Jordbruksteknisk teknik för växthusodlingPublicerad i Peking kl. 17:30 den 13 januari 2023.

Absorptionen av de flesta näringsämnen är en process som är nära besläktad med växtrötternas metaboliska aktiviteter. Dessa processer kräver energi som genereras genom rotcellernas andning, och vattenabsorptionen regleras också av temperatur och andning, och andningen kräver deltagande av syre, så syre i rotmiljön har en avgörande inverkan på grödors normala tillväxt. Halten löst syre i vatten påverkas av temperatur och salthalt, och substratets struktur avgör lufthalten i rotmiljön. Bevattning har stora skillnader i förnyelse och tillskott av syrehalt i substrat med olika vattenhaltstillstånd. Det finns många faktorer för att optimera syrehalten i rotmiljön, men graden av påverkan av varje faktor är helt olika. Att upprätthålla en rimlig vattenhållningsförmåga i substratet (lufthalt) är förutsättningen för att upprätthålla en hög syrehalt i rotmiljön.

Effekter av temperatur och salthalt på mättat syreinnehåll i lösning

Löst syreinnehåll i vatten

Löst syre är löst i obundet eller fritt syre i vatten, och halten av löst syre i vattnet når sitt maximum vid en viss temperatur, vilket är den mättade syrehalten. Den mättade syrehalten i vatten förändras med temperaturen, och när temperaturen ökar minskar syrehalten. Den mättade syrehalten i klart vatten är högre än i salthaltigt havsvatten (Figur 1), så den mättade syrehalten i näringslösningar med olika koncentrationer kommer att vara olika.

Transport av syre i matrisen

Syret som växthusgrödors rötter kan få från näringslösningen måste vara i fritt tillstånd, och syre transporteras i substratet genom luft och vatten och vatten runt rötterna. När det är i jämvikt med syrehalten i luften vid en given temperatur når syret löst i vatten sitt maximum, och förändringen av syrehalten i luften kommer att leda till en proportionell förändring av syrehalten i vattnet.

Effekter av hypoxistress i rotmiljön på grödor

Orsaker till rothypoxi

Det finns flera anledningar till varför risken för hypoxi i hydroponik och substratodlingssystem är högre på sommaren. För det första minskar den mättade syrehalten i vattnet när temperaturen stiger. För det andra ökar den syrehalt som krävs för att upprätthålla rottillväxt med ökande temperatur. Dessutom är mängden näringsupptag högre på sommaren, så behovet av syre för näringsupptag är högre. Detta leder till minskad syrehalt i rotmiljön och brist på effektiv tillsats, vilket leder till hypoxi i rotmiljön.

Absorption och tillväxt

Absorptionen av de flesta viktiga näringsämnen beror på processer som är nära relaterade till rotmetabolismen, vilka kräver den energi som genereras av rotcellernas andning, det vill säga nedbrytningen av fotosyntetiska produkter i närvaro av syre. Studier har visat att 10–20 % av tomatplantornas totala assimilat används i rötter, varav 50 % används för absorption av näringjoner, 40 % för tillväxt och endast 10 % för underhåll. Rötterna måste hitta syre i den direkta miljön där de släpper ut CO2.₂Under anaeroba förhållanden orsakade av dålig ventilation i substrat och hydroponik kommer hypoxi att påverka absorptionen av vatten och näringsämnen. Hypoxi reagerar snabbt på det aktiva absorptionen av näringsämnen, nämligen nitrat (NO₃^-), kalium (K) och fosfat (PO₄^3-), vilket kommer att störa den passiva absorptionen av kalcium (Ca) och magnesium (Mg).

Växtrottillväxt behöver energi, normal rotaktivitet behöver den lägsta syrekoncentrationen, och syrekoncentrationen under COP-värdet blir en faktor som begränsar rotcellernas metabolism (hypoxi). När syrehalten är låg saktar tillväxten ner eller avstannar till och med. Om partiell rothypoxi endast drabbar grenar och blad kan rotsystemet kompensera för den del av rotsystemet som av någon anledning inte längre är aktiv genom att öka den lokala absorptionen.

Växtens metaboliska mekanism är beroende av syre som elektronacceptor. Utan syre kommer ATP-produktionen att avbrytas. Utan ATP kommer utflödet av protoner från rötterna att avbrytas, cellsaften i rotcellerna kommer att bli sur och dessa celler kommer att dö inom några timmar. Tillfällig och kortvarig hypoxi kommer inte att orsaka irreversibel näringsstress hos växter. På grund av "nitratreandnings"-mekanismen kan det vara en kortvarig anpassning för att hantera hypoxi som ett alternativt sätt under rothypoxi. Långvarig hypoxi kommer dock att leda till långsam tillväxt, minskad bladyta och minskad färsk- och torrvikt, vilket kommer att leda till en betydande minskning av grödans avkastning.

Eten

Växter bildar etylen in situ under stor stress. Vanligtvis avlägsnas etylen från rötterna genom att diffundera ut i markluften. När vattenmättnad uppstår ökar inte bara bildningen av etylen, utan diffusionen minskar också kraftigt eftersom rötterna är omgivna av vatten. Ökningen av etylenkoncentrationen leder till bildandet av luftningsvävnad i rötterna (Figur 2). Etylen kan också orsaka bladåldrande, och interaktionen mellan etylen och auxin ökar bildandet av oavsiktliga rötter.

Syrestress leder till minskad bladtillväxt

ABA produceras i rötter och blad för att hantera olika miljöpåfrestningar. I rotmiljön är den typiska reaktionen på stress stängning av klyvöppningar, vilket involverar bildandet av ABA. Innan klyvöppningarna stängs förlorar växtens topp svälltryck, de övre bladen vissnar och fotosyntetiska effektiviteten kan också minska. Många studier har visat att klyvöppningarna reagerar på ökningen av ABA-koncentrationen i apoplasten genom att stänga, det vill säga det totala ABA-innehållet i icke-blad genom att frigöra intracellulär ABA. Växter kan öka koncentrationen av apoplast-ABA mycket snabbt. När växter utsätts för miljöstress börjar de frigöra ABA i cellerna, och rotens frisättningssignal kan överföras på minuter istället för timmar. Ökningen av ABA i bladvävnaden kan minska cellväggens förlängning och leda till minskad bladförlängning. En annan effekt av hypoxi är att bladens livslängd förkortas, vilket påverkar alla blad. Hypoxi leder vanligtvis till minskad cytokinin- och nitrattransport. Brist på kväve eller cytokinin förkortar bladytans underhållstid och stoppar tillväxten av grenar och blad inom några dagar.

Optimering av syremiljön i grödans rotsystem

Substratets egenskaper är avgörande för fördelningen av vatten och syre. Syrekoncentrationen i rotmiljön hos växthusgrönsaker är huvudsakligen relaterad till substratets vattenhållande kapacitet, bevattning (storlek och frekvens), substratstruktur och substratremsans temperatur. Endast när syrehalten i rotmiljön är minst över 10 % (4~5 mg/L) kan rotaktiviteten bibehållas på bästa sätt.

Rotsystemet hos grödor är mycket viktigt för växternas tillväxt och resistens mot sjukdomar. Vatten och näringsämnen absorberas i enlighet med växternas behov. Syrenivån i rotmiljön avgör dock i hög grad absorptionseffektiviteten för näringsämnen och vatten samt rotsystemets kvalitet. Tillräcklig syrenivå i rotsystemets miljö kan säkerställa rotsystemets hälsa, så att växterna har bättre motståndskraft mot patogena mikroorganismer (Figur 3). Tillräcklig syrenivå i substratet minimerar också risken för anaeroba förhållanden, vilket minimerar risken för patogena mikroorganismer.

Syreförbrukning i rotmiljön

Den maximala syreförbrukningen för grödor kan vara så hög som 40 mg/m2/h (förbrukningen beror på grödan). Beroende på temperaturen kan bevattningsvattnet innehålla upp till 7~8 mg/L syre (Figur 4). För att nå 40 mg måste 5 liter vatten ges varje timme för att möta syrebehovet, men i själva verket kan bevattningsmängden under en dag inte uppnås. Detta innebär att det syre som tillhandahålls av bevattning bara spelar en liten roll. Det mesta av syretillförseln når rotzonen genom porer i matrisen, och bidraget från syretillförsel genom porerna är så högt som 90 %, beroende på tid på dagen. När växternas avdunstning når maximalt når även bevattningsmängden maximalt, vilket motsvarar 1~1,5 L/m2/h. Om bevattningsvattnet innehåller 7 mg/L syre kommer det att ge 7~11 mg/m2/h syre till rotzonen. Detta motsvarar 17%~25% av behovet. Detta gäller naturligtvis bara i den situationen att det syrefattiga bevattningsvattnet i substratet ersätts med färskt bevattningsvatten.

Förutom konsumtionen av rötter förbrukar även mikroorganismer i rotmiljön syre. Det är svårt att kvantifiera detta eftersom ingen mätning har gjorts i detta avseende. Eftersom nya substrat byts ut varje år kan man anta att mikroorganismer spelar en relativt liten roll i syreförbrukningen.

Optimera rötternas omgivningstemperatur

Rotsystemets omgivningstemperatur är mycket viktig för rotsystemets normala tillväxt och funktion, och det är också en viktig faktor som påverkar rotsystemets absorption av vatten och näringsämnen.

För låg substrattemperatur (rottemperatur) kan leda till svårigheter med vattenabsorption. Vid 5 ℃ är absorptionen 70 %–80 % lägre än vid 20 ℃. Om låg substrattemperatur åtföljs av hög temperatur kommer det att leda till att växten vissnar. Jonabsorptionen beror naturligtvis på temperaturen, vilket hämmar jonabsorptionen vid låg temperatur, och olika näringsämnens känslighet för temperaturen är olika.

För hög substrattemperatur är också värdelös och kan leda till ett för stort rotsystem. Med andra ord finns det en obalanserad fördelning av torrsubstans i växter. Eftersom rotsystemet är för stort kommer onödiga förluster att uppstå genom respiration, och denna del av den förlorade energin kunde ha använts för växtens skördedel. Vid högre substrattemperatur är halten löst syre lägre, vilket har en mycket större inverkan på syrehalten i rotmiljön än det syre som förbrukas av mikroorganismer. Rotsystemet förbrukar mycket syre och leder till och med till hypoxi vid dålig substrat- eller jordstruktur, vilket minskar absorptionen av vatten och joner.

Bibehåll matrisens rimliga vattenhållningsförmåga.

Det finns en negativ korrelation mellan vattenhalten och den procentuella syrehalten i matrisen. När vattenhalten ökar minskar syrehalten och vice versa. Det finns ett kritiskt intervall mellan vattenhalten och syrehalten i matrisen, det vill säga 80 % ~ 85 % vattenhalt (Figur 5). Långvarigt upprätthållande av en vattenhalt över 85 % i substratet kommer att påverka syretillförseln. Merparten av syretillförseln (75 % ~ 90 %) sker genom porerna i matrisen.

Tillskott av bevattning till syreinnehåll i substrat

Mer solljus leder till högre syreförbrukning och lägre syrekoncentration i rötterna (Figur 6), och mer socker gör att syreförbrukningen blir högre på natten. Transpirationen är stark, vattenabsorptionen är stor och det finns mer luft och mer syre i substratet. Det framgår av vänster sida av figur 7 att syrehalten i substratet ökar något efter bevattning under förutsättning att substratets vattenhållande kapacitet är hög och lufthalten är mycket låg. Som visas till höger i figur 7 ökar lufthalten i substratet under relativt bättre belysning på grund av mer vattenabsorption (samma bevattningstider). Bevattningens relativa inflytande på syrehalten i substratet är betydligt mindre än vattenhållande kapacitet (lufthalt) i substratet.

Diskutera

I den faktiska produktionen förbises syrehalten (luft) i grödans rotmiljö lätt, men det är en viktig faktor för att säkerställa grödornas normala tillväxt och en sund utveckling av rötterna.

För att få maximal avkastning under grödoproduktionen är det mycket viktigt att skydda rotsystemets miljö i bästa möjliga skick. Studier har visat att O₂Om halten i rotsystemet understiger 4 mg/L kommer grödans tillväxt att påverkas negativt.₂Syrehalten i rotmiljön påverkas huvudsakligen av bevattning (bevattningsmängd och -frekvens), substratstruktur, substratets vattenhalt, växthus- och substrattemperatur, och olika planteringsmönster kommer att vara olika. Alger och mikroorganismer har också ett visst samband med syrehalten i rotmiljön hos hydroponiska grödor. Hypoxi orsakar inte bara långsam utveckling av växter, utan ökar också trycket från rotpatogener (pythium, phytophthora, fusarium) på rottillväxten.

Bevattningsstrategin har en betydande inverkan på O2-nivån.₂innehållet i substratet, och det är också ett mer kontrollerbart sätt i planteringsprocessen. Vissa studier på rosplantering har funnit att en långsam ökning av vattenhalten i substratet (på morgonen) kan få ett bättre syretillstånd. I substrat med låg vattenhållningskapacitet kan substratet bibehålla en hög syrehalt, och samtidigt är det nödvändigt att undvika skillnader i vattenhalt mellan substrat genom högre bevattningsfrekvens och kortare intervall. Ju lägre vattenhållningskapacitet substraten har, desto större är skillnaden mellan substraten. Fuktigt substrat, lägre bevattningsfrekvens och längre intervall säkerställer mer luftutbyte och gynnsamma syreförhållanden.

Dräneringen av substratet är en annan faktor som har stor inverkan på förnyelsehastigheten och syrekoncentrationsgradienten i substratet, beroende på substratets typ och vattenhållningsförmåga. Bevattningsvätska bör inte stanna kvar på botten av substratet för länge, utan bör läcka ut snabbt så att färskt syreberikat bevattningsvatten kan nå botten av substratet igen. Dräneringshastigheten kan påverkas med några relativt enkla åtgärder, såsom substratets lutning i längd- och breddriktningen. Ju större lutning, desto snabbare dräneringshastighet. Olika substrat har olika öppningar och antalet utlopp är också olika.

AVSLUTA

[citeringsinformation]

Xie Yuanpei. Effekter av miljöns syreinnehåll i växthusgrödors rötter på grödors tillväxt [J]. Jordbruksteknik, 2022,42(31):21-24.