Siltumnīcu dārzkopības lauksaimniecības inženiertehnoloģijaPublicēts Pekinā 2023. gada 13. janvārī plkst. 17:30.

Lielākās daļas barības vielu uzsūkšanās ir process, kas ir cieši saistīts ar augu sakņu vielmaiņas aktivitātēm. Šiem procesiem nepieciešama enerģija, ko rada sakņu šūnu elpošana, un ūdens absorbciju regulē arī temperatūra un elpošana, un elpošanai nepieciešama skābekļa līdzdalība, tāpēc skābeklim sakņu vidē ir būtiska ietekme uz normālu kultūraugu augšanu. Izšķīdušā skābekļa saturu ūdenī ietekmē temperatūra un sāļums, un substrāta struktūra nosaka gaisa saturu sakņu vidē. Apūdeņošanai ir lielas atšķirības skābekļa satura atjaunošanā un papildināšanā substrātos ar atšķirīgu ūdens satura līmeni. Ir daudz faktoru, lai optimizētu skābekļa saturu sakņu vidē, taču katra faktora ietekmes pakāpe ir diezgan atšķirīga. Saprātīgas substrāta ūdens noturēšanas spējas (gaisa satura) uzturēšana ir priekšnoteikums augsta skābekļa satura uzturēšanai sakņu vidē.

Temperatūras un sāļuma ietekme uz piesātinātā skābekļa saturu šķīdumā

Izšķīdušā skābekļa saturs ūdenī

Izšķīdušais skābeklis ūdenī ir izšķīdināts nesaistītā jeb brīvā skābeklī, un ūdenī izšķīdušā skābekļa saturs sasniegs maksimumu noteiktā temperatūrā, kas ir piesātinātā skābekļa saturs. Piesātinātā skābekļa saturs ūdenī mainās līdz ar temperatūru, un, temperatūrai paaugstinoties, skābekļa saturs samazinās. Dzidra ūdens piesātinātā skābekļa saturs ir augstāks nekā sāli saturošā jūras ūdenī (1. attēls), tāpēc dažādu koncentrāciju barības vielu šķīdumu piesātinātā skābekļa saturs būs atšķirīgs.

Skābekļa transportēšana matricā

Skābeklim, ko siltumnīcas kultūru saknes var iegūt no barības vielu šķīduma, jābūt brīvā stāvoklī, un skābeklis substrātā tiek transportēts pa gaisu un ūdeni, kā arī ūdeni ap saknēm. Kad tas ir līdzsvarā ar skābekļa saturu gaisā noteiktā temperatūrā, ūdenī izšķīdušā skābekļa daudzums sasniedz maksimumu, un skābekļa satura izmaiņas gaisā novedīs pie proporcionālām skābekļa satura izmaiņām ūdenī.

Hipoksijas stresa ietekme uz kultūraugiem sakņu vidē

Sakņu hipoksijas cēloņi

Ir vairāki iemesli, kāpēc vasarā hipoksijas risks hidroponikas un substrātu audzēšanas sistēmās ir lielāks. Pirmkārt, piesātinātā skābekļa saturs ūdenī samazināsies, paaugstinoties temperatūrai. Otrkārt, skābekļa daudzums, kas nepieciešams sakņu augšanas uzturēšanai, palielinās līdz ar temperatūras paaugstināšanos. Turklāt vasarā ir lielāks barības vielu absorbcijas daudzums, tāpēc ir lielāks arī skābekļa pieprasījums barības vielu absorbcijai. Tas noved pie skābekļa satura samazināšanās sakņu vidē un efektīva papildinājuma trūkuma, kas savukārt noved pie hipoksijas sakņu vidē.

Absorbcija un augšana

Lielākā daļa būtisko barības vielu uzsūkšanās ir atkarīga no procesiem, kas ir cieši saistīti ar sakņu vielmaiņu, kuriem nepieciešama enerģija, ko rada sakņu šūnu elpošana, tas ir, fotosintēzes produktu sadalīšanās skābekļa klātbūtnē. Pētījumi liecina, ka 10–20 % no kopējā tomātu augu asimilātu daudzuma tiek izmantoti saknēs, no kurām 50 % tiek izmantoti barības vielu jonu absorbcijai, 40 % augšanai un tikai 10 % uzturēšanai. Saknēm skābeklis jāatrod tiešajā vidē, kur tās izdala CO2.₂Anaerobos apstākļos, ko izraisa slikta ventilācija substrātos un hidroponikā, hipoksija ietekmēs ūdens un barības vielu uzsūkšanos. Hipoksijai ir ātra reakcija uz barības vielu, proti, nitrātu (NO₃^-), kālija (K) un fosfāta (PO₄^3-), kas traucēs kalcija (Ca) un magnija (Mg) pasīvo uzsūkšanos.

Augu sakņu augšanai nepieciešama enerģija, normālai sakņu aktivitātei nepieciešama viszemākā skābekļa koncentrācija, un skābekļa koncentrācija zem COP vērtības kļūst par faktoru, kas ierobežo sakņu šūnu metabolismu (hipoksiju). Kad skābekļa satura līmenis ir zems, augšana palēninās vai pat apstājas. Ja daļēja sakņu hipoksija skar tikai zarus un lapas, sakņu sistēma var kompensēt to sakņu sistēmas daļu, kas kādu iemeslu dēļ vairs nav aktīva, palielinot lokālo absorbciju.

Augu vielmaiņas mehānisms ir atkarīgs no skābekļa kā elektronu akceptoru. Bez skābekļa ATP ražošana apstāsies. Bez ATP protonu aizplūšana no saknēm apstāsies, sakņu šūnu sula kļūs skāba, un šīs šūnas dažu stundu laikā iet bojā. Pagaidu un īslaicīga hipoksija neizraisīs neatgriezenisku uztura stresu augos. Pateicoties "nitrātu elpošanas" mehānismam, tā var būt īslaicīga adaptācija, lai tiktu galā ar hipoksiju kā alternatīvs veids sakņu hipoksijas laikā. Tomēr ilgstoša hipoksija novedīs pie lēnas augšanas, samazinātas lapu platības un samazinātas svaigas un sausnas masas, kas novedīs pie ievērojama ražas samazināšanās.

Etilēns

Augi spēcīga stresa apstākļos in situ veido etilēnu. Parasti etilēns tiek izvadīts no saknēm, difundējot augsnes gaisā. Kad notiek slapšana, etilēna veidošanās ne tikai palielinās, bet arī difūzija ievērojami samazinās, jo saknes ieskauj ūdens. Etilēna koncentrācijas palielināšanās novedīs pie aerācijas audu veidošanās saknēs (2. attēls). Etilēns var izraisīt arī lapu novecošanos, un etilēna un auksīna mijiedarbība palielinās nejaušu sakņu veidošanos.

Skābekļa stress noved pie lapu augšanas samazināšanās

ABA tiek ražots saknēs un lapās, lai tiktu galā ar dažādiem vides stresa faktoriem. Sakņu vidē tipiska reakcija uz stresu ir atvārsnīšu aizvēršanās, kas ietver ABA veidošanos. Pirms atvārsnīšu aizvēršanās auga augšdaļa zaudē pietūkuma spiedienu, augšējās lapas novīst, un var samazināties arī fotosintēzes efektivitāte. Daudzi pētījumi ir parādījuši, ka atvārsnītes reaģē uz ABA koncentrācijas palielināšanos apoplastā, aizveroties, tas ir, kopējais ABA saturs ne-lapās, atbrīvojot intracelulāru ABA, augi var ļoti ātri palielināt apoplasta ABA koncentrāciju. Kad augi ir pakļauti vides stresam, tie sāk atbrīvot ABA šūnās, un sakņu atbrīvošanās signālu var pārraidīt minūtēs, nevis stundās. ABA palielināšanās lapu audos var samazināt šūnu sieniņas pagarināšanos un izraisīt lapu pagarināšanās samazināšanos. Vēl viena hipoksijas ietekme ir lapu dzīves ilguma saīsināšanās, kas ietekmēs visas lapas. Hipoksija parasti noved pie citokinīna un nitrātu transporta samazināšanās. Slāpekļa vai citokinīna trūkums saīsina lapu laukuma uzturēšanas laiku un aptur zaru un lapu augšanu dažu dienu laikā.

Augu sakņu sistēmas skābekļa vides optimizācija

Substrāta īpašības ir izšķirošas ūdens un skābekļa sadalījumam. Skābekļa koncentrācija siltumnīcu dārzeņu sakņu vidē galvenokārt ir saistīta ar substrāta ūdens aiztures spēju, apūdeņošanu (lielumu un biežumu), substrāta struktūru un substrāta sloksnes temperatūru. Tikai tad, ja skābekļa saturs sakņu vidē ir vismaz virs 10% (4–5 mg/l), sakņu aktivitāti var uzturēt vislabākajā stāvoklī.

Kultūraugu sakņu sistēmai ir ļoti liela nozīme augu augšanā un augu slimību noturībā. Ūdens un barības vielas tiks absorbētas atbilstoši augu vajadzībām. Tomēr skābekļa līmenis sakņu vidē lielā mērā nosaka barības vielu un ūdens absorbcijas efektivitāti un sakņu sistēmas kvalitāti. Pietiekams skābekļa līmenis sakņu sistēmas vidē var nodrošināt sakņu sistēmas veselību, lai augiem būtu labāka izturība pret patogēniem mikroorganismiem (3. attēls). Pietiekams skābekļa līmenis substrātā arī samazina anaerobo apstākļu risku, tādējādi samazinot patogēno mikroorganismu risku.

Skābekļa patēriņš sakņu vidē

Kultūraugu maksimālais skābekļa patēriņš var sasniegt pat 40 mg/m2/h (patēriņš ir atkarīgs no kultūraugiem). Atkarībā no temperatūras apūdeņošanas ūdenī var būt līdz pat 7–8 mg/l skābekļa (4. attēls). Lai sasniegtu 40 mg, katru stundu ir jāpievada 5 l ūdens, lai apmierinātu skābekļa pieprasījumu, taču faktiski vienas dienas apūdeņošanas daudzums var netikt sasniegts. Tas nozīmē, ka apūdeņošanas nodrošinātajam skābeklim ir tikai neliela loma. Lielākā daļa skābekļa piegādes sasniedz sakņu zonu caur matricas porām, un skābekļa piegādes caur porām ieguldījums ir pat 90% atkarībā no diennakts laika. Kad augu iztvaikošana sasniedz maksimumu, arī apūdeņošanas daudzums sasniedz maksimumu, kas ir līdzvērtīgs 1–1,5 l/m2/h. Ja apūdeņošanas ūdenī ir 7 mg/l skābekļa, tas nodrošinās sakņu zonai 7–11 mg/m2/h skābekļa. Tas ir līdzvērtīgs 17–25% no pieprasījuma. Protams, tas attiecas tikai uz situāciju, kad substrātā esošo skābekļa nabadzīgo apūdeņošanas ūdeni aizstāj ar svaigu apūdeņošanas ūdeni.

Papildus sakņu patēriņam, arī sakņu vidē esošie mikroorganismi patērē skābekli. To ir grūti kvantitatīvi noteikt, jo šajā ziņā nav veikti mērījumi. Tā kā katru gadu tiek nomainīti jauni substrāti, var pieņemt, ka mikroorganismiem ir relatīvi neliela loma skābekļa patēriņā.

Optimizēt sakņu vides temperatūru

Sakņu sistēmas apkārtējās vides temperatūra ir ļoti svarīga normālai sakņu sistēmas augšanai un darbībai, un tā ir arī svarīgs faktors, kas ietekmē ūdens un barības vielu uzsūkšanos sakņu sistēmā.

Pārāk zema substrāta temperatūra (sakņu temperatūra) var apgrūtināt ūdens absorbciju. 5 ℃ temperatūrā absorbcija ir par 70–80 % zemāka nekā 20 ℃ temperatūrā. Ja zemu substrāta temperatūru pavada augsta temperatūra, tas novedīs pie auga novīšanas. Jonu absorbcija acīmredzami ir atkarīga no temperatūras, kas kavē jonu absorbciju zemā temperatūrā, un dažādu barības elementu jutība pret temperatūru ir atšķirīga.

Pārāk augsta substrāta temperatūra arī ir nelietderīga un var izraisīt pārāk lielu sakņu sistēmu. Citiem vārdiem sakot, augos ir nelīdzsvarots sausnas sadalījums. Tā kā sakņu sistēma ir pārāk liela, radīsies nevajadzīgi zudumi elpošanas dēļ, un šī zaudētās enerģijas daļa varētu tikt izmantota auga ražas novākšanas daļai. Augstākā substrāta temperatūrā izšķīdušā skābekļa saturs ir zemāks, kas daudz vairāk ietekmē skābekļa saturu sakņu vidē nekā mikroorganismu patērētais skābeklis. Sakņu sistēma patērē daudz skābekļa un sliktas substrāta vai augsnes struktūras gadījumā pat izraisa hipoksiju, tādējādi samazinot ūdens un jonu absorbciju.

Saglabāt matricas saprātīgu ūdens noturēšanas spēju.

Pastāv negatīva korelācija starp ūdens saturu un skābekļa procentuālo saturu matricā. Palielinoties ūdens saturam, skābekļa saturs samazinās un otrādi. Starp ūdens saturu un skābekli matricā pastāv kritiskais diapazons, tas ir, 80%–85% ūdens satura (5. attēls). Ilgstoša ūdens satura uzturēšana virs 85% substrātā ietekmēs skābekļa piegādi. Lielākā daļa skābekļa piegādes (75%–90%) notiek caur matricas porām.

Apūdeņošanas papildināšana atkarībā no skābekļa satura substrātā

Vairāk saules gaismas novedīs pie lielāka skābekļa patēriņa un zemākas skābekļa koncentrācijas saknēs (6. attēls), un vairāk cukura palielinās skābekļa patēriņu naktī. Transpirācija ir spēcīga, ūdens absorbcija ir liela, un substrātā ir vairāk gaisa un skābekļa. No 7. attēla kreisās puses var redzēt, ka skābekļa saturs substrātā pēc apūdeņošanas nedaudz palielināsies, ja substrāta ūdens ietilpība ir augsta un gaisa saturs ir ļoti zems. Kā parādīts 7. attēla labajā pusē, relatīvi labāka apgaismojuma apstākļos gaisa saturs substrātā palielinās lielākas ūdens absorbcijas dēļ (vienāds apūdeņošanas laiks). Apūdeņošanas relatīvā ietekme uz skābekļa saturu substrātā ir daudz mazāka nekā substrāta ūdens ietilpība (gaisa saturs).

Apspriest

Faktiskajā ražošanā skābekļa (gaisa) saturs kultūraugu sakņu vidē ir viegli nepamanīts, taču tas ir svarīgs faktors, lai nodrošinātu normālu kultūraugu augšanu un veselīgu sakņu attīstību.

Lai audzēšanas laikā iegūtu maksimālu ražu, ir ļoti svarīgi pēc iespējas labāk aizsargāt sakņu sistēmas vidi. Pētījumi liecina, ka O₂saturs sakņu sistēmas vidē zem 4 mg/l negatīvi ietekmēs kultūraugu augšanu. O₂Saturu sakņu vidē galvenokārt ietekmē apūdeņošana (apūdeņošanas daudzums un biežums), substrāta struktūra, substrāta ūdens saturs, siltumnīcas un substrāta temperatūra, un dažādi stādīšanas modeļi būs atšķirīgi. Arī aļģēm un mikroorganismiem ir zināma saistība ar skābekļa saturu hidroponisko kultūru sakņu vidē. Hipoksija ne tikai izraisa lēnu augu attīstību, bet arī palielina sakņu patogēnu (pythium, phytophthora, fusarium) spiedienu uz sakņu augšanu.

Apūdeņošanas stratēģijai ir būtiska ietekme uz O₂saturu substrātā, un tas ir arī vieglāk kontrolējams veids stādīšanas procesā. Dažos rožu stādīšanas pētījumos ir atklāts, ka lēna ūdens satura palielināšana substrātā (no rīta) var panākt labāku skābekļa stāvokli. Substrātā ar zemu ūdens ietilpību substrāts var uzturēt augstu skābekļa saturu, un tajā pašā laikā ir nepieciešams izvairīties no ūdens satura atšķirībām starp substrātiem, izmantojot biežāku laistīšanu un īsākus intervālus. Jo zemāka ir substrātu ūdens ietilpība, jo lielāka ir atšķirība starp substrātiem. Mitrs substrāts, zemāka laistīšanas biežums un ilgāks intervāls nodrošina lielāku gaisa apmaiņu un labvēlīgus skābekļa apstākļus.

Substrāta drenāža ir vēl viens faktors, kas būtiski ietekmē atjaunošanās ātrumu un skābekļa koncentrācijas gradientu substrātā atkarībā no substrāta veida un ūdens ietilpības. Apūdeņošanas šķidrumam nevajadzētu pārāk ilgi palikt substrāta apakšā, bet tas ir ātri jāizvada, lai svaigs, ar skābekli bagātināts apūdeņošanas ūdens atkal varētu sasniegt substrāta apakšu. Drenāžas ātrumu var ietekmēt ar dažiem relatīvi vienkāršiem pasākumiem, piemēram, substrāta slīpumu gareniskajā un platuma virzienā. Jo lielāks slīpums, jo lielāks drenāžas ātrums. Dažādiem substrātiem ir dažādas atveres, un arī izplūdes atveru skaits ir atšķirīgs.

BEIGAS

[citāta informācija]

Sje Juaņpejs. Siltumnīcu kultūraugu sakņu vides skābekļa satura ietekme uz kultūraugu augšanu [J]. Lauksaimniecības inženiertehnoloģija, 2022, 42(31): 21–24.