Tecnologia d'enginyeria agrícola per a hivernacles. Publicat a Pequín a les 17:30 del 13 de gener de 2023.

L'absorció de la majoria dels elements nutritius és un procés estretament relacionat amb les activitats metabòliques de les arrels de les plantes. Aquests processos requereixen energia generada per la respiració cel·lular de l'arrel, i l'absorció d'aigua també està regulada per la temperatura i la respiració, i la respiració requereix la participació d'oxigen, de manera que l'oxigen a l'entorn de l'arrel té un impacte vital en el creixement normal dels cultius. El contingut d'oxigen dissolt a l'aigua es veu afectat per la temperatura i la salinitat, i l'estructura del substrat determina el contingut d'aire a l'entorn de l'arrel. El reg té grans diferències en la renovació i suplementació del contingut d'oxigen en substrats amb diferents estats de contingut d'aigua. Hi ha molts factors per optimitzar el contingut d'oxigen a l'entorn de l'arrel, però el grau d'influència de cada factor és força diferent. Mantenir una capacitat raonable de retenció d'aigua del substrat (contingut d'aire) és la premissa per mantenir un alt contingut d'oxigen a l'entorn de l'arrel.

Efectes de la temperatura i la salinitat sobre el contingut saturat d'oxigen en solució

Contingut d'oxigen dissolt a l'aigua

L'oxigen dissolt es dissol en oxigen lliure o no lligat a l'aigua, i el contingut d'oxigen dissolt a l'aigua arribarà al màxim a una determinada temperatura, que és el contingut d'oxigen saturat. El contingut d'oxigen saturat a l'aigua canvia amb la temperatura i, quan la temperatura augmenta, el contingut d'oxigen disminueix. El contingut d'oxigen saturat de l'aigua clara és més alt que el de l'aigua de mar que conté sal (Figura 1), de manera que el contingut d'oxigen saturat de les solucions de nutrients amb diferents concentracions serà diferent.

Transport d'oxigen a la matriu

L'oxigen que les arrels dels cultius d'hivernacle poden obtenir de la solució de nutrients ha d'estar en estat lliure, i l'oxigen es transporta al substrat a través de l'aire i l'aigua, i l'aigua al voltant de les arrels. Quan està en equilibri amb el contingut d'oxigen de l'aire a una temperatura determinada, l'oxigen dissolt a l'aigua arriba al màxim, i el canvi del contingut d'oxigen de l'aire comportarà un canvi proporcional del contingut d'oxigen de l'aigua.

Efectes de l'estrès per hipòxia en l'entorn radicular sobre els cultius

Causes de la hipòxia radicular

Hi ha diverses raons per les quals el risc d'hipòxia en sistemes hidropònics i de cultiu de substrats és més alt a l'estiu. En primer lloc, el contingut saturat d'oxigen a l'aigua disminueix a mesura que augmenta la temperatura. En segon lloc, l'oxigen necessari per mantenir el creixement de les arrels augmenta amb l'augment de la temperatura. A més, la quantitat d'absorció de nutrients és més alta a l'estiu, de manera que la demanda d'oxigen per a l'absorció de nutrients és més alta. Això condueix a la disminució del contingut d'oxigen a l'entorn radicular i a la manca d'un suplement eficaç, la qual cosa condueix a hipòxia a l'entorn radicular.

Absorció i creixement

L'absorció de la majoria dels nutrients essencials depèn dels processos estretament relacionats amb el metabolisme de les arrels, que requereixen l'energia generada per la respiració cel·lular de les arrels, és a dir, la descomposició dels productes fotosintètics en presència d'oxigen. Els estudis han demostrat que entre el 10% i el 20% dels assimilats totals de les plantes de tomàquet s'utilitzen a les arrels, el 50% dels quals s'utilitzen per a l'absorció d'ions de nutrients, el 40% per al creixement i només el 10% per al manteniment. Les arrels han de trobar oxigen a l'entorn directe on alliberen CO2.₂En condicions anaeròbiques causades per una mala ventilació en substrats i hidroponia, la hipòxia afectarà l'absorció d'aigua i nutrients. La hipòxia té una resposta ràpida a l'absorció activa de nutrients, és a dir, nitrat (NO₃^-), potassi (K) i fosfat (PO₄^3-), que interferirà amb l'absorció passiva de calci (Ca) i magnesi (Mg).

El creixement de les arrels de les plantes necessita energia, l'activitat normal de les arrels necessita la concentració d'oxigen més baixa, i la concentració d'oxigen per sota del valor de COP esdevé un factor que limita el metabolisme de les cèl·lules radiculars (hipòxia). Quan el nivell de contingut d'oxigen és baix, el creixement s'alenteix o fins i tot s'atura. Si la hipòxia radicular parcial només afecta les branques i les fulles, el sistema radicular pot compensar la part del sistema radicular que ja no està activa per alguna raó augmentant l'absorció local.

El mecanisme metabòlic de les plantes depèn de l'oxigen com a acceptor d'electrons. Sense oxigen, la producció d'ATP s'aturarà. Sense ATP, el flux de protons de les arrels s'aturarà, la saba cel·lular de les cèl·lules de l'arrel es tornarà àcida i aquestes cèl·lules moriran en poques hores. La hipòxia temporal i a curt termini no causarà estrès nutricional irreversible a les plantes. A causa del mecanisme de "respiració de nitrats", pot ser una adaptació a curt termini per fer front a la hipòxia com a alternativa durant la hipòxia de les arrels. Tanmateix, la hipòxia a llarg termini comportarà un creixement lent, una disminució de la superfície foliar i una disminució del pes fresc i sec, cosa que comportarà una disminució significativa del rendiment dels cultius.

Etilè

Les plantes formen etilè in situ sota molt d'estrès. Normalment, l'etilè s'elimina de les arrels difonent-se a l'aire del sòl. Quan es produeix un entollament, la formació d'etilè no només augmenta, sinó que també es redueix considerablement la difusió perquè les arrels estan envoltades d'aigua. L'augment de la concentració d'etilè conduirà a la formació de teixit d'aireació a les arrels (Figura 2). L'etilè també pot causar senescència de les fulles, i la interacció entre l'etilè i l'auxina augmentarà la formació d'arrels adventícies.

L'estrès d'oxigen provoca una disminució del creixement de les fulles

L'ABA es produeix a les arrels i les fulles per fer front a diversos estrès ambientals. En l'entorn radicular, la resposta típica a l'estrès és el tancament estomàtic, que implica la formació d'ABA. Abans que els estomes es tanquin, la part superior de la planta perd pressió d'inflamació, les fulles superiors es marceixen i l'eficiència fotosintètica també pot disminuir. Molts estudis han demostrat que els estomes responen a l'augment de la concentració d'ABA a l'apoplast tancant-se, és a dir, el contingut total d'ABA en les parts no fulles allibera ABA intracel·lular, les plantes poden augmentar la concentració d'ABA de l'apoplast molt ràpidament. Quan les plantes estan sota estrès ambiental, comencen a alliberar ABA a les cèl·lules i el senyal d'alliberament de les arrels es pot transmetre en minuts en lloc d'hores. L'augment d'ABA al teixit foliar pot reduir l'elongació de la paret cel·lular i conduir a la disminució de l'elongació de les fulles. Un altre efecte de la hipòxia és que la vida útil de les fulles s'escurça, cosa que afectarà totes les fulles. La hipòxia sol conduir a la disminució del transport de citocinines i nitrats. La manca de nitrogen o citocinina escurçarà el temps de manteniment de la superfície foliar i aturarà el creixement de les branques i les fulles en pocs dies.

Optimització de l'entorn d'oxigen del sistema radicular dels cultius

Les característiques del substrat són decisives per a la distribució de l'aigua i l'oxigen. La concentració d'oxigen a l'entorn radicular de les hortalisses d'hivernacle està principalment relacionada amb la capacitat de retenció d'aigua del substrat, el reg (mida i freqüència), l'estructura del substrat i la temperatura de la franja del substrat. Només quan el contingut d'oxigen a l'entorn radicular és com a mínim superior al 10% (4~5 mg/L) es pot mantenir l'activitat radicular en el millor estat.

El sistema radicular dels cultius és molt important per al creixement de les plantes i la resistència a les malalties. L'aigua i els nutrients s'absorbiran segons les necessitats de les plantes. Tanmateix, el nivell d'oxigen a l'entorn radicular determina en gran mesura l'eficiència d'absorció de nutrients i aigua i la qualitat del sistema radicular. Un nivell suficient d'oxigen a l'entorn radicular pot garantir la salut del sistema radicular, de manera que les plantes tinguin una millor resistència als microorganismes patògens (Figura 3). Un nivell adequat d'oxigen al substrat també minimitza el risc de condicions anaeròbiques, minimitzant així el risc de microorganismes patògens.

Consum d'oxigen a l'entorn radicular

El consum màxim d'oxigen dels cultius pot arribar als 40 mg/m2/h (el consum depèn dels cultius). Depenent de la temperatura, l'aigua de reg pot contenir fins a 7~8 mg/L d'oxigen (Figura 4). Per arribar als 40 mg, cal donar 5 L d'aigua cada hora per satisfer la demanda d'oxigen, però, de fet, és possible que no s'assoleixi la quantitat de reg en un dia. Això significa que l'oxigen proporcionat pel reg només juga un paper petit. La major part del subministrament d'oxigen arriba a la zona radicular a través dels porus de la matriu, i la contribució del subministrament d'oxigen a través dels porus és de fins al 90%, depenent de l'hora del dia. Quan l'evaporació de les plantes arriba al màxim, la quantitat de reg també arriba al màxim, que equival a 1~1,5 L/m2/h. Si l'aigua de reg conté 7 mg/L d'oxigen, proporcionarà 7~11 mg/m2/h d'oxigen per a la zona radicular. Això equival al 17%~25% de la demanda. Per descomptat, això només s'aplica a la situació en què l'aigua de reg pobra en oxigen del substrat es substitueix per aigua de reg fresca.

A més del consum d'arrels, els microorganismes de l'entorn radicular també consumeixen oxigen. És difícil de quantificar perquè no s'ha fet cap mesura en aquest sentit. Com que els substrats nous es substitueixen cada any, es pot suposar que els microorganismes tenen un paper relativament petit en el consum d'oxigen.

Optimitzar la temperatura ambiental de les arrels

La temperatura ambiental del sistema radicular és molt important per al creixement i funcionament normals d'aquest sistema, i també és un factor important que afecta l'absorció d'aigua i nutrients per part del sistema radicular.

Una temperatura del substrat (temperatura de les arrels) massa baixa pot dificultar l'absorció d'aigua. A 5 ℃, l'absorció és entre un 70% i un 80% inferior a la de 20 ℃. Si una temperatura baixa del substrat va acompanyada d'una temperatura alta, això provocarà que la planta es marceixi. L'absorció d'ions depèn, òbviament, de la temperatura, cosa que inhibeix l'absorció d'ions a baixa temperatura, i la sensibilitat dels diferents elements nutritius a la temperatura és diferent.

Una temperatura del substrat massa alta també és inútil i pot conduir a un sistema radicular massa gran. En altres paraules, hi ha una distribució desequilibrada de la matèria seca a les plantes. Com que el sistema radicular és massa gran, es produiran pèrdues innecessàries a través de la respiració, i aquesta part de l'energia perduda s'hauria pogut utilitzar per a la part de collita de la planta. A una temperatura del substrat més alta, el contingut d'oxigen dissolt és menor, cosa que té un impacte molt més gran en el contingut d'oxigen a l'entorn radicular que l'oxigen consumit pels microorganismes. El sistema radicular consumeix molt oxigen i fins i tot condueix a hipòxia en el cas d'un substrat o una estructura del sòl deficients, reduint així l'absorció d'aigua i ions.

Mantenir una capacitat raonable de retenció d'aigua de la matriu.

Hi ha una correlació negativa entre el contingut d'aigua i el percentatge d'oxigen a la matriu. Quan el contingut d'aigua augmenta, el contingut d'oxigen disminueix, i viceversa. Hi ha un rang crític entre el contingut d'aigua i l'oxigen a la matriu, és a dir, un contingut d'aigua del 80% al 85% (Figura 5). El manteniment a llarg termini d'un contingut d'aigua per sobre del 85% al ​​substrat afectarà el subministrament d'oxigen. La major part del subministrament d'oxigen (75% al ​​90%) es produeix a través dels porus de la matriu.

Suplement de reg al contingut d'oxigen del substrat

Més llum solar comportarà un major consum d'oxigen i una menor concentració d'oxigen a les arrels (Figura 6), i més sucre farà que el consum d'oxigen sigui més elevat a la nit. La transpiració és forta, l'absorció d'aigua és gran i hi ha més aire i més oxigen al substrat. Es pot veure a l'esquerra de la Figura 7 que el contingut d'oxigen al substrat augmentarà lleugerament després del reg en la condició que la capacitat de retenció d'aigua del substrat sigui alta i el contingut d'aire sigui molt baix. Com es mostra a la dreta de la figura 7, en condicions d'una il·luminació relativament millor, el contingut d'aire al substrat augmenta a causa d'una major absorció d'aigua (mateixos temps de reg). La influència relativa del reg sobre el contingut d'oxigen al substrat és molt menor que la capacitat de retenció d'aigua (contingut d'aire) al substrat.

Debatre

En la producció real, el contingut d'oxigen (aire) en l'entorn de les arrels dels cultius es passa fàcilment per alt, però és un factor important per garantir el creixement normal dels cultius i el desenvolupament saludable de les arrels.

Per obtenir el màxim rendiment durant la producció de cultius, és molt important protegir l'entorn del sistema radicular en les millors condicions possibles. Els estudis han demostrat que l'O₂un contingut en l'entorn del sistema radicular inferior a 4 mg/L tindrà un impacte negatiu en el creixement del cultiu. L'O₂El contingut d'oxigen a l'entorn radicular està influenciat principalment pel reg (quantitat i freqüència de reg), l'estructura del substrat, el contingut d'aigua del substrat, la temperatura de l'hivernacle i del substrat, i els diferents patrons de plantació seran diferents. Les algues i els microorganismes també tenen una certa relació amb el contingut d'oxigen a l'entorn radicular dels cultius hidropònics. La hipòxia no només provoca el desenvolupament lent de les plantes, sinó que també augmenta la pressió dels patògens radiculars (Pythium, Phytophthora, Fusarium) sobre el creixement de les arrels.

L'estratègia de reg té una influència significativa en l'O₂contingut al substrat, i també és una manera més controlable en el procés de plantació. Alguns estudis de plantació de roses han descobert que augmentar lentament el contingut d'aigua al substrat (al matí) pot aconseguir un millor estat d'oxigen. En el substrat amb baixa capacitat de retenció d'aigua, el substrat pot mantenir un alt contingut d'oxigen i, alhora, cal evitar la diferència de contingut d'aigua entre els substrats mitjançant una freqüència de reg més alta i un interval més curt. Com menor sigui la capacitat de retenció d'aigua dels substrats, més gran serà la diferència entre els substrats. Un substrat humit, una freqüència de reg més baixa i un interval més llarg garanteixen una major reposició d'aire i unes condicions d'oxigen favorables.

El drenatge del substrat és un altre factor que té una gran influència en la taxa de renovació i el gradient de concentració d'oxigen al substrat, depenent del tipus i la capacitat de retenció d'aigua del substrat. El líquid de reg no ha de romandre al fons del substrat durant massa temps, sinó que s'ha de descarregar ràpidament perquè l'aigua de reg enriquida amb oxigen fresca pugui tornar a arribar al fons del substrat. La velocitat de drenatge es pot influenciar mitjançant algunes mesures relativament senzilles, com ara el gradient del substrat en les direccions longitudinal i amplada. Com més gran sigui el gradient, més ràpida serà la velocitat de drenatge. Els diferents substrats tenen diferents obertures i el nombre de sortides també és diferent.

FI

[informació de citació]

Xie Yuanpei. Efectes del contingut d'oxigen ambiental a les arrels dels cultius d'hivernacle sobre el creixement dels cultius [J]. Tecnologia d'Enginyeria Agrícola, 2022,42(31):21-24.