Zemědělská technologie skleníkového zahradničeníPublikováno v Pekingu v 17:30 dne 13. ledna 2023.

Absorpce většiny živin je proces úzce související s metabolickou aktivitou kořenů rostlin. Tyto procesy vyžadují energii generovanou dýcháním kořenových buněk a absorpce vody je také regulována teplotou a dýcháním, přičemž dýchání vyžaduje účast kyslíku, takže kyslík v kořenovém prostředí má zásadní vliv na normální růst plodin. Obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě je ovlivněn teplotou a slaností a struktura substrátu určuje obsah vzduchu v kořenovém prostředí. Zavlažování má velké rozdíly v obnově a doplňování obsahu kyslíku v substrátech s různým obsahem vody. Existuje mnoho faktorů pro optimalizaci obsahu kyslíku v kořenovém prostředí, ale míra vlivu každého faktoru je zcela odlišná. Udržování rozumné kapacity substrátu pro zadržování vody (obsah vzduchu) je předpokladem pro udržení vysokého obsahu kyslíku v kořenovém prostředí.

Vliv teploty a slanosti na obsah nasyceného kyslíku v roztoku

Obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě

Rozpuštěný kyslík je ve vodě rozpuštěn v nevázaném nebo volném kyslíku a obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě dosáhne maxima při určité teplotě, což je obsah nasyceného kyslíku. Obsah nasyceného kyslíku ve vodě se mění s teplotou a s rostoucí teplotou obsah kyslíku klesá. Obsah nasyceného kyslíku v čisté vodě je vyšší než v mořské vodě obsahující sůl (obrázek 1), takže obsah nasyceného kyslíku v roztocích živin s různými koncentracemi se bude lišit.

Transport kyslíku v matrici

Kyslík, který mohou kořeny skleníkových plodin získat z živného roztoku, musí být ve volném stavu a kyslík je v substrátu transportován vzduchem a vodou a vodou kolem kořenů. Když je při dané teplotě v rovnováze s obsahem kyslíku ve vzduchu, kyslík rozpuštěný ve vodě dosáhne maxima a změna obsahu kyslíku ve vzduchu povede k proporcionální změně obsahu kyslíku ve vodě.

Vlivy hypoxického stresu v kořenovém prostředí na plodiny

Příčiny kořenové hypoxie

Existuje několik důvodů, proč je riziko hypoxie v hydroponických a substrátových kultivačních systémech v létě vyšší. Zaprvé, obsah nasyceného kyslíku ve vodě se s rostoucí teplotou snižuje. Zadruhé, s rostoucí teplotou se zvyšuje množství kyslíku potřebného k udržení růstu kořenů. Navíc je v létě vyšší množství absorpce živin, takže je vyšší i potřeba kyslíku pro absorpci živin. To vede ke snížení obsahu kyslíku v kořenovém prostředí a nedostatku účinného doplňku, což vede k hypoxii v kořenovém prostředí.

Absorpce a růst

Absorpce většiny základních živin závisí na procesech úzce souvisejících s metabolismem kořenů, které vyžadují energii generovanou dýcháním kořenových buněk, tj. rozkladem produktů fotosyntézy za přítomnosti kyslíku. Studie ukázaly, že 10 % až 20 % celkových asimilátů rostlin rajčat se využívá v kořenech, z nichž 50 % se využívá k absorpci živin, 40 % k růstu a pouze 10 % k udržení života. Kořeny musí kyslík vyhledávat v přímém prostředí, kde uvolňují CO2.₂Za anaerobních podmínek způsobených špatným větráním v substrátech a hydroponii ovlivňuje hypoxie absorpci vody a živin. Hypoxie rychle reaguje na aktivní absorpci živin, zejména dusičnanů (NO₃^-), draslík (K) a fosfát (PO₄^3-), což bude narušovat pasivní vstřebávání vápníku (Ca) a hořčíku (Mg).

Růst kořenů rostliny potřebuje energii, normální kořenová aktivita potřebuje nejnižší koncentraci kyslíku a koncentrace kyslíku pod hodnotou COP se stává faktorem omezujícím metabolismus kořenových buněk (hypoxie). Pokud je hladina kyslíku nízká, růst se zpomaluje nebo se dokonce zastaví. Pokud částečná hypoxie kořenů postihuje pouze větve a listy, kořenový systém může kompenzovat část kořenového systému, která již z nějakého důvodu není aktivní, zvýšením lokální absorpce.

Metabolický mechanismus rostlin je závislý na kyslíku jako akceptoru elektronů. Bez kyslíku se produkce ATP zastaví. Bez ATP se zastaví odtok protonů z kořenů, buněčná míza kořenových buněk se stane kyselou a tyto buňky během několika hodin odumírají. Dočasná a krátkodobá hypoxie nezpůsobí u rostlin nevratný nutriční stres. Vzhledem k mechanismu „dýchání dusičnany“ se může jednat o krátkodobou adaptaci na hypoxii jako alternativní způsob, jak se s hypoxií vyrovnat během hypoxie kořenů. Dlouhodobá hypoxie však povede ke zpomalení růstu, zmenšení listové plochy a snížení čerstvé a suché hmotnosti, což povede k významnému poklesu výnosu plodiny.

Ethylen

Rostliny si za vysokého stresu vytvářejí ethylen in situ. Obvykle se ethylen odstraňuje z kořenů difuzí do půdního vzduchu. Pokud dojde k přemokření, tvorba ethylenu se nejen zvýší, ale také se výrazně sníží jeho difuze, protože kořeny jsou obklopeny vodou. Zvýšení koncentrace ethylenu povede k tvorbě aerační tkáně v kořenech (obrázek 2). Ethylen může také způsobit stárnutí listů a interakce mezi ethylenem a auxinem zvýší tvorbu vedlejšího kořene.

Kyslíkový stres vede ke sníženému růstu listů

ABA se produkuje v kořenech a listech, aby se vyrovnala s různými environmentálními stresy. V kořenovém prostředí je typickou reakcí na stres uzavření průduchů, které zahrnuje tvorbu ABA. Než se průduchy uzavřou, vrchol rostliny ztrácí tlak bobtnání, vrchní listy vadnou a může se také snížit fotosyntetická účinnost. Mnoho studií ukázalo, že průduchy reagují na zvýšení koncentrace ABA v apoplastu uzavřením, tj. celkový obsah ABA v nelistech uvolňuje intracelulární ABA. Rostliny mohou velmi rychle zvýšit koncentraci ABA v apoplastu. Když jsou rostliny vystaveny environmentálnímu stresu, začnou uvolňovat ABA v buňkách a signál uvolnění z kořenů může být přenesen během několika minut místo hodin. Zvýšení ABA v listové tkáni může snížit prodloužení buněčné stěny a vést ke snížení prodloužení listu. Dalším účinkem hypoxie je zkrácení životnosti listů, což ovlivní všechny listy. Hypoxie obvykle vede ke snížení transportu cytokininů a dusičnanů. Nedostatek dusíku nebo cytokininů zkrátí dobu udržování listové plochy a zastaví růst větví a listů během několika dní.

Optimalizace kyslíkového prostředí kořenového systému plodin

Vlastnosti substrátu jsou rozhodující pro distribuci vody a kyslíku. Koncentrace kyslíku v kořenovém prostředí skleníkové zeleniny souvisí hlavně s kapacitou substrátu pro zadržování vody, zavlažováním (velikost a frekvence), strukturou substrátu a teplotou pásů substrátu. Kořenová aktivita může být udržována v optimálním stavu pouze tehdy, když je obsah kyslíku v kořenovém prostředí alespoň nad 10 % (4~5 mg/l).

Kořenový systém plodin je velmi důležitý pro růst rostlin a jejich odolnost vůči chorobám. Voda a živiny budou absorbovány podle potřeb rostlin. Hladina kyslíku v kořenovém prostředí však do značné míry určuje účinnost absorpce živin a vody a kvalitu kořenového systému. Dostatečná hladina kyslíku v kořenovém prostředí může zajistit zdraví kořenového systému, takže rostliny mají lepší odolnost vůči patogenním mikroorganismům (obrázek 3). Dostatečná hladina kyslíku v substrátu také minimalizuje riziko anaerobních podmínek, a tím i riziko patogenních mikroorganismů.

Spotřeba kyslíku v kořenovém prostředí

Maximální spotřeba kyslíku plodinami může dosáhnout až 40 mg/m2/h (spotřeba závisí na plodině). V závislosti na teplotě může závlahová voda obsahovat až 7~8 mg/l kyslíku (obrázek 4). K dosažení 40 mg je nutné každou hodinu přivést 5 l vody, aby se uspokojila potřeba kyslíku, ale ve skutečnosti se nemusí dosáhnout množství závlahového plynu za jeden den. To znamená, že kyslík dodávaný závlahou hraje jen malou roli. Většina kyslíku se dostává do kořenové zóny póry v matrici a příspěvek kyslíku dodávaného póry je až 90 % v závislosti na denní době. Když odpařování rostlin dosáhne maxima, dosáhne maxima i množství závlahového plynu, což odpovídá 1~1,5 l/m2/h. Pokud závlahová voda obsahuje 7 mg/l kyslíku, poskytne kořenové zóně 7~11 mg/m2/h kyslíku. To odpovídá 17%~25% potřeby. To samozřejmě platí pouze pro situaci, kdy je závlahová voda chudá na kyslík v substrátu nahrazena čerstvou závlahovou vodou.

Kromě konzumace kořenů spotřebovávají mikroorganismy v kořenovém prostředí také kyslík. Je obtížné to kvantifikovat, protože v tomto ohledu nebylo provedeno žádné měření. Vzhledem k tomu, že se každý rok nahrazují nové substráty, lze předpokládat, že mikroorganismy hrají ve spotřebě kyslíku relativně malou roli.

Optimalizujte teplotu prostředí kořenů

Teplota prostředí kořenového systému je velmi důležitá pro normální růst a funkci kořenového systému a je také důležitým faktorem ovlivňujícím absorpci vody a živin kořenovým systémem.

Příliš nízká teplota substrátu (teplota kořenů) může vést k obtížím s absorpcí vody. Při 5 °C je absorpce o 70 % až 80 % nižší než při 20 °C. Pokud je nízká teplota substrátu doprovázena vysokou teplotou, povede to k vadnutí rostlin. Absorpce iontů samozřejmě závisí na teplotě, která absorpci iontů při nízkých teplotách inhibuje, a citlivost různých živin na teplotu je odlišná.

Příliš vysoká teplota substrátu je také zbytečná a může vést k příliš velkému kořenovému systému. Jinými slovy, v rostlinách dochází k nerovnoměrnému rozložení sušiny. Protože je kořenový systém příliš velký, dochází ke zbytečným ztrátám dýcháním a tato část ztracené energie by mohla být využita pro sklizeň. Při vyšší teplotě substrátu je obsah rozpuštěného kyslíku nižší, což má mnohem větší vliv na obsah kyslíku v kořenovém prostředí než kyslík spotřebovaný mikroorganismy. Kořenový systém spotřebovává hodně kyslíku a v případě špatné struktury substrátu nebo půdy dokonce vede k hypoxii, čímž se snižuje absorpce vody a iontů.

Udržujte přiměřenou kapacitu matrice zadržovat vodu.

Existuje negativní korelace mezi obsahem vody a procentuálním obsahem kyslíku v matrici. Když se obsah vody zvyšuje, obsah kyslíku klesá a naopak. Mezi obsahem vody a kyslíku v matrici existuje kritické rozmezí, a to 80 % až 85 % obsahu vody (obrázek 5). Dlouhodobé udržování obsahu vody nad 85 % v substrátu ovlivní přísun kyslíku. Většina přísunu kyslíku (75 % až 90 %) probíhá přes póry v matrici.

Doplnění závlahy k obsahu kyslíku v substrátu

Více slunečního světla povede k vyšší spotřebě kyslíku a nižší koncentraci kyslíku v kořenech (obrázek 6) a více cukru zvýší spotřebu kyslíku v noci. Transpirace je silná, absorpce vody je velká a v substrátu je více vzduchu a kyslíku. Z levé strany obrázku 7 je vidět, že obsah kyslíku v substrátu se po zavlažování mírně zvýší za podmínky, že je kapacita substrátu pro zadržování vody vysoká a obsah vzduchu velmi nízký. Jak je znázorněno vpravo na obr. 7, za podmínky relativně lepšího osvětlení se obsah vzduchu v substrátu zvyšuje v důsledku větší absorpce vody (stejná doba zavlažování). Relativní vliv zavlažování na obsah kyslíku v substrátu je mnohem menší než kapacita substrátu pro zadržování vody (obsah vzduchu).

Diskutovat

V reálné produkci se obsah kyslíku (vzduchu) v kořenovém prostředí plodin snadno přehlíží, přesto je důležitým faktorem pro zajištění normálního růstu plodin a zdravého vývoje kořenů.

Aby bylo během pěstování plodin dosaženo maximálního výnosu, je velmi důležité co nejvíce chránit kořenový systém v co nejlepším stavu. Studie ukázaly, že O₂Obsah O v kořenovém systému pod 4 mg/l bude mít negativní dopad na růst plodin.₂Obsah kyslíku v kořenovém prostředí je ovlivněn především závlahou (množství a frekvence závlahy), strukturou substrátu, obsahem vody v substrátu, teplotou skleníku a substrátu a různé způsoby výsadby se budou lišit. Řasy a mikroorganismy mají také určitý vztah k obsahu kyslíku v kořenovém prostředí hydroponických plodin. Hypoxie nejen způsobuje pomalý vývoj rostlin, ale také zvyšuje tlak kořenových patogenů (pythium, phytophthora, fusarium) na růst kořenů.

Zavlažovací strategie má významný vliv na O₂obsah vody v substrátu a je to také kontrolovatelnější způsob výsadby. Některé studie výsadby růží zjistily, že pomalé zvyšování obsahu vody v substrátu (ráno) může dosáhnout lepšího stavu kyslíku. V substrátu s nízkou kapacitou zadržování vody si substrát může udržet vysoký obsah kyslíku a zároveň je nutné vyhnout se rozdílům v obsahu vody mezi substráty vyšší frekvencí zavlažování a kratšími intervaly. Čím nižší je kapacita substrátů zadržovat vodu, tím větší je rozdíl mezi substráty. Vlhký substrát, nižší frekvence zavlažování a delší intervaly zajišťují větší výměnu vzduchu a příznivější kyslíkové podmínky.

Dalším faktorem, který má velký vliv na rychlost obnovy a gradient koncentrace kyslíku v substrátu, je odvodnění substrátu v závislosti na typu a schopnosti substrátu zadržovat vodu. Závlahová kapalina by neměla zůstávat na dně substrátu příliš dlouho, ale měla by být rychle vypouštěna, aby se čerstvá závlahová voda obohacená o kyslík mohla opět dostat na dno substrátu. Rychlost odvodnění lze ovlivnit několika relativně jednoduchými opatřeními, jako je sklon substrátu v podélném a šířkovém směru. Čím větší sklon, tím rychlejší je rychlost odvodnění. Různé substráty mají různé otvory a liší se i počet vývodů.

KONEC

[citace]

Xie Yuanpei. Vliv obsahu kyslíku v kořenech skleníkových plodin na růst plodin [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(31):21-24.