Tecnologia di ingegneria agricola per il giardinaggio in serraPubblicato a Pechino alle 17:30 del 13 gennaio 2023.

L'assorbimento della maggior parte dei nutrienti è un processo strettamente correlato alle attività metaboliche delle radici delle piante. Questi processi richiedono l'energia generata dalla respirazione delle cellule radicali, e l'assorbimento d'acqua è anch'esso 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 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. Mantenere 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 è disciolto nell'ossigeno libero o non legato presente nell'acqua, e il contenuto di ossigeno disciolto in acqua raggiungerà il massimo a una certa temperatura, che corrisponde al contenuto di ossigeno saturo. Il contenuto di ossigeno saturo nell'acqua varia con la temperatura e, all'aumentare della temperatura, diminuisce. Il contenuto di ossigeno saturo dell'acqua limpida è superiore a quello dell'acqua di mare salata (Figura 1), quindi il contenuto di ossigeno saturo delle soluzioni nutritive con diverse concentrazioni sarà diverso.

Trasporto di 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 e l'acqua, e nell'acqua circostante le radici. Quando è in equilibrio con il contenuto di ossigeno nell'aria a una data temperatura, l'ossigeno disciolto in acqua raggiunge il massimo, e la variazione del contenuto di ossigeno nell'aria porterà a una variazione proporzionale del contenuto di ossigeno nell'acqua.

Effetti dello stress da ipossia nell'ambiente radicale delle colture

Cause dell'ipossia radicale

Ci sono diverse ragioni 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 diminuisce con l'aumentare della temperatura. In secondo luogo, l'ossigeno necessario per mantenere la crescita delle radici aumenta con l'aumentare della temperatura. Inoltre, la quantità di nutrienti assorbiti è maggiore in estate, quindi la richiesta di ossigeno per l'assorbimento dei nutrienti è maggiore. Ciò porta alla diminuzione del contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale e alla mancanza di un'integrazione efficace, che porta all'ipossia nell'ambiente radicale.

Assorbimento e crescita

L'assorbimento della maggior parte dei nutrienti essenziali dipende da processi strettamente correlati al metabolismo radicale, che richiedono l'energia generata dalla respirazione cellulare radicale, ovvero la decomposizione dei prodotti fotosintetici in presenza di ossigeno. 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 degli ioni nutritivi, il 40% per la crescita e solo il 10% per il mantenimento. Le radici devono trovare ossigeno nell'ambiente diretto in cui rilasciano CO2.₂In condizioni anaerobiche causate da scarsa ventilazione nei substrati e nell'idroponica, l'ipossia influirà sull'assorbimento di acqua e nutrienti. L'ipossia ha una risposta rapida all'assorbimento attivo dei nutrienti, in particolare nitrati (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 radicale richiede la più bassa concentrazione di ossigeno possibile e una concentrazione di ossigeno inferiore al valore COP diventa un fattore limitante il metabolismo delle cellule radicali (ipossia). Quando il livello di ossigeno è basso, la crescita rallenta o addirittura si arresta. Se l'ipossia parziale delle radici colpisce 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 delle piante dipende dall'ossigeno come accettore di elettroni. Senza ossigeno, la produzione di ATP si interrompe. Senza ATP, il deflusso di protoni dalle radici si interrompe, la linfa delle cellule radicali diventa acida e queste cellule muoiono entro poche ore. L'ipossia temporanea e di breve durata non causa stress nutrizionale irreversibile nelle piante. A causa del meccanismo di "respirazione dei nitrati", potrebbe essere un adattamento a breve termine per far fronte all'ipossia come metodo alternativo durante l'ipossia radicale. Tuttavia, l'ipossia a lungo termine porterà a una crescita lenta, a una riduzione della superficie fogliare e a una diminuzione del peso fresco e secco, con conseguente calo significativo della resa delle colture.

Etilene

Le piante producono etilene in situ in condizioni di forte stress. Solitamente, l'etilene viene rimosso dalle radici diffondendosi nell'aria del terreno. In caso di ristagno idrico, la formazione di etilene non solo aumenta, ma anche la diffusione si riduce notevolmente, poiché le radici sono circondate dall'acqua. L'aumento della concentrazione di etilene porta alla formazione di tessuto di aerazione nelle radici (Figura 2). L'etilene può anche causare la senescenza fogliare e l'interazione tra etilene e auxina aumenta 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 degli stomi, che comporta la formazione di ABA. Prima che gli stomi si chiudano, la parte superiore della pianta perde pressione, 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, ovvero il contenuto totale di ABA nelle parti non fogliari viene rilasciato tramite ABA intracellulare; le piante possono aumentare la concentrazione di ABA nell'apoplasto 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 anziché in ore. L'aumento di ABA nel tessuto fogliare può ridurre l'allungamento della parete cellulare e portare alla diminuzione dell'allungamento fogliare. Un altro effetto dell'ipossia è la riduzione della durata di vita delle foglie, che colpisce tutte le foglie. L'ipossia di solito porta a una diminuzione del trasporto di citochinine e nitrati. La carenza di azoto o di citochinine ridurrà il tempo di mantenimento della superficie fogliare e arresterà la crescita di rami e foglie nel giro di pochi giorni.

Ottimizzazione dell'ambiente di ossigeno del sistema radicale delle colture

Le caratteristiche del substrato sono determinanti per la distribuzione di acqua e ossigeno. La concentrazione di ossigeno nell'ambiente radicale delle verdure in serra è principalmente correlata alla capacità di ritenzione idrica del substrato, all'irrigazione (dimensione 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% (4~5 mg/L) l'attività radicale può essere mantenuta al meglio.

L'apparato radicale delle colture è molto importante per la crescita delle piante e la loro resistenza alle malattie. Acqua e nutrienti vengono assorbiti in base alle esigenze delle piante. Tuttavia, il livello di ossigeno nell'ambiente radicale determina in larga misura l'efficienza di assorbimento di nutrienti e acqua e la qualità dell'apparato radicale. Un livello sufficiente di ossigeno nell'ambiente radicale può garantire la salute dell'apparato radicale, in modo che le piante abbiano una migliore resistenza ai microrganismi patogeni (Figura 3). Un livello adeguato di ossigeno nel substrato riduce inoltre 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 arrivare fino a 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 i 40 mg, è necessario somministrare 5 L di acqua ogni ora per soddisfare la richiesta di ossigeno, ma in realtà la quantità di irrigazione giornaliera potrebbe non essere raggiunta. Ciò significa che l'ossigeno fornito dall'irrigazione gioca solo un ruolo marginale. La maggior parte dell'ossigeno fornito raggiunge la zona radicale attraverso i pori della matrice e il contributo dell'ossigeno fornito attraverso i pori può raggiungere 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 1~1,5 L/m²/h. Se l'acqua di irrigazione contiene 7 mg/L di ossigeno, fornirà 7~11 mg/m²/h di ossigeno alla zona radicale. Ciò equivale al 17%~25% della richiesta. Naturalmente, questo vale solo nel caso in cui l'acqua di irrigazione povera di ossigeno presente nel substrato venga sostituita da acqua di irrigazione fresca.

Oltre al consumo di radici, anche i microrganismi presenti nell'ambiente radicale consumano ossigeno. È difficile quantificarlo perché non sono state effettuate misurazioni al riguardo. Poiché ogni anno vengono sostituiti nuovi substrati, si può presumere che i microrganismi svolgano un ruolo relativamente limitato nel consumo di ossigeno.

Ottimizzare la temperatura ambientale delle radici

La temperatura ambientale dell'apparato radicale è molto importante per la normale crescita e il normale funzionamento dell'apparato radicale, ed è anche un fattore importante che influenza l'assorbimento di acqua e nutrienti da parte dell'apparato radicale.

Una temperatura del substrato troppo bassa (temperatura delle radici) può causare difficoltà nell'assorbimento dell'acqua. A 5 °C, l'assorbimento è inferiore del 70%~80% rispetto a 20 °C. Se una bassa temperatura del substrato è accompagnata da una temperatura elevata, la pianta appassirà. L'assorbimento degli ioni dipende ovviamente dalla temperatura, che inibisce l'assorbimento degli ioni a bassa temperatura, e la sensibilità dei diversi elementi nutritivi alla temperatura è diversa.

Anche una temperatura del substrato troppo elevata è inutile e può portare a un apparato radicale troppo grande. In altre parole, si verifica una distribuzione sbilanciata 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 avrebbe potuto essere utilizzata per la fase di raccolta della pianta. A temperature del substrato più elevate, 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, in caso di substrato o struttura del suolo scadenti, porta persino all'ipossia, riducendo così l'assorbimento di acqua e ioni.

Mantenere una ragionevole capacità di ritenzione idrica della matrice.

Esiste una correlazione negativa tra il contenuto d'acqua e la percentuale di ossigeno nella matrice. All'aumentare del contenuto d'acqua, il contenuto di ossigeno diminuisce e viceversa. Esiste un intervallo critico tra il contenuto d'acqua e l'ossigeno nella matrice, ovvero tra l'80% e l'85% di contenuto d'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 dell'irrigazione al contenuto di ossigeno nel substrato

Una maggiore luce solare comporterà un maggiore consumo di ossigeno e una minore concentrazione di ossigeno nelle radici (Figura 6), mentre una maggiore quantità di zucchero aumenterà il consumo di ossigeno di notte. La traspirazione è forte, l'assorbimento d'acqua è elevato e nel substrato sono presenti più aria e ossigeno. Come si può vedere dalla parte sinistra della Figura 7, 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 d'aria sia molto basso. Come mostrato a destra della Figura 7, in condizioni di illuminazione relativamente migliore, il contenuto d'aria nel substrato aumenta a causa del 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 ritenzione idrica (contenuto d'aria) del substrato.

Discutere

Nella produzione effettiva, il contenuto di ossigeno (aria) nell'ambiente in cui crescono le 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 il più possibile l'ambiente dell'apparato radicale nelle migliori condizioni. Studi hanno dimostrato che l'O₂contenuto nell'ambiente del sistema radicale inferiore a 4 mg/L avrà un impatto negativo sulla crescita delle colture. L'O₂Il contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale è influenzato principalmente dall'irrigazione (quantità e frequenza di irrigazione), dalla struttura del substrato, dal contenuto d'acqua del substrato, dalla temperatura della serra e del substrato, e i diversi schemi di impianto saranno diversi. Anche alghe e microrganismi hanno una certa relazione con il contenuto di ossigeno nell'ambiente radicale delle colture idroponiche. L'ipossia non solo rallenta lo sviluppo delle piante, ma aumenta anche la pressione dei patogeni radicali (pythium, phytophthora, fusarium) sulla crescita delle radici.

La strategia di irrigazione ha un'influenza significativa sull'O₂contenuto d'acqua nel substrato, ed è anche un metodo più controllabile nel processo di piantagione. Alcuni studi sulla piantagione di rose hanno scoperto che un aumento graduale del contenuto d'acqua nel substrato (al mattino) può migliorare il livello di ossigeno. In un substrato con bassa capacità di ritenzione idrica, il substrato può mantenere un elevato contenuto di ossigeno e, allo stesso tempo, è necessario evitare differenze di contenuto d'acqua 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. Un substrato umido, una minore frequenza di irrigazione e intervalli più lunghi garantiscono un maggiore ricambio d'aria e condizioni di ossigeno favorevoli.

Il drenaggio del substrato è un altro fattore che influenza notevolmente il tasso di rinnovo e il gradiente di concentrazione di ossigeno nel substrato, a seconda del tipo e della capacità di ritenzione idrica del substrato. Il liquido di irrigazione non deve rimanere sul fondo del substrato per troppo tempo, ma deve essere scaricato rapidamente in modo che l'acqua di irrigazione fresca e arricchita di ossigeno possa raggiungere nuovamente il fondo del substrato. La velocità di drenaggio può essere influenzata da alcune misure relativamente semplici, come la pendenza del substrato in direzione longitudinale e trasversale. 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]

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