Tecnología de ingeniería agrícola de jardinería de invernadero Publicado en Beijing a las 17:30 el 13 de enero de 2023.

La absorción de la mayoría de los elementos nutritivos es un proceso estrechamente relacionado con las actividades metabólicas de las raíces de las plantas.Estos procesos requieren energía generada por la respiración de las células de la raíz, y la absorción de agua también está regulada por la temperatura y la respiración, y la respiración requiere la participación de oxígeno, por lo que el oxígeno en el entorno de la raíz tiene un impacto vital en el crecimiento normal de los cultivos.El contenido de oxígeno disuelto en el agua se ve afectado por la temperatura y la salinidad, y la estructura del sustrato determina el contenido de aire en el entorno de la raíz.El riego presenta grandes diferencias en la renovación y suplementación del contenido de oxígeno en sustratos con diferentes estados de contenido de agua.Hay muchos factores para optimizar el contenido de oxígeno en el ambiente de la raíz, pero el grado de influencia de cada factor es bastante diferente.Mantener una capacidad razonable de retención de agua del sustrato (contenido de aire) es la premisa para mantener un alto contenido de oxígeno en el entorno de la raíz.

Efectos de la temperatura y la salinidad en el contenido de oxígeno saturado en solución

Contenido de oxígeno disuelto en el agua

El oxígeno disuelto se disuelve en oxígeno libre o no ligado en el agua, y el contenido de oxígeno disuelto en el agua alcanzará el máximo a cierta temperatura, que es el contenido de oxígeno saturado.El contenido de oxígeno saturado en el agua cambia con la temperatura, y cuando la temperatura aumenta, el contenido de oxígeno disminuye.El contenido de oxígeno saturado del agua clara es mayor que el del agua de mar que contiene sal (Figura 1), por lo que el contenido de oxígeno saturado de las soluciones de nutrientes con diferentes concentraciones será diferente.

Transporte de oxígeno en matriz

El oxígeno que las raíces de los cultivos de invernadero pueden obtener de la solución nutritiva debe estar en estado libre, y el oxígeno se transporta en el sustrato a través del aire, el agua y el agua alrededor de las raíces.Cuando está en equilibrio con el contenido de oxígeno en el aire a una temperatura determinada, el oxígeno disuelto en el agua alcanza el máximo, y el cambio del contenido de oxígeno en el aire dará lugar al cambio proporcional del contenido de oxígeno en el agua.

Efectos del estrés por hipoxia en el entorno de la raíz en los cultivos

Causas de la hipoxia radicular

Hay varias razones por las que el riesgo de hipoxia en hidroponía y sistemas de cultivo en sustrato es mayor en verano.En primer lugar, el contenido de oxígeno saturado en el agua disminuirá a medida que aumente la temperatura.En segundo lugar, el oxígeno necesario para mantener el crecimiento de las raíces aumenta con el aumento de la temperatura.Además, la cantidad de absorción de nutrientes es mayor en verano, por lo que la demanda de oxígeno para la absorción de nutrientes es mayor.Conduce a la disminución del contenido de oxígeno en el entorno de la raíz y la falta de suplementos efectivos, lo que conduce a la hipoxia en el entorno de la raíz.

Absorción y crecimiento

La absorción de la mayoría de los nutrientes esenciales depende de los procesos íntimamente relacionados con el metabolismo de la raíz, que requieren la energía generada por la respiración de las células de la raíz, es decir, la descomposición de los productos fotosintéticos en presencia de oxígeno.Los estudios han demostrado que del 10 % al 20 % del total de asimilados de las plantas de tomate se utilizan en las raíces, el 50 % de los cuales se utilizan para la absorción de iones de nutrientes, el 40 % para el crecimiento y solo el 10 % para el mantenimiento.Las raíces deben encontrar oxígeno en el ambiente directo donde liberan CO₂.En condiciones anaeróbicas provocadas por la mala ventilación en sustratos e hidroponía, la hipoxia afectará la absorción de agua y nutrientes.La hipoxia tiene una respuesta rápida a la absorción activa de nutrientes, a saber, nitrato (NO₃^-), potasio (K) y fosfato (PO₄^3-), lo que interferirá con la absorción pasiva de calcio (Ca) y magnesio (Mg).

El crecimiento de las raíces de las plantas necesita energía, la actividad normal de las raíces necesita la concentración de oxígeno más baja y la concentración de oxígeno por debajo del valor COP se convierte en un factor que limita el metabolismo de las células de la raíz (hipoxia).Cuando el nivel de contenido de oxígeno es bajo, el crecimiento se ralentiza o incluso se detiene.Si la hipoxia radicular parcial solo afecta a ramas y hojas, el sistema radicular puede compensar la parte del sistema radicular que ya no está activa por algún motivo aumentando la absorción local.

El mecanismo metabólico de las plantas depende del oxígeno como aceptor de electrones.Sin oxígeno, la producción de ATP se detendrá.Sin ATP, la salida de protones de las raíces se detendrá, la savia celular de las células de la raíz se volverá ácida y estas células morirán en unas pocas horas.La hipoxia temporal y de corto plazo no causará un estrés nutricional irreversible en las plantas.Debido al mecanismo de "respiración de nitrato", puede ser una adaptación a corto plazo para hacer frente a la hipoxia como una forma alternativa durante la hipoxia de la raíz.Sin embargo, la hipoxia a largo plazo conducirá a un crecimiento lento, disminución del área foliar y disminución del peso fresco y seco, lo que conducirá a una disminución significativa en el rendimiento del cultivo.

Etileno

Las plantas formarán etileno in situ bajo mucho estrés.Por lo general, el etileno se elimina de las raíces al difundirse en el aire del suelo.Cuando se produce un encharcamiento, no solo aumentará la formación de etileno, sino que también se reducirá mucho la difusión porque las raíces están rodeadas de agua.El aumento de la concentración de etileno conducirá a la formación de tejido de aireación en las raíces (Figura 2).El etileno también puede causar la senescencia de las hojas, y la interacción entre el etileno y la auxina aumentará la formación de raíces adventicias.

El estrés de oxígeno conduce a una disminución del crecimiento de las hojas

ABA se produce en raíces y hojas para hacer frente a diversas tensiones ambientales.En el entorno de la raíz, la respuesta típica al estrés es el cierre de estomas, lo que implica la formación de ABA.Antes de que se cierren los estomas, la parte superior de la planta pierde presión de hinchamiento, las hojas superiores se marchitan y la eficiencia fotosintética también puede disminuir.Muchos estudios han demostrado que los estomas responden al aumento de la concentración de ABA en el apoplasto cerrando, es decir, el contenido total de ABA en las hojas no liberando ABA intracelular, las plantas pueden aumentar la concentración de ABA apoplasto muy rápidamente.Cuando las plantas están bajo estrés ambiental, comienzan a liberar ABA en las células y la señal de liberación de la raíz puede transmitirse en minutos en lugar de horas.El aumento de ABA en el tejido de la hoja puede reducir el alargamiento de la pared celular y conducir a la disminución del alargamiento de la hoja.Otro efecto de la hipoxia es que se acorta la vida útil de las hojas, lo que afectará a todas las hojas.La hipoxia generalmente conduce a la disminución del transporte de citoquininas y nitratos.La falta de nitrógeno o citoquinina acortará el tiempo de mantenimiento del área foliar y detendrá el crecimiento de ramas y hojas en unos pocos días.

Optimización del entorno de oxígeno del sistema radicular del cultivo

Las características del sustrato son decisivas para la distribución de agua y oxígeno.La concentración de oxígeno en el entorno de las raíces de las hortalizas de invernadero está relacionada principalmente con la capacidad de retención de agua del sustrato, el riego (tamaño y frecuencia), la estructura del sustrato y la temperatura de la franja de sustrato.Solo cuando el contenido de oxígeno en el entorno de la raíz es al menos superior al 10 % (4~5 mg/L) se puede mantener la actividad de la raíz en el mejor estado.

El sistema de raíces de los cultivos es muy importante para el crecimiento de las plantas y su resistencia a las enfermedades.El agua y los nutrientes se absorberán de acuerdo con las necesidades de las plantas.Sin embargo, el nivel de oxígeno en el entorno de la raíz determina en gran medida la eficiencia de absorción de nutrientes y agua y la calidad del sistema radicular.Un nivel suficiente de oxígeno en el entorno del sistema radicular puede garantizar la salud del sistema radicular, de modo que las plantas tengan una mejor resistencia a los microorganismos patógenos (Figura 3).Un nivel adecuado de oxígeno en el sustrato también minimiza el riesgo de condiciones anaeróbicas, minimizando así el riesgo de microorganismos patógenos.

Consumo de oxígeno en el entorno radicular

El consumo máximo de oxígeno de los cultivos puede llegar a 40 mg/m2/h (el consumo depende de los cultivos).Dependiendo de la temperatura, el agua de riego puede contener hasta 7~8mg/L de oxígeno (Figura 4).Para llegar a 40 mg, se deben dar 5L de agua cada hora para cubrir la demanda de oxígeno, pero de hecho, es posible que no se alcance la cantidad de riego en un día.Esto significa que el oxígeno proporcionado por el riego juega solo un papel pequeño.La mayor parte del suministro de oxígeno llega a la zona de la raíz a través de los poros de la matriz, y la contribución del suministro de oxígeno a través de los poros llega hasta el 90 %, dependiendo de la hora del día.Cuando la evaporación de las plantas alcanza el máximo, la cantidad de riego también alcanza el máximo, lo que equivale a 1~1,5 l/m2/h.Si el agua de riego contiene 7mg/L de oxígeno, proporcionará 7~11mg/m2/h de oxígeno para la zona radicular.Esto es equivalente al 17%~25% de la demanda.Por supuesto, esto solo se aplica a la situación en la que el agua de riego pobre en oxígeno en el sustrato se reemplaza por agua de riego fresca.

Además del consumo de raíces, los microorganismos en el entorno de las raíces también consumen oxígeno.Es difícil cuantificarlo porque no se ha realizado ninguna medición al respecto.Dado que cada año se reemplazan nuevos sustratos, se puede suponer que los microorganismos juegan un papel relativamente pequeño en el consumo de oxígeno.

Optimizar la temperatura ambiental de las raíces

La temperatura ambiental del sistema radicular es muy importante para el crecimiento y funcionamiento normal del sistema radicular, y también es un factor importante que afecta la absorción de agua y nutrientes por parte del sistema radicular.

Una temperatura del sustrato demasiado baja (temperatura de la raíz) puede dificultar la absorción de agua.A 5℃, la absorción es 70%~80% más baja que a 20℃.Si la temperatura baja del sustrato se acompaña de una temperatura alta, provocará el marchitamiento de la planta.La absorción de iones obviamente depende de la temperatura, lo que inhibe la absorción de iones a baja temperatura, y la sensibilidad de los diferentes elementos nutrientes a la temperatura es diferente.

La temperatura del sustrato demasiado alta también es inútil y puede conducir a un sistema de raíces demasiado grande.En otras palabras, existe una distribución desequilibrada de la materia seca en las plantas.Debido a que el sistema de raíces es demasiado grande, se producirán pérdidas innecesarias a través de la respiración, y esta parte de la energía perdida podría haberse utilizado para la cosecha de la planta.A mayor temperatura del sustrato, el contenido de oxígeno disuelto es menor, lo que tiene un impacto mucho mayor en el contenido de oxígeno en el entorno de la raíz que el oxígeno consumido por los microorganismos.El sistema radicular consume mucho oxígeno, e incluso conduce a la hipoxia en el caso de sustrato o suelo de mala estructura, reduciendo así la absorción de agua e iones.

Mantener una capacidad razonable de retención de agua de la matriz.

Existe una correlación negativa entre el contenido de agua y el contenido porcentual de oxígeno en la matriz.Cuando el contenido de agua aumenta, el contenido de oxígeno disminuye y viceversa.Hay un rango crítico entre el contenido de agua y el oxígeno en la matriz, es decir, 80%~85% de contenido de agua (Figura 5).El mantenimiento a largo plazo del contenido de agua por encima del 85% en el sustrato afectará el suministro de oxígeno.La mayor parte del suministro de oxígeno (75%~90%) se realiza a través de los poros de la matriz.

Suplemento de riego al contenido de oxígeno en sustrato

Más luz solar conducirá a un mayor consumo de oxígeno y una menor concentración de oxígeno en las raíces (Figura 6), y más azúcar hará que el consumo de oxígeno sea mayor durante la noche.La transpiración es fuerte, la absorción de agua es grande y hay más aire y más oxígeno en el sustrato.Se puede ver desde la izquierda de la Figura 7 que el contenido de oxígeno en el sustrato aumentará ligeramente después del riego bajo la condición de que la capacidad de retención de agua del sustrato sea alta y el contenido de aire sea muy bajo.Como se muestra a la derecha de la fig.7, en condiciones de iluminación relativamente mejor, el contenido de aire en el sustrato aumenta debido a una mayor absorción de agua (mismos tiempos de riego).La influencia relativa del riego sobre el contenido de oxígeno en el sustrato es mucho menor que la capacidad de retención de agua (contenido de aire) en el sustrato.

Conversar

En la producción real, el contenido de oxígeno (aire) en el entorno de las raíces de los cultivos se pasa por alto fácilmente, pero es un factor importante para garantizar el crecimiento normal de los cultivos y el desarrollo saludable de las raíces.

Para obtener el máximo rendimiento durante la producción del cultivo, es muy importante proteger el entorno del sistema radicular en las mejores condiciones tanto como sea posible.Los estudios han demostrado que el O₂el contenido en el entorno del sistema radicular por debajo de 4 mg/L tendrá un impacto negativo en el crecimiento del cultivo.la o₂el contenido en el entorno de la raíz está influenciado principalmente por el riego (cantidad y frecuencia de riego), la estructura del sustrato, el contenido de agua del sustrato, el invernadero y la temperatura del sustrato, y los diferentes patrones de plantación serán diferentes.Las algas y los microorganismos también tienen cierta relación con el contenido de oxígeno en el entorno radicular de los cultivos hidropónicos.La hipoxia no solo provoca el lento desarrollo de las plantas, sino que también aumenta la presión de los patógenos de las raíces (pythium, phytophthora, fusarium) sobre el crecimiento de las raíces.

La estrategia de riego tiene una influencia significativa en el O₂contenido en el sustrato, y también es una forma más controlable en el proceso de plantación.Algunos estudios de plantación de rosas han encontrado que aumentando lentamente el contenido de agua en el sustrato (por la mañana) se puede obtener un mejor estado de oxígeno.En el sustrato con baja capacidad de retención de agua, el sustrato puede mantener un alto contenido de oxígeno y, al mismo tiempo, es necesario evitar la diferencia de contenido de agua entre sustratos a través de una mayor frecuencia de riego y un intervalo más corto.Cuanto menor sea la capacidad de retención de agua de los sustratos, mayor será la diferencia entre sustratos.El sustrato húmedo, la frecuencia de riego más baja y el intervalo más largo aseguran más reemplazo de aire y condiciones de oxígeno favorables.

El drenaje del sustrato es otro factor que tiene una gran influencia en la tasa de renovación y el gradiente de concentración de oxígeno en el sustrato, dependiendo del tipo y capacidad de retención de agua del sustrato.El líquido de riego no debe permanecer en el fondo del sustrato por mucho tiempo, sino que debe descargarse rápidamente para que el agua de riego fresca enriquecida con oxígeno pueda llegar nuevamente al fondo del sustrato.La velocidad de drenaje puede verse influenciada por algunas medidas relativamente simples, como la pendiente del sustrato en las direcciones longitudinal y transversal.Cuanto mayor sea el gradiente, mayor será la velocidad de drenaje.Diferentes sustratos tienen diferentes aberturas y el número de salidas también es diferente.

FIN

[Información de la cita]

Xie Yuanpei.Efectos del contenido de oxígeno ambiental en las raíces de los cultivos de invernadero sobre el crecimiento de los cultivos [J].Tecnología de ingeniería agrícola, 2022, 42 (31): 21-24.