Агротехнічна технологія тепличного садівництва. Опубліковано в Пекіні о 17:30 13 січня 2023 року.

Поглинання більшості поживних елементів – це процес, тісно пов'язаний з метаболічною активністю коренів рослин. Ці процеси потребують енергії, що утворюється внаслідок дихання кореневих клітин, а поглинання води також регулюється температурою та диханням, а дихання вимагає участі кисню, тому кисень у кореневому середовищі має життєво важливий вплив на нормальний ріст культур. Вміст розчиненого кисню у воді залежить від температури та солоності, а структура субстрату визначає вміст повітря в кореневому середовищі. Зрошення має великі відмінності в оновленні та поповненні вмісту кисню в субстратах з різним станом вмісту води. Існує багато факторів для оптимізації вмісту кисню в кореневому середовищі, але ступінь впливу кожного фактора досить різний. Підтримка розумної вологоутримуючої здатності субстрату (вмісту повітря) є передумовою підтримки високого вмісту кисню в кореневому середовищі.

Вплив температури та солоності на вміст насиченого кисню в розчині

Вміст розчиненого кисню у воді

Розчинений кисень розчиняється у вільному або незв'язаному кисні у воді, і вміст розчиненого кисню у воді досягає максимуму за певної температури, яка є насиченим вмістом кисню. Вміст насиченого кисню у воді змінюється з температурою, і коли температура підвищується, вміст кисню зменшується. Вміст насиченого кисню в чистій воді вищий, ніж у морській воді, що містить сіль (Рисунок 1), тому вміст насиченого кисню в поживних розчинах з різною концентрацією буде різним.

Транспорт кисню в матриксі

Кисень, який коріння тепличних культур може отримати з поживного розчину, повинен бути у вільному стані, а кисень транспортується в субстраті через повітря та воду, а також воду навколо коренів. Коли він знаходиться в рівновазі з вмістом кисню в повітрі за заданої температури, кисень, розчинений у воді, досягає максимуму, і зміна вмісту кисню в повітрі призведе до пропорційної зміни вмісту кисню у воді.

Вплив гіпоксії в кореневому середовищі на сільськогосподарські культури

Причини гіпоксії коренів

Існує кілька причин, чому ризик гіпоксії в гідропонних та субстратних системах вирощування вищий влітку. По-перше, вміст насиченого кисню у воді зменшується з підвищенням температури. По-друге, кількість кисню, необхідного для підтримки росту коренів, збільшується зі збільшенням температури. Крім того, кількість поглинання поживних речовин влітку вища, тому потреба в кисні для поглинання поживних речовин вища. Це призводить до зниження вмісту кисню в кореневому середовищі та відсутності ефективного підживлення, що, у свою чергу, призводить до гіпоксії в кореневому середовищі.

Поглинання та ріст

Поглинання більшості необхідних поживних речовин залежить від процесів, тісно пов'язаних з метаболізмом коренів, які потребують енергії, що утворюється в результаті дихання кореневих клітин, тобто розкладання продуктів фотосинтезу в присутності кисню. Дослідження показали, що 10%~20% від загальної кількості асимілятів рослин томата використовується в коренях, 50% з яких використовується для поглинання іонів поживних речовин, 40% для росту і лише 10% для підтримки життєдіяльності. Коріння повинно знаходити кисень у безпосередньому середовищі, де вони виділяють CO2.₂В анаеробних умовах, спричинених поганою вентиляцією в субстратах та гідропоніці, гіпоксія впливатиме на поглинання води та поживних речовин. Гіпоксія швидко реагує на активне поглинання поживних речовин, а саме нітратів (NO₃^-), калій (K) та фосфат (PO₄^3-), що перешкоджатиме пасивному засвоєнню кальцію (Ca) та магнію (Mg).

Для росту коренів рослин потрібна енергія, для нормальної активності коренів потрібна найнижча концентрація кисню, а концентрація кисню нижче значення COP стає фактором, що обмежує метаболізм клітин кореня (гіпоксія). Коли рівень вмісту кисню низький, ріст сповільнюється або навіть зупиняється. Якщо часткова гіпоксія кореня впливає лише на гілки та листя, коренева система може компенсувати ту частину кореневої системи, яка з якоїсь причини більше не активна, збільшуючи локальне поглинання.

Метаболічний механізм рослин залежить від кисню як акцептора електронів. Без кисню виробництво АТФ припиниться. Без АТФ відтік протонів з коренів припиниться, клітинний сік кореневих клітин стане кислим, і ці клітини загинуть протягом кількох годин. Тимчасова та короткочасна гіпоксія не спричинить незворотного харчового стресу у рослин. Через механізм «нітратного дихання» це може бути короткочасною адаптацією для подолання гіпоксії як альтернативного способу під час гіпоксії коренів. Однак тривала гіпоксія призведе до уповільнення росту, зменшення площі листя та зменшення свіжої та сухої ваги, що призведе до значного зниження врожайності.

Етилен

Рослини утворюють етилен in situ під впливом сильного стресу. Зазвичай етилен видаляється з коренів шляхом дифузії в ґрунтове повітря. При перезволоженні утворення етилену не тільки збільшується, але й значно зменшується його дифузія, оскільки коріння оточене водою. Збільшення концентрації етилену призводить до утворення аераційної тканини в коренях (Рисунок 2). Етилен також може спричиняти старіння листя, а взаємодія між етиленом та ауксином збільшує утворення додаткових коренів.

Кисневий стрес призводить до зниження росту листя

АБК виробляється в коренях і листках для боротьби з різними стресовими факторами навколишнього середовища. У кореневому середовищі типовою реакцією на стрес є закриття продихів, що включає утворення АБК. Перш ніж продихи закриваються, верхівка рослини втрачає тиск набухання, верхнє листя в'яне, а також може знижуватися ефективність фотосинтезу. Багато досліджень показали, що продихи реагують на збільшення концентрації АБК в апопласті закриттям, тобто загальний вміст АБК в нелистяних частинах вивільняється внутрішньоклітинною АБК, рослини можуть дуже швидко збільшити концентрацію АБК в апопласті. Коли рослини перебувають під стресом навколишнього середовища, вони починають вивільняти АБК у клітинах, і сигнал вивільнення коренів може передаватися за лічені хвилини, а не за години. Збільшення АБК у тканині листка може зменшити подовження клітинної стінки та призвести до зменшення подовження листка. Іншим наслідком гіпоксії є скорочення тривалості життя листя, що впливає на все листя. Гіпоксія зазвичай призводить до зниження транспорту цитокінінів та нітратів. Брак азоту або цитокініну скоротить час підтримки площі листя та зупинить ріст гілок і листя протягом кількох днів.

Оптимізація кисневого середовища кореневої системи рослин

Характеристики субстрату є вирішальними для розподілу води та кисню. Концентрація кисню в кореневому середовищі тепличних овочів головним чином пов'язана з вологоємністю субстрату, зрошенням (розміром та частотою), структурою субстрату та температурою смуг субстрату. Тільки тоді, коли вміст кисню в кореневому середовищі щонайменше перевищує 10% (4~5 мг/л), активність коренів може підтримуватися в найкращому стані.

Коренева система сільськогосподарських культур дуже важлива для росту рослин та їх стійкості до хвороб. Вода та поживні речовини поглинаються відповідно до потреб рослин. Однак рівень кисню в кореневому середовищі значною мірою визначає ефективність поглинання поживних речовин і води, а також якість кореневої системи. Достатній рівень кисню в кореневому середовищі може забезпечити здоров'я кореневої системи, завдяки чому рослини мають кращу стійкість до патогенних мікроорганізмів (Рисунок 3). Достатній рівень кисню в субстраті також мінімізує ризик анаеробних умов, тим самим мінімізуючи ризик ураження патогенними мікроорганізмами.

Споживання кисню в кореневому середовищі

Максимальне споживання кисню сільськогосподарськими культурами може сягати 40 мг/м2/год (споживання залежить від культури). Залежно від температури, вода для поливу може містити до 7~8 мг/л кисню (Рисунок 4). Щоб досягти 40 мг, необхідно щогодини подавати 5 л води для задоволення потреби в кисні, але насправді кількість кисню, що надходить за один день, може бути не досягнута. Це означає, що кисень, що забезпечується зрошенням, відіграє лише незначну роль. Більша частина кисню надходить до кореневої зони через пори в матриксі, а внесок кисню через пори сягає 90%, залежно від часу доби. Коли випаровування рослин досягає максимуму, кількість кисню, що надходить під час поливу, також досягає максимуму, що еквівалентно 1~1,5 л/м2/год. Якщо вода для поливу містить 7 мг/л кисню, вона забезпечить кореневу зону 7~11 мг/м2/год киснем. Це еквівалентно 17%~25% від потреби. Звичайно, це стосується лише ситуації, коли бідна на кисень поливна вода в субстраті замінюється свіжою поливною водою.

Окрім споживання корінням, мікроорганізми в кореневому середовищі також споживають кисень. Кількісно оцінити це важко, оскільки жодних вимірювань у цьому відношенні не проводилося. Оскільки нові субстрати замінюються щороку, можна припустити, що мікроорганізми відіграють відносно невелику роль у споживанні кисню.

Оптимізуйте температуру навколишнього середовища для коренів

Температура навколишнього середовища кореневої системи дуже важлива для нормального росту та функціонування кореневої системи, а також є важливим фактором, що впливає на поглинання води та поживних речовин кореневою системою.

Занадто низька температура субстрату (температура коренів) може призвести до труднощів із поглинанням води. При 5℃ поглинання на 70%~80% нижче, ніж при 20℃. Якщо низька температура субстрату супроводжується високою температурою, це призведе до в'янення рослини. Поглинання іонів, очевидно, залежить від температури, що гальмує поглинання іонів за низької температури, а чутливість різних поживних елементів до температури різна.

Занадто висока температура субстрату також ні до чого, і може призвести до занадто великої кореневої системи. Іншими словами, у рослинах спостерігається незбалансований розподіл сухої речовини. Оскільки коренева система занадто велика, відбуватимуться непотрібні втрати через дихання, і ця частина втраченої енергії могла б бути використана для збору врожаю рослини. За вищої температури субстрату вміст розчиненого кисню нижчий, що має набагато більший вплив на вміст кисню в кореневому середовищі, ніж кисень, споживаний мікроорганізмами. Коренева система споживає багато кисню і навіть призводить до гіпоксії у випадку поганої структури субстрату або ґрунту, тим самим зменшуючи поглинання води та іонів.

Підтримуйте достатню вологоутримувальну здатність матриці.

Існує негативна кореляція між вмістом води та відсотковим вмістом кисню в матриці. Коли вміст води збільшується, вміст кисню зменшується, і навпаки. Існує критичний діапазон між вмістом води та кисню в матриці, тобто 80%~85% вмісту води (Рисунок 5). Тривала підтримка вмісту води вище 85% у субстраті впливатиме на постачання кисню. Більша частина постачання кисню (75%~90%) відбувається через пори в матриці.

Додаткове зрошення для підвищення вмісту кисню в субстраті

Більше сонячного світла призведе до більшого споживання кисню та нижчої його концентрації в коренях (Рис. 6), а більше цукру збільшить споживання кисню вночі. Транспірація сильна, водопоглинання велике, а в субстраті більше повітря та кисню. З лівого боку Рис. 7 видно, що вміст кисню в субстраті дещо зросте після поливу за умови, що вологоутримуюча здатність субстрату висока, а вміст повітря дуже низький. Як показано праворуч на Рис. 7, за умови відносно кращого освітлення вміст повітря в субстраті збільшується через більше водопоглинання (однаковий час поливу). Відносний вплив поливу на вміст кисню в субстраті набагато менший, ніж вологоутримуюча здатність (вміст повітря) в субстраті.

Обговоріть

У реальному виробництві вміст кисню (повітря) у кореневому середовищі рослин легко не помітити, але він є важливим фактором для забезпечення нормального росту культур та здорового розвитку коренів.

Для отримання максимального врожаю під час вирощування сільськогосподарських культур дуже важливо максимально захистити кореневу систему в найкращому стані. Дослідження показали, що O₂вміст O у середовищі кореневої системи нижче 4 мг/л матиме негативний вплив на ріст культури.₂Вміст кисню в кореневому середовищі головним чином залежить від зрошення (кількість та частота поливу), структури субстрату, вмісту води в субстраті, температури теплиці та субстрату, а також різні схеми посадки будуть різними. Водорості та мікроорганізми також мають певний зв'язок із вмістом кисню в кореневому середовищі гідропонних культур. Гіпоксія не тільки спричиняє повільний розвиток рослин, але й збільшує тиск кореневих патогенів (пітіум, фітофтора, фузаріоз) на ріст коренів.

Стратегія зрошення має значний вплив на O₂вміст води в субстраті, а також це більш контрольований спосіб посадки. Деякі дослідження посадки троянд показали, що повільне збільшення вмісту води в субстраті (вранці) може забезпечити кращий кисневий стан. У субстраті з низькою вологоємністю субстрат може підтримувати високий вміст кисню, і водночас необхідно уникати різниці у вмісті води між субстратами шляхом частішого поливу та коротших інтервалів. Чим нижча вологоємність субстратів, тим більша різниця між субстратами. Вологий субстрат, менша частота поливу та довший інтервал забезпечують кращий обмін повітря та сприятливі кисневі умови.

Дренаж субстрату – це ще один фактор, який має великий вплив на швидкість оновлення та градієнт концентрації кисню в субстраті, залежно від типу та вологоємності субстрату. Зрошувальна рідина не повинна затримуватися на дні субстрату занадто довго, а повинна швидко скидатися, щоб свіжа, збагачена киснем, зрошувальна вода могла знову досягти дна субстрату. На швидкість дренажу можна впливати за допомогою деяких відносно простих заходів, таких як градієнт субстрату в поздовжньому та ширинному напрямках. Чим більший градієнт, тим швидша швидкість дренажу. Різні субстрати мають різні отвори, і кількість вихідних отворів також різна.

КІНЕЦЬ

[інформація про цитування]

Сє Юаньпей. Вплив вмісту кисню навколишнього середовища в коренях тепличних культур на ріст сільськогосподарських культур [J]. Сільськогосподарські технології машинобудування, 2022, 42 (31): 21-24.