Kasvuhooneaianduse põllumajanduslik inseneritehnoloogiaAvaldatud Pekingis 13. jaanuaril 2023 kell 17:30.

Enamiku toitainete imendumine on protsess, mis on tihedalt seotud taimejuurte ainevahetusliku aktiivsusega. Need protsessid vajavad juurerakkude hingamise teel tekkivat energiat ning vee imendumist reguleerivad samuti temperatuur ja hingamine ning hingamine nõuab hapniku osalemist, seega on juurestikus oleva hapniku olemasolul oluline mõju põllukultuuride normaalsele kasvule. Vees lahustunud hapnikusisaldust mõjutavad temperatuur ja soolsus ning substraadi struktuur määrab juurestikus oleva õhusisalduse. Kastmisel on hapnikusisalduse uuenemisel ja täiendamisel suured erinevused erineva veesisaldusega substraatides. Juurtes oleva hapnikusisalduse optimeerimiseks on palju tegureid, kuid iga teguri mõjuaste on üsna erinev. Substraadi mõistliku veemahutavuse (õhusisalduse) säilitamine on juurestikus oleva kõrge hapnikusisalduse säilitamise eelduseks.

Temperatuuri ja soolsuse mõju küllastunud hapnikusisaldusele lahuses

Lahustunud hapniku sisaldus vees

Lahustunud hapnik on lahustunud vees sidumata ehk vabas hapnikus ning lahustunud hapniku sisaldus vees saavutab maksimumi teatud temperatuuril, mida nimetatakse küllastunud hapnikusisalduseks. Küllastunud hapnikusisaldus vees muutub temperatuuriga ja temperatuuri tõustes hapnikusisaldus väheneb. Selge vee küllastunud hapnikusisaldus on kõrgem kui soola sisaldavas merevees (joonis 1), seega on erineva kontsentratsiooniga toitainelahuste küllastunud hapnikusisaldus erinev.

Hapniku transport maatriksis

Kasvuhoonekultuuride juured saavad toitainelahusest hapnikku vabas olekus ning hapnik transporditakse substraadis õhu ja vee ning juurte ümber oleva vee kaudu. Kui see on antud temperatuuril õhu hapnikusisaldusega tasakaalus, saavutab vees lahustunud hapnik maksimumi ning õhu hapnikusisalduse muutus toob kaasa ka vee hapnikusisalduse proportsionaalse muutuse.

Juurte keskkonnas esineva hüpoksia stressi mõju põllukultuuridele

Juurte hüpoksia põhjused

Hüdropoonika ja substraadikasvatussüsteemide hüpoksia risk suvel on suurem mitmel põhjusel. Esiteks väheneb vee küllastunud hapnikusisaldus temperatuuri tõustes. Teiseks suureneb juurte kasvu säilitamiseks vajalik hapnik temperatuuri tõustes. Lisaks on suvel suurem toitainete imendumise hulk, seega on ka hapnikuvajadus toitainete imendumiseks suurem. See viib hapnikusisalduse vähenemiseni juurte keskkonnas ja tõhusa lisandi puudumiseni, mis omakorda põhjustab hüpoksia juurte keskkonnas.

Imendumine ja kasv

Enamiku oluliste toitainete imendumine sõltub protsessidest, mis on tihedalt seotud juurte ainevahetusega ja mis vajavad juurerakkude hingamisel tekkivat energiat, st fotosünteesi produktide lagunemist hapniku juuresolekul. Uuringud on näidanud, et 10–20% tomatitaimede kogu assimilaatidest kasutatakse juurtes, millest 50% kulub toitaineioonide imendumiseks, 40% kasvuks ja ainult 10% säilimiseks. Juured peavad hapnikku leidma otseses keskkonnas, kus nad eraldavad CO2.₂Substraatide ja hüdropoonika halva ventilatsiooni põhjustatud anaeroobsetes tingimustes mõjutab hüpoksia vee ja toitainete imendumist. Hüpoksia reageerib kiiresti toitainete, nimelt nitraadi (NO₃^-), kaaliumi (K) ja fosfaati (PO₄^3-), mis häirib kaltsiumi (Ca) ja magneesiumi (Mg) passiivset imendumist.

Taimede juurte kasv vajab energiat, normaalne juurte aktiivsus vajab madalaimat hapnikukontsentratsiooni ning COP-väärtusest madalam hapnikukontsentratsioon muutub juurerakkude ainevahetust (hüpoksiat) piiravaks teguriks. Kui hapnikusisalduse tase on madal, kasv aeglustub või isegi peatub. Kui osaline juurte hüpoksia mõjutab ainult oksi ja lehti, saab juurestik kompenseerida juurestiku osa, mis mingil põhjusel enam ei ole aktiivne, suurendades lokaalset neeldumist.

Taimede ainevahetusmehhanism sõltub hapnikust kui elektronaktseptorist. Ilma hapnikuta ATP tootmine peatub. Ilma ATPta peatub prootonite väljavool juurtest, juurerakkude mahl muutub happeliseks ja need rakud surevad mõne tunni jooksul. Ajutine ja lühiajaline hüpoksia ei põhjusta taimedes pöördumatut toitumisstressi. Tänu "nitraadihingamise" mehhanismile võib see olla lühiajaline kohanemine hüpoksiaga toimetulekuks alternatiivse viisina juurte hüpoksia ajal. Pikaajaline hüpoksia aga viib aeglase kasvuni, lehtede pindala vähenemiseni ning värske ja kuivkaalu vähenemiseni, mis omakorda viib saagikuse olulise languseni.

Etüleen

Taimed moodustavad etüleeni kohapeal suure stressi korral. Tavaliselt eemaldatakse etüleen juurtest mullaõhku difundeerumise teel. Kui toimub veepeetus, siis etüleeni moodustumine mitte ainult ei suurene, vaid ka difusioon väheneb oluliselt, kuna juured on veega ümbritsetud. Etüleeni kontsentratsiooni suurenemine viib juurtes aeratsioonikoe moodustumiseni (joonis 2). Etüleen võib põhjustada ka lehtede vananemist ning etüleeni ja auksiini vastastikmõju suurendab juhuslike juurte moodustumist.

Hapniku stress viib lehtede kasvu vähenemiseni

ABA-d toodetakse juurtes ja lehtedes, et tulla toime mitmesuguste keskkonnastressidega. Juurte keskkonnas on tüüpiline stressireaktsioon õhulõhede sulgumine, mis hõlmab ABA moodustumist. Enne õhulõhede sulgumist kaotab taime latv paisumisrõhu, ülemised lehed närbuvad ja fotosünteesi efektiivsus võib samuti väheneda. Paljud uuringud on näidanud, et õhulõhed reageerivad ABA kontsentratsiooni suurenemisele apoplastis sulgumisega, st ABA kogusisaldus lehtedes sulgub, vabastades rakusisese ABA. Taimed saavad apoplasti ABA kontsentratsiooni väga kiiresti suurendada. Kui taimed on keskkonnastressi all, hakkavad nad rakkudes ABA-d vabastama ja juurte vabanemise signaali saab edastada minutite, mitte tundide jooksul. ABA suurenemine lehekoes võib vähendada rakuseina pikenemist ja viia lehtede pikenemise vähenemiseni. Hüpoksia teine ​​​​mõju on lehtede eluea lühenemine, mis mõjutab kõiki lehti. Hüpoksia viib tavaliselt tsütokiniini ja nitraadi transpordi vähenemiseni. Lämmastiku või tsütokiniini puudus lühendab lehtede pindala säilimisaega ning peatab okste ja lehtede kasvu mõne päeva jooksul.

Põllukultuuride juurestiku hapnikukeskkonna optimeerimine

Substraadi omadused on vee ja hapniku jaotumise seisukohalt määravad. Kasvuhooneköögiviljade juurestikus oleva hapniku kontsentratsioon sõltub peamiselt substraadi veemahutavusest, kastmisest (suurus ja sagedus), substraadi struktuurist ja substraadiriba temperatuurist. Ainult siis, kui juurestikus oleva hapnikusisaldus on vähemalt üle 10% (4–5 mg/l), saab juurte aktiivsust parimal võimalikul viisil säilitada.

Põllukultuuride juurestik on taimede kasvu ja haiguskindluse seisukohalt väga oluline. Taimed omastavad vett ja toitaineid vastavalt oma vajadustele. Juurekeskkonna hapnikutase määrab aga suuresti toitainete ja vee imendumise efektiivsuse ning juurestiku kvaliteedi. Piisav hapnikutase juurestiku keskkonnas tagab juurestiku tervise, mistõttu on taimedel parem vastupanuvõime patogeensetele mikroorganismidele (joonis 3). Piisav hapnikutase substraadis vähendab ka anaeroobsete tingimuste riski, minimeerides seeläbi patogeensete mikroorganismide riski.

Hapniku tarbimine juurte keskkonnas

Põllukultuuride maksimaalne hapnikutarve võib ulatuda kuni 40 mg/m2/h (tarbimine sõltub põllukultuurist). Sõltuvalt temperatuurist võib niisutusvesi sisaldada kuni 7–8 mg/l hapnikku (joonis 4). 40 mg saavutamiseks tuleb hapnikuvajaduse rahuldamiseks anda iga tund 5 liitrit vett, kuid tegelikult ei pruugi ühe päeva niisutuskogust saavutada. See tähendab, et niisutusega antaval hapnikul on vaid väike roll. Suurem osa hapnikuvarust jõuab juuretsooni läbi maatriksi pooride ja pooride kaudu jõudva hapnikuvaru panus on kuni 90%, olenevalt kellaajast. Kui taimede aurustumine saavutab maksimumi, saavutab ka niisutuskogus maksimumi, mis on võrdne 1–1,5 l/m2/h. Kui niisutusvesi sisaldab 7 mg/l hapnikku, annab see juuretsoonile 7–11 mg/m2/h hapnikku. See on võrdne 17–25%-ga vajadusest. Loomulikult kehtib see ainult olukorra kohta, kus substraadis olev hapnikuvaene niisutusvesi asendatakse värske niisutusveega.

Lisaks juurte tarbimisele tarbivad hapnikku ka juurestikus elavad mikroorganismid. Seda on raske kvantifitseerida, kuna selles osas pole mõõtmisi tehtud. Kuna igal aastal vahetuvad uued substraadid, võib eeldada, et mikroorganismidel on hapniku tarbimises suhteliselt väike roll.

Optimeerige juurte keskkonnatemperatuuri

Juurestiku keskkonnatemperatuur on väga oluline juurestiku normaalseks kasvuks ja toimimiseks ning see on ka oluline tegur, mis mõjutab juurestiku vee ja toitainete imendumist.

Liiga madal substraadi temperatuur (juurte temperatuur) võib raskendada vee imendumist. 5 ℃ juures on imendumine 70–80% madalam kui 20 ℃ juures. Kui madala substraadi temperatuuriga kaasneb kõrge temperatuur, põhjustab see taimede närbumist. Ioonide neeldumine sõltub ilmselgelt temperatuurist, mis pärsib ioonide imendumist madalal temperatuuril, ning erinevate toitainete tundlikkus temperatuurile on erinev.

Liiga kõrge substraadi temperatuur on samuti kasutu ja võib viia liiga suure juurestiku tekkeni. Teisisõnu, taimedes on kuivaine jaotumine tasakaalustamata. Kuna juurestik on liiga suur, tekivad hingamise kaudu tarbetud kaod ja see osa kaotatud energiast võidi ära kasutada taime saagikoristuse jaoks. Kõrgema substraadi temperatuuri korral on lahustunud hapniku sisaldus madalam, millel on juurestiku hapnikusisaldusele palju suurem mõju kui mikroorganismide poolt tarbitaval hapnikul. Juurestik tarbib palju hapnikku ja halva substraadi või mulla struktuuri korral viib see isegi hüpoksiani, vähendades seeläbi vee ja ioonide imendumist.

Säilitada maatriksi mõistlik veepeetusvõime.

Maatriksi veesisalduse ja hapnikusisalduse protsendi vahel on negatiivne korrelatsioon. Kui veesisaldus suureneb, väheneb hapnikusisaldus ja vastupidi. Maatriksi veesisalduse ja hapniku vahel on kriitiline vahemik, mis on 80%–85% veesisaldus (joonis 5). Substraadi veesisalduse pikaajaline hoidmine üle 85% mõjutab hapnikuvarustust. Suurem osa hapnikuvarustusest (75%–90%) toimub maatriksi pooride kaudu.

Niisutuse täiendamine substraadi hapnikusisalduse järgi

Rohkem päikesevalgust suurendab juurte hapnikutarbimist ja alandab hapnikukontsentratsiooni (joonis 6) ning rohkem suhkrut suurendab öösel hapnikutarbimist. Transpiratsioon on tugev, veeimavus on suur ning substraadis on rohkem õhku ja hapnikku. Joonise 7 vasakult poolt on näha, et substraadi hapnikusisaldus pärast niisutamist veidi suureneb, kui substraadi veemahutavus on kõrge ja õhusisaldus on väga madal. Nagu joonisel 7 paremal pool näidatud, suureneb substraadi õhusisaldus suhteliselt parema valgustuse korral suurema veeimavuse tõttu (samad kastmisajad). Kastmise suhteline mõju substraadi hapnikusisaldusele on palju väiksem kui substraadi veemahutavus (õhusisaldus).

Arutage

Tegelikus tootmises jääb põllukultuuride juurestiku hapnikusisaldus (õhusisaldus) kergesti tähelepanuta, kuid see on oluline tegur põllukultuuride normaalse kasvu ja juurte terve arengu tagamiseks.

Saagikuse maksimeerimiseks põllukultuuride kasvatamise ajal on väga oluline kaitsta juurestiku keskkonda parimates tingimustes nii palju kui võimalik. Uuringud on näidanud, et O₂juurestiku keskkonnas alla 4 mg/l sisaldus avaldab negatiivset mõju saagi kasvule. O₂Juurkeskkonna hapnikusisaldust mõjutavad peamiselt niisutus (niisutamise hulk ja sagedus), substraadi struktuur, substraadi veesisaldus, kasvuhoone ja substraadi temperatuur ning erinevad istutusmustrid on erinevad. Vetikatel ja mikroorganismidel on samuti teatav seos hüdropooniliste põllukultuuride juureskeskkonna hapnikusisaldusega. Hüpoksia mitte ainult ei põhjusta taimede aeglast arengut, vaid suurendab ka juurepatogeenide (pythium, phytophthora, fusarium) survet juurte kasvule.

Niisutusstrateegial on O-le oluline mõju.₂substraadi veesisaldust ja see on ka istutusprotsessi paremini kontrollitav viis. Mõned rooside istutamise uuringud on leidnud, et substraadi veesisalduse aeglane suurendamine (hommikul) võib saavutada parema hapnikusisalduse. Madala veepeetusvõimega substraadis suudab substraat säilitada kõrge hapnikusisalduse ning samal ajal on vaja vältida substraatide veesisalduse erinevust suurema kastmissageduse ja lühema kastmisintervalli abil. Mida madalam on substraatide veepeetusvõime, seda suurem on substraatide erinevus. Niiske substraat, madalam kastmissagedus ja pikem kastmisintervall tagavad suurema õhuvahetuse ja soodsad hapnikutingimused.

Substraadi drenaaž on veel üks tegur, millel on suur mõju substraadi uuenemiskiirusele ja hapniku kontsentratsiooni gradiendile, olenevalt substraadi tüübist ja veemahutavusest. Kastmisvedelik ei tohiks substraadi põhjas liiga kaua seista, vaid see tuleks kiiresti välja juhtida, et värske hapnikuga rikastatud niisutusvesi saaks uuesti substraadi põhja jõuda. Drenaažikiirust saab mõjutada mõne suhteliselt lihtsa meetmega, näiteks substraadi kaldega piki- ja laiussuunas. Mida suurem on kalle, seda kiirem on drenaažikiirus. Erinevatel substraatidel on erinevad avad ja samuti on erinev väljalaskeavade arv.

LÕPP

[viiteteave]

Xie Yuanpei. Kasvuhoonekultuuride juurte keskkonnahapnikusisalduse mõju põllukultuuride kasvule [J]. Põllumajandustehnika tehnoloogia, 2022,42(31):21-24.