تكنولوجيا الهندسة الزراعية للبستنة الدفيئة نُشرت في بكين الساعة 17:30 يوم 13 يناير 2023.

يعد امتصاص معظم العناصر الغذائية عملية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأنشطة الأيضية لجذور النباتات.تتطلب هذه العمليات الطاقة المتولدة عن تنفس الخلايا الجذرية ، كما يتم تنظيم امتصاص الماء من خلال درجة الحرارة والتنفس ، ويتطلب التنفس مشاركة الأكسجين ، لذلك فإن الأكسجين الموجود في بيئة الجذر له تأثير حيوي على النمو الطبيعي للمحاصيل.يتأثر محتوى الأكسجين المذاب في الماء بدرجة الحرارة والملوحة ، وتحدد بنية الركيزة محتوى الهواء في بيئة الجذر.للري اختلافات كبيرة في تجديد وتكميل محتوى الأكسجين في الركائز ذات حالات المحتوى المائي المختلفة.هناك العديد من العوامل لتحسين محتوى الأكسجين في بيئة الجذر ، ولكن درجة تأثير كل عامل تختلف تمامًا.يعد الحفاظ على قدرة معقولة على الاحتفاظ بالمياه (محتوى الهواء) بمثابة فرضية الحفاظ على نسبة عالية من الأكسجين في بيئة الجذر.

تأثير درجة الحرارة والملوحة على محتوى الأكسجين المشبع في المحلول

محتوى الأكسجين المذاب في الماء

يذوب الأكسجين المذاب في الأكسجين غير المرتبط أو الحر في الماء ، وسيصل محتوى الأكسجين المذاب في الماء إلى الحد الأقصى عند درجة حرارة معينة ، وهو محتوى الأكسجين المشبع.يتغير محتوى الأكسجين المشبع في الماء مع تغير درجة الحرارة ، وعندما ترتفع درجة الحرارة ، ينخفض ​​محتوى الأكسجين.محتوى الأكسجين المشبع للمياه الصافية أعلى من محتوى مياه البحر المحتوية على الملح (الشكل 1) ، وبالتالي فإن محتوى الأكسجين المشبع في المحاليل المغذية ذات التركيزات المختلفة سيكون مختلفًا.

نقل الأكسجين في المصفوفة

يجب أن يكون الأكسجين الذي يمكن أن تحصل عليه جذور المحاصيل المسببة للاحتباس الحراري من محلول المغذيات في حالة حرة ، ويتم نقل الأكسجين في الركيزة عبر الهواء والماء والماء حول الجذور.عندما يكون في حالة توازن مع محتوى الأكسجين في الهواء عند درجة حرارة معينة ، يصل الأكسجين المذاب في الماء إلى الحد الأقصى ، وسيؤدي تغيير محتوى الأكسجين في الهواء إلى التغيير النسبي لمحتوى الأكسجين في الماء.

آثار إجهاد نقص الأكسجة في البيئة الجذرية على المحاصيل

أسباب نقص الأكسجة في الجذر

هناك عدة أسباب وراء ارتفاع مخاطر نقص الأكسجة في أنظمة الزراعة المائية والركيزة في الصيف.بادئ ذي بدء ، سينخفض ​​محتوى الأكسجين المشبع في الماء مع ارتفاع درجة الحرارة.ثانيًا ، يزداد الأكسجين المطلوب للحفاظ على نمو الجذور مع زيادة درجة الحرارة.علاوة على ذلك ، تكون كمية امتصاص العناصر الغذائية أعلى في الصيف ، وبالتالي فإن الطلب على الأكسجين لامتصاص المغذيات يكون أعلى.يؤدي إلى انخفاض محتوى الأكسجين في بيئة الجذر وعدم وجود مكمل فعال ، مما يؤدي إلى نقص الأكسجة في بيئة الجذر.

الامتصاص والنمو

يعتمد امتصاص معظم العناصر الغذائية الأساسية على العمليات التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بعملية التمثيل الغذائي للجذور ، والتي تتطلب الطاقة الناتجة عن تنفس خلايا الجذر ، أي تحلل منتجات التمثيل الضوئي في وجود الأكسجين.أظهرت الدراسات أن 10٪ ~ 20٪ من إجمالي مقلدات نباتات الطماطم تستخدم في الجذور ، 50٪ منها تستخدم لامتصاص المغذيات الأيونية ، 40٪ للنمو و 10٪ فقط للصيانة.يجب أن تجد الجذور الأكسجين في البيئة المباشرة حيث تطلق ثاني أكسيد الكربون₂.في ظل الظروف اللاهوائية الناتجة عن سوء التهوية في الركائز والزراعة المائية ، سيؤثر نقص الأكسجة على امتصاص الماء والمواد المغذية.نقص الأكسجة له ​​استجابة سريعة للامتصاص النشط للعناصر الغذائية ، وهي النترات (NO₃^-) والبوتاسيوم (K) والفوسفات (PO₄^3-) ، والتي سوف تتداخل مع الامتصاص السلبي للكالسيوم (Ca) والمغنيسيوم (Mg).

يحتاج نمو جذر النبات إلى طاقة ، ويحتاج نشاط الجذر الطبيعي إلى أقل تركيز للأكسجين ، ويصبح تركيز الأكسجين أقل من قيمة COP عاملاً يحد من استقلاب الخلايا الجذرية (نقص الأكسجة).عندما يكون مستوى محتوى الأكسجين منخفضًا ، يتباطأ النمو أو يتوقف.إذا كان نقص الأكسجة الجزئي يؤثر فقط على الفروع والأوراق ، يمكن لنظام الجذر تعويض جزء من نظام الجذر الذي لم يعد نشطًا لسبب ما عن طريق زيادة الامتصاص المحلي.

تعتمد آلية التمثيل الغذائي للنبات على الأكسجين كمتقبل للإلكترون.بدون الأكسجين ، سيتوقف إنتاج ATP.بدون ATP ، سيتوقف تدفق البروتونات من الجذور ، وستصبح عصارة الخلايا الجذرية حمضية ، وتموت هذه الخلايا في غضون ساعات قليلة.لن يسبب نقص الأكسجة المؤقت والقصير المدى إجهادًا غذائيًا لا رجعة فيه في النباتات.بسبب آلية "تنفس النترات" ، قد يكون تكيفًا قصير المدى للتعامل مع نقص الأكسجة كطريقة بديلة أثناء نقص الأكسجة في الجذر.ومع ذلك ، فإن نقص الأكسجة على المدى الطويل سيؤدي إلى بطء النمو ، وانخفاض مساحة الأوراق وانخفاض الوزن الطازج والجاف ، مما سيؤدي إلى انخفاض كبير في غلة المحاصيل.

الإيثيلين

ستشكل النباتات الإيثيلين في الموقع تحت ضغط كبير.عادة ، تتم إزالة الإيثيلين من الجذور عن طريق نشره في هواء التربة.عندما يحدث التشبع بالمياه ، لن يزداد تكوين الإيثيلين فحسب ، بل سيتم تقليل الانتشار أيضًا بشكل كبير لأن الجذور محاطة بالماء.ستؤدي زيادة تركيز الإيثيلين إلى تكوين أنسجة تهوية في الجذور (الشكل 2).يمكن أن يتسبب الإيثيلين أيضًا في شيخوخة الأوراق ، وسيؤدي التفاعل بين الإيثيلين والأوكسين إلى زيادة تكوين الجذور العرضية.

يؤدي إجهاد الأكسجين إلى انخفاض نمو الأوراق

يتم إنتاج ABA في الجذور والأوراق للتعامل مع الضغوط البيئية المختلفة.في بيئة الجذر ، تكون الاستجابة النموذجية للإجهاد هي إغلاق الفم ، والذي يتضمن تكوين ABA.قبل إغلاق الثغور ، يفقد الجزء العلوي من النبات ضغط الانتفاخ ، وتذبل الأوراق العلوية ، وقد تنخفض أيضًا كفاءة التمثيل الضوئي.أظهرت العديد من الدراسات أن الثغور تستجيب لزيادة تركيز ABA في apoplast عن طريق إغلاق ، أي إجمالي محتوى ABA في غير الأوراق عن طريق إطلاق ABA داخل الخلايا ، يمكن للنباتات زيادة تركيز Apoplast ABA بسرعة كبيرة.عندما تكون النباتات تحت ضغط بيئي ، فإنها تبدأ في إطلاق ABA في الخلايا ، ويمكن أن تنتقل إشارة إطلاق الجذر في دقائق بدلاً من ساعات.قد تؤدي زيادة ABA في أنسجة الأوراق إلى تقليل استطالة جدار الخلية وتؤدي إلى تقليل استطالة الأوراق.تأثير آخر لنقص الأكسجة هو تقصير العمر الافتراضي للأوراق ، مما سيؤثر على جميع الأوراق.عادة ما يؤدي نقص الأكسجة إلى انخفاض نقل السيتوكينين والنترات.سيؤدي نقص النيتروجين أو السيتوكينين إلى تقصير وقت صيانة مساحة الأوراق وإيقاف نمو الفروع والأوراق في غضون أيام قليلة.

تحسين بيئة الأكسجين لنظام جذر المحاصيل

تعتبر خصائص الركيزة حاسمة لتوزيع الماء والأكسجين.يرتبط تركيز الأكسجين في البيئة الجذرية للخضروات المسببة للاحتباس الحراري بشكل أساسي بقدرة الاحتفاظ بالمياه في الركيزة والري (الحجم والتردد) وهيكل الركيزة ودرجة حرارة شريط الركيزة.فقط عندما يكون محتوى الأكسجين في بيئة الجذر أعلى على الأقل من 10٪ (4 ~ 5mg / L) يمكن الحفاظ على نشاط الجذر في أفضل حالة.

يعتبر نظام جذر المحاصيل مهمًا جدًا لنمو النبات ومقاومة أمراض النبات.سيتم امتصاص الماء والمواد الغذائية وفقًا لاحتياجات النباتات.ومع ذلك ، فإن مستوى الأكسجين في بيئة الجذر يحدد إلى حد كبير كفاءة امتصاص العناصر الغذائية والمياه ونوعية نظام الجذر.يمكن أن يضمن مستوى الأكسجين الكافي في بيئة نظام الجذر صحة نظام الجذر ، بحيث تتمتع النباتات بمقاومة أفضل للكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض (الشكل 3).يقلل مستوى الأكسجين الكافي في الركيزة أيضًا من مخاطر الظروف اللاهوائية ، وبالتالي يقلل من مخاطر الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض.

استهلاك الأكسجين في بيئة الجذر

يمكن أن يصل الحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين للمحاصيل إلى 40 مجم / م 2 / ساعة (يعتمد الاستهلاك على المحاصيل).اعتمادًا على درجة الحرارة ، قد تحتوي مياه الري على ما يصل إلى 7 ~ 8 ملجم / لتر من الأكسجين (الشكل 4).للوصول إلى 40 مجم ، يجب إعطاء 5 لترات من الماء كل ساعة لتلبية الطلب على الأكسجين ، ولكن في الواقع ، قد لا يتم الوصول إلى كمية الري في يوم واحد.هذا يعني أن الأكسجين الذي يوفره الري يلعب دورًا صغيرًا فقط.يصل معظم إمداد الأكسجين إلى منطقة الجذر من خلال المسام في المصفوفة ، وتصل مساهمة إمداد الأكسجين عبر المسام إلى 90٪ ، اعتمادًا على الوقت من اليوم.عندما يصل تبخر النباتات إلى الحد الأقصى ، تصل كمية الري أيضًا إلى الحد الأقصى ، وهو ما يعادل 1 ~ 1.5 لتر / م 2 / ساعة.إذا كانت مياه الري تحتوي على 7 ملجم / لتر أكسجين ، فإنها ستوفر 7 ~ 11 ملجم / م 2 / ساعة أكسجين لمنطقة الجذر.هذا يعادل 17٪ ~ 25٪ من الطلب.بالطبع ، هذا ينطبق فقط على الحالة التي يتم فيها استبدال مياه الري التي تفتقر إلى الأكسجين في الركيزة بمياه الري العذبة.

بالإضافة إلى استهلاك الجذور ، فإن الكائنات الحية الدقيقة في بيئة الجذر تستهلك الأكسجين أيضًا.من الصعب تحديد ذلك لأنه لم يتم إجراء قياس في هذا الصدد.نظرًا لاستبدال الركائز الجديدة كل عام ، يمكن افتراض أن الكائنات الحية الدقيقة تلعب دورًا صغيرًا نسبيًا في استهلاك الأكسجين.

تحسين درجة الحرارة البيئية للجذور

تعتبر درجة الحرارة البيئية لنظام الجذر مهمة جدًا للنمو الطبيعي ووظيفة نظام الجذر ، كما أنها عامل مهم يؤثر على امتصاص الماء والمغذيات بواسطة نظام الجذر.

قد تؤدي درجة حرارة الركيزة المنخفضة جدًا (درجة حرارة الجذر) إلى صعوبة امتصاص الماء.عند 5 ، يكون الامتصاص 70٪ ~ 80٪ أقل من 20 ℃.إذا كانت درجة حرارة الركيزة المنخفضة مصحوبة بارتفاع درجة الحرارة ، فسيؤدي ذلك إلى ذبول النبات.من الواضح أن امتصاص الأيونات يعتمد على درجة الحرارة ، مما يمنع امتصاص الأيونات عند درجة حرارة منخفضة ، وتختلف حساسية العناصر الغذائية المختلفة لدرجة الحرارة.

درجة حرارة الركيزة العالية جدًا غير مجدية أيضًا ، وقد تؤدي إلى نظام جذر كبير جدًا.بمعنى آخر ، هناك توزيع غير متوازن للمادة الجافة في النباتات.نظرًا لأن نظام الجذر كبير جدًا ، فستحدث خسائر غير ضرورية من خلال التنفس ، ويمكن استخدام هذا الجزء من الطاقة المفقودة في حصاد جزء من النبات.عند ارتفاع درجة حرارة الركيزة ، يكون محتوى الأكسجين المذاب أقل ، مما يكون له تأثير أكبر على محتوى الأكسجين في بيئة الجذر من الأكسجين الذي تستهلكه الكائنات الحية الدقيقة.يستهلك نظام الجذر الكثير من الأكسجين ، بل ويؤدي إلى نقص الأكسجة في حالة ضعف الركيزة أو بنية التربة ، مما يقلل من امتصاص الماء والأيونات.

الحفاظ على قدرة معقولة للاحتفاظ بالماء للمصفوفة.

هناك علاقة سلبية بين محتوى الماء ونسبة محتوى الأكسجين في المصفوفة.عندما يزداد محتوى الماء ، ينخفض ​​محتوى الأكسجين ، والعكس صحيح.يوجد نطاق حرج بين محتوى الماء والأكسجين في المصفوفة ، أي 80٪ ~ 85٪ محتوى مائي (الشكل 5).ستؤثر الصيانة طويلة المدى لمحتوى الماء فوق 85٪ في الركيزة على إمداد الأكسجين.يمر معظم إمداد الأكسجين (75٪ ~ 90٪) من خلال المسام الموجودة في القالب.

تكملة الري لمحتوى الأكسجين في الركيزة

سيؤدي المزيد من ضوء الشمس إلى زيادة استهلاك الأكسجين وانخفاض تركيز الأكسجين في الجذور (الشكل 6) ، وسيؤدي المزيد من السكر إلى زيادة استهلاك الأكسجين في الليل.النتح قوي ، وامتصاص الماء كبير ، وهناك المزيد من الهواء والأكسجين في الركيزة.يمكن أن نرى من يسار الشكل 7 أن محتوى الأكسجين في الركيزة سيزداد قليلاً بعد الري بشرط أن تكون قدرة الاحتفاظ بالماء في الركيزة عالية وأن محتوى الهواء منخفض جدًا.كما هو موضح على يمين الشكل.7 ، في حالة الإضاءة الأفضل نسبيًا ، يزداد محتوى الهواء في الركيزة بسبب زيادة امتصاص الماء (نفس أوقات الري).التأثير النسبي للري على محتوى الأكسجين في الركيزة أقل بكثير من قدرة الاحتفاظ بالماء (محتوى الهواء) في الركيزة.

يناقش

في الإنتاج الفعلي ، يتم التغاضي بسهولة عن محتوى الأكسجين (الهواء) في بيئة جذر المحاصيل ، ولكنه عامل مهم لضمان النمو الطبيعي للمحاصيل والتطور الصحي للجذور.

من أجل الحصول على الحد الأقصى من الغلة أثناء إنتاج المحاصيل ، من المهم جدًا حماية بيئة نظام الجذر في أفضل حالة ممكنة قدر الإمكان.أظهرت الدراسات أن O₂المحتوى في بيئة نظام الجذر أقل من 4 ملجم / لتر سيكون له تأثير سلبي على نمو المحاصيل.يعتبر O₂يتأثر المحتوى في بيئة الجذر بشكل أساسي بالري (كمية وتكرار الري) ، وبنية الركيزة ، ومحتوى الماء الركيزة ، ودرجة حرارة الصوبة الزجاجية والركيزة ، وستكون أنماط الزراعة المختلفة مختلفة.الطحالب والكائنات الحية الدقيقة لها أيضًا علاقة معينة بمحتوى الأكسجين في البيئة الجذرية للمحاصيل المائية.لا يتسبب نقص الأكسجة في النمو البطيء للنباتات فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى زيادة ضغط مسببات الأمراض الجذرية (البيثيوم ، والنباتات النباتية ، والفوزاريوم) على نمو الجذور.

استراتيجية الري لها تأثير كبير على O₂المحتوى في الركيزة ، وهي أيضًا طريقة أكثر قابلية للتحكم في عملية الزراعة.وجدت بعض دراسات زراعة الورد أن الزيادة البطيئة في محتوى الماء في الركيزة (في الصباح) يمكن أن تحصل على حالة أكسجين أفضل.في الركيزة ذات السعة المنخفضة للاحتفاظ بالماء ، يمكن أن تحافظ الركيزة على نسبة عالية من الأكسجين ، وفي الوقت نفسه ، من الضروري تجنب الاختلاف في محتوى الماء بين الركائز من خلال معدل الري العالي والفاصل الزمني الأقصر.كلما انخفضت قدرة الركائز على الاحتفاظ بالماء ، زاد الفرق بين الركائز.الركيزة الرطبة ، وتكرار الري المنخفض والفاصل الزمني الأطول يضمن المزيد من استبدال الهواء وظروف الأكسجين المواتية.

يعتبر تصريف الركيزة عاملاً آخر له تأثير كبير على معدل التجديد وتدرج تركيز الأكسجين في الركيزة ، اعتمادًا على النوع والقدرة على الاحتفاظ بالماء في الركيزة.يجب ألا يبقى سائل الري في قاع الركيزة لفترة طويلة جدًا ، ولكن يجب تصريفه بسرعة حتى يمكن لمياه الري الطازجة الغنية بالأكسجين أن تصل إلى قاع الركيزة مرة أخرى.يمكن أن تتأثر سرعة الصرف ببعض المقاييس البسيطة نسبيًا ، مثل تدرج الركيزة في الاتجاهات الطولية والعرضية.كلما زاد التدرج ، زادت سرعة الصرف.الركائز المختلفة لها فتحات مختلفة وعدد المنافذ مختلف أيضًا.

نهاية

[معلومات الاقتباس]

شيه يوانبي.تأثيرات محتوى الأكسجين البيئي في جذور المحاصيل المسببة للاحتباس الحراري على نمو المحاصيل [J].تكنولوجيا الهندسة الزراعية ، 2022،42 (31): 21-24.