Poljoprivredna inženjerska tehnologija uzgoja u staklenicima Objavljeno u Pekingu u 17:30, 13. januara 2023.

Apsorpcija većine hranjivih elemenata je proces koji je usko povezan s metaboličkim aktivnostima korijena biljke. Ovi procesi zahtijevaju energiju generiranu disanjem korijenskih ćelija, a apsorpcija vode je također regulirana temperaturom i disanjem, a disanje zahtijeva sudjelovanje kisika, tako da kisik u korijenovom okruženju ima vitalni utjecaj na normalan rast usjeva. Sadržaj rastvorenog kisika u vodi ovisi o temperaturi i salinitetu, a struktura supstrata određuje sadržaj zraka u korijenovom okruženju. Navodnjavanje ima velike razlike u obnavljanju i dopunjavanju sadržaja kisika u supstratima s različitim stanjima sadržaja vode. Postoji mnogo faktora za optimizaciju sadržaja kisika u korijenovom okruženju, ali stepen utjecaja svakog faktora je prilično različit. Održavanje razumnog kapaciteta zadržavanja vode (sadržaj zraka) supstrata je preduvjet održavanja visokog sadržaja kisika u korijenovom okruženju.

Utjecaj temperature i saliniteta na sadržaj zasićenog kisika u otopini

Sadržaj rastvorenog kisika u vodi

Rastvoreni kisik se rastvara u nevezanom ili slobodnom kisiku u vodi, a sadržaj rastvorenog kisika u vodi dostići će maksimum na određenoj temperaturi, što je zasićeni sadržaj kisika. Sadržaj zasićenog kisika u vodi mijenja se s temperaturom, a kada temperatura raste, sadržaj kisika se smanjuje. Sadržaj zasićenog kisika u čistoj vodi je veći od sadržaja u morskoj vodi koja sadrži sol (Slika 1), tako da će zasićeni sadržaj kisika u hranjivim rastvorima s različitim koncentracijama biti različit.

Transport kisika u matriksu

Kiseonik koji korijenje biljaka u stakleniku može dobiti iz hranjivog rastvora mora biti u slobodnom stanju, a kisik se transportuje u supstratu putem zraka i vode i vode oko korijena. Kada je u ravnoteži sa sadržajem kisika u zraku na datoj temperaturi, kisik rastvoren u vodi dostiže maksimum, a promjena sadržaja kisika u zraku dovest će do proporcionalne promjene sadržaja kisika u vodi.

Utjecaji hipoksijskog stresa u korijenovom okruženju na usjeve

Uzroci hipoksije korijena

Postoji nekoliko razloga zašto je rizik od hipoksije u hidroponskim i supstratnim sistemima uzgoja veći ljeti. Prije svega, zasićeni sadržaj kisika u vodi će se smanjivati ​​s porastom temperature. Drugo, kisik potreban za održavanje rasta korijena povećava se s porastom temperature. Nadalje, količina apsorpcije hranjivih tvari je veća ljeti, pa je potreba za kisikom za apsorpciju hranjivih tvari veća. To dovodi do smanjenja sadržaja kisika u korijenovom okruženju i nedostatka efikasne suplementacije, što dovodi do hipoksije u korijenovom okruženju.

Apsorpcija i rast

Apsorpcija većine esencijalnih hranjivih tvari ovisi o procesima usko povezanim s metabolizmom korijena, koji zahtijevaju energiju generiranu disanjem korijenskih ćelija, odnosno razgradnjom fotosintetskih proizvoda u prisustvu kisika. Studije su pokazale da se 10%~20% ukupnih asimilata biljaka rajčice koristi u korijenu, od čega se 50% koristi za apsorpciju hranjivih iona, 40% za rast, a samo 10% za održavanje. Korijenje mora pronaći kisik u direktnom okruženju gdje oslobađa CO2.₂U anaerobnim uslovima uzrokovanim lošom ventilacijom u supstratima i hidroponici, hipoksija će uticati na apsorpciju vode i hranjivih tvari. Hipoksija ima brz odgovor na aktivnu apsorpciju hranjivih tvari, naime nitrata (NO₃^-), kalij (K) i fosfat (PO₄^3-), što će ometati pasivnu apsorpciju kalcija (Ca) i magnezija (Mg).

Rast korijena biljke zahtijeva energiju, normalna aktivnost korijena zahtijeva najnižu koncentraciju kisika, a koncentracija kisika ispod COP vrijednosti postaje faktor koji ograničava metabolizam korijenskih ćelija (hipoksija). Kada je nivo sadržaja kisika nizak, rast se usporava ili čak zaustavlja. Ako djelomična hipoksija korijena utiče samo na grane i lišće, korijenov sistem može kompenzirati dio korijenovog sistema koji iz nekog razloga više nije aktivan povećanjem lokalne apsorpcije.

Metabolički mehanizam biljaka zavisi od kiseonika kao akceptora elektrona. Bez kiseonika, proizvodnja ATP-a će prestati. Bez ATP-a, odliv protona iz korijena će prestati, ćelijski sok korijenskih ćelija će postati kiseo, a ove ćelije će umrijeti u roku od nekoliko sati. Privremena i kratkotrajna hipoksija neće uzrokovati nepovratan nutritivni stres kod biljaka. Zbog mehanizma "disanja nitrata", može se raditi o kratkoročnoj adaptaciji za suočavanje s hipoksijom kao alternativnom načinu tokom hipoksije korijena. Međutim, dugotrajna hipoksija će dovesti do usporenog rasta, smanjenja površine lista i smanjenja svježe i suhe težine, što će dovesti do značajnog pada prinosa usjeva.

Etilen

Biljke će formirati etilen in situ pod velikim stresom. Obično se etilen uklanja iz korijena difuzijom u zrak tla. Kada dođe do preplavljivanja, formiranje etilena se ne samo da će povećati, već će se i difuzija znatno smanjiti jer je korijenje okruženo vodom. Povećanje koncentracije etilena dovest će do formiranja aeracionog tkiva u korijenju (Slika 2). Etilen također može uzrokovati starenje listova, a interakcija između etilena i auksina će povećati formiranje adventivnog korijenja.

Stres kisika dovodi do smanjenog rasta listova

ABA se proizvodi u korijenu i listovima kako bi se nosila s različitim stresovima iz okoliša. U korijenovom okruženju, tipičan odgovor na stres je zatvaranje stomata, što uključuje stvaranje ABA. Prije nego što se stomate zatvore, vrh biljke gubi pritisak bubrenja, gornji listovi venu, a fotosintetska efikasnost se također može smanjiti. Mnoge studije su pokazale da stomate reaguju na povećanje koncentracije ABA u apoplastu zatvaranjem, odnosno ukupni sadržaj ABA u nelišćem oslobađanjem intracelularne ABA, biljke mogu vrlo brzo povećati koncentraciju ABA u apoplastu. Kada su biljke pod stresom iz okoliša, počinju oslobađati ABA u ćelijama, a signal oslobađanja korijena može se prenijeti za nekoliko minuta umjesto sati. Povećanje ABA u tkivu lista može smanjiti izduživanje ćelijskog zida i dovesti do smanjenja izduživanja lista. Drugi efekat hipoksije je skraćivanje životnog vijeka listova, što će uticati na sve listove. Hipoksija obično dovodi do smanjenja transporta citokinina i nitrata. Nedostatak dušika ili citokinina skratit će vrijeme održavanja lisne površine i zaustaviti rast grana i lišća u roku od nekoliko dana.

Optimizacija kisikovog okruženja korijenovog sistema usjeva

Karakteristike supstrata su odlučujuće za distribuciju vode i kisika. Koncentracija kisika u korijenovom okruženju povrća u staklenicima uglavnom je povezana s kapacitetom supstrata za zadržavanje vode, navodnjavanjem (veličinom i učestalošću), strukturom supstrata i temperaturom traka supstrata. Samo kada je sadržaj kisika u korijenovom okruženju najmanje iznad 10% (4~5 mg/L), aktivnost korijena može se održati u optimalnom stanju.

Korijenov sistem usjeva je veoma važan za rast biljaka i otpornost biljaka na bolesti. Voda i hranjive tvari će se apsorbirati prema potrebama biljaka. Međutim, nivo kisika u korijenovom okruženju uveliko određuje efikasnost apsorpcije hranjivih tvari i vode i kvalitet korijenovog sistema. Dovoljan nivo kisika u korijenovom okruženju može osigurati zdravlje korijenovog sistema, tako da biljke imaju bolju otpornost na patogene mikroorganizme (Slika 3). Adekvatan nivo kisika u supstratu također minimizira rizik od anaerobnih uvjeta, čime se minimizira rizik od patogenih mikroorganizama.

Potrošnja kisika u korijenovom okruženju

Maksimalna potrošnja kisika usjeva može doseći i 40 mg/m2/h (potrošnja ovisi o usjevu). Ovisno o temperaturi, voda za navodnjavanje može sadržavati i do 7~8 mg/L kisika (Slika 4). Da bi se dostiglo 40 mg, potrebno je dodati 5L vode svakog sata kako bi se zadovoljile potrebe za kisikom, ali u stvari, količina navodnjavanja u jednom danu možda neće biti dostignuta. To znači da kisik koji se osigurava navodnjavanjem igra samo malu ulogu. Većina kisika dospijeva do korijenske zone kroz pore u matrici, a doprinos kisika kroz pore je i do 90%, ovisno o dobu dana. Kada isparavanje biljaka dostigne maksimum, količina navodnjavanja također dostiže maksimum, što je ekvivalentno 1~1,5L/m2/h. Ako voda za navodnjavanje sadrži 7 mg/L kisika, ona će osigurati 7~11 mg/m2/h kisika za korijensku zonu. To je ekvivalentno 17%~25% potreba. Naravno, ovo se odnosi samo na situaciju u kojoj se voda za navodnjavanje siromašna kisikom u supstratu zamjenjuje svježom vodom za navodnjavanje.

Pored potrošnje korijena, mikroorganizmi u korijenovom okruženju također troše kisik. Teško je to kvantificirati jer nisu provedena mjerenja u tom pogledu. Budući da se novi supstrati zamjenjuju svake godine, može se pretpostaviti da mikroorganizmi igraju relativno malu ulogu u potrošnji kisika.

Optimizirajte temperaturu okoline korijena

Temperatura okoline korijenovog sistema je veoma važna za normalan rast i funkciju korijenovog sistema, a također je važan faktor koji utiče na apsorpciju vode i hranjivih tvari od strane korijenovog sistema.

Preniska temperatura supstrata (temperatura korijena) može dovesti do poteškoća u apsorpciji vode. Na 5℃, apsorpcija je 70%~80% niža nego na 20℃. Ako je niska temperatura supstrata praćena visokom temperaturom, to će dovesti do uvenuća biljke. Apsorpcija iona očigledno zavisi od temperature, što inhibira apsorpciju iona na niskim temperaturama, a osjetljivost različitih hranjivih elemenata na temperaturu je različita.

Previsoka temperatura supstrata je također beskorisna i može dovesti do prevelikog korijenovog sistema. Drugim riječima, postoji neuravnotežena raspodjela suhe tvari u biljkama. Budući da je korijenov sistem prevelik, doći će do nepotrebnih gubitaka disanjem, a taj dio izgubljene energije mogao bi se iskoristiti za berbu biljke. Na višoj temperaturi supstrata, sadržaj rastvorenog kisika je niži, što ima mnogo veći utjecaj na sadržaj kisika u korijenovom okruženju nego kisik koji troše mikroorganizmi. Korijenov sistem troši mnogo kisika, pa čak dovodi i do hipoksije u slučaju loše strukture supstrata ili tla, čime se smanjuje apsorpcija vode i iona.

Održavajte razuman kapacitet matrice za zadržavanje vode.

Postoji negativna korelacija između sadržaja vode i procentualnog sadržaja kisika u matrici. Kada se sadržaj vode povećava, sadržaj kisika se smanjuje i obrnuto. Postoji kritični raspon između sadržaja vode i kisika u matrici, odnosno 80%~85% sadržaja vode (Slika 5). Dugoročno održavanje sadržaja vode iznad 85% u supstratu utjecat će na opskrbu kisikom. Većina opskrbe kisikom (75%~90%) odvija se kroz pore u matrici.

Dodatak navodnjavanja za povećanje sadržaja kisika u supstratu

Više sunčeve svjetlosti dovest će do veće potrošnje kisika i niže koncentracije kisika u korijenju (Slika 6), a više šećera će povećati potrošnju kisika noću. Transpiracija je jaka, apsorpcija vode je velika, a u supstratu ima više zraka i kisika. Na lijevoj strani Slike 7 može se vidjeti da će se sadržaj kisika u supstratu neznatno povećati nakon navodnjavanja pod uvjetom da je kapacitet zadržavanja vode u supstratu visok, a sadržaj zraka vrlo nizak. Kao što je prikazano na desnoj strani Slike 7, pod uvjetom relativno boljeg osvjetljenja, sadržaj zraka u supstratu se povećava zbog veće apsorpcije vode (ista vremena navodnjavanja). Relativni utjecaj navodnjavanja na sadržaj kisika u supstratu je daleko manji od kapaciteta zadržavanja vode (sadržaja zraka) u supstratu.

Diskutujte

U stvarnoj proizvodnji, sadržaj kisika (zraka) u korijenovom okruženju usjeva se lako zanemaruje, ali je važan faktor za osiguranje normalnog rasta usjeva i zdravog razvoja korijena.

Da bi se postigao maksimalan prinos tokom proizvodnje usjeva, veoma je važno zaštititi korijenov sistem u najboljem mogućem stanju. Studije su pokazale da O₂Sadržaj u korijenovom sistemu ispod 4 mg/L imat će negativan utjecaj na rast usjeva. O₂Sadržaj kisika u korijenovom okruženju uglavnom je pod utjecajem navodnjavanja (količina i učestalost navodnjavanja), strukture supstrata, sadržaja vode u supstratu, temperature staklenika i supstrata, a različiti obrasci sadnje bit će različiti. Alge i mikroorganizmi također imaju određenu vezu sa sadržajem kisika u korijenovom okruženju hidroponskih kultura. Hipoksija ne samo da uzrokuje spor razvoj biljaka, već i povećava pritisak korijenskih patogena (pitijum, fitophtora, fuzarij) na rast korijena.

Strategija navodnjavanja ima značajan utjecaj na O₂sadržaj vode u supstratu, a to je ujedno i kontrolisaniji način u procesu sadnje. Neke studije sadnje ruža su otkrile da sporo povećanje sadržaja vode u supstratu (ujutro) može postići bolje stanje kisika. U supstratu sa niskim kapacitetom zadržavanja vode, supstrat može održavati visok sadržaj kisika, a istovremeno je potrebno izbjegavati razliku u sadržaju vode između supstrata većom učestalošću navodnjavanja i kraćim intervalima. Što je niži kapacitet zadržavanja vode supstrata, to je veća razlika između supstrata. Vlažna supstrat, niža učestalost navodnjavanja i duži intervali osiguravaju veću izmjenu zraka i povoljne uvjete kisika.

Drenaža supstrata je još jedan faktor koji ima veliki utjecaj na brzinu obnavljanja i gradijent koncentracije kisika u supstratu, ovisno o vrsti i kapacitetu zadržavanja vode u supstratu. Tečnost za navodnjavanje ne bi trebala predugo ostati na dnu supstrata, već bi je trebalo brzo ispustiti kako bi svježa voda za navodnjavanje obogaćena kisikom ponovo mogla doći do dna supstrata. Na brzinu drenaže može se utjecati nekim relativno jednostavnim mjerama, kao što je nagib supstrata u uzdužnom i širinskom smjeru. Što je veći nagib, to je veća brzina drenaže. Različite supstrate imaju različite otvore, a broj izlaznih otvora je također različit.

KRAJ

[informacije o citatu]

Xie Yuanpei. Utjecaj sadržaja kisika u korijenju usjeva iz staklenika na rast usjeva [J]. Poljoprivredna inženjerska tehnologija, 2022,42(31):21-24.