Tecnologia di ingegneria agricola di Gardening -Gardening pubblicata a Pechino alle 17:30 del 13 gennaio 2023.

L'assorbimento della maggior parte degli elementi nutrizionali è un processo strettamente correlato alle attività metaboliche delle radici delle piante. Questi processi richiedono energia generata dalla respirazione delle cellule radicali e l'assorbimento dell'acqua è anche regolato dalla temperatura e dalla respirazione e la respirazione richiede la partecipazione dell'ossigeno, quindi l'ossigeno nell'ambiente radicale ha un impatto vitale sulla normale crescita delle colture. Il contenuto di ossigeno disciolto nell'acqua è influenzato dalla temperatura e dalla salinità e la struttura del substrato determina il contenuto d'aria nell'ambiente radicale. L'irrigazione ha grandi differenze nel rinnovo e nel supplemento del contenuto di ossigeno nei substrati con diversi stati di contenuto d'acqua. Esistono molti fattori per ottimizzare il contenuto di ossigeno nell'ambiente delle radici, ma il grado di influenza di ciascun fattore è abbastanza diverso. Il mantenimento della ragionevole capacità di detenzione dell'acqua del substrato (contenuto d'aria) è la premessa per mantenere un alto contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale.

Effetti della temperatura e della salinità sul contenuto di ossigeno saturo in soluzione

Contenuto di ossigeno disciolto in acqua

L'ossigeno disciolto viene sciolto in ossigeno non illimitato o libero in acqua e il contenuto di ossigeno disciolto in acqua raggiungerà il massimo a una certa temperatura, che è il contenuto di ossigeno saturo. Il contenuto di ossigeno saturo nell'acqua cambia con la temperatura e quando aumenta la temperatura, il contenuto di ossigeno diminuisce. Il contenuto di ossigeno saturo di acqua chiara è superiore a quello dell'acqua di mare contenente sale (Figura 1), quindi il contenuto di ossigeno saturo di soluzioni nutritive con concentrazioni diverse sarà diverso.

Trasporto di ossigeno in matrice

L'ossigeno che le radici delle colture in serra possono ottenere dalla soluzione nutritiva devono essere in uno stato libero e l'ossigeno viene trasportato nel substrato attraverso aria e acqua e acqua attorno alle radici. Quando è in equilibrio con il contenuto di ossigeno nell'aria a una data temperatura, l'ossigeno sciolto in acqua raggiunge il massimo e il cambiamento del contenuto di ossigeno nell'aria porterà al cambiamento proporzionale del contenuto di ossigeno in acqua.

Effetti dello stress da ipossia nell'ambiente radicale sulle colture

Cause di ipossia radicale

Vi sono diverse ragioni per cui il rischio di ipossia nei sistemi di coltivazione idroponica e del substrato è più elevato in estate. Prima di tutto, il contenuto di ossigeno saturo in acqua diminuirà con l'aumento della temperatura. In secondo luogo, l'ossigeno richiesto per mantenere la crescita delle radici aumenta con l'aumento della temperatura. Inoltre, la quantità di assorbimento dei nutrienti è più elevata in estate, quindi la domanda di ossigeno per l'assorbimento dei nutrienti è maggiore. Porta alla diminuzione del contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale e alla mancanza di un integratore efficace, che porta all'ipossia nell'ambiente radicale.

Assorbimento e crescita

L'assorbimento dei nutrienti più essenziali dipende dai processi strettamente correlati al metabolismo delle radici, che richiedono l'energia generata dalla respirazione delle cellule radicali, ovvero la decomposizione dei prodotti fotosintetici in presenza di ossigeno. Gli studi hanno dimostrato che il 10% ~ 20% degli assimilati totali delle piante di pomodoro viene utilizzato nelle radici, il 50% delle quali viene utilizzato per l'assorbimento ionico nutrizionale, il 40% per la crescita e solo il 10% per il mantenimento. Le radici devono trovare ossigeno nell'ambiente diretto in cui rilasciano CO₂. In condizioni anaerobiche causate da una scarsa ventilazione nei substrati e nei idroponici, l'ipossia influenzerà l'assorbimento di acqua e sostanze nutritive. L'ipossia ha una rapida risposta all'assorbimento attivo dei nutrienti, vale a dire nitrato (no₃^-), potassio (k) e fosfato (PO₄^3-), che interferirà con l'assorbimento passivo di calcio (CA) e magnesio (mg).

La crescita delle radici delle piante ha bisogno di energia, l'attività della radice normale ha bisogno della concentrazione di ossigeno più bassa e la concentrazione di ossigeno al di sotto del valore della COP diventa un fattore che limita il metabolismo delle cellule radicali (ipossia). Quando il livello di contenuto di ossigeno è basso, la crescita rallenta o addirittura si ferma. Se l'ipossia della radice parziale influisce solo di rami e foglie, il sistema radicale può compensare la parte del sistema radicale che non è più attivo per qualche motivo aumentando l'assorbimento locale.

Il meccanismo metabolico delle piante dipende dall'ossigeno come accettore elettronico. Senza ossigeno, la produzione di ATP si fermerà. Senza ATP, il deflusso di protoni dalle radici si fermerà, la linfa cellulare delle cellule di radice diventerà acida e queste cellule moriranno entro poche ore. L'ipossia temporanea e a breve termine non causerà stress nutrizionale irreversibile nelle piante. A causa del meccanismo di "respirazione del nitrato", può essere un adattamento a breve termine per far fronte all'ipossia come modo alternativo durante l'ipossia radicale. Tuttavia, l'ipossia a lungo termine porterà a una crescita lenta, una riduzione dell'area fogliare e una riduzione del peso fresco e secco, che porterà a un significativo declino della resa delle colture.

Etilene

Le piante formeranno l'etilene in situ sotto stress. Di solito, l'etilene viene rimosso dalle radici diffondendo nell'aria del suolo. Quando si verifica il waterlogging, la formazione di etilene non solo aumenterà, ma anche la diffusione sarà notevolmente ridotta perché le radici sono circondate dall'acqua. L'aumento della concentrazione di etilene porterà alla formazione del tessuto di aerazione nelle radici (Figura 2). L'etilene può anche causare la senescenza fogliare e l'interazione tra etilene e auxina aumenterà la formazione di radici avventizie.

Lo stress da ossigeno porta a una riduzione della crescita delle foglie

ABA è prodotto in radici e foglie per far fronte a vari stress ambientali. Nell'ambiente radicale, la risposta tipica allo stress è la chiusura stomatica, che prevede la formazione di ABA. Prima che gli stomi siano chiusi, la parte superiore della pianta perde la pressione di gonfiore, le foglie superiori appassiona e l'efficienza fotosintetica può anche diminuire. Molti studi hanno dimostrato che gli stomi rispondono all'aumento della concentrazione di ABA negli apoplasti mediante la chiusura, cioè il contenuto totale di ABA nei non foglie rilasciando ABA intracellulare, le piante possono aumentare molto rapidamente la concentrazione di APOPLAST ABA. Quando le piante sono sotto stress ambientale, iniziano a rilasciare ABA nelle cellule e il segnale di rilascio della radice può essere trasmesso in minuti anziché ore. L'aumento di ABA nel tessuto fogliare può ridurre l'allungamento della parete cellulare e portare alla diminuzione dell'allungamento delle foglie. Un altro effetto dell'ipossia è che la durata della vita delle foglie viene accorciata, il che influenzerà tutte le foglie. L'ipossia di solito porta alla diminuzione del trasporto di citochinina e nitrato. La mancanza di azoto o citochinina accorcerà il tempo di manutenzione dell'area fogliare e fermerà la crescita di rami e foglie in pochi giorni.

Ottimizzazione dell'ambiente di ossigeno del sistema di radici delle colture

Le caratteristiche del substrato sono decisive per la distribuzione di acqua e ossigeno. La concentrazione di ossigeno nell'ambiente radicale delle verdure serra è principalmente correlata alla capacità di detenzione dell'acqua di substrato, irrigazione (dimensione e frequenza), struttura del substrato e temperatura della striscia del substrato. Solo quando il contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale è almeno superiore al 10% (4 ~ 5 mg/L), l'attività radicale può essere mantenuta nello stato migliore.

Il sistema radicale delle colture è molto importante per la crescita delle piante e la resistenza alle malattie delle piante. L'acqua e i nutrienti saranno assorbiti in base alle esigenze delle piante. Tuttavia, il livello di ossigeno nell'ambiente radicale determina in gran parte l'efficienza di assorbimento dei nutrienti e dell'acqua e la qualità del sistema radicale. Un livello di ossigeno sufficiente nell'ambiente del sistema radicale può garantire la salute del sistema radicale, in modo che le piante abbiano una migliore resistenza ai microrganismi patogeni (Figura 3). Un livello di ossigeno adeguato nel substrato minimizza anche il rischio di condizioni anaerobiche, riducendo così al minimo il rischio di microrganismi patogeni.

Consumo di ossigeno nell'ambiente radicale

Il consumo massimo di ossigeno delle colture può essere alto quanto 40 mg/m2/h (il consumo dipende dalle colture). A seconda della temperatura, l'acqua di irrigazione può contenere fino a 7 ~ 8 mg/L di ossigeno (Figura 4). Per raggiungere 40 mg, 5L di acqua deve essere somministrato ogni ora per soddisfare la domanda di ossigeno, ma in realtà l'importo dell'irrigazione in un giorno non può essere raggiunto. Ciò significa che l'ossigeno fornito dall'irrigazione svolge solo un piccolo ruolo. La maggior parte dell'approvvigionamento di ossigeno raggiunge la zona della radice attraverso i pori nella matrice e il contributo dell'approvvigionamento di ossigeno attraverso i pori è alto fino al 90%, a seconda dell'ora del giorno. Quando l'evaporazione delle piante raggiunge il massimo, l'importo dell'irrigazione raggiunge anche il massimo, che equivale a 1 ~ 1,5L/m2/h. Se l'acqua di irrigazione contiene ossigeno da 7 mg/l, fornirà ossigeno 7 ~ 11mg/m2/h per la zona della radice. Ciò equivale al 17% ~ 25% della domanda. Naturalmente, ciò vale solo per la situazione in cui l'acqua di irrigazione povera di ossigeno nel substrato è sostituita da acqua di irrigazione fresca.

Oltre al consumo di radici, anche i microrganismi nell'ambiente radicale consumano ossigeno. È difficile quantificare questo perché non è stata effettuata alcuna misurazione a questo proposito. Poiché i nuovi substrati vengono sostituiti ogni anno, si può presumere che i microrganismi svolgano un ruolo relativamente piccolo nel consumo di ossigeno.

Ottimizza la temperatura ambientale delle radici

La temperatura ambientale del sistema radicale è molto importante per la normale crescita e funzione del sistema radicale ed è anche un fattore importante che influenza l'assorbimento di acqua e nutrienti da parte del sistema radicale.

La temperatura del substrato troppo bassa (temperatura della radice) può portare a difficoltà nell'assorbimento dell'acqua. A 5 ℃, l'assorbimento è inferiore del 70% ~ 80% rispetto a 20 ℃. Se la bassa temperatura del substrato è accompagnata da alta temperatura, porterà a appassire delle piante. L'assorbimento ionico dipende ovviamente dalla temperatura, che inibisce l'assorbimento ionico a bassa temperatura e la sensibilità dei diversi elementi nutrizionali alla temperatura è diversa.

Anche la temperatura del substrato troppo elevata è inutile e può portare a un sistema radicale troppo grande. In altre parole, esiste una distribuzione sbilanciata della materia secca nelle piante. Poiché il sistema radicale è troppo grande, perdite inutili si verificheranno attraverso la respirazione e questa parte dell'energia perduta avrebbe potuto essere usata per la parte del raccolto della pianta. A una temperatura di substrato più elevata, il contenuto di ossigeno disciolto è inferiore, il che ha un impatto molto maggiore sul contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale rispetto all'ossigeno consumato dai microrganismi. Il sistema radicale consuma molto ossigeno e porta persino all'ipossia nel caso di scarso substrato o struttura del suolo, riducendo così l'assorbimento di acqua e ioni.

Mantenere la capacità di mantenimento dell'acqua ragionevole della matrice.

Esiste una correlazione negativa tra il contenuto d'acqua e il contenuto percentuale di ossigeno nella matrice. Quando il contenuto d'acqua aumenta, il contenuto di ossigeno diminuisce e viceversa. Esiste un intervallo critico tra contenuto di acqua e ossigeno nella matrice, cioè 80% ~ 85% di contenuto d'acqua (Figura 5). Il mantenimento a lungo termine del contenuto di acqua superiore all'85% nel substrato influirà sull'offerta di ossigeno. La maggior parte dell'approvvigionamento di ossigeno (75%~ 90%) è attraverso i pori nella matrice.

Supplemento dell'irrigazione al contenuto di ossigeno nel substrato

Più luce solare porterà a un maggiore consumo di ossigeno e una minore concentrazione di ossigeno nelle radici (Figura 6) e più zucchero renderà il consumo di ossigeno più alto di notte. La traspirazione è forte, l'assorbimento d'acqua è grande e c'è più aria e più ossigeno nel substrato. Si può vedere da sinistra della Figura 7 che il contenuto di ossigeno nel substrato aumenterà leggermente dopo l'irrigazione a condizione che la capacità di detenzione dell'acqua del substrato sia elevata e il contenuto d'aria è molto basso. Come mostrato a destra di Fig. 7, in condizioni di illuminazione relativamente migliore, il contenuto d'aria nel substrato aumenta a causa di un maggiore assorbimento d'acqua (stessi tempi di irrigazione). L'influenza relativa dell'irrigazione sul contenuto di ossigeno nel substrato è molto inferiore alla capacità di detenzione dell'acqua (contenuto d'aria) nel substrato.

Discutere

Nella produzione reale, il contenuto di ossigeno (aria) nell'ambiente delle radici delle colture è facilmente trascurato, ma è un fattore importante per garantire la normale crescita delle colture e il sano sviluppo delle radici.

Al fine di ottenere la massima resa durante la produzione coltivata, è molto importante proteggere il più possibile l'ambiente del sistema radicale nelle migliori condizioni. Gli studi hanno dimostrato che il O₂Il contenuto nell'ambiente del sistema radicale inferiore a 4 mg/l avrà un impatto negativo sulla crescita delle colture. Il o₂Il contenuto nell'ambiente radicale è principalmente influenzato dall'irrigazione (quantità di irrigazione e frequenza), struttura del substrato, contenuto di acqua del substrato, temperatura della serra e del substrato e i diversi modelli di piantagione saranno diversi. Alghe e microrganismi hanno anche una certa relazione con il contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale delle colture idroponiche. L'ipossia non solo provoca il lento sviluppo delle piante, ma aumenta anche la pressione dei patogeni delle radici (Pythium, Phytophthora, Fusarium) sulla crescita delle radici.

La strategia di irrigazione ha un'influenza significativa su O₂Contenuto nel substrato ed è anche un modo più controllabile nel processo di impianto. Alcuni studi di piantagione di rose hanno scoperto che aumentare lentamente il contenuto d'acqua nel substrato (al mattino) può ottenere uno stato di ossigeno migliore. Nel substrato con bassa capacità di mantenimento dell'acqua, il substrato può mantenere un alto contenuto di ossigeno e, allo stesso tempo, è necessario evitare la differenza del contenuto di acqua tra i substrati attraverso una frequenza di irrigazione più elevata e un intervallo più breve. Più bassa è la capacità di mantenimento dell'acqua dei substrati, maggiore è la differenza tra i substrati. Substrato umido, frequenza di irrigazione inferiore e intervallo più lungo garantisce una maggiore sostituzione dell'aria e condizioni di ossigeno favorevoli.

Il drenaggio del substrato è un altro fattore che ha una grande influenza sulla velocità di rinnovo e sul gradiente di concentrazione di ossigeno nel substrato, a seconda del tipo e della capacità di detenzione dell'acqua del substrato. Il liquido per irrigazione non dovrebbe rimanere nella parte inferiore del substrato per troppo tempo, ma dovrebbe essere scaricato rapidamente in modo che l'acqua di irrigazione arricchita di ossigeno fresca possa raggiungere nuovamente il fondo del substrato. La velocità di drenaggio può essere influenzata da alcune misure relativamente semplici, come il gradiente del substrato nelle direzioni longitudinali e di larghezza. Maggiore è il gradiente, più veloce è la velocità di drenaggio. Substrati diversi hanno aperture diverse e anche il numero di punti vendita è diverso.

FINE

[Informazioni sulla citazione]

Xie Yuanpei. Effetti del contenuto di ossigeno ambientale nelle radici delle colture in serra sulla crescita delle colture [J]. Tecnologia di ingegneria agricola, 2022,42 (31): 21-24.