Аграрна инженерна технология на оранжерийно градинарство Публикувано в Пекин в 17:30 на 13 януари 2023 г.

Усвояването на повечето хранителни елементи е процес, тясно свързан с метаболитните дейности на корените на растенията.Тези процеси изискват енергия, генерирана от дишането на кореновите клетки, а абсорбцията на вода също се регулира от температурата и дишането, а дишането изисква участието на кислород, така че кислородът в кореновата среда има жизненоважно въздействие върху нормалния растеж на културите.Съдържанието на разтворен кислород във водата се влияе от температурата и солеността, а структурата на субстрата определя съдържанието на въздух в кореновата среда.Напояването има големи разлики в обновяването и допълването на съдържанието на кислород в субстрати с различно водно съдържание.Има много фактори за оптимизиране на съдържанието на кислород в кореновата среда, но степента на влияние на всеки фактор е доста различна.Поддържането на разумен капацитет за задържане на вода в субстрата (съдържание на въздух) е предпоставката за поддържане на високо съдържание на кислород в кореновата среда.

Влияние на температурата и солеността върху съдържанието на наситен кислород в разтвора

Съдържание на разтворен кислород във вода

Разтвореният кислород се разтваря в несвързан или свободен кислород във вода и съдържанието на разтворен кислород във водата ще достигне максимума при определена температура, което е съдържанието на наситен кислород.Съдържанието на наситен кислород във водата се променя с температурата и когато температурата се повиши, съдържанието на кислород намалява.Съдържанието на наситен кислород в чистата вода е по-високо от това на морската вода, съдържаща сол (Фигура 1), така че съдържанието на наситен кислород в хранителните разтвори с различни концентрации ще бъде различно.

Пренос на кислород в матрицата

Кислородът, който корените на оранжерийните култури могат да получат от хранителния разтвор, трябва да бъде в свободно състояние, а кислородът се транспортира в субстрата чрез въздух и вода и вода около корените.Когато е в равновесие със съдържанието на кислород във въздуха при дадена температура, разтвореният във вода кислород достига максимума и промяната на съдържанието на кислород във въздуха ще доведе до пропорционална промяна на съдържанието на кислород във водата.

Ефекти от хипоксичния стрес в кореновата среда върху културите

Причини за хипоксия на корените

Има няколко причини, поради които рискът от хипоксия в хидропониката и системите за култивиране на субстрат е по-висок през лятото.На първо място, съдържанието на наситен кислород във водата ще намалее с повишаване на температурата.Второ, кислородът, необходим за поддържане на растежа на корените, се увеличава с повишаването на температурата.Освен това количеството на усвояване на хранителни вещества е по-високо през лятото, така че търсенето на кислород за усвояване на хранителни вещества е по-високо.Това води до намаляване на съдържанието на кислород в кореновата среда и липсата на ефективна добавка, което води до хипоксия в кореновата среда.

Усвояване и растеж

Усвояването на повечето основни хранителни вещества зависи от процесите, тясно свързани с метаболизма на корените, които изискват енергията, генерирана от дишането на кореновите клетки, тоест разлагането на фотосинтетичните продукти в присъствието на кислород.Проучванията показват, че 10%~20% от общите асимилати на доматените растения се използват в корените, 50% от които се използват за усвояване на хранителни йони, 40% за растеж и само 10% за поддържане.Корените трябва да намират кислород в пряката среда, където отделят CO₂.При анаеробни условия, причинени от лоша вентилация в субстратите и хидропоника, хипоксията ще повлияе на абсорбцията на вода и хранителни вещества.Хипоксията има бърз отговор на активното усвояване на хранителни вещества, а именно нитрати (NO₃^-), калий (K) и фосфат (PO₄^3-), което ще попречи на пасивното усвояване на калций (Ca) и магнезий (Mg).

Растежът на корените на растенията се нуждае от енергия, нормалната активност на корените се нуждае от най-ниската концентрация на кислород, а концентрацията на кислород под стойността на COP се превръща във фактор, ограничаващ метаболизма на кореновите клетки (хипоксия).Когато нивото на съдържание на кислород е ниско, растежът се забавя или дори спира.Ако частичната коренова хипоксия засяга само клоните и листата, кореновата система може да компенсира частта от кореновата система, която по някаква причина вече не е активна, като увеличи локалната абсорбция.

Метаболитният механизъм на растенията зависи от кислорода като акцептор на електрони.Без кислород производството на АТФ ще спре.Без АТФ изтичането на протони от корените ще спре, клетъчният сок на кореновите клетки ще стане киселинен и тези клетки ще умрат в рамките на няколко часа.Временната и краткотрайна хипоксия няма да причини необратим хранителен стрес в растенията.Поради механизма на „нитратно дишане“, това може да е краткосрочна адаптация за справяне с хипоксията като алтернативен начин по време на кореновата хипоксия.Дългосрочната хипоксия обаче ще доведе до бавен растеж, намалена листна площ и намалено прясно и сухо тегло, което ще доведе до значителен спад в добива на културата.

Етилен

Растенията ще образуват етилен in situ при голям стрес.Обикновено етиленът се отстранява от корените чрез дифузия в почвения въздух.Когато настъпи преовлажняване, образуването на етилен не само ще се увеличи, но и дифузията ще бъде значително намалена, тъй като корените са заобиколени от вода.Увеличаването на концентрацията на етилен ще доведе до образуване на аерационна тъкан в корените (Фигура 2).Етиленът може също да причини стареене на листата, а взаимодействието между етилен и ауксин ще увеличи образуването на допълнителни корени.

Кислородният стрес води до намален растеж на листата

ABA се произвежда в корени и листа, за да се справи с различни натоварвания от околната среда.В кореновата среда типичният отговор на стрес е затваряне на устицата, което включва образуването на ABA.Преди устицата да се затворят, горната част на растението губи налягането на набъбване, горните листа увяхват и фотосинтетичната ефективност също може да намалее.Много проучвания показват, че устицата реагират на увеличаването на концентрацията на ABA в апопласт чрез затваряне, т.е. общото съдържание на ABA в нелиста чрез освобождаване на вътреклетъчна ABA, растенията могат да увеличат концентрацията на апопласт ABA много бързо.Когато растенията са подложени на стрес от околната среда, те започват да освобождават ABA в клетките и сигналът за освобождаване на корена може да бъде предаден за минути вместо за часове.Увеличаването на ABA в листната тъкан може да намали удължаването на клетъчната стена и да доведе до намаляване на удължението на листата.Друг ефект от хипоксията е, че продължителността на живота на листата се съкращава, което ще засегне всички листа.Хипоксията обикновено води до намаляване на транспорта на цитокинини и нитрати.Липсата на азот или цитокинин ще съкрати времето за поддръжка на листната площ и ще спре растежа на клоните и листата в рамките на няколко дни.

Оптимизиране на кислородната среда на кореновата система на културата

Характеристиките на субстрата са определящи за разпределението на водата и кислорода.Концентрацията на кислород в кореновата среда на оранжерийните зеленчуци е свързана главно с капацитета за задържане на вода на субстрата, напояването (размер и честота), структурата на субстрата и температурата на субстратната лента.Само когато съдържанието на кислород в кореновата среда е поне над 10% (4~5mg/L), активността на корена може да се поддържа в най-добро състояние.

Кореновата система на културите е много важна за растежа на растенията и устойчивостта на растенията към болести.Водата и хранителните вещества ще се абсорбират според нуждите на растенията.Нивото на кислород в кореновата среда обаче до голяма степен определя ефективността на усвояване на хранителни вещества и вода и качеството на кореновата система.Достатъчното ниво на кислород в средата на кореновата система може да осигури здравето на кореновата система, така че растенията да имат по-добра устойчивост срещу патогенни микроорганизми (Фигура 3).Адекватното ниво на кислород в субстрата също минимизира риска от анаеробни условия, като по този начин минимизира риска от патогенни микроорганизми.

Консумация на кислород в кореновата среда

Максималната консумация на кислород от културите може да достигне до 40 mg/m2/h (консумацията зависи от културите).В зависимост от температурата водата за напояване може да съдържа до 7~8 mg/L кислород (Фигура 4).За да се достигне 40 mg, трябва да се дават 5 L вода на всеки час, за да се отговори на нуждата от кислород, но всъщност количеството за напояване за един ден може да не бъде достигнато.Това означава, че кислородът, осигурен от напояването, играе само малка роля.По-голямата част от доставката на кислород достига до кореновата зона през порите в матрицата, а приносът на доставката на кислород през порите достига до 90%, в зависимост от времето на деня.Когато изпарението на растенията достигне максимума, количеството на напояване също достига максимума, което е еквивалентно на 1~1,5L/m2/h.Ако водата за напояване съдържа 7 mg/L кислород, тя ще осигури 7~11 mg/m2/h кислород за зоната на корените.Това е еквивалентно на 17%~25% от търсенето.Разбира се, това се отнася само за ситуацията, когато бедната на кислород вода за напояване в субстрата се заменя с прясна вода за напояване.

В допълнение към консумацията на корени, микроорганизмите в кореновата среда консумират и кислород.Трудно е това да се определи количествено, тъй като в това отношение не са правени измервания.Тъй като всяка година се сменят нови субстрати, може да се приеме, че микроорганизмите играят относително малка роля в консумацията на кислород.

Оптимизирайте околната температура на корените

Температурата на околната среда на кореновата система е много важна за нормалния растеж и функциониране на кореновата система, а също така е важен фактор, влияещ върху усвояването на вода и хранителни вещества от кореновата система.

Твърде ниската температура на субстрата (температурата на корена) може да доведе до затруднено абсорбиране на вода.При 5 ℃ абсорбцията е 70% ~ 80% по-ниска, отколкото при 20 ℃.Ако ниската температура на субстрата е придружена от висока температура, това ще доведе до увяхване на растението.Абсорбцията на йони очевидно зависи от температурата, която инхибира абсорбцията на йони при ниска температура, а чувствителността на различните хранителни елементи към температурата е различна.

Твърде високата температура на субстрата също е безполезна и може да доведе до твърде голяма коренова система.С други думи, има небалансирано разпределение на сухото вещество в растенията.Тъй като кореновата система е твърде голяма, ще възникнат ненужни загуби чрез дишане и тази част от загубената енергия може да бъде използвана за частта от растението за прибиране на реколтата.При по-висока температура на субстрата, съдържанието на разтворен кислород е по-ниско, което има много по-голямо влияние върху съдържанието на кислород в кореновата среда, отколкото кислородът, консумиран от микроорганизмите.Кореновата система консумира много кислород и дори води до хипоксия в случай на лоша структура на субстрата или почвата, като по този начин намалява абсорбцията на вода и йони.

Поддържайте разумен капацитет за задържане на вода на матрицата.

Съществува отрицателна корелация между водното съдържание и процентното съдържание на кислород в матрицата.Когато съдържанието на вода се увеличи, съдържанието на кислород намалява и обратно.Съществува критичен диапазон между съдържанието на вода и кислорода в матрицата, тоест 80%~85% съдържание на вода (Фигура 5).Дългосрочното поддържане на съдържание на вода над 85% в субстрата ще повлияе на снабдяването с кислород.По-голямата част от доставката на кислород (75%~90%) е през порите в матрицата.

Допълване на напояването до съдържанието на кислород в субстрата

Повече слънчева светлина ще доведе до по-висока консумация на кислород и по-ниска концентрация на кислород в корените (Фигура 6), а повече захар ще направи консумацията на кислород по-висока през нощта.Транспирацията е силна, абсорбцията на вода е голяма, а в субстрата има повече въздух и повече кислород.Може да се види отляво на Фигура 7, че съдържанието на кислород в субстрата ще се увеличи леко след напояване при условие, че капацитетът за задържане на вода на субстрата е висок, а съдържанието на въздух е много ниско.Както е показано вдясно на фиг.7, при условие на относително по-добра осветеност, съдържанието на въздух в субстрата се увеличава поради по-голяма абсорбция на вода (същите времена на напояване).Относителното влияние на напояването върху съдържанието на кислород в субстрата е много по-малко от капацитета за задържане на вода (съдържанието на въздух) в субстрата.

Обсъдете

При действителното производство съдържанието на кислород (въздух) в средата на корените на културата лесно се пренебрегва, но е важен фактор за осигуряване на нормалния растеж на културите и здравословното развитие на корените.

За да се получи максимален добив по време на производството на култури, е много важно да се защити средата на кореновата система в най-добро състояние, доколкото е възможно.Проучванията показват, че О₂съдържание в средата на кореновата система под 4 mg/L ще има отрицателно въздействие върху растежа на културите.О₂съдържанието в кореновата среда се влияе главно от напояването (количество и честота на напояване), структурата на субстрата, съдържанието на вода в субстрата, оранжерията и температурата на субстрата и различните модели на засаждане ще бъдат различни.Водораслите и микроорганизмите също имат известна връзка със съдържанието на кислород в кореновата среда на хидропонните култури.Хипоксията не само причинява бавно развитие на растенията, но също така увеличава натиска на кореновите патогени (pythium, phytophthora, fusarium) върху растежа на корените.

Стратегията за напояване има значително влияние върху O₂съдържание в субстрата, а също така е по-контролируем начин в процеса на засаждане.Някои проучвания за засаждане на рози са установили, че бавното увеличаване на съдържанието на вода в субстрата (сутрин) може да доведе до по-добро състояние на кислород.В субстрата с нисък водозадържащ капацитет, субстратът може да поддържа високо съдържание на кислород и в същото време е необходимо да се избягва разликата във водното съдържание между субстратите чрез по-висока честота на напояване и по-кратък интервал.Колкото по-нисък е водозадържащият капацитет на субстратите, толкова по-голяма е разликата между субстратите.Влажният субстрат, по-ниската честота на напояване и по-дългият интервал осигуряват повече въздухообмен и благоприятни кислородни условия.

Дренажът на субстрата е друг фактор, който има голямо влияние върху скоростта на обновяване и градиента на концентрацията на кислород в субстрата, в зависимост от вида и капацитета за задържане на вода на субстрата.Течността за напояване не трябва да се задържа твърде дълго на дъното на субстрата, а трябва да се изпразни бързо, така че свежата, обогатена с кислород вода за напояване да може отново да достигне дъното на субстрата.Скоростта на дренаж може да бъде повлияна от някои сравнително прости мерки, като наклона на основата в надлъжна и ширинна посока.Колкото по-голям е наклонът, толкова по-бърза е скоростта на дренажа.Различните субстрати имат различни отвори и броят на изходите също е различен.

КРАЙ

[информация за цитиране]

Сие Юанпей.Ефекти от съдържанието на кислород в околната среда в корените на оранжерийните култури върху растежа на културите [J].Технология на селскостопанското инженерство, 2022,42(31):21-24.