Technologia inżynierii rolniczej w ogrodnictwie szklarniowymOpublikowano w Pekinie o godzinie 17:30, 13 stycznia 2023 r.

Absorpcja większości składników odżywczych jest procesem ściśle związanym z aktywnością metaboliczną korzeni roślin. Procesy te wymagają energii generowanej przez oddychanie komórek korzeni, a absorpcja wody jest również regulowana przez temperaturę i oddychanie, a oddychanie wymaga udziału tlenu, dlatego tlen w środowisku korzeni ma kluczowy wpływ na prawidłowy wzrost roślin. Zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie zależy od temperatury i zasolenia, a struktura podłoża determinuje zawartość powietrza w środowisku korzeni. Nawadnianie znacznie różni się w odnawianiu i uzupełnianiu zawartości tlenu w podłożach o różnym stanie uwodnienia. Istnieje wiele czynników optymalizujących zawartość tlenu w środowisku korzeni, ale stopień wpływu każdego z nich jest zupełnie inny. Utrzymanie odpowiedniej pojemności wodnej podłoża (zawartości powietrza) jest przesłanką utrzymania wysokiej zawartości tlenu w środowisku korzeni.

Wpływ temperatury i zasolenia na zawartość tlenu nasyconego w roztworze

Zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie

Tlen rozpuszczony jest rozpuszczony w wodzie w postaci niezwiązanego lub wolnego tlenu, a jego zawartość w wodzie osiąga maksimum w określonej temperaturze, czyli poziom nasyconego tlenu. Zawartość nasyconego tlenu w wodzie zmienia się wraz z temperaturą, a wraz ze wzrostem temperatury spada. Zawartość nasyconego tlenu w czystej wodzie jest wyższa niż w wodzie morskiej zawierającej sól (rysunek 1), dlatego zawartość nasyconego tlenu w roztworach składników odżywczych o różnych stężeniach będzie różna.

Transport tlenu w matrycy

Tlen, który korzenie roślin uprawnych w szklarniach mogą pobrać z roztworu odżywczego, musi być w stanie wolnym, a tlen jest transportowany w podłożu przez powietrze i wodę, a także przez wodę wokół korzeni. Gdy tlen jest w równowadze z zawartością tlenu w powietrzu w danej temperaturze, ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie osiąga maksimum, a zmiana zawartości tlenu w powietrzu prowadzi do proporcjonalnej zmiany zawartości tlenu w wodzie.

Wpływ stresu hipoksyjnego w środowisku korzeniowym na uprawy

Przyczyny niedotlenienia korzeni

Istnieje kilka powodów, dla których ryzyko niedotlenienia w systemach hydroponicznych i uprawach na podłożu jest wyższe latem. Po pierwsze, wraz ze wzrostem temperatury spada nasycona zawartość tlenu w wodzie. Po drugie, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta zapotrzebowanie na tlen do utrzymania wzrostu korzeni. Co więcej, latem absorpcja składników odżywczych jest wyższa, a zatem zapotrzebowanie na tlen do ich wchłaniania jest wyższe. Prowadzi to do spadku zawartości tlenu w środowisku korzeniowym i braku skutecznego suplementu, co prowadzi do niedotlenienia w środowisku korzeniowym.

Absorpcja i wzrost

Wchłanianie większości niezbędnych składników odżywczych zależy od procesów ściśle związanych z metabolizmem korzeni, które wymagają energii generowanej przez oddychanie komórkowe korzeni, czyli rozkład produktów fotosyntezy w obecności tlenu. Badania wykazały, że 10–20% całkowitej ilości asymilatów roślin pomidora jest wykorzystywane przez korzenie, z czego 50% jest wykorzystywane do absorpcji jonów składników odżywczych, 40% do wzrostu, a tylko 10% do utrzymania. Korzenie muszą znaleźć tlen w bezpośrednim otoczeniu, gdzie uwalniają CO2.₂W warunkach beztlenowych spowodowanych słabą wentylacją podłoży i upraw hydroponicznych, niedotlenienie wpływa na wchłanianie wody i składników odżywczych. Niedotlenienie powoduje szybką reakcję na aktywne wchłanianie składników odżywczych, a mianowicie azotanów (NO).₃^-), potasu (K) i fosforanu (PO₄^3-), co będzie zakłócać bierną absorpcję wapnia (Ca) i magnezu (Mg).

Wzrost korzeni roślin wymaga energii, normalna aktywność korzeni wymaga najniższego stężenia tlenu, a stężenie tlenu poniżej wartości COP staje się czynnikiem ograniczającym metabolizm komórek korzeni (niedotlenienie). Przy niskim poziomie tlenu wzrost spowalnia, a nawet zatrzymuje się. Jeśli częściowe niedotlenienie korzeni dotyczy tylko gałęzi i liści, system korzeniowy może kompensować tę część systemu, która z jakiegoś powodu nie jest już aktywna, zwiększając lokalną absorpcję.

Mechanizm metaboliczny roślin zależy od tlenu jako akceptora elektronów. Bez tlenu produkcja ATP zostaje zatrzymana. Bez ATP odpływ protonów z korzeni zostaje zatrzymany, sok komórkowy staje się kwaśny, a komórki obumierają w ciągu kilku godzin. Tymczasowe i krótkotrwałe niedotlenienie nie powoduje nieodwracalnego stresu żywieniowego u roślin. Ze względu na mechanizm „oddychania azotanowego”, może to być krótkotrwała adaptacja do radzenia sobie z niedotlenieniem jako alternatywny sposób radzenia sobie z niedotlenieniem korzeni. Jednak długotrwałe niedotlenienie prowadzi do spowolnienia wzrostu, zmniejszenia powierzchni liści oraz zmniejszenia świeżej i suchej masy, co z kolei prowadzi do znacznego spadku plonów.

Etylen

Rośliny wytwarzają etylen in situ w warunkach dużego stresu. Zazwyczaj etylen jest usuwany z korzeni poprzez dyfuzję do powietrza glebowego. W przypadku podmoknięcia, wytwarzanie etylenu nie tylko wzrośnie, ale również dyfuzja ulegnie znacznemu zmniejszeniu, ponieważ korzenie będą otoczone wodą. Wzrost stężenia etylenu doprowadzi do powstania tkanki napowietrzającej w korzeniach (rysunek 2). Etylen może również powodować starzenie się liści, a interakcja między etylenem a auksyną nasili powstawanie korzeni przybyszowych.

Stres tlenowy prowadzi do zmniejszenia wzrostu liści

Kwas acetylosalicylowy (ABA) jest produkowany w korzeniach i liściach, aby radzić sobie z różnymi stresami środowiskowymi. W środowisku korzeniowym typową reakcją na stres jest zamykanie aparatów szparkowych, co wiąże się z wytwarzaniem ABA. Zanim aparaty szparkowe zostaną zamknięte, wierzchołek rośliny traci ciśnienie pęcznienia, górne liście więdną, a wydajność fotosyntezy może również spaść. Wiele badań wykazało, że aparaty szparkowe reagują na wzrost stężenia ABA w apoplascie zamykaniem, czyli całkowitą zawartość ABA w roślinach nieliściastych uwalniając wewnątrzkomórkowy ABA. Rośliny mogą bardzo szybko zwiększyć stężenie ABA w apoplascie. Gdy rośliny są narażone na stres środowiskowy, zaczynają uwalniać ABA do komórek, a sygnał uwalniania ABA z korzeni może być przekazywany w ciągu minut zamiast godzin. Wzrost stężenia ABA w tkance liści może zmniejszyć wydłużanie się ścian komórkowych i prowadzić do zmniejszenia wydłużania się liści. Innym skutkiem niedotlenienia jest skrócenie żywotności liści, co wpływa na wszystkie liście. Niedotlenienie zazwyczaj prowadzi do zmniejszenia transportu cytokinin i azotanów. Niedobór azotu lub cytokininy skróci czas utrzymania powierzchni liści i zatrzyma wzrost gałęzi i liści w ciągu kilku dni.

Optymalizacja środowiska tlenowego systemu korzeniowego roślin uprawnych

Właściwości podłoża mają decydujące znaczenie dla dystrybucji wody i tlenu. Stężenie tlenu w środowisku korzeniowym warzyw szklarniowych zależy głównie od pojemności wodnej podłoża, nawadniania (wielkości i częstotliwości), struktury podłoża oraz temperatury pasa podłoża. Optymalna aktywność korzeni jest utrzymywana tylko wtedy, gdy zawartość tlenu w środowisku korzeniowym przekracza 10% (4–5 mg/l).

System korzeniowy roślin uprawnych jest niezwykle ważny dla wzrostu i odporności roślin na choroby. Woda i składniki odżywcze będą pobierane w zależności od potrzeb roślin. Jednak poziom tlenu w środowisku korzeniowym w dużej mierze decyduje o efektywności wchłaniania składników odżywczych i wody oraz o jakości systemu korzeniowego. Wystarczający poziom tlenu w środowisku korzeniowym może zapewnić jego zdrowie, a tym samym lepszą odporność roślin na mikroorganizmy chorobotwórcze (rysunek 3). Odpowiedni poziom tlenu w podłożu minimalizuje również ryzyko wystąpienia warunków beztlenowych, a tym samym ryzyko pojawienia się mikroorganizmów chorobotwórczych.

Zużycie tlenu w środowisku korzeniowym

Maksymalne zużycie tlenu przez rośliny uprawne może sięgać nawet 40 mg/m²/h (zużycie zależy od rodzaju roślin). W zależności od temperatury, woda nawadniająca może zawierać do 7–8 mg/l tlenu (rysunek 4). Aby osiągnąć 40 mg, należy podawać 5 l wody na godzinę, aby pokryć zapotrzebowanie na tlen, ale w rzeczywistości ilość tlenu dostarczana w ciągu jednego dnia może nie zostać osiągnięta. Oznacza to, że tlen dostarczany przez nawadnianie odgrywa jedynie niewielką rolę. Większość tlenu dociera do strefy korzeniowej przez pory w matrycy, a udział tlenu dostarczanego przez pory wynosi nawet 90%, w zależności od pory dnia. Gdy parowanie roślin osiąga maksimum, ilość wody nawadniającej również osiąga maksimum, co odpowiada 1–1,5 l/m²/h. Jeśli woda nawadniająca zawiera 7 mg/l tlenu, dostarczy ona 7–11 mg/m²/h tlenu do strefy korzeniowej. Odpowiada to 17–25% zapotrzebowania. Oczywiście, dotyczy to jedynie sytuacji, gdy uboga w tlen woda nawadniająca w podłożu zostanie zastąpiona świeżą wodą nawadniającą.

Oprócz konsumpcji korzeni, mikroorganizmy w środowisku korzeniowym zużywają również tlen. Trudno to oszacować ilościowo, ponieważ nie przeprowadzono żadnych pomiarów w tym zakresie. Ponieważ nowe podłoża są wymieniane co roku, można założyć, że mikroorganizmy odgrywają stosunkowo niewielką rolę w konsumpcji tlenu.

Zoptymalizuj temperaturę otoczenia korzeni

Temperatura otoczenia systemu korzeniowego ma bardzo duże znaczenie dla jego prawidłowego wzrostu i funkcjonowania. Jest również ważnym czynnikiem wpływającym na absorpcję wody i składników odżywczych przez system korzeniowy.

Zbyt niska temperatura podłoża (temperatura korzeni) może utrudniać wchłanianie wody. W temperaturze 5°C absorpcja jest o 70–80% niższa niż w temperaturze 20°C. Jeśli niskiej temperaturze podłoża towarzyszy wysoka temperatura, prowadzi to do więdnięcia roślin. Absorpcja jonów oczywiście zależy od temperatury, która hamuje absorpcję jonów w niskich temperaturach, a wrażliwość różnych składników odżywczych na temperaturę jest różna.

Zbyt wysoka temperatura podłoża jest również bezużyteczna i może prowadzić do zbyt dużego systemu korzeniowego. Innymi słowy, występuje nierównomierny rozkład suchej masy w roślinach. Zbyt duży system korzeniowy powoduje niepotrzebne straty w procesie oddychania, a ta część utraconej energii mogłaby zostać wykorzystana na plon. Przy wyższej temperaturze podłoża zawartość tlenu rozpuszczonego jest niższa, co ma znacznie większy wpływ na zawartość tlenu w środowisku korzeniowym niż tlen pobierany przez mikroorganizmy. System korzeniowy zużywa dużo tlenu, a w przypadku słabego podłoża lub gleby prowadzi nawet do niedotlenienia, zmniejszając w ten sposób absorpcję wody i jonów.

Utrzymuj odpowiednią pojemność wodną matrycy.

Istnieje ujemna korelacja między zawartością wody a procentową zawartością tlenu w matrycy. Wraz ze wzrostem zawartości wody spada zawartość tlenu i odwrotnie. Istnieje krytyczny zakres między zawartością wody a zawartością tlenu w matrycy, tj. 80%–85% zawartości wody (rysunek 5). Długotrwałe utrzymywanie zawartości wody powyżej 85% w podłożu wpływa na dopływ tlenu. Większość tlenu (75%–90%) pochodzi z porów w matrycy.

Uzupełnienie nawadniania do zawartości tlenu w podłożu

Więcej światła słonecznego spowoduje większe zużycie tlenu i niższe stężenie tlenu w korzeniach (Rysunek 6), a więcej cukru spowoduje większe zużycie tlenu w nocy. Transpiracja jest silna, absorpcja wody jest duża, a w podłożu jest więcej powietrza i tlenu. Po lewej stronie Rysunku 7 widać, że zawartość tlenu w podłożu nieznacznie wzrośnie po nawadnianiu, pod warunkiem, że pojemność wodna podłoża jest wysoka, a zawartość powietrza jest bardzo niska. Jak pokazano po prawej stronie Rysunku 7, w warunkach stosunkowo lepszego oświetlenia zawartość powietrza w podłożu wzrasta z powodu większej absorpcji wody (takie same czasy nawadniania). Względny wpływ nawadniania na zawartość tlenu w podłożu jest znacznie mniejszy niż pojemność wodna (zawartość powietrza) w podłożu.

Omówić

W rzeczywistej produkcji zawartość tlenu (powietrza) w środowisku korzeniowym roślin uprawnych jest często pomijana, ale jest to ważny czynnik zapewniający prawidłowy wzrost roślin uprawnych i zdrowy rozwój korzeni.

Aby uzyskać maksymalny plon podczas uprawy roślin, niezwykle ważne jest zapewnienie jak najlepszej ochrony środowiska systemu korzeniowego. Badania wykazały, że O₂Zawartość O w środowisku systemu korzeniowego poniżej 4 mg/l będzie miała negatywny wpływ na wzrost upraw.₂Zawartość tlenu w środowisku korzeniowym zależy głównie od nawadniania (ilość i częstotliwość nawadniania), struktury podłoża, zawartości wody w podłożu, temperatury szklarni i podłoża, a także od sposobu sadzenia. Glony i mikroorganizmy również mają pewien związek z zawartością tlenu w środowisku korzeniowym upraw hydroponicznych. Niedotlenienie nie tylko powoduje spowolnienie rozwoju roślin, ale także zwiększa presję patogenów korzeniowych (Pythium, Phytophthora, Fusarium) na wzrost korzeni.

Strategia nawadniania ma znaczący wpływ na zawartość tlenu₂Zawartość wody w podłożu, a także bardziej kontrolowany sposób sadzenia. Niektóre badania nad sadzeniem róż wykazały, że powolne zwiększanie zawartości wody w podłożu (rano) pozwala uzyskać lepszy stan natlenienia. W podłożu o niskiej pojemności wodnej, podłoże może utrzymać wysoką zawartość tlenu, a jednocześnie konieczne jest uniknięcie różnic w zawartości wody między podłożami poprzez częstsze nawadnianie i krótsze przerwy. Im niższa pojemność wodna podłoży, tym większe różnice między nimi. Wilgotne podłoże, rzadsze nawadnianie i dłuższe przerwy zapewniają większą wymianę powietrza i korzystne warunki tlenowe.

Odwodnienie podłoża to kolejny czynnik mający duży wpływ na tempo odnawiania i gradient stężenia tlenu w podłożu, w zależności od jego rodzaju i pojemności wodnej. Ciecz nawadniająca nie powinna zalegać na dnie podłoża zbyt długo, lecz powinna być szybko odprowadzana, aby świeża, wzbogacona tlenem woda nawadniająca mogła ponownie dotrzeć do dna podłoża. Na szybkość odwodnienia można wpływać za pomocą kilku stosunkowo prostych czynników, takich jak gradient podłoża w kierunku wzdłużnym i poprzecznym. Im większy gradient, tym szybsza prędkość odwodnienia. Różne podłoża mają różne otwory, a także różną liczbę wylotów.

KONIEC

[informacje o cytacie]

Xie Yuanpei. Wpływ zawartości tlenu w korzeniach roślin uprawnych uprawianych w szklarniach na ich wzrost [J]. Inżynieria Rolnicza, 2022,42(31):21-24.