Teknolojia ya uhandisi wa kilimo ya bustani ya chafuIlichapishwa Beijing saa 17:30 mnamo Januari 13, 2023.

Unyonyaji wa virutubishi vingi ni mchakato unaohusiana kwa karibu na shughuli za kimetaboliki za mizizi ya mimea. Michakato hii inahitaji nishati inayotokana na kupumua kwa seli za mizizi, na unyonyaji wa maji pia hudhibitiwa na halijoto na upumuaji, na upumuaji unahitaji ushiriki wa oksijeni, kwa hivyo oksijeni katika mazingira ya mizizi ina athari muhimu kwa ukuaji wa kawaida wa mazao. Kiwango cha oksijeni kilichoyeyushwa katika maji huathiriwa na halijoto na chumvi, na muundo wa sehemu ya chini huamua kiwango cha hewa katika mazingira ya mizizi. Umwagiliaji una tofauti kubwa katika urejeshaji na nyongeza ya kiwango cha oksijeni katika sehemu za chini zenye hali tofauti za kiwango cha maji. Kuna mambo mengi ya kuboresha kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi, lakini kiwango cha ushawishi cha kila kipengele ni tofauti kabisa. Kudumisha uwezo mzuri wa kushikilia maji katika sehemu ya chini (kiwango cha hewa) ni msingi wa kudumisha kiwango cha juu cha oksijeni katika mazingira ya mizizi.

Athari za halijoto na chumvi kwenye kiwango cha oksijeni iliyojaa katika myeyusho

Kiwango cha oksijeni kilichoyeyuka katika maji

Oksijeni iliyoyeyushwa huyeyushwa katika oksijeni isiyofungwa au huru ndani ya maji, na kiwango cha oksijeni iliyoyeyushwa ndani ya maji kitafikia kiwango cha juu zaidi katika halijoto fulani, ambayo ni kiwango cha oksijeni iliyojaa. Kiwango cha oksijeni iliyojaa ndani ya maji hubadilika kulingana na halijoto, na halijoto inapoongezeka, kiwango cha oksijeni hupungua. Kiwango cha oksijeni iliyojaa ndani ya maji safi ni kikubwa kuliko kile cha maji ya bahari yenye chumvi (Mchoro 1), kwa hivyo kiwango cha oksijeni iliyojaa ndani ya myeyusho wa virutubisho wenye viwango tofauti kitakuwa tofauti.

Usafirishaji wa oksijeni kwenye tumbo

Oksijeni ambayo mizizi ya mimea ya chafu inaweza kupata kutoka kwa myeyusho wa virutubisho lazima iwe katika hali huru, na oksijeni husafirishwa kwenye substrate kupitia hewa na maji na maji kuzunguka mizizi. Inapokuwa katika usawa na kiwango cha oksijeni hewani kwa halijoto fulani, oksijeni iliyoyeyushwa katika maji hufikia kiwango cha juu zaidi, na mabadiliko ya kiwango cha oksijeni hewani yatasababisha mabadiliko sawia ya kiwango cha oksijeni katika maji.

Athari za msongo wa hypoxia katika mazingira ya mizizi kwenye mazao

Sababu za hypoxia ya mizizi

Kuna sababu kadhaa kwa nini hatari ya upungufu wa oksijeni katika mifumo ya hydroponics na kilimo cha substrate ni kubwa zaidi wakati wa kiangazi. Kwanza kabisa, kiwango cha oksijeni kilichojaa katika maji kitapungua kadri halijoto inavyoongezeka. Pili, oksijeni inayohitajika kudumisha ukuaji wa mizizi huongezeka kadri halijoto inavyoongezeka. Zaidi ya hayo, kiwango cha unyonyaji wa virutubisho ni kikubwa zaidi wakati wa kiangazi, kwa hivyo mahitaji ya oksijeni kwa ajili ya unyonyaji wa virutubisho ni ya juu zaidi. Inasababisha kupungua kwa kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi na ukosefu wa virutubisho bora, ambavyo husababisha upungufu wa oksijeni katika mazingira ya mizizi.

Kunyonya na ukuaji

Unyonyaji wa virutubisho muhimu zaidi hutegemea michakato inayohusiana kwa karibu na umetaboli wa mizizi, ambayo inahitaji nishati inayozalishwa na kupumua kwa seli za mizizi, yaani, kuoza kwa bidhaa za usanisinuru mbele ya oksijeni. Uchunguzi umeonyesha kuwa 10% ~ 20% ya jumla ya ufyonzaji wa mimea ya nyanya hutumika kwenye mizizi, 50% ambayo hutumika kwa unyonyaji wa ioni za virutubisho, 40% kwa ukuaji na 10% pekee kwa matengenezo. Mizizi lazima ipate oksijeni katika mazingira ya moja kwa moja ambapo hutoa CO2.₂Chini ya hali ya hewa isiyo na hewa inayosababishwa na uingizaji hewa duni katika sehemu za chini na hydroponics, upungufu wa oksijeni utaathiri ufyonzaji wa maji na virutubisho. Upungufu wa oksijeni una mwitikio wa haraka kwa ufyonzaji hai wa virutubisho, yaani nitrati (NO₃^-), potasiamu (K) na fosfeti (PO2)₄^3-), ambayo itaingilia ufyonzaji tulivu wa kalsiamu (Ca) na magnesiamu (Mg).

Ukuaji wa mizizi ya mimea unahitaji nishati, shughuli za kawaida za mizizi zinahitaji kiwango cha chini cha oksijeni, na kiwango cha oksijeni chini ya thamani ya COP huwa sababu inayozuia umetaboli wa seli za mizizi (hypoxia). Kiwango cha oksijeni kinapokuwa cha chini, ukuaji hupungua au hata kusimama. Ikiwa kiwango cha upungufu wa oksijeni wa sehemu ya mizizi huathiri matawi na majani pekee, mfumo wa mizizi unaweza kufidia sehemu ya mfumo wa mizizi ambayo haifanyi kazi tena kwa sababu fulani kwa kuongeza ufyonzaji wa ndani.

Utaratibu wa kimetaboliki ya mimea hutegemea oksijeni kama kipokezi cha elektroni. Bila oksijeni, uzalishaji wa ATP utakoma. Bila ATP, mtiririko wa protoni kutoka kwenye mizizi utakoma, utomvu wa seli za mizizi utakuwa na asidi, na seli hizi zitakufa ndani ya saa chache. Hypoxia ya muda mfupi na ya muda mfupi haitasababisha msongo wa lishe usioweza kurekebishwa katika mimea. Kwa sababu ya utaratibu wa "kupumua kwa nitrati", inaweza kuwa marekebisho ya muda mfupi ili kukabiliana na hypoxia kama njia mbadala wakati wa hypoxia ya mizizi. Hata hivyo, hypoxia ya muda mrefu itasababisha ukuaji wa polepole, eneo la majani kupungua na kupungua kwa uzito mpya na mkavu, ambao utasababisha kupungua kwa mavuno ya mazao.

Ethilini

Mimea huunda ethilini mahali pake chini ya mkazo mwingi. Kwa kawaida, ethilini huondolewa kwenye mizizi kwa kusambaa kwenye hewa ya udongo. Wakati maji yanapoingia, uundaji wa ethilini hautaongezeka tu, bali pia usambaaji utapungua sana kwa sababu mizizi imezungukwa na maji. Ongezeko la mkusanyiko wa ethilini litasababisha uundaji wa tishu za uingizaji hewa kwenye mizizi (Mchoro 2). Ethilini pia inaweza kusababisha ukomavu wa majani, na mwingiliano kati ya ethilini na auxin utaongeza uundaji wa mizizi inayojitokeza.

Mkazo wa oksijeni husababisha kupungua kwa ukuaji wa majani

ABA huzalishwa kwenye mizizi na majani ili kukabiliana na mikazo mbalimbali ya kimazingira. Katika mazingira ya mizizi, mwitikio wa kawaida kwa msongo ni kufungwa kwa stomatal, ambayo inahusisha uundaji wa ABA. Kabla ya stomata kufungwa, sehemu ya juu ya mmea hupoteza shinikizo la uvimbe, majani ya juu hunyauka, na ufanisi wa usanisinuru pia unaweza kupungua. Tafiti nyingi zimeonyesha kuwa stomata huitikia ongezeko la mkusanyiko wa ABA katika apoplast kwa kufunga, yaani, jumla ya kiwango cha ABA katika majani yasiyo ya majani kwa kutoa ABA ndani ya seli, mimea inaweza kuongeza mkusanyiko wa apoplast ABA haraka sana. Mimea inapokuwa chini ya mkazo wa kimazingira, huanza kutoa ABA katika seli, na ishara ya kutolewa kwa mizizi inaweza kusambazwa kwa dakika badala ya saa. Kuongezeka kwa ABA katika tishu za jani kunaweza kupunguza urefu wa ukuta wa seli na kusababisha kupungua kwa urefu wa jani. Athari nyingine ya upungufu wa oksijeni ni kwamba muda wa maisha wa majani hufupishwa, ambao utaathiri majani yote. Upungufu wa oksijeni kwa kawaida husababisha kupungua kwa usafirishaji wa saitokinin na nitrati. Ukosefu wa nitrojeni au saitokinin utafupisha muda wa utunzaji wa eneo la jani na kusimamisha ukuaji wa matawi na majani ndani ya siku chache.

Kuboresha mazingira ya oksijeni ya mfumo wa mizizi ya mazao

Sifa za msingi huu ndizo zinazoamua usambazaji wa maji na oksijeni. Kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi ya mboga za kijani kibichi kinahusiana zaidi na uwezo wa kushikilia maji wa msingi huu, umwagiliaji (ukubwa na marudio), muundo wa msingi na halijoto ya ukanda wa msingi. Ni wakati tu kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi kikiwa juu ya 10% (4~5mg/L) ndipo shughuli ya mizizi inaweza kudumishwa katika hali bora zaidi.

Mfumo wa mizizi ya mazao ni muhimu sana kwa ukuaji wa mimea na upinzani dhidi ya magonjwa ya mimea. Maji na virutubisho vitafyonzwa kulingana na mahitaji ya mimea. Hata hivyo, kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi kwa kiasi kikubwa huamua ufanisi wa unyonyaji wa virutubisho na maji na ubora wa mfumo wa mizizi. Kiwango cha kutosha cha oksijeni katika mazingira ya mfumo wa mizizi kinaweza kuhakikisha afya ya mfumo wa mizizi, ili mimea iwe na upinzani bora dhidi ya vijidudu vinavyosababisha magonjwa (Mchoro 3). Kiwango cha kutosha cha oksijeni katika sehemu ya chini pia hupunguza hatari ya hali ya hewa isiyo na hewa, hivyo kupunguza hatari ya vijidudu vinavyosababisha magonjwa.

Matumizi ya oksijeni katika mazingira ya mizizi

Kiwango cha juu cha matumizi ya oksijeni kwa mazao kinaweza kufikia 40mg/m2/h (matumizi hutegemea mazao). Kulingana na halijoto, maji ya umwagiliaji yanaweza kuwa na hadi 7~8mg/L ya oksijeni (Mchoro 4). Ili kufikia 40 mg, lita 5 za maji lazima zitolewe kila saa ili kukidhi mahitaji ya oksijeni, lakini kwa kweli, kiasi cha umwagiliaji katika siku moja kinaweza kisifikiwe. Hii ina maana kwamba oksijeni inayotolewa na umwagiliaji ina jukumu dogo tu. Sehemu kubwa ya usambazaji wa oksijeni hufikia eneo la mizizi kupitia vinyweleo kwenye matrix, na mchango wa usambazaji wa oksijeni kupitia vinyweleo ni hadi 90%, kulingana na wakati wa siku. Wakati uvukizi wa mimea unapofikia kiwango cha juu, kiasi cha umwagiliaji pia hufikia kiwango cha juu, ambacho ni sawa na 1~1.5L/m2/h. Ikiwa maji ya umwagiliaji yana 7mg/L oksijeni, yatatoa 7~11mg/m2/h oksijeni kwa eneo la mizizi. Hii ni sawa na 17%~25% ya mahitaji. Bila shaka, hii inatumika tu katika hali ambapo maji ya umwagiliaji yasiyo na oksijeni katika sehemu ya chini ya ardhi hubadilishwa na maji safi ya umwagiliaji.

Mbali na matumizi ya mizizi, vijidudu katika mazingira ya mizizi pia hutumia oksijeni. Ni vigumu kupima hili kwa sababu hakuna kipimo kilichofanywa katika suala hili. Kwa kuwa substrates mpya hubadilishwa kila mwaka, inaweza kudhaniwa kuwa vijidudu vina jukumu dogo katika matumizi ya oksijeni.

Boresha halijoto ya mazingira ya mizizi

Halijoto ya kimazingira ya mfumo wa mizizi ni muhimu sana kwa ukuaji na utendaji kazi wa kawaida wa mfumo wa mizizi, na pia ni jambo muhimu linaloathiri ufyonzaji wa maji na virutubisho na mfumo wa mizizi.

Joto la chini sana la substrate (joto la mizizi) linaweza kusababisha ugumu wa kunyonya maji. Katika 5℃, unyonyaji ni 70% ~ 80% chini kuliko katika 20℃. Ikiwa joto la chini la substrate linaambatana na joto la juu, litasababisha kunyauka kwa mimea. Ni wazi kwamba unyonyaji wa ioni hutegemea halijoto, ambayo huzuia unyonyaji wa ioni katika halijoto ya chini, na unyeti wa vipengele tofauti vya virutubisho kwa halijoto ni tofauti.

Halijoto ya juu sana ya substrate pia haina maana, na inaweza kusababisha mfumo mkubwa wa mizizi. Kwa maneno mengine, kuna usambazaji usio na usawa wa vitu vikavu katika mimea. Kwa sababu mfumo wa mizizi ni mkubwa sana, hasara zisizo za lazima zitatokea kupitia kupumua, na sehemu hii ya nishati iliyopotea ingeweza kutumika kwa sehemu ya mavuno ya mmea. Katika halijoto ya juu ya substrate, kiwango cha oksijeni iliyoyeyuka ni cha chini, ambacho kina athari kubwa zaidi kwenye kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi kuliko oksijeni inayotumiwa na vijidudu. Mfumo wa mizizi hutumia oksijeni nyingi, na hata husababisha upungufu wa oksijeni katika hali ya substrate au muundo duni wa udongo, hivyo kupunguza unyonyaji wa maji na ioni.

Dumisha uwezo wa kutosha wa kushikilia maji wa matrix.

Kuna uhusiano hasi kati ya kiwango cha maji na asilimia ya oksijeni kwenye matrix. Kiwango cha maji kinapoongezeka, kiwango cha oksijeni hupungua, na kinyume chake. Kuna kiwango muhimu kati ya kiwango cha maji na oksijeni kwenye matrix, yaani, kiwango cha maji cha 80% ~ 85% (Mchoro 5). Utunzaji wa muda mrefu wa kiwango cha maji zaidi ya 85% kwenye substrate utaathiri usambazaji wa oksijeni. Sehemu kubwa ya usambazaji wa oksijeni (75% ~ 90%) ni kupitia vinyweleo kwenye matrix.

Nyongeza ya umwagiliaji kwa kiwango cha oksijeni kwenye substrate

Mwangaza zaidi wa jua utasababisha matumizi ya juu ya oksijeni na kiwango cha chini cha oksijeni kwenye mizizi (Mchoro 6), na sukari zaidi itafanya matumizi ya oksijeni kuwa juu zaidi usiku. Mtiririko wa hewa ni mkubwa, unyonyaji wa maji ni mkubwa, na kuna hewa zaidi na oksijeni zaidi kwenye substrate. Inaweza kuonekana kutoka kushoto kwa Mchoro 7 kwamba kiwango cha oksijeni kwenye substrate kitaongezeka kidogo baada ya umwagiliaji chini ya hali kwamba uwezo wa kushikilia maji wa substrate ni mkubwa na kiwango cha hewa ni kidogo sana. Kama inavyoonyeshwa kulia kwa mchoro 7, chini ya hali ya mwangaza bora, kiwango cha hewa kwenye substrate huongezeka kutokana na unyonyaji zaidi wa maji (nyakati zile zile za umwagiliaji). Ushawishi wa umwagiliaji kwenye kiwango cha oksijeni kwenye substrate ni mdogo sana kuliko uwezo wa kushikilia maji (kiwango cha hewa) kwenye substrate.

Jadili

Katika uzalishaji halisi, kiwango cha oksijeni (hewa) katika mazingira ya mizizi ya mazao hupuuzwa kwa urahisi, lakini ni jambo muhimu ili kuhakikisha ukuaji wa kawaida wa mazao na ukuaji mzuri wa mizizi.

Ili kupata mavuno ya juu zaidi wakati wa uzalishaji wa mazao, ni muhimu sana kulinda mazingira ya mfumo wa mizizi katika hali bora iwezekanavyo. Uchunguzi umeonyesha kuwa O₂Kiwango cha chini ya 4mg/L katika mazingira ya mfumo wa mizizi kitakuwa na athari mbaya kwenye ukuaji wa mazao.₂Kiwango cha maji katika mazingira ya mizizi huathiriwa zaidi na umwagiliaji (kiasi cha umwagiliaji na marudio), muundo wa substrate, kiwango cha maji cha substrate, chafu na halijoto ya substrate, na mifumo tofauti ya upandaji itakuwa tofauti. Mwani na vijidudu pia vina uhusiano fulani na kiwango cha oksijeni katika mazingira ya mizizi ya mazao ya hydroponic. Hypoxia sio tu husababisha ukuaji wa polepole wa mimea, lakini pia huongeza shinikizo la vimelea vya mizizi (pythium, phytophthora, fusarium) kwenye ukuaji wa mizizi.

Mkakati wa umwagiliaji una ushawishi mkubwa kwa O₂Kiwango cha maji kwenye substrate, na pia ni njia inayoweza kudhibitiwa zaidi katika mchakato wa kupanda. Baadhi ya tafiti za upandaji waridi zimegundua kuwa kuongeza polepole kiwango cha maji kwenye substrate (asubuhi) kunaweza kupata hali bora ya oksijeni. Katika substrate yenye uwezo mdogo wa kushikilia maji, substrate inaweza kudumisha kiwango cha juu cha oksijeni, na wakati huo huo, ni muhimu kuepuka tofauti ya kiwango cha maji kati ya substrate kupitia masafa ya juu ya umwagiliaji na muda mfupi. Kadiri uwezo wa kushikilia maji wa substrate unavyopungua, ndivyo tofauti kubwa kati ya substrate inavyokuwa kubwa. Substrate yenye unyevunyevu, masafa ya chini ya umwagiliaji na muda mrefu zaidi huhakikisha uingizaji hewa zaidi na hali nzuri ya oksijeni.

Mifereji ya maji ya substrate ni jambo lingine ambalo lina ushawishi mkubwa katika kiwango cha upyaji na mteremko wa mkusanyiko wa oksijeni kwenye substrate, kulingana na aina na uwezo wa kushikilia maji wa substrate. Kioevu cha umwagiliaji hakipaswi kukaa chini ya substrate kwa muda mrefu sana, lakini kinapaswa kutolewa haraka ili maji safi ya umwagiliaji yaliyojaa oksijeni yaweze kufikia chini ya substrate tena. Kasi ya mifereji ya maji inaweza kuathiriwa na vipimo rahisi, kama vile mteremko wa substrate katika mwelekeo wa longitudinal na upana. Kadiri mteremko unavyokuwa mkubwa, ndivyo kasi ya mifereji ya maji inavyoongezeka. Substrate tofauti zina nafasi tofauti na idadi ya njia za kutolea maji pia ni tofauti.

MWISHO

[taarifa ya nukuu]

Xie Yuanpei. Athari za kiwango cha oksijeni katika mazingira katika mizizi ya mazao ya chafu kwenye ukuaji wa mazao [J]. Teknolojia ya Uhandisi wa Kilimo, 2022,42(31):21-24.