二氧化碳管理

二氧化碳（CO2）

光合作用是水和二氧化碳在光的存在下發生化學反應的過程，為植物製造食物（糖），作用時產生副產品在大氣中釋放氧氣。

二氧化碳目前佔大氣體積的0.04%（400ppm）。它是大氣中無色無味的次要氣體，但在維持生命方面起著重要作用。植物在白天透過葉子中的小細胞孔來獲取二氧化碳。

在呼吸過程中（產生能量和二氧化碳的植物中儲存的糖的氧化），植物吸收氧氣（O2）並釋放二氧化碳，當植物吸收二氧化碳並釋放氧氣時稱為光合作用。呼吸過程中產生的二氧化碳總是少於光合作用過程中吸入的二氧化碳量。因此，植物總是處於二氧化碳缺乏狀態，這限制了它們的潛在生長。

與植物相關的二氧化碳濃度

光合作用利用二氧化碳生產糖，糖在呼吸過程中降解，有助於植物的生長。雖然光線、水、營養、溼度和溫度等大氣和環境條件可能會影響二氧化碳的利用率，但大氣中的二氧化碳量影響更大。二氧化碳濃度的變化取決於一天中的時間、季節、生產二氧化碳的數量、堆肥、燃燒以及附近的植物和水體等二氧化碳吸收源的數量。

在通風良好的溫室中，環境CO2（自然產生的二氧化碳水準）濃度可以達到百萬分之400。然而，在密封溫室中，白天的濃度比環境濃度低得多，晚上濃度高多。由於植物呼吸和微生物活動，夜間的二氧化碳水準更高。在密封溫室中，二氧化碳水準在白天可能會下降到百萬分之150到200，因為二氧化碳在白天被植物用於光合作用。

即使短時間內，植物暴露在較低的二氧化碳水準下也會降低光合作用和植物生長速度。一般來說，環境二氧化碳水準翻倍（即百萬分之700至800）可以對植物產量產生顯著和明顯的差異。具有C3光合作用途徑的植物（天竺葵、矮牽牛花、三色堇、百合和大多數杜鵑花物種）具有3-碳化合物作為其光合作用途徑中的第一個產物，因此被稱為C3植物，與具有C4途徑的植物相比，對較高的二氧化碳濃度反應更強烈（大多數草種在光合作用途徑中具有4碳化合物作為第一個產物，因此被稱為C4植物）。

將環境二氧化碳增加到800-1,000 ppm可以將C3工廠的產量提高到40%-100%，將C4工廠的產量提高10%-25%，同時將其他投入保持在最佳水準。

植物對需要100萬分之1800的需求表現出積極反應，但更高的二氧化碳水準可能會造成植物損害

二氧化碳的補充

二氧化碳補充是在溫室中新增更多二氧化碳的過程，以加強植物進行光合作用。自19世紀初以來，高二氧化碳濃度的好處已經得到認可，但自20世紀70年代以來，溫室工業和室內園藝的增長大大增加了對補充二氧化碳的需求。溫室行業隨著新技術和自動化的發展而進步。隨著照明系統、環境控制和平衡營養素的改進，二氧化碳的數量是植物最大生長的唯一限制因素。因此，保持其他生長條件的理想，補充二氧化碳可以提供改善植物生長。這也被稱為「二氧化碳濃縮」或「二氧化碳施肥」。

優點

光合作用的增加助長生長速度和生物質產量的增加。
植物的成熟度較早，每年可以收穫更多的作物。縮短成熟時間有助於節省熱量和施肥成本。
在花卉生產中，補充二氧化碳會增加花的數量和大小，這增加了銷售價值。
補充二氧化碳透過燃燒器提供額外的熱量（取決於補充方法），這將降低冬季的取暖成本。
它有助於減少蒸騰，提高用水效率，從而減少作物生產期間的用水量。

缺點

二氧化碳生成系統提高生產成本。
由於營養、水和光等其他限制因素，植物可能對補充二氧化碳沒有表現出積極反應。所有因素都需要處於最佳水準。
補充對年輕植物更有益。
不完全燃燒會產生二氧化硫、乙烯、一氧化碳和一氧化二氮等有害氣體。如果不進行控制，這些氣體會導致壞死、花畸形和衰老，導致產品品質較低。
溫室改造所需的額外費用。溫室需要適當密封，以保持理想的二氧化碳水準。
過量的二氧化碳水準可能對植物和人類有毒。
在溫暖的日子裡，由於通風來冷卻溫室，很難保持理想的較高二氧化碳水準。

何時補充

補充時間、持續時間和濃度決定了二氧化碳補充的效率。
如果所有生長條件都理想，並且生長速度對種植者來說都令人滿意，則不需要補充二氧化碳。然而，如果植物不能滿足所需的生長，主要是在秋季到早春，補充二氧化碳是有益的。

在每年的那個時候，通風口大部分時間都是關閉的，限制了可用的二氧化碳。日出後一到兩小時新增二氧化碳，在日落前兩到三小時停止二氧化碳是比較理想的補充時間。
植物在日出後一到兩小時進行光合作用活動，在下午2點到3點達到峰值，然後光合作用率下降。然而，水培系統中的綠葉蔬菜和蔬菜可以每天24小時補充二氧化碳和生長照明系統。補充了二氧化碳的幼苗將提前一兩週準備好移植。在早期補充二氧化碳可以減少成熟天數，植物可以更早地收穫。與成熟的植物相比，幼植物對補充二氧化碳的反應更靈敏。

補充二氧化碳對不同生長因素的影響

二氧化碳與光

在被稱為光飽和點的一定強度光之後，光合作用率無法再增加，光飽和點是植物可以使用的最大光量。然而，額外的二氧化碳會增加獲得光飽和點所需的光強度，從而增加光合作用的速度。
在冬季，光合作用受到低光強度的限制。額外的照明系統將提高二氧化碳的效率，並提高光合作用和植物生長的速度。因此，補充二氧化碳與補充照明相結合可以減少作物生產所需的天數。

二氧化碳與水

補充二氧化碳透過口管調節影響植物的生理。二氧化碳升高促進氣孔細胞的部分閉合，並降低氣孔電導率。
氣孔電導率是指二氧化碳與水蒸氣從葉子的氣孔細胞中進出的速度。由於氣孔電導率降低，蒸騰（以水蒸氣形式從葉子氣中流失的水）最小化，並導致用水效率（WUE）提高（植物代謝中使用的水與蒸騰流失的水的比值）。
降低氣孔電導率、減少蒸騰、增加光合作用和增加WUE有助於植物在水應力條件下更有效地工作。
補充二氧化碳減少了對水的需求，並在水資源有限的條件下節約用水。

二氧化碳與溫度

溫度對植物的生長速度起著很大作用。大多數生物過程隨著溫度的升高而增加，這包括光合作用的速度。但最大光合作用的最佳溫度取決於二氧化碳的可用性。
可用二氧化碳量越高，作物的最佳溫度要求越高。
在補充了二氧化碳的溫室中，隨著溫度的升高，可以觀察到植物生長的急劇增加。補充二氧化碳增加了作物的最佳溫度要求。即使在較高的溫度下，這也會增加產量，這在環境CO2水準下是不可能的。

二氧化碳 - 營養物質

補充二氧化碳的主要影響是植物的快速生長，因為根和芽的生長得到了補充。增強的根系可以從土壤中吸收更多的養分。建議隨著二氧化碳水準的增加，提高施肥率。正常的肥料率可以很快耗盡，植物可能會表現出幾種營養缺乏症狀。雖然目前沒有對不同二氧化碳水準的不同作物的營養素的嚴格建議，但一般來說，營養需求隨著二氧化碳水準的提高而增加。
另一方面，一些微量營養素比宏觀營養素消耗得更快。
一些研究表明，在二氧化碳含量較高的作物中，鋅和鐵含量較低。補充二氧化碳會進一步降低蒸騰和電導率可能會影響鈣和硼的吸收，這應該透過新增營養物質來補償。

二氧化碳的來源

二氧化碳是大氣中存在的一種遊離氣體。二氧化碳應該以純形式補充。
一些二氧化碳來源中一氧化碳、臭氧、氮氧化物、乙烯和硫雜質的混合物可能會損害植物。一氧化碳不應超過百萬分之50；否則，二氧化碳補充將是有害的，而不是有益的。
二氧化碳補充方法不同，二氧化碳的生產原理因所選方法而異。下面討論了一些方法。

天然二氧化碳

由於二氧化碳是一種遊離和重氣體，它在溫室中保持較低的水準。植物在夜間產生的二氧化碳在日出後幾個小時內就耗盡了，因此適當的通風與植物上方的氣流風扇相結合，可以幫助將可用的二氧化碳至少分配到環境水準。這是維持二氧化碳環境水準的最便宜的方法。
但在冬季，極端氣候條件不利於這種方法，需要額外的二氧化碳來源。另一種在溫室中增加二氧化碳的自然方法是透過人類呼吸。人類在呼吸過程中也會像植物一樣撥出二氧化碳。在溫室裡從事修剪、灌溉和其他操作的人可能會增加二氧化碳水準。

二氧化碳壓縮罐

使用壓縮CO2是一種流行的濃縮方法。二氧化碳以壓縮液體的形式，透過使用二氧化碳汽化器汽化，並透過分配系統發配到管道中，注入整個溫室，以便均勻分佈。
一般來說，小規模種植者可以使用10到20公斤的小型儲罐。除了水箱外，會配有壓力調節器、流量計、電磁閥、二氧化碳感測器和計時器。

二氧化碳產生器

碳氫化合物燃料的燃燒通常會產生二氧化碳、水和熱量。溫室運營商可以使用由丙烷或天然氣執行的小型二氧化碳發生器。燃燒一公升燃料可以產生3公升二氧化碳。

（以下例子以美國為例採英式計算）
在標準溫度和壓力下，一磅二氧化碳相當於8.7立方英尺的氣體。按照這個速度，每天需要5盎司乙醇來維持200平方英尺大小的房間的1300萬分之一的二氧化碳。
二氧化碳的產生量取決於燃料的型別和純度。
但沒有足夠的氧氣的燃燒可能會產生對植物有害的雜質。
因此，即使在密封的溫室條件下，也應該開啟較小的區域以呼吸新鮮空氣。這些發電機放在工廠上方，每個單元佔地約4800平方英尺，成本在1000美元到2500美元之間，外加1000美元的天然氣和電氣安裝。二氧化碳燃燒器的容量從每小時20,000到60,000 Btu不等，透過燃燒天然氣每小時可以產生8.2磅的二氧化碳。基於天然氣價格（即每1000立方英尺天然氣7.07美元），如果每天執行12小時，運營成本約為每天4.80美元或每年每平方英尺0.38美元。

二氧化碳發電機。
發電機使用丙烷或天然氣執行，並有壓力錶來控制燃燒器的大小。

大型溫室運營不使用在多個溫室艙中使用小型發電機，而是使用燃氣發動機來生產煙氣（發動機的廢氣），煙氣透過一系列過濾器產生純二氧化碳。這個系統的主要優點是，它與二氧化碳一起產生熱量和電力。熱量以熱水的形式儲存在水箱中，晚上將用於加熱溫室。這樣的大型發電機能夠將取暖和電力成本降到最低。然而，這樣一個複雜的系統要花費高達80,000美元來覆蓋價值10英畝的溫室。

分解和發酵

微生物作用分解的有機物會產生二氧化碳。
有機廢物可以在塑膠容器中分解，產生的二氧化碳可以被植物使用。
然而，這種方法可能需要更多的空間和基質來產生足夠的二氧化碳。它有助於廢物的利用，以後可以用作堆肥。
雖然這是一種廉價的方法，但很難控制二氧化碳的濃度，而且會散發出難聞的氣味。為了消除這些缺點，市場上已經推出了許多商業產品。二氧化碳增壓桶、Pro CO2和Exhale蘑菇袋是一些商業產品，聲稱可以產生所需的二氧化碳水準而不產生異味。噌嘗試小規模種植者和室內花園使用。
二氧化碳也是發酵的副產品。一些種植者使用糖溶液和酵母來補充二氧化碳。一磅糖產生半磅乙醇和半磅二氧化碳。
開始生產二氧化碳需要一個合適尺寸的塑膠容器、糖、酵母和密封劑（密封容器）。這種方法提供比分解更快的二氧化碳，但具有難聞氣味、難以保持所需濃度和佔用更大空間的缺點。這種方法的主要優點是乙醇生產。乙醇是一種有機燃料，燃燒時會產生更多的二氧化碳。

乾冰

乾冰是小型溫室種植者採用的最便宜的方法之一。在先進的溫室中，帶有氣體流量計的特殊氣瓶透過昇華乾冰來控制二氧化碳的調節。乾冰是透過將二氧化碳保持在極低的溫度獲得的二氧化碳的固體。
乾冰可能有助於將小型愛好溫室冷卻幾度。一般來說，大約1磅的乾冰足以在100平方英尺的區域內全天保持1300ppm的二氧化碳。在普通的溫室裡，乾冰被切成小塊，每兩小時更換一次，以保持所需的二氧化碳水準，或儲存在有二氧化碳排出的小孔的絕緣體內。價格便宜，隨時可用，價格大約在1-3美元/磅之間，可以持續一整天。由於溫度極低，所以應該小心處理。主要缺點是自我壽命低，在正常條件下難以儲存。乾冰的快速昇華可能會導致二氧化碳含量升高，超過2000 ppm，這可能會限制生長，也可能對植物有毒

化學方法

小蘇打與酸（主要是醋酸）的化學反應可以產生二氧化碳，但需要大量的材料才能產生足夠的二氧化碳。大約兩磅小蘇打與10到12升5%的醋酸反應，只產生一磅二氧化碳。因此，這被認為是一種昂貴的二氧化碳生產方法。醋酸滴在小蘇打上，產生二氧化碳。透過滴漏緩慢釋放醋酸，延長了反應的壽命。反應需要很長時間才能產生足夠的二氧化碳，而且很難控制二氧化碳濃度。

二氧化碳的控制和分配

根據溫室的大小和安裝的系統型別，溫室中的二氧化碳水準是手動或透過基於電腦的系統控的。
二氧化碳氣體感測器提供了溫室大氣中的二氧化碳濃度水準，發電機根據感測器的讀數手動開啟和關閉。該感測器測量溫度和溼度以及二氧化碳，並有助於制定作物管理策略。然而，在基於電腦的系統中，感測器向控制系統發出當前二氧化碳水準的訊號，控制系統根據種植者建立的設定點開啟和關閉發電機。

二氧化碳擴散緩慢，因此適當的空氣迴圈對於均勻分佈二氧化碳至關重要。一般來說，一個帶有單個二氧化碳發生器的小型溫室使用風扇噴射器或水準氣流風扇進行分配。
然而，一個帶有煙霧發生器的大型連線溫室通常使用塑膠管在工作臺下（就在作物托盤下方），並以不同的間隔打洞以擴散二氧化碳。這種管的主要優點是，即使在茂密的樹冠條件下，也能為葉子的邊界層提供足夠的二氧化碳。

小提醒

切勿讓二氧化碳供給超過農場需求。當二氧化碳水準達到百萬分之2000時，有一個警報系統，因為高濃度的二氧化碳（百萬分之5000以上）是致命的。
始終透過感測器監控二氧化碳水準，並調整到所需的水準。
使用純形式的二氧化碳，併為燃燒提供足夠的氧氣，以消除有毒氣體。
始終將二氧化碳源保持在植物上方（煙氣系統除外），並在溫室內均勻地分配空氣。
選擇適合您操作的補充方法。根據成本/收益分析制定戰略。選擇一種高價值的作物。
保持理想的生長條件，如適當的照明、溼度、溫度、營養和溼度，以使二氧化碳補充有效。
由於生長速度更快，植物可能需要額外的營養。

​二氧化碳管理

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