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温室植物生长所需的CO2的补偿方法研究

时间:2016-12-23 09:23 点击:
【摘要】针对春冬季节温室内CO2浓度低下的问题,采用风送式CO2气体补偿装置,调控温室环境CO2浓度,提高光合作用速率。以补偿时间为输入量,补偿效果和补偿速率为输出量,建立补偿时间和补偿量的线性关系,通过定时定压的多次少量施放,超过上限停施的方式向

  【摘要】针对春冬季节温室内CO2浓度低下的问题,采用风送式CO2气体补偿装置,调控温室环境CO2浓度,提高光合作用速率。以补偿时间为输入量,补偿效果和补偿速率为输出量,建立补偿时间和补偿量的线性关系,通过定时定压的“多次少量施放,超过上限停施”的方式向温室补充CO2,调控温室环境中的CO2含量,以达到精确补偿的效果。结果表明,向温室一次补偿5 min的CO2气体,室内CO2平均浓度在15 min内由205 μmol/mol达到540 μmol/mol,间歇补偿3次,室内CO2平均浓度在45 min内由205 μmol/mol达到1200 μmol/mol。说明补偿时间与其补偿量呈线性关系,标准偏差在0~3.03%范围内,实现了温室CO2快速精确补偿的功能。 毕业论文格式

  温室各项环境因子共同影响着温室植物的生长发育,其中CO2是植物光合作用必不可少的原料。CO2浓度不仅直接影响植物光合作用速率,对植物生长有很重要的影响,还能修复土壤中DEHP污染[1],促进植物健康生长。温室种植的植物绝大部分都是C3植物,C3植物的酶不像C4植物的酶有很强的亲和力[2],能将大气中低浓度的CO2固定下来,所以C3植物的光合作用速率易受CO2浓度影响。在目前大气CO2浓度下,包括在温室环境中,CO2的平均浓度为340 μmol/mol,这个数值没有达到植物光合作用的饱和点,所以植物光合作用不充分,具体表现为产量低、质量低。围绕这些问题,大量研究学者提出了很多关于温室和塑料大棚里的CO2浓度变化规律的研究[3-4],提出了一些低补偿办法,主要有开放式气体施肥、枝条树袋法等。 

  温室CO2的补偿一直是研究领域的热点,但研究的重点主要在CO2对作物生长发育的影响[5],对根系生发的影响[6-7],关于预测和计算补偿到达浓度值和保持时间的研究相对较少。本试验在春季温室CO2浓度较低的时候开始试验,最终确定了补偿时间和补偿量的线性关系,为温室CO2的精确补偿提供了理论基础。 

  温室内CO2浓度的变化分析植物光合作用效率与CO2浓度密切相关,CO2浓度与植物生长的关系呈倒U型,如图1所示,在CO2浓度为0~200 μmol/mol时,植物停止呼吸,在浓度超过1800 μmol/mol时,视为“有毒浓度”[8]。植物在340 μmol/mol的CO2浓度下能以正常(设为100%)速率生长,当温室中CO2浓度达到600 μmol/mol时,植物的生长速率是正常生长速率的2倍(200%),当浓度到达1200 μmol/mol时,植物的生长速率到达峰值(260%),随后生长速率随CO2浓度的上升而下降。 

  不同植物最适合的CO2生长浓度各不相同,实际情况中对最适合CO2浓度难以把握,查阅相关研究可知:最适合多种植物生长的CO2浓度通常为600~1800 μmol/mol 。虽然在1200~1800 μmol/mol范围内,植物的生长速率也达到了正常生长速率的200%以上,但出于经济效率和成本的考虑,本试验将CO2浓度补偿上限设为1200 μmol/mol。 

  受季节和环境的影响,一年之中3~6月份大气中CO2浓度最低[9],此时又是植物生长的高峰期,植物光合作用需要消耗较多的CO2,而大气中CO2浓度一般为330~340 μmol/mol,此时仅仅依靠大气中的CO2含量来提高温室CO2浓度是不够的。因此在必要时,需通过补偿措施来调控温室CO2的浓度[10]。 

  试验时间选择在4月份,为了制定适宜的补偿方案,本文记录了2015年4月1日~15日温室里CO2浓度日变化的数据,算出各时刻的平均值绘制成折线图2。 

  在一天之内,11:30~18:00时CO2浓度低于大气中的一般水平,而此时温度高、光照强,正值植物进行光合作用的好时段,如果CO2浓度再降低,将会导致植物不能正常进行光合作用,影响植物生长,甚至导致植物烧伤,因此本试验选择在该时段进行温室CO2气体的补偿。 

  材料与方法 

  材料 

  试验选择在2015年4月,于江苏省南京农业大学工学院Venlo 玻璃温室中进行,该Venlo 型玻璃温室为钢架砖墙结构,长度16 m,宽度8 m。试验所种植的植物是辣椒,采用基质栽培。试验内容为在CO2浓度呈亏缺状态时,用风送式CO2气体补偿装置补充CO2,为植物生长提供充足的CO2。风送式CO2气体补偿装置如图3所示,是由风扇和CO2钢瓶组成,开启控制开关即可向温室补充CO2气体。 

  温室内传感器分布图如图4所示,D与F、E、G位置对称,每对点中选择一点测量即可,所以最终选择A、B、C、D、G作为测量点,然后在测试位置分别安装CO2传感器。试验期间采集参数包括:各测试点CO2浓度的变化、风扇调节下CO2浓度到达均匀分布的时间、CO2浓度到达上限的补偿时间和补偿的次数。 

  方法 

  试验前读取室内CO2的浓度,每次试验选择室内CO2的浓度与平均浓度接近的时候开始。当温室CO2的平均浓度低于系统所设定的下限210 μmol/mol 

  时,开始进行CO2的补偿。为了探究补偿时间和补偿量的关系,分别进行不同时间的CO2补偿,观察其浓度变化与补偿时间的关系。然后建立补偿时间和补偿量的线性关系,根据需要补偿的量有效预测补偿CO2气体的时间,最终选择适合的补偿方法。 

  试验过程与分析 

  时间与补偿效果的关系 

  试验分别选择了4月16日、18日、20日、22日、24日、26日的12:00~14:00进行CO2补偿。为了尽可能的减少试验误差,降低温室内CO2气体的流失,试验过程中需要保持温室门和天窗关闭。 

  选取接近开始浓度的条件下进行试验,试验分别进行 

  1、2、3、4、5、6、7、8 min的CO2气体补偿操作。从试验开始起,每15 s读取一次各传感器的CO2浓度示数,并进行记录,共记录15 min,从5 个CO2传感器获得平均最高浓度、平均稳定浓度、开始浓度与稳定浓度的差值,结果列于表1。由表1可知,CO2的平均浓度由初始浓度开始分别上升。根据以上试验数据画出CO2平均浓度示数变化,如图5所示。求出补偿时间和补偿量之间的拟合方程为y=65.033x+5.8667,决定系数为0.9996。 

  试验前测得室内平均CO2浓度为205 μmol/mol,要补偿到上限1200 μmol/mol,通过拟合公式计算出补偿时间为13.825 min。若进行一次大量的补偿,则CO2的浓度会急剧增高,到达“有毒浓度”范围,并维持较长时间,反而会抑制植物生长。因此,本试验采取的是“多次少量”的补偿方式,既可以及时观察CO2到达的浓度,又方便操作。考虑到补偿过程中植物仍然在吸收CO2气体,CO2气体浓度会降低,所以本试验最终选择“1次补偿为5 min,补偿3 次”的方案进行温室CO2的补偿。 

  补偿速率与时间的关系 

  选取补充5 min CO2后的浓度变化来研究补偿速率与补偿时间的关系。分别选取15、30、45、60 s为时间间隔,建立不同时间尺度下CO2平均浓度变化速率和补偿时间的关系,如图6所示。由图6可知,刚开始补充CO2的时候,补偿速率由0 μmol/(mol·s)急剧上升达到1.09 μmol/(mol·s),之后补偿速率便呈缓慢上升趋势,保持在1.13 μmol/(mol·s)。当停止补充CO2时,室内CO2平均浓度还在继续增加,只是增长变得缓慢,所以补偿速率呈下降趋势,但补偿速率仍然大于0 μmol/(mol·s)。在6.5 min后,室内CO2平均浓度达到最高值后,室内CO2平均浓度从最高值一直降低,增长速率便逐渐下降到负值,等CO2平均浓度慢慢趋于稳定值时,速率恢复到0 μmol/(mol·s)。所以补偿CO2时,温室中的CO2浓度会急剧增高到最高值,然后才缓慢的下降,直至趋于稳定浓度。 

  试验与分析 

  第一次补偿5 min后,温室内5个不同位置的CO2传感器示数的变化如图7所示,可看出风送式CO2气肥补施装置的补施效果。传感器A、B、C都位于装置正前方,但距离逐渐变大,A距装置最近,对CO2浓度变化的感知能力最强,到5 min补偿结束时达到该点的浓度最高值750 μmol/mol左右,随后又逐渐降到稳定值540 μmol/mol左右,浓度变化差值最大,所以到达稳定值的时间不是最短的。而传感器D、G不在装置的正前方且距离较远,系统启动后,CO2浓度一直平缓上升,到达稳定值的时间较长。单次补偿5 min后,A、B、C、D、G点 CO2浓度达到稳定值的平均时间依次约为11、10.5、10、10.8、11.5 min。可见温室内各点达到稳定浓度的时间并不一致,该装置基本能在12 min内保证温室内不同的各点处的CO2浓度分布达到均匀。因此本试验设置两次补偿间隔为15 min。一次5 min的CO2气体补偿后,温室内CO2的平均浓度由补偿前的205 μmol/mol上升到稳定值540 μmol/mol,其示数明显高于没有补充的时候,但温室内CO2浓度未达到设定上限值1200 μmol/mol,还需补偿CO2,直到3次补偿结束。根据CO2浓度变化数据绘制出图8。由图8可知,试验前CO2平均浓度为205 μmol/mol,3次补偿后CO2的平均浓度分别增加到540、872、1201 μmol/mol,表明风送式CO2气肥补施装置对温室CO2补偿的效果明显。 

  结论 

  试验证明,利用本试验的风送式CO2气肥补施装置能大幅度提高温室CO2浓度。补偿时间为5 min,温室内各点处CO2浓度都有不同程度的提高,浓度平均值由205 μmol/mol上升到540 μmol/mol,上升幅度约为335 μmol/mol。通过数据比较证明,在补偿5 min CO2气体之后,各个传感器的示数逐渐升高并到达稳定值540 μmol/mol,虽然达稳定值的时间不一样,但在停止补充CO2之后的7 min之内,各传感器示数逐渐趋于平稳。 

  根据补偿时间与其补偿量的线性关系,精确计算出试验需要补偿的时间,并采用本文所提出的“少量多次”的CO2气肥补施方案,得出“1次补偿5 min,两次补偿间隔15 min,总计补偿3次”为本试验的最佳补偿方案,能在45 min内使CO2平均浓度由205 μmol/mol上升至1200 μmol/mol,保证植物生长所需。 论文格式

  参考文献 

  [1] 刁晓君,王曙光,慕楠.增施CO2对植物修复土壤DEHP 污染的影响究 

  [J].应用生态学报,2013,24(3):839-846. 

  [2] 康辉.环境CO2浓度升高对植物的影响研究[J].安徽农学通报,2008, 

  14(22):42-44. 

  [3] 马成芝,孙立德,梁志兵,等.日光温室大棚辣椒CO2浓度变化规律分析[J].安徽农业科学,2010, 38(29):1615-1617. 

  [4] 王勇,颉建明,郁继华,等.砂石地基质栽培番茄日光温室CO2浓度的变化规律研究[J].甘肃农业大学学,2012,6(47):57-62. 

  [5] 魏珉, 邢禹贤, 马红.果菜苗期CO2施肥壮苗效果研究[J].山东农业大学学报, 2000,31(2):196-200. 

  [6] 马永亮,王开运,孙卿,等.大气CO2浓度升高对植物根系的影响[J].生态学杂志,2007,26(10):1640-1645. 

  [7] 牛耀芳, 宗晓波,都韶婷.大气CO2浓度升高对植物根系形态的影响及其调控机理[J].植物营养与肥料学报,2011,17(1):240-246. 

  [8] 赵天宏,王美玉,张巍巍,等.大气CO2浓度升高对植物光合作用的影响[J].生态环境学报,2006, 15(3):1096-1100. 

  [9] 张福墁.设施园艺学[M].北京:中国农业大学出版社,2010. 

  [10] 魏珉.日光温室CO2 环境及其调控研究[D].南京:南京农业大学,2000. 

 

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