刘洋,孙胜,邢国明,李靖,张振花,袁红霞,郑金英
黄瓜(CucumissativusL.)是我国设施蔬菜栽培最广泛的蔬菜作物之一[1]。随着我国设施蔬菜产业的快速发展,黄瓜设施栽培面积已达设施蔬菜总面积的50%左右[2]。设施栽培通过环境因子调控提供植物生长的适宜条件,CO2作为植物光合作用的重要原料,在冬季设施蔬菜栽培中,设施环境相对封闭,空气不能及时的流通更换,加上植物光合作用的不断消耗,使得设施内CO2浓度严重不足,在100~250 μmol·mol-1之间[3]。当光照充足时,能降到100 μmol·mol-1以下,接近蔬菜生长CO2浓度的补偿点。因此CO2成为影响冬季设施蔬菜生长的关键环境因素[4~7]。为了提高反季节设施蔬菜的生产,人工增施CO2必然成为人们的选择。在国外,许多设施栽培发达的国家对作物增施CO2做了大量的研究,CO2施肥技术的推广及应用较早,英国通过温室内增施CO2,可以提高作物产量30%左右,美国50%、挪威75%、荷兰90%以上的温室作物生产采用CO2施肥,并在提早上市及提质增效方面取得了良好的效果[8,9]。
我国设施蔬菜产业由于缺乏科学的管理,盲目施肥用药等因素使得土壤严重次生盐渍化,造成连作障碍影响设施蔬菜的产量和品质[10]。而CO2施肥技术向着减肥减药的方向发展,为设施蔬菜产业提质增效及绿色健康发展提供了新思路。本文通过增施不同浓度的CO2,研究施肥浓度对黄瓜生长发育及产量的影响,为设施蔬菜增产保质,选择合适的CO2施肥浓度提供了理论依据。
由山西省介休市兴海种苗有限公司提供黄瓜品种“兴海7号”。
试验于2016年12月-2017年4月在山西农业大学园艺学院园艺站日光温室中进行,秧苗于12月29日,三叶一心时定植,缓苗后连续进行CO2施肥处理,其它管理同常规。
试验设置4个CO2浓度处理,CK(400±25) μmol·mol-1、E1(800±25) μmol·mol-1、E2(1 200±25) μmol·mol-1、E3(1 600±25) μmol·mol-1。在日光温室中各处理分别用塑料薄膜隔离成相对独立空间,每个隔室长7 m、宽8 m为1个处理,各处理种植6个小区,每小区种植2行,大行距80 cm,小行距50 cm,株距40 cm,每个小区定植36株。
CO2施肥传感器采用瑞士维瓦斯GM-220型(精度为±3%),设备采用邯郸盛炎电子科技有限公司提供的智能自动释放设备(外接CO2气体压缩钢瓶)。施肥时间于晴天早上保温被卷起30 min后开始,室内温度高于35 ℃时放风停止施放;下午关闭风口后继续释放直到保温被降下为止。晴天施肥时间大约4 h,阴雨雪天气不释放。
每个处理随机选取5株,分别测定CO2施肥后第10、25、40、55、70天的生长指标,用米尺测定株高、游标卡尺测定茎粗、黄瓜长度、横径,叶面积采用手持式活体叶面仪测定,用分析天平测定干、鲜重,产量采用精度到g的电子秤称量;净光合速率采用美国LICOR 公司生产的LI-6400 便携式光合仪测定,选取黄瓜生长点以下第4片完全展开的功能叶。
采用Microsoft Excel 2010 软件对数据进行处理和作图,利用 SAS 8.0 软件进行方差分析和多重比较。
由图1a可见,各处理的温度变化趋势相同,无明显差异,在8:00时温度为一天中最低,约17 ℃,之后随着光照强度的增加,设施内各处理温度上升,在12:00时温度接近35 ℃,进行放风,各处理温度迅速下降,之后随光照强度增加仍会出现一个峰值,在15:00以后温度开始下降;图1b中各处理的光照强度日变化基本一致,在13:00光照强度达到最大,达1 000~1 100 μmol·m-2·s-1;所以不同CO2浓度处理间温度、光照变化一致,符合试验要求。由图1c可见,8:00时各处理CO2浓度较高,在1 600~1 900 μmol·mol-1之间,是由夜间植物呼吸及有机肥发酵产生大量CO2,而E2、E3偏高是因为在此之外人工增施CO2使得整个环境就处在高浓度下,之后随光照增强和温度的上升,植物光合作用加快,各处理CO2浓度下降,当下降到该处理设定的浓度范围,自动CO2施肥,维持在一定水平,中午由于温度过高进行通风,CO2浓度开始下降,在14:00关闭风口,继续增施,CO2浓度迅速升高至稳定,对照处理在8:00~11:30,浓度一直下降,之后保持稳定,E1、E2、E3处理变化趋势较一致,且各处理施肥时间满足每天4 h,符合试验要求。
图1 不同CO2浓度施肥处理温度、光照的日变化Fig.1 Diurnal variation of different CO2 concentrations on Temperature and Light intensity
2.2.1 不同CO2浓度施肥对黄瓜株高的影响
由图2可见,在CO2施肥10 d后,各处理之间株高的变化没有差异,直到施肥25 d后,增施CO2处理E1、E2、E3较CK表现出显著性差异(P<0.05),特别在施肥25~40 d之间,增施CO2处理组较CK增长明显(P<0.05),之后差异增幅较小,CO2施肥效果下降,在CO2施肥70 d时,处理组较CK株高分别增长36.8%,43.9%,64.8%,各处理间相比,施肥浓度E3株高增长最为明显,E2和E1相近,E3较E1增施CO2翻倍,株高增长只提高20.5%,因此选择800 μmol·mol-1比较合适;说明设施内增施CO2能使黄瓜株高增长,在施肥前期效果最为明显,同时达到一定浓度后增幅较小,在此基础施加高浓度CO2并不能使株高显著增长。
图2 不同CO2浓度施肥对黄瓜株高的影响Fig.2 Effects of different CO2 concentration on cucumber plant height 注: 相同天数不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note:Different capital letters in the same time mean significant difference at the 0.05 level.
2.2.2 不同CO2浓度施肥对黄瓜茎粗的影响
从图3可见,各处理对黄瓜茎粗的影响同株高的变化趋势相似,但不同于株高变化的是,施肥10~25 d,增施CO2处理茎粗就有明显的变化,且差异达显著水平,在施肥25 d时,处理E1、E2、E3比CK分别增长了20.49%、34.2%、37.1%,而当施肥70 d后,处理E1、E2、E3比CK分别增长了26.7%,31.0%,34.2%,增施CO2前期效果显著,之后继续增施,且E2、E3增长幅度有所下降。说明增施CO2能增加黄瓜的茎粗,在施肥前期就有明显的效果。
图3 不同CO2浓度施肥对黄瓜茎粗的影响Fig.3 Effects of different CO2 concentration on cucumber stem diameter 注: 相同天数不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note:Different capital letters in the same time mean significant difference at the 0.05 level.
2.2.3 不同处理对黄瓜叶面积及叶片数的影响
从图4可知,施肥10 d,增施CO2的处理较CK叶面积差异呈显著,其中E1、E2、E3处理间差异不显著(P>0.05), 随着施肥时间和生育期的延长CO2施肥优势更加突出。施肥55 d后对黄瓜进行降蔓、去除老叶,各处理叶面积达到最大值,E2、E3单株叶面积分别达到5 016.17 cm2、5 109.51 cm2,E1、E2、E3比CK增长16.2%,25.3%,27.6%,且从图中可以明显看出,施肥10~25 d叶面积较之后相同天数增长幅度较大,说明短时间增施CO2能有效提高黄瓜叶面积的增长,长时间施肥效果有所缓减;同时,从表1中可以看出,CO2施肥前期,叶片数无明显差异,在增施CO225 d时,施CO2处理组叶片数有所增长,E3较CK差异显著(P<0.05),之后施肥40 d、55 d时,E2、E3处理较CK差异显著(P<0.05),增长近2片叶。说明增施CO2能有效提高叶面积的增长,更有利于植物光合作用的进行。
图4 不同CO2浓度施肥对黄瓜单株叶面积的影响Fig.4 Effects of different CO2 concentration on cucumber plant leaf-area 注: 相同天数不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note:Different capital letters in the same time mean significant difference at the 0.05 level.
2.2.4 不同处理对黄瓜植株干重、鲜重的影响
从表2可见,随着各处理间CO2浓度的增加,黄瓜植株地上部、地下部的鲜重均呈增长趋势,其中地上部鲜重增施CO2处理较CK差异显著(P<0.05),E1、E2、E3较CK分别增长57.47%、70.12%、102.91%,说明增施CO2有利于植株营养物质及水分的吸收;同时CO2浓度升高增加了黄瓜地上部、地下部的干物重,E1、E2、CK间差异不显著(P>0.05),E3较CK差异显著,地下部干重比CK增长43.70%,地上部干重增长70.70%。说明增施CO2有利于植物干物质的积累,反映了光合作用能力的增强。
表1不同CO2浓度对黄瓜叶片数的影响
Table1 Effects of different CO2concentration on cucumber leaf number
处理Treatments施肥天数Fertilizationtime/d0d10d25d40d55d70dCK34.6a8.2b10.0c12.4b12.0aE135.0a9.2ab10.6bc13.6ab12.0aE234.8a9.2ab11.8a14.0a13.0aE335.0a9.6a11.4ab14.0a12.6a
注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note:Different capital letters show significant difference at the 0.05 level in the same row.
表2 不同浓度CO2施肥55天对黄瓜鲜重、干重的影响Table 2 Effects of different CO2 concentration on fresh and dry plant weight of cucumber in 55 days
注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note:Different capital letters show significant difference at the 0.05 level in the same row.
2.3.1 不同处理对黄瓜果实发育的影响
由图5可见,设施内CO2施肥对黄瓜的果长和果实横径有明显的影响,但对幼瓜的影响不明显,从记录的第5 d开始,增施CO2处理的果长、果实横径快速增长,第11 d,增施CO2处理E1、E2、E3较CK果长分别增加24.02%、29.41%、33.8%,果实横径增长17.19%、22.43%、19.76%,增施CO2处理间增长较一致,说明高浓度CO2能加快果实发育,且到果实膨大阶段影响更加显著。
2.3.2 不同CO2浓度施肥对黄瓜产量的影响
本试验以2月12日-4月12日的产量为衡量标准,从表3可以看出CO2施肥,可以使得产量相对增长,其中单果重有明显的效果,E1、E2、E3较CK分别增重11.4%、16.65%、14.5%,增施CO2有效提高结瓜数,致使单株产量有明显差异(P<0.05),E1、E2、E3分别增长1.44倍、1.34倍、1.39倍,小区产量更直观显示增施CO2的作用,较对照分别增长44.3%,34.2%,39.0%,E1较CK增幅较大,施CO2浓度800 μmol·mol-1对产量影响最为显著(P<0.05)。说明增施CO2能够有效提高设施黄瓜的产量,且过多的增施CO2达不到继续增产的效果。
图5 不同CO2浓度施肥对黄瓜果实发育的影响Fig.5 Effects of different CO2 concentration on cucumber fruit development
Table9 Effects of different CO2concentration on cucumber yield
处理Treatments单果重/gPerfruitweight单株结果/个Fruitnumberperplant单株产量/kg·株-1Yieldperplant小区产量/kgPlotyieldCK123.7b7.2b1.656b496.86E1137.8ab8.9a2.390a717.02E2144.3a8.6a2.223a666.99E3141.6ab8.5a2.302a690.56
注: 同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note:Different capital letters show significant difference at the 0.05 level in the same column.
图6显示各不同CO2浓度处理黄瓜产量形成的5个阶段,可以看出,各处理产量呈先增加后下降的趋势;每个阶段里,E1、E2、E3较CK产量都有差异,且前3个阶段差异显著,增施 CO2效果明显,在第1阶段各处理产量较低,由于黄瓜处于结果初期及根瓜等影响;第2阶段,增施CO2浓度处理较CK产量增长将近1倍,增施效果明显,且E1、E2、E3之间无差异(P>0.05);第3阶段,CK组产量较前2个阶段明显增加,与增施CO2处理组仍差异显著,其中E2较其他处理优势明显;第4阶段, 各处理产量都有所减少,E2增产效果依然明显;最后阶段,增施CO2处理和CK产量相近,施肥效果减弱;说明增施CO2可以有效提高黄瓜产量,且主要集中在前期阶段,后期施肥作用不明显,浓度为800 μmol·mol-1的增产效果最佳。
图6 不同CO2浓度施肥对黄瓜阶段性产量的影响Fig.6 Effects of different CO2 concentration on cucumber Yield at different time periods
图7 不同CO2浓度施肥70 d黄瓜叶片净光合速率的日变化Fig.7 Diurnal variation of different CO2 concentrations on photosynthesis of cucumber in 70 days
由图7可知,在黄瓜结果盛期,CO2施肥70 d,黄瓜叶片的净光合速率日变化曲线呈先上升后下降,主要随温度、光照强度变化而改变;8:00~11:00随温度、光照升高,Pn迅速增大,14:00之后,随温度、光照降低,Pn随之下降,最大值(Amax)出现在12:00左右;与CK相比,E1、E2、E3的Amax分别增长70.05%、95.49%、95.87%,数据分析可得,处理E1、E2、E3较CK差异极其显著(P<0.01),但E1、E2、E3各自之间的差异不显著(P>0.05),CO2浓度800 μmol·mol-1能够明显提高叶片的净化合速率;由此可见,增施CO2能有效提高黄瓜叶片的光合能力,更有利于光合产物的积累。
CO2是植物进行光合作用的原料,限制着光合产物的形成,是黄瓜生长发育的关键因素之一。有研究表明CO2施肥可以使西葫芦、番茄、大白菜等蔬菜的株高、茎粗、植株干鲜质量、叶面积、根系活力、产量等生长指标显著增加[11~13]。本研究表明,在黄瓜的整个生长期,随着施CO2浓度的升高,黄瓜的营养生长株高、茎粗、叶面积、地上部干重、鲜重也有明显的增长,从果实生长发育和产量来看,增施CO2浓度明显加快了果实的生长,提高了产量,当施肥浓度为800 μmol·mol-1时,能有效增产43.3%,而且CO2施肥前期对产量影响较大。朱世东等[14]认为增施CO2能使温室樱桃番茄增产6.21%~12.91%,且浓度为1 000 μmol·mol-1最适宜;蒋跃林等[15]研究表明CO2浓度升高对大豆株高、茎粗、叶面积、比叶重影响显著,施肥浓度为750 μmol·mol-1能有效提高产量29.1%;同时潘玖琴等[16]对4个辣椒品种进行增施CO2处理,增产幅度为10.62%~16.12%。
本研究表明,增施CO2浓度显著提高了黄瓜叶片净光合速率,这与前人研究结果一致[17]。增施CO2浓度可以有效提高RuBpcase羧化活性,降低RuBpcase加氧活性,限制了光呼吸,最终使得净光合速率的增长[18],使得同化物积累增多,作物生长发育加快,产量增加[1]。
近几年研究发现,施CO2浓度过高或者施用时间过长也不利于蔬菜的生长,造成植株营养生长过旺[19],还会导致RuBpcase活性降低,限制了RuBp和CO2催化结合,净光合速率下降[20]。因此,CO2施肥需要在合适的浓度,本试验结果表明CO2施肥浓度为800 μmol·mol-1时,能促进黄瓜的生长发育,过多的增施可能促进了植株营养生长但并不能有效提高产量,反而会增加施用CO2成本。这为CO2施肥技术在我国温室蔬菜生产中的推广及应用提供了理论依据。
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