（化学工艺专业论文）温室co2控释技术研究.pdf

温室c 0 2 控释技术研究摘要本文对温室c 0 2 状况进行了分析，提出了理想c 0 2 供气模式应分为两个阶段：起始阶段以很高速率供气，使温室内c 0 2 浓度迅速达到6 0 0 t 5 0 0 # m o l t o o l ，后续供气速率与作物光合作用耗气速率相吻合，维持作物生长的最佳c 0 2 浓度；同时综合分析作物光合作用、呼吸作用以及土壤c 0 2 产生率等相互关系，建立了温室内c 0 2 平衡模型和理想供气模型；并以番茄生产为例，对模型参数进行了编程计算，结果显示，起始阶段的c 0 2 释放率必须达到5 8 3 5 6 8 4 9 ，稳定供气速率应在9 8 0 1 5 2 0 m g c 0 2 m - 2 r a i n ，才能保证作物生长的最适c 0 2 浓度；在上述模型的指导下，以碳酸氢铵为基本原料，开发了c 0 2 控释技术，并对其施肥效果进行了评价，结果表明，该技术可使作物光合作用旺盛时段的温室c 0 2 浓度达到8 0 毗t o o l m o l o 以上，完全可以满足c 0 2施肥的要求：释放c 0 2 后的水溶液，再采用复配浓缩技术添加微量元素制备成营养型叶面肥料。关键词：温室；c 0 2 气肥；数学模型；控制释放；光合作用；叶面肥料t h es t u d yo nc o n t r o l l e dr e l e a s et e c h n o l o g yf o rc a r b o nd i o x i d ee n r i c h m e n ti ng r e e n h o u s ea b s t r a c ti nt h i sp a p e r ，r e s e a s h so nc o n t r o l l e dr e l e a s et e c h n o l o g yf o rc a r b o nd i o x i d ee n r i c h m e n ti ng r e e n h o u s eh a sb e e nc a r t i e do u t b yt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y i n g ，t h ec o n c l u t i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w s ：( 1 ) t h eo p t i m i z e dc 0 2e n r i c h m e n tt e c h n o l o g ys h o u l db ed i v i d e di n t ot w os t a g e st og oo n ：f i r s t l y ，c 0 2s h o u l eb es u p p l i e db yv e r yh e i g hs p e e d ，m a k et h ec 0 2d e n s i t yq u i c k l yr e a c h6 0 0 1 5 0 0 ”m o l 。m o l 一：t h el a t e rs p e e do fc 0 2f e e dw i t hc r o pp h o t o s y n t h e s i sc o n s u m es p e e dc o i n c i d e ，m a i n t a i nt h eb e s tc 0 2d e n s i t yo fc r o pg r o w t h ( ) a c c o r d i n gt oc r o pp h o t o s y n t h e s i s ，r e s p i r a t i o na sw e l la ss o i lc 0 2r e l e a s er a t e ，t h eo p t i m i z e dc 0 2s u p p l ym o d e la n dt h ec 0 2b a l a n c e dm o d e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dac o m p u t e rp r o g r a mw a sd e v e l o p e d w i t ht o m a t op r o d u c t i o na se x a m p l e ，p a r a m e t e r so fo p t i m i z e dc 0 2s u p p l yh a v eb e e nc a l c u l a t e d ，r e s u l ta st h ec 0 2r e l e a s er a t eo fi n i t i a ls t a g em u s tr e a c h5 8 3 5 6 8 4 9 t h es t a b i l i z es p e e dm u s tr e a c h9 8 0 1 5 2 0 m g c 0 2 m m i n ( 3 ) b a s e do na b o v es t u d i e s ，ac 0 2c o n t r o l l e dr e l e a s et e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e de m p l o y i n gb i c a r b o n a t ea m m o n i u m u s i n gr e l e a t e dm o d e lc a l c u l a t e d ，t h i st e c h n o l o g yp r o m o t e dc 0 2d e n s i t yt o8 0 0 k t m o l m o l m o r et h a n w h i c hc o m p l e t e l ys a t i s f yc 0 2r e q u i r e m e n to fc r o pp h o t o s y n t h e s i s ；( 4 ) u s i n gl i q u i df e r t i l i z e rp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ，w ec a l ld e v e l o pr e a c t i o nl i q u i di n t ot h ef o l i a rf e r t i l i z e r ，s or a i s en u t r i t i o ne l e m e n t s u t i l i z a t i o nr a t ea n df e r t i l i z e r se c o n o m i cb e b e f i i s k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e ；c 0 2e n r i c h m e n t ；m a t h e m a t i c sm o d e l ；c o n t r o l l e dr e l e a s ep h o t o s y n t h e s i s ；f o l i a rf e r t i l i z e r合肥工业大学本论爻经答辩委员会令体委员审奄确认符合合月巴j 一业火学硕卜论义质量要求。答辩委员会签名：( 工作单位、职称)主席：躲呷阂钟张 矢髻卅孔纸委员：面芝队钕2 芝欠唾目靛披)啼棚韧( 饿7 以等。旅蔽)群琢，f z 跏翟钞优等知授)趣文薹、【、哆心，呼国以一7沥跃研一独创性声明本人卢明所r 1 交的二忙沦文是本人住导帅指导p 进行的棚究j 作及所取得的研究战果。据我所知除了文中特 0 加以标注和致谢的地方外论文中小包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒壁： 些厶鲎或其他教育机构的学伊或吐书而使删过的材料v 与我一同 。作的同志对本研究所做的任何贡献均已往论文中作了明确的说明并表示感谢。制市论文作青孙a 。秘签字眦7 石雠n 罗- 口学位论文版权使用授权书本学位论史n 。者完全了解盒目! ：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有，之部门或机构送交论文的复印竹和磁盘允许论文被杏阅和借阅。本人授权盒罂工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 1 描等复印手段保存、编入学位论文。( 保密的学位论文在斛密j 亓适用本授权 5 )学位论文懈签名：务刁，钇铷签名签字日期：如。拜r 月7 。目却缀毯签字b 觌：可趣辱f 碍；ob电邮彬刁飞、，卜阂舭中垆吼万后、，她小毕!一褂兰论单地致谢感鲥我的导师韩效钊副教授，他不仅在学术上对我悉心指导，而且在生活上也关怀备至，我的每一分进步都离不7 r 他的心血。韩老师严谨的治学态度，勤奇的工作精神永远是我学习的榜样。导师独特的思维方式、对学术研究方向的准确把握和丰富的科研经验给我巨大的指导与帮助。并且，从韩老师身上学会了踏踏实实做人、老老实实做事的道理，这将对我以后的生活学习产生巨大的帮助。很高兴能在韩老师的指导下度过这三年的宝贵时光。感谢吴固荣老师，在整个资料文献查阅过程中给我提供了很多方便和帮助，并且，在实验过程中给我很多有益的建议，帮助我解决了很多难题。感谢陈敏老师，在整个实验过程中向我们提供了很多方便，特别在实验仪器和实验条件方上给予我很大的帮助。在课题研究过程中，还得到0 2 级研究生胡波同学的很大帮助，在此表示衷心的感谢。另外还要感谢9 9 、0 0 绂本科生张俊、王媛缓等人的帮助，本课题能够顺利完成，和他们的大力帮助是分不开的。另外，化学工艺系的其他老师也给予了一定的支持和帮助，在此并表示衷心的感谢!最后，感谢我的亲人和朋友们，正足他们的关爱与支持才使得我有了不断前进的动力。梁玉龙2 0 0 5 5主要符号说明t 时刻温室内c 0 2 浓度为土壤c 0 2 释放量为作物呼吸作用排放量为人工增施c 0 2 量为作物光合作用吸收量施肥浓度开始供气时温室内c 0 2 浓度大棚土地面积作物叶片总表面积作物栽培面积第i 层叶片面积温室体积上壤c 0 2 释放速率稳定供气速率土壤0 - 。c 时灼c 0 2 释放率c 0 2 气源供气速率作物暗呼吸速率植物群体总光合作用速率第i 层叶片净光合速率叶片最大c 0 2 同化率土壤温度作物叶片温度作物光合作用最适温度光照强度作物冠层顶部光照强度叶的光利用率叶的c 0 2 传导率叶面积指数供气超止时问起始阶段c 0 2 释放率百分浓度1 1 1m 0 1 m 3m o lm o lm 0 1t o o lp m o l m 一3p m o l m 一3m 2m 2m 2m 2m 3t 0 0 1 m - 2 s - im g c 0 2 m - 2 m i n 1m g c 0 2 g - 1 n h 4 h c 0 3 m i n 。1t 0 0 1 m - 2s 1t 0 0 1 s 。1m 0 1 m - 2 s - im 0 1 m - 2 s 一1m 0 1 m - 2s 一1i j 】0 1 m - 2s 一1_ o c9 co cj m s 一1j 。m s 一1t 0 0 1 j 。i n s lm 2 m 一2sg巳爿山都缸矿hh。弧弧讯风风一lr，“。，l如“，m质量浓度p溶液密度f 中叶光台的温度校i f 系数b温度订l f 参数k叶冠的消光系数m叶而倾斜角g l 一1go m l 1第一章前言1 1 温室种植业发展概况土地资源是农业生产的基本资源，然而，我国土地人均耕地只有0 1 1 2 公顷，仅占世界平均水平的1 3 ，我国人口正以0 1 4 4 亿年的速度增长，人均耕地的占有量每年则以o 0 0 1 6 3 公顷的速度减少。根据国际规定，耕地减少危险点是0 。0 5 3 3 公顷人。按照目前的状况，到2 0 1 0 年我国人均耕地占有量将降到o 0 5 1 4 公顷【“。而根据人口的惯性增长，到2 0 3 0 年我国人口将会达到增长高峰1 2 l ，届时我国人均耕地占有量将会更少。由此可见，我国的耕地资源形势非常严峻，要用日益减少的耕地养活日益增多的人口，有赖于提高土地单产，改变传统的种植方式。依靠科技进步，加强高新技术在农业生产中的应用是提高单产的有效方式。近年来，国内外已经普遍采用设施栽培，通过调节温室内光、温、水分、c 0 2 浓度等环境因素来达到优质高产目的。目前，世界温室种植面积3 9 7 9 万公顷占种植业总面积的8 4 7 ，其中皿洲地区3 3 7 0 1 万公顷占世界温室总l 面积的8 4 7 ，地中海地区3 9 5 万公顷，占3 1 7 ，北欧地区仅8 7 8 万公顷，占2 2 t 引。温室种植业最发达的荷兰，其温室种植面积1 1 万公顷，全部是玻璃温室，其世界玻璃温室总面积的1 4 ；其次美国为1 9 ) j - 公顷，主要是以玻璃温室和塑料薄膜温室为主1 4 1 ；欧盟十二国温室总面积6 2 万公顷，主要分布在意大利、西班牙、荷兰、法国、德国、英国和比利时；在亚洲地区，同本和韩国的温室种植业比较发达【5 】。我国现代化温室起步比较晚，2 0 0 0 年我国共有温室栽培面积3 0 万公顷，其中目光温室1 6 7 万公顷，塑料温室1 3 3 万公顷，现代化大型温室2 0 0 公顷，其巾7 0 是从国外引进的，人均占有的温室面积只相当于发达国家8 0 年代的水平，而且由于我国当前农业分散经营体制的要求，投资少、结构简单、实用和管理方便的1 亩左右的小温室占大多数1 6 】。因为地域气候等各方面的差异，以及栽培方式、管理、施肥等各种问题，引进的国外温室产量只桐当于国外同类温室的2 0 5 0 “。丌发与我因现状相适合的栽培、管理、施肥方式，将国外温室本土化并进行进一步的开发，是我囡温室产业的发展方向。目前在我国广泛丌展了温室配套智能管理系统软件的开发，竹水灌溉，科学栽种方式以及c 0 2 施肥等各方面的研究【”。在我国目前的耕作条件下，c 0 2 施肥将是提高温室生产能力的一种有效方式。1 2c 0 2 施肥概述植物体干物质的4 5 为碳元素，光合作用是碳素摄取的唯一方式【。而空气中的c 0 2 是植物碳素的唯一来源，在自然状态下，大气中的c 0 2 浓度约为3 0 0 z m 0 1 m o l ：而在高密度栽培的温室中，c 0 2 浓度更低，光合作用旺盛时段的c 0 2 浓度甚至低f1 0 0 弘m o l t t o o l 一，完全不能满足植物生长的需要【。实践表明，c o ，浓度已经成为f | 光温室进一步增产的最小因子。提高光照强烈、光合作用旺盛时段的c 0 2 浓度，即施用c 0 2 气肥可以大幅度提高植物光合作用速率【”】，从而取得显著的农艺效应。农业发达国家非常重视c 0 2 施肥，美国约有5 0 7 5 左右的温室作物进行c 0 2人工补给，荷兰9 0 以上的番茄、黄瓜、甜椒、草莓等作物使用c 0 2 气体肥料；而我国由于生产力水平和生产机制的限制，c o ：施肥尚未获得大力推广，目前尚处于起步阶段。1 2 1c 0 2 施肥的植物生理学依据绿色植物通过光合作用将c 0 2 转化成营养物质储存于体内，根据植物生理学，光合作用的整个过程可以用以下方程表示【“1 ：h 2 0 2 h i 十l 20 2a d p n a d + p i p + h _ 卜a t n a p d 蹦) 同化能力c 0 2 十n a d p h + a t p + h 2 0 斗c h 2 0 + n a d p + a d p + p i + h 2 0 + 昙0 2现代光合作用研究的成果表明：( 1 ) 在卡尔文循环中( 绝大多数蔬菜作物均属此c 3 途径) ，c 0 2 的接受体是r u d p ( 1 ，5 - 二磷酸核酮糖) 。r u d p 接受c 0 2 后，形成两摩尔的3 - 磷酸甘油酸( p g a ) ，p g a 利用光合电子传递链中所形成的同化力( 还原辅酶：n a d p h 及三磷酸腺酐：a t p ) ，在光和光合作用催化酶的作用下，经过一系列复杂的光化学反应及光合磷酸化，将c 0 2 同化为有机物质，并生成了新的r u d p ，从而完成光合碳循环 1 2 , 1 3 , 1 4 l 。由此可见，没有c 0 2 的固定、还原，就没有植物的光合作用和呼吸作用，也就没有绿色植物的生命史；( 2 ) r u d p 羧化酶是直接催化c 0 2 光合碳循环的酶，其活力的高低，常可作为植物光合能力大小的一个指标。7 0 年代以后，发现r u d p 具有双重催化功能：既能起羧化酶的作用，又能起加氧酶的作用。0 2 和c o ：就在该酶的相同或相邻部位竞争r u d p ，高浓度的c 0 2 及低浓度的0 2 有利于羧化反应，因而使光合作用加速；反之，低浓度的c 0 2 和高浓度的0 2 则会促进光呼吸1 1 4j ；( 3 ) 叶片表自i 的气孔，是宅气中c 0 2 通过叶肉细胞表面，再进入叶绿体内同化c 0 2 的酶系统进行光合作用的主要通道。山此叮见，人工增施c 0 2 ，提高| = 1 光温室内c 0 2 浓度，方面增大了叶片气孔内外的c 0 2 浓度梯度，使进入单位叶面积的c 0 2 通量埔大：另一方面也加大了叶绿体中c 0 2 对0 2 的比例，增强了r u d p 羧化酶的活性，抑制并减弱2了光呼吸，从而提高了作物的净l 司化率。这就是人工c 0 2 施肥所以能增产的主要机理。在近代农业生产水平还较低时，c 0 2 本身并术象水分、养分那样成为显著限制农作物生产力提高的因子，在相当长的一段时问未引起人们的足够重视。但足近二二三十年来，随着农业生产力日益提高，在高产群体中，特别是在密封的温室罩，当晴天光合作用旺盛时，作物光合作用与c 0 2 匮乏的矛盾，就尤为突出了i ”l 。1 2 2c 0 j 施肥的农艺效应分析1 2 2 1 加快作物生长，提前成熟期一般在增施c 0 2 气肥7 2 0 天之后，作物明显表现出叶片肥厚、植株高大粗壮、叶色浓绿、根部壮大等特点。如表1 1 所示【1 0 j 。在对花生的田间试验中，当c 0 2 浓度从3 0 0 , u m o l m o l 。增加到6 0 0 z m o l t o o l 。1 时，花生干物质重量、根部重量、主干高度分别增加6 5 8 5 、2 5 4 9 和1 2 0 8 l ”l 。在温室黄瓜试验中，黄瓜平均干重增加2 2 9 8 ，施肥期间平均日生产率增加4 3 2 7 ，全生育期生产增幅高达5 9 9 6 1 1 6 】。而且增施气肥以后，蔬菜的始花期、成熟期均比对照提前8 1 2 天，同时还提高了植株坐果率【1 7 】。表1 - 1 增施c o ：对黄瓜、幽葫芦k 势及产量的影响f茎高叶片k第一雌花节平均单株采平均单果重项日处理叶色( c l n )势位( 节)果数( 个)( g )c 0 23 2 1深肥人3 47 82 1 1 5黄瓜c k2 9 5浅瘦小3 76 41 9 6 9c 0 21 5 8深绿肥人5 47 35 9 3 7阿葫芦c k1 0 8浅绿瘦小5 24 95 3 8 01 2 2 2 减少农药用量，改善果实品质如表1 - 1 所示，增施c 0 2 气肥后，植株和果实变得更加壮实，大大增强了抗病能力。降低了白粉病、霜霉病等病害的发病率，减少农药用量5 0 左右，并且作物光合作用得以顺畅进行，大大减少了畸形果的数量，产品外形整齐美观。据北京蔬菜中心检测表明，蔬菜的维生素、糖份、干物质的营养含量也有显著的提高1 1 。另外，当提高c 0 2 浓度时，可使番茄果实中葡萄糖含量增加7 4 1 9 0 ，果糖含量增加6 3 1 4 4 ；当c 0 2 浓度为8 0 0 和1 0 0 0 z m 0 1 m o l o时，测得黄瓜果实中维生素含量增加7 o f f u6 1 ，糖含量均提高1 1 0 1 1 9 i 。1 2 2 3 增产增收，提高经济效益向各种蔬菜增施c 0 2 气肥均i t j 提高蔬菜产量，达到增产增收的目的。当c 0 2浓度从3 5 q “m o l - m o l 。增至7 0 叽m o l m o l 1 时，可使黄瓜增产2 2 8 ，辣椒增产4 4 8 ，芹菜增产1 8 4 i ”】。而据山东农科院统计，在山东各地使用c 0 2 气肥的田l 、日j ，、f 均增产幅度达到1 2 0 6 5 0 0 8 1 2 0 i 。近几年河南各地的试验表明，每天卜午一次性增施c o ：，使温窄内c 0 2 浓度达到7 0 01 0 0 0 # m o l t o o l 。1 时，产量可增加1 8 4 5 6 0 ，甲均增产3 0 以上，投入产出比为t ：8 至1 ：1 7 如表1 2 所示【10 1 。很明显，在刚光、水分和气他养分充足的情况下，增施c 0 2 气肥有利于作物的高产。而且，由于果实成熟早，提前占领市场，果实品质好，营养物质丰富，产品美观大方，相应经济效益得到很大提高。表1 2日光温室内人1 增施c 0 2 对作物产量的影i l 向1 2 3 人工增施c 0 2 适岿：方法探讨1 2 3 1 人工增施c 0 2 适宜时闽温室是一相对密 1 1 体系，在夜间无光照条件下，作物光合作用停止，土壤微生物呼吸和有机质的分解，以及作物本身的呼吸作用释放出大量的c 0 2 ，日出前c 0 2 浓度可以达到8 0 0 9 0 吮m o l - m o l ，日出以后，作物光合作用迅速增强，c 0 2 浓度很快降至2 5 0 , u m o l m o l o 左右，在r 出后的2 o 2 5 小时内，如果没有通风换气，c 0 2 浓度甚至低到l o o u m o i t o o l 。1 左右。当c 0 2 浓度低于8 叭m o l m o l 1 时，光合作用速率只有3 0 叫m o l m o l 。1 时的2 5 3 0 ，严重影响作物的生长和发育【“】，如图1 - 1 所示。一般f l 出以后1 o 1 5 h 至2 o 2 5 h 这段时间是温室内c 0 2 最匮乏阶段，而且这段时间是作物光合作用的主要时期，作物生长的大多数营养物质在此时段合成( 图1 2 所示 2 2 】) 人工增施气肥应在这段时m 进行。，lo拿石吕3赵避du时间( h )图1 - 1 日光温室中c 0 2 浓度变化时间( h )邕1 - 2 温室内黄瓜叶片光台作用日变化1 2 3 2c 0 2 施肥的适宜浓度根据植物的光合作用机理，蔬菜作物叶片光合速率的强弱，主要取决于叶面上所接收的光合有效辐射( p a r ) 强度和叶片周围c 0 2 浓度。研究表明：c 3 植物( 大多数蔬菜属于此类植物) c 0 2 饱和点大多在8 0 01 8 0 0 m m o l - t o o l 。之间，补偿点在3 0 1 0 0 “t 0 0 1 m o l 。之间【2 3t 2 4 ，2 5 1 。一定的光强和温度下，在蔬菜作物的c 0 2 补偿点和饱和点之f 刚，其光合速率随环境c 0 2 浓度的增高而升高，在低浓度下，升高很快；当c o ：浓度再增高时，光合速率反应曲线的升高则渐趋平缓，直至达到饱和点之后某个范围内，光合速率不再c 0 2 浓度的增加而升高【1 3 ，2 6 1 ，如图1 - 3 1 1 0 l 。：0毒鲁s蹲捌，n -掣6 j c m s - 1 ) 曲线( 2 0 7 6 2 2 ) x 1 0 。6幽1 3c 0 2 浓度和光合作川速率的关系浓度太高或太低均不利于光合作用的进行。并且植物长期处于c 0 2 高浓度反而会抑制植物生长发育，降低产量【2 ”。目| ； ，多数学者认为，温室蔬菜生长和产量形成的环境c 0 2 适宜浓度为6 0 01 5 0 0 u m o l m o l 2 3 , 2 4 , 2 5 1 。从生产实践角度，要达到增产、降低成本，并且防止过高浓度c 0 2 对作物的毒害，人工增施c 0 2 的浓度上限应在作物c 0 2 饱和点之下，一般以1 0 0 0 f l m o l t o o l 一1 为宜【2 引。1 2 4 国内外c 0 2 施肥技术现状自从1 8 0 4 年s a u s s u r e 首次证明c 0 2 施肥效果以来，各国农业科学家对c 0 2的开发和利用进行了深入的研究。2 0 世纪6 0 年代中期，欧美一些国家已形成相对完善的c 0 2 供给方法。我国中科院北京植物研究所就c 0 2 浓度倍增对一些禾木科植物、草本植物、木本植物的生长影响做过一系列的基础理论研究，结果证明c 0 2 浓度倍增能有效提高叶绿素对光能的吸收利用能力，促进叶绿体高效的把光能转化为生物化学能，供碳同化所用，加速有机物质的生成和积累，从而为c 0 2 施肥提供了理论依据【2 8 】，在此后的三四十年里，我国对c 0 2 施肥技术也进行了相关研究。目前，国内外主要的c 0 2 施肥技术有以下几种：1 2 4 1 大规模管道供气法【2 9 l在温室内架设管道，将c 0 2 气体从气源导入温室内。该法优点是操作方便，供气均匀，易于调控：缺点是设备庞大，机动性能差，需要专门的气源，并需专人操作，成本高，只能用于大规模的温室生产区，此法主要在欧美一些大农场使用较多。1 2 4 2 液体c 0 2 施肥法1 3 0 】将气体c 0 2 加压储存于钢瓶内，使用时用橡胶管将气体导出。施肥压力一般控制在( 9 8 1 1 8 ) x 0 5 p a ，根据蔬菜栽培规模计算c 0 2 补充量，每天施肥6 1 2 r a i n 即可。该法优点是使用简单易行，施肥浓度易控制，机动性好，气体扩散均匀；缺点是所用气体一般是化工厂副产品，气体纯度不商，一次性投资大，而且只能用于少数城郊和气源充足的地方，在我国广大农村难以获得大规模推广。1 2 4 3 固体c 0 2 旌肥法1 2 9j即利用固体c 0 2 ( 干冰) 受热易挥发的性质来进行c 0 2 施肥。早在1 9 6 0 年，美国在玉米田间试验，每隔0 7 6 米( 2 5 英寸) 施下o 4 5 k g ( 1 磅) 于冰可使玉米增产3 3 以上。此法优点是操作简便，用量易控制，气体纯度高，施肥均匀；缺点是干冰要在低温条件下储存运输，费用较高，并且干冰对人体有害，不安全。该法主要用于苗床内补充c 0 2 育苗。1 2 4 4 电解碳酸盐法】利用电化学中的电解原理，将可溶性碳酸盐电解释放c 0 2 。该法优点是气体纯度高，产气量大，无污染，气量可控制；缺点是能耗高，基础设施建设成本高，设备投资高，安全性不好，技术含量高，对使用者的知识水平要求高。目前主要发达国家专门安装配备在保护地使j j ，在我国尚不能大规模推广。1 2 ，4 5 生物酵解法l ”j利刷微生物分解生物体产生c 0 2 ，常用厩肥、生物残体施入地表以f3 4 c m ，在微生物的作用下发酵释放c 0 2 。该法优点是不需要设备投资，原材料廉价易得，不需要专人操作看管，气体施肥和根部施肥同时进行，供气时间长；缺点是劳动强度大，气体产生速度慢，气量雉以控制，占地多，2 体不纯，通常伴有n o 、n o z 、n h 3 ，h 2 s 。s 0 2 等有害气体，对环境和植物生长造成危害，原材料需求量大。该法只能用于大的牧场和养殖场附近的温室。1 2 4 6 燃烧施肥法即通过燃烧含碳有机物来生产c 0 2 ，可以分为：1 、燃烧酒精、柴油、汽油、天然气、沼气、液化气等气体燃料生产c 0 2 1 3 1 】：2 、燃烧木炭、煤炭产生c 0 2 f ”】。方法l 生产的c 0 2 通过带小孔的塑料管输入田间，该法优点是启动性好，供气量大，操作方便，气体释放均匀；缺点是能耗高，基础设施投资大，成本高、气量不易控制，生成的气体不纯，需要经过净化处理才能使用，一般在有廉价燃料或靠近天然气的田问比较实用。发达国家使用该法较多，我国只有在燃料资源较丰富的地区使用。方法2 通过普通煤炉燃烧煤炭产生c 0 2 ，再经过净化之后用于温室旌肥。其优点是设备简单，原材料廉价易得，操作方便，广普性好、产气效率高；缺点是气体不纯，需要专人看管，安全性不好，煤不完全燃烧产生的c o 对植物有剧毒，气体释放不均匀，浓度难以控制。在我国农村地区也有燃烧麦秸杆产生气体的习惯，但这种方法产生的气体杂质太多，不宜使用。1 2 4 7 化学反应法p 2 j利用碳铵与硫酸反应产生c 0 2 ，其优点是可控性好，可根掘植物生长需求适时调控c 0 2 量，并且操作简单，只需要按比例将碳铵和硫酸分剐加入反应桶和储酸桶即可，产生的气体用带孔的塑料管疏散到温室内各处进行施肥，供气速度较快，气体纯度高，原材料易解决。缺点是所需仪器庞大，必须固定在棚中央，机动性不好，如果用简单设备，安全性不好，将浓硫酸稀释成稀硫酸是一个危险的过程，并且产气速度过快，供气时问短，每日需要多次施肥，劳动强度大，硫酸过渡氧化会产生对植物有害的n h 3 气体，因而未得到广泛应用。但用固体硫酸和碳铰反应效果相对好一些m l 。以糠醛渣做酸载体，与浓硫酸压模成形，与碳铵按比例装入塑料袋即成产品，使用时将其投入水中反应即可，然而仍未克服产气速度过快，可控性差，c 0 2 利用率低的缺点，并且使用糠醛渣使得成本提高。1 2 4 ，8 颗粒c 0 2 气肥供气法i j 4 1将碳酸盐和硫酸盐、磷酸盐、稀上原料、粘结剂及相应养分粉碎混合造粒，然后将产品表施或浅埋地下就可以缓慢释放c 0 2 。该法优点是操作方便，安全性好，广普性好，肥效期沃，投资较省，使用方法简单；缺点是气体产生速度过慢，气体浓度难以控制，不能保证植物的最佳光合浓度，而且气体释放率较低。此法是我国所独创的c 0 2 施肥方式，符合我圈农业的实际应用条件，但在气体控制释放方面有较大缺陷。1 2 4 9c 0 2 喷旋法将c 0 2 气体溶解于含有c 0 2 增溶剂的水中，使用时将溶液间歇性的喷洒到植株上，使c 0 2 从溶液中释放出来，满足植物光合作用的需要。此法不仅适用于温室内c 0 2 气体的供给，也适合于露天大舀作物补充c 0 2 。但由予成本高、劳动量大，目前仅在国外有小规模的使用i l 。而国内做法是用密封的桶体做喷雾器，桶内安装一储液罐储存硫酸，使硫酸与碳钱连续反应，产生的c 0 2 气体通过一输气管喷洒到植株表面i ”】。优点是机动性好，适时控制性好，可以根据作物需要改变c 0 2 浓度；缺点是桶体密封不易做到，劳动量大，不适于大嗣施肥，并且使用浓硫酸操作比较危险，因此未得至4 广泛使用。1 2 4 1 0 温室配套c 0 2 智能增补系统农业发达国家研制了c 0 2 计算机自动控制系统，建立了用于温室栽培的c 0 2 施肥最佳动态模型。根据安装在温室内的c 0 2 浓度传感器反馈或根据时间来进行浓度调节，使c 0 2 浓度保持在最佳水平，提高群体生产能力 3 6 , 3 7 。为使c 0 2 浓度分布均匀，温室内一般安装通风机，加速温室内气体的对流。这种方法适时控制性好，能很好调节c 0 2 浓度，使之保持在晟佳浓度水平，而且操作方便、快捷，在国外获得大规模使用。但是这种设备造价非常昂贵，而且是大型设备，只能用于大型的温室生产基地，目前尚难在我国大规模推广。1 2 5c 0 2 施肥技术发展方向一天中只有光合旺盛时段会发生c 0 2 匮乏，其他时问并不需要供给c 0 2 。可见，只有控制性地补充c 0 2 爿能保证良好的施肥效果，然而传统施肥方式很难达到这一要求，如图1 - 4 所示【2 “。1 2 0 0呈9 。量囊s 。g3 0 01 21 62 02 44r时间( h )圈1 4 传统施肥温室内c 0 2 浓度日变化其根本原因是缺乏对温室内小气候环境系统的研究，不能为c 0 2 施肥提供理论依掘，因此，对于c o ! 施肥的研究应该注意以下几点 3 8 1 ：( 1 ) 加强温室内部空气小环境研究，为c 0 2 气肥科学使用寻求理论依据。温室中c 0 2 浓度是施肥效果判断的唯一依据，国外温室大多配备温室c 0 2 智能反馈系统，可以适时的监控温室内的c 0 2 浓度。但是，由于地域、气候，耕作模式等差异以及经济效益各种因素，国外温室智能控制系统难以在我国获得推广使用。以我国目前的情况，通过建立数学模型对温室c 0 2 环境进行模拟，根据模拟结采迸行施肥将是种切实可行的方法。( 2 1 设计理想供气模式。c 0 2 施肥过程包括3 个步骤：第一步是气源( 或供气点) 产生c 0 2 ；第二步是c 0 2 在空气中扩散至植物叶面；第三步是c 0 2 在植物叶面上发生光合作用。由于c 0 2 在空气中扩散速率比植物光合作用速率快的多，所以理想的供气模式是开始时供气速率很快，在很短时间内使温室内c 0 2 浓度达到1 0 0 0 p m o l t o o l 1 左右，后续供气速率与光合耗气速率相吻合，爿+ 能使温室中c 0 2浓度大致保持恒定。有效供气时间持续2 3 小时。气源( 或供气点) 之阳j 的距离取决于c 0 2 在温室中的扩散速率。( 3 ) 坚持经济效益、环境效益相结合。评价一项技术措施实施效果，经济效益固然非常重要，然而更要注意可能带来的环境污染等负面影响。c 0 2 气体肥料一般都用化学反应的方法产生，因此，不仅要考虑旖肥中尽量避免过量c 0 2 排入大气：同时也要考虑反应其它产物的综合利用，提高经济效益。1 3 本课题的研究内容针对我国温室生产和发展现状，研究温室施肥理论，开发适合我国国情的c o z 施肥技术具有重要的意义。基于上述讨论，本课题主要研究以下内容：( 1 ) 研究温室中c 0 2 的供需关系，建立c 0 2 平衡模型，确定理想的气体趣肥模型；( 2 ) 依据气体施肥模型，开发碳酸氢铵控制释放c 0 2 气体施肥技术，并对其施肥效果进行评价；( 3 ) 利用本实验室开发的复配浓缩技术和表面润湿技术，将反应液开发成营养型叶面肥料，提高经济效益。9第二章温室c 0 2 相关模型的建立与计算温室是一复杂的环境体系，在作物栽培过程中，光照强度、。e 温、湿度、肥料养分、土壤水分以及窄气c 0 2 浓度等诸多因素都对作物牛长有影响，而且，在作物不同生长发育阶段、不同季节，各因素均随时发生变化。我国目前状况足：七壤养份比较充足；滴灌技术已开始普遍推广，水分含量有保证；温室气温普遍通过煤炉或电炉加热补充热量，能够进行相关调书；湿度和光合作用相关性较弱，尚未引起广泛关注；采用人工光源补充温室光照强度来提高温室生产能力，在我国尚未有相关报道。通过提高c 0 2 浓度提高温室生产能力，相对而言控制性好，是目前研究的主流。因而，系统的研究温室中c 0 2 小环境，对c 0 2 施肥技术的研究和推广有着极为重要的意义。2 1 温室内c 0 2 浓度变化状况分析在不通风条件下，塑料温室可看作一封闭体系，温室内c o z 浓度决定于植物呼吸作用释放量、土壤微生物的酵解释放量以及作物光合作用消耗量，根据质量守恒原理，温室中的浓度如下式表示：a c q ) v2q o ) + q ( d ) + q ( v ) 一q )( 2 - 1 )式中，a c ( ) 为t 时刻温室内c 0 2 浓度变化量，q 为土壤c 0 2 释放量，q ( 由为作物呼吸作用排放量，q ( 。) 为人工增施c 0 2 量，q 加) 为作物光合作用吸收量。在夜i n j 无光照条件下，光合作用消耗量为零，作物暗呼吸作用旺盛，在凌晨日出前，作物呼吸作用排放和土壤c 0 2 释放使温室内c 0 2 浓度可以达到5 0 0 9 0 叽m o l m o l ；日出之后，随着光照强度增加，光合作用速率迅速提高，温室内c 0 2 浓度很快降低，在光照强烈，光合作用旺盛时段，c 0 2 浓度甚至降至1 0 0 , u m o l m o l 。1 以下，严重影响光合作用进程【1 0 】；十壤c 0 2 酵解速率与土壤肥力条件、上壤温度、土壤微生物含量、土壤水分含量等因素有关。2 2 温室内c 0 2 平衡模型对( 2 - 1 ) 式微分，则f 时刻温室内c 0 2 浓度平衡方程为：矿盟d q ( 4 一+ d q ( a ) + 一d q ( 4 一一d q ( p )( 2 2 )d td td td td t通常情况f ，可以测得上壤c 0 2 释放速率、。i 源供气速率，植物呼吸作用释放速率以及植物光合作用速率，因此方程可以表达如下；d c ，、壬生v = 爿+ r 。+ r d 4 d 一只a p( 2 - 3 )“li ：式中，c 为f 时刻温室内c 0 2 浓度，t o o l 1 t i ；v 为温室体积，m 3 ；r s 为士1 0壤c 0 2 释放速率，m 0 1 m - 2 s ；爿为温室_ 十地面积，m 2 ；r 。为c 0 2 气源供气速率，m 0 1 s ：a d 为作物叶片总表由j 积，m 2 ；r d 为植物呼吸速率t o o l ，m - 2 s 一；爿p 为作物栽培面积，i n 2 ；p 。为植物群体总光合作用速率，m o l m - 2 s 。上式中光合作用速率和呼吸作用速率之差为植物叶片的尽光合速率，而且实际情况下，叶片净光台速率只更容易测得，因此，模型也i 叮表达为：等y = 叫城一；| ；刊一。( 2 - 3 - 1 )式e o p c l 为第f 层叶片净光合速率，t o o l m - 2 s 。；a d f 为第i 层叶片面积，i t l 2 。土壤c o ：酵解速率随土温、水分含量及有机物含量等不同而变化。在计算巾，如果不知道具体的土壤c 0 2 释放率，可以认为只和土温有关，按m o n t e i h 等 1 3 1 的经验公式计算：王= f 0 1x 3 ”( 2 - 4 )式中 。o ，为土壤0 - o c 时的c 0 2 释放率，m o l m - 2 s ；t s 为土壤温度，。c 。山于供肥期较短，可以认为影响光合作用的内部因素不随时间而变化，且水分、各种养分供应充足，光合速率只受室内光、温及c 0 2 浓度的影响。群体总光合作用速率采用以下数学模型1 3 9 】：只一等h 髂舞岩( 2 - 5 - 1 ，只。，2 r + c ，( 丁)( 2 5 2 )f ( 丁) ：2 ( r + b ) 2 ( t m a x + b ) 了2 - ( t + 一b ) 4( m a x + b ) 佗5 3 1式中e 为叶的光利用率，m o l j ：尺d 为作物暗呼吸速率，t o o l - i n - 2s ；p 。；为叶片最大c 0 2 同化率，t o o l m - s ；，( t ) 为单叶光合的温度校正系数；，咒。；分别为作物叶片温度和作物光合作用最适温度，。c ；b 为温度订正参数：t 为叶的c 0 2 传导率，m s ；，为光照强度，j m - 2 s 。根据b e e r 2 式【4 0j ：，= l o e 一址及k = c o s ( 0( 2 - 6 )o 为作物冠层顶部光照强度，j m - 2 s 一；t 叶冠的消光系数；l 叶面积指数，m 2 m 一：m 为叶面倾斜角。国内普遍将叶片净光合速率表达为棚温、c 0 2 浓度、光照强度的线性函数1 9 i ，计算中可采用模型( 2 3 1 ) 。2 3c 0 2 施肥技术模型根据温室内c 0 2 变化状况和作物光合作用规律分析，c 0 2 施肥成分为施肥起始阶段和施肥稳定阶段，对应c 0 2 施用量为和n 2 。c 0 2 的总需求量( ) 为起始阶段的需求量( j ) 和稳定阶段供气量( 2 ) 之和。n i = v ( g c a ) 1 0 4( 2 7 )式中，v 为温室容积，i l l 3 ；c s 为施肥浓度，, u m o l - i t l ；c a 为丌始供i 时温室内c 0 2 浓度，# t o o l m 。根据式( 2 - 3 ) ，温室c 0 2 浓度为时间的函数，在没有c 0 2 施肥时，方程( 2 - 3 ) 描述的是自然状况下温室中c 0 2 变化状况，即：警v = r a + r a a a - 聃s ，确定起始供气时间，此时温宅内c o z 浓度即为开始供气时c 0 2 浓度o ，带入( 2 - 7 ) ，可以计算起始阶段c 0 2 需求量i 。稳定阶段供气量( 2 ) 根据作物光合作用消耗计算，稳定供气阶段，认为温室内c o z 浓度随时删变化为零，所以：v d c ( ，) a ( 4 + r ，+ r d a d 一只爿p ) d r0 = ( 一+ r + r d a d 一a ，)z = j ：彤d t f ( 只4 一一一r 一心) u t ( 2 - 9 )t 口，tj 为稳定施肥阶段起止时问，s ；稳定供气时，r ，视为不随时间变化，所以：22j ：2 r p d t ；r v a t 即：尺p ；j v 2 a t( 2 _ l o )将r ，换算为单位土地面积每分钟的c 0 2 供给速率，。有：l = r 。a ( m o l c 0 2 i r l - 2 $ 1 )= 7 3 3 5 x r 。a ( m g c 0 2 m - 2 m i n l )( 2 1 1 )f 为稳定供气时问，s 。要使温室内c 0 2 达到某一浓度，起始供气阶段c 0 2释放比率为：，= m ( n i + n 2 ) 1 0 0 ( 2 1 2 )如果以碳铵为基料进行供气，则供气所需纯碳铵质量：m m 。f ，c q = ( n 1 + n z ) x 7 9 a( 2 - 1 3 )a 为碳铵中c 0 2 的释放率，则单位质量碳铵的c 0 2 释放速率：0 = r 。m n h 。m 岛( m o l c o _ 2 g - j n h 4 h c 0 3 s 一1 )= 7 3 3 5 x r ，m , v n 。w o ，( m g c 0 2 9 1 n h 4 h c o y m i n 1 )( 2 14 )2 4c o ：平衡模型参数确定所建模型中，光_ 镘强度，o 、土壤温度疋、棚温丁均随时n u ，变化，根据相关文献，采集数据，最小二乘法拟合冠层光合有效辐射 2 2 1 , 地温随时间的变化曲线【4 l 】以及棚温变化曲线1 2 引。h , t f s l ( 时)891 01 11 21 31 41 51 61 7iw m 21 4 73 2 43 8 65 8 55 8 96 4 05 】o3 0 81 3 73 8lu m o lrm - 2 s 46 7 6 21 4 9 0 4】7 7 5 62 6 9 1 。2 7 0 9 42 9 4 42 3 4 61 4 1 6 86 3 0 21 7 4 8因此，冠层光合有效辐射，o 对应方程为：i o ( 1 0 2 ) = 7 7 8 9 2 4 8 2 9 3 3 4 7 2 t + 3 9 7 4 2 4 t 2 - - 2 2 5 5 3 6 户+ 0 0 4 5 5 5