Technologia inżynierii rolniczej Gardening Publicowana w Pekinie o 17:30 13 stycznia 2023 r.

Absorpcja większości elementów składników odżywczych jest procesem ściśle związanym z aktywnością metaboliczną korzeni roślin. Procesy te wymagają energii wytwarzanej przez oddychanie komórek korzeniowych, a absorpcja wody jest również regulowana przez temperaturę i oddychanie, a oddychanie wymaga uczestnictwa w tlenu, więc tlen w środowisku korzeniowym ma istotny wpływ na normalny wzrost upraw. Na rozpuszczoną zawartość tlenu w wodzie wpływa temperatura i zasolenie, a struktura podłoża określa zawartość powietrza w środowisku korzeniowym. Nawadnianie ma duże różnice w odnowieniu i uzupełnieniu zawartości tlenu w podłożach o różnych stanach zawartości wody. Istnieje wiele czynników optymalizacji zawartości tlenu w środowisku korzeniowym, ale stopień wpływu każdego czynnika jest zupełnie inny. Utrzymanie rozsądnej zdolności do utrzymywania wody podłoża (zawartość powietrza) jest założeniem utrzymania wysokiej zawartości tlenu w środowisku korzeniowym.

Wpływ temperatury i zasolenia na nasyconą zawartość tlenu w roztworze

Rozpuszczona zawartość tlenu w wodzie

Rozpuszczony tlen rozpuszcza się w niezwiązanym lub wolnym tlenu w wodzie, a zawartość rozpuszczonego tlenu w wodzie osiągnie maksimum w określonej temperaturze, co jest nasyconą zawartością tlenu. Neatowana zawartość tlenu w wody zmienia się wraz z temperaturą, a gdy temperatura rośnie, zawartość tlenu maleje. Neatowana zawartość tlenu w czystej wodzie jest wyższa niż w przypadku wody morskiej zawierającej sól (ryc. 1), więc nasycona zawartość tlenu w roztworach składników odżywczych o różnych stężeniach będzie inna.

Transport tlenu w matrycy

Tlen, który korzenie upraw w szklarni mogą uzyskać z roztworu składników odżywczych, musi być w stanie wolnym, a tlen jest transportowany w podłożu przez powietrze, wodę i 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 niedotlenienia w środowisku korzeniowym na uprawy

Przyczyny niedotlenienia korzeniowego

Istnieje kilka powodów, dla których ryzyko niedotlenienia w systemach hydroponicznych i uprawy podłoża jest wyższe w lecie. Po pierwsze, nasycona zawartość tlenu w wodzie spadnie wraz ze wzrostem temperatury. Po drugie, tlen wymagany do utrzymania wzrostu korzeni wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Ponadto ilość absorpcji składników odżywczych jest wyższa latem, więc zapotrzebowanie na wchłanianie składników odżywczych jest wyższe. Prowadzi to do zmniejszenia zawartości tlenu w środowisku korzeniowym i braku skutecznego suplementu, co prowadzi do niedotlenienia w środowisku korzeniowym.

Absorpcja i wzrost

Absorpcja najbardziej niezbędnych składników odżywczych zależy od procesów ściśle związanych z metabolizmem korzeniowym, które wymagają energii wytwarzanej przez oddychanie komórek korzeniowych, to znaczy od rozkładu produktów fotosyntetycznych w obecności tlenu. Badania wykazały, że w korzeniach stosuje się 10% ~ 20% całkowitej asymilatów roślin pomidorów, z czego 50% stosuje się do absorpcji jonów składników odżywczych, 40% dla 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 odpowiedź na aktywne wchłanianie składników odżywczych, a mianowicie azotanu (nie₃^-), potas (k) i fosforan (PO₄^3-), który zakłóci pasywne wchłanianie 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 korzeniowych (niedotlenienie). Gdy poziom zawartości tlenu jest niski, wzrost zwalnia, a nawet zatrzymuje się. Jeśli częściowa niedotlenienie korzeni wpływa tylko na gałęzie i liście, układ korzeniowy może kompensować część układu korzeniowego, która nie jest już aktywna z jakiegoś powodu poprzez zwiększenie lokalnego absorpcji.

Mechanizm metaboliczny rośliny zależy od tlenu jako akceptora elektronów. Bez tlenu produkcja ATP zatrzyma się. Bez ATP odpływ protonów z korzeni zatrzyma się, sok komórek korzeniowych stanie się kwaśny, a komórki te umrą w ciągu kilku godzin. Tymczasowa i krótkoterminowa niedotlenienie nie spowoduje nieodwracalnego stresu żywieniowego u roślin. Ze względu na mechanizm „oddychania azotanu” może to być krótkoterminowa adaptacja do niedotlenienia jako alternatywny sposób podczas niedotlenienia korzenia. Jednak długoterminowa niedotlenienie doprowadzi do powolnego wzrostu, zmniejszenia obszaru liści i zmniejszenia świeżej i suchej masy, co doprowadzi do znacznego spadku wydajności upraw.

Etylen

Rośliny będą tworzyć etylen in situ pod dużym stresem. Zwykle etylen jest usuwany z korzeni poprzez rozproszenie powietrza w glebie. Gdy nastąpi podmokanie, tworzenie się etylenu nie tylko wzrośnie, ale także dyfuzja zostanie znacznie zmniejszona, ponieważ korzenie są otoczone wodą. Wzrost stężenia etylenu doprowadzi do tworzenia tkanki napowietrzania w korzeniach (ryc. 2). Etylen może również powodować starzenie się liści, a interakcja między etylenem a auksyną zwiększy powstawanie przypadkowych korzeni.

Stres tlenowy prowadzi do zmniejszonego wzrostu liści

ABA jest wytwarzany w korzeniach i liściach, aby poradzić sobie z różnymi stresami środowiskowymi. W środowisku korzeniowym typową odpowiedzią na stres jest zamknięcie jamy ustnej, które obejmuje tworzenie ABA. Przed zamknięciem szparków górna część rośliny traci ciśnienie obrzęku, górne liście więdnięcia, a wydajność fotosyntetyczna może również zmniejszyć się. Wiele badań wykazało, że Stomata reaguje na wzrost stężenia ABA w apoplastu poprzez zamknięcie, to znaczy całkowitą zawartość ABA w nie-liwach poprzez uwalnianie wewnątrzkomórkowego ABA, rośliny mogą bardzo szybko zwiększyć stężenie apoplastu ABA. Gdy rośliny są pod naprężeniem środowiskowym, zaczynają uwalniać ABA w komórkach, a sygnał uwalniania korzeni może być przesyłany w ciągu kilku minut zamiast godzin. Wzrost ABA w tkance liści może zmniejszyć wydłużenie ściany komórkowej i prowadzić do zmniejszenia wydłużenia liści. Innym efektem niedotlenienia jest to, że okres życia liści jest skrócony, co wpłynie na wszystkie liście. Niedotlenienie zwykle prowadzi do zmniejszenia transportu cytokininy i azotanów. Brak azotu lub cytokininy skróci czas konserwacji obszaru liści i zatrzyma wzrost gałęzi i liści w ciągu kilku dni.

Optymalizacja środowiska tlenu systemu korzeniowych upraw

Charakterystyka substratu decyduje się na rozmieszczenie wody i tlenu. Stężenie tlenu w środowisku korzeniowym warzyw szklarniowych jest głównie związane z zdolnością do utrzymywania wody podłoża, nawadniania (wielkość i częstotliwość), strukturą podłoża i temperaturą paska podłoża. Tylko wtedy, gdy zawartość tlenu w środowisku korzeniowym jest co najmniej powyżej 10% (4 ~ 5 mg/l), można zachować aktywność korzeniową w najlepszym stanie.

System korzeniowy upraw jest bardzo ważny dla wzrostu roślin i odporności na choroby roślin. Woda i składniki odżywcze zostaną wchłonięte zgodnie z potrzebami roślin. Jednak poziom tlenu w środowisku korzeniowym w dużej mierze określa wydajność absorpcji składników odżywczych i wody oraz jakość układu korzeniowego. Wystarczający poziom tlenu w środowisku układu korzeniowego może zapewnić zdrowie układu korzeniowego, aby rośliny miały lepszą odporność na patogenne mikroorganizmy (ryc. 3). Odpowiedni poziom tlenu w podłożu minimalizuje również ryzyko warunków beztlenowych, minimalizując w ten sposób ryzyko patogennych mikroorganizmów.

Zużycie tlenu w środowisku korzeniowym

Maksymalne zużycie upraw na tlen może wynosić nawet 40 mg/m2/h (zużycie zależy od upraw). W zależności od temperatury woda irygacyjna może zawierać do 7 ~ 8 mg/l tlenu (ryc. 4). Aby osiągnąć 40 mg, 5L wody należy podawać co godzinę, aby zaspokoić zapotrzebowanie na tlen, ale w rzeczywistości nie można osiągnąć ilości nawadniania w ciągu jednego dnia. Oznacza to, że tlen dostarczany przez nawadnianie odgrywa tylko niewielką rolę. Większość zaopatrzenia w tlen dociera do strefy korzeniowej przez pory w matrycy, a udział dostawy tlenu przez pory wynosi nawet 90%, w zależności od pory dnia. Gdy parowanie roślin osiągnie maksimum, ilość nawadniania osiąga również maksimum, co jest równoważne 1 ~ 1,5 l/m2/h. Jeśli woda irygacyjna zawiera tlen 7 mg/l, zapewni ona 7 ~ 11 mg/m2/h tlenu dla strefy korzeniowej. Jest to równoważne 17% ~ 25% popytu. Oczywiście dotyczy to jedynie sytuacji, w której ubogiej wody do tlenu w podłożu zastępuje się świeżą wodą nawadniania.

Oprócz zużycia korzeni mikroorganizmy w środowisku korzeniowym również spożywają tlen. Trudno to oszacować, ponieważ pod tym względem nie dokonano pomiaru. Ponieważ nowe substraty są zastępowane co roku, można założyć, że mikroorganizmy odgrywają stosunkowo niewielką rolę w zużyciu tlenu.

Zoptymalizuj temperaturę środowiskową korzeni

Temperatura środowiskowa układu korzeniowego jest bardzo ważna dla normalnego wzrostu i funkcji układu korzeniowego, a także ważnym czynnikiem wpływającym na wchłanianie wody i składników odżywczych przez układ korzeniowy.

Zbyt niska temperatura podłoża (temperatura korzeni) może prowadzić do trudności w absorpcji wody. Przy 5 ℃ absorpcja jest o 70% ~ 80% niższa niż przy 20 ℃. Jeśli niskiej temperaturze podłoża towarzyszy wysoka temperatura, doprowadzi to do wiązania roślin. Absorpcja jonów oczywiście zależy od temperatury, która hamuje absorpcję jonów w niskiej temperaturze, a czułość różnych elementów składników odżywczych na temperaturę jest inna.

Zbyt wysoka temperatura podłoża jest również bezużyteczna i może prowadzić do zbyt dużego układu korzeniowego. Innymi słowy, istnieje niezrównoważony rozkład suchej materii w roślinach. Ponieważ system korzeniowy jest zbyt duży, niepotrzebne straty nastąpi przez oddychanie, a tę część utraconej energii mogła być wykorzystana do zbioru części rośliny. Przy wyższej temperaturze substratu rozpuszczony zawartość tlenu jest niższa, co ma znacznie większy wpływ na zawartość tlenu w środowisku korzeniowym niż tlen spożywany 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.

Utrzymaj rozsądną zdolność do trzymania wody matrycy.

Istnieje ujemna korelacja między zawartością wody a procentową zawartością tlenu w matrycy. Gdy zawartość wody rośnie, zawartość tlenu maleje i odwrotnie. Istnieje kluczowy zakres między zawartością wody a tlenem w matrycy, to znaczy 80% ~ 85% zawartości wody (ryc. 5). Długoterminowe utrzymanie zawartości wody powyżej 85% w podłożu wpłynie na zaopatrzenie tlenu. Większość podaży tlenu (75%~ 90%) odbywa się przez pory w matrycy.

Suplement nawadniania do zawartości tlenu w podłożu

Więcej światła słonecznego doprowadzi do wyższego zużycia tlenu i niższego stężenia tlenu w korzeniach (ryc. 6), a więcej cukru zwiększy zużycie tlenu w nocy. Transpiracja jest silna, absorpcja wody jest duża, a w podłożu jest więcej powietrza i więcej tlenu. Z lewej ryc. 7 można zauważyć, że zawartość tlenu w podłożu nieznacznie wzrośnie po nawadnianiu pod warunkiem, że zdolność trzymania wody przez podłoże jest wysoka, a zawartość powietrza jest bardzo niska. Jak pokazano po prawej stronie rys. 7, Pod warunkiem stosunkowo lepszego oświetlenia zawartość powietrza w podłożu wzrasta z powodu większej wchłaniania wody (same czasy nawadniania). Względny wpływ nawadniania na zawartość tlenu w podłożu jest znacznie mniejsza niż zdolność do trzymania wody (zawartość powietrza) w podłożu.

Omówić

W rzeczywistej produkcji zawartość tlenu (powietrza) w środowisku korzeni upraw jest łatwo pomijana, ale ważnym czynnikiem jest zapewnienie normalnego wzrostu upraw i zdrowego rozwoju korzeni.

Aby uzyskać maksymalną wydajność podczas produkcji roślin, bardzo ważne jest, aby chronić środowisko systemu korzeniowego w najlepszym stanie jak najwięcej. Badania wykazały, że O₂Treść w środowisku systemu korzeniowego poniżej 4 mg/L będzie miała negatywny wpływ na wzrost upraw. O₂Na zawartość w środowisku korzeniowym wpływa głównie nawadnianie (ilość nawadniania i częstotliwość), struktura substratu, zawartość wody podłoża, temperatura szklarni i podłoża oraz 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 ciśnienie patogenów korzeniowych (Pythium, Phytophthora, Fusarium) na wzrost korzeni.

Strategia nawadniania ma znaczący wpływ na O₂zawartość w podłożu, a także bardziej kontrolowany sposób w procesie sadzenia. Niektóre badania sadzenia róży wykazały, że powoli zwiększając zawartość wody w podłożu (rano) może uzyskać lepszy stan tlenu. W podłożu o niskiej pojemności wody podłoże może zachować wysoką zawartość tlenu, a jednocześnie konieczne jest uniknięcie różnicy zawartości wody między substratami poprzez wyższą częstotliwość nawadniania i krótszy odstęp. Im niższa zdolność do utrzymywania wody przez podłoża, tym większa różnica między substratami. Wilgotny podłoże, niższa częstotliwość nawadniania i dłuższy przedział zapewniają większą wymianę powietrza i korzystne warunki tlenu.

Drenaż podłoża jest kolejnym czynnikiem, który ma duży wpływ na szybkość odnowy i gradient stężenia tlenu w podłożu, w zależności od rodzaju i zdolności do utrzymywania wody podłoża. Płyn irygacyjny nie powinien pozostać na dnie podłoża zbyt długo, ale należy ją szybko zwolnić, aby świeża woda nawadniana wzbogacona w tlen mogła ponownie dotrzeć do dna podłoża. Na prędkość drenażu może mieć wpływ niektóre stosunkowo proste pomiary, takie jak gradient podłoża w kierunkach podłużnych i szerokości. Im większy gradient, tym szybsza prędkość drenażu. Różne podłoża mają różne otwory, a liczba punktów sprzedaży jest również inna.

KONIEC

[Informacje o cytowaniu]

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