施用二氧化碳液态肥对青菜生长和品质的影响

2021-01-07贾昭炎奚永兰王莉叶小梅王成成刘洋杜静孔祥平肖清波

江苏农业科学 2021年24期

贾昭炎奚永兰王莉叶小梅王成成刘洋杜静孔祥平肖清波

摘要：将二氧化碳液态水（在沼气提纯中将CO2经高压水连续微混合乳化脱碳后形成的CO2乳液，由南京工业大学研制）应用于植株生长，考察其作为二氧化碳液态肥对植株生长状况的影响。为明确CO2液态肥对植株的影响，以青菜为试验对象进行为期61 d的种植试验，研究二氧化碳液态水碳释放规律，分别测定了成熟植株维生素C、蛋白质、硝酸盐、叶绿素含量以及叶片中氮、磷、钾等养分含量。试验结果表明，二氧化碳液态水的碳释放期为11 d;碳释放主要集中在试验前5 d，此时溶液中总碳含量会由128.80 mg/L降至37.61 mg/L，在11 d时碳含量降至20.44 mg/L且在之后含量维持稳定，此时溶液中的碳含量与自来水中的碳含量相当。在种植试验中，施用CO2液态肥后的植株鲜质量明显增加，而对叶绿素含量则无明显变化，而且试验组中除全氮含量下降以外，其余营养物质含量（如蛋白质、全磷、硝酸盐、维生素C含量）均明显增加，表明施用CO2液态肥能有效提高青菜体内营养物质的含量，对青菜的生长起到积极的影响，这为沼气分离出的CO2提供了新的利用途径。

关键词：液态肥;二氧化碳;碳释放;青菜;氮磷钾;品质

中图分类号： S634.306文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）24-0154-05

收稿日期：2021-04-15

基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFD1100600）;国家自然科学基金（编号：22078136）;江苏省自然科学基金（编号：BK20201242）。

作者简介：贾昭炎（1997—），男，河南濮阳人，硕士研究生，主要从事农业废弃物资源化利用研究。E-mail：2212016017@stmail.ujs.edu.cn。

通信作者：肖清波，博士，副研究员，主要从事生物质能源领域研究。E-mail：qbxiao@jaas.ac.cn。

青菜（Brassica chinensis），别称上海白菜、青梗白菜、小白菜等，江浙一带也称小青菜，是华东地区较为常见的青菜品种。其叶片碧绿，叶柄嫩白肥厚，株型束腰，外形美观，富含蛋白质、粗纤维、多种维生素等多种对人体有益的物质，营养价值高。且青菜对种植环境要求低，生长期短。二氧化碳（CO2）通常被认为是对环境有负面影响的温室效应气体，在引起全球变暖的气体成分中二氧化碳的占比达55%。据统计，截至2018年，我国每年CO2的排放量为1亿t，总CO2排放量达到了93.1亿t，其中大部分二氧化碳来源于工业加工和固体燃料的燃烧[1]。二氧化碳也是一种宝贵的资源，如植物生长过程中CO2的作用就不容忽视。植物需要利用CO2进行光合作用和蒸腾作用，这是其最基本的生理活动，有利于植株更好地进行新陈代谢，积累营养物质。据了解，空气中CO2浓度在350 mg/kg左右，而最有利于大多数植株进行生长的CO2浓度是800～1 000 mg/kg[2]。也就是说，空气中CO2浓度仅达到植株最适宜生长的CO2浓度的35%～40%，显然其含量远远不够。而且很多蔬菜瓜果类植物采用大棚种植，由于大棚的封闭性导致空气流动性下降，进而引起CO2含量匮乏，严重时可能会使植物不再进行光合作用，作物产量也随之下降[3-5]。这种情况下，应当采取有效措施来提高植物生长所需的CO2浓度。比如，可以将沼气生产后生成的CO2制成液态肥用作植物养料，既可以补充植物所亏缺的CO2，又可以避免二次污染。相比于传统的固态肥料，液态肥料更有利于作物的吸收，吸收效率可以达到80%，比固体肥料高50%左右;且施用液态二氧化碳可以增强植株的光合作用，有利于植株积累更多的干物质[6]。目前沼气净化中分离的CO2主要是将其制备成附加值很低的干冰或液态CO2，此外，还有人将沼气中的CO2通过微藻的光合作用转化为油脂，但是培养周期长，油脂产量低，难以投入实际应用。采用稀氨水吸收沼气中的CO2制备碳酸氢铵则缺乏市场竞争力，并且会影响生物甲烷品质。这样一来，分离的CO2大多数会被排空，形成二次温室气体排放。目前经过不断地优化和发展，我国已经形成了一套成熟的制取高纯度液态二氧化碳的工艺技术，南京工业大学自行研制出一种CO2乳液，这种CO2乳液是在进行沼气提纯时，将CO2经高压水连续微混合乳化脱碳后形成的。本研究采用这种液态肥，并以青菜为研究对象，通过测定施用CO2液态肥的植株中蛋白质、硝酸盐、维生素C、氮磷钾等含量，来考察CO2液态肥对青菜生长的影响，以期建立沼气的低成本高效的CO2就地轉化综合利用路线，为沼气分离出的CO2提供新的利用途径。

1 材料与方法

1.1 试验场地和试验材料

试验于2019年12月18日至2020年2月17日在江苏省南京市农业科学研究院（118°87″E，32°03″N）进行，从青菜种植到成熟，实际种植天数为 61 d。试验地区位于我国东部，属于亚热带季风性气候，适合作物生长。研究的供试植株为一批外形和生长状况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，盆栽选用透气性好且不用经常更换的陶盆，而且为保证排水通畅，还在陶盆底部加入了厚1 cm左右的小石子。供试CO2液态肥由南京工业大学研制提供。栽培土壤选自江苏省泰州市白马镇“苏翠1号”梨园，选取土壤时尽量避免施肥区域，并采用三角法钻取3个点进行取土，取土深度为0～30 cm，将三点取得的土壤充分混合后再采用四分法取样，每份样本约1 kg土壤，共取4份样本，将土壤样本风干并剔除杂质后，测定土壤理化性质如下：土壤pH值6.18，有机质含量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，速效钾含量91.39 mg/kg。此外，还特别定制了4个规格为45 cm×45 cm×40 cm的有机玻璃密封箱，用以隔绝空气。试验时先将青菜幼苗盆栽放入密封箱内，之后再将装有青菜幼苗盆栽的密封箱放入人工气候箱内进行培养，以排除外界原有CO2对青菜幼苗的影响。

1.2 试验方法

试验第一部分为CO2液态水的碳释放规律研究，第二部分为种植试验阶段研究。种植试验以CO2液态肥为试验因素，共设计了2个处理：处理1，在密封箱内摆放CO2液态肥。处理1中有3组密封箱（每组均有1个尺寸为45 cm×45 cm×40 cm的有机玻璃密封箱），每组密封箱中各摆放9个青菜幼苗盆栽，均施用CO2液态肥，并将密封箱放入人工气候培养箱中（光照条件为昼夜交替各12 h，温度设为20 ℃，湿度为75%）进行培养。一般叶类植物生长所需CO2为90 g/m3，本试验种植青菜一组叶面积约为1 000 cm3，需二氧化碳90 mg。根据碳释放规律可知，供试CO2液态水每升可生成CO2质量为108.36 mg，因此需摆放CO2液态水体积为0.83 L。处理2：密封箱内不摆放CO2液态肥。处理2为空白对照组（CK），对照组同样有3组密封箱（尺寸规格与处理1相同），每组摆放了9个与试验组同一品种的青菜盆栽，同样放入人工气候培养箱中进行培养，且除不摆放CO2液态肥外其他生长条件和管理措施与处理1完全相同。

1.3 试验过程

试验初为明确所制备CO2液态水的施用期和试验过程中液态肥的施用次数，先对其碳释放规律进行了研究。主要方法是通过实验室自有总有机碳（TOC）仪对溶液中的总碳（TC）含量的变化进行测定，并根据所记录数据总结出碳释放规律。

试验第二部分于2019年12月18日开始。首先，将装有植株幼苗的密封箱放置在人工气候箱内进行培养，培养箱温度设置为20 ℃，湿度为75%。光照条件设为日光、黑夜模式交替进行，2种模式各设置12 h以保证植株能有充足的光照时间，并在植株幼苗期施用CO2液态肥。根据计算，须摆放0.83 L CO2液态水。2020年1月7日CO2液态肥施用期结束，将植株转移至温室大棚进行正常种植。分别于1月23日和2月4日对植株进行观测，发现处理1的植株明显优于CK组。此后，每隔5 d对植株观测1次，直至2月17日作物完全成熟。称取收获期作物鲜质量和干质量，测定作物中维生素C、蛋白质、硝酸盐、叶绿素含量以及叶片中氮、磷、钾等养分含量，记录数据并进行分析。

1.4 数据分析

采用Excel 2007进行所采集数据的处理，并使用Origin 2019b绘制各营养物质含量图。

2 结果与分析

2.1 CO2液态水碳释放规律研究

经TOC仪测定，自制CO2液态水初始总碳含量为128.80 mg/L，5 d后测得溶液含量为37.61 mg/L，平均每天碳释放速率为18.24 mg/（L·d）。再过 6 d 后，溶液中总碳含量已降至20.44 mg/L，平均每天碳释放速率为2.86 mg/（L·d），此时液态肥溶液中的总碳含量已经与自来水中的总碳含量相当。整个CO2液态水碳释放持续了11 d，之后维持稳定。观察图1中碳释放数据可以发现，CO2液态水的碳释放主要集中在前5 d，这个阶段碳释放速率较快，比后6 d的释放速率高了5.38倍。研究CO2液态水的碳释放规律，可以确定其有效施用期，并且可据此确定在种植青菜的过程中需要施用液态肥的次数。

2.2 施加二氧化碳液态肥对青菜鲜质量和干质量的影响

在本试验中，对成熟植株进行了取样并用清水洗清杂质自然晾干后测定鲜质量。处理1中植株每3颗为1组，测得3组鲜质量分别为141.06、140.11、136.28 g。经过后续计算求得处理1单株青菜地上部鲜质量平均值为43.48 g，标准差为5.23 g，地下部鲜质量平均值为2.90 g，标准差为0.13 g。对照组（CK）同样每3颗植株为1组，测得3组分别为104.21、126.72、125.28 g。对照组单株青菜地上部鲜质量平均值为37.19 g，标准差为5.88 g，地下部鲜质量为2.39 g，标准差为0.71 g。测量结束后将植株杀青烘干，测得其干质量。处理1测得3组干质量分别为20.20、20.09、19.89 g，对照组（CK）分别为14.39、17.84、15.36 g。由图2和图3可以看出，施用CO2液态肥后无论是地上部鲜质量还是地下部鲜质量含量均比对照组要高，且差异显著。处理组单株青菜的地上部鲜质量和地下部鲜质量分别是对照组的1.24倍和1.28倍。且处理组单株青菜干质量比对照组提高了26.47%。整体表明，施加二氧化碳液态肥会提高植株鲜质量和干质量的含量，有利于植物干物质的积累。

2.3 施加二氧化碳液态肥对青菜叶绿素含量的影响

叶绿素是植株中的主要光合色素，也是表明大多数植物本身衰老程度的标志。较高的叶绿素含量（SPAD值）能加强植物的光合作用，有利于营养物质的积累，使植株维持在较好的生长状态。试验分别对处理组和试验组中青菜的叶绿素含量进行测定，并将测得数据计算分析。数据表明，施用二氧化碳液态肥的处理组中青菜相对叶绿素含量平均值为45.82 g，标准差为1.73 g。对照组相对叶绿素含量平均值为44.62 g，标准差为0.42 g。结合图4可以看出，处理组和CK的叶绿素含量大致处于持平状态。试验结果说明，相比于对照组，处理组的SPAD值并没有显著变化，表明施加二氧化碳液态肥并不能促进植株体内的叶绿素含量增多。

2.4 施加二氧化碳液态肥对青菜品质的影响

植株品质的好坏可以根据植株体内营养物质含量的高低来评判。一般植物体内的营养物质主要包括蛋白质、维生素C、硝酸盐以及氮磷钾等无机盐。维生素C广泛存在于各类植物中，可以促进人体对营养物质的吸收，提高人体免疫力。但人体并不能自行合成维生素C，需要从外界进行维生素C的摄入，所以维生素C含量的高低可以作为评定植株品质的重要指标。试验分别对处理组和对照组中青菜维生素C含量进行测定，并分别算出其平均值和标准差。处理组中青菜维生素C含量平均值为32.84 mg/kg，计算标准差为4.16 mg/kg，对照组中维生素C含量平均值为13.26 mg/kg，标准差為3.75 mg/kg。结合图5可以看出，施用二氧化碳液态肥的处理组中维生素C含量显著高于对照组中维生素C含量，处理组中维生素C含量比对照组中维生素C含量提高了1.48倍。蛋白质是组成骨骼的重要部分，对人体同样重要。1个成人平均每天需要摄入80～90 g蛋白质维持机体需要，因此蛋白质同样可作为评判植株品质的标准。试验以同样方法计算处理组和对照组中蛋白质含量平均值及标准差。计算数据显示，处理组中青菜蛋白质含量平均值为387.76 mg/kg，计算标准差为9.33 mg/kg，对照组蛋白质含量平均值为298.87 mg/kg，标准差为32.15 mg/kg。结合图6可以看出，处理组中青菜蛋白质含量也有所提高，施用CO2液态肥的处理组中青菜蛋白质含量比对照组中蛋白质含量高出了0.30倍。人体每天摄入的硝酸盐来源大约有80%来自蔬菜，过多摄入硝酸盐会对人体的消化系统造成危害，增加患病的风险，测定植株中的硝酸盐含量就显得很有必要。试验测得处理组中青菜硝酸盐含量平均值为4 481.72 mg/kg，标准差为 50.42 mg/kg，对照组中青菜硝酸盐含量平均值为 3 424.15 mg/kg，标准差为 155.33 mg/kg。结合图7可以看出，处理组中青菜硝酸盐含量为对照组的1.31倍，且硝酸盐含量会显著高于对照组。氮元素能促进茎叶生长，植物生长过程中缺少氮元素作物产量会大大降低。试验对青菜中全氮含量进行了测定，处理组青菜全氮含量占比为3.46%，而对照组中全氮含量占比则为4.12%（图8），处理组全氮含量较对照组下降了0.66百分点。这表明施用了CO2液态肥的试验组中全氮含量出现了明显的负相关，即施用CO2液态肥不能提高青菜的全氮含量，反而会使其降低。除全氮含量外，处理组青菜全钾和全磷含量均明显高于CK（图9、图10）。处理组中青菜全钾含量为3.47%，全磷含量为0.35%，对照组中全钾含量为3.22%，全磷含量为0.29%，分别提高了0.25百分点和0.06百分点。综上所述，施用CO2液态肥后青菜中营养物质除全氮含量下降外，其余营养物质含量均出现显著提高。

3 结论与讨论

张树生等在研究CO2对叶类植物的影响时发现，增加CO2浓度会使平均单株生菜的鲜质量增加121.8 g，比对照组提高了135%，青菜增加223.6 g，比对照组提高了332%[7]。张志明等在研究CO2对番茄品质的影响时也发现，CO2施肥使单株番茄的鲜质量和干质量均显著增加，单株番茄各个时期的鲜质量增加了29.95%～42.66%，单株番茄干质量较对照组最大提高了41.28%[8]。这些研究结果均与本试验一致，相较于对照组，施用CO2液态肥的处理组单株青菜的鲜质量[8]和干质量均明显提高，提升了产量。叶绿素对植株的光合作用起着至关重要的作用。袁宏霞等研究了番茄从幼苗到老化整个阶段的叶绿素含量变化发现，高浓度CO2会提高叶绿素a的含量，但叶绿素b的含量会降低[9]。而赵国锦研究番茄光合特性时则发现，高浓度CO2处理番茄后60 d时，叶绿素a和叶绿素b含量均出现降低[10]。本试验则在研究施加CO2液态肥对青菜中叶绿素含量的影响时发现，CO2处理对青菜中叶绿素含量的影响不显著。

植株的品质直接决定了它的经济效益，而植株的品质则取决于其营养物质（维生素C、蛋白质、氮、磷、钾等）的含量。孙培良等对同一天采摘的番茄进行维生素C含量的测定时发现，经CO2处理的番茄中维生素C含量为7.9 g/kg，较对照组的5.4 g/kg提高了46.3%[11]。孙潜等研究黄瓜光合特性时同样发现，不同CO2浓度均能提高黄瓜的维生素C含量[12]。在本试验中，经CO2液态肥处理的青菜维生素C含量同样得到了提高，比对照组增加了2.48倍。此外，青菜中蛋白质含量也由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叶片中碳、氮积累时发现，番茄叶片中全氮含量在前期会减少，但后期无影响[13]。而于承艳等的研究同样验证了这一点，同时于承艳等认为番茄叶片中全氮含量降低是由于番茄生物量的增加幅度為60%，超过了氮吸收量的增加幅度30%[14]。这些研究结果与本试验的结果是相似的。在本试验中，处理组的青菜除全氮含量下降外，全钾和全磷含量也均明显提高。

综上，施用这种CO2液态肥会使青菜鲜质量和干质量明显增加，而且除全氮含量有所下降外，其他营养物质含量如维生素C、蛋白质、硝酸盐及全磷、全钾含量均明显提高。由此可见，施用这种CO2液态肥会有效提高青菜体内营养物质含量，对青菜生长有积极影响，也证明了将沼气提纯时分离出的CO2制成CO2液态肥，并用于促进青菜生长是完全可行的。

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