CN103314694A - 一种基于系统内外零浓度差的co2气体施肥方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥方法及其装置。该方法包括如下步骤：检测系统内CO₂浓度和大气中CO₂浓度，当所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度时，向所述系统中施放CO₂气体；当所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度时，停止向所述系统中施放CO₂气体，即实现对所述系统进行CO₂气体施肥。本发明的方法和装置提高了温室CO₂气体施肥的CO₂气体利用效率；并提高了温室作物产量，改善了温室作物品质，还有提早收获期和延长收获期间的有益效果；本发明的方法和装置将温室CO₂气体施肥的CO₂气体泄露损耗减小到最低限度；本发明的方法和装置避免了温室CO₂气体施肥技术对环境的CO₂二次污染问题。

Description

一种基于系统内外零浓度差的CO2气体施肥方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥方法及其装置，属于设施农业技术领域。 

背景技术

我国的设施农业面积已发展到350万公顷以上，一半以上的设施类型为日光温室和塑料大棚，其中经济效益较好的日光温室已扩展到70万公顷以上，成为支撑我国“菜篮子工程”的主要的设施类型。日光温室由于其低廉的运行成本、相对较低的技术门槛、较好的经济效益在我国北部地区得到了普及推广。然而，日光温室蔬菜生产也存在很多问题：1）粗放的环境调控导致设施产量不高、品质较差，严重制约了其可持续性发展；2）化肥、农药使用过量而造成的农产品安全隐患问题难以解决；3）土壤连作障碍严重，换茬与嫁接技术解决不了所有问题，导致设施生产的专业化程度难以得到进一步提高。日光温室蔬菜生产的上述问题主要是由以下几个因素造成的：1）日光温室密闭性差、通风设备简陋、无加温设备、外保温被的防水与保温性差等原因导致粗放的环境调控；2）日光温室冬季温度低，白天也尽量密闭导致系统CO₂亏缺频繁发生，该问题严重影响了作物光合能力的有效发挥；3）日光温室蔬菜生产基本上是基于自然土壤的栽培模式，其水肥灌溉量难于调控到精准水平，故现有的水肥管理难以适应植物营养需求，连作障碍严重、病害频繁发生，故而造成了化肥和农药使过量使用问题难以得到解决。因此，日光温室蔬菜生产需针对上述问题研发相应的设施设备以改变其栽培模式和环境控制水平，才可能改善其设施作物生长环境与营养水平，充分发挥其光合能力与生长潜力，从而达到增产促优的有益效果。 

从设施园艺发达国家荷兰的发展历程来看，荷兰温室作物产量的提高与温室CO₂施肥技术的普及呈现显著的线性关系。以温室番茄生产为例，荷兰温室作物的产量在20世纪70年代只有25～35kg/m²，温室CO₂施肥普及率也只有35～40%；到20世纪80年代随着温室CO₂施肥普及率提高到50-60%以上，温室番茄的产量提高到了35～45kg/m²；20世纪90年代以后，温室CO₂施肥普及率提高到80～90%以上，温室番茄的产量也提升到了45～55kg/m²；21世纪以后的温室CO₂施肥普及率提高到95%以上，温室番茄的平均产量已达到65kg/m²以上，高产温室甚至达到了90～100kg/m²。荷兰温室番茄的产量提高除了与其CO₂施肥普及率有很重要的关系外，还与其温室加温技术、补光技术、水肥营养控制等的普及推广有重要的关系。整体来说，设施农业的学术界和产业界对温室CO₂施肥的有益效果还是有共识和认同的，CO₂施肥作为温室环 境控制的气体要素是必不可缺的环境因子之一，也是促进作物产量提高和品质改善的有效途径之一。 

国内外常用的温室CO₂施肥技术几乎都是将温室内的CO₂气体控制在较好的促进光合作用的800-1200μmol mol^-1浓度水平左右，从而通过营养生长的促进达到提高温室作物产量和品质改善的目的。但是，由于温室设施的密闭性较差，即使是没有强制通风或自然换气，温室内外的气体或能量的交换量也是常态存在的，其气体和能量交换率约为30%左右。这也意味着即使将温室紧紧密闭，不留任何换气窗、也不驱动通风风机运行，温室内增施的CO₂气体将有30%被自然泄露到温室外，从而造成CO₂气源的自然损失。这种温室CO₂气源的损失不仅造成了温室运行成本的浪费，也会对外界空气造成CO₂气体的二次污染。目前，在我国日光温室和塑料大棚生产中推广CO₂施肥技术的设施不足0.04%，几乎可以忽略不计，且在经济效益较好的日光温室生产中普及的CO₂施肥技术以基于秸秆发酵法和化学反应法的CO₂发生器居多。这些方法存在CO₂气体浓度不容易控制的同时，还存在一些有毒气体产生或不安全因隐患等问题，不便于大规模普及推广。因此，开发一种能在日光温室和塑料大棚等简易环境调控的设施类型中使用的经济实用、安全可靠的CO₂施肥方法，对促进设施作物产量提高和品质改善是确实可行而行之有效的。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥方法及其装置，解决了现有技术中温室CO₂施肥方法存在的CO₂气体不易控制、安全性差、自然泄露多、利用率较低等技术问题。 

本发明所提供的一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥方法，包括如下步骤： 

检测系统内CO₂浓度和大气中CO₂浓度，当所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度时，向所述系统中施放CO₂气体；当所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度时，停止向所述系统中施放CO₂气体，即实现对所述系统进行CO₂气体施肥。 

上述的CO₂气体施肥方法中，当所述系统内CO₂浓度小于所述大气中CO₂浓度，且差值不小于20μmol mol^-1时，向所述系统中施放CO₂气体。 

上述的CO₂气体施肥方法中，当所述系统内CO₂浓度为350～370μmol mol^-1时，向所述系统中施放CO₂气体； 

当所述系统内CO₂浓度为370～390μmol mol^-1时，停止向所述系统中施放CO₂气体。 

上述的CO₂气体施肥方法中，当向所述系统中施放CO₂气体时，所述系统内的温度不小于15℃，所述系统内的光照强度不小于80μmol m^-2s^-1； 

所述系统内培育的植物为C3植物和/或C4植物。 

上述的CO₂气体施肥方法中，当向所述系统中施放CO₂气体时，所述系统内的温度不小于15℃，且在夜间无光照的条件下进行，具体是在日落后半小时后至日出前半小时的区间内； 

所述系统内培育的植物为CAM植物。 

上述的CO₂气体施肥方法中，所述系统可为日光温室或塑料大棚； 

所述系统处于密闭状态、半密闭状态、开放状态、强制通风状态或自然换气状态。 

使用本发明提供的方法进行CO₂气体施肥时，应该将CO₂气体施放管道尽量设置到植物的群冠表面或群冠里面，从而保证CO₂气体释放扩散的同时让植物尽快吸收利用，从而更好地提高CO₂气体的局部施肥效果，并减少CO₂气体的使用量。 

本发明进一步提供了一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥装置，它包括CO₂增施调控系统、嵌入式信息采集与控制芯片、传感器模块和执行机构模块； 

所述传感器模块包括室内CO₂传感器和室外CO₂传感器； 

所述执行机构模块包括CO₂气体施放用电磁阀； 

所述室内CO₂传感器、所述室外CO₂传感器和所述CO₂气体施放用电磁阀均与所述嵌入式信息采集与控制芯片相连接，所述嵌入式信息采集与控制芯片与所述CO₂增施调控系统相连接； 

所述CO₂气体施放用电磁阀与CO₂钢瓶相连接； 

所述室内CO₂传感器和所述室外CO₂传感器检测到的CO₂浓度信息经所述嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至所述CO₂增施调控系统中；在所述CO₂增施调控系统中进行比较，如果所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动所述CO₂气体施放用电磁阀，向所述系统内施放CO₂气体；如果所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭所述CO₂气体施放用电磁阀，停止向所述系统内施放CO₂气体。 

上述的CO₂气体施肥装置中，所述传感器模块还包括室内温度传感器和室内辐射传感器，所述室内温度传感器和所述室内辐射传感器均与所述嵌入式信息采集与控制芯片相连接； 

所述室内温度传感器检测到的温度信息与所述室内辐射传感器检测到的光照强度信息经所述嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至所述CO₂增施调控系统中；在所述CO₂增施调控系统中进行比较，如果所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度，且所述系统内的温度不小于15℃，光照强度不小于80μmol m^-2s^-1，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动所述CO₂气体施放用 电磁阀，向所述系统内施放CO₂气体；如果所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭所述CO₂气体施放用电磁阀，停止向所述系统内施放CO₂气体。 

上述的CO₂气体施肥装置中，所述传感器模块还包括室内温度传感器，所述室内温度传感器与所述嵌入式信息采集与控制芯片相连接； 

所述室内温度传感器检测到的温度信息经所述嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至所述CO₂增施调控系统中；在所述CO₂增施调控系统中进行比较，如果所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度，且所述系统内的温度不小于15℃，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动所述CO₂气体施放用电磁阀，向所述系统内施放CO₂气体；如果所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭所述CO₂气体施放用电磁阀，停止向所述系统内施放CO₂气体。 

上述的CO₂气体施肥装置中，所述CO₂增施调控系统可为基于ARM的CO₂增施调控系统； 

所述电磁阀通过减压阀与所述CO₂钢瓶相连接。 

为了加快CO₂气体的扩散速度并提高其分布均匀性，所述CO₂气体施肥装置中还可设置循环通风机。 

本发明具有如下有益效果： 

（1）本发明的方法中，CO₂气体的可控性强、不会外溢，系统安全性好于其他CO₂增施方法； 

（2）本发明的方法和装置提高了温室CO₂气体施肥的CO₂气体利用效率；并提高了温室作物产量，改善了温室作物品质，还有提早收获期和延长收获期间的有益效果； 

（3）本发明的方法和装置将温室CO₂气体施肥的CO₂气体泄露损耗减小到最低限度； 

（4）本发明的方法和装置避免了温室CO₂气体施肥技术对环境的CO₂二次污染问题。 

（5）本发明克服了一种技术偏见，现有技术认为温室内CO₂浓度较大气中CO₂浓度高时，才有助于植物的生长和产量的提高，而经本发明证明，温室内CO₂浓度与大气中CO₂浓度基本处于零浓度差的情况下，更有助于植物的生长和产量的提高，同时降低了经济成本。 

附图说明

图1为本发明CO₂气体施肥装置的信号传输、处理流程框图。 

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。 

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。 

实施例1、基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥装置 

如图1所示，本发明提供的基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥装置包括CO₂增施调控系统、嵌入式信息采集与控制芯片、传感器模块和执行机构模块，CO₂增施调控系统与嵌入式信息采集与控制芯片相连接，CO₂增施调控系统为基于ARM的CO₂增施调控系统。 

该CO₂气体施肥装置中，传感器模块包括均与嵌入式信息采集与控制芯片相连接的室内CO₂传感器、室外CO₂传感器、室内温度传感器、室外温度传感器、室内湿度传感器和室内辐射传感器；其中的执行机构模块包括均与嵌入式信息采集与控制芯片相连接的CO₂气体施放用电磁阀、循环通风机、外保温被和灌溉电磁阀，且CO₂气体施放用电磁阀通过减压阀与CO₂钢瓶相连接。 

该CO₂气体施肥装置中，室内CO₂传感器、室外CO₂传感器、室内温度传感器和室内辐射传感器检测到的信息均经嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至CO₂增施调控系统中。在CO₂增施调控系统中进行比较，如果系统内CO₂浓度低于大气中CO₂浓度，且系统内的温度不小于15℃，光照强度不小于80μmol m^-2s^-1，则CO₂增施调控系统向嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动CO₂气体施放用电磁阀，则CO₂钢瓶中的CO₂排入至系统中，即实现向系统内施放CO₂气体；如果系统内CO₂浓度高于大气中CO₂浓度，则CO₂增施调控系统向嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭CO₂气体施放用电磁阀，即可停止向系统内施放CO₂气体。 

该CO₂气体施肥装置中，循环通风机的设置可加快CO₂气体的扩散速度和分布均匀性。 

该CO₂气体施肥装置中，灌溉电磁阀实现了CO₂气体施肥与系统的温度、光照环境调控与水肥管理的结合，进而通过基于综合环境调控的技术使CO₂气体增施对植物的光合作用有促进作用，实现增产促优的目标。 

实施例2、 

该实施例于2011～2012年在日光温室草莓种植中进行，具体实验情况和效果如下： 

供试温室作物种类为草莓，品种为红颜。 

日光温室种植地点为北京市昌平区兴寿镇东营草莓园；日光温室的跨度为8m， 长度为50m，外设外保温被，顶部和侧部可手动通风。 

为了进行效果的对比，利用3栋温室分别作为基于零浓度差法的CO₂气体增施试验温室（Zero Concentration Difference method，ZCD试验区）、基于定时施放的CO₂气体增施试验温室（Timing CO₂Enrichment method，TCE试验区）和对照温室（CK试验区）进行草莓种植，并采用相同的草莓种植与管理方法。 

ZCD试验温室安装了实施例1提供的基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥装置，但未连接灌溉用电磁阀和其他执行机构，并将程序设置为：在温室内CO₂浓度小于350μmol mol^-1时候开始释放CO₂气体，且温室内CO₂浓度与大气中CO₂浓度的差值为20μmol mol^-1，温室内温度为15℃以上，光照强度达到80μmol m^-2s^-1以上，当温室内CO₂浓度大于370μmol mol^-1时停止释放CO₂气体。 

TCE试验温室则利用定时器和电磁阀来驱动CO₂钢瓶的气体释放，并在温室中部设置了2台循环风机进行联动，使得CO₂气体施放在温室内部比较均匀。CO₂气体定时施放的时间设置于2011年11月初到12月底期间为早上7点半和下午2点半分别施放15分钟；2012年1月初到3月底期间为早上8点到下午2点之间分别施放15分钟。使用者只需打开设备电源，设置好定时器后就可实现完全自动化运行。 

对照温室未增设任何执行机构和CO₂气体施肥装置。 

草莓种苗于2011年9月10日定植，起垄双行种植，栽培垄宽35cm，垄沟宽40cm、深30cm，垄上株距和行距为20×20cm，栽植密度约为4000株/棚，土壤肥力一致，常规水肥管理，CO₂气体增施从2011年11月开始到2012年3月底结束。草莓采收从2012年1月开始，一直持续采收到2012年6月10日结束。从CO₂气体增施开始，在ZCD试验温室、TCE试验温室和对照温室中各取2行草莓种植区作为试验区和对照区的检测植株，每月一次定期监测其生长发育、光合作用、果实采收情况等。草莓叶片的光合作用的评价采用了便携式光合仪（LI6400，美国LICROR公司）测量其净光合速率。草莓生长发育的评价指标采用了叶数、花数、果数、地上部分和地下部分的鲜重和干重。果实采收情况的评价采用了单果重、可溶性固形物、糖酸比、维生素C含量。最终还核算了ZCD试验温室、TCE试验温室和对照温室的草莓采收产量和经济效益。本专利实施过程中，CO₂气体施肥期间为2011年11月初到2012年3月底，草莓生育调查从2011年11月初到2012年4月初，果实产量核算以2012年1月初到2012年4月底期间实际销售的重量累计为准。 

2011～2012年期间的CO₂增施试验区的草莓叶片的净光合速率在2011年11月10日、2012年12月21日、2012年2月21日与CK试验区的无显著性差异，其他时间均显著高于CK试验区，这表明，CO₂增施有助于促进草莓叶片的光合能力发挥（如表1所示）。CO₂增施试验区和CK试验区的草莓叶片在2011年11月的CO₂增施初始 还基本相同，其后均显著高于CK试验区，这表明，CO₂增施显著促进了草莓植物的营养生长（如表2所示）。CO₂增施试验区的草莓花数在2011年12月和2012年1月显著高于CK试验区，但在2012年2月后与CK试验区无显著性差异，这表明，CO₂增施在日光温室冬季生产中尤其是春节前的寒冬季节显著促进了草莓植物的生殖生长（如表3所示）。ZCD试验区的草莓花数在2012年元旦前后均显著高于TCE试验区，这表明，比起CO₂气体的定时施放，基于零浓度差法的CO₂增施方法能在严寒季节或春节前有效地促进草莓植株的生殖生长。CO₂增施试验区的果数和单果重在2012年1月、2月和3月显著高于CK试验区，这表明，CO₂增施显著促进了日光温室草莓生产在春节前后的果实采收量，这有助于提高日光温室草莓生产的经济性（如表4和表5所示）。CO₂增施试验区的草莓果实的可溶性固形物含量在2012年1月与CK试验区基本相同，之后都显著高于CK试验区（如表6所示），果实糖酸比和维生素C含量也呈大致相同的趋势（如表7和表8所示），这表明，CO₂增施确实促进了日光温室草莓植株的果实发育，有助于草莓果实膨大和产量增加，对日光温室草莓生产的产量增加和品质形成有很好的促进作用。于2012年4月16日进行破坏试验的结果表明，CO₂增施试验区的地上部分和地下部分的鲜重和干重显著高于CK试验区，因此，CO₂增施确实促进了日光温室草莓植物的生长发育和生物量积累（如表9所示）。由此可见，2011年11月初至2012年3月底期间的CO₂增施使得日光温室草莓叶片的净光合速率提高了11～26%；2012年2月～3月的草莓果实的单果重、可溶性固形物含量、糖酸比和维生素C含量较对照分别提高了19～36%、6～13%、21～47%和21～24%。 

最终统计的日光温室2012年1月初到4月底的草莓实际产量（实际栽培面积为400m²，以实际销售的草莓产量核算）来看，ZCD试验温室的草莓产量为26.3t/ha（1752kg/亩），TCE试验温室的草莓产量为26.5t/ha（1768kg/亩），对照温室的草莓产量为23.0t/ha（1535kg/亩）。基于系统零浓度差法的CO₂气体增施技术的实际增产率高达15%，实际净增利润为8975元/栋；基于定时施放的CO₂气体增施技术的实际增产效果与基于零浓度差法的大致相同，但由于其装置成本较低使得实际净增利润提高了6%。因此，基于系统内外零浓度差和定时施放的温室CO₂施肥方法及其装置不仅促进了日光温室草莓植株的生长发育，还提高了草莓果实的大小及品质，最终实现了增产促优的目的。 

实施例3、 

该实施例于2012～2013年在日光温室草莓种植中进行，具体实验情况和效果如下： 

供试温室作物种类仍为草莓，品种为章姬。 

日光温室种植地点仍为北京市昌平区兴寿镇东营草莓园，但所使用的温室不同；日光温室的跨度为8m，长度为50m，设置外保温被，顶部和侧部可手动通风。 

为了进行效果的对比，利用3栋温室分别作为基于零浓度差法的CO₂气体增施试验温室（Zero Concentration Difference method，ZCD试验区）、基于高浓度CO₂释放法的CO₂气体增施试验温室（High Concentration Control method，HCC试验区）和对照温室（CK试验区）进行草莓种植，采用相同的草莓种植与管理方法。 

ZCD试验温室安装了实施例1提供的基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥装置，但未连接灌溉用电磁阀，并将程序设置为：在温室内CO₂浓度小于350μmol mol^-1时候开始释放CO₂气体，且温室内CO₂浓度与大气中CO₂浓度的差值为20μmol mol^-1，温室内温度为15℃以上，光照强度达到80μmol m^-2s^-1以上，当温室内CO₂浓度大于370μmol mol^-1时停止释放CO₂气体。 

HCC试验温室则安装了商业化的智能精准气肥机（CO₂施肥机，中国深圳市润普科技有限公司）进行CO₂气体施肥。该CO₂施肥机配备了CO₂传感器（测量范围：0～5000μmol mol^-1，精度：±3%FS），通过测量温室内CO₂浓度从而自动调控CO₂钢瓶的CO₂气体释放，使温室内CO₂浓度始终保持在设定的CO₂浓度之上。该CO₂施肥机没有配置循环风机，而是根据温室长度配置了相同长度的直径为14mm的塑料输气管，并在输气管上每隔1m打1个直径为1mm的透气孔，并将输气管固定架设在大棚的中央距地2～3m高的位置。使用者只需打开设备电源及CO₂气瓶开关，就可实现完全自动化运行。本实施例中的HCC试验温室的CO₂施肥浓度设定为550μmol mol^-1。 

对照温室未增设任何执行机构和CO₂气体施肥装置。 

草莓种苗于2012年9月5定植，起垄双行种植，栽培垄宽35cm，垄沟宽40cm、深30cm，垄上株距和行距为20×20cm，栽植密度约为4000株/棚，土壤肥力一致，常规水肥管理，CO₂气体增施从2012年11月开始到2013年3月底结束。草莓采收从2012年12月20日开始，一直持续采收到2013年6月15日结束。从CO₂气体增施开始，在ZCD试验温室、HCC试验温室和对照温室中各取2行草莓种植区作为试验区和对照区的检测植株，每月一次定期监测其生长发育、光合作用、果实采收情况等。草莓叶片的光合作用的评价采用了便携式光合仪（LI6400，美国LICROR公司）测量其净光合速率。草莓生长发育的评价指标采用了叶数、花数、果数、地上部分和地下部分的鲜重和干重。果实采收情况的评价采用了单果重、可溶性固形物、糖酸比、维生素C含量。最终还核算了CO₂增施试验温室和对照温室的产量和经济效益。CO₂气体施肥期间为2012年11月初到2013年3月底，草莓生育调查从2012年11月初到2013年4月初，果实产量核算以2012年12月下旬到2013年6月中旬期间实际销售的重量累计为准。 

除CO₂增施开始前的2012年10月23日和2013年1月15日外，CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓叶片净光合速率均显著高于CK试验区（如表10所示）。 2013年2月21日和4月16日的ZCD试验区和HCC试验区的草莓叶片净光合速率有显著性差异外，其他时期均未呈现显著性差异。这表明，CO₂增施有助于促进草莓叶片光合能力的发挥。除2013年4月16日外，CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓叶数均无显著性差异，但在2012年12月18日、2012年12日30日、2013年1月15日、2013年3月20日均显著高于CK试验区，这表明，CO₂增施显著促进了草莓植株的营养生长（如表11所示）。除CO₂增施开始前的2012年10月23日、及其2013年3月20日和2013年4月16日外，CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓花数均显著高于CK试验区，这表明，CO₂增施有助于促进草莓植株的生殖生长（如表12所示）。CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓果数在2013年3月6日之前均无显著性差异，在2012年12月18日和2012年12月30日、2013年2月21日显著高于CK试验区，之后的HCC试验区的草莓果数显著高于ZCD试验区和CK试验区（如表13所示）。这是由于HCC试验区的CO₂浓度始终高于大气CO₂浓度，故CO₂增施显著促进了叶片光合能力的发挥，也促进了草莓植物的营养生长和生殖生长。 

CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓果实的单果重均显著大于CK对照区（如表14所示）。CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓果实可溶性固形物含量于2013年1月15日和2013年3月20日与CK试验区无显著性差异，但在2013年2月21日的ZCD试验区的该指标显著高于HCC试验区和CK试验区，而2013年4月16日的HCC试验区的该指标显著高于ZCD试验区和CK试验区（如表15所示）。2013年2月21日和2013年4月16日的CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓果实糖酸比与CK试验区无显著性差异，2013年1月15日的HCC试验区的该指标显著高于ZCD试验区和CK试验区，而2013年3月20日的ZCD试验区的该指标显著高于HCC试验区和CK试验区（如表16所示）。除2013年1月15日外，CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的草莓果实维生素C含量显著高于CK试验区，这表明，CO₂增施确实促进了日光温室草莓植物的生长发育，有助于草莓果实品质的改善（如表17所示）。于2013年4月9日进行破坏试验的结果表明，CO₂增施的ZCD试验区和HCC试验区的地上部分和地下部分的鲜重和干重显著高于CK试验区，因此，CO₂增施确实促进了日光温室草莓植物的生长发育（如表18所示）。 

由此可见，2012年11月初至2012年3月底期间的ZCD试验区的草莓叶片净光合速率比CK试验区提高了9～41%，HCC试验区的提高了9～32%，期间的草莓叶数、花数、果数、单果重、维生素C含量等都有显著的增加。2012年12月20日到2013年6月15日期间实际统计的日光温室草莓产量（实际栽培面积为400m²，按照实际销售的草莓产量核算）来看，ZCD试验温室的草莓产量为36.8t/ha（2451kg/亩），HCC 试验温室的草莓产量为35.4t/ha（2361kg/亩），对照温室的草莓产量为30.2t/ha（2116kg/亩）。基于系统零浓度差法的CO₂气体增施技术的实际增产率为21.9%，实际净增利润12528元/栋；基于高浓度CO₂释放法的CO₂气体增施技术的实际增产率为17.2%，实际净增利润7936元/栋。尽管从原理上讲，基于高浓度CO₂释放法的CO₂气体增施技术应该比基于系统零浓度差法的增产效果好，但由于日光温室特殊的低温弱光环境的限制，本实验的增产效果反而是系统零浓度差法的好，尤其是对春节前的草莓生产有很好的促进作用。 

因此，基于系统内外零浓度差的温室CO₂施肥方法及其装置不仅促进了日光温室草莓植株的生长发育，还提高了草莓果实的大小及品质，最终实现了增产促优的目的。同时，该方法比基于高浓度CO₂释放法的CO₂气体增施技术的CO2气体用量减少了一半以上，其在春节前的促产效果更优。因此，在我国日光温室草莓生产中推广基于系统内外零浓度差的温室CO₂施肥方法更加能体现其高利用效率、低运行成本的特性。 

综上所述，本发明提供的基于系统内外零浓度差温室CO₂施肥方法不仅具有显著的促产增效的有益效果，还能通过CO₂气体施肥促进温室CO₂气体减排。因此，本发明的基于零浓度差的温室CO₂施肥方法在我国大力发展的设施农业生产中具有良好的经济效益、社会效益和生态效益，其应用推广普及价值是不言而喻的。 

表1CO₂气体增施对日光温室草莓叶片光合作用的影响 

表2CO₂气体增施对日光温室草莓叶片发育的影响 

表3CO₂气体增施对日光温室草莓花成发育的影响 

表4CO₂气体增施对日光温室草莓果实发育的影响 

表5CO₂气体增施对日光温室草莓果实大小的影响 

表6CO₂气体增施对日光温室草莓果实品质形成的影响 

表7CO₂气体增施对日光温室草莓果实糖酸比的影响 

表8CO₂气体增施对日光温室草莓果实维生素C积累的影响 

图9CO₂气体增施对草莓植株生物量积累（2012年4月16日采收）的影响 

表10CO₂气体增施对日光温室草莓叶片光合作用的影响 

表11CO₂气体增施对日光温室草莓叶片发育的影响 

表12CO₂气体增施对日光温室草莓花成发育的影响 

表13CO₂气体增施对日光温室草莓果实发育的影响 

表14CO₂气体增施对日光温室草莓果实大小的影响 

表15CO₂气体增施对日光温室草莓果实品质形成的影响 

表16CO₂气体增施对日光温室草莓果实糖酸比的影响 

表17CO₂气体增施对日光温室草莓果实维生素C积累的影响 

表18CO₂气体增施对草莓植株生物量积累（2013年4月9日采收）的影响 

Claims (10)

1.一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥方法，包括如下步骤：

检测系统内CO₂浓度和大气中CO₂浓度，当所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度时，向所述系统中施放CO₂气体；当所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度时，停止向所述系统中施放CO₂气体，即实现对所述系统进行CO₂气体施肥。

2.根据权利要求1所述的CO₂气体施肥方法，其特征在于：当所述系统内CO₂浓度小于所述大气中CO₂浓度，且差值不小于20μmol mol^-1时，向所述系统中施放CO₂气体。

3.根据权利要求1或2所述的CO₂气体施肥方法，其特征在于：当所述系统内CO₂浓度为350～370μmol mol^-1时，向所述系统中施放CO₂气体；

当所述系统内CO₂浓度为370～390μmol mol^-1时，停止向所述系统中施放CO₂气体。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的CO₂气体施肥方法，其特征在于：当向所述系统中施放CO₂气体时，所述系统内的温度不小于15℃，所述系统内的光照强度不小于80μmol m^-2s^-1；

所述系统内培育的植物为C3植物和/或C4植物。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的CO₂气体施肥方法，其特征在于：当向所述系统中施放CO₂气体时，所述系统内的温度不小于15℃，且在夜间无光照的条件下进行；

所述系统内培育的植物为CAM植物。

6.根据权利要求1-7中任一项所述的CO₂气体施肥方法，其特征在于：所述系统为日光温室或塑料大棚；

所述系统处于密闭状态、半密闭状态、开放状态、强制通风状态或自然换气状态。

7.一种基于系统内外零浓度差的CO₂气体施肥装置，其特征在于：所述CO₂气体施肥装置包括CO₂增施调控系统、嵌入式信息采集与控制芯片、传感器模块和执行机构模块；

所述传感器模块包括室内CO₂传感器和室外CO₂传感器；

所述执行机构模块包括CO₂气体施放用电磁阀；

所述室内CO₂传感器、所述室外CO₂传感器和所述CO₂气体施放用电磁阀均与所述嵌入式信息采集与控制芯片相连接，所述嵌入式信息采集与控制芯片与所述CO₂增施调控系统相连接；

所述CO₂气体施放用电磁阀与CO₂钢瓶相连接；

所述室内CO₂传感器和所述室外CO₂传感器检测到的CO₂浓度信息经所述嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至所述CO₂增施调控系统中；在所述CO₂增施调控系统中进行比较，如果所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动所述CO₂气体施放用电磁阀，向所述系统内施放CO₂气体；如果所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭所述CO₂气体施放用电磁阀，停止向所述系统内施放CO₂气体。

8.根据权利要求7所述的CO₂气体施肥装置，其特征在于：所述传感器模块还包括室内温度传感器和室内辐射传感器，所述室内温度传感器和所述室内辐射传感器均与所述嵌入式信息采集与控制芯片相连接；

所述室内温度传感器检测到的温度信息与所述室内辐射传感器检测到的光照强度信息经所述嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至所述CO₂增施调控系统中；在所述CO₂增施调控系统中进行比较，如果所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度，且所述系统内的温度不小于15℃，光照强度不小于80μmol m^-2s^-1，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动所述CO₂气体施放用电磁阀，向所述系统内施放CO₂气体；如果所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭所述CO₂气体施放用电磁阀，停止向所述系统内施放CO₂气体。

9.根据权利要求7所述的CO₂气体施肥装置，其特征在于：所述传感器模块还包括室内温度传感器，所述室内温度传感器与所述嵌入式信息采集与控制芯片相连接；

所述室内温度传感器检测到的温度信息经所述嵌入式信息采集与控制芯片收集后传输至所述CO₂增施调控系统中；在所述CO₂增施调控系统中进行比较，如果所述系统内CO₂浓度低于所述大气中CO₂浓度，且所述系统内的温度不小于15℃，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，启动所述CO₂气体施放用电磁阀，向所述系统内施放CO₂气体；如果所述系统内CO₂浓度高于所述大气中CO₂浓度，则所述CO₂增施调控系统向所述嵌入式信息采集与控制芯片输出信号，关闭所述CO₂气体施放用电磁阀，停止向所述系统内施放CO₂气体。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的CO₂气体施肥装置，其特征在于：所述CO₂增施调控系统为基于ARM的CO₂增施调控系统；

所述电磁阀通过减压阀与所述CO₂钢瓶相连接。

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