体光合作用使温室 CO2 水平再度降低, 出现一天中
3573 期 魏 珉等:日光温室 CO2 浓度变化规律研究
第 2个低谷;傍晚, 光合作用减弱,土壤微生物和作
物群体呼吸作用使 CO2 浓度逐渐升高(图 5B) .
4 讨 论
41 普通日光温室 CO2 环境
普通日光温室 CO2浓度取决于作物生理活动、土
壤呼吸、温光环境和人工管理措施(揭盖草苫、通风
等)等因素.本试验结果表明, 幼苗期土壤呼吸旺盛,
群体光合较弱,温室 CO2 水平较高,一般不发生 CO2
亏缺;结果盛期土壤呼吸衰竭, 群体光合旺盛, CO2 亏
缺严重.冬春栽培过程中, 黄瓜、番茄群体结果期 CO2
浓度最高值 550~ 850 l∋L- 1、最低值 100~ 220 l∋
L- 1, CO2亏缺最严重季节为低温寡照的 12月~ 翌年
2月,亏缺通常发生于早晨揭苫后 1~ 3. 1 h,持续 4~
7. 7 h.若将一天中 CO2 亏缺时间分为通风之前、通风
期间和通风之后 3段, 则通风之前 0. 5~ 3. 0 h,通风
后0. 5~ 2. 5 h.且目前日光温室管理主要以保温为原
则,严冬季节不通风或仅中午前后于屋脊部位扒小缝
短时自然通风,通风量小,无法避免通风期CO2 亏缺.
42 温室 CO2调控
提高温室 CO2 水平有多种途径. 1)增施有机肥
土壤呼吸是温室 CO2 来源之一, 夜间 CO2 积累水平
越高, 白天发生亏缺的时间越晚. 以省庄 1998~ 1999
年结果期的测定结果建立揭苫至亏缺时长与日最高
CO2 浓度之间的关系方程,黄瓜温室 Y= 0. 0081x -
3.5739( r= 0. 9685) ,番茄温室 Y= 0. 0040x- 1.22( r
= 0. 9221) .根据方程,设揭苫至通风 3. 5 h, 则日最高
CO2 浓度须在 900~ 1 200 l∋L- 1以上才有可能避免
通风前亏缺.目前日光温室栽培多习惯于有机肥一次
施入,正如本试验测定结果,后期土壤呼吸明显减弱.
因此,从保持较高的土壤 CO2释放量出发,可采取增
加有机肥用量、分次增施有机肥或田间覆草的办法.
何启伟等[ 2]报道,黄瓜结果期定期冲施鸡粪可显著提
高温室 CO2 浓度, 冲施鸡粪温室内 8%00、10%00 和
12%00的 CO2浓度分别为 1 200~ 1 800、580~ 1 200、
230~ 350l∋L- 1,而对照温室分别为620~ 700、240~
320和 180~ 230 l∋L- 1.吴翠兰等[ 8]的试验结果表
明,在施足有机肥和秸秆堆肥并进行沟内铺草的情况
下,可维持甜瓜生育期温室 CO2 浓度高水平. 由此可
见,增施有机肥可以延迟或避免通风前亏缺, 但此法
对有机肥的标准和施用方法较难掌握,温室 CO2 水平
不易调控,有时难以避免通风期和闭风后亏缺. 2)人
工增施 CO2. 12月~ 翌年 3月,番茄温室 CO2 亏缺通
常发生于早晨揭苫后 0. 6~ 2. 1 h,黄瓜 1. 1~ 3. 1 h,
据此, 12月份施肥时间可在揭苫后2~ 3 h, 1月份 1. 5
~ 2 h, 2月份1~ 1. 5 h, 3月份 0. 5~ 1 h.于国华等[ 9]
研究表明, CO2浓度在补偿点和 500 l∋L- 1之间的少
量增加对光合速率有较大影响; 深冬季节,中午前后
日光温室黄瓜光合作用的优化 CO2 浓度为 460~ 500
l∋L- 1[ 1] .所以, 保持温室 CO2 浓度 500 l∋L- 1以上
对作物光合作用更有利,据此可相应提早施肥时间.
因作物旺盛光合作用和通风量相对不足,通风期
及闭风后仍存在 CO2 亏缺.在气温较低的 12月~ 翌
年 2月,日光温室以保温为原则,通风时间短,通风量
小,通风期 CO2 亏缺时长 2. 5~ 4. 7 h, 闭风后亏缺时
长 0. 5~ 2. 5 h.国外有温室作物全天 CO2施肥和通风
期 CO2施肥的报道[ 5, 7] .并证明延长每天 CO2 施肥时
间可明显提高黄瓜、番茄产量.我国日光温室生态、经
济 CO2施肥方案尚需进一步研究.
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作者简介 魏 珉, 男, 1968 年 12 月生, 博士, 副教授,主要从事设施蔬菜与无土栽培研究, 发表论文 20 余篇. Email:
minwei@ sdau. edu. cn
358 应 用 生 态 学 报 14卷