فناوری مهندسی کشاورزی باغبانی گلخانهای، منتشر شده در پکن، ساعت ۱۷:۳۰، ۱۳ ژانویه ۲۰۲۳.
جذب اکثر عناصر غذایی فرآیندی است که ارتباط نزدیکی با فعالیتهای متابولیکی ریشه گیاهان دارد. این فرآیندها به انرژی تولید شده توسط تنفس سلولهای ریشه نیاز دارند و جذب آب نیز توسط دما و تنفس تنظیم میشود و تنفس نیاز به مشارکت اکسیژن دارد، بنابراین اکسیژن موجود در محیط ریشه تأثیر حیاتی بر رشد طبیعی محصولات کشاورزی دارد. میزان اکسیژن محلول در آب تحت تأثیر دما و شوری قرار میگیرد و ساختار بستر، میزان هوای موجود در محیط ریشه را تعیین میکند. آبیاری در تجدید و تکمیل میزان اکسیژن در بسترهایی با میزان آب متفاوت، تفاوتهای زیادی دارد. عوامل زیادی برای بهینهسازی میزان اکسیژن در محیط ریشه وجود دارد، اما میزان تأثیر هر عامل کاملاً متفاوت است. حفظ ظرفیت نگهداری آب (میزان هوای) در حد معقول، شرط لازم برای حفظ میزان بالای اکسیژن در محیط ریشه است.
اثرات دما و شوری بر محتوای اکسیژن اشباع در محلول
میزان اکسیژن محلول در آب
اکسیژن محلول در اکسیژن آزاد یا غیرمتصل در آب حل میشود و محتوای اکسیژن محلول در آب در دمای خاصی به حداکثر میرسد که همان محتوای اکسیژن اشباع است. محتوای اکسیژن اشباع در آب با دما تغییر میکند و با افزایش دما، محتوای اکسیژن کاهش مییابد. محتوای اکسیژن اشباع آب زلال بیشتر از آب دریای حاوی نمک است (شکل 1)، بنابراین محتوای اکسیژن اشباع محلولهای غذایی با غلظتهای مختلف متفاوت خواهد بود.
انتقال اکسیژن در ماتریکس
اکسیژنی که ریشه گیاهان گلخانهای میتوانند از محلول غذایی دریافت کنند، باید به صورت آزاد باشد و اکسیژن از طریق هوا و آب و آب اطراف ریشهها در بستر کشت منتقل میشود. هنگامی که در دمای معین با محتوای اکسیژن هوا در تعادل باشد، اکسیژن محلول در آب به حداکثر میرسد و تغییر محتوای اکسیژن هوا منجر به تغییر متناسب محتوای اکسیژن آب خواهد شد.
اثرات تنش کمبود اکسیژن در محیط ریشه بر محصولات کشاورزی
علل هیپوکسی ریشه
دلایل متعددی وجود دارد که چرا خطر هیپوکسی در سیستمهای کشت هیدروپونیک و بستر در تابستان بیشتر است. اول از همه، با افزایش دما، میزان اکسیژن اشباع شده در آب کاهش مییابد. ثانیاً، اکسیژن مورد نیاز برای حفظ رشد ریشه با افزایش دما افزایش مییابد. علاوه بر این، میزان جذب مواد مغذی در تابستان بیشتر است، بنابراین نیاز به اکسیژن برای جذب مواد مغذی بیشتر است. این امر منجر به کاهش میزان اکسیژن در محیط ریشه و عدم وجود مکمل مؤثر میشود که منجر به هیپوکسی در محیط ریشه میشود.
جذب و رشد
جذب اکثر مواد مغذی ضروری به فرآیندهایی که ارتباط نزدیکی با متابولیسم ریشه دارند، بستگی دارد که به انرژی تولید شده توسط تنفس سلولهای ریشه، یعنی تجزیه محصولات فتوسنتزی در حضور اکسیژن، نیاز دارند. مطالعات نشان داده است که 10 تا 20 درصد از کل مواد فتوسنتزی گیاهان گوجه فرنگی در ریشهها استفاده میشود که 50 درصد آن برای جذب یونهای مغذی، 40 درصد برای رشد و تنها 10 درصد برای نگهداری استفاده میشود. ریشهها باید اکسیژن را در محیط مستقیمی که در آن CO2 آزاد میکنند، پیدا کنند.۲در شرایط بیهوازی ناشی از تهویه ضعیف در بسترها و هیدروپونیک، هیپوکسی بر جذب آب و مواد مغذی تأثیر میگذارد. هیپوکسی واکنش سریعی به جذب فعال مواد مغذی، یعنی نیترات (NO3) دارد.۳-)، پتاسیم (K) و فسفات (PO4)۴3-) که در جذب غیرفعال کلسیم (Ca) و منیزیم (Mg) اختلال ایجاد میکند.
رشد ریشه گیاه به انرژی نیاز دارد، فعالیت طبیعی ریشه به کمترین غلظت اکسیژن نیاز دارد و غلظت اکسیژن کمتر از مقدار COP به عاملی محدودکننده متابولیسم سلولهای ریشه (هیپوکسی) تبدیل میشود. وقتی سطح محتوای اکسیژن پایین باشد، رشد کند یا حتی متوقف میشود. اگر هیپوکسی جزئی ریشه فقط شاخهها و برگها را تحت تأثیر قرار دهد، سیستم ریشه میتواند با افزایش جذب موضعی، بخشی از سیستم ریشه را که به دلایلی دیگر فعال نیست، جبران کند.
مکانیسم متابولیک گیاه به اکسیژن به عنوان پذیرنده الکترون وابسته است. بدون اکسیژن، تولید ATP متوقف میشود. بدون ATP، خروج پروتونها از ریشهها متوقف میشود، شیره سلولی سلولهای ریشه اسیدی میشود و این سلولها ظرف چند ساعت میمیرند. کمبود موقت و کوتاهمدت اکسیژن باعث ایجاد استرس تغذیهای برگشتناپذیر در گیاهان نمیشود. به دلیل مکانیسم «تنفس نیترات»، ممکن است یک سازگاری کوتاهمدت برای مقابله با کمبود اکسیژن به عنوان یک راه جایگزین در طول کمبود اکسیژن ریشه باشد. با این حال، کمبود اکسیژن طولانیمدت منجر به کندی رشد، کاهش سطح برگ و کاهش وزن تر و خشک میشود که منجر به کاهش قابل توجه عملکرد محصول خواهد شد.
اتیلن
گیاهان تحت تنش زیاد، اتیلن را در محل تولید میکنند. معمولاً اتیلن با انتشار در هوای خاک از ریشهها خارج میشود. هنگامی که غرقاب رخ میدهد، تشکیل اتیلن نه تنها افزایش مییابد، بلکه انتشار آن نیز به دلیل احاطه شدن ریشهها توسط آب، بسیار کاهش مییابد. افزایش غلظت اتیلن منجر به تشکیل بافت هوادهی در ریشهها میشود (شکل 2). اتیلن همچنین میتواند باعث پیری برگ شود و برهمکنش بین اتیلن و اکسین، تشکیل ریشههای نابجا را افزایش میدهد.
تنش اکسیژن منجر به کاهش رشد برگ میشود
ABA در ریشهها و برگها برای مقابله با تنشهای مختلف محیطی تولید میشود. در محیط ریشه، پاسخ معمول به استرس، بسته شدن روزنهها است که شامل تشکیل ABA میشود. قبل از بسته شدن روزنهها، قسمت بالای گیاه فشار تورمی خود را از دست میدهد، برگهای بالایی پژمرده میشوند و ممکن است راندمان فتوسنتز نیز کاهش یابد. بسیاری از مطالعات نشان دادهاند که روزنهها با بسته شدن به افزایش غلظت ABA در آپوپلاست پاسخ میدهند، یعنی کل محتوای ABA در برگهای غیر برگی با آزاد کردن ABA درون سلولی، گیاهان میتوانند غلظت ABA آپوپلاست را خیلی سریع افزایش دهند. هنگامی که گیاهان تحت تنش محیطی قرار میگیرند، شروع به آزاد کردن ABA در سلولها میکنند و سیگنال آزاد شدن ریشه میتواند به جای ساعتها در عرض چند دقیقه منتقل شود. افزایش ABA در بافت برگ ممکن است طویل شدن دیواره سلولی را کاهش داده و منجر به کاهش طویل شدن برگ شود. یکی دیگر از اثرات هیپوکسی این است که طول عمر برگها کوتاه میشود که بر همه برگها تأثیر میگذارد. هیپوکسی معمولاً منجر به کاهش انتقال سیتوکینین و نیترات میشود. کمبود نیتروژن یا سیتوکینین، مدت زمان نگهداری سطح برگ را کوتاه کرده و رشد شاخهها و برگها را ظرف چند روز متوقف میکند.
بهینه سازی محیط اکسیژن سیستم ریشه گیاه
ویژگیهای بستر کشت برای توزیع آب و اکسیژن تعیینکننده هستند. غلظت اکسیژن در محیط ریشه سبزیجات گلخانهای عمدتاً به ظرفیت نگهداری آب بستر کشت، آبیاری (اندازه و دفعات آبیاری)، ساختار بستر کشت و دمای نوار بستر کشت مربوط میشود. تنها زمانی که میزان اکسیژن در محیط ریشه حداقل بالای 10٪ (4 تا 5 میلیگرم در لیتر) باشد، میتوان فعالیت ریشه را در بهترین حالت حفظ کرد.
سیستم ریشه محصولات کشاورزی برای رشد گیاه و مقاومت گیاه در برابر بیماریها بسیار مهم است. آب و مواد مغذی بر اساس نیاز گیاهان جذب میشوند. با این حال، سطح اکسیژن در محیط ریشه تا حد زیادی کارایی جذب مواد مغذی و آب و کیفیت سیستم ریشه را تعیین میکند. سطح اکسیژن کافی در محیط سیستم ریشه میتواند سلامت سیستم ریشه را تضمین کند، به طوری که گیاهان مقاومت بهتری در برابر میکروارگانیسمهای بیماریزا داشته باشند (شکل 3). سطح اکسیژن کافی در بستر همچنین خطر شرایط بیهوازی را به حداقل میرساند، در نتیجه خطر میکروارگانیسمهای بیماریزا را به حداقل میرساند.
مصرف اکسیژن در محیط ریشه
حداکثر مصرف اکسیژن محصولات کشاورزی میتواند تا 40 میلیگرم بر متر مربع در ساعت باشد (میزان مصرف به نوع محصول بستگی دارد). بسته به دما، آب آبیاری ممکن است تا 7 تا 8 میلیگرم بر لیتر اکسیژن داشته باشد (شکل 4). برای رسیدن به 40 میلیگرم، باید هر ساعت 5 لیتر آب داده شود تا نیاز اکسیژن برآورده شود، اما در واقع، ممکن است به میزان آبیاری در یک روز نرسد. این بدان معناست که اکسیژن تأمین شده توسط آبیاری تنها نقش کمی دارد. بیشتر اکسیژن از طریق منافذ موجود در ماتریس به ناحیه ریشه میرسد و سهم تأمین اکسیژن از طریق منافذ بسته به زمان روز تا 90 درصد است. هنگامی که تبخیر گیاهان به حداکثر میرسد، میزان آبیاری نیز به حداکثر میرسد که معادل 1 تا 1.5 لیتر بر متر مربع در ساعت است. اگر آب آبیاری حاوی 7 میلیگرم بر لیتر اکسیژن باشد، 7 تا 11 میلیگرم بر متر مربع در ساعت اکسیژن برای ناحیه ریشه فراهم میکند. این معادل 17 تا 25 درصد از نیاز است. البته این فقط در شرایطی صدق میکند که آب آبیاری کم اکسیژن موجود در بستر با آب آبیاری تازه جایگزین شود.
علاوه بر مصرف ریشهها، میکروارگانیسمهای موجود در محیط ریشه نیز اکسیژن مصرف میکنند. تعیین کمیت این موضوع دشوار است زیرا هیچ اندازهگیری در این زمینه انجام نشده است. از آنجایی که هر ساله بسترهای جدید جایگزین میشوند، میتوان فرض کرد که میکروارگانیسمها نقش نسبتاً کمی در مصرف اکسیژن دارند.
بهینه سازی دمای محیط ریشه ها
دمای محیط ریشه برای رشد و عملکرد طبیعی آن بسیار مهم است و همچنین عامل مهمی است که بر جذب آب و مواد مغذی توسط ریشه تأثیر میگذارد.
دمای خیلی پایین بستر (دمای ریشه) ممکن است منجر به مشکل در جذب آب شود. در دمای ۵ درجه سانتیگراد، جذب ۷۰ تا ۸۰ درصد کمتر از دمای ۲۰ درجه سانتیگراد است. اگر دمای پایین بستر با دمای بالا همراه باشد، منجر به پژمردگی گیاه خواهد شد. جذب یون بدیهی است که به دما بستگی دارد، که در دمای پایین مانع جذب یون میشود و حساسیت عناصر غذایی مختلف به دما متفاوت است.
دمای خیلی بالای بستر نیز بیفایده است و ممکن است منجر به بزرگ شدن بیش از حد سیستم ریشه شود. به عبارت دیگر، توزیع نامتعادل ماده خشک در گیاهان وجود دارد. از آنجا که سیستم ریشه خیلی بزرگ است، تلفات غیرضروری از طریق تنفس رخ میدهد و این بخش از انرژی از دست رفته میتوانست برای بخش برداشت گیاه استفاده شود. در دمای بالاتر بستر، میزان اکسیژن محلول کمتر است که تأثیر بسیار بیشتری بر میزان اکسیژن در محیط ریشه نسبت به اکسیژن مصرف شده توسط میکروارگانیسمها دارد. سیستم ریشه اکسیژن زیادی مصرف میکند و حتی در صورت ضعیف بودن بستر یا ساختار خاک منجر به هیپوکسی میشود و در نتیجه جذب آب و یونها را کاهش میدهد.
ظرفیت نگهداری آب در ماتریس را در حد معقولی حفظ کنید.
بین میزان آب و درصد اکسیژن موجود در ماتریس، همبستگی منفی وجود دارد. وقتی میزان آب افزایش مییابد، میزان اکسیژن کاهش مییابد و برعکس. یک محدوده بحرانی بین میزان آب و اکسیژن موجود در ماتریس وجود دارد، یعنی 80٪ تا 85٪ میزان آب (شکل 5). حفظ طولانی مدت میزان آب بالای 85٪ در بستر، بر تأمین اکسیژن تأثیر میگذارد. بیشتر تأمین اکسیژن (75٪ تا 90٪) از طریق منافذ موجود در ماتریس انجام میشود.
مکمل آبیاری برای افزایش اکسیژن موجود در بستر کشت
نور خورشید بیشتر منجر به مصرف اکسیژن بیشتر و غلظت اکسیژن کمتر در ریشهها میشود (شکل 6) و قند بیشتر باعث افزایش مصرف اکسیژن در شب میشود. تعرق قوی است، جذب آب زیاد است و هوای بیشتر و اکسیژن بیشتری در بستر وجود دارد. از سمت چپ شکل 7 میتوان دید که محتوای اکسیژن در بستر پس از آبیاری، در شرایطی که ظرفیت نگهداری آب بستر بالا و محتوای هوا بسیار کم باشد، کمی افزایش مییابد. همانطور که در سمت راست شکل 7 نشان داده شده است، در شرایط روشنایی نسبتاً بهتر، محتوای هوا در بستر به دلیل جذب آب بیشتر (زمانهای آبیاری یکسان) افزایش مییابد. تأثیر نسبی آبیاری بر محتوای اکسیژن در بستر بسیار کمتر از ظرفیت نگهداری آب (محتوای هوا) در بستر است.
بحث کنید
در تولید واقعی، میزان اکسیژن (هوا) در محیط ریشه محصولات به راحتی نادیده گرفته میشود، اما این عامل مهمی برای اطمینان از رشد طبیعی محصولات و رشد سالم ریشهها است.
برای به دست آوردن حداکثر عملکرد در طول تولید محصول، بسیار مهم است که محیط سیستم ریشه تا حد امکان در بهترین شرایط محافظت شود. مطالعات نشان داده است که O۲اگر غلظت O در محیط سیستم ریشه کمتر از 4 میلیگرم در لیتر باشد، تأثیر منفی بر رشد محصول خواهد داشت.۲میزان اکسیژن در محیط ریشه عمدتاً تحت تأثیر آبیاری (مقدار و دفعات آبیاری)، ساختار بستر، میزان آب بستر، دمای گلخانه و بستر قرار دارد و الگوهای مختلف کاشت نیز متفاوت خواهند بود. جلبکها و میکروارگانیسمها نیز رابطه خاصی با میزان اکسیژن در محیط ریشه محصولات هیدروپونیک دارند. کمبود اکسیژن نه تنها باعث کندی رشد گیاهان میشود، بلکه فشار عوامل بیماریزای ریشه (پیتیوم، فیتوفتورا، فوزاریوم) را بر رشد ریشه افزایش میدهد.
استراتژی آبیاری تأثیر قابل توجهی بر O دارد۲محتوای آب در بستر، و همچنین روشی قابل کنترلتر در فرآیند کاشت است. برخی از مطالعات کاشت گل رز نشان دادهاند که افزایش تدریجی محتوای آب در بستر (در صبح) میتواند وضعیت اکسیژن بهتری را ایجاد کند. در بستری با ظرفیت نگهداری آب کم، بستر میتواند محتوای اکسیژن بالایی را حفظ کند و در عین حال، لازم است از تفاوت محتوای آب بین بسترها از طریق دفعات آبیاری بیشتر و فاصله زمانی کوتاهتر جلوگیری شود. هرچه ظرفیت نگهداری آب بسترها کمتر باشد، تفاوت بین بسترها بیشتر است. بستر مرطوب، دفعات آبیاری کمتر و فاصله زمانی طولانیتر، جایگزینی بیشتر هوا و شرایط مطلوب اکسیژن را تضمین میکند.
زهکشی بستر، عامل دیگری است که بسته به نوع و ظرفیت نگهداری آب بستر، تأثیر زیادی بر سرعت تجدید و گرادیان غلظت اکسیژن در بستر دارد. مایع آبیاری نباید برای مدت طولانی در کف بستر باقی بماند، بلکه باید به سرعت تخلیه شود تا آب آبیاری غنی شده با اکسیژن تازه بتواند دوباره به کف بستر برسد. سرعت زهکشی میتواند تحت تأثیر برخی اقدامات نسبتاً ساده، مانند شیب بستر در جهتهای طولی و عرضی، قرار گیرد. هرچه شیب بیشتر باشد، سرعت زهکشی سریعتر است. بسترهای مختلف دارای دهانههای متفاوتی هستند و تعداد خروجیها نیز متفاوت است.
پایان
[اطلاعات استناد]
شی یوانپی. اثرات محتوای اکسیژن محیطی در ریشههای محصولات گلخانهای بر رشد محصول [J]. فناوری مهندسی کشاورزی، 2022،42(31):21-24.
زمان ارسال: ۲۱ فوریه ۲۰۲۳