Kmetijska inženirska tehnologija vrtnarjenja v rastlinjakih Objavljeno v Pekingu ob 17:30, 13. januarja 2023.

Absorpcija večine hranilnih elementov je proces, ki je tesno povezan z metabolnimi aktivnostmi rastlinskih korenin. Ti procesi zahtevajo energijo, ki jo ustvarja dihanje koreninskih celic, absorpcijo vode pa uravnavata tudi temperatura in dihanje, dihanje pa zahteva sodelovanje kisika, zato ima kisik v koreninskem okolju ključnega pomena za normalno rast rastlin. Na vsebnost raztopljenega kisika v vodi vplivata temperatura in slanost, struktura substrata pa določa vsebnost zraka v koreninskem okolju. Namakanje ima velike razlike v obnavljanju in dopolnjevanju vsebnosti kisika v substratih z različno vsebnostjo vode. Obstaja veliko dejavnikov za optimizacijo vsebnosti kisika v koreninskem okolju, vendar je stopnja vpliva vsakega dejavnika precej različna. Ohranjanje razumne zmogljivosti zadrževanja vode (vsebnost zraka) v substratu je predpogoj za ohranjanje visoke vsebnosti kisika v koreninskem okolju.

Vpliv temperature in slanosti na vsebnost nasičenega kisika v raztopini

Vsebnost raztopljenega kisika v vodi

Raztopljeni kisik se v vodi raztopi v nevezanem ali prostem kisiku, vsebnost raztopljenega kisika v vodi pa doseže maksimum pri določeni temperaturi, kar je nasičena vsebnost kisika. Vsebnost nasičenega kisika v vodi se spreminja s temperaturo, in ko se temperatura zviša, se vsebnost kisika zmanjša. Vsebnost nasičenega kisika v čisti vodi je višja kot v morski vodi, ki vsebuje sol (slika 1), zato se bo vsebnost nasičenega kisika v hranilnih raztopinah z različnimi koncentracijami razlikovala.

Transport kisika v matriksu

Kisik, ki ga korenine rastlinjakov lahko dobijo iz hranilne raztopine, mora biti v prostem stanju, kisik pa se v substratu prenaša z zrakom in vodo ter vodo okoli korenin. Ko je pri dani temperaturi v ravnovesju z vsebnostjo kisika v zraku, doseže kisik, raztopljen v vodi, največjo vrednost, sprememba vsebnosti kisika v zraku pa bo povzročila sorazmerno spremembo vsebnosti kisika v vodi.

Vplivi hipoksije v koreninskem okolju na pridelke

Vzroki za hipoksijo korenin

Obstaja več razlogov, zakaj je tveganje za hipoksijo v hidroponskih in substratnih sistemih večje poleti. Prvič, vsebnost nasičenega kisika v vodi se z naraščanjem temperature zmanjšuje. Drugič, kisik, potreben za vzdrževanje rasti korenin, se z naraščanjem temperature povečuje. Poleg tega je poleti absorpcija hranil večja, zato je potreba po kisiku za absorpcijo hranil večja. To vodi do zmanjšanja vsebnosti kisika v koreninskem okolju in pomanjkanja učinkovitega dodatka, kar vodi do hipoksije v koreninskem okolju.

Absorpcija in rast

Absorpcija večine esencialnih hranil je odvisna od procesov, ki so tesno povezani s presnovo korenin, ki zahtevajo energijo, ki nastane pri dihanju koreninskih celic, torej pri razgradnji fotosintetskih produktov v prisotnosti kisika. Študije so pokazale, da se 10 %–20 % vseh asimilatov rastlin paradižnika porabi v koreninah, od tega 50 % za absorpcijo hranilnih ionov, 40 % za rast in le 10 % za vzdrževanje. Korenine morajo kisik najti v neposrednem okolju, kjer sproščajo CO2.₂V anaerobnih pogojih, ki jih povzroča slabo prezračevanje substratov in hidroponike, hipoksija vpliva na absorpcijo vode in hranil. Hipoksija se hitro odzove na aktivno absorpcijo hranil, in sicer nitrata (NO₃^-), kalij (K) in fosfat (PO₄^3-), kar bo motilo pasivno absorpcijo kalcija (Ca) in magnezija (Mg).

Rast korenin rastline potrebuje energijo, normalna aktivnost korenin pa zahteva najnižjo koncentracijo kisika, koncentracija kisika pod vrednostjo COP pa postane dejavnik, ki omejuje presnovo koreninskih celic (hipoksija). Ko je vsebnost kisika nizka, se rast upočasni ali celo ustavi. Če delna hipoksija korenin prizadene le veje in liste, lahko koreninski sistem nadomesti del koreninskega sistema, ki iz nekega razloga ni več aktiven, s povečanjem lokalne absorpcije.

Metabolni mehanizem rastlin je odvisen od kisika kot akceptorja elektronov. Brez kisika se bo proizvodnja ATP ustavila. Brez ATP se bo ustavil odtok protonov iz korenin, celični sok koreninskih celic bo postal kisel in te celice bodo v nekaj urah odmrle. Začasna in kratkotrajna hipoksija ne bo povzročila nepopravljivega prehranskega stresa pri rastlinah. Zaradi mehanizma "nitratnega dihanja" je lahko kratkoročna prilagoditev za spopadanje s hipoksijo kot alternativni način med hipoksijo korenin. Vendar pa bo dolgotrajna hipoksija povzročila počasno rast, zmanjšano listno površino ter zmanjšano svežo in suho težo, kar bo povzročilo znatno zmanjšanje pridelka.

Etilen

Rastline bodo pod velikim stresom tvorile etilen in situ. Običajno se etilen odstrani iz korenin z difuzijo v zrak v tleh. Ko pride do premočenja, se nastajanje etilena ne bo le povečalo, temveč se bo tudi difuzija močno zmanjšala, ker so korenine obdane z vodo. Povečanje koncentracije etilena bo povzročilo nastanek zračnega tkiva v koreninah (slika 2). Etilen lahko povzroči tudi staranje listov, interakcija med etilenom in avksinom pa bo povečala nastanek stranskih korenin.

Stres zaradi kisika vodi do zmanjšane rasti listov

ABA se proizvaja v koreninah in listih za obvladovanje različnih okoljskih stresov. V koreninskem okolju je tipičen odziv na stres zaprtje listnih rež, kar vključuje tvorbo ABA. Preden se listne reže zaprejo, vrh rastline izgubi nabrekalni tlak, zgornji listi ovenejo, zmanjša pa se lahko tudi fotosintetska učinkovitost. Številne študije so pokazale, da se listne reže na povečanje koncentracije ABA v apoplastu odzovejo z zaprtjem, torej na skupno vsebnost ABA v nelistnih delih s sproščanjem znotrajcelične ABA, rastline pa lahko zelo hitro povečajo koncentracijo ABA v apoplastu. Ko so rastline pod okoljskim stresom, začnejo sproščati ABA v celicah, signal sproščanja pa se lahko prenese v nekaj minutah namesto v urah. Povečanje ABA v listnem tkivu lahko zmanjša raztezanje celične stene in povzroči zmanjšanje raztezanja listov. Drug učinek hipoksije je skrajšanje življenjske dobe listov, kar vpliva na vse liste. Hipoksija običajno povzroči zmanjšanje transporta citokinina in nitratov. Pomanjkanje dušika ali citokinina bo skrajšalo čas vzdrževanja listne površine in v nekaj dneh ustavilo rast vej in listov.

Optimizacija kisikovega okolja koreninskega sistema rastlin

Značilnosti substrata so odločilnega pomena za porazdelitev vode in kisika. Koncentracija kisika v koreninskem okolju rastlinjakov je v glavnem povezana z zmogljivostjo substrata za zadrževanje vode, namakanjem (velikost in pogostost), strukturo substrata in temperaturo trakov substrata. Le če je vsebnost kisika v koreninskem okolju vsaj nad 10 % (4~5 mg/L), se lahko aktivnost korenin ohrani v najboljšem stanju.

Koreninski sistem poljščin je zelo pomemben za rast rastlin in njihovo odpornost na bolezni. Voda in hranila se absorbirajo glede na potrebe rastlin. Vendar pa raven kisika v koreninskem okolju v veliki meri določa učinkovitost absorpcije hranil in vode ter kakovost koreninskega sistema. Zadostna raven kisika v koreninskem okolju lahko zagotovi zdravje koreninskega sistema, tako da so rastline bolj odporne na patogene mikroorganizme (slika 3). Zadostna raven kisika v substratu zmanjšuje tudi tveganje za anaerobne pogoje in s tem tveganje za patogene mikroorganizme.

Poraba kisika v koreninskem okolju

Največja poraba kisika pri rastlinah lahko doseže do 40 mg/m2/h (poraba je odvisna od rastline). Glede na temperaturo lahko namakalna voda vsebuje do 7~8 mg/l kisika (slika 4). Da bi dosegli 40 mg, je treba vsako uro zaliti 5 l vode, da se zadosti potrebam po kisiku, vendar v resnici količina namakanja v enem dnevu morda ni dosežena. To pomeni, da ima kisik, ki ga zagotavlja namakanje, le majhno vlogo. Večina dovajanja kisika doseže koreninski predel skozi pore v matriksu, prispevek dovajanja kisika skozi pore pa znaša do 90 %, odvisno od časa dneva. Ko izhlapevanje rastlin doseže maksimum, doseže maksimum tudi količina namakanja, kar ustreza 1~1,5 l/m2/h. Če namakalna voda vsebuje 7 mg/l kisika, bo koreninskemu predelu zagotovila 7~11 mg/m2/h kisika. To ustreza 17%~25% potreb. Seveda to velja le v primeru, ko se namakalna voda v substratu, ki je revna s kisikom, nadomesti s svežo namakalno vodo.

Poleg porabe korenin mikroorganizmi v koreninskem okolju porabljajo tudi kisik. To je težko količinsko opredeliti, ker v zvezi s tem še ni bilo opravljenih meritev. Ker se vsako leto nadomeščajo novi substrati, lahko domnevamo, da imajo mikroorganizmi relativno majhno vlogo pri porabi kisika.

Optimizirajte temperaturo okolja korenin

Temperatura okolja koreninskega sistema je zelo pomembna za normalno rast in delovanje koreninskega sistema, poleg tega pa je pomemben dejavnik, ki vpliva na absorpcijo vode in hranil s strani koreninskega sistema.

Prenizka temperatura substrata (temperatura korenin) lahko povzroči težave pri absorpciji vode. Pri 5 °C je absorpcija za 70 % do 80 % nižja kot pri 20 °C. Če nizko temperaturo substrata spremlja visoka temperatura, bo to povzročilo venenje rastlin. Absorpcija ionov je očitno odvisna od temperature, kar pri nizki temperaturi zavira absorpcijo ionov, občutljivost različnih hranilnih elementov na temperaturo pa je različna.

Previsoka temperatura substrata je prav tako neuporabna in lahko povzroči prevelik koreninski sistem. Z drugimi besedami, v rastlinah pride do neuravnotežene porazdelitve suhe snovi. Ker je koreninski sistem prevelik, pride do nepotrebnih izgub z dihanjem, ta del izgubljene energije pa bi se lahko porabil za pridelek rastline. Pri višji temperaturi substrata je vsebnost raztopljenega kisika nižja, kar ima veliko večji vpliv na vsebnost kisika v koreninskem okolju kot kisik, ki ga porabijo mikroorganizmi. Koreninski sistem porabi veliko kisika, v primeru slabe strukture substrata ali tal pa celo do hipoksije, kar zmanjša absorpcijo vode in ionov.

Ohranite razumno sposobnost zadrževanja vode v matriksu.

Med vsebnostjo vode in odstotkom kisika v matriksu obstaja negativna korelacija. Ko se vsebnost vode poveča, se vsebnost kisika zmanjša in obratno. Med vsebnostjo vode in kisikom v matriksu obstaja kritično območje, to je 80 %–85 % vsebnosti vode (slika 5). Dolgotrajno vzdrževanje vsebnosti vode nad 85 % v substratu bo vplivalo na oskrbo s kisikom. Večina oskrbe s kisikom (75 %–90 %) poteka skozi pore v matriksu.

Dodatek namakanja za povečanje vsebnosti kisika v substratu

Več sončne svetlobe bo povzročilo večjo porabo kisika in nižjo koncentracijo kisika v koreninah (slika 6), več sladkorja pa bo ponoči povečalo porabo kisika. Transpiracija je močna, absorpcija vode je velika, v substratu pa je več zraka in več kisika. Na levi strani slike 7 je razvidno, da se bo vsebnost kisika v substratu po namakanju nekoliko povečala, če je zmogljivost substrata za zadrževanje vode visoka, vsebnost zraka pa zelo nizka. Kot je prikazano na desni strani slike 7, se pod pogojem relativno boljše osvetlitve vsebnost zraka v substratu poveča zaradi večje absorpcije vode (enaki časi namakanja). Relativni vpliv namakanja na vsebnost kisika v substratu je veliko manjši od zmogljivosti zadrževanja vode (vsebnosti zraka) v substratu.

Razpravljajte

V dejanski pridelavi se vsebnost kisika (zraka) v koreninskem okolju poljščin zlahka spregleda, vendar je pomemben dejavnik za zagotavljanje normalne rasti poljščin in zdravega razvoja korenin.

Da bi dosegli največji pridelek med pridelavo poljščin, je zelo pomembno, da koreninski sistem ohranimo v najboljšem možnem stanju. Študije so pokazale, da O₂Vsebnost v koreninskem sistemu pod 4 mg/L bo negativno vplivala na rast pridelka. O₂Na vsebnost kisika v koreninskem okolju vplivajo predvsem namakanje (količina in pogostost namakanja), struktura substrata, vsebnost vode v substratu, temperatura rastlinjaka in substrata, različni vzorci sajenja pa se bodo razlikovali. Alge in mikroorganizmi imajo tudi določeno povezavo z vsebnostjo kisika v koreninskem okolju hidroponskih rastlin. Hipoksija ne povzroča le počasnega razvoja rastlin, temveč tudi poveča pritisk koreninskih patogenov (pitij, fitophtora, fuzarij) na rast korenin.

Strategija namakanja ima pomemben vpliv na O₂vsebnosti vode v substratu in je tudi bolj nadzorovan način sajenja. Nekatere študije sajenja vrtnic so pokazale, da lahko počasno povečevanje vsebnosti vode v substratu (zjutraj) doseže boljše stanje kisika. V substratu z nizko zmogljivostjo zadrževanja vode lahko substrat ohranja visoko vsebnost kisika, hkrati pa se je treba izogniti razliki v vsebnosti vode med substrati z večjo pogostostjo zalivanja in krajšimi intervali. Nižja kot je zmogljivost substratov zadrževanja vode, večja je razlika med substrati. Vlažen substrat, manjša pogostost zalivanja in daljši intervali zagotavljajo večjo izmenjavo zraka in ugodne kisikove pogoje.

Drenaža substrata je še en dejavnik, ki močno vpliva na hitrost obnavljanja in gradient koncentracije kisika v substratu, odvisno od vrste in sposobnosti zadrževanja vode v substratu. Namakalna tekočina ne sme predolgo ostati na dnu substrata, temveč jo je treba hitro izprazniti, da lahko sveža, s kisikom obogatena namakalna voda ponovno doseže dno substrata. Na hitrost odtekanja lahko vplivamo z nekaj relativno preprostimi ukrepi, kot je naklon substrata v vzdolžni in širinski smeri. Večji kot je naklon, hitrejša je hitrost odtekanja. Različni substrati imajo različne odprtine, različno pa je tudi število iztočnih odprtin.

KONEC

[podatki o navedbi]

Xie Yuanpei. Vpliv vsebnosti kisika v koreninah rastlinjakov na rast poljščin [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42 (31): 21-24.