A tecnologia de engenharia agrícola da Greenhouse Gardeningpublou em Pequim às 17:30 em 13 de janeiro de 2023.

A absorção da maioria dos elementos nutrientes é um processo intimamente relacionado às atividades metabólicas das raízes das plantas. Esses processos requerem energia gerada pela respiração das células radiculares, e a absorção de água também é regulada por temperatura e respiração, e a respiração requer a participação de oxigênio, de modo que o oxigênio no ambiente radicular tem um impacto vital no crescimento normal das culturas. O teor de oxigênio dissolvido na água é afetado pela temperatura e salinidade, e a estrutura do substrato determina o teor de ar no ambiente raiz. A irrigação tem grandes diferenças na renovação e suplemento do teor de oxigênio em substratos com diferentes estados de conteúdo de água. Existem muitos fatores para otimizar o teor de oxigênio no ambiente raiz, mas o grau de influência de cada fator é bem diferente. Manter a capacidade de retenção de água do substrato razoável (teor de ar) é a premissa de manter alto teor de oxigênio no ambiente raiz.

Efeitos da temperatura e salinidade no teor de oxigênio saturado na solução

Teor de oxigênio dissolvido na água

O oxigênio dissolvido é dissolvido no oxigênio não ligado ou livre na água, e o conteúdo de oxigênio dissolvido na água atingirá o máximo a uma certa temperatura, que é o teor de oxigênio saturado. O teor de oxigênio saturado na água muda com a temperatura e, quando a temperatura aumenta, o teor de oxigênio diminui. O teor de oxigênio saturado da água limpa é maior que o da água do mar contendo sal (Figura 1); portanto, o teor de oxigênio saturado de soluções de nutrientes com diferentes concentrações será diferente.

Transporte de oxigênio em matriz

O oxigênio que as raízes da colheita de estufa podem obter da solução de nutrientes deve estar em um estado livre, e o oxigênio é transportado no substrato através do ar, água e água ao redor das raízes. Quando está em equilíbrio com o teor de oxigênio no ar a uma determinada temperatura, o oxigênio dissolvido na água atinge o máximo, e a mudança de teor de oxigênio no ar levará à mudança proporcional do teor de oxigênio na água.

Efeitos do estresse de hipóxia no ambiente radicular nas culturas

Causas de hipóxia raiz

Existem várias razões pelas quais o risco de hipóxia nos sistemas de hidroponia e cultivo de substrato é maior no verão. Primeiro de tudo, o teor de oxigênio saturado na água diminuirá à medida que a temperatura aumenta. Em segundo lugar, o oxigênio necessário para manter o crescimento das raízes aumenta com o aumento da temperatura. Além disso, a quantidade de absorção de nutrientes é maior no verão; portanto, a demanda de oxigênio para a absorção de nutrientes é maior. Isso leva à diminuição do teor de oxigênio no ambiente raiz e à falta de suplemento efetivo, o que leva à hipóxia no ambiente radicular.

Absorção e crescimento

A absorção dos nutrientes mais essenciais depende dos processos intimamente relacionados ao metabolismo radicular, que exigem a energia gerada pela respiração das células radiculares, ou seja, a decomposição de produtos fotossintéticos na presença de oxigênio. Estudos mostraram que 10% ~ 20% do total de assimilados de plantas de tomate são usados ​​em raízes, 50% dos quais são usados ​​para absorção de íons nutrientes, 40% para crescimento e apenas 10% para manutenção. As raízes devem encontrar oxigênio no ambiente direto, onde liberam CO₂. Sob condições anaeróbicas causadas por baixa ventilação em substratos e hidroponia, a hipóxia afetará a absorção de água e nutrientes. A hipóxia tem uma resposta rápida à absorção ativa de nutrientes, nomeadamente nitrato (não₃^-), potássio (k) e fosfato (PO₄^3-), que interferirá na absorção passiva de cálcio (CA) e magnésio (mg).

O crescimento da raiz da planta precisa de energia, a atividade radicular normal precisa da menor concentração de oxigênio, e a concentração de oxigênio abaixo do valor de COP se torna um fator que limita o metabolismo das células radiculares (hipóxia). Quando o nível do teor de oxigênio é baixo, o crescimento diminui ou até para. Se a hipóxia da raiz parcial afetar apenas ramos e folhas, o sistema radicular pode compensar a parte do sistema radicular que não é mais ativo por algum motivo, aumentando a absorção local.

O mecanismo metabólico da planta depende do oxigênio como aceitador de elétrons. Sem oxigênio, a produção de ATP parará. Sem ATP, a saída de prótons das raízes parará, a seiva das células das células raiz se tornará ácida e essas células morrerão dentro de algumas horas. A hipóxia temporária e de curto prazo não causará estresse nutricional irreversível nas plantas. Devido ao mecanismo de "respiração de nitrato", pode ser uma adaptação a curto prazo para lidar com a hipóxia como uma maneira alternativa durante a hipóxia radicular. No entanto, a hipóxia a longo prazo levará a um crescimento lento, diminuição da área foliar e diminuição do peso fresco e seco, o que levará a um declínio significativo no rendimento da colheita.

Etileno

As plantas formarão etileno in situ sob muito estresse. Geralmente, o etileno é removido das raízes, difundindo -se no ar do solo. Quando ocorre o alagamento de água, a formação de etileno não apenas aumenta, mas também a difusão será bastante reduzida porque as raízes são cercadas por água. O aumento da concentração de etileno levará à formação de tecido de aeração nas raízes (Figura 2). O etileno também pode causar senescência foliar, e a interação entre etileno e auxina aumentará a formação de raízes adventícias.

O estresse de oxigênio leva à diminuição do crescimento das folhas

O ABA é produzido em raízes e folhas para lidar com várias tensões ambientais. No ambiente raiz, a resposta típica ao estresse é o fechamento estomático, que envolve a formação de ABA. Antes que os estômatos sejam fechados, o topo da planta perde a pressão do inchaço, as folhas superiores murcha e a eficiência fotossintética também pode diminuir. Muitos estudos mostraram que os estômatos respondem ao aumento da concentração de ABA no apoplasto ao fechar, ou seja, o teor total de ABA em não-folhas, liberando ABA intracelular, as plantas podem aumentar a concentração de apoplastos ABA muito rapidamente. Quando as plantas estão sob estresse ambiental, elas começam a liberar ABA nas células e o sinal de liberação da raiz pode ser transmitido em minutos em vez de horas. O aumento da ABA no tecido foliar pode reduzir o alongamento da parede celular e levar à diminuição do alongamento das folhas. Outro efeito da hipóxia é que a vida útil das folhas é reduzida, o que afetará todas as folhas. A hipóxia geralmente leva à diminuição do transporte de citocinina e nitrato. A falta de nitrogênio ou citocinina diminuirá o tempo de manutenção da área foliar e interromperá o crescimento de galhos e folhas dentro de alguns dias.

Otimizando o ambiente de oxigênio do sistema de raiz cultivado

As características do substrato são decisivas para a distribuição de água e oxigênio. A concentração de oxigênio no ambiente radicular dos vegetais de estufa está principalmente relacionada à capacidade de retenção de água de substrato, irrigação (tamanho e frequência), estrutura do substrato e temperatura da tira do substrato. Somente quando o teor de oxigênio no ambiente raiz está pelo menos acima de 10% (4 ~ 5mg/L), a atividade raiz pode ser mantida no melhor estado.

O sistema radicular de culturas é muito importante para o crescimento e a resistência à doença das plantas. Água e nutrientes serão absorvidos de acordo com as necessidades das plantas. No entanto, o nível de oxigênio no ambiente radicular determina amplamente a eficiência da absorção dos nutrientes e da água e a qualidade do sistema radicular. O nível de oxigênio suficiente no ambiente do sistema radicular pode garantir a saúde do sistema radicular, para que as plantas tenham melhor resistência aos microorganismos patogênicos (Figura 3). O nível adequado de oxigênio no substrato também minimiza o risco de condições anaeróbicas, minimizando assim o risco de microorganismos patogênicos.

Consumo de oxigênio no ambiente raiz

O consumo máximo de oxigênio das culturas pode chegar a 40 mg/m2/h (o consumo depende das culturas). Dependendo da temperatura, a água de irrigação pode conter até 7 ~ 8mg/L de oxigênio (Figura 4). Para atingir 40 mg, 5L de água devem ser administrados a cada hora para atender à demanda de oxigênio, mas, de fato, o valor da irrigação em um dia não pode ser alcançado. Isso significa que o oxigênio fornecido pela irrigação desempenha apenas um pequeno papel. A maior parte do suprimento de oxigênio atinge a zona radicular através dos poros na matriz, e a contribuição do suprimento de oxigênio através dos poros é tão alta quanto 90%, dependendo da hora do dia. Quando a evaporação das plantas atinge o máximo, a quantidade de irrigação também atinge o máximo, o que é equivalente a 1 ~ 1,5L/m2/h. Se a água de irrigação contiver 7mg/L de oxigênio, ele fornecerá oxigênio 7 ~ 11mg/m2/h para a zona radicular. Isso é equivalente a 17% ~ 25% da demanda. Obviamente, isso se aplica apenas à situação em que a água de irrigação pobre em oxigênio no substrato é substituída pela água de irrigação fresca.

Além do consumo de raízes, os microorganismos no ambiente radicular também consomem oxigênio. É difícil quantificar isso porque nenhuma medição foi feita a esse respeito. Como novos substratos são substituídos a cada ano, pode -se supor que os microorganismos desempenham um papel relativamente pequeno no consumo de oxigênio.

Otimizar a temperatura ambiental das raízes

A temperatura ambiental do sistema radicular é muito importante para o crescimento e a função normal do sistema radicular, e também é um fator importante que afeta a absorção de água e nutrientes pelo sistema radicular.

A temperatura muito baixa do substrato (temperatura da raiz) pode levar a dificuldade na absorção de água. A 5 ℃, a absorção é 70% ~ 80% menor que a 20 ℃. Se a baixa temperatura do substrato for acompanhada por alta temperatura, isso levará à murcha de plantas. A absorção de íons obviamente depende da temperatura, que inibe a absorção de íons a baixa temperatura, e a sensibilidade de diferentes elementos nutrientes à temperatura é diferente.

A temperatura muito alta do substrato também é inútil e pode levar a um sistema radicular muito grande. Em outras palavras, há uma distribuição desequilibrada de matéria seca nas plantas. Como o sistema radicular é muito grande, as perdas desnecessárias ocorrerão através da respiração, e essa parte da energia perdida poderia ter sido usada para a parte da colheita da planta. Na temperatura mais alta do substrato, o teor de oxigênio dissolvido é menor, o que tem um impacto muito maior no teor de oxigênio no ambiente radicular do que o oxigênio consumido por microorganismos. O sistema radicular consome muito oxigênio e até leva à hipóxia no caso de um substrato ou estrutura do solo ruim, reduzindo assim a absorção de água e íons.

Mantenha a capacidade de retenção de água razoável da matriz.

Há uma correlação negativa entre o teor de água e o conteúdo percentual de oxigênio na matriz. Quando o teor de água aumenta, o teor de oxigênio diminui e vice -versa. Existe uma faixa crítica entre o teor de água e o oxigênio na matriz, ou seja, 80% ~ 85% do teor de água (Figura 5). A manutenção a longo prazo do teor de água acima de 85% no substrato afetará o suprimento de oxigênio. A maior parte do suprimento de oxigênio (75%~ 90%) é através dos poros na matriz.

Suplemento de irrigação ao teor de oxigênio em substrato

Mais luz solar levará a um maior consumo de oxigênio e menor concentração de oxigênio nas raízes (Figura 6), e mais açúcar aumentará o consumo de oxigênio à noite. A transpiração é forte, a absorção de água é grande e há mais ar e mais oxigênio no substrato. Pode ser visto na esquerda da Figura 7 que o teor de oxigênio no substrato aumentará ligeiramente após a irrigação sob a condição de que a capacidade de retenção de água do substrato seja alta e o teor de ar seja muito baixo. Como mostrado à direita da fig. 7, sob a condição de iluminação relativamente melhor, o teor de ar no substrato aumenta devido a mais absorção de água (mesmo tempos de irrigação). A influência relativa da irrigação no teor de oxigênio no substrato é muito menor que a capacidade de retenção de água (teor de ar) no substrato.

Discutir

Na produção real, o conteúdo de oxigênio (ar) no ambiente da raiz das culturas é facilmente negligenciado, mas é um fator importante para garantir o crescimento normal das culturas e o desenvolvimento saudável das raízes.

Para obter o rendimento máximo durante a produção agrícola, é muito importante proteger o ambiente do sistema radicular nas melhores condições o máximo possível. Estudos mostraram que o O₂O conteúdo no ambiente do sistema radicular abaixo de 4mg/L terá um impacto negativo no crescimento da colheita. O o₂O conteúdo no ambiente raiz é influenciado principalmente pela irrigação (quantidade e frequência de irrigação), estrutura do substrato, teor de água do substrato, temperatura de estufa e substrato e diferentes padrões de plantio serão diferentes. Algas e microorganismos também têm uma certa relação com o teor de oxigênio no ambiente radicular das culturas hidropônicas. A hipóxia não apenas causa o desenvolvimento lento das plantas, mas também aumenta a pressão dos patógenos radiculares (Pythium, Phytophthora, Fusarium) no crescimento radicular.

A estratégia de irrigação tem uma influência significativa no O₂conteúdo no substrato e também é uma maneira mais controlável no processo de plantio. Alguns estudos de plantio de rosas descobriram que aumentar lentamente o teor de água no substrato (pela manhã) pode obter um melhor estado de oxigênio. No substrato com baixa capacidade de retenção de água, o substrato pode manter alto teor de oxigênio e, ao mesmo tempo, é necessário evitar a diferença do teor de água entre os substratos através de maior frequência de irrigação e intervalo mais curto. Quanto menor a capacidade de retenção de água dos substratos, maior a diferença entre os substratos. Substrato úmido, menor frequência de irrigação e intervalo mais longo garantem mais substituição do ar e condições favoráveis ​​de oxigênio.

A drenagem do substrato é outro fator que tem uma grande influência na taxa de renovação e no gradiente de concentração de oxigênio no substrato, dependendo do tipo e capacidade de retenção de água do substrato. O líquido de irrigação não deve permanecer no fundo do substrato por muito tempo, mas deve ser descarregado rapidamente para que a água de irrigação enriquecida com oxigênio fresco possa atingir o fundo do substrato novamente. A velocidade de drenagem pode ser influenciada por algumas medidas relativamente simples, como o gradiente do substrato nas direções longitudinais e de largura. Quanto maior o gradiente, mais rápida a velocidade de drenagem. Diferentes substratos têm aberturas diferentes e o número de pontos de venda também é diferente.

FIM

[Informações sobre citação]

Xie Yuanpei. Efeitos do teor de oxigênio ambiental nas raízes das culturas de estufa no crescimento das culturas [J]. Tecnologia de Engenharia Agrícola, 2022,42 (31): 21-24.