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

Wchłanianie większości składników odżywczych jest procesem ściśle związanym z aktywnością metaboliczną korzeni roślin.Procesy te wymagają energii generowanej przez oddychanie komórek korzeni, a wchłanianie wody jest również regulowane przez temperaturę i oddychanie, a oddychanie wymaga udziału tlenu, więc tlen w środowisku korzeniowym ma istotny wpływ na prawidłowy wzrost roślin uprawnych.Na zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie ma wpływ temperatura i zasolenie, a struktura podłoża determinuje zawartość powietrza w środowisku korzeniowym.Nawadnianie charakteryzuje się dużymi różnicami w odnawianiu i uzupełnianiu zawartości tlenu w podłożach o różnym stanie uwodnienia.Istnieje wiele czynników wpływających na optymalizację zawartości tlenu w środowisku korzeni, ale stopień wpływu każdego z nich jest zupełnie inny.Warunkiem utrzymania wysokiej zawartości tlenu w środowisku korzeniowym jest utrzymanie odpowiedniej wodochłonności podłoża (zawartości powietrza).

Wpływ temperatury i zasolenia na zawartość nasyconego tlenu w roztworach

Zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie

Rozpuszczony tlen rozpuszcza się w niezwiązanym lub wolnym tlenie w wodzie, a zawartość rozpuszczonego tlenu w wodzie osiągnie maksimum w określonej temperaturze, która jest zawartością nasyconego tlenu.Zawartość nasyconego tlenu w wodzie zmienia się wraz z temperaturą, a wraz ze wzrostem temperatury zawartość tlenu maleje.Zawartość nasyconego tlenu w czystej wodzie jest wyższa niż w wodzie morskiej zawierającej sól (Rysunek 1), więc zawartość nasyconego tlenu w roztworach odżywczych o różnych stężeniach będzie inna.

Transport tlenu w matrixie

Tlen, który korzenie upraw szklarniowych mogą uzyskać z pożywki, musi być w stanie wolnym, a tlen jest transportowany w podłożu przez powietrze i wodę oraz wodę wokół korzeni.Gdy jest w równowadze z zawartością tlenu w powietrzu w danej temperaturze, tlen rozpuszczony w wodzie osiąga maksimum, a zmiana zawartości tlenu w powietrzu doprowadzi do proporcjonalnej zmiany zawartości tlenu w wodzie.

Wpływ stresu niedotlenieniowego w środowisku korzeniowym na rośliny uprawne

Przyczyny niedotlenienia korzeni

Istnieje kilka powodów, dla których ryzyko niedotlenienia w hydroponice i systemach uprawy substratów jest wyższe latem.Po pierwsze, zawartość nasyconego tlenu w wodzie będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem temperatury.Po drugie, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ilość tlenu potrzebnego do utrzymania wzrostu korzeni.Ponadto ilość wchłanianych składników odżywczych jest wyższa latem, więc zapotrzebowanie na tlen do wchłaniania składników odżywczych jest wyższe.Prowadzi to do spadku zawartości tlenu w środowisku korzeniowym i braku skutecznego suplementu, co prowadzi do niedotlenienia środowiska korzeniowego.

Absorpcja i wzrost

Wchłanianie większości niezbędnych składników pokarmowych zależy od procesów ściśle związanych z metabolizmem korzeni, które wymagają energii generowanej w procesie oddychania komórek korzeni, czyli rozkładu produktów fotosyntezy w obecności tlenu.Badania wykazały, że 10% ~ 20% wszystkich asymilatów roślin pomidora jest wykorzystywanych w korzeniach, z czego 50% jest wykorzystywane do wchłaniania jonów odżywczych, 40% do wzrostu i tylko 10% do utrzymania.Korzenie muszą znaleźć tlen w bezpośrednim środowisku, w którym uwalniają CO₂.W warunkach beztlenowych spowodowanych słabą wentylacją w podłożach i hydroponice niedotlenienie wpłynie na wchłanianie wody i składników odżywczych.Niedotlenienie ma szybką reakcję na aktywne wchłanianie składników odżywczych, a mianowicie azotanów (NO₃^-), potas (K) i fosforan (PO₄^3-), co zakłóci bierne wchłanianie wapnia (Ca) i magnezu (Mg).

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

Mechanizm metaboliczny roślin zależy od tlenu jako akceptora elektronów.Bez tlenu produkcja ATP zostanie zatrzymana.Bez ATP odpływ protonów z korzeni ustanie, sok komórkowy komórek korzeniowych stanie się kwaśny, a komórki te umrą w ciągu kilku godzin.Tymczasowe i krótkotrwałe niedotlenienie nie spowoduje nieodwracalnego stresu żywieniowego u roślin.Ze względu na mechanizm „oddychania azotanami” może to być krótkoterminowa adaptacja do radzenia sobie z niedotlenieniem jako alternatywny sposób podczas niedotlenienia korzeni.Jednak długotrwałe niedotlenienie doprowadzi do spowolnienia wzrostu, zmniejszenia powierzchni liści oraz zmniejszenia świeżej i suchej masy, co doprowadzi do znacznego spadku plonów.

Etylen

Rośliny będą tworzyć etylen in situ przy dużym stresie.Zwykle etylen jest usuwany z korzeni poprzez dyfuzję do powietrza glebowego.Gdy dojdzie do nasiąknięcia wodą, tworzenie się etylenu nie tylko wzrośnie, ale także znacznie zmniejszy się dyfuzja, ponieważ korzenie są otoczone wodą.Wzrost stężenia etylenu doprowadzi do powstania w korzeniach tkanki napowietrzającej (ryc. 2).Etylen może również powodować starzenie się liści, a interakcja między etylenem a auksyną zwiększy tworzenie się korzeni przybyszowych.

Stres tlenowy prowadzi do zmniejszenia wzrostu liści

ABA jest wytwarzany w korzeniach i liściach, aby radzić sobie z różnymi stresami środowiskowymi.W środowisku korzenia typową odpowiedzią na stres jest zamknięcie aparatów szparkowych, co wiąże się z tworzeniem ABA.Przed zamknięciem aparatów szparkowych wierzchołek rośliny traci ciśnienie pęcznienia, wierzchołki liści więdną, a wydajność fotosyntezy może również ulec zmniejszeniu.Wiele badań wykazało, że aparaty szparkowe reagują na wzrost stężenia ABA w apoplastach zamykając, czyli całkowitą zawartość ABA w nieliściach, uwalniając wewnątrzkomórkowy ABA, rośliny mogą bardzo szybko zwiększać stężenie apoplastu ABA.Kiedy rośliny znajdują się w stresie środowiskowym, zaczynają uwalniać ABA w komórkach, a sygnał uwalniania korzenia może zostać przesłany w ciągu kilku minut zamiast godzin.Wzrost ABA w tkance liścia może zmniejszać wydłużenie ściany komórkowej i prowadzić do zmniejszenia wydłużenia liścia.Innym skutkiem niedotlenienia jest skrócenie żywotności liści, co wpłynie na wszystkie liście.Niedotlenienie zwykle prowadzi do zmniejszenia transportu cytokinin i azotanów.Brak azotu lub cytokininy skróci czas utrzymania powierzchni liści i zatrzyma wzrost gałęzi i liści w ciągu kilku dni.

Optymalizacja środowiska tlenowego systemu korzeniowego upraw

Charakterystyka podłoża ma decydujące znaczenie dla dystrybucji wody i tlenu.Stężenie tlenu w środowisku korzeniowym warzyw szklarniowych jest związane głównie ze zdolnością zatrzymywania wody przez podłoże, nawadnianiem (wielkość i częstotliwość), strukturą podłoża i temperaturą paska podłoża.Tylko wtedy, gdy zawartość tlenu w środowisku korzeni wynosi co najmniej powyżej 10% (4 ~ 5 mg / l), aktywność korzeni może być utrzymana w najlepszym stanie.

System korzeniowy roślin uprawnych jest bardzo ważny dla wzrostu roślin i odporności roślin na choroby.Woda i składniki odżywcze będą pobierane zgodnie z potrzebami roślin.Jednak poziom tlenu w środowisku korzeniowym w dużej mierze determinuje efektywność wchłaniania składników pokarmowych i wody oraz jakość systemu korzeniowego.Wystarczający poziom tlenu w środowisku systemu korzeniowego może zapewnić zdrowie systemu korzeniowego, dzięki czemu rośliny mają lepszą odporność na mikroorganizmy chorobotwórcze (ryc. 3).Odpowiedni poziom tlenu w podłożu minimalizuje również ryzyko wystąpienia warunków beztlenowych, minimalizując tym samym ryzyko rozwoju mikroorganizmów chorobotwórczych.

Zużycie tlenu w środowisku korzeniowym

Maksymalne zużycie tlenu przez uprawy może sięgać nawet 40mg/m2/h (zużycie zależy od upraw).W zależności od temperatury woda do nawadniania może zawierać do 7~8 mg/L tlenu (Rysunek 4).Aby osiągnąć 40 mg, co godzinę należy podawać 5 litrów wody, aby zaspokoić zapotrzebowanie na tlen, ale w rzeczywistości ilość irygacji w ciągu jednego dnia może nie zostać osiągnięta.Oznacza to, że tlen dostarczany przez irygację odgrywa niewielką rolę.Większość dostarczanego tlenu dociera do strefy korzeniowej przez pory w macierzy, a udział tlenu dostarczanego przez pory wynosi nawet 90%, w zależności od pory dnia.Kiedy parowanie roślin osiąga maksimum, ilość nawadniania również osiąga maksimum, co odpowiada 1 ~ 1,5 l/m2/h.Jeśli woda do irygacji zawiera 7 mg/L tlenu, zapewni 7~11 mg/m2/h tlenu dla strefy korzeniowej.Odpowiada to 17% ~ 25% zapotrzebowania.Oczywiście dotyczy to tylko sytuacji, gdy uboga w tlen woda do nawadniania w podłożu zostanie zastąpiona świeżą wodą do nawadniania.

Oprócz zużycia korzeni mikroorganizmy w środowisku korzeni zużywają również tlen.Trudno to określić ilościowo, ponieważ nie przeprowadzono żadnych pomiarów w tym zakresie.Ponieważ co roku wymieniane są nowe substraty, można przyjąć, że mikroorganizmy odgrywają stosunkowo niewielką rolę w zużyciu tlenu.

Zoptymalizuj temperaturę otoczenia korzeni

Temperatura środowiska systemu korzeniowego jest bardzo ważna dla prawidłowego wzrostu i funkcjonowania systemu korzeniowego, a także jest ważnym czynnikiem wpływającym na wchłanianie wody i składników odżywczych przez system korzeniowy.

Zbyt niska temperatura podłoża (temperatura korzenia) może prowadzić do utrudnionego wchłaniania wody.Przy 5 ℃ absorpcja jest o 70% ~ 80% niższa niż przy 20 ℃.Jeśli niskiej temperaturze podłoża towarzyszy wysoka temperatura, doprowadzi to do więdnięcia roślin.Absorpcja jonów oczywiście zależy od temperatury, która hamuje absorpcję jonów w niskiej temperaturze, 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 niezrównoważony rozkład suchej masy w roślinach.Ponieważ system korzeniowy jest zbyt duży, nastąpią niepotrzebne straty poprzez oddychanie, a ta część utraconej energii mogłaby zostać wykorzystana do części żniwnej rośliny.Przy wyższej temperaturze podłoża zawartość tlenu rozpuszczonego jest mniejsza, co ma znacznie większy wpływ na zawartość tlenu w środowisku korzeni niż tlen zużywany przez mikroorganizmy.System korzeniowy zużywa dużo tlenu, a nawet prowadzi do niedotlenienia w przypadku słabej struktury podłoża lub gleby, zmniejszając w ten sposób wchłanianie wody i jonów.

Utrzymuj rozsądną zdolność zatrzymywania wody przez matrycę.

Istnieje ujemna korelacja między zawartością wody a procentową zawartością tlenu w matrycy.Gdy zawartość wody wzrasta, zawartość tlenu maleje i odwrotnie.Istnieje krytyczny zakres między zawartością wody a tlenem w matrycy, tj. 80% ~ 85% zawartości wody (Rysunek 5).Długotrwałe utrzymywanie się w podłożu zawartości wody powyżej 85% wpłynie na zaopatrzenie w tlen.Większość dostarczanego tlenu (75% ~ 90%) odbywa się przez pory w macierzy.

Uzupełnienie nawadniania do zawartości tlenu w podłożu

Więcej światła słonecznego doprowadzi do większego zużycia tlenu i niższego stężenia tlenu w korzeniach (Rysunek 6), a więcej cukru spowoduje wyższe zużycie tlenu w nocy.Transpiracja jest silna, absorpcja wody jest duża, aw podłożu jest więcej powietrza i tlenu.Z lewej strony rysunku 7 widać, że zawartość tlenu w podłożu nieznacznie wzrośnie po nawadnianiu, pod warunkiem, że zdolność zatrzymywania wody w podłożu jest wysoka, a zawartość powietrza bardzo niska.Jak pokazano po prawej stronie ryc.7, w warunkach relatywnie lepszego oświetlenia zawartość powietrza w podłożu zwiększa się z powodu większej absorpcji wody (te same czasy nawadniania).Względny wpływ nawadniania na zawartość tlenu w podłożu jest znacznie mniejszy niż zdolność zatrzymywania wody (zawartość powietrza) w podłożu.

Omówić

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

W celu uzyskania maksymalnego plonu podczas produkcji roślinnej bardzo ważne jest, aby w jak najlepszym stanie chronić środowisko systemu korzeniowego.Badania wykazały, że O₂zawartość w środowisku systemu korzeniowego poniżej 4mg/L będzie miała negatywny wpływ na wzrost upraw.O₂zawartość w środowisku korzeni zależy głównie od nawadniania (ilość i częstotliwość nawadniania), struktury podłoża, zawartości wody w podłożu, temperatury szklarni i podłoża, a różne wzorce sadzenia będą różne.Glony i mikroorganizmy mają również pewien związek z zawartością tlenu w środowisku korzeniowym upraw hydroponicznych.Niedotlenienie nie tylko powoduje powolny rozwój roślin, ale także zwiększa presję patogenów korzeni (pythium, phytophthora, fusarium) na wzrost korzeni.

Strategia nawadniania ma znaczący wpływ na O₂zawartość w podłożu, a także jest to bardziej kontrolowany sposób w procesie sadzenia.Niektóre badania sadzenia róż wykazały, że powolne zwiększanie zawartości wody w podłożu (rano) może uzyskać lepszy stan tlenu.W podłożu o małej wodochłonności podłoże może utrzymywać wysoką zawartość tlenu, a jednocześnie należy unikać różnic w zawartości wody pomiędzy podłożami poprzez większą częstotliwość nawadniania i krótsze odstępy czasu.Im mniejsza wodochłonność substratów, tym większa różnica między substratami.Wilgotne podłoże, mniejsza częstotliwość nawadniania i dłuższe przerwy zapewniają większą wymianę powietrza i korzystne warunki tlenowe.

Odwodnienie podłoża jest kolejnym czynnikiem, który ma duży wpływ na szybkość odnowy i gradient stężenia tlenu w podłożu, w zależności od rodzaju i wodochłonności podłoża.Płyn do nawadniania nie powinien zbyt długo pozostawać na dnie podłoża, ale powinien być szybko odprowadzony, aby świeża woda wzbogacona w tlen do nawadniania mogła ponownie dotrzeć do dna podłoża.Na szybkość odwadniania mogą wpływać stosunkowo proste środki, takie jak nachylenie podłoża w kierunku wzdłużnym i poprzecznym.Im większe nachylenie, tym większa prędkość drenażu.Różne podłoża mają różne otwory, różna jest też liczba wylotów.

KONIEC

[informacje o cytatach]

Xie Yuanpei.Wpływ zawartości tlenu w środowisku w korzeniach roślin szklarniowych na wzrost roślin [J].Technologia inżynierii rolniczej, 2022,42(31):21-24.