Tehnologija poljoprivrednog inženjeringa baštovanstva u staklenicima Objavljeno u Pekingu u 17:30 13. januara 2023.

Apsorpcija većine nutrijenata je proces usko povezan s metaboličkim aktivnostima korijena biljaka.Ovi procesi zahtijevaju energiju generiranu disanjem ćelija korijena, a apsorpcija vode je također regulirana temperaturom i disanjem, a za disanje je potrebno učešće kisika, tako da kisik u okruženju korijena ima vitalni utjecaj na normalan rast usjeva.Na sadržaj rastvorenog kiseonika u vodi utiču temperatura i salinitet, a struktura supstrata određuje sadržaj vazduha u sredini korena.Navodnjavanje ima velike razlike u obnavljanju i dopuni sadržaja kiseonika u supstratima sa različitim stanjima sadržaja vode.Postoji mnogo faktora za optimizaciju sadržaja kiseonika u okruženju korena, ali stepen uticaja svakog faktora je prilično različit.Održavanje razumnog kapaciteta supstrata za zadržavanje vode (sadržaja vazduha) je pretpostavka održavanja visokog sadržaja kiseonika u okruženju korena.

Utjecaj temperature i saliniteta na sadržaj zasićenog kisika u otopini

Sadržaj rastvorenog kiseonika u vodi

Otopljeni kisik se rastvara u nevezanom ili slobodnom kisiku u vodi, a sadržaj otopljenog kisika u vodi će na određenoj temperaturi dostići maksimum, a to je sadržaj zasićenog kisika.Sadržaj zasićenog kisika u vodi mijenja se s temperaturom, a kada se temperatura povećava, sadržaj kisika opada.Sadržaj zasićenog kisika u čistoj vodi veći je od onog u morskoj vodi koja sadrži sol (slika 1), tako da će sadržaj zasićenog kisika u nutritivnim otopinama različitih koncentracija biti različit.

Transport kiseonika u matriksu

Kiseonik koji korijenje stakleničkih kultura može dobiti iz hranljivog rastvora mora biti u slobodnom stanju, a kiseonik se prenosi u supstratu kroz vazduh i vodu i vodu oko korena.Kada je u ravnoteži sa sadržajem kiseonika u vazduhu na datoj temperaturi, kiseonik rastvoren u vodi dostiže maksimum, a promena sadržaja kiseonika u vazduhu će dovesti do proporcionalne promene sadržaja kiseonika u vodi.

Utjecaj stresa hipoksije u korijenskom okruženju na usjeve

Uzroci hipoksije korijena

Postoji nekoliko razloga zašto je rizik od hipoksije u hidroponi i sistemima za uzgoj supstrata veći ljeti.Prije svega, sadržaj zasićenog kisika u vodi će se smanjiti kako temperatura raste.Drugo, kisik potreban za održavanje rasta korijena povećava se s povećanjem temperature.Nadalje, količina apsorpcije nutrijenata je veća ljeti, pa je i potreba za kisikom za apsorpciju hranjivih tvari veća.To dovodi do smanjenja sadržaja kiseonika u sredini korena i nedostatka efikasnog suplementa, što dovodi do hipoksije u korenovom okruženju.

Apsorpcija i rast

Apsorpcija većine esencijalnih nutrijenata ovisi o procesima usko povezanim s metabolizmom korijena, koji zahtijevaju energiju generiranu disanjem stanica korijena, odnosno razgradnjom fotosintetskih produkata u prisutnosti kisika.Istraživanja su pokazala da se 10%~20% ukupnih asimilata biljaka paradajza koristi u korijenu, od čega se 50% koristi za apsorpciju jona hranjivih tvari, 40% za rast i samo 10% za održavanje.Korijeni moraju pronaći kisik u direktnom okruženju gdje oslobađaju CO₂.U anaerobnim uvjetima uzrokovanim lošom ventilacijom u supstratima i hidroponici, hipoksija će utjecati na apsorpciju vode i hranjivih tvari.Hipoksija ima brzi odgovor na aktivnu apsorpciju nutrijenata, odnosno nitrata (NO₃^-), kalij (K) i fosfat (PO₄^3-), koji će ometati pasivnu apsorpciju kalcijuma (Ca) i magnezijuma (Mg).

Za rast korijena biljaka potrebna je energija, normalnoj aktivnosti korijena potrebna je najniža koncentracija kisika, a koncentracija kisika ispod vrijednosti COP postaje faktor koji ograničava metabolizam korijenskih ćelija (hipoksija).Kada je nivo kiseonika nizak, rast se usporava ili čak zaustavlja.Ako djelomična hipoksija korijena zahvaća samo grane i lišće, korijenski sistem može nadoknaditi dio korijenskog sistema koji iz nekog razloga više nije aktivan povećanjem lokalne apsorpcije.

Metabolički mehanizam biljaka ovisi o kisiku kao akceptoru elektrona.Bez kiseonika, proizvodnja ATP-a će prestati.Bez ATP-a, odliv protona iz korena će se zaustaviti, ćelijski sok ćelija korena će postati kiseli, a ove ćelije će umreti u roku od nekoliko sati.Privremena i kratkotrajna hipoksija neće uzrokovati nepovratan nutritivni stres kod biljaka.Zbog mehanizma "nitratnog disanja", to može biti kratkoročna adaptacija za suočavanje sa hipoksijom kao alternativni način tokom hipoksije korijena.Međutim, dugotrajna hipoksija će dovesti do usporenog rasta, smanjenja površine listova i smanjenja svježe i suhe težine, što će dovesti do značajnog pada prinosa.

Etilen

Biljke će formirati etilen in situ pod velikim stresom.Obično se etilen uklanja iz korijena difuzijom u zemljišni zrak.Kada dođe do zalijevanja, stvaranje etilena ne samo da će se povećati, već će se i difuzija znatno smanjiti jer je korijenje okruženo vodom.Povećanje koncentracije etilena će dovesti do stvaranja aeracionog tkiva u korijenu (slika 2).Etilen također može uzrokovati starenje listova, a interakcija između etilena i auksina će povećati formiranje adventivnih korijena.

Stres kisikom dovodi do smanjenog rasta listova

ABA se proizvodi u korijenu i lišću kako bi se nosila s različitim stresovima iz okoline.U okruženju korijena, tipičan odgovor na stres je zatvaranje stomata, što uključuje stvaranje ABA.Prije nego što se puči zatvore, vrh biljke gubi pritisak na bubrenje, gornji listovi venu, a fotosintetička efikasnost se također može smanjiti.Mnoga istraživanja su pokazala da stomati na povećanje koncentracije ABA u apoplastu reaguju zatvaranjem, odnosno ukupnog sadržaja ABA u nelistovima oslobađanjem intracelularne ABA, biljke mogu vrlo brzo povećati koncentraciju apoplasta ABA.Kada su biljke pod stresom okoline, one počinju oslobađati ABA u stanicama, 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 izduženja lista.Drugi efekat hipoksije je da se skraćuje životni vek listova, što će uticati na sve listove.Hipoksija obično dovodi do smanjenja transporta citokinina i nitrata.Nedostatak dušika ili citokinina će skratiti vrijeme održavanja lisne površine i zaustaviti rast grana i listova u roku od nekoliko dana.

Optimizacija kiseonika u korenovom sistemu useva

Karakteristike supstrata su odlučujuće za distribuciju vode i kiseonika.Koncentracija kiseonika u sredini korena stakleničkog povrća uglavnom je povezana sa kapacitetom supstrata za zadržavanje vode, navodnjavanjem (veličinom i učestalošću), strukturom supstrata i temperaturom trake supstrata.Samo kada je sadržaj kiseonika u okruženju korena najmanje iznad 10% (4~5mg/L) može se održati aktivnost korena u najboljem stanju.

Korenov sistem useva je veoma važan za rast biljaka i otpornost biljaka na bolesti.Voda i hranljive materije će se apsorbovati u skladu sa potrebama biljaka.Međutim, nivo kiseonika u sredini korena u velikoj meri određuje efikasnost apsorpcije hranljivih materija i vode i kvalitet korenovog sistema.Dovoljan nivo kiseonika u okruženju korenovog sistema može da obezbedi zdravlje korenovog sistema, tako da biljke imaju bolju otpornost na patogene mikroorganizme (Slika 3).Odgovarajući nivo kiseonika u supstratu takođe minimizira rizik od anaerobnih uslova, čime se smanjuje rizik od patogenih mikroorganizama.

Potrošnja kisika u korijenskom okruženju

Maksimalna potrošnja kiseonika useva može biti i do 40mg/m2/h (potrošnja zavisi od useva).U zavisnosti od temperature, voda za navodnjavanje može sadržavati do 7~8mg/L kiseonika (slika 4).Da bi se postigla 40 mg, potrebno je davati 5L vode svakog sata da bi se zadovoljila potreba za kiseonikom, ali u stvari, količina navodnjavanja u jednom danu možda neće biti dostignuta.To znači da kiseonik koji se dobija navodnjavanjem igra samo malu ulogu.Većina opskrbe kisikom dolazi do zone korijena kroz pore u matriksu, a doprinos opskrbe kisikom kroz pore je čak 90%, ovisno o dobu dana.Kada isparavanje biljaka dostigne maksimum, količina navodnjavanja takođe dostiže maksimum, što je ekvivalentno 1~1,5L/m2/h.Ako voda za navodnjavanje sadrži 7mg/L kiseonika, obezbediće 7~11mg/m2/h kiseonika za zonu korena.Ovo je ekvivalentno 17%~25% potražnje.Naravno, ovo se odnosi samo na situaciju da se voda za navodnjavanje siromašna kiseonikom u supstratu zamjenjuje svježom vodom za navodnjavanje.

Osim potrošnje korijena, mikroorganizmi u korijenskoj sredini troše i kisik.Teško je to kvantificirati jer u tom pogledu nije izvršeno nikakvo mjerenje.Budući da se svake godine mijenjaju novi supstrati, može se pretpostaviti da mikroorganizmi igraju relativno malu ulogu u potrošnji kisika.

Optimizirajte temperaturu okoliša korijena

Temperatura sredine korenovog sistema je veoma važna za normalan rast i funkciju korenovog sistema, a takođe je važan faktor koji utiče na apsorpciju vode i hranljivih materija korenovim sistemom.

Preniska temperatura podloge (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, to će dovesti do uvenuća biljke.Apsorpcija jona očito ovisi o temperaturi, koja inhibira apsorpciju jona na niskim temperaturama, a osjetljivost različitih nutrijenata na temperaturu je različita.

Previsoka temperatura supstrata je takođe beskorisna i može dovesti do prevelikog korenovog sistema.Drugim riječima, postoji neuravnotežena raspodjela suhe tvari u biljkama.Budući da je korijenski sistem prevelik, dolazi do nepotrebnih gubitaka kroz disanje, a ovaj dio izgubljene energije mogao se iskoristiti za žetveni dio biljke.Pri višoj temperaturi supstrata sadržaj rastvorenog kiseonika je manji, što ima mnogo veći uticaj na sadržaj kiseonika u sredini korena od kiseonika koji troše mikroorganizmi.Korijenov sistem troši puno kisika, pa čak i dovodi do hipoksije u slučaju lošeg supstrata ili strukture tla, čime se smanjuje apsorpcija vode i jona.

Održavajte razuman kapacitet matrice za zadržavanje vode.

Postoji negativna korelacija između sadržaja vode i procentualnog sadržaja kiseonika u matriksu.Kada se sadržaj vode poveća, sadržaj kisika se smanjuje i obrnuto.Postoji kritični raspon između sadržaja vode i kiseonika u matriksu, odnosno 80%~85% sadržaja vode (Slika 5).Dugotrajno održavanje sadržaja vode iznad 85% u podlozi će uticati na opskrbu kiseonikom.Najveći deo snabdevanja kiseonikom (75%~90%) je kroz pore u matriksu.

Dodavanje navodnjavanja sadržaju kiseonika u supstratu

Više sunčeve svjetlosti će dovesti do veće potrošnje kisika i niže koncentracije kisika u korijenu (slika 6), a više šećera će povećati potrošnju kisika noću.Transpiracija je jaka, apsorpcija vode je velika, a u supstratu ima više zraka i više kisika.Sa lijeve strane na slici 7 se može vidjeti da će se sadržaj kisika u supstratu blago povećati nakon navodnjavanja pod uvjetom da je kapacitet supstrata visok, a sadržaj zraka vrlo nizak.Kao što je prikazano na desnoj strani sl.7, pod uvjetom relativno boljeg osvjetljenja, sadržaj zraka u podlozi se povećava zbog veće apsorpcije vode (ista vremena navodnjavanja).Relativni uticaj navodnjavanja na sadržaj kiseonika u supstratu je daleko manji od kapaciteta zadržavanja vode (sadržaja vazduha) u supstratu.

Diskusija

U stvarnoj proizvodnji, sadržaj kiseonika (vazduha) u okruženju korena useva se lako zanemaruje, ali je važan faktor za obezbeđivanje normalnog rasta useva i zdravog razvoja korena.

U cilju postizanja maksimalnog prinosa tokom ratarske proizvodnje, veoma je važno zaštititi okruženje korenovog sistema u najboljem mogućem stanju.Studije su pokazale da je O₂sadržaj u okruženju korenovog sistema ispod 4mg/L će imati negativan uticaj na rast useva.O₂Na sadržaj u sredini korena uglavnom utiče navodnjavanje (količina i učestalost navodnjavanja), struktura supstrata, sadržaj vode u supstratu, temperatura staklenika i supstrata, a različiti obrasci sadnje će biti različiti.Alge i mikroorganizmi također imaju određeni odnos sa sadržajem kisika u korijenskom okruženju hidroponskih usjeva.Hipoksija ne samo da uzrokuje spor razvoj biljaka, već i povećava pritisak patogena korijena (pythium, phytophthora, fusarium) na rast korijena.

Strategija navodnjavanja ima značajan uticaj na O₂sadržaja u supstratu, a ujedno je i način koji se može kontrolisati u procesu sadnje.Neke studije o sadnji ruža otkrile su da polagano povećanje sadržaja vode u supstratu (ujutro) može postići bolje stanje kiseonika.U supstratu sa malim kapacitetom zadržavanja vode, supstrat može održavati visok sadržaj kiseonika, a istovremeno je potrebno izbegavati razliku u sadržaju vode između supstrata kroz veću učestalost navodnjavanja i kraći interval.Što je kapacitet podloge manji, veća je razlika između podloga.Vlažna podloga, niža frekvencija navodnjavanja i duži interval osiguravaju veću zamjenu zraka i povoljne uvjete kisika.

Drenaža supstrata je još jedan faktor koji ima veliki uticaj na brzinu obnavljanja i gradijent koncentracije kiseonika u podlozi, u zavisnosti od vrste i kapaciteta podloge za zadržavanje vode.Tečnost za navodnjavanje ne bi trebalo da ostane predugo na dnu supstrata, već se treba brzo ispuštati kako bi sveža voda za navodnjavanje obogaćena kiseonikom mogla ponovo da dođe do dna supstrata.Na brzinu drenaže mogu uticati neke relativno jednostavne mjere, kao što je nagib podloge u uzdužnom i širinskom smjeru.Što je nagib veći, to je veća brzina drenaže.Različite podloge imaju različite otvore i broj izlaza je također različit.

KRAJ

[informacije o citatu]

Xie Yuanpei.Utjecaj sadržaja kisika u okolišu u korijenu usjeva u stakleniku na rast usjeva [J].Tehnologija poljoprivrede, 2022,42(31):21-24.