Tecnologia d’enginyeria agrícola de jardineria d’efecte hivernacle publicat a Beijing a les 17:30 del 13 de gener de 2023.

L’absorció de la majoria d’elements de nutrients és un procés estretament relacionat amb les activitats metabòliques de les arrels vegetals. Aquests processos requereixen energia generada per la respiració de les cèl·lules de l’arrel i l’absorció d’aigua també es regula per la temperatura i la respiració, i la respiració requereix la participació de l’oxigen, de manera que l’oxigen en 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 en l’entorn d’arrel. El reg té grans diferències en la renovació i el suplement de contingut d’oxigen en substrats amb diferents estats de contingut d’aigua. Hi ha molts factors per optimitzar el contingut d’oxigen en l’entorn de l’arrel, però el grau d’influència de cada factor és força diferent. Mantenir la capacitat de retenció d’aigua del substrat raonable (contingut d’aire) és la premissa de mantenir un alt contingut en oxigen en l’entorn d’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 l’oxigen no vinculat o lliure en l’aigua i el contingut d’oxigen dissolt a l’aigua assolirà el màxim a una determinada temperatura, que és el contingut saturat d’oxigen. El contingut d’oxigen saturat en l’aigua canvia amb la temperatura i, quan augmenta la temperatura, el contingut d’oxigen disminueix. El contingut saturat d’oxigen d’aigua clara és superior al de l’aigua de mar que conté sal (Figura 1), de manera que el contingut saturat d’oxigen de solucions de nutrients amb diferents concentracions serà diferent.

Transport d’oxigen en matriu

L’oxigen que les arrels del cultiu d’efecte hivernacle poden obtenir de 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 es troba en equilibri amb el contingut d’oxigen a l’aire a una temperatura determinada, l’oxigen dissolt en l’aigua arriba al màxim i el canvi de contingut d’oxigen a l’aire comportarà el canvi proporcional del contingut d’oxigen en l’aigua.

Efectes de l'estrès de la hipòxia en l'entorn de l'arrel sobre els cultius

Causes de la hipòxia de l’arrel

Hi ha diverses raons per les quals el risc d’hipòxia en els sistemes de cultiu d’hidropònics i substrats és més elevat a l’estiu. En primer lloc, el contingut saturat d’oxigen a l’aigua disminuirà a mesura que augmenti la temperatura. En segon lloc, l’oxigen necessari per mantenir el creixement de l’arrel augmenta amb l’augment de la temperatura. A més, la quantitat d’absorció de nutrients és més elevada a l’estiu, de manera que la demanda d’oxigen per a l’absorció de nutrients és més elevada. Condueix a la disminució del contingut d’oxigen en l’entorn de l’arrel i a la manca de suplement efectiu, la qual cosa condueix a la hipòxia en l’entorn de l’arrel.

Absorció i creixement

L’absorció de la majoria de nutrients essencials depèn dels processos estretament relacionats amb el metabolisme de l’arrel, que requereixen l’energia generada per la respiració de les cèl·lules arrels, és a dir, la descomposició de productes fotosintètics en presència d’oxigen. Els estudis han demostrat que el 10% ~ 20% del total dels assimilats de les plantes de tomàquet s’utilitzen en arrels, el 50% dels quals s’utilitzen per a l’absorció d’ions de nutrients, el 40% per al creixement i només un 10% per al manteniment. Les arrels han de trobar oxigen a l’entorn directe on alliberen CO₂. En condicions anaeròbiques causades per una mala ventilació en substrats i hidropònics, 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 l’arrel necessita la menor concentració d’oxigen i la concentració d’oxigen per sota del valor de la COP es converteix en un factor que limita el metabolisme de les cèl·lules de l’arrel (hipòxia). Quan el nivell de contingut d’oxigen és baix, el creixement s’alenteix o fins i tot s’atura. Si la hipòxia de l’arrel parcial només afecta les branques i les fulles, el sistema d’arrel pot compensar la part del sistema d’arrel que ja no és actiu per algun motiu 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, la sortida de protons de les arrels s’aturarà, la saba de les cèl·lules de les cèl·lules arrels es farà 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 forma alternativa durant la hipòxia de l'arrel. No obstant això, la hipòxia a llarg termini comportarà un lent creixement, disminució de la zona de les fulles i disminució del pes fresc i sec, cosa que comportarà un descens significatiu del rendiment de cultius.

Etilè

Les plantes formaran etilè in situ sota molta tensió. Normalment, l’etilè s’elimina de les arrels difonent -se a l’aire del sòl. Quan es produeixi aigua, la formació d’etilè no només augmentarà, sinó que també es reduirà molt la difusió perquè les arrels estan envoltades d’aigua. L’augment de la concentració d’etilè comportarà la formació de teixit d’aire en les arrels (figura 2). L’etilè també pot causar senescència de fulles i la interacció entre l’etilè i l’auxina augmentarà la formació d’arrels aventureres.

L’estrès d’oxigen comporta una disminució del creixement de les fulles

L’ABA es produeix en arrels i fulles per fer front a diverses tensions ambientals. En l’entorn de l’arrel, la resposta típica a l’estrès és el tancament estomatal, que implica la formació d’ABA. Abans que es tanquin els estomes, la part superior de la planta perd la pressió d’inflor, les fulles superiors s’enfilen 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, és a dir, el contingut total d’ABA en les no fulles en alliberar ABA intracel·lular, les plantes poden augmentar la concentració d’apoplast ABA molt ràpidament. Quan les plantes estan sota estrès ambiental, comencen a alliberar ABA a les cèl·lules i el senyal d’alliberament d’arrel es pot transmetre en minuts en lloc d’hores. L’augment de l’ABA al teixit de les fulles pot reduir l’elongació de la paret cel·lular i provocar la disminució de l’allargament 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 citocinina i nitrat. La manca de nitrogen o citokinina reduirà el temps de manteniment de la zona de les fulles i aturarà el creixement de les branques i les fulles en pocs dies.

Optimització de l’entorn d’oxigen del sistema d’arrel de cultiu

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

El sistema arrel dels cultius és molt important per al creixement de les plantes i la resistència a les malalties de les plantes. L’aigua i els nutrients s’absorbeixen segons les necessitats de les plantes. Tanmateix, el nivell d’oxigen a l’entorn de l’arrel determina en gran mesura l’eficiència d’absorció dels nutrients i l’aigua i la qualitat del sistema d’arrel. El nivell d’oxigen suficient en l’entorn del sistema arrel pot assegurar la salut del sistema d’arrel, de manera que les plantes tinguin una millor resistència als microorganismes patògens (figura 3). El 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 de l’arrel

El consum màxim d’oxigen de cultius pot arribar a ser de 40 mg/m2/h (el consum depèn dels cultius). Segons la temperatura, l’aigua de reg pot contenir fins a 7 ~ 8mg/L d’oxigen (figura 4). Per assolir els 40 mg, s’han de donar 5 L d’aigua cada hora per satisfer la demanda d’oxigen, però de fet, no es pot arribar a la quantitat de reg en un dia. Això significa que l’oxigen proporcionat pel reg només té un paper reduït. La major part del subministrament d’oxigen arriba a la zona d’arrel a través dels porus de la matriu i la contribució del subministrament d’oxigen a través dels porus és fins al 90%, segons 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 ~ 1,5L/m2/h. Si l’aigua de reg conté 7mg/l d’oxigen, proporcionarà oxigen de 7 ~ 11mg/m2/h per a la zona d’arrel. Això equival al 17% ~ 25% de la demanda. Per descomptat, això només s'aplica a la situació que l'aigua de reg pobre d'oxigen al substrat es substitueix per l'aigua de reg fresc.

A més del consum d’arrels, els microorganismes a l’entorn de l’arrel també consumeixen oxigen. És difícil quantificar -ho perquè no s’ha fet cap mesura al respecte. Com que cada any es substitueixen els nous substrats, es pot suposar que els microorganismes tenen un paper relativament reduït en el consum d’oxigen.

Optimitzar la temperatura ambiental de les arrels

La temperatura ambiental del sistema d’arrel és molt important per al creixement i la funció normals del sistema d’arrel, i també és un factor important que afecta l’absorció d’aigua i nutrients per sistema d’arrel.

La temperatura del substrat massa baixa (temperatura de l’arrel) pot provocar dificultats en l’absorció d’aigua. A 5 ℃, l’absorció és un 70% ~ 80% inferior a 20 ℃. Si la temperatura baixa del substrat s’acompanya d’alta temperatura, conduirà a la disminució de les plantes. L’absorció d’ions depèn òbviament de la temperatura, que inhibeix l’absorció d’ions a baixa temperatura i la sensibilitat de diferents elements de nutrients a la temperatura és diferent.

La temperatura del substrat massa elevada també és inútil i pot provocar un sistema d’arrel massa gran. És a dir, hi ha una distribució desequilibrada de la matèria seca a les plantes. Com que el sistema d’arrel és massa gran, es produiran pèrdues innecessàries a través de la respiració i aquesta part de l’energia perduda podria haver estat utilitzada per a la part de la collita de la planta. A una temperatura més elevada del substrat, el contingut d’oxigen dissolt és menor, que té un impacte molt més gran en el contingut d’oxigen en l’entorn de l’arrel que l’oxigen consumit pels microorganismes. El sistema d’arrel consumeix molt d’oxigen i fins i tot condueix a hipòxia en el cas d’un pobre substrat o estructura del sòl, reduint així l’absorció d’aigua i ions.

Mantenir la capacitat de retenció d’aigua raonable de la matriu.

Hi ha una correlació negativa entre el contingut d’aigua i el contingut percentual 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, el 80% ~ 85% del contingut d’aigua (Figura 5). El manteniment a llarg termini del contingut d’aigua superior al 85% al ​​substrat afectarà el subministrament d’oxigen. La major part del subministrament d’oxigen (75%~ 90%) és a través dels porus de la matriu.

Suplement de reg al contingut d’oxigen al 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 des de l’esquerra de la figura 7 que el contingut d’oxigen al substrat augmentarà lleugerament després del reg sota la condició que la capacitat de retenció d’aigua del substrat sigui alta i el contingut d’aire és molt baix. Com es mostra a la dreta de la fig. 7, sota la condició d’il·luminació relativament millor, el contingut d’aire del substrat augmenta a causa d’una major absorció d’aigua (els mateixos temps de reg). La influència relativa del reg sobre el contingut d’oxigen al substrat és molt inferior a la capacitat de retenció d’aigua (contingut d’aire) al substrat.

Discutir

En la producció real, es passa fàcilment el contingut d’oxigen (aire) en l’entorn de l’arrel de cultiu, però és un factor important per assegurar el creixement normal de les collites 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 d’arrel en la millor condició el màxim possible. Els estudis han demostrat que l'O₂El contingut de l’entorn del sistema d’arrel inferior a 4mg/L tindrà un impacte negatiu en el creixement dels cultius. El o₂El contingut de l’entorn d’arrel està influenciat principalment pel reg (quantitat i freqüència de reg), l’estructura del substrat, el contingut d’aigua del substrat, la temperatura d’hivernacle i el substrat i diferents patrons de plantació seran diferents. Les algues i els microorganismes també tenen una certa relació amb el contingut d’oxigen en l’entorn arrel dels cultius hidropònics. La hipòxia no només provoca el lent desenvolupament de les plantes, sinó que també augmenta la pressió dels patògens de l’arrel (Pythium, Phytophthora, Fusarium) sobre el creixement de l’arrel.

L’estratègia de reg té una influència significativa en l’O₂Contingut del substrat i també és una manera més controlable en el procés de plantació. Alguns estudis de plantació de roses han trobat que augmentar lentament el contingut d’aigua al substrat (al matí) pot obtenir un millor estat d’oxigen. Al substrat amb baixa capacitat de retenció d’aigua, el substrat pot mantenir un alt contingut en oxigen i, alhora, cal evitar la diferència de contingut d’aigua entre els substrats mitjançant una freqüència de reg més elevada i un interval més curt. Com més baixa sigui la capacitat de retenció d’aigua dels substrats, més gran és la diferència entre els substrats. El substrat humit, la freqüència de reg inferior i l’interval més llarg garanteixen més substitució de l’aire i condicions favorables d’oxigen.

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, segons el tipus i la capacitat de retenció d’aigua del substrat. El líquid de reg no s’ha de mantenir massa temps a la part inferior del substrat, però s’ha de descarregar ràpidament de manera que l’aigua de reg enriquida en oxigen fresca pugui tornar a arribar al fons del substrat. La velocitat de drenatge pot estar influenciada per algunes mesures relativament senzilles, com el gradient del substrat en les direccions longitudinals i d’amplada. Com més gran sigui el gradient, més ràpid és la velocitat de drenatge. Els diferents substrats tenen diferents obertures i el nombre de punts de venda també és diferent.

Final

[Informació de citació]

Xie Yuanpei. Efectes del contingut amb l’oxigen ambiental a les arrels del cultiu d’hivernacle sobre el creixement dels cultius [J]. Tecnologia d’enginyeria agrícola, 2022,42 (31): 21-24.