Teknologi kejuruteraan pertanian untuk berkebun rumah hijau Diterbitkan di Beijing pada pukul 17:30 pada 13 Januari 2023.

Penyerapan kebanyakan unsur nutrien merupakan proses yang berkait rapat dengan aktiviti metabolik akar tumbuhan. Proses ini memerlukan tenaga yang dihasilkan oleh respirasi sel akar, dan penyerapan air juga dikawal oleh suhu dan respirasi, dan respirasi memerlukan penyertaan oksigen, jadi oksigen dalam persekitaran akar mempunyai kesan penting terhadap pertumbuhan normal tanaman. Kandungan oksigen terlarut dalam air dipengaruhi oleh suhu dan kemasinan, dan struktur substrat menentukan kandungan udara dalam persekitaran akar. Pengairan mempunyai perbezaan yang besar dalam pembaharuan dan penambahan kandungan oksigen dalam substrat dengan keadaan kandungan air yang berbeza. Terdapat banyak faktor untuk mengoptimumkan kandungan oksigen dalam persekitaran akar, tetapi tahap pengaruh setiap faktor agak berbeza. Mengekalkan kapasiti pegangan air substrat (kandungan udara) yang munasabah adalah premis untuk mengekalkan kandungan oksigen yang tinggi dalam persekitaran akar.

Kesan suhu dan kemasinan terhadap kandungan oksigen tepu dalam larutan

Kandungan oksigen terlarut dalam air

Oksigen terlarut dilarutkan dalam oksigen tidak terikat atau bebas di dalam air, dan kandungan oksigen terlarut di dalam air akan mencapai maksimum pada suhu tertentu, iaitu kandungan oksigen tepu. Kandungan oksigen tepu dalam air berubah mengikut suhu, dan apabila suhu meningkat, kandungan oksigen berkurangan. Kandungan oksigen tepu air jernih adalah lebih tinggi daripada air laut yang mengandungi garam (Rajah1), jadi kandungan oksigen tepu larutan nutrien dengan kepekatan yang berbeza akan berbeza.

Pengangkutan oksigen dalam matriks

Oksigen yang boleh diperolehi oleh akar tanaman rumah hijau daripada larutan nutrien mestilah dalam keadaan bebas, dan oksigen diangkut dalam substrat melalui udara dan air serta air di sekitar akar. Apabila ia berada dalam keseimbangan dengan kandungan oksigen di udara pada suhu tertentu, oksigen yang terlarut dalam air mencapai tahap maksimum, dan perubahan kandungan oksigen di udara akan membawa kepada perubahan kandungan oksigen dalam air yang berkadar.

Kesan tekanan hipoksia dalam persekitaran akar pada tanaman

Punca hipoksia akar

Terdapat beberapa sebab mengapa risiko hipoksia dalam hidroponik dan sistem penanaman substrat lebih tinggi pada musim panas. Pertama sekali, kandungan oksigen tepu dalam air akan berkurangan apabila suhu meningkat. Kedua, oksigen yang diperlukan untuk mengekalkan pertumbuhan akar meningkat dengan peningkatan suhu. Tambahan pula, jumlah penyerapan nutrien lebih tinggi pada musim panas, jadi permintaan oksigen untuk penyerapan nutrien lebih tinggi. Ia membawa kepada penurunan kandungan oksigen dalam persekitaran akar dan kekurangan suplemen yang berkesan, yang membawa kepada hipoksia dalam persekitaran akar.

Penyerapan dan pertumbuhan

Penyerapan kebanyakan nutrien penting bergantung pada proses yang berkait rapat dengan metabolisme akar, yang memerlukan tenaga yang dihasilkan oleh respirasi sel akar, iaitu penguraian produk fotosintesis dengan kehadiran oksigen. Kajian menunjukkan bahawa 10%~20% daripada jumlah asimilasi tumbuhan tomato digunakan dalam akar, 50% daripadanya digunakan untuk penyerapan ion nutrien, 40% untuk pertumbuhan dan hanya 10% untuk penyelenggaraan. Akar mesti mencari oksigen dalam persekitaran langsung di mana ia melepaskan CO2.₂. Di bawah keadaan anaerobik yang disebabkan oleh pengudaraan yang lemah dalam substrat dan hidroponik, hipoksia akan menjejaskan penyerapan air dan nutrien. Hipoksia mempunyai tindak balas yang cepat terhadap penyerapan nutrien secara aktif, iaitu nitrat (NO₃^-), kalium (K) dan fosfat (PO₄^3-), yang akan mengganggu penyerapan pasif kalsium (Ca) dan magnesium (Mg).

Pertumbuhan akar tumbuhan memerlukan tenaga, aktiviti akar normal memerlukan kepekatan oksigen terendah, dan kepekatan oksigen di bawah nilai COP menjadi faktor yang mengehadkan metabolisme sel akar (hipoksia). Apabila tahap kandungan oksigen rendah, pertumbuhan menjadi perlahan atau berhenti. Jika hipoksia akar separa hanya menjejaskan dahan dan daun, sistem akar boleh mengimbangi bahagian sistem akar yang tidak lagi aktif atas sebab tertentu dengan meningkatkan penyerapan setempat.

Mekanisme metabolisme tumbuhan bergantung kepada oksigen sebagai penerima elektron. Tanpa oksigen, penghasilan ATP akan berhenti. Tanpa ATP, aliran keluar proton dari akar akan berhenti, getah sel akar akan menjadi berasid, dan sel-sel ini akan mati dalam masa beberapa jam. Hipoksia sementara dan jangka pendek tidak akan menyebabkan tekanan pemakanan yang tidak dapat dipulihkan pada tumbuhan. Disebabkan oleh mekanisme "respirasi nitrat", ia mungkin merupakan penyesuaian jangka pendek untuk mengatasi hipoksia sebagai cara alternatif semasa hipoksia akar. Walau bagaimanapun, hipoksia jangka panjang akan menyebabkan pertumbuhan yang perlahan, penurunan luas daun dan penurunan berat segar dan kering, yang akan menyebabkan penurunan hasil tanaman yang ketara.

Etilena

Tumbuhan akan membentuk etilena in situ di bawah tekanan yang tinggi. Biasanya, etilena dikeluarkan dari akar dengan meresap ke udara tanah. Apabila genangan air berlaku, pembentukan etilena bukan sahaja akan meningkat, tetapi juga resapan akan berkurangan dengan ketara kerana akar dikelilingi oleh air. Peningkatan kepekatan etilena akan menyebabkan pembentukan tisu pengudaraan dalam akar (Rajah 2). Etilena juga boleh menyebabkan penuaan daun, dan interaksi antara etilena dan auksin akan meningkatkan pembentukan akar adventif.

Tekanan oksigen menyebabkan pertumbuhan daun berkurangan

ABA dihasilkan dalam akar dan daun untuk menghadapi pelbagai tekanan persekitaran. Dalam persekitaran akar, tindak balas biasa terhadap tekanan ialah penutupan stomata, yang melibatkan pembentukan ABA. Sebelum stomata ditutup, bahagian atas tumbuhan kehilangan tekanan bengkak, daun atas layu, dan kecekapan fotosintesis juga mungkin berkurangan. Banyak kajian telah menunjukkan bahawa stomata bertindak balas terhadap peningkatan kepekatan ABA dalam apoplast dengan menutup, iaitu jumlah kandungan ABA dalam bukan daun dengan melepaskan ABA intraselular, tumbuhan boleh meningkatkan kepekatan ABA apoplast dengan sangat cepat. Apabila tumbuhan berada di bawah tekanan persekitaran, mereka mula melepaskan ABA dalam sel, dan isyarat pelepasan akar boleh dihantar dalam beberapa minit dan bukannya beberapa jam. Peningkatan ABA dalam tisu daun boleh mengurangkan pemanjangan dinding sel dan menyebabkan penurunan pemanjangan daun. Satu lagi kesan hipoksia ialah jangka hayat daun dipendekkan, yang akan menjejaskan semua daun. Hipoksia biasanya menyebabkan penurunan pengangkutan sitokinin dan nitrat. Kekurangan nitrogen atau sitokinin akan memendekkan masa penyelenggaraan kawasan daun dan menghentikan pertumbuhan dahan dan daun dalam masa beberapa hari.

Mengoptimumkan persekitaran oksigen sistem akar tanaman

Ciri-ciri substrat adalah penentu bagi pengagihan air dan oksigen. Kepekatan oksigen dalam persekitaran akar sayur-sayuran rumah hijau terutamanya berkaitan dengan kapasiti pegangan air substrat, pengairan (saiz dan kekerapan), struktur substrat dan suhu jalur substrat. Hanya apabila kandungan oksigen dalam persekitaran akar sekurang-kurangnya melebihi 10% (4~5mg/L) barulah aktiviti akar dapat dikekalkan dalam keadaan terbaik.

Sistem akar tanaman sangat penting untuk pertumbuhan tumbuhan dan ketahanan terhadap penyakit tumbuhan. Air dan nutrien akan diserap mengikut keperluan tumbuhan. Walau bagaimanapun, tahap oksigen dalam persekitaran akar sebahagian besarnya menentukan kecekapan penyerapan nutrien dan air serta kualiti sistem akar. Tahap oksigen yang mencukupi dalam persekitaran sistem akar dapat memastikan kesihatan sistem akar, supaya tumbuhan mempunyai daya tahan yang lebih baik terhadap mikroorganisma patogen (Rajah 3). Tahap oksigen yang mencukupi dalam substrat juga meminimumkan risiko keadaan anaerobik, sekali gus meminimumkan risiko mikroorganisma patogen.

Penggunaan oksigen dalam persekitaran akar

Penggunaan oksigen maksimum tanaman boleh mencapai setinggi 40mg/m2/j (penggunaan bergantung pada tanaman). Bergantung pada suhu, air pengairan mungkin mengandungi sehingga 7~8mg/L oksigen (Rajah 4). Untuk mencapai 40 mg, 5L air mesti diberikan setiap jam untuk memenuhi keperluan oksigen, tetapi sebenarnya, jumlah pengairan dalam satu hari mungkin tidak tercapai. Ini bermakna oksigen yang disediakan oleh pengairan hanya memainkan peranan yang kecil. Kebanyakan bekalan oksigen sampai ke zon akar melalui liang dalam matriks, dan sumbangan bekalan oksigen melalui liang adalah setinggi 90%, bergantung pada waktu siang. Apabila penyejatan tumbuhan mencapai maksimum, jumlah pengairan juga mencapai maksimum, iaitu bersamaan dengan 1~1.5L/m2/j. Jika air pengairan mengandungi 7mg/L oksigen, ia akan menyediakan 7~11mg/m2/j oksigen untuk zon akar. Ini bersamaan dengan 17%~25% daripada keperluan. Sudah tentu, ini hanya terpakai kepada situasi di mana air pengairan yang kekurangan oksigen di dalam substrat digantikan dengan air pengairan segar.

Selain penggunaan akar, mikroorganisma dalam persekitaran akar juga menggunakan oksigen. Sukar untuk mengukurnya kerana tiada pengukuran dibuat dalam hal ini. Memandangkan substrat baharu digantikan setiap tahun, boleh diandaikan bahawa mikroorganisma memainkan peranan yang agak kecil dalam penggunaan oksigen.

Optimumkan suhu persekitaran akar

Suhu persekitaran sistem akar sangat penting untuk pertumbuhan dan fungsi sistem akar yang normal, dan ia juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi penyerapan air dan nutrien oleh sistem akar.

Suhu substrat (suhu akar) yang terlalu rendah boleh menyebabkan kesukaran penyerapan air. Pada 5℃, penyerapan adalah 70%~80% lebih rendah daripada pada 20℃. Jika suhu substrat yang rendah disertai dengan suhu yang tinggi, ia akan menyebabkan tumbuhan layu. Penyerapan ion jelas bergantung pada suhu, yang menghalang penyerapan ion pada suhu rendah, dan kepekaan unsur nutrien yang berbeza terhadap suhu adalah berbeza.

Suhu substrat yang terlalu tinggi juga tidak berguna, dan boleh menyebabkan sistem akar yang terlalu besar. Dalam erti kata lain, terdapat taburan bahan kering yang tidak seimbang dalam tumbuhan. Oleh kerana sistem akar terlalu besar, kehilangan yang tidak perlu akan berlaku melalui respirasi, dan bahagian tenaga yang hilang ini mungkin telah digunakan untuk bahagian tuaian tumbuhan. Pada suhu substrat yang lebih tinggi, kandungan oksigen terlarut adalah lebih rendah, yang mempunyai kesan yang lebih besar terhadap kandungan oksigen dalam persekitaran akar berbanding oksigen yang digunakan oleh mikroorganisma. Sistem akar menggunakan banyak oksigen, malah menyebabkan hipoksia sekiranya struktur substrat atau tanah lemah, sekali gus mengurangkan penyerapan air dan ion.

Kekalkan kapasiti pegangan air matriks yang munasabah.

Terdapat korelasi negatif antara kandungan air dan peratusan kandungan oksigen dalam matriks. Apabila kandungan air meningkat, kandungan oksigen berkurangan, dan sebaliknya. Terdapat julat kritikal antara kandungan air dan oksigen dalam matriks, iaitu kandungan air 80%~85% (Rajah 5). Pengekalan kandungan air dalam substrat melebihi 85% dalam jangka masa panjang akan menjejaskan bekalan oksigen. Kebanyakan bekalan oksigen (75%~90%) adalah melalui liang dalam matriks.

Tambahan pengairan kepada kandungan oksigen dalam substrat

Lebih banyak cahaya matahari akan menyebabkan penggunaan oksigen yang lebih tinggi dan kepekatan oksigen yang lebih rendah dalam akar (Rajah 6), dan lebih banyak gula akan menjadikan penggunaan oksigen lebih tinggi pada waktu malam. Transpirasi adalah kuat, penyerapan air adalah besar, dan terdapat lebih banyak udara dan lebih banyak oksigen dalam substrat. Dapat dilihat dari sebelah kiri Rajah 7 bahawa kandungan oksigen dalam substrat akan meningkat sedikit selepas pengairan di bawah keadaan kapasiti pegangan air substrat adalah tinggi dan kandungan udara sangat rendah. Seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan rajah 7, di bawah keadaan pencahayaan yang agak lebih baik, kandungan udara dalam substrat meningkat disebabkan oleh lebih banyak penyerapan air (masa pengairan yang sama). Pengaruh relatif pengairan terhadap kandungan oksigen dalam substrat adalah jauh lebih rendah daripada kapasiti pegangan air (kandungan udara) dalam substrat.

Bincangkan

Dalam pengeluaran sebenar, kandungan oksigen (udara) dalam persekitaran akar tanaman mudah diabaikan, tetapi ia merupakan faktor penting untuk memastikan pertumbuhan tanaman yang normal dan perkembangan akar yang sihat.

Untuk mendapatkan hasil maksimum semasa pengeluaran tanaman, adalah sangat penting untuk melindungi persekitaran sistem akar dalam keadaan terbaik sebaik mungkin. Kajian telah menunjukkan bahawa O₂kandungan dalam persekitaran sistem akar di bawah 4mg/L akan memberi kesan negatif terhadap pertumbuhan tanaman. O₂Kandungan dalam persekitaran akar terutamanya dipengaruhi oleh pengairan (jumlah dan kekerapan pengairan), struktur substrat, kandungan air substrat, suhu rumah hijau dan substrat, dan corak penanaman yang berbeza akan berbeza. Alga dan mikroorganisma juga mempunyai hubungan tertentu dengan kandungan oksigen dalam persekitaran akar tanaman hidroponik. Hipoksia bukan sahaja menyebabkan perkembangan tumbuhan yang perlahan, tetapi juga meningkatkan tekanan patogen akar (pythium, phytophthora, fusarium) terhadap pertumbuhan akar.

Strategi pengairan mempunyai pengaruh yang ketara terhadap O₂kandungan dalam substrat, dan ia juga merupakan cara yang lebih terkawal dalam proses penanaman. Beberapa kajian penanaman bunga ros mendapati bahawa peningkatan kandungan air dalam substrat secara perlahan-lahan (pada waktu pagi) boleh mendapatkan keadaan oksigen yang lebih baik. Dalam substrat dengan kapasiti pegangan air yang rendah, substrat boleh mengekalkan kandungan oksigen yang tinggi, dan pada masa yang sama, adalah perlu untuk mengelakkan perbezaan kandungan air antara substrat melalui kekerapan pengairan yang lebih tinggi dan selang masa yang lebih pendek. Semakin rendah kapasiti pegangan air substrat, semakin besar perbezaan antara substrat. Substrat lembap, kekerapan pengairan yang lebih rendah dan selang masa yang lebih lama memastikan lebih banyak penggantian udara dan keadaan oksigen yang baik.

Saliran substrat merupakan satu lagi faktor yang mempunyai pengaruh yang besar terhadap kadar pembaharuan dan kecerunan kepekatan oksigen dalam substrat, bergantung pada jenis dan kapasiti pegangan air substrat. Cecair pengairan tidak boleh berada di bahagian bawah substrat terlalu lama, tetapi harus dilepaskan dengan cepat supaya air pengairan segar yang diperkaya oksigen dapat sampai ke bahagian bawah substrat semula. Kelajuan saliran boleh dipengaruhi oleh beberapa ukuran yang agak mudah, seperti kecerunan substrat dalam arah membujur dan lebar. Lebih besar kecerunan, lebih cepat kelajuan saliran. Substrat yang berbeza mempunyai bukaan yang berbeza dan bilangan saluran keluar juga berbeza.

TAMAT

[maklumat petikan]

Xie Yuanpei. Kesan kandungan oksigen persekitaran dalam akar tanaman rumah hijau terhadap pertumbuhan tanaman [J]. Teknologi Kejuruteraan Pertanian, 2022,42(31):21-24.