Технологии сельскохозяйственной инженерии из парниковых садов, опубликованных в Пекине в 17:30 13 января 2023 года.

Поглощение большинства элементов питательных веществ - это процесс, тесно связанный с метаболической активностью корней растений. Эти процессы требуют энергии, генерируемой дыханием корневых клеток, а водопоглощение также регулируется температурой и дыханием, а дыхание требует участия кислорода, поэтому кислород в корневой среде оказывает жизненно важное влияние на нормальный рост сельскохозяйственных культур. Содержание растворенного кислорода в воде влияет температура и соленость, а на структуру субстрата определяет содержание воздуха в корневой среде. Орошение имеет большие различия в обновлении и добавлении содержания кислорода в субстратах с различными состояниями содержания воды. Существует много факторов для оптимизации содержания кислорода в корневой среде, но степень влияния каждого фактора совершенно отличается. Поддержание разумной подложки для удержания воды (содержание воздуха) является предпосылкой поддержания высокого содержания кислорода в корневой среде.

Влияние температуры и солености на содержание насыщенного кислорода в растворе

Растворенное содержание кислорода в воде

Растворенный кислород растворяется в несвязанном или свободном кислороде в воде, а содержание растворенного кислорода в воде достигнет максимума при определенной температуре, которая является насыщенным содержанием кислорода. Содержание насыщенного кислорода в воде изменяется с температурой, а когда температура повышается, содержание кислорода уменьшается. Содержание насыщенного кислорода в прозрачной воде выше, чем у солевой морской воды (рис. 1), поэтому содержание насыщенного кислорода в растворах питательных веществ с различными концентрациями будет отличаться.

Транспорт кислорода в матрице

Кислород, который корни парниковых культур могут получить от раствора питательных веществ, должен находиться в свободном состоянии, а кислород транспортируется в подложке через воздух, воду и воду вокруг корней. Когда он находится в равновесии с содержанием кислорода в воздухе при заданной температуре, кислород, растворенный в воде, достигает максимума, а изменение содержания кислорода в воздухе приведет к пропорциональному изменению содержания кислорода в воде.

Влияние гипоксии стресса в корневой среде на сельскохозяйственные культуры

Причины корневой гипоксии

Есть несколько причин, по которым риск гипоксии в гидропонике и системах культивирования субстратов летом. Прежде всего, содержание насыщенного кислорода в воде уменьшится по мере повышения температуры. Во -вторых, кислород, необходимый для поддержания роста корней, увеличивается с повышением температуры. Кроме того, количество поглощения питательных веществ выше летом, поэтому потребность в кислороде для поглощения питательных веществ выше. Это приводит к снижению содержания кислорода в корневой среде и отсутствию эффективной добавки, что приводит к гипоксии в корневой среде.

Поглощение и рост

Поглощение наиболее важных питательных веществ зависит от процессов, тесно связанных с метаболизмом корня, которые требуют энергии, генерируемой дыханием корневых клеток, то есть разложением фотосинтетических продуктов в присутствии кислорода. Исследования показали, что в корнях используются 10% ~ 20% от общего количества ассимилятов растений томата, 50% из которых используются для поглощения ионов питательных веществ, 40% для роста и только 10% для поддержания. Корни должны найти кислород в прямой среде, где они выпускают CO₂Полем В анаэробных условиях, вызванных плохой вентиляцией в субстратах и ​​гидропоникой, гипоксия повлияет на поглощение воды и питательных веществ. Гипоксия имеет быстрый ответ на активное поглощение питательных веществ, а именно нитрат (нет₃^-), калий (k) и фосфат (PO₄^3-), что будет мешать пассивному поглощению кальция (CA) и магния (Mg).

Рост корня растений требует энергии, нормальная активность корня требует самой низкой концентрации кислорода, а концентрация кислорода ниже значения COP становится фактором, ограничивающим метаболизм корневых клеток (гипоксия). Когда уровень содержания кислорода низкий, рост замедляется или даже останавливается. Если гипоксия частичной корня влияет только на ветви и листья, корневая система может компенсировать часть корневой системы, которая по какой -то причине больше не является активной, путем увеличения локального поглощения.

Метаболический механизм растений зависит от кислорода в качестве акцептора электронов. Без кислорода продукция АТФ остановится. Без АТФ отток протонов из корней остановится, клеточный сок корневых клеток станет кислотным, и эти клетки умирают в течение нескольких часов. Временная и краткосрочная гипоксия не приведет к необратимому питательному стрессу у растений. Из-за механизма «дыхания нитратного», он может быть краткосрочной адаптацией, чтобы справиться с гипоксией как альтернативный способ во время гипоксии корня. Тем не менее, долгосрочная гипоксия приведет к медленному росту, снижению площади листьев и снижению свежего и сухого веса, что приведет к значительному снижению урожайности.

Этилен

Растения будут образовывать этилен на месте под большим напряжением. Обычно этилен удаляется из корней путем распространения в воздух почвы. Когда происходит заболование, образование этилена не только увеличится, но и диффузия будет значительно снижена, потому что корни окружены водой. Увеличение концентрации этилена приведет к образованию аэрационной ткани в корнях (рис. 2). Этилен также может вызвать старение листьев, а взаимодействие между этиленом и ауксином увеличит образование случайных корней.

Кислородный стресс приводит к снижению роста листьев

ABA производится в корнях и листьях, чтобы справиться с различными экологическими напряжениями. В корневой среде типичная реакция на стресс - это устья закрытия, которое включает в себя образование ABA. Перед тем, как устья закрыты, вершина растения теряет давление набухания, верхние листья увядают, и эффективность фотосинтеза также может уменьшаться. Многие исследования показали, что устья реагируют на увеличение концентрации ABA в апопласте путем закрытия, то есть общее содержание ABA в не листьях путем высвобождения внутриклеточного ABA растения могут очень быстро увеличить концентрацию апопласта ABA. Когда растения находятся под напряжением окружающей среды, они начинают выделять ABA в клетках, а сигнал высвобождения корня может передаваться за считанные минуты вместо часов. Увеличение ABA в ткани листьев может уменьшить удлинение клеточной стенки и привести к снижению удлинения листьев. Другой эффект гипоксии заключается в том, что продолжительность жизни листьев сокращается, что повлияет на все листья. Гипоксия обычно приводит к снижению транспорта цитокинина и нитратов. Отсутствие азота или цитокинина сократит время поддержания площади листьев и остановит рост ветвей и листьев в течение нескольких дней.

Оптимизация кислородной среды корневой системы урожая

Характеристики субстрата являются решающими для распределения воды и кислорода. Концентрация кислорода в корневой среде парниковых овощей в основном связана с пропускной способностью подложки, ирригации (размер и частоты), структурой субстрата и температурой подложки. Только когда содержание кислорода в корневой среде составляет по меньшей мере выше 10% (4 ~ 5 мг/л), может поддерживать активность корневой деятельности в лучшем состоянии.

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

Потребление кислорода в корневой среде

Максимальное потребление кислорода в сельскохозяйственных культурах может достигать 40 мг/м2/ч (потребление зависит от сельскохозяйственных культур). В зависимости от температуры ирригационная вода может содержать до 7 ~ 8 мг/л кислорода (рис. 4). Чтобы достичь 40 мг, 5 л воды должен быть предоставлен каждый час для удовлетворения потребности в кислороде, но на самом деле количество орошения за один день не может быть достигнут. Это означает, что кислород, предоставляемый орошением, играет лишь небольшую роль. Большая часть подачи кислорода достигает корневой зоны через поры в матрице, а вклад подачи кислорода через поры достигает 90%, в зависимости от времени суток. Когда испарение растений достигает максимума, количество орошения также достигает максимума, что эквивалентно 1 ~ 1,5 л/м2/ч. Если ирригационная вода содержит 7 мг/л кислорода, она обеспечит 7 ~ 11 мг/м2/H кислород для корневой зоны. Это эквивалентно 17% ~ 25% от спроса. Конечно, это относится только к ситуации, когда ирригационная вода с бедной кислородом в подложке заменяется свежей орошательской водой.

В дополнение к потреблению корней, микроорганизмы в корневой среде также потребляют кислород. Трудно определить это, потому что в этом отношении не было сделано измерения. 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 функции корневой системы, а также является важным фактором, влияющим на поглощение воды и питательных веществ корневой системой.

Слишком низкая температура субстрата (температура корня) может привести к сложности при поглощении воды. При 5 ℃ поглощение на 70% ~ 80% ниже, чем на 20 ℃. Если низкая температура субстрата сопровождается высокой температурой, это приведет к увязке растений. Поглощение ионов, очевидно, зависит от температуры, которая ингибирует поглощение ионов при низкой температуре, а чувствительность различных элементов питательных веществ к температуре различна.

Слишком высокая температура субстрата также бесполезна и может привести к слишком большой корневой системе. Другими словами, в растениях существует несбалансированное распределение сухого вещества. Поскольку корневая система слишком большая, ненужные потери будут происходить в результате дыхания, и эта часть потерянной энергии могла быть использована для сбора урожая 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 плохой субстрата или структуры почвы, что снижает поглощение воды и ионов.

Поддерживайте разумную воду, удерживающую матрицу.

Существует отрицательная корреляция между содержанием воды и процентным содержанием кислорода в матрице. Когда содержание воды увеличивается, содержание кислорода уменьшается, и наоборот. Существует критический диапазон между содержанием воды и кислородом в матрице, то есть 80% ~ 85% содержания воды (рис. 5). Долгосрочное обслуживание содержания воды выше 85% в подложке будет влиять на подачу кислорода. Большая часть подачи кислорода (75%~ 90%) проходит через поры в матрице.

Дополнение ирригации к содержанию кислорода на субстрате

Больше солнечного света приведет к более высокому потреблению кислорода и снижению концентрации кислорода в корнях (рис. 6), а больше сахара сделает потребление кислорода выше ночью. Транспирация сильна, поглощение воды большое, а в подложке больше воздуха и больше кислорода. Слева от рисунка 7 видно, что содержание кислорода в подложке немного увеличится после орошения при условии, что пропускная способность подложки подложки высока, а содержание воздуха очень низкое. Как показано справа от фиг. 7 При условии относительно лучшего освещения содержание воздуха в субстрате увеличивается из -за большего поглощения воды (такое же время орошения). Относительное влияние ирригации на содержание кислорода в субстрате намного меньше, чем в подложке.

Обсуждать

В фактическом производстве содержание кислорода (воздуха) в корневой среде урожая легко упускается из виду, но это важный фактор для обеспечения нормального роста сельскохозяйственных культур и здорового развития корней.

Чтобы получить максимальную доходность во время производства урожая, очень важно как можно больше защитить среду корневой системы в лучшем состоянии. Исследования показали, что o₂Содержание в среде корневой системы ниже 4 мг/л будет оказывать негативное влияние на рост урожая. О.₂На содержание в корневой среде в основном зависит от ирригации (количество и частоту орошения), структура субстрата, содержание воды субстрата, температура теплицы и субстрата, а также различные схемы посадки. Ворот и микроорганизмы также имеют определенную связь с содержанием кислорода в корневой среде гидропонных культур. Гипоксия не только вызывает медленное развитие растений, но также увеличивает давление корневых патогенов (Pythium, Phytophthora, Fusarium) на рост корня.

Стратегия орошения оказывает значительное влияние на O₂Контент в подложке, и он также является более контролируемым способом в процессе посадки. Некоторые исследования посадки розы показали, что медленно увеличение содержания воды в субстрате (утром) может получить лучшее состояние кислорода. В подложке с низкой пропускной способностью воды субстрат может поддерживать высокое содержание кислорода, и в то же время необходимо избежать разницы в содержании воды между субстратами с помощью более высокой частоты орошения и более короткого интервала. Чем ниже пропускная способность подложков, тем больше разница между субстратами. Влажный субстрат, более низкая частота ирригации и более длительный интервал обеспечивают большую замену воздуха и благоприятные условия кислорода.

Дренаж субстрата является еще одним фактором, который оказывает большое влияние на скорость обновления и градиент концентрации кислорода в субстрате, в зависимости от типа и пропускной способности подложки. Ирригационная жидкость не должна оставаться на дне субстрата слишком долго, но должна быть быстро разряжена, чтобы ирригационная вода, обогащенная свежей кислородом, могла снова достичь дна субстрата. На скорость дренажа может влиять некоторые относительно простые меры, такие как градиент субстрата в направлениях продольной и ширины. Чем больше градиент, тем быстрее скорость дренажа. Различные субстраты имеют разные отверстия, а количество розет также отличается.

КОНЕЦ

[Информация о цитировании]

Xie Yuanpei. Влияние содержания кислорода в окружающей среде в корнях тепличных культур на рост урожая [J]. Технология сельского хозяйства, 2022,42 (31): 21-24.