Tecnoloxía de enxeñaría agrícola para o cultivo en invernadoiro. Publicado en Pequín ás 17:30 o 13 de xaneiro de 2023.

A absorción da maioría dos elementos nutrientes é un proceso estreitamente relacionado coas actividades metabólicas das raíces das plantas. Estes procesos requiren enerxía xerada pola respiración celular da raíz, e a absorción de auga tamén está regulada pola temperatura e a respiración, e a respiración require a participación de osíxeno, polo que o osíxeno no ambiente da raíz ten un impacto vital no crecemento normal dos cultivos. O contido de osíxeno disolto na auga vese afectado pola temperatura e a salinidade, e a estrutura do substrato determina o contido de aire no ambiente da raíz. O rego ten grandes diferenzas na renovación e suplementación do contido de osíxeno en substratos con diferentes estados de contido de auga. Hai moitos factores para optimizar o contido de osíxeno no ambiente da raíz, pero o grao de influencia de cada factor é bastante diferente. Manter unha capacidade razoable de retención de auga do substrato (contido de aire) é a premisa para manter un alto contido de osíxeno no ambiente da raíz.

Efectos da temperatura e da salinidade no contido de osíxeno saturado en solución

Contido de osíxeno disolto na auga

O osíxeno disolto disólvese en osíxeno libre ou non ligado na auga, e o contido de osíxeno disolto na auga alcanzará o máximo a unha determinada temperatura, que é o contido de osíxeno saturado. O contido de osíxeno saturado na auga cambia coa temperatura e, cando a temperatura aumenta, o contido de osíxeno diminúe. O contido de osíxeno saturado da auga limpa é maior que o da auga de mar que contén sal (Figura 1), polo que o contido de osíxeno saturado das solucións de nutrientes con diferentes concentracións será diferente.

Transporte de osíxeno na matriz

O osíxeno que as raíces dos cultivos de invernadoiro poden obter da solución de nutrientes debe estar en estado libre, e o osíxeno transpórtase no substrato a través do aire e da auga, e da auga arredor das raíces. Cando está en equilibrio co contido de osíxeno no aire a unha temperatura determinada, o osíxeno disolto na auga alcanza o máximo, e o cambio no contido de osíxeno no aire levará ao cambio proporcional do contido de osíxeno na auga.

Efectos do estrés hipoxénico no ambiente radicular nos cultivos

Causas da hipoxia radicular

Hai varias razóns polas que o risco de hipoxia nos sistemas hidropónicos e de cultivo en substrato é maior no verán. En primeiro lugar, o contido saturado de osíxeno na auga diminúe a medida que aumenta a temperatura. En segundo lugar, o osíxeno necesario para manter o crecemento das raíces aumenta co aumento da temperatura. Ademais, a cantidade de absorción de nutrientes é maior no verán, polo que a demanda de osíxeno para a absorción de nutrientes é maior. Isto leva á diminución do contido de osíxeno no ambiente radicular e á falta de suplementos eficaces, o que leva á hipoxia no ambiente radicular.

Absorción e crecemento

A absorción da maioría dos nutrientes esenciais depende dos procesos estreitamente relacionados co metabolismo das raíces, que requiren a enerxía xerada pola respiración celular da raíz, é dicir, a descomposición dos produtos fotosintéticos en presenza de osíxeno. Os estudos demostraron que entre o 10 % e o 20 % dos asimilados totais das plantas de tomate utilízanse nas raíces, dos cales o 50 % se utiliza para a absorción de ións de nutrientes, o 40 % para o crecemento e só o 10 % para o mantemento. As raíces deben atopar osíxeno no ambiente directo onde liberan CO2.₂En condicións anaeróbicas causadas por unha mala ventilación en substratos e hidroponía, a hipoxia afectará á absorción de auga e nutrientes. A hipoxia ten unha resposta rápida á absorción activa de nutrientes, concretamente nitratos (NO₃^-), potasio (K) e fosfato (PO₄^3-), o que interferirá coa absorción pasiva de calcio (Ca) e magnesio (Mg).

O crecemento das raíces das plantas necesita enerxía, a actividade normal das raíces necesita a concentración de osíxeno máis baixa e unha concentración de osíxeno por debaixo do valor de COP convértese nun factor que limita o metabolismo das células radiculares (hipoxia). Cando o nivel de contido de osíxeno é baixo, o crecemento ralentiza ou mesmo se detén. Se a hipoxia parcial das raíces só afecta ás ramas e ás follas, o sistema radicular pode compensar a parte do sistema radicular que xa non está activa por algún motivo aumentando a absorción local.

O mecanismo metabólico das plantas depende do osíxeno como aceptor de electróns. Sen osíxeno, a produción de ATP deterase. Sen ATP, o fluxo de saída de protóns das raíces deterase, a saiba celular das células da raíz volverase ácida e estas células morrerán en poucas horas. A hipoxia temporal e a curto prazo non causará estrés nutricional irreversible nas plantas. Debido ao mecanismo de "respiración por nitratos", pode ser unha adaptación a curto prazo para afrontar a hipoxia como unha forma alternativa durante a hipoxia das raíces. Non obstante, a hipoxia a longo prazo levará a un crecemento lento, unha diminución da área foliar e unha diminución do peso fresco e seco, o que levará a unha diminución significativa do rendemento das colleitas.

Etileno

As plantas forman etileno in situ baixo moito estrés. Normalmente, o etileno elimínase das raíces difundíndose no aire do solo. Cando se produce un encharcamento, a formación de etileno non só aumenta, senón que tamén se reduce considerablemente a difusión porque as raíces están rodeadas de auga. O aumento da concentración de etileno levará á formación de tecido de aireación nas raíces (Figura 2). O etileno tamén pode causar senescencia foliar e a interacción entre o etileno e a auxina aumentará a formación de raíces adventicias.

O estrés do osíxeno leva a unha diminución do crecemento das follas

O ABA prodúcese nas raíces e nas follas para facer fronte a diversos estreses ambientais. No ambiente radicular, a resposta típica ao estrés é o peche estomático, que implica a formación de ABA. Antes de que os estomas se pechen, a parte superior da planta perde a presión de inchazo, as follas superiores murchan e a eficiencia fotosintética tamén pode diminuír. Moitos estudos demostraron que os estomas responden ao aumento da concentración de ABA no apoplasto pechándose, é dicir, o contido total de ABA nas partes non follais libera ABA intracelular, o que pode aumentar a concentración de ABA do apoplasto moi rapidamente. Cando as plantas están baixo estrés ambiental, comezan a liberar ABA nas células e o sinal de liberación da raíz pode transmitirse en minutos en lugar de horas. O aumento de ABA no tecido foliar pode reducir o alongamento da parede celular e levar á diminución do alongamento das follas. Outro efecto da hipoxia é que a vida útil das follas se acurta, o que afectará a todas as follas. A hipoxia adoita levar á diminución do transporte de citocininas e nitratos. A falta de nitróxeno ou citocinina acurtará o tempo de mantemento da área foliar e deterá o crecemento das pólas e follas en poucos días.

Optimización do ambiente de osíxeno do sistema radicular do cultivo

As características do substrato son decisivas para a distribución da auga e o osíxeno. A concentración de osíxeno no ambiente das raíces das hortalizas de invernadoiro está relacionada principalmente coa capacidade de retención de auga do substrato, o rego (tamaño e frecuencia), a estrutura do substrato e a temperatura da franxa do substrato. Só cando o contido de osíxeno no ambiente das raíces é polo menos superior ao 10 % (4~5 mg/L) pode manterse a actividade das raíces no mellor estado.

O sistema radicular dos cultivos é moi importante para o crecemento das plantas e a súa resistencia ás enfermidades. A auga e os nutrientes absorberanse segundo as necesidades das plantas. Non obstante, o nivel de osíxeno no ambiente radicular determina en gran medida a eficiencia de absorción de nutrientes e auga e a calidade do sistema radicular. Un nivel suficiente de osíxeno no ambiente radicular pode garantir a saúde do sistema radicular, de xeito que as plantas teñan unha mellor resistencia aos microorganismos patóxenos (Figura 3). Un nivel axeitado de osíxeno no substrato tamén minimiza o risco de condicións anaeróbicas, o que minimiza o risco de microorganismos patóxenos.

Consumo de osíxeno no ambiente radicular

O consumo máximo de osíxeno dos cultivos pode chegar aos 40 mg/m2/h (o consumo depende dos cultivos). Dependendo da temperatura, a auga de rega pode conter ata 7~8 mg/L de osíxeno (Figura 4). Para alcanzar os 40 mg, débense administrar 5 L de auga cada hora para satisfacer a demanda de osíxeno, pero, de feito, pode que non se alcance a cantidade de rega nun día. Isto significa que o osíxeno proporcionado pola rega só xoga un papel pequeno. A maior parte do subministro de osíxeno chega á zona radicular a través dos poros da matriz, e a contribución do subministro de osíxeno a través dos poros é de ata o 90 %, dependendo da hora do día. Cando a evaporación das plantas alcanza o máximo, a cantidade de rega tamén alcanza o máximo, o que equivale a 1~1,5 L/m2/h. Se a auga de rega contén 7 mg/L de osíxeno, proporcionará 7~11 mg/m2/h de osíxeno para a zona radicular. Isto equivale ao 17%~25 % da demanda. Por suposto, isto só se aplica á situación en que a auga de rega pobre en osíxeno do substrato sexa substituída por auga de rega fresca.

Ademais do consumo de raíces, os microorganismos do ambiente radicular tamén consomen osíxeno. É difícil cuantificar isto porque non se realizou ningunha medición a este respecto. Dado que os substratos novos se substitúen cada ano, pódese asumir que os microorganismos desempeñan un papel relativamente pequeno no consumo de osíxeno.

Optimizar a temperatura ambiental das raíces

A temperatura ambiental do sistema radicular é moi importante para o crecemento e funcionamento normais do sistema radicular, e tamén é un factor importante que afecta a absorción de auga e nutrientes por parte do sistema radicular.

Unha temperatura do substrato (temperatura das raíces) demasiado baixa pode dificultar a absorción de auga. A 5 ℃, a absorción é entre un 70 % e un 80 % menor que a 20 ℃. Se unha temperatura baixa do substrato vai acompañada dunha temperatura alta, isto provocará o murchamento da planta. A absorción de ións depende obviamente da temperatura, o que inhibe a absorción de ións a baixa temperatura, e a sensibilidade dos diferentes elementos nutrientes á temperatura é diferente.

Unha temperatura do substrato demasiado alta tamén é inútil e pode levar a un sistema radicular demasiado grande. Noutras palabras, hai unha distribución desequilibrada da materia seca nas plantas. Debido a que o sistema radicular é demasiado grande, produciranse perdas innecesarias a través da respiración, e esta parte da enerxía perdida podería terse utilizado para a parte da colleita da planta. A unha temperatura do substrato máis alta, o contido de osíxeno disolto é menor, o que ten un impacto moito maior no contido de osíxeno no ambiente radicular que o osíxeno consumido polos microorganismos. O sistema radicular consome moito osíxeno e mesmo leva á hipoxia no caso dun substrato ou dunha estrutura do solo deficientes, o que reduce a absorción de auga e ións.

Manter unha capacidade razoable de retención de auga da matriz.

Existe unha correlación negativa entre o contido de auga e a porcentaxe de osíxeno na matriz. Cando o contido de auga aumenta, o contido de osíxeno diminúe e viceversa. Existe un rango crítico entre o contido de auga e o osíxeno na matriz, é dicir, entre o 80 % e o 85 % de contido de auga (Figura 5). O mantemento a longo prazo dun contido de auga superior ao 85 % no substrato afectará o subministro de osíxeno. A maior parte do subministro de osíxeno (75 % e 90 %) prodúcese a través dos poros da matriz.

Suplemento de rego ao contido de osíxeno no substrato

Máis luz solar levará a un maior consumo de osíxeno e a unha menor concentración de osíxeno nas raíces (Figura 6), e máis azucre fará que o consumo de osíxeno sexa maior pola noite. A transpiración é forte, a absorción de auga é grande e hai máis aire e máis osíxeno no substrato. Pódese ver á esquerda da Figura 7 que o contido de osíxeno no substrato aumentará lixeiramente despois do rego baixo a condición de que a capacidade de retención de auga do substrato sexa alta e o contido de aire sexa moi baixo. Como se mostra á dereita da Figura 7, baixo condicións de iluminación relativamente mellor, o contido de aire no substrato aumenta debido a unha maior absorción de auga (mesmos tempos de rego). A influencia relativa do rego no contido de osíxeno no substrato é moito menor que a capacidade de retención de auga (contido de aire) no substrato.

Debater

Na produción real, o contido de osíxeno (aire) no ambiente das raíces dos cultivos pasa desapercibido facilmente, pero é un factor importante para garantir o crecemento normal dos cultivos e o desenvolvemento saudable das raíces.

Para obter o máximo rendemento durante a produción de cultivos, é moi importante protexer o ambiente do sistema radicular nas mellores condicións posible. Os estudos demostraron que o O₂Un contido no ambiente do sistema radicular inferior a 4 mg/L terá un impacto negativo no crecemento do cultivo. O O₂O contido no ambiente das raíces está influenciado principalmente pola irrigación (cantidade e frecuencia de irrigación), a estrutura do substrato, o contido de auga do substrato, a temperatura do invernadoiro e do substrato, e os diferentes patróns de plantación serán diferentes. As algas e os microorganismos tamén teñen unha certa relación co contido de osíxeno no ambiente das raíces dos cultivos hidropónicos. A hipoxia non só provoca o desenvolvemento lento das plantas, senón que tamén aumenta a presión dos patóxenos das raíces (Pythium, Phytophthora, Fusarium) sobre o crecemento das raíces.

A estratexia de rega ten unha influencia significativa no O2₂contido no substrato, e tamén é unha forma máis controlable no proceso de plantación. Algúns estudos de plantación de rosas descubriron que aumentar lentamente o contido de auga no substrato (pola mañá) pode conseguir un mellor estado de osíxeno. No substrato con baixa capacidade de retención de auga, o substrato pode manter un alto contido de osíxeno e, ao mesmo tempo, é necesario evitar a diferenza de contido de auga entre os substratos mediante unha maior frecuencia de rego e un intervalo máis curto. Canto menor sexa a capacidade de retención de auga dos substratos, maior será a diferenza entre os substratos. Un substrato húmido, unha menor frecuencia de rego e un intervalo máis longo garanten unha maior substitución do aire e unhas condicións de osíxeno favorables.

A drenaxe do substrato é outro factor que inflúe moito na taxa de renovación e no gradiente de concentración de osíxeno no substrato, dependendo do tipo e da capacidade de retención de auga do substrato. O líquido de rega non debe permanecer no fondo do substrato durante demasiado tempo, senón que debe descargarse rapidamente para que a auga de rega fresca enriquecida con osíxeno poida volver chegar ao fondo do substrato. A velocidade de drenaxe pode verse influenciada por algunhas medidas relativamente sinxelas, como o gradiente do substrato nas direccións lonxitudinal e de ancho. Canto maior sexa o gradiente, maior será a velocidade de drenaxe. Os diferentes substratos teñen diferentes aberturas e o número de saídas tamén é diferente.

FIN

[información da cita]

Xie Yuanpei. Efectos do contido de osíxeno ambiental nas raíces dos cultivos de invernadoiro no crecemento das plantas [J]. Tecnoloxía da Enxeñaría Agrícola, 2022,42(31):21-24.