侯樸凡，劉中華，馮慧敏，馬群蕾，吳 茜，由 鑫

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷030801)

0 引言

CO2是植物進(jìn)行光合作用的主要原料之一，在溫室中，CO2濃度會(huì)影響作物的光合效率，從而影響作物的生長發(fā)育，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量[1]。在溫室中，作物在白天進(jìn)行光合作用時(shí)會(huì)大量吸收CO2，從而導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度大幅度降低。溫室中CO2濃度變化的基本規(guī)律：夜間作物進(jìn)行呼吸作用釋放CO2，使室內(nèi)CO2濃度升高，日出前可達(dá)450 μmol/mol，隨著光照強(qiáng)度的增加，作物光合作用增強(qiáng)，CO2濃度逐漸下降，最低為80 μmol/mol，而蔬菜作物的CO2飽和點(diǎn)是1 000～1 600 μmol/mol[2-3]。在溫室冬季生產(chǎn)中，為保證一定的室內(nèi)溫度，缺乏足夠的通風(fēng)換氣，室內(nèi)CO2濃度達(dá)不到作物生長的正常需求，因此，通過增施CO2來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的CO2濃度，能夠有效地提高溫室的生產(chǎn)效益。

國外在溫室CO2施肥方面進(jìn)行了大量的研究且取得了顯著的效果，從1920年德國提出“碳酸氣施肥”后，荷蘭、美國、日本等地開始了大規(guī)模的應(yīng)用。隨著試驗(yàn)條件的迅速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)CO2施肥技術(shù)的研究更加深入，在不同種類作物、同一作物不同時(shí)期對CO2的需求、不同濃度的CO2對作物的生長影響等方面都有了很大的進(jìn)展。國外施用CO2主要采取規(guī)?；绞剑商m、加拿大等地處高緯度，早春氣溫低，光照不足，多采用燃燒天然氣的方法，將CO2通過管道運(yùn)輸?shù)街参镏車幌募竟庹諘r(shí)間充足，則使用CO2鋼瓶直接增施[4]。

國內(nèi)學(xué)者在CO2施肥方面也取得了一定的成果。張晶丹等[5]監(jiān)測了喀左地區(qū)日光溫室內(nèi)種植的茄果類蔬菜生長期CO2的變化規(guī)律并提出了補(bǔ)充CO2的時(shí)間。李向前等[6]在石家莊地區(qū)試驗(yàn)了CO2氣肥在日光溫室黃瓜上的應(yīng)用，研究表明增施CO2可提高植株抗病性。HAO Pengfei等[7]發(fā)現(xiàn)在溫室內(nèi)富集CO2可提高番茄的生長和果實(shí)品質(zhì)。李靖等[8]研究了在不同CO2濃度施肥情況下溫室番茄果實(shí)積硒效應(yīng)的變化規(guī)律，研究表明，隨著CO2濃度升高，番茄果實(shí)內(nèi)硒含量明顯提升。武佩琪等[9]研究了增施CO2對西瓜品質(zhì)的影響。孫茜等[10]研究了CO2微加富與常規(guī)CO2濃度相比，CO2加富后，可以降低灌溉液最適營養(yǎng)液EC值，通過氣肥的補(bǔ)充而減少根肥的用量。WANG Yan等[11]制備了一種受多酚化學(xué)啟發(fā)的緩釋CO2氣肥，可改善植物的光合作用。劉中華等[12-14]設(shè)計(jì)了CO2智能釋放系統(tǒng)，配合管送式溫室農(nóng)藥氣化裝置，實(shí)現(xiàn)了CO2氣肥和農(nóng)藥同時(shí)施用。

目前國內(nèi)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的增施CO2的方法有CO2鋼瓶法、有機(jī)堆肥法、化學(xué)法等[15-17]。采用鋼瓶釋放CO2便于控制用量，但存在成本較高與不便運(yùn)輸?shù)膯栴}。有機(jī)堆肥法雖成本低但不便于控制CO2釋放的濃度與時(shí)間?；瘜W(xué)法增施CO2可通過電加熱碳酸氫銨、含有碳酸根負(fù)離子的鹽(碳酸氫銨、碳酸銨、碳酸鈉等)和硫酸反應(yīng)等方法生成CO2[18-21]。

為了降低溫室生產(chǎn)時(shí)施加CO2氣肥的成本，本試驗(yàn)采用常見的建筑所用石子(主要成分為CaCO3)與鹽酸反應(yīng)，探討在溫室生產(chǎn)中適用的CO2制備方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

制取CO2氣體的原料為建筑石子(主要成分為CaCO3)；鹽酸(濃度為4、6、8、10和12 mol/L)。

1.2 試驗(yàn)方法

由化學(xué)反應(yīng)方程式CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑可知，1 g CaCO3若要完全反應(yīng)，需要0.73 g的HCl，即1.7 mL的36%濃鹽酸，反應(yīng)可生成0.44 g CO2氣體，即224 mL。由于石子中含有大量雜質(zhì)，無法確定所含CaCO3的質(zhì)量，所以用等量的不同濃度鹽酸與過量的石子反應(yīng)，并稱量反應(yīng)前后石子的質(zhì)量。生成的CO2氣體用排水法收集(圖1)，每個(gè)集氣量筒的體積為300 mL。

圖1 排水法示意

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鹽酸對CO2生成量的影響

不同濃度鹽酸與石子反應(yīng)收集到的CO2體積與時(shí)間關(guān)系如圖2所示。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CO2生成量逐漸增大。反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，鹽酸被消耗，氫離子的濃度越來越小，反應(yīng)逐漸趨于平緩，直至不再反應(yīng)。鹽酸濃度越高，收集到的CO2體積也越大。

圖2 收集到的CO2體積與時(shí)間的關(guān)系

2.2 不同濃度鹽酸對CO2生成速率的影響

不同濃度鹽酸與石子反應(yīng)的CO2發(fā)生速率與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CO2的生成速率逐漸降低。在反應(yīng)初期，向反應(yīng)器內(nèi)加入鹽酸，鹽酸剛接觸石子開始反應(yīng)，此時(shí)鹽酸尚未完全接觸石子，因此反應(yīng)初期的速率較小。鹽酸與石子完全接觸后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CO2的生成速率總體呈下降趨勢。除12 mol/L的鹽酸外，其余濃度的鹽酸與石子反應(yīng)速率都比較平穩(wěn)。反應(yīng)進(jìn)行到平穩(wěn)狀態(tài)后，在同一時(shí)刻，鹽酸濃度越高，CO2生成速率越快，因此在溫室生產(chǎn)中，為使溫室內(nèi)CO2濃度盡快達(dá)到作物生長需求，可采用12 mol/L的濃鹽酸與石子反應(yīng)。

圖3 CO2發(fā)生速率與時(shí)間的關(guān)系

2.3 CO2生成量對比

相同體積、不同濃度的鹽酸與石子反應(yīng)所制備CO2的體積及產(chǎn)氣率如表1所示。CO2預(yù)計(jì)生成體積與實(shí)際生成體積對比如圖4所示，不同濃度的鹽酸生成CO2的產(chǎn)氣率大致接近。在實(shí)際溫室生產(chǎn)中，為操作方便，可直接使用工業(yè)鹽酸反應(yīng)，無需稀釋。

表1 CO2產(chǎn)量及產(chǎn)氣率

圖4 CO2預(yù)計(jì)生成體積與實(shí)際生成體積

2.4 石子在鹽酸中溶解機(jī)理

石子在鹽酸中反應(yīng)前后對比如圖5所示，反應(yīng)前后的石子形狀并無變化，只是體積變小。石子溶解示意如圖6所示，當(dāng)石子完全浸入鹽酸后，反應(yīng)在石子表面各處同時(shí)進(jìn)行，石子均勻地向內(nèi)溶解，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，石子表面形成了越來越多的溶解通道，石子體積和表面積越大，向內(nèi)溶解的長度越小。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，為提高石子中碳酸鈣的利用率，應(yīng)盡量使用體積較小的石子。

圖5 石子反應(yīng)前后對比

圖6 石子溶解示意

3 討論與結(jié)論

不同濃度的鹽酸與石子反應(yīng)產(chǎn)生的CO2體積和生成CO2速率不同，CO2生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸濃度越高，生成CO2的體積越大，CO2生成速率越快。因此在溫室生產(chǎn)施加CO2時(shí)，可采用12 mol/L的鹽酸與建筑石子反應(yīng)，通過CO2智能釋放系統(tǒng)，使室內(nèi)CO2濃度快速達(dá)到植物生長所需水平。

CO2鋼瓶直接增施是溫室生產(chǎn)中使用較多的CO2施肥方法，但鋼瓶釋放CO2成本較高，20 kg液態(tài)CO2售價(jià)為35元，而建筑石子和鹽酸價(jià)格較低，相同成本情況下本研究的反應(yīng)可得到50 kg CO2，反應(yīng)生成的氯化鈣脫水后可用作除雪劑和干燥劑，有效降低溫室生產(chǎn)成本[22]。