Агроинженерная технология тепличного садоводстваОпубликовано в Пекине в 17:30 13 января 2023 г.

Поглощение большинства питательных элементов представляет собой процесс, тесно связанный с метаболической активностью корней растений.Эти процессы требуют энергии, вырабатываемой дыханием клеток корней, а поглощение воды также регулируется температурой и дыханием, а дыхание требует участия кислорода, поэтому кислород в корневой среде оказывает жизненно важное влияние на нормальный рост сельскохозяйственных культур.На содержание растворенного кислорода в воде влияют температура и соленость, а структура субстрата определяет содержание воздуха в корневой среде.Орошение имеет большие различия в восстановлении и восполнении содержания кислорода в субстратах с разным влагосодержанием.Существует множество факторов, оптимизирующих содержание кислорода в корневой среде, но степень влияния каждого фактора весьма различна.Поддержание приемлемой водоудерживающей способности субстрата (содержание воздуха) является предпосылкой поддержания высокого содержания кислорода в корневой среде.

Влияние температуры и солености на содержание насыщенного кислорода в растворе

Содержание растворенного кислорода в воде

Растворенный кислород растворяется в несвязанном или свободном кислороде в воде, и содержание растворенного кислорода в воде достигает максимума при определенной температуре, которая является насыщенным содержанием кислорода.Содержание насыщенного кислорода в воде изменяется с температурой, а при повышении температуры содержание кислорода уменьшается.Содержание насыщенного кислорода в чистой воде выше, чем в солесодержащей морской воде (рис. 1), поэтому содержание насыщенного кислорода в питательных растворах с разной концентрацией будет разным.

Транспорт кислорода в матрице

Кислород, который корни тепличных культур могут получить из питательного раствора, должен находиться в свободном состоянии, а транспорт кислорода в субстрате осуществляется через воздух и воду и воду вокруг корней.Когда он находится в равновесии с содержанием кислорода в воздухе при данной температуре, растворенный в воде кислород достигает максимума, и изменение содержания кислорода в воздухе приведет к пропорциональному изменению содержания кислорода в воде.

Влияние стресса гипоксии в корневой среде на сельскохозяйственные культуры

Причины корневой гипоксии

Есть несколько причин, по которым риск гипоксии в системах гидропоники и выращивания субстрата выше летом.Во-первых, содержание насыщенного кислорода в воде будет уменьшаться при повышении температуры.Во-вторых, с повышением температуры увеличивается количество кислорода, необходимого для поддержания роста корней.Кроме того, летом количество поглощаемых питательных веществ выше, поэтому потребность в кислороде для поглощения питательных веществ выше.Это приводит к снижению содержания кислорода в корневой среде и отсутствию эффективной подкормки, что приводит к гипоксии в корневой среде.

Поглощение и рост

Поглощение большинства необходимых питательных веществ зависит от процессов, тесно связанных с корневым метаболизмом, которые требуют энергии, вырабатываемой дыханием клеток корня, т. е. разложением продуктов фотосинтеза в присутствии кислорода.Исследования показали, что 10-20% всех ассимилятов растений томата используются в корнях, 50% из которых используются для поглощения ионов питательных веществ, 40% - для роста и только 10% - для поддержания.Корни должны находить кислород в непосредственной среде, где они выделяют CO.₂.В анаэробных условиях, вызванных плохой вентиляцией субстратов и гидропоники, гипоксия влияет на поглощение воды и питательных веществ.Гипоксия имеет быструю реакцию на активное всасывание питательных веществ, а именно нитратов (NO₃^-), калий (K) и фосфат (PO₄^3-), что будет препятствовать пассивному усвоению кальция (Ca) и магния (Mg).

Для роста корней растений требуется энергия, для нормальной деятельности корней требуется самая низкая концентрация кислорода, а концентрация кислорода ниже значения COP становится фактором, ограничивающим метаболизм корневых клеток (гипоксия).При низком уровне содержания кислорода рост замедляется или даже прекращается.Если частичная корневая гипоксия влияет только на ветви и листья, корневая система может компенсировать часть корневой системы, которая по какой-либо причине больше не активна, за счет увеличения местного поглощения.

Механизм метаболизма растений зависит от кислорода как акцептора электронов.Без кислорода производство АТФ остановится.Без АТФ прекратится отток протонов из корней, клеточный сок клеток корней станет кислым, и эти клетки погибнут в течение нескольких часов.Временная и кратковременная гипоксия не вызовет у растений необратимого пищевого стресса.Из-за механизма «нитратного дыхания» это может быть кратковременная адаптация к гипоксии как альтернатива при корневой гипоксии.Однако длительная гипоксия приведет к замедлению роста, уменьшению площади листьев и уменьшению сырой и сухой массы, что приведет к значительному снижению урожайности.

этилен

Растения будут образовывать этилен in situ при сильном стрессе.Обычно этилен удаляется из корней путем диффундирования в почвенный воздух.Когда происходит переувлажнение, не только увеличивается образование этилена, но и сильно снижается его диффузия, потому что корни окружены водой.Увеличение концентрации этилена приведет к образованию аэрационной ткани в корнях (рис. 2).Этилен также может вызывать старение листьев, а взаимодействие между этиленом и ауксином увеличивает образование придаточных корней.

Кислородный стресс приводит к замедлению роста листьев

АБК вырабатывается в корнях и листьях, чтобы справляться с различными стрессами окружающей среды.В корневой среде типичной реакцией на стресс является закрытие устьиц, которое включает образование АБК.Прежде чем устьица закрываются, верхушка растения теряет давление набухания, верхние листья увядают, а также может снижаться эффективность фотосинтеза.Многие исследования показали, что устьица реагируют на увеличение концентрации АБК в апопласте закрытием, то есть общего содержания АБК в нелистьях высвобождением внутриклеточной АБК, растения могут очень быстро повышать концентрацию АБК в апопласте.Когда растения находятся в условиях экологического стресса, они начинают выделять АБК в клетках, и сигнал о высвобождении корней может передаваться за минуты, а не часы.Увеличение АБК в ткани листа может уменьшить удлинение клеточной стенки и привести к уменьшению удлинения листа.Другой эффект гипоксии заключается в том, что продолжительность жизни листьев сокращается, что затрагивает все листья.Гипоксия обычно приводит к снижению транспорта цитокининов и нитратов.Недостаток азота или цитокинина сократит время поддержания листовой поверхности и остановит рост ветвей и листьев в течение нескольких дней.

Оптимизация кислородной среды корневой системы сельскохозяйственных культур

Характеристики субстрата имеют решающее значение для распределения воды и кислорода.Концентрация кислорода в корневой среде тепличных овощей в основном связана с водоудерживающей способностью субстрата, орошением (размером и частотой), структурой субстрата и температурой полосы субстрата.Только при содержании кислорода в корневой среде не менее 10% (4~5 мг/л) корневая активность может поддерживаться в наилучшем состоянии.

Корневая система сельскохозяйственных культур очень важна для роста растений и устойчивости растений к болезням.Вода и питательные вещества будут поглощаться в соответствии с потребностями растений.Однако уровень кислорода в корневой среде во многом определяет эффективность поглощения питательных веществ и воды и качество корневой системы.Достаточный уровень кислорода в среде корневой системы может обеспечить здоровье корневой системы, чтобы растения имели лучшую устойчивость к патогенным микроорганизмам (рис. 3).Адекватный уровень кислорода в субстрате также сводит к минимуму риск анаэробных условий, тем самым сводя к минимуму риск патогенных микроорганизмов.

Потребление кислорода в корневой среде

Максимальное потребление кислорода культурами может достигать 40 мг/м2/ч (потребление зависит от культур).В зависимости от температуры вода для орошения может содержать до 7~8 мг/л кислорода (рис. 4).Чтобы достичь 40 мг, необходимо давать 5 л воды каждый час, чтобы удовлетворить потребность в кислороде, но на самом деле количество ирригации за один день может быть не достигнуто.Это означает, что кислород, обеспечиваемый орошением, играет лишь небольшую роль.Большая часть поступления кислорода достигает корневой зоны через поры в матрице, а вклад поступления кислорода через поры достигает 90% в зависимости от времени суток.Когда испарение растений достигает максимума, объем орошения также достигает максимума, что эквивалентно 1~1,5 л/м2/ч.Если вода для полива содержит 7 мг/л кислорода, она обеспечит 7~11 мг/м2/ч кислорода для корневой зоны.Это эквивалентно 17%~25% спроса.Конечно, это относится только к ситуации, когда бедная кислородом поливная вода в субстрате заменяется свежей поливной водой.

Помимо потребления корней, микроорганизмы в корневой среде также потребляют кислород.Это трудно определить количественно, потому что никаких измерений в этом отношении не проводилось.Поскольку новые субстраты заменяются каждый год, можно предположить, что микроорганизмы играют относительно небольшую роль в потреблении кислорода.

Оптимизировать температуру окружающей среды корней

Температура окружающей среды корневой системы очень важна для нормального роста и функционирования корневой системы, а также является важным фактором, влияющим на поглощение воды и питательных веществ корневой системой.

Слишком низкая температура субстрата (температура корней) может привести к затруднению впитывания воды.При 5℃ поглощение на 70-80% ниже, чем при 20℃.Если низкая температура субстрата будет сопровождаться высокой температурой, это приведет к увяданию растения.Поглощение ионов, очевидно, зависит от температуры, которая тормозит поглощение ионов при низкой температуре, а чувствительность различных питательных элементов к температуре различна.

Слишком высокая температура субстрата также бесполезна и может привести к слишком большой корневой системе.Другими словами, происходит неравномерное распределение сухого вещества в растениях.Поскольку корневая система слишком велика, будут происходить ненужные потери на дыхание, и эта часть потерянной энергии могла бы быть использована для уборочной части растения.При более высокой температуре субстрата содержание растворенного кислорода ниже, что оказывает гораздо большее влияние на содержание кислорода в корневой среде, чем кислород, потребляемый микроорганизмами.Корневая система потребляет много кислорода и даже приводит к гипоксии в случае плохого субстрата или структуры почвы, что снижает поглощение воды и ионов.

Поддерживайте разумную водоудерживающую способность матрицы.

Существует отрицательная корреляция между содержанием воды и процентным содержанием кислорода в матрице.При увеличении содержания воды содержание кислорода уменьшается, и наоборот.Существует критический диапазон между содержанием воды и кислорода в матрице, т. е. 80–85% содержания воды (рис. 5).Длительное поддержание содержания воды в субстрате выше 85% повлияет на снабжение кислородом.Большая часть подачи кислорода (75% ~ 90%) осуществляется через поры в матрице.

Дополнение полива к содержанию кислорода в субстрате

Больше солнечного света приведет к более высокому потреблению кислорода и более низкой концентрации кислорода в корнях (рис. 6), а большее количество сахара увеличит потребление кислорода ночью.Транспирация сильная, водопоглощение большое, в субстрате больше воздуха и больше кислорода.В левой части рисунка 7 видно, что содержание кислорода в субстрате немного увеличится после полива при условии, что водоудерживающая способность субстрата высока, а содержание воздуха очень низкое.Как показано справа на рис.7, при условии относительно лучшего освещения содержание воздуха в субстрате увеличивается за счет большего водопоглощения (то же время полива).Относительное влияние орошения на содержание кислорода в субстрате намного меньше, чем на водоудерживающую способность (содержание воздуха) в субстрате.

Обсуждать

В реальном производстве содержание кислорода (воздуха) в среде корней культур легко упустить из виду, но это важный фактор для обеспечения нормального роста культур и здорового развития корней.

Для получения максимального урожая при выращивании сельскохозяйственных культур очень важно максимально защитить корневую систему в наилучшем состоянии.Исследования показали, что О₂содержание в среде корневой системы ниже 4 мг/л окажет негативное влияние на рост урожая.О₂Содержание в корневой среде в основном зависит от орошения (объем и частота орошения), структуры субстрата, содержания воды в субстрате, температуры теплицы и субстрата, и разные схемы посадки будут разными.Водоросли и микроорганизмы также имеют определенную связь с содержанием кислорода в корневой среде гидропонных культур.Гипоксия не только вызывает замедление развития растений, но и увеличивает давление корневых патогенов (питиоз, фитофтора, фузариоз) на корневой рост.

Стратегия орошения оказывает значительное влияние на O₂содержания в субстрате, а также является более контролируемым способом в процессе посадки.Некоторые исследования по посадке роз показали, что медленное увеличение содержания воды в субстрате (утром) может улучшить состояние кислорода.В субстрате с низкой водоудерживающей способностью субстрат может поддерживать высокое содержание кислорода, и в то же время необходимо избегать разницы в содержании воды между субстратами за счет более частого полива и более коротких интервалов.Чем ниже водоудерживающая способность субстратов, тем больше разница между субстратами.Влажный субстрат, более низкая частота поливов и более длительные интервалы обеспечивают больший воздухообмен и благоприятный кислородный режим.

Дренаж субстрата является еще одним фактором, который оказывает большое влияние на скорость обновления и градиент концентрации кислорода в субстрате, в зависимости от типа и водоудерживающей способности субстрата.Жидкость для полива не должна оставаться на дне субстрата слишком долго, а должна быстро сливаться, чтобы свежая, обогащенная кислородом поливная вода снова достигла дна субстрата.На скорость дренажа можно повлиять некоторыми относительно простыми мерами, такими как уклон субстрата в продольном и поперечном направлениях.Чем больше уклон, тем выше скорость дренажа.Разные подложки имеют разные отверстия и количество розеток тоже разное.

КОНЕЦ

[информация о цитировании]

Се Юаньпей.Влияние содержания кислорода окружающей среды в корнях тепличных культур на рост сельскохозяйственных культур [J].Технология сельскохозяйственного машиностроения, 2022,42(31):21-24.