不同濃度CO2與化肥配施對番茄生長和養分吸收的影響

劉漢文，武國慧，王玲莉，張 蕾，高紀超，丁 芳，張 雷，段剛強，李 杰，王麗希，石元亮*

(1.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.沈陽中科新型肥料有限公司，遼寧 沈陽 110016；4.福建省正堃富民農業發展有限公司，福建 福安 355000)

CO2是植物光合作用的原料，在植物的CO2飽和點以下，植物光合強度隨CO2濃度的增高而增大。大氣CO2濃度為300～330 μL/L，遠不能滿足植株最大光合作用的需要，尤其在密閉的大棚中，CO2濃度可降低至100 μL/L，植物光合作用嚴重受阻，植物的碳水化合物同化率低，植株減產，品質下降，抗逆性差，嚴重影響了大棚光溫條件的發揮。近幾十年來，在設施蔬菜栽培中，大棚增施CO2已成為提高蔬菜產量和品質的一項有效措施[1]，從根本上解決了大棚CO2濃度低、蔬菜光合速率低的問題，是實現大棚蔬菜增產增收，提高作物品質的一個必要途徑。隨著番茄在中國種植面積的不斷上升，大棚種植實現了全年供應，提高番茄產量，增加農民收入顯得尤為重要[2],大棚增施的CO2有40%左右可被番茄吸收利用[3]。增施CO2可以增加番茄的生物量、提高番茄的產量、改善番茄的品質以及減少病蟲害的發生[4-7]。前人的研究結果表明增施CO2可以增加植物體養分含量[8]，然而，也有一些研究表明植株總的吸收量增加，但含量降低[9]。增施CO2對作物生長和養分積累的影響存在爭議，關于不同溫室作物的最適CO2濃度研究較少。針對以上問題，本研究以干冰為原料，通過在大棚內增施不同濃度的CO2氣肥并配施不同濃度的化肥，闡明增施CO2對大棚番茄生長發育及養分積累的影響，探究CO2氣肥的增產節肥效應及其最適施用濃度。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為棕壤，6個棚土壤基本理化性質如下：

供試作物為番茄(圓紅大寶)，由遼寧某公司提供(鞍山)。

供試肥料為復合肥(N-P2O5-K2O為26-11-11)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 54%)。

供試CO2氣肥為干冰(柱狀)，由營口某公司提供。

供試大棚覆蓋白色塑料薄膜，由遼寧某公司(本溪)提供。

1.2 試驗設計

本試驗共包含6個大棚(2.4 m×2 m)，設置6個CO2濃度梯度，分別為300(對照)、600、800、1 000、1 200、1 400 μL/L。每個棚內設置4個化肥濃度梯度，采用復合肥與磷鉀肥配施，分別為CK(不施化肥)，減施20%，常規施肥，增施20%(常規施肥施入量為復合肥110.76 g/區、過磷酸鈣33.12 g/區、硫酸鉀36.10 g/區，肥料增減按整體比例計算)。化肥施用方式為移栽幼苗時作為基肥，采取條施一次性施入土壤，后期無追肥。番茄幼苗移栽入大棚土壤，每小區6株，待番茄幼苗生長至出現5片真葉時，開始施用CO2氣肥，每天8：00左右施用，陰雨天氣不施，用CO2濃度儀監測其濃度。番茄的生長時期內，每隔7 d測定一次葉綠素含量，3穗果后摘心，去除頂端優勢，果實成熟后開始計產量，測定番茄果實氮磷鉀含量及品質。

1.3 測定指標及方法

土壤和番茄基本理化性狀指標按照土壤農化分析中的方法測定。

可溶性糖-蒽酮比色法[10];

Vc-2,6-二氯靛酚滴定法[10];

硝酸鹽-水楊酸消化法[10]。

主要儀器設備：CO2濃度儀，便攜式葉綠素儀，凱氏定氮儀，紫外分光光度計，火焰光度計。

1.4 數據處理與統計檢驗

所有試驗數據采用Excel 2010及SPSS 19.0進行整理與分析，Origin 8.6進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同CO2氣肥濃度對番茄產量的影響

由圖1可知，在CK、減施20%、常規施肥、增施20% 4種施肥處理下，隨著CO2濃度的增加，番茄產量均呈現了逐漸升高的趨勢，且4種施肥處理下的番茄產量均在CO2濃度為1 200 μL/L時達到最大值，分別為2 674、2 867、2 971和2 730 g。方差分析與統計結果表明，CK處理下的番茄產量在CO2濃度為1 200 μL/L時達到最大值(2 674 g)，與800、1 000、1 400 μL/L濃度處理均無顯著性差異，但顯著高于300和600 μL/L濃度處理。與對照相比，增施CO2濃度處理(600、800、1 000、1 200、1 400 μL/L)下的番茄產量增幅分別達10.3%、44.9%、51.4%、71.2%和64.7%。

圖1 不同CO2氣肥濃度對番茄產量的影響

注：不同大寫字母表示同一CO2濃度下不同基肥處理對番茄產量影響的差異(P<0.05)；不同小寫字母表示同一基肥處理下不同CO2濃度對番茄產量影響的差異(P<0.05)。下同。

減施20%處理下，CO2濃度為1 200 μL/L時番茄產量達到最大值(2 867 g)，顯著高于300、600和1 400 μL/L濃度處理，與800和1 000 μL/L濃度處理無顯著性差異。與對照相比，800、1 000、1 200 μL/L濃度下的番茄產量分別增加了50.3%、67.8%和79.9%。

常規施肥處理下，CO2濃度為1 200 μL/L時番茄產量達到最大值(2 971 g)，與1 400 μL/L濃度處理無顯著性差異，但顯著高于其它CO2處理。與對照相比，1 200和1 400 μL/L濃度下的番茄產量增幅分別為73.3%和72.8%。

增施20%處理下，CO2濃度為1 200 μL/L時番茄產量達到最大值(2 730 g)，與1 400 μL/L濃度處理無顯著性差異，但顯著高于其它CO2處理。與對照相比，1 200和1 400 μL/L濃度下的番茄產量增幅分別為54.7%和52.9%。綜合分析不同CO2氣肥和化肥施用處理對番茄產量的影響的結果表明，在減施20%處理下，增施CO2氣肥濃度為800～1 200 μL/L時，番茄產量顯著高于常規施肥和增施20%化肥處理的番茄產量，CO2氣肥表現出明顯的增產節肥效果。

2.2 不同CO2氣肥濃度對番茄葉片葉綠素含量的影響

由圖2可以看出，在常規施肥處理下，番茄葉片的葉綠素含量隨時間的推移總體呈上升趨勢，且在5月10日，高濃度CO2處理下的番茄葉片葉綠素含量高于低濃度處理，處理間有顯著性差異。與4月26日相比，5月10日的葉綠素含量在300、600和800 μL/L CO2濃度下分別增加了0.15、4.18、3.31，CO2濃度在1 000、1 200和1 400 μL/L下分別增加了8.73、7.08、6.75。CO2濃度在1 000 μL/L相比于800 μL/L以下，番茄葉片葉綠素含量的增加量顯著增大，說明增加CO2濃度有利于葉片中葉綠素的產生和積累。

圖2 不同CO2氣肥濃度對番茄葉綠素含量的影響

2.3 不同CO2氣肥濃度對番茄果實品質的影響

由圖3可以看出，在CK、減施20%、常規施肥、增施20%4種不同施肥處理下，與對照相比，在一定濃度范圍內增施CO2氣肥能提高番茄果實中Vc、可溶性糖含量，降低硝酸鹽含量。

由圖3a可以看出，隨著CO2濃度的增大，4個不同施肥處理下番茄果實Vc含量均先升高后降低，且CO2濃度為800 μL/L時最高。在CK處理下，Vc含量在CO2濃度為800 μL/L時達到最大值，為419.9 μg/g，與600、1 000 μL/L濃度處理無顯著差異，但顯著高于其它CO2處理。在減施20%處理下，Vc含量在CO2濃度為800 μL/L時達到最大值，為403.1 μg/g，與300、600、1 000 μL/L濃度處理無顯著性差異，但顯著高于1 200、1 400 μL/L CO2濃度處理。在常規施肥和增施20%處理下，Vc含量分別在CO2濃度為800和600 μL/L時達到最大值，分別為452.0和448.9 μg/g，顯著高于與其它CO2處理。

圖3 不同CO2氣肥濃度對番茄果實品質的影響

由圖3b可知，CO2濃度為600和800 μL/L時顯著增加番茄果實可溶性糖含量。在CK和常規施肥處理下，可溶性糖含量分別在CO2濃度為600和800 μL/L時達到最大值(2 403.6和2 450.3 μg/g)，顯著高于其它CO2處理。在減施20%處理下，可溶性糖含量在CO2濃度為800 μL/L時，達到最大值(2 565.0 μg/g)，比對照增加了66.7%，顯著高于其它CO2處理。在增施20%處理下，當CO2濃度為600 μL/L時，可溶性糖含量達到最大值(2 195.3 μg/g)，與對照相比增加了45.8%，并顯著高于其它CO2處理。

由圖3c可知，在CK處理下，當CO2濃度為600 μL/L時，番茄果實硝酸鹽含量達到最小值(112.2 μg/g)，與對照相比，降幅為24.4%，并顯著低于其它CO2處理。在減施20%處理下，CO2濃度為600、800和1 200 μL/L處理之間的硝酸鹽含量無顯著性差異，但顯著低于其它CO2處理。在常規施肥處理下，CO2濃度為600和800 μL/L濃度下的硝酸鹽含量顯著低于其它處理。在增施20%處理下，各CO2濃度處理之間的硝酸鹽含量無顯著差異。綜上所述，當CO2濃度為600～800 μL/L時，可以有效改善番茄果實品質。

2.4 不同CO2濃度對番茄果實中全氮磷鉀積累的影響

由圖4a可知，CK和增施20%處理下番茄果實全氮含量在CO2濃度為1 000 μL/L時達到最大值，分別為2 314和2 123 mg/kg，并顯著高于其它CO2處理，與對照(1 961 和1 483 mg/kg)相比，分別增加了18.00%和43.16%。在減施20%和常規施肥處理下，全氮含量分別在CO2濃度為600和800 μL/L達最大值(3 251和2 568 mg/kg)，顯著高于同一施肥處理下其它CO2處理，與對照(2 107和2 181 mg/kg)相比，其增幅分別為54.30%和17.74%。

由圖4b可知，在CK和減施20%處理下，番茄果實全磷含量分別在CO2濃度為600和1 400 μL/L時達最大值(548和520 mg/kg)，顯著高于同一施肥處理下其它CO2濃度處理，與對照(391和366 mg/kg)相比，其增幅分別為40.15%和42.08%。在常規施肥處理下，當CO2濃度為600 μL/L時番茄果實全磷含量達到最大值(485 mg/kg)，與1 400 μL/L濃度處理無顯著性差異，但顯著高于其它CO2處理。在增施20%處理下，1 000、1 200和1 400 μL/L濃度處理之間全磷含量無顯著差異，顯著高于300、600和800 μL/L濃度處理。

由圖4c可知，在CK處理下，當CO2濃度為600 μL/L時，番茄果實全鉀含量達到最大值(1 932 mg/kg)，與對照相比無顯著差異，但顯著高于其它CO2處理。在減施20%、常規施肥和增施20%處理下，分別在CO2濃度為600、800和1 000 μL/L時番茄果實全鉀含量達到最大值，分別為2 248、2 136和1 871 mg/kg，與對照(1 908、1 736和1 509 mg/kg)相比，分別增加了17.82%、23.04%和23.99%。

圖4 不同CO2氣肥濃度對番茄果實中全量氮磷鉀積累的影響

2.5 不同CO2濃度與番茄果實中礦質元素及品質的相關性

由表2～5可以看出，在CK施肥處理下，植物C供給與全K含量表現出極顯著正相關，在其余施肥處理下，C供給與全P和Vc都表現出極顯著正相關，在常規施肥和增施20%處理下，C供給與可溶性糖表現出顯著正相關，在減施20%處理下，C供給與全K、硝酸鹽表現出顯著正相關。

表2 CK處理下C供給與養分吸收及品質相關性

注：**表示極顯著相關，*表示顯著相關。下同。

表3 減施20%處理下C供給與養分吸收及品質相關性

表4 常規施肥處理下C供給與養分吸收及品質相關性

表5 增施20%處理下C供給與養分吸收及品質相關性

3 討論

3.1 增施CO2對番茄產量的影響

本試驗得出，在CK、減施20%、常規施肥和增施20%4種施肥處理下，增施CO2均能顯著提高番茄的產量，最大增幅分別為71.2%、79.9%、73.3%和54.7%。樊琳等進行大棚CO2施肥的研究結果表明，增施CO2可顯著促進番茄植株的生長，提高坐果數和單果重，使番茄總產量提高43.8%，前期產量增加了220%[11]。趙少婷等的研究得出，在溫室增施3 h 1 500 μL/L的CO2氣肥處理與對照相比，小區產量提高了43%[12]。由此可見，增施CO2可以促進番茄生長，增加產量。其原因主要有以下幾點：1)增施CO2提高了CO2/O2值，促進羧化反應，加速了光合作用，使呼吸作用相對減弱，增加了番茄凈光合速率[13]。2)增施CO2使棚溫升高，根系吸收水分增多，光合作用增強，干物質積累增多，從而使番茄產量增加[14]。3)增施CO2促進根系生長，根系吸收養分能力增強，因而促進植株的生長發育[15]。但是，CO2氣肥對番茄增產的最適濃度各有差異。本試驗得出，當CO2濃度在800～1 200 μL/L時，對番茄的增產效果較為顯著。魏珉得出(1 100±100)μL/L的CO2氣肥使番茄全株干物重增加了79.01%，效果較好[16]。李娟等在研究CO2與養分交互作用中，施用的最適CO2濃度為720 μL/L[17]。朱世東等研究結果表明，春季大棚櫻桃番茄CO2適宜施用濃度為1 000 μL/L左右[18]。CO2氣肥增產番茄的適宜濃度差異可能是供試作物品種、土壤類型及肥力、大棚光照溫度水分等條件差異所致。

3.2 增施CO2對番茄葉片葉綠素含量的影響

本試驗得出，在常規施肥處理下，增施CO2能提升植株葉綠素含量，且高濃度CO2處理(1 000～1 400 μL/L)下的增幅高于低濃度CO2處理(300～800 μL/L)。袁會敏試驗得出，CO2濃度在1 080和1 440 μL/L時，有利于黃瓜葉綠素的合成[19]。楊新琴等研究得出，CO2為600 μL/L時大棚草莓葉綠素含量相比對照增加了9.69%[20]。李寧等研究表明，提高CO2濃度可以提高番茄葉片的相對葉綠素含量[21]。葉綠體是光合作用的場所，葉綠素含量的增加是光合作用增強的一個表現，對于高濃度CO2可以增強光合速率的原因，目前有以下解釋：(1)在目前大氣CO2濃度下，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶沒有被CO2所飽和，CO2濃度升高，增加光合原料，光合速率提高；(2)光呼吸過程受到抑制，降低由呼吸作用引起的碳損失[22]。

3.3 增施CO2對番茄品質的影響

本試驗得出，隨著CO2濃度的升高，番茄果實Vc和可溶性糖含量總體均呈現先增加后降低的趨勢，在600～800 μL/L時，Vc含量較高，可溶性糖含量達最大值。CO2濃度持續升高和化肥施用量的增加并不會使果實Vc和可溶性糖含量持續增加。Islam等研究表明，CO2濃度為700～800 μL/L時顯著提高番茄生長和Vc含量，高于1 000 μL/L時，Vc含量下降[23]。Madsen研究表明，CO2為600～800 μL/L時，番茄可溶性糖含量得到最大程度的增加，CO2濃度過大，并不會繼續增加番茄果實可溶性糖含量[24]，這與本試驗研究結果一致。增施CO2處理下的番茄果實硝酸鹽含量相比對照有所下降，在CO2濃度為600～800 μL/L時下降幅度最大，于承燕等研究表明，增施CO2的番茄幼苗各部分硝酸鹽含量均有下降趨勢[15]。有關增施CO2降低作物硝酸鹽含量的機制有兩種假說，一是增施CO2促進了植株的生長，植株干物質量的增加對硝酸鹽造成的稀釋效應；二是由于CO2對光合作用的促進，促進了氮的同化與代謝，使更多的硝酸鹽轉化為氨基酸[25]。

3.4 增施CO2對番茄果實全量氮磷鉀含量的影響

本試驗得出，少量增施CO2(600～1000 μL/L)增加果實全氮含量，而在高量增施CO2(1 200～1 400 μL/L)時則降低全氮含量，且增施化肥，也并不會增加果實全氮含量。Madsen的研究證實，果實成熟期施用1 000 μL/L CO2，果實全氮含量降低，可能原因是其施肥時期是在果實成熟期，促進了果實的生長，但植株供氮能力降低，轉移到果實的量也降低[24]。CO2濃度與氮肥能共同影響作物氮素的積累，此方面的研究已有很多[26]，但結論不盡相同，有研究指出CO2倍增，植物積累較多碳水化合物引起對氮素的稀釋，植物組織中的氮素含量減少[27]；增施CO2小麥含氮量增加，但并不影響玉米和水稻氮素含量[28]，CO2濃度對棉花吸氮量因氮肥供應水平而異[29]。這些研究說明不同物種對CO2濃度升高的適應性各異，且氮素水平影響增施CO2后各種植物的適應性反應。

增施CO2對番茄果實的磷含量并沒有明顯的影響，影響植株磷素吸收的原因主要有4個方面，一是光合作用的提升促進了根系的生長，增加礦質養分的吸收量[30]；二是果實產量提高造成稀釋作用，全磷含量下降；三是磷肥利用率低，易被土壤固定而難以被植物吸收；四是CO2濃度升高會增加植物對磷的吸收，緩解磷脅迫對植物造成的影響[31]。

相同施肥處理下，隨CO2濃度增高，植株鉀含量呈先增后減的趨勢，但相同CO2濃度下，隨化肥施入量的變化無明顯規律。Porter指出，增施CO2降低植物養分含量的原因是碳水化合物的積累對氮磷鉀的稀釋造成的[32]。綜上所述，增施CO2對番茄氮磷鉀含量的影響受諸多因素影響，但可以看出，在一定范圍內增施CO2有利于植物生長和養分吸收，提高產量和養分利用效率。

3.5 不同CO2濃度與番茄果實中礦質元素及品質的相關性

本試驗得出，在不施化肥條件下植物C供給與養分吸收及品質的相關性不顯著，可能原因是土壤本身養分含量限制植物的生長，對CO2濃度變化的響應小，隨著礦質養分的增加，C供給與養分和品質相關性增大，與P、K表現出顯著正相關，說明CO2濃度升高有利于番茄對礦質養分的利用，C與Vc表現出極顯著正相關，與糖呈顯著正相關，說明植物吸收的C參與了Vc和糖的合成[33]。但C與硝酸鹽并沒有表現出相關性，據此推測，CO2降低番茄硝酸鹽含量的主要原因是稀釋效應[32]。

4 結論

在溫室番茄種植中施用CO2氣肥，能顯著提高葉片葉綠素含量、番茄果實產量、可溶性糖及Vc含量和降低番茄果實硝酸鹽的積累，同時能促進植株氮磷鉀元素的吸收，提高礦質養分的利用效率。在CO2濃度為1 200 μL/L時，常規施肥處理下番茄產量和生物量最高，但可溶性糖含量、Vc含量降低，番茄果實的品質得不到保證；在CO2濃度為800 μL/L時，減施20%基肥處理下番茄生物量達到最高，可溶性糖含量、Vc含量也達到一個較高水平，因此，CO2濃度為800 μL/L時是增加番茄產量、提高果實品質并產生明顯節肥效應的最佳施用濃度。