Tecnologia di ingegneria agricola del giardinaggio in serra Pubblicato a Pechino alle 17:30 del 13 gennaio 2023.

L'assorbimento della maggior parte degli elementi nutritivi 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 di acqua è regolato anche 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 di aria nell'ambiente radicale.L'irrigazione presenta grandi differenze nel rinnovo e nell'integrazione del contenuto di ossigeno in substrati con diversi stati di contenuto d'acqua.Esistono molti fattori per ottimizzare il contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale, ma il grado di influenza di ciascun fattore è molto diverso.Il mantenimento di una ragionevole capacità di ritenzione idrica del substrato (contenuto d'aria) è la premessa per mantenere un elevato contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale.

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

Contenuto di ossigeno disciolto nell'acqua

L'ossigeno disciolto viene dissolto in ossigeno non legato o libero nell'acqua e il contenuto di ossigeno disciolto nell'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 la temperatura aumenta, il contenuto di ossigeno diminuisce.Il contenuto di ossigeno saturo dell'acqua limpida è superiore a quello dell'acqua di mare contenente sale (Figura 1), quindi il contenuto di ossigeno saturo delle soluzioni nutritive con concentrazioni diverse sarà diverso.

Trasporto dell'ossigeno nella matrice

L'ossigeno che le radici delle colture in serra possono ottenere dalla soluzione nutritiva deve essere allo stato libero e l'ossigeno viene trasportato nel substrato attraverso l'aria, l'acqua e l'acqua intorno alle radici.Quando è in equilibrio con il contenuto di ossigeno nell'aria a una data temperatura, l'ossigeno disciolto nell'acqua raggiunge il massimo e la variazione del contenuto di ossigeno nell'aria porterà alla variazione proporzionale del contenuto di ossigeno nell'acqua.

Effetti dello stress da ipossia nell'ambiente radicale sulle colture

Cause di ipossia radicale

Ci sono diversi motivi per cui il rischio di ipossia nei sistemi di coltivazione idroponica e su substrato è maggiore in estate.Innanzitutto, il contenuto di ossigeno saturo nell'acqua diminuirà con l'aumentare della temperatura.In secondo luogo, l'ossigeno necessario per mantenere la crescita delle radici aumenta con l'aumento della temperatura.Inoltre, la quantità di assorbimento dei nutrienti è maggiore in estate, quindi la richiesta 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 della maggior parte dei nutrienti essenziali dipende dai processi strettamente correlati al metabolismo radicale, 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% dei quali viene utilizzato per l'assorbimento di ioni nutritivi, il 40% per la crescita e solo il 10% per il mantenimento.Le radici devono trovare ossigeno nell'ambiente diretto dove rilasciano CO₂.In condizioni anaerobiche causate da una scarsa ventilazione nei substrati e dall'idroponica, l'ipossia influenzerà l'assorbimento di acqua e sostanze nutritive.L'ipossia ha una rapida risposta all'assorbimento attivo dei nutrienti, vale a dire il 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 richiede energia, la normale attività delle radici richiede la più bassa concentrazione di ossigeno e la concentrazione di ossigeno al di sotto del valore 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 arresta.Se l'ipossia radicale parziale interessa solo rami e foglie, l'apparato radicale può compensare la parte dell'apparato radicale che per qualche motivo non è più attiva aumentando l'assorbimento locale.

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

Etilene

Le piante formeranno etilene in situ sotto molto stress.Di solito, l'etilene viene rimosso dalle radici diffondendosi nell'aria del suolo.Quando si verifica il ristagno, 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 di tessuto di aerazione nelle radici (Figura 2).L'etilene può anche causare la senescenza delle foglie e l'interazione tra etilene e auxina aumenterà la formazione di radici avventizie.

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

L'ABA viene prodotto nelle radici e nelle foglie per far fronte a vari stress ambientali.Nell'ambiente radicale, la tipica risposta allo stress è la chiusura stomatica, che comporta la formazione di ABA.Prima che gli stomi si chiudano, la parte superiore della pianta perde la pressione di rigonfiamento, le foglie superiori appassiscono e anche l'efficienza fotosintetica può diminuire.Molti studi hanno dimostrato che gli stomi rispondono all'aumento della concentrazione di ABA nell'apoplasto chiudendosi, cioè il contenuto totale di ABA nelle non foglie rilasciando ABA intracellulare, le piante possono aumentare la concentrazione di apoplasto ABA molto rapidamente.Quando le piante sono sottoposte a stress ambientale, iniziano a rilasciare ABA nelle cellule e il segnale di rilascio delle radici può essere trasmesso in pochi minuti invece che in ore.L'aumento dell'ABA nel tessuto fogliare può ridurre l'allungamento della parete cellulare e portare alla diminuzione dell'allungamento fogliare.Un altro effetto dell'ipossia è che la durata della vita delle foglie si accorcia, il che interesserà tutte le foglie.L'ipossia di solito porta alla diminuzione del trasporto di citochinine e nitrati.La mancanza di azoto o citochinina ridurrà il tempo di mantenimento dell'area fogliare e interromperà la crescita di rami e foglie entro pochi giorni.

Ottimizzazione dell'ambiente di ossigeno del sistema radicale delle colture

Le caratteristiche del substrato sono determinanti per la distribuzione dell'acqua e dell'ossigeno.La concentrazione di ossigeno nell'ambiente radicale degli ortaggi in serra è principalmente correlata alla capacità di ritenzione idrica del substrato, all'irrigazione (dimensioni e frequenza), alla struttura del substrato e alla temperatura della striscia di substrato.Solo quando il contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale è almeno superiore al 10% (4~5mg/L) l'attività radicale può essere mantenuta nel migliore stato.

L'apparato radicale delle colture è molto importante per la crescita delle piante e la resistenza alle malattie delle piante.L'acqua e le sostanze nutritive saranno assorbite 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 dell'apparato radicale.Un livello di ossigeno sufficiente nell'ambiente dell'apparato radicale può garantire la salute dell'apparato radicale, in modo che le piante abbiano una migliore resistenza ai microrganismi patogeni (Figura 3).Un adeguato livello di ossigeno nel substrato riduce anche al minimo 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 raggiungere i 40 mg/m2/h (il consumo dipende dalle colture).A seconda della temperatura, l'acqua di irrigazione può contenere fino a 7~8mg/L di ossigeno (Figura 4).Per raggiungere i 40 mg, devono essere somministrati 5 litri di acqua ogni ora per soddisfare la richiesta di ossigeno, ma in realtà la quantità di irrigazione in un giorno potrebbe non essere raggiunta.Ciò significa che l'ossigeno fornito dall'irrigazione gioca solo un piccolo ruolo.La maggior parte dell'apporto di ossigeno raggiunge la zona radicale attraverso i pori della matrice e il contributo dell'apporto di ossigeno attraverso i pori raggiunge il 90%, a seconda dell'ora del giorno.Quando l'evaporazione delle piante raggiunge il massimo, anche la quantità di irrigazione raggiunge il massimo, che equivale a 1~1,5L/m2/h.Se l'acqua di irrigazione contiene 7mg/L di ossigeno, fornirà 7~11mg/m2/h di ossigeno per la zona radicale.Ciò equivale al 17%~25% della domanda.Naturalmente, questo vale solo per la situazione in cui l'acqua di irrigazione povera di ossigeno nel substrato viene sostituita da acqua di irrigazione fresca.

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

Ottimizza la temperatura ambientale delle radici

La temperatura ambientale dell'apparato radicale è molto importante per la normale crescita e funzione dell'apparato radicale, ed è anche un fattore importante che influisce sull'assorbimento di acqua e sostanze nutritive da parte dell'apparato radicale.

Una temperatura del substrato troppo bassa (temperatura delle radici) può causare 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 una temperatura elevata, porterà all'avvizzimento della pianta.L'assorbimento di ioni dipende ovviamente dalla temperatura, che inibisce l'assorbimento di ioni a bassa temperatura, e la sensibilità dei diversi elementi nutritivi alla temperatura è diversa.

Anche una temperatura troppo alta del substrato è inutile e può portare a un apparato radicale troppo grande.In altre parole, c'è una distribuzione squilibrata della sostanza secca nelle piante.Poiché l'apparato radicale è troppo grande, si verificheranno perdite inutili attraverso la respirazione e questa parte dell'energia persa potrebbe essere stata utilizzata per la parte di raccolto della pianta.A una temperatura del 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.L'apparato radicale consuma molto ossigeno, e porta anche all'ipossia in caso di substrato o struttura del suolo poveri, riducendo così l'assorbimento di acqua e ioni.

Mantenere una ragionevole capacità di ritenzione idrica della matrice.

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

Supplemento di irrigazione al contenuto di ossigeno nel substrato

Più luce solare porterà a un maggiore consumo di ossigeno e a una minore concentrazione di ossigeno nelle radici (Figura 6), e più zucchero aumenterà il consumo di ossigeno durante la notte.La traspirazione è forte, l'assorbimento d'acqua è grande e c'è più aria e più ossigeno nel substrato.Si può vedere dalla sinistra della Figura 7 che il contenuto di ossigeno nel substrato aumenterà leggermente dopo l'irrigazione a condizione che la capacità di ritenzione idrica del substrato sia elevata e il contenuto di aria sia molto basso.Come mostrato a destra della 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 di gran lunga inferiore alla capacità di ritenzione idrica (contenuto d'aria) nel substrato.

Discutere

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

Per ottenere la massima resa durante la produzione delle colture, è molto importante proteggere l'ambiente dell'apparato radicale nelle migliori condizioni possibili.Gli studi hanno dimostrato che l'O₂contenuto nell'ambiente del sistema radicale inferiore a 4mg/L avrà un impatto negativo sulla crescita del raccolto.L'O₂il contenuto nell'ambiente radicale è principalmente influenzato dall'irrigazione (quantità e frequenza dell'irrigazione), dalla struttura del substrato, dal contenuto idrico del substrato, dalla temperatura della serra e del substrato e i diversi modelli di impianto 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 causa 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 sull'O₂contenuto nel substrato, ed è anche un modo più controllabile nel processo di impianto.Alcuni studi sulla piantagione di rose hanno scoperto che aumentando lentamente il contenuto di acqua nel substrato (al mattino) si può ottenere uno stato di ossigeno migliore.Nel substrato con bassa capacità di ritenzione idrica, il substrato può mantenere un elevato contenuto di ossigeno e, allo stesso tempo, è necessario evitare la differenza di contenuto idrico tra i substrati attraverso una maggiore frequenza di irrigazione e intervalli più brevi.Minore è la capacità di ritenzione idrica dei substrati, maggiore è la differenza tra i substrati.Il substrato umido, la minore frequenza di irrigazione e l'intervallo più lungo assicurano un maggiore ricambio d'aria e condizioni di ossigeno favorevoli.

Il drenaggio del sottofondo è un altro fattore che incide fortemente sulla velocità di rinnovo e sul gradiente di concentrazione di ossigeno nel sottofondo, in funzione della tipologia e della capacità di ritenzione idrica del sottofondo.Il liquido di irrigazione non deve rimanere troppo a lungo sul fondo del substrato, ma deve essere scaricato rapidamente in modo che l'acqua di irrigazione fresca arricchita di ossigeno possa raggiungere nuovamente il fondo del substrato.La velocità di drenaggio può essere influenzata da alcuni accorgimenti relativamente semplici, come la pendenza del substrato in direzione longitudinale e in larghezza.Maggiore è la pendenza, maggiore è la velocità di drenaggio.Substrati diversi hanno aperture diverse e anche il numero di uscite è diverso.

FINE

[informazioni sulla citazione]

Xi 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.