施用二氧化碳液態(tài)肥對青菜生長和品質的影響

賈昭炎 奚永蘭 王莉 葉小梅 王成成 劉洋 杜靜 孔祥平 肖清波

摘要：將二氧化碳液態(tài)水（在沼氣提純中將CO2經(jīng)高壓水連續(xù)微混合乳化脫碳后形成的CO2乳液，由南京工業(yè)大學研制）應用于植株生長，考察其作為二氧化碳液態(tài)肥對植株生長狀況的影響。為明確CO2液態(tài)肥對植株的影響，以青菜為試驗對象進行為期61 d的種植試驗，研究二氧化碳液態(tài)水碳釋放規(guī)律，分別測定了成熟植株維生素C、蛋白質、硝酸鹽、葉綠素含量以及葉片中氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量。試驗結果表明，二氧化碳液態(tài)水的碳釋放期為11 d;碳釋放主要集中在試驗前5 d，此時溶液中總碳含量會由128.80 mg/L降至37.61 mg/L，在11 d時碳含量降至20.44 mg/L且在之后含量維持穩(wěn)定，此時溶液中的碳含量與自來水中的碳含量相當。在種植試驗中，施用CO2液態(tài)肥后的植株鮮質量明顯增加，而對葉綠素含量則無明顯變化，而且試驗組中除全氮含量下降以外，其余營養(yǎng)物質含量（如蛋白質、全磷、硝酸鹽、維生素C含量）均明顯增加，表明施用CO2液態(tài)肥能有效提高青菜體內(nèi)營養(yǎng)物質的含量，對青菜的生長起到積極的影響，這為沼氣分離出的CO2提供了新的利用途徑。

關鍵詞：液態(tài)肥;二氧化碳;碳釋放;青菜;氮磷鉀;品質

中圖分類號： S634.306文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）24-0154-05

收稿日期：2021-04-15

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2018YFD1100600）;國家自然科學基金（編號：22078136）;江蘇省自然科學基金（編號：BK20201242）。

作者簡介：賈昭炎（1997—），男，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。E-mail：2212016017@stmail.ujs.edu.cn。

通信作者：肖清波，博士，副研究員，主要從事生物質能源領域研究。E-mail：qbxiao@jaas.ac.cn。

青菜（Brassica chinensis），別稱上海白菜、青梗白菜、小白菜等，江浙一帶也稱小青菜，是華東地區(qū)較為常見的青菜品種。其葉片碧綠，葉柄嫩白肥厚，株型束腰，外形美觀，富含蛋白質、粗纖維、多種維生素等多種對人體有益的物質，營養(yǎng)價值高。且青菜對種植環(huán)境要求低，生長期短。二氧化碳（CO2）通常被認為是對環(huán)境有負面影響的溫室效應氣體，在引起全球變暖的氣體成分中二氧化碳的占比達55%。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年，我國每年CO2的排放量為1億t，總CO2排放量達到了93.1億t，其中大部分二氧化碳來源于工業(yè)加工和固體燃料的燃燒[1]。二氧化碳也是一種寶貴的資源，如植物生長過程中CO2的作用就不容忽視。植物需要利用CO2進行光合作用和蒸騰作用，這是其最基本的生理活動，有利于植株更好地進行新陳代謝，積累營養(yǎng)物質。據(jù)了解，空氣中CO2濃度在350 mg/kg左右，而最有利于大多數(shù)植株進行生長的CO2濃度是800～1 000 mg/kg[2]。也就是說，空氣中CO2濃度僅達到植株最適宜生長的CO2濃度的35%～40%，顯然其含量遠遠不夠。而且很多蔬菜瓜果類植物采用大棚種植，由于大棚的封閉性導致空氣流動性下降，進而引起CO2含量匱乏，嚴重時可能會使植物不再進行光合作用，作物產(chǎn)量也隨之下降[3-5]。這種情況下，應當采取有效措施來提高植物生長所需的CO2濃度。比如，可以將沼氣生產(chǎn)后生成的CO2制成液態(tài)肥用作植物養(yǎng)料，既可以補充植物所虧缺的CO2，又可以避免二次污染。相比于傳統(tǒng)的固態(tài)肥料，液態(tài)肥料更有利于作物的吸收，吸收效率可以達到80%，比固體肥料高50%左右;且施用液態(tài)二氧化碳可以增強植株的光合作用，有利于植株積累更多的干物質[6]。目前沼氣凈化中分離的CO2主要是將其制備成附加值很低的干冰或液態(tài)CO2，此外，還有人將沼氣中的CO2通過微藻的光合作用轉化為油脂，但是培養(yǎng)周期長，油脂產(chǎn)量低，難以投入實際應用。采用稀氨水吸收沼氣中的CO2制備碳酸氫銨則缺乏市場競爭力，并且會影響生物甲烷品質。這樣一來，分離的CO2大多數(shù)會被排空，形成二次溫室氣體排放。目前經(jīng)過不斷地優(yōu)化和發(fā)展，我國已經(jīng)形成了一套成熟的制取高純度液態(tài)二氧化碳的工藝技術，南京工業(yè)大學自行研制出一種CO2乳液，這種CO2乳液是在進行沼氣提純時，將CO2經(jīng)高壓水連續(xù)微混合乳化脫碳后形成的。本研究采用這種液態(tài)肥，并以青菜為研究對象，通過測定施用CO2液態(tài)肥的植株中蛋白質、硝酸鹽、維生素C、氮磷鉀等含量，來考察CO2液態(tài)肥對青菜生長的影響，以期建立沼氣的低成本高效的CO2就地轉化綜合利用路線，為沼氣分離出的CO2提供新的利用途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗場地和試驗材料

試驗于2019年12月18日至2020年2月17日在江蘇省南京市農(nóng)業(yè)科學研究院（118°87″E，32°03″N）進行，從青菜種植到成熟，實際種植天數(shù)為 61 d。試驗地區(qū)位于我國東部，屬于亞熱帶季風性氣候，適合作物生長。研究的供試植株為一批外形和生長狀況相近的青菜幼苗盆栽，每盆青菜幼苗株高均保持在（5.0±0.2） cm，盆栽選用透氣性好且不用經(jīng)常更換的陶盆，而且為保證排水通暢，還在陶盆底部加入了厚1 cm左右的小石子。供試CO2液態(tài)肥由南京工業(yè)大學研制提供。栽培土壤選自江蘇省泰州市白馬鎮(zhèn)“蘇翠1號”梨園，選取土壤時盡量避免施肥區(qū)域，并采用三角法鉆取3個點進行取土，取土深度為0～30 cm，將三點取得的土壤充分混合后再采用四分法取樣，每份樣本約1 kg土壤，共取4份樣本，將土壤樣本風干并剔除雜質后，測定土壤理化性質如下：土壤pH值6.18，有機質含量19.43 g/kg，全氮含量0.88 g/kg，全磷含量 0.23 g/kg，速效磷含量10.19 mg/kg，速效氮含量36.37 mg/kg，速效鉀含量91.39 mg/kg。此外，還特別定制了4個規(guī)格為45 cm×45 cm×40 cm的有機玻璃密封箱，用以隔絕空氣。試驗時先將青菜幼苗盆栽放入密封箱內(nèi)，之后再將裝有青菜幼苗盆栽的密封箱放入人工氣候箱內(nèi)進行培養(yǎng)，以排除外界原有CO2對青菜幼苗的影響。

1.2 試驗方法

試驗第一部分為CO2液態(tài)水的碳釋放規(guī)律研究，第二部分為種植試驗階段研究。種植試驗以CO2液態(tài)肥為試驗因素，共設計了2個處理：處理1，在密封箱內(nèi)擺放CO2液態(tài)肥。處理1中有3組密封箱（每組均有1個尺寸為45 cm×45 cm×40 cm的有機玻璃密封箱），每組密封箱中各擺放9個青菜幼苗盆栽，均施用CO2液態(tài)肥，并將密封箱放入人工氣候培養(yǎng)箱中（光照條件為晝夜交替各12 h，溫度設為20 ℃，濕度為75%）進行培養(yǎng)。一般葉類植物生長所需CO2為90 g/m3，本試驗種植青菜一組葉面積約為1 000 cm3，需二氧化碳90 mg。根據(jù)碳釋放規(guī)律可知，供試CO2液態(tài)水每升可生成CO2質量為108.36 mg，因此需擺放CO2液態(tài)水體積為0.83 L。處理2：密封箱內(nèi)不擺放CO2液態(tài)肥。處理2為空白對照組（CK），對照組同樣有3組密封箱（尺寸規(guī)格與處理1相同），每組擺放了9個與試驗組同一品種的青菜盆栽，同樣放入人工氣候培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，且除不擺放CO2液態(tài)肥外其他生長條件和管理措施與處理1完全相同。

1.3 試驗過程

試驗初為明確所制備CO2液態(tài)水的施用期和試驗過程中液態(tài)肥的施用次數(shù)，先對其碳釋放規(guī)律進行了研究。主要方法是通過實驗室自有總有機碳（TOC）儀對溶液中的總碳（TC）含量的變化進行測定，并根據(jù)所記錄數(shù)據(jù)總結出碳釋放規(guī)律。

試驗第二部分于2019年12月18日開始。首先，將裝有植株幼苗的密封箱放置在人工氣候箱內(nèi)進行培養(yǎng)，培養(yǎng)箱溫度設置為20 ℃，濕度為75%。光照條件設為日光、黑夜模式交替進行，2種模式各設置12 h以保證植株能有充足的光照時間，并在植株幼苗期施用CO2液態(tài)肥。根據(jù)計算，須擺放0.83 L CO2液態(tài)水。2020年1月7日CO2液態(tài)肥施用期結束，將植株轉移至溫室大棚進行正常種植。分別于1月23日和2月4日對植株進行觀測，發(fā)現(xiàn)處理1的植株明顯優(yōu)于CK組。此后，每隔5 d對植株觀測1次，直至2月17日作物完全成熟。稱取收獲期作物鮮質量和干質量，測定作物中維生素C、蛋白質、硝酸鹽、葉綠素含量以及葉片中氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，記錄數(shù)據(jù)并進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進行所采集數(shù)據(jù)的處理，并使用Origin 2019b繪制各營養(yǎng)物質含量圖。

2 結果與分析

2.1 CO2液態(tài)水碳釋放規(guī)律研究

經(jīng)TOC儀測定，自制CO2液態(tài)水初始總碳含量為128.80 mg/L，5 d后測得溶液含量為37.61 mg/L，平均每天碳釋放速率為18.24 mg/（L·d）。再過 6 d 后，溶液中總碳含量已降至20.44 mg/L，平均每天碳釋放速率為2.86 mg/（L·d），此時液態(tài)肥溶液中的總碳含量已經(jīng)與自來水中的總碳含量相當。整個CO2液態(tài)水碳釋放持續(xù)了11 d，之后維持穩(wěn)定。觀察圖1中碳釋放數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，CO2液態(tài)水的碳釋放主要集中在前5 d，這個階段碳釋放速率較快，比后6 d的釋放速率高了5.38倍。研究CO2液態(tài)水的碳釋放規(guī)律，可以確定其有效施用期，并且可據(jù)此確定在種植青菜的過程中需要施用液態(tài)肥的次數(shù)。

2.2 施加二氧化碳液態(tài)肥對青菜鮮質量和干質量的影響

在本試驗中，對成熟植株進行了取樣并用清水洗清雜質自然晾干后測定鮮質量。處理1中植株每3顆為1組，測得3組鮮質量分別為141.06、140.11、136.28 g。經(jīng)過后續(xù)計算求得處理1單株青菜地上部鮮質量平均值為43.48 g，標準差為5.23 g，地下部鮮質量平均值為2.90 g，標準差為0.13 g。對照組（CK）同樣每3顆植株為1組，測得3組分別為104.21、126.72、125.28 g。對照組單株青菜地上部鮮質量平均值為37.19 g，標準差為5.88 g，地下部鮮質量為2.39 g，標準差為0.71 g。測量結束后將植株殺青烘干，測得其干質量。處理1測得3組干質量分別為20.20、20.09、19.89 g，對照組（CK）分別為14.39、17.84、15.36 g。由圖2和圖3可以看出，施用CO2液態(tài)肥后無論是地上部鮮質量還是地下部鮮質量含量均比對照組要高，且差異顯著。處理組單株青菜的地上部鮮質量和地下部鮮質量分別是對照組的1.24倍和1.28倍。且處理組單株青菜干質量比對照組提高了26.47%。整體表明，施加二氧化碳液態(tài)肥會提高植株鮮質量和干質量的含量，有利于植物干物質的積累。

2.3 施加二氧化碳液態(tài)肥對青菜葉綠素含量的影響

葉綠素是植株中的主要光合色素，也是表明大多數(shù)植物本身衰老程度的標志。較高的葉綠素含量（SPAD值）能加強植物的光合作用，有利于營養(yǎng)物質的積累，使植株維持在較好的生長狀態(tài)。試驗分別對處理組和試驗組中青菜的葉綠素含量進行測定，并將測得數(shù)據(jù)計算分析。數(shù)據(jù)表明，施用二氧化碳液態(tài)肥的處理組中青菜相對葉綠素含量平均值為45.82 g，標準差為1.73 g。對照組相對葉綠素含量平均值為44.62 g，標準差為0.42 g。結合圖4可以看出，處理組和CK的葉綠素含量大致處于持平狀態(tài)。試驗結果說明，相比于對照組，處理組的SPAD值并沒有顯著變化，表明施加二氧化碳液態(tài)肥并不能促進植株體內(nèi)的葉綠素含量增多。

2.4 施加二氧化碳液態(tài)肥對青菜品質的影響

植株品質的好壞可以根據(jù)植株體內(nèi)營養(yǎng)物質含量的高低來評判。一般植物體內(nèi)的營養(yǎng)物質主要包括蛋白質、維生素C、硝酸鹽以及氮磷鉀等無機鹽。維生素C廣泛存在于各類植物中，可以促進人體對營養(yǎng)物質的吸收，提高人體免疫力。但人體并不能自行合成維生素C，需要從外界進行維生素C的攝入，所以維生素C含量的高低可以作為評定植株品質的重要指標。試驗分別對處理組和對照組中青菜維生素C含量進行測定，并分別算出其平均值和標準差。處理組中青菜維生素C含量平均值為32.84 mg/kg，計算標準差為4.16 mg/kg，對照組中維生素C含量平均值為13.26 mg/kg，標準差為3.75 mg/kg。結合圖5可以看出，施用二氧化碳液態(tài)肥的處理組中維生素C含量顯著高于對照組中維生素C含量，處理組中維生素C含量比對照組中維生素C含量提高了1.48倍。蛋白質是組成骨骼的重要部分，對人體同樣重要。1個成人平均每天需要攝入80～90 g蛋白質維持機體需要，因此蛋白質同樣可作為評判植株品質的標準。試驗以同樣方法計算處理組和對照組中蛋白質含量平均值及標準差。計算數(shù)據(jù)顯示，處理組中青菜蛋白質含量平均值為387.76 mg/kg，計算標準差為9.33 mg/kg，對照組蛋白質含量平均值為298.87 mg/kg，標準差為32.15 mg/kg。結合圖6可以看出，處理組中青菜蛋白質含量也有所提高，施用CO2液態(tài)肥的處理組中青菜蛋白質含量比對照組中蛋白質含量高出了0.30倍。人體每天攝入的硝酸鹽來源大約有80%來自蔬菜，過多攝入硝酸鹽會對人體的消化系統(tǒng)造成危害，增加患病的風險，測定植株中的硝酸鹽含量就顯得很有必要。試驗測得處理組中青菜硝酸鹽含量平均值為4 481.72 mg/kg，標準差為 50.42 mg/kg，對照組中青菜硝酸鹽含量平均值為 3 424.15 mg/kg，標準差為 155.33 mg/kg。結合圖7可以看出，處理組中青菜硝酸鹽含量為對照組的1.31倍，且硝酸鹽含量會顯著高于對照組。氮元素能促進莖葉生長，植物生長過程中缺少氮元素作物產(chǎn)量會大大降低。試驗對青菜中全氮含量進行了測定，處理組青菜全氮含量占比為3.46%，而對照組中全氮含量占比則為4.12%（圖8），處理組全氮含量較對照組下降了0.66百分點。這表明施用了CO2液態(tài)肥的試驗組中全氮含量出現(xiàn)了明顯的負相關，即施用CO2液態(tài)肥不能提高青菜的全氮含量，反而會使其降低。除全氮含量外，處理組青菜全鉀和全磷含量均明顯高于CK（圖9、圖10）。處理組中青菜全鉀含量為3.47%，全磷含量為0.35%，對照組中全鉀含量為3.22%，全磷含量為0.29%，分別提高了0.25百分點和0.06百分點。綜上所述，施用CO2液態(tài)肥后青菜中營養(yǎng)物質除全氮含量下降外，其余營養(yǎng)物質含量均出現(xiàn)顯著提高。

3 結論與討論

張樹生等在研究CO2對葉類植物的影響時發(fā)現(xiàn)，增加CO2濃度會使平均單株生菜的鮮質量增加121.8 g，比對照組提高了135%，青菜增加223.6 g，比對照組提高了332%[7]。張志明等在研究CO2對番茄品質的影響時也發(fā)現(xiàn)，CO2施肥使單株番茄的鮮質量和干質量均顯著增加，單株番茄各個時期的鮮質量增加了29.95%～42.66%，單株番茄干質量較對照組最大提高了41.28%[8]。這些研究結果均與本試驗一致，相較于對照組，施用CO2液態(tài)肥的處理組單株青菜的鮮質量[8]和干質量均明顯提高，提升了產(chǎn)量。葉綠素對植株的光合作用起著至關重要的作用。袁宏霞等研究了番茄從幼苗到老化整個階段的葉綠素含量變化發(fā)現(xiàn)，高濃度CO2會提高葉綠素a的含量，但葉綠素b的含量會降低[9]。而趙國錦研究番茄光合特性時則發(fā)現(xiàn)，高濃度CO2處理番茄后60 d時，葉綠素a和葉綠素b含量均出現(xiàn)降低[10]。本試驗則在研究施加CO2液態(tài)肥對青菜中葉綠素含量的影響時發(fā)現(xiàn)，CO2處理對青菜中葉綠素含量的影響不顯著。

植株的品質直接決定了它的經(jīng)濟效益，而植株的品質則取決于其營養(yǎng)物質（維生素C、蛋白質、氮、磷、鉀等）的含量。孫培良等對同一天采摘的番茄進行維生素C含量的測定時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)CO2處理的番茄中維生素C含量為7.9 g/kg，較對照組的5.4 g/kg提高了46.3%[11]。孫潛等研究黃瓜光合特性時同樣發(fā)現(xiàn)，不同CO2濃度均能提高黃瓜的維生素C含量[12]。在本試驗中，經(jīng)CO2液態(tài)肥處理的青菜維生素C含量同樣得到了提高，比對照組增加了2.48倍。此外，青菜中蛋白質含量也由298.87 mg/kg增加到了387.76 mg/kg，提高了0.3倍。李娟等在研究番茄幼苗葉片中碳、氮積累時發(fā)現(xiàn)，番茄葉片中全氮含量在前期會減少，但后期無影響[13]。而于承艷等的研究同樣驗證了這一點，同時于承艷等認為番茄葉片中全氮含量降低是由于番茄生物量的增加幅度為60%，超過了氮吸收量的增加幅度30%[14]。這些研究結果與本試驗的結果是相似的。在本試驗中，處理組的青菜除全氮含量下降外，全鉀和全磷含量也均明顯提高。

綜上，施用這種CO2液態(tài)肥會使青菜鮮質量和干質量明顯增加，而且除全氮含量有所下降外，其他營養(yǎng)物質含量如維生素C、蛋白質、硝酸鹽及全磷、全鉀含量均明顯提高。由此可見，施用這種CO2液態(tài)肥會有效提高青菜體內(nèi)營養(yǎng)物質含量，對青菜生長有積極影響，也證明了將沼氣提純時分離出的CO2制成CO2液態(tài)肥，并用于促進青菜生長是完全可行的。

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