Šiltnamių sodininkystės žemės ūkio inžinerijos technologija. Paskelbta Pekine 2023 m. sausio 13 d., 17:30 val.

Daugelio maistinių elementų įsisavinimas yra procesas, glaudžiai susijęs su augalų šaknų medžiagų apykaitos veikla. Šiems procesams reikalinga energija, susidaranti šaknų ląstelių kvėpavime, o vandens absorbciją taip pat reguliuoja temperatūra ir kvėpavimas, o kvėpavimui reikalingas deguonies dalyvavimas, todėl deguonis šaknų aplinkoje daro gyvybiškai svarbų poveikį normaliam augalų augimui. Ištirpusio deguonies kiekiui vandenyje įtakos turi temperatūra ir druskingumas, o substrato struktūra lemia oro kiekį šaknų aplinkoje. Laistymas labai skiriasi deguonies kiekio atnaujinimu ir papildymu substratuose su skirtinga vandens sudėtimi. Yra daug veiksnių, skirtų deguonies kiekiui šaknų aplinkoje optimizuoti, tačiau kiekvieno veiksnio įtakos laipsnis yra gana skirtingas. Tinkamo substrato vandens sulaikymo (oro kiekio) palaikymas yra aukšto deguonies kiekio šaknų aplinkoje palaikymo prielaida.

Temperatūros ir druskingumo poveikis sočiųjų deguonies kiekiui tirpale

Ištirpusio deguonies kiekis vandenyje

Ištirpęs deguonis yra ištirpęs nesurištame arba laisvame vandenyje esančiame deguonyje, o ištirpusio deguonies kiekis vandenyje pasiekia maksimumą tam tikroje temperatūroje, t. y. sočiojo deguonies kiekio. Sočiojo deguonies kiekis vandenyje kinta priklausomai nuo temperatūros, o kylant temperatūrai, deguonies kiekis mažėja. Švaraus vandens sočiojo deguonies kiekis yra didesnis nei sūraus jūros vandens (1 pav.), todėl skirtingos koncentracijos maistinių medžiagų tirpalų sočiojo deguonies kiekis skirsis.

Deguonies pernaša matricoje

Deguonis, kurį šiltnamio augalų šaknys gali gauti iš maistinių medžiagų tirpalo, turi būti laisvos būsenos, o deguonis substrate pernešamas oru, vandeniu ir vandeniu aplink šaknis. Kai deguonies kiekis ore tam tikroje temperatūroje yra pusiausvyroje, vandenyje ištirpusio deguonies kiekis pasiekia maksimumą, o deguonies kiekio ore pokytis lems proporcingą deguonies kiekio vandenyje pokytį.

Hipoksijos streso poveikis šaknų aplinkoje augalams

Šaknų hipoksijos priežastys

Yra keletas priežasčių, kodėl vasarą hipoksijos rizika hidroponikoje ir substratų auginimo sistemose yra didesnė. Pirma, sočiųjų deguonies kiekis vandenyje mažėja kylant temperatūrai. Antra, deguonies, reikalingo šaknų augimui palaikyti, kiekis didėja kylant temperatūrai. Be to, vasarą didesnis maistinių medžiagų absorbcijos kiekis, todėl didesnis ir deguonies poreikis maistinėms medžiagoms absorbuoti. Dėl to sumažėja deguonies kiekis šaknų aplinkoje ir trūksta veiksmingo papildymo, o tai sukelia hipoksiją šaknų aplinkoje.

Absorbcija ir augimas

Daugelio būtiniausių maistinių medžiagų įsisavinimas priklauso nuo procesų, glaudžiai susijusių su šaknų metabolizmu, kuriems reikalinga šaknų ląstelių kvėpavimo metu susidaranti energija, t. y. fotosintezės produktų skaidymas deguonies akivaizdoje. Tyrimai parodė, kad 10–20 % visų pomidorų augalų asimiluotų medžiagų sunaudojama šaknyse, iš kurių 50 % – maistinių medžiagų jonų absorbcijai, 40 % – augimui ir tik 10 % – palaikymui. Šaknys turi rasti deguonies tiesioginėje aplinkoje, kur išskiria CO₂.₂Anaerobinėmis sąlygomis, kurias sukelia prastas substratų ir hidroponikos vėdinimas, hipoksija paveiks vandens ir maistinių medžiagų absorbciją. Hipoksija greitai reaguoja į aktyvų maistinių medžiagų, būtent nitratų (NO₃^-), kalio (K) ir fosfato (PO₄^3-), kuris trukdys pasyviai kalcio (Ca) ir magnio (Mg) absorbcijai.

Augalo šaknų augimui reikalinga energija, normaliam šaknų aktyvumui reikalinga mažiausia deguonies koncentracija, o deguonies koncentracija, mažesnė už COP vertę, tampa šaknų ląstelių metabolizmą ribojančiu veiksniu (hipoksija). Kai deguonies kiekis mažas, augimas sulėtėja arba net sustoja. Jei dalinė šaknų hipoksija paveikia tik šakas ir lapus, šaknų sistema gali kompensuoti dėl kokių nors priežasčių nebeaktyvią šaknų sistemos dalį padidindama vietinę absorbciją.

Augalų medžiagų apykaitos mechanizmas priklauso nuo deguonies kaip elektronų akceptoriaus. Be deguonies ATP gamyba sustos. Be ATP protonų nutekėjimas iš šaknų sustos, šaknų ląstelių sultys taps rūgštinės, ir šios ląstelės žūs per kelias valandas. Laikina ir trumpalaikė hipoksija nesukels negrįžtamo mitybos streso augalams. Dėl „nitratų kvėpavimo“ mechanizmo, tai gali būti trumpalaikis prisitaikymas susidoroti su hipoksija kaip alternatyvus būdas šaknų hipoksijos metu. Tačiau ilgalaikė hipoksija lems lėtą augimą, sumažės lapų plotas ir žaliosios bei sausosios masės kiekis, o tai lems reikšmingą pasėlių derliaus sumažėjimą.

Etilenas

Augalai, patirdami didelį stresą, in situ gamina etileną. Paprastai etilenas pašalinamas iš šaknų difunduodamas į dirvožemio orą. Užmirkus, etileno susidarymas ne tik padidėja, bet ir labai sumažėja difuzija, nes šaknis supa vanduo. Padidėjusi etileno koncentracija šaknyse susidaro aeracinis audinys (2 pav.). Etilenas taip pat gali sukelti lapų senėjimą, o etileno ir auksino sąveika padidina pridėtinių šaknų susidarymą.

Deguonies stresas lemia sulėtintą lapų augimą

ABA gaminasi šaknyse ir lapuose, kad susidorotų su įvairiais aplinkos stresais. Šaknų aplinkoje tipiškas atsakas į stresą yra žiotelių užsidarymas, dėl kurio susidaro ABA. Prieš užsidarant žiotelėms, augalo viršūnė praranda brinkimo slėgį, viršutiniai lapai vysta, o fotosintezės efektyvumas taip pat gali sumažėti. Daugelis tyrimų parodė, kad žiotelės reaguoja į padidėjusią ABA koncentraciją apoplastuose užsidarymu, t. y. bendrą ABA kiekį ne lapuose išskirdamos ląstelėse esantį ABA, augalai gali labai greitai padidinti apoplasto ABA koncentraciją. Kai augalai patiria aplinkos stresą, jie pradeda išskirti ABA ląstelėse, o šaknų išlaisvinimo signalas gali būti perduodamas per kelias minutes, o ne valandas. ABA padidėjimas lapų audiniuose gali sumažinti ląstelės sienelės pailgėjimą ir sumažinti lapų pailgėjimą. Kitas hipoksijos poveikis yra tas, kad sutrumpėja lapų gyvenimo trukmė, o tai paveikia visus lapus. Hipoksija paprastai sumažina citokininų ir nitratų pernašą. Azoto arba citokininų trūkumas sutrumpina lapų ploto išlaikymo laiką ir per kelias dienas sustabdo šakų bei lapų augimą.

Augalų šaknų sistemos deguonies aplinkos optimizavimas

Substrato savybės yra lemiamos vandens ir deguonies pasiskirstymui. Deguonies koncentracija šiltnamio daržovių šaknų aplinkoje daugiausia susijusi su substrato vandens sulaikymo pajėgumu, drėkinimu (dydžiu ir dažnumu), substrato struktūra ir substrato juostelių temperatūra. Tik tada, kai deguonies kiekis šaknų aplinkoje yra bent didesnis nei 10 % (4–5 mg/l), galima palaikyti geriausią šaknų veiklą.

Augalų šaknų sistema yra labai svarbi augalų augimui ir atsparumui ligoms. Vanduo ir maistinės medžiagos bus absorbuojamos pagal augalų poreikius. Tačiau deguonies lygis šaknų aplinkoje daugiausia lemia maistinių medžiagų ir vandens absorbcijos efektyvumą bei šaknų sistemos kokybę. Pakankamas deguonies lygis šaknų sistemos aplinkoje gali užtikrinti šaknų sistemos sveikatą, kad augalai būtų atsparesni patogeniniams mikroorganizmams (3 pav.). Pakankamas deguonies lygis substrate taip pat sumažina anaerobinių sąlygų riziką, taigi ir patogeninių mikroorganizmų riziką.

Deguonies suvartojimas šaknų aplinkoje

Didžiausias augalų deguonies suvartojimas gali siekti net 40 mg/m2/h (suvartojimas priklauso nuo augalų). Priklausomai nuo temperatūros, drėkinimo vandenyje gali būti iki 7–8 mg/l deguonies (4 pav.). Norint pasiekti 40 mg, kas valandą reikia duoti 5 l vandens, kad būtų patenkintas deguonies poreikis, tačiau iš tikrųjų per vieną dieną laistymo kiekis gali būti nepasiekiamas. Tai reiškia, kad drėkinimo metu tiekiamas deguonis vaidina tik nedidelį vaidmenį. Didžioji dalis deguonies pasiekia šaknų zoną per matricos poras, o deguonies tiekimo per poras indėlis siekia net 90 %, priklausomai nuo paros laiko. Kai augalų garavimas pasiekia maksimumą, drėkinimo kiekis taip pat pasiekia maksimumą, kuris atitinka 1–1,5 l/m2/h. Jei drėkinimo vandenyje yra 7 mg/l deguonies, jis aprūpins šaknų zoną 7–11 mg/m2/h deguonies. Tai atitinka 17–25 % poreikio. Žinoma, tai taikoma tik tuo atveju, kai substrate esantis deguonies neturtingas drėkinimo vanduo pakeičiamas šviežiu drėkinimo vandeniu.

Be šaknų vartojimo, šaknų aplinkoje esantys mikroorganizmai taip pat sunaudoja deguonį. Tai sunku kiekybiškai įvertinti, nes šiuo atžvilgiu nebuvo atlikti jokie matavimai. Kadangi kasmet keičiami nauji substratai, galima daryti prielaidą, kad mikroorganizmai vaidina santykinai nedidelį vaidmenį deguonies suvartojime.

Optimizuokite šaknų aplinkos temperatūrą

Šaknų sistemos aplinkos temperatūra yra labai svarbi normaliam šaknų sistemos augimui ir funkcionavimui, taip pat tai svarbus veiksnys, turintis įtakos vandens ir maistinių medžiagų įsisavinimui šaknų sistemoje.

Per žema substrato temperatūra (šaknų temperatūra) gali apsunkinti vandens absorbciją. Esant 5 ℃ temperatūrai, absorbcija yra 70–80 % mažesnė nei esant 20 ℃. Jei žema substrato temperatūra yra kartu su aukšta, augalas vys. Jonų absorbcija akivaizdžiai priklauso nuo temperatūros, kuri slopina jonų absorbciją žemoje temperatūroje, o skirtingų maistinių elementų jautrumas temperatūrai yra skirtingas.

Per aukšta substrato temperatūra taip pat nenaudinga ir gali lemti per didelę šaknų sistemą. Kitaip tariant, augaluose sausosios medžiagos pasiskirsto nesubalansuotai. Kadangi šaknų sistema per didelė, dėl kvėpavimo atsiras nereikalingų energijos nuostolių, o ši prarastos energijos dalis galėjo būti panaudota augalo derliaus nuėmimo daliai. Esant aukštesnei substrato temperatūrai, ištirpusio deguonies kiekis yra mažesnis, o tai daro daug didesnę įtaką deguonies kiekiui šaknų aplinkoje nei mikroorganizmų sunaudojamas deguonis. Šaknų sistema sunaudoja daug deguonies, o esant prastai substrato ar dirvožemio struktūrai, netgi sukelia hipoksiją, todėl sumažėja vandens ir jonų absorbcija.

Palaikykite tinkamą matricos vandens sulaikymo pajėgumą.

Tarp vandens kiekio ir deguonies kiekio procentinės dalies matricoje yra neigiama koreliacija. Kai vandens kiekis didėja, deguonies kiekis mažėja ir atvirkščiai. Tarp vandens kiekio ir deguonies matricoje yra kritinis diapazonas, t. y. 80–85 % vandens kiekio (5 pav.). Ilgalaikis vandens kiekio palaikymas, viršijantis 85 % substrate, turės įtakos deguonies tiekimui. Didžioji dalis deguonies (75–90 %) patenka per matricos poras.

Drėkinimo papildymas atsižvelgiant į deguonies kiekį substrate

Daugiau saulės šviesos lems didesnį deguonies sunaudojimą ir mažesnę deguonies koncentraciją šaknyse (6 pav.), o daugiau cukraus padidins deguonies sunaudojimą naktį. Transpiracija yra stipri, vandens absorbcija didelė, substrate yra daugiau oro ir deguonies. 7 paveikslo kairėje pusėje matyti, kad deguonies kiekis substrate šiek tiek padidės po laistymo, jei substrato vandens sulaikymo talpa yra didelė, o oro kiekis – labai mažas. Kaip parodyta 7 paveikslo dešinėje pusėje, esant santykinai geresniam apšvietimui, oro kiekis substrate padidėja dėl didesnės vandens sulaikymo talpos (tas pats laistymo laikas). Santykinė laistymo įtaka deguonies kiekiui substrate yra daug mažesnė nei vandens sulaikymo talpa (oro kiekis) substrate.

Aptarti

Faktinėje gamyboje deguonies (oro) kiekis augalų šaknų aplinkoje lengvai pamirštamas, tačiau tai yra svarbus veiksnys, užtikrinantis normalų augalų augimą ir sveiką šaknų vystymąsi.

Norint gauti maksimalų derlių auginimo metu, labai svarbu kuo geriau apsaugoti šaknų sistemos aplinką. Tyrimai parodė, kad O₂Šaknų sistemos aplinkoje esantis kiekis, mažesnis nei 4 mg/l, neigiamai paveiks pasėlių augimą. O₂Šaknų aplinkoje esančiam deguonies kiekiui daugiausia įtakos turi drėkinimas (laistymo kiekis ir dažnumas), substrato struktūra, substrato vandens kiekis, šiltnamio ir substrato temperatūra, todėl skirtingi sodinimo modeliai skirsis. Dumbliai ir mikroorganizmai taip pat turi tam tikrą ryšį su deguonies kiekiu hidroponinių augalų šaknų aplinkoje. Hipoksija ne tik sulėtina augalų vystymąsi, bet ir padidina šaknų patogenų (pythium, phytophthora, fusarium) spaudimą šaknų augimui.

Drėkinimo strategija daro didelę įtaką O₂substrato kiekį, ir tai taip pat yra labiau kontroliuojamas būdas sodinimo procese. Kai kuriuose rožių sodinimo tyrimuose nustatyta, kad lėtai didinant vandens kiekį substrate (ryte), galima pasiekti geresnę deguonies būseną. Substrate, kuriame maža vandens talpa, substratas gali išlaikyti didelį deguonies kiekį, tačiau tuo pačiu metu būtina vengti vandens kiekio skirtumo tarp substratų, dažniau laistant ir trumpinant laistymo intervalus. Kuo mažesnė substratų vandens talpa, tuo didesnis skirtumas tarp substratų. Drėgnas substratas, mažesnis laistymo dažnis ir ilgesni intervalai užtikrina didesnę oro kaitą ir palankias deguonies sąlygas.

Substrato drenažas yra dar vienas veiksnys, turintis didelę įtaką atsinaujinimo greičiui ir deguonies koncentracijos gradientui substrate, priklausomai nuo substrato tipo ir vandens sulaikymo pajėgumo. Laistymo skystis neturėtų per ilgai užsibūti substrato apačioje, bet turėtų būti greitai išleistas, kad šviežias, deguonimi praturtintas laistymo vanduo vėl pasiektų substrato dugną. Drenažo greitį galima paveikti keliomis gana paprastomis priemonėmis, pavyzdžiui, substrato gradientu išilgine ir pločio kryptimis. Kuo didesnis gradientas, tuo greitesnis drenažo greitis. Skirtingi substratai turi skirtingas angas, o išleidimo angų skaičius taip pat skiriasi.

PABAIGA

[citavimo informacija]

Xie Yuanpei. Aplinkos deguonies kiekio šiltnamio augalų šaknyse poveikis augalų augimui [J]. Žemės ūkio inžinerijos technologijos, 2022, 42 (31): 21–24.