فناوری مهندسی کشاورزی باغبانی گلخانه ای در پکن در ساعت 17:30 در 13 ژانویه 2023 منتشر شد.

جذب بیشتر عناصر غذایی فرآیندی است که ارتباط نزدیکی با فعالیت های متابولیکی ریشه گیاهان دارد.این فرآیندها به انرژی تولید شده توسط تنفس سلول ریشه نیاز دارند و جذب آب نیز توسط دما و تنفس تنظیم می‌شود و تنفس نیز نیاز به مشارکت اکسیژن دارد، بنابراین اکسیژن در محیط ریشه تأثیر حیاتی بر رشد طبیعی محصولات دارد.میزان اکسیژن محلول در آب تحت تأثیر دما و شوری است و ساختار بستر تعیین کننده میزان هوای محیط ریشه است.آبیاری تفاوت های زیادی در تجدید و تکمیل محتوای اکسیژن در بسترهای با حالت های مختلف محتوای آب دارد.عوامل زیادی برای بهینه سازی میزان اکسیژن در محیط ریشه وجود دارد، اما میزان تأثیر هر عامل کاملاً متفاوت است.حفظ ظرفیت معقول نگهداری آب بستر (محتوای هوا) مقدمه حفظ محتوای اکسیژن بالا در محیط ریشه است.

اثرات دما و شوری بر میزان اکسیژن اشباع در محلول

محتوای اکسیژن محلول در آب

اکسیژن محلول در اکسیژن غیر متصل یا آزاد در آب حل می شود و محتوای اکسیژن محلول در آب در دمای معینی که همان میزان اکسیژن اشباع است به حداکثر می رسد.محتوای اکسیژن اشباع آب با دما تغییر می کند و با افزایش دما، میزان اکسیژن کاهش می یابد.محتوای اکسیژن اشباع آب زلال بیشتر از آب دریا حاوی نمک است (شکل 1)، بنابراین میزان اکسیژن اشباع محلول های غذایی با غلظت های مختلف متفاوت خواهد بود.

انتقال اکسیژن در ماتریس

اکسیژنی که ریشه های محصولات گلخانه ای می توانند از محلول های غذایی دریافت کنند باید در حالت آزاد باشد و اکسیژن در بستر از طریق هوا و آب و آب اطراف ریشه ها منتقل می شود.هنگامی که در یک دمای معین با میزان اکسیژن هوا در تعادل باشد، اکسیژن محلول در آب به حداکثر می رسد و تغییر محتوای اکسیژن در هوا منجر به تغییر متناسب محتوای اکسیژن در آب می شود.

اثرات تنش هیپوکسی در محیط ریشه بر محصولات زراعی

علل هیپوکسی ریشه

دلایل متعددی وجود دارد که چرا خطر هیپوکسی در سیستم های کشت هیدروپونیک و بستر در تابستان بیشتر است.اول از همه، محتوای اکسیژن اشباع آب با افزایش دما کاهش می یابد.ثانیا، اکسیژن مورد نیاز برای حفظ رشد ریشه با افزایش دما افزایش می یابد.علاوه بر این، میزان جذب مواد مغذی در تابستان بیشتر است، بنابراین نیاز به اکسیژن برای جذب مواد مغذی بیشتر است.منجر به کاهش میزان اکسیژن در محیط ریشه و عدم مصرف مکمل موثر می شود که منجر به هیپوکسی در محیط ریشه می شود.

جذب و رشد

جذب بیشتر مواد مغذی ضروری به فرآیندهای مرتبط با متابولیسم ریشه بستگی دارد که به انرژی تولید شده توسط تنفس سلولی ریشه، یعنی تجزیه محصولات فتوسنتزی در حضور اکسیژن نیاز دارد.مطالعات نشان داده است که 10% ~ 20% از کل جذب گیاه گوجه فرنگی در ریشه استفاده می شود که 50% آن برای جذب یون های مغذی، 40% برای رشد و تنها 10% برای نگهداری استفاده می شود.ریشه ها باید اکسیژن را در محیط مستقیمی که CO2 آزاد می کنند پیدا کنند₂.در شرایط بی هوازی ناشی از تهویه ضعیف در بسترها و هیدروپونیک، هیپوکسی بر جذب آب و مواد مغذی تأثیر می گذارد.هیپوکسی واکنش سریعی به جذب فعال مواد مغذی، یعنی نیترات (NO₃^-پتاسیم (K) و فسفات (PO₄^3-) که در جذب غیر فعال کلسیم (Ca) و منیزیم (Mg) اختلال ایجاد می کند.

رشد ریشه گیاه به انرژی نیاز دارد، فعالیت طبیعی ریشه به کمترین غلظت اکسیژن نیاز دارد و غلظت اکسیژن کمتر از مقدار COP عامل محدود کننده متابولیسم سلول ریشه (هیپوکسی) می شود.هنگامی که سطح محتوای اکسیژن کم باشد، رشد کند می شود یا حتی متوقف می شود.اگر هیپوکسی جزئی ریشه فقط شاخه ها و برگ ها را تحت تأثیر قرار دهد، سیستم ریشه می تواند بخشی از سیستم ریشه را که به دلایلی دیگر فعال نیست، با افزایش جذب موضعی جبران کند.

مکانیسم متابولیک گیاه به اکسیژن به عنوان گیرنده الکترون بستگی دارد.بدون اکسیژن، تولید ATP متوقف خواهد شد.بدون ATP، خروج پروتون از ریشه متوقف می شود، شیره سلولی سلول های ریشه اسیدی می شود و این سلول ها در عرض چند ساعت می میرند.هیپوکسی موقت و کوتاه مدت باعث ایجاد استرس تغذیه ای برگشت ناپذیر در گیاهان نخواهد شد.به دلیل مکانیسم "تنفس نیترات"، ممکن است یک سازگاری کوتاه مدت برای مقابله با هیپوکسی به عنوان یک راه جایگزین در طول هیپوکسی ریشه باشد.با این حال، هیپوکسی طولانی مدت منجر به رشد آهسته، کاهش سطح برگ و کاهش وزن تر و خشک می شود که منجر به کاهش قابل توجه عملکرد محصول می شود.

اتیلن

گیاهان در محل تحت تنش زیاد اتیلن را تشکیل می دهند.معمولاً اتیلن با انتشار در هوای خاک از ریشه جدا می شود.هنگامی که غرقابی رخ می دهد، تشکیل اتیلن نه تنها افزایش می یابد، بلکه انتشار نیز به شدت کاهش می یابد زیرا ریشه ها توسط آب احاطه شده اند.افزایش غلظت اتیلن منجر به تشکیل بافت هوادهی در ریشه خواهد شد (شکل 2).اتیلن همچنین می تواند باعث پیری برگ شود و تعامل بین اتیلن و اکسین باعث افزایش تشکیل ریشه های ناخواسته می شود.

تنش اکسیژن منجر به کاهش رشد برگ می شود

ABA در ریشه و برگ برای مقابله با تنش های مختلف محیطی تولید می شود.در محیط ریشه، پاسخ معمول به استرس، بسته شدن روزنه است که شامل تشکیل ABA است.قبل از بسته شدن روزنه ها، رویه گیاه فشار تورمی را از دست می دهد، برگ های بالایی پژمرده می شوند و راندمان فتوسنتزی نیز ممکن است کاهش یابد.بسیاری از مطالعات نشان داده اند که روزنه ها به افزایش غلظت ABA در آپوپلاست با بسته شدن پاسخ می دهند، یعنی کل محتوای ABA در غیربرگ ها با آزادسازی ABA درون سلولی، گیاهان می توانند غلظت ABA آپوپلاست را خیلی سریع افزایش دهند.هنگامی که گیاهان تحت استرس محیطی قرار می گیرند، شروع به انتشار ABA در سلول ها می کنند و سیگنال انتشار ریشه را می توان به جای چند ساعت در چند دقیقه منتقل کرد.افزایش ABA در بافت برگ ممکن است باعث کاهش کشیدگی دیواره سلولی و کاهش طول برگ شود.یکی دیگر از اثرات هیپوکسی این است که طول عمر برگ ها کوتاه می شود که همه برگ ها را تحت تاثیر قرار می دهد.هیپوکسی معمولاً منجر به کاهش انتقال سیتوکینین و نیترات می شود.کمبود نیتروژن یا سیتوکینین زمان نگهداری سطح برگ را کوتاه می کند و رشد شاخه ها و برگ ها را در عرض چند روز متوقف می کند.

بهینه سازی محیط اکسیژن سیستم ریشه زراعی

ویژگی های بستر برای توزیع آب و اکسیژن تعیین کننده است.غلظت اکسیژن در محیط ریشه سبزیجات گلخانه ای عمدتاً به ظرفیت نگهداری آب بستر، آبیاری (اندازه و فرکانس)، ساختار بستر و دمای نوار بستر مربوط می شود.تنها زمانی که میزان اکسیژن در محیط ریشه حداقل بیش از 10% (4 تا 5 میلی گرم در لیتر) باشد، می توان فعالیت ریشه را در بهترین حالت حفظ کرد.

سیستم ریشه گیاهان برای رشد گیاه و مقاومت در برابر بیماری ها بسیار مهم است.آب و مواد مغذی با توجه به نیاز گیاهان جذب می شود.با این حال، سطح اکسیژن در محیط ریشه تا حد زیادی تعیین کننده راندمان جذب مواد مغذی و آب و کیفیت سیستم ریشه است.سطح اکسیژن کافی در محیط سیستم ریشه می تواند سلامت سیستم ریشه را تضمین کند، به طوری که گیاهان مقاومت بهتری در برابر میکروارگانیسم های بیماری زا داشته باشند (شکل 3).سطح اکسیژن کافی در بستر نیز خطر شرایط بی هوازی را به حداقل می رساند، بنابراین خطر میکروارگانیسم های بیماری زا را به حداقل می رساند.

مصرف اکسیژن در محیط ریشه

حداکثر اکسیژن مصرفی محصولات می تواند تا 40 میلی گرم در متر مربع در ساعت باشد (مصرف به محصولات زراعی بستگی دارد).بسته به دما، آب آبیاری ممکن است تا 7 تا 8 میلی گرم در لیتر اکسیژن داشته باشد (شکل 4).برای رسیدن به 40 میلی گرم، باید هر ساعت 5 لیتر آب داده شود تا نیاز اکسیژن را تامین کند، اما در واقع ممکن است به مقدار آبیاری در یک روز نرسد.این بدان معناست که اکسیژنی که از طریق آبیاری تامین می شود، نقش کوچکی دارد.بیشتر اکسیژن از طریق منافذ در ماتریکس به ناحیه ریشه می رسد و سهم تامین اکسیژن از طریق منافذ بسته به زمان روز تا 90٪ است.هنگامی که تبخیر گیاهان به حداکثر می رسد، مقدار آبیاری نیز به حداکثر می رسد که معادل 1~1.5L/m2/h است.اگر آب آبیاری حاوی 7 میلی گرم در لیتر اکسیژن باشد، 7 تا 11 میلی گرم بر متر مربع در ساعت اکسیژن برای ناحیه ریشه تامین می کند.این معادل 17٪ تا 25٪ از تقاضا است.البته این فقط برای شرایطی صدق می کند که آب آبیاری فاقد اکسیژن در بستر با آب آبیاری تازه جایگزین شود.

علاوه بر مصرف ریشه، میکروارگانیسم های موجود در محیط ریشه نیز اکسیژن مصرف می کنند.تعیین کمیت این امر دشوار است زیرا هیچ اندازه گیری در این زمینه انجام نشده است.از آنجایی که هر سال بسترهای جدید جایگزین می شوند، می توان فرض کرد که میکروارگانیسم ها نقش نسبتا کمی در مصرف اکسیژن دارند.

دمای محیطی ریشه ها را بهینه کنید

دمای محیطی سیستم ریشه برای رشد و عملکرد طبیعی سیستم ریشه بسیار مهم است و همچنین عامل مهمی در جذب آب و مواد غذایی توسط سیستم ریشه است.

دمای خیلی پایین بستر (دمای ریشه) ممکن است منجر به مشکل در جذب آب شود.در دمای 5 درجه سانتیگراد، جذب 70٪ تا 80٪ کمتر از دمای 20 درجه سانتیگراد است.اگر دمای پایین بستر با دمای بالا همراه باشد، منجر به پژمردگی گیاه می شود.جذب یون بدیهی است به دما بستگی دارد که جذب یون در دمای پایین را مهار می کند و حساسیت عناصر غذایی مختلف به دما متفاوت است.

دمای بیش از حد بالای بستر نیز بی فایده است و ممکن است به سیستم ریشه بیش از حد بزرگ منجر شود.به عبارت دیگر، توزیع نامتعادل ماده خشک در گیاهان وجود دارد.از آنجایی که سیستم ریشه بسیار بزرگ است، تلفات غیر ضروری از طریق تنفس رخ می دهد و این بخش از انرژی از دست رفته می تواند برای قسمت برداشت گیاه استفاده شود.در دمای بستر بالاتر، محتوای اکسیژن محلول کمتر است، که تأثیر بسیار بیشتری بر محتوای اکسیژن در محیط ریشه نسبت به اکسیژن مصرف شده توسط میکروارگانیسم‌ها دارد.سیستم ریشه اکسیژن زیادی مصرف می کند و حتی در صورت ساختار ضعیف بستر یا خاک منجر به هیپوکسی می شود و در نتیجه جذب آب و یون ها را کاهش می دهد.

ظرفیت نگهداری آب معقول ماتریس را حفظ کنید.

بین محتوای آب و درصد اکسیژن موجود در ماتریس همبستگی منفی وجود دارد.هنگامی که محتوای آب افزایش می یابد، میزان اکسیژن کاهش می یابد و بالعکس.یک محدوده بحرانی بین محتوای آب و اکسیژن در ماتریس وجود دارد، یعنی 80٪ تا 85٪ محتوای آب (شکل 5).نگهداری طولانی مدت محتوای آب بالای 85 درصد در بستر، بر تامین اکسیژن تأثیر می گذارد.بیشتر اکسیژن (75%~90%) از طریق منافذ موجود در ماتریکس است.

مکمل آبیاری به میزان اکسیژن در بستر

نور خورشید بیشتر منجر به مصرف اکسیژن بیشتر و غلظت اکسیژن کمتر در ریشه ها می شود (شکل 6) و قند بیشتر باعث افزایش مصرف اکسیژن در شب می شود.تعرق قوی است، جذب آب زیاد است و هوا بیشتر و اکسیژن بیشتری در بستر وجود دارد.از سمت چپ شکل 7 مشاهده می شود که در شرایطی که ظرفیت نگهداری آب زیرلایه زیاد و میزان هوای آن بسیار کم باشد، پس از آبیاری مقدار اکسیژن در بستر کمی افزایش می یابد.همانطور که در سمت راست شکل نشان داده شده است.7، در شرایط روشنایی نسبتاً بهتر، محتوای هوا در بستر به دلیل جذب آب بیشتر (همان زمان آبیاری) افزایش می یابد.تأثیر نسبی آبیاری بر محتوای اکسیژن در بستر بسیار کمتر از ظرفیت نگهداری آب (محتوای هوا) در بستر است.

بحث و گفتگو

در تولید واقعی، محتوای اکسیژن (هوا) در محیط ریشه گیاه به راحتی نادیده گرفته می شود، اما عامل مهمی برای تضمین رشد طبیعی محصولات و رشد سالم ریشه ها است.

برای به دست آوردن حداکثر عملکرد در طول تولید محصول، حفاظت از محیط سیستم ریشه در بهترین شرایط تا حد امکان بسیار مهم است.مطالعات نشان داده است که O₂مقدار کمتر از 4 میلی گرم در لیتر در محیط سیستم ریشه تأثیر منفی بر رشد محصول خواهد داشت.O₂محتوای محیط ریشه عمدتاً تحت تأثیر آبیاری (مقدار و دفعات آبیاری)، ساختار بستر، محتوای آب بستر، دمای گلخانه و بستر است و الگوهای کاشت مختلف متفاوت خواهد بود.جلبک ها و میکروارگانیسم ها نیز با میزان اکسیژن موجود در محیط ریشه گیاهان هیدروپونیک رابطه مشخصی دارند.هیپوکسی نه تنها باعث رشد آهسته گیاهان می شود، بلکه باعث افزایش فشار پاتوژن های ریشه (پیتیوم، فیتوفتورا، فوزاریوم) بر رشد ریشه می شود.

استراتژی آبیاری تأثیر قابل توجهی بر O₂محتوای موجود در بستر، و همچنین روشی قابل کنترل تر در فرآیند کاشت است.برخی از مطالعات کاشت گل رز نشان داده اند که افزایش آهسته محتوای آب در بستر (در صبح) می تواند حالت اکسیژن بهتری داشته باشد.در بستری که ظرفیت نگهداری آب پایینی دارد، بستر می‌تواند محتوای اکسیژن بالایی را حفظ کند و در عین حال لازم است از اختلاف محتوای آب بین بسترها از طریق دفعات آبیاری بیشتر و فاصله کوتاه‌تر جلوگیری شود.هرچه ظرفیت نگهداری آب زیرلایه ها کمتر باشد، تفاوت بین بسترها بیشتر می شود.بستر مرطوب، دفعات آبیاری کمتر و فاصله زمانی طولانی تر، جایگزینی بیشتر هوا و شرایط اکسیژن مطلوب را تضمین می کند.

زهکشی زیرلایه یکی دیگر از عواملی 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 بماند، بلکه باید به سرعت تخلیه شود تا آب آبیاری تازه غنی شده با اکسیژن بتواند دوباره به کف بستر برسد.سرعت زهکشی را می توان تحت تأثیر برخی اقدامات نسبتاً ساده، مانند گرادیان بستر در جهت طولی و عرضی قرار داد.هر چه شیب بیشتر باشد، سرعت زهکشی سریعتر است.زیرلایه های مختلف دهانه های متفاوتی دارند و تعداد خروجی ها نیز متفاوت است.

پایان

[اطلاعات نقل قول]

شی یوانپی.اثرات محتوای اکسیژن محیطی در ریشه گیاهان گلخانه ای بر رشد محصول [J].فناوری مهندسی کشاورزی، 2022،42 (31): 21-24.