Technologie d'ingénierie agricole de Greenhouse Gardening a publié à Pékin à 17h30 le 13 janvier 2023.

L'absorption de la plupart des éléments nutritifs est un processus étroitement lié aux activités métaboliques des racines des plantes. Ces processus nécessitent l'énergie générée par la respiration des cellules racinaires, et l'absorption de l'eau est également régulée par la température et la respiration, et la respiration nécessite la participation de l'oxygène, donc l'oxygène dans l'environnement racinaire a un impact vital sur la croissance normale des cultures. La teneur en oxygène dissoute dans l'eau est affectée par la température et la salinité, et la structure du substrat détermine la teneur en air dans l'environnement racinaire. L'irrigation a de grandes différences dans le renouvellement et le supplément de la teneur en oxygène dans les substrats avec différents états de teneur en eau. Il existe de nombreux facteurs pour optimiser la teneur en oxygène dans l'environnement racinaire, mais le degré d'influence de chaque facteur est très différent. Le maintien de la capacité de maintien en eau du substrat raisonnable (teneur en air) est la prémisse du maintien d'une teneur élevée en oxygène dans un environnement racinaire.

Effets de la température et de la salinité sur la teneur en oxygène saturée en solution

Teneur en oxygène dissous dans l'eau

L'oxygène dissous est dissous dans l'oxygène non lié ou libre dans l'eau, et la teneur en oxygène dissous dans l'eau atteindra le maximum à une certaine température, qui est la teneur en oxygène saturée. La teneur en oxygène saturée dans l'eau change avec la température et lorsque la température augmente, la teneur en oxygène diminue. La teneur en oxygène saturée de l'eau claire est plus élevée que celle de l'eau de mer contenant du sel (Figure1), de sorte que la teneur en oxygène saturée des solutions nutritives avec différentes concentrations sera différente.

Transport de l'oxygène dans la matrice

L'oxygène que les racines des cultures à effet de serre peut obtenir de la solution nutritive doit être à l'état libre, et l'oxygène est transporté dans le substrat à travers l'air et l'eau et l'eau autour des racines. Lorsqu'il est en équilibre avec la teneur en oxygène dans l'air à une température donnée, l'oxygène dissous dans l'eau atteint le maximum, et le changement de teneur en oxygène dans l'air entraînera le changement proportionnel de la teneur en oxygène dans l'eau.

Effets du stress de l'hypoxie dans l'environnement racinaire sur les cultures

Causes d'hypoxie racinaire

Il existe plusieurs raisons pour lesquelles le risque d'hypoxie dans les systèmes hydroponiques et de culture du substrat est plus élevé en été. Tout d'abord, la teneur en oxygène saturée dans l'eau diminuera à mesure que la température augmentera. Deuxièmement, l'oxygène nécessaire pour maintenir la croissance des racines augmente avec l'augmentation de la température. De plus, la quantité d'absorption des nutriments est plus élevée en été, de sorte que la demande d'oxygène pour l'absorption des nutriments est plus élevée. Cela entraîne la diminution de la teneur en oxygène dans l'environnement racinaire et le manque de supplément efficace, ce qui conduit à l'hypoxie dans l'environnement racinaire.

Absorption et croissance

L'absorption de la plupart des nutriments essentiels dépend des processus étroitement liés au métabolisme des racines, qui nécessitent l'énergie générée par la respiration des cellules racinaires, c'est-à-dire la décomposition de produits photosynthétiques en présence d'oxygène. Des études ont montré que 10% ~ 20% des assimilations totales des plants de tomates sont utilisées dans les racines, dont 50% sont utilisées pour l'absorption des ions nutriments, 40% pour la croissance et seulement 10% pour le maintien. Les racines doivent trouver de l'oxygène dans l'environnement direct où ils libèrent du CO₂. Dans des conditions anaérobies causées par une mauvaise ventilation dans les substrats et l'hydroponie, l'hypoxie affectera l'absorption de l'eau et des nutriments. L'hypoxie a une réponse rapide à l'absorption active des nutriments, à savoir le nitrate (non₃^-), le potassium (k) et le phosphate (PO₄^3-), qui interférera avec l'absorption passive du calcium (CA) et du magnésium (Mg).

La croissance de la racine des plantes nécessite une énergie, l'activité des racines normales a besoin de la concentration de l'oxygène la plus faible et la concentration d'oxygène en dessous de la valeur du COP devient un facteur limitant le métabolisme des cellules racinaires (hypoxie). Lorsque le niveau de teneur en oxygène est faible, la croissance ralentit ou s'arrête même. Si l'hypoxie racinaire partielle n'affecte que les branches et les feuilles, le système racinaire peut compenser la partie du système racinaire qui n'est plus actif pour une raison quelconque en augmentant l'absorption locale.

Le mécanisme métabolique des plantes dépend de l'oxygène comme accepteur d'électrons. Sans oxygène, la production d'ATP s'arrêtera. Sans ATP, l'écoulement des protons des racines s'arrêtera, la sève cellulaire des cellules racinaires deviendra acide et ces cellules mourront en quelques heures. L'hypoxie temporaire et à court terme ne provoquera pas de stress nutritionnel irréversible chez les plantes. En raison du mécanisme de «respiration de nitrate», il peut s'agir d'une adaptation à court terme pour faire face à l'hypoxie comme un moyen alternatif pendant l'hypoxie radiculaire. Cependant, l'hypoxie à long terme entraînera une croissance lente, une diminution de la zone foliaire et une diminution du poids frais et sec, ce qui entraînera une baisse significative du rendement des cultures.

Éthylène

Les plantes formeront de l'éthylène in situ sous beaucoup de stress. Habituellement, l'éthylène est retiré des racines en diffusant dans l'air du sol. En cas de laboratoire d'eau, la formation d'éthylène augmentera non seulement, mais aussi la diffusion sera considérablement réduite car les racines sont entourées d'eau. L'augmentation de la concentration d'éthylène entraînera la formation de tissu d'aération dans les racines (figure 2). L'éthylène peut également provoquer la sénescence des feuilles, et l'interaction entre l'éthylène et l'auxine augmentera la formation de racines adventieuses.

Le stress à l'oxygène entraîne une diminution de la croissance des feuilles

L'ABA est produite dans les racines et part pour faire face à divers contraintes environnementales. Dans l'environnement racinaire, la réponse typique au stress est la fermeture stomatique, qui implique la formation d'ABA. Avant que les stomates ne soient fermés, le sommet de la plante perd la pression de gonflement, les feuilles supérieures se flétrissent et l'efficacité photosynthétique peut également diminuer. De nombreuses études ont montré que les stomates répondent à l'augmentation de la concentration d'ABA dans l'apoplaste en fermant, c'est-à-dire que la teneur totale d'ABA dans les non-liés en libérant ABA intracellulaire, les plantes peuvent augmenter très rapidement la concentration d'ABA apoplaste. Lorsque les plantes sont sous stress environnemental, elles commencent à libérer ABA dans les cellules et le signal de libération de racine peut être transmis en quelques minutes au lieu d'heures. L'augmentation de l'ABA dans le tissu foliaire peut réduire l'allongement de la paroi cellulaire et entraîner une diminution de l'allongement des feuilles. Un autre effet de l'hypoxie est que la durée de vie des feuilles est raccourcie, ce qui affectera toutes les feuilles. L'hypoxie entraîne généralement la diminution du transport de cytokinine et de nitrate. Le manque d'azote ou de cytokinine raccourcira le temps de maintenance de la zone foliaire et arrêtera la croissance des branches et des feuilles en quelques jours.

Optimisation de l'environnement d'oxygène du système racinaire des cultures

Les caractéristiques du substrat sont décisives pour la distribution de l'eau et de l'oxygène. La concentration en oxygène dans l'environnement racinaire des légumes en serre est principalement liée à la capacité de maintien de l'eau du substrat, de l'irrigation (taille et de la fréquence), de la structure du substrat et de la température de la bande de substrat. Ce n'est que lorsque la teneur en oxygène dans l'environnement racine est supérieure à 10% (4 ~ 5 mg / L) que l'activité racine peut être maintenue dans le meilleur état.

Le système racinaire des cultures est très important pour la croissance des plantes et la résistance aux maladies des plantes. L'eau et les nutriments seront absorbés en fonction des besoins des plantes. Cependant, le niveau d'oxygène dans l'environnement racinaire détermine en grande partie l'efficacité d'absorption des nutriments et de l'eau et la qualité du système racinaire. Un niveau suffisant d'oxygène dans l'environnement du système racinaire peut assurer la santé du système racinaire, de sorte que les plantes ont une meilleure résistance aux micro-organismes pathogènes (figure 3). Le niveau d'oxygène adéquat dans le substrat minimise également le risque de conditions anaérobies, minimisant ainsi le risque de micro-organismes pathogènes.

Consommation d'oxygène dans un environnement racinaire

La consommation maximale d'oxygène des cultures peut atteindre 40 mg / m2 / h (la consommation dépend des cultures). Selon la température, l'eau d'irrigation peut contenir jusqu'à 7 ~ 8 mg / L d'oxygène (figure 4). Pour atteindre 40 mg, 5L d'eau doit être donnée toutes les heures pour répondre à la demande d'oxygène, mais en fait, le montant de l'irrigation en une journée peut ne pas être atteint. Cela signifie que l'oxygène fourni par l'irrigation ne joue qu'un petit rôle. La majeure partie de l'approvisionnement en oxygène atteint la zone racinaire à travers les pores de la matrice, et la contribution de l'approvisionnement en oxygène à travers les pores atteint 90%, selon l'heure de la journée. Lorsque l'évaporation des plantes atteint le maximum, la quantité d'irrigation atteint également le maximum, ce qui équivaut à 1 ~ 1,5 L / m2 / h. Si l'eau d'irrigation contient de l'oxygène 7 mg / L, il fournira 7 ~ 11 mg / m2 / h d'oxygène pour la zone racinaire. Cela équivaut à 17% ~ 25% de la demande. Bien sûr, cela ne s'applique qu'à la situation que l'eau d'irrigation pauvre en oxygène dans le substrat est remplacée par de l'eau d'irrigation fraîche.

En plus de la consommation de racines, les micro-organismes dans l'environnement racinaire consomment également de l'oxygène. Il est difficile de quantifier cela car aucune mesure n'a été effectuée à cet égard. Étant donné que de nouveaux substrats sont remplacés chaque année, on peut supposer que les micro-organismes jouent un rôle relativement faible dans la consommation d'oxygène.

Optimiser la température environnementale des racines

La température environnementale du système racinaire est très importante pour la croissance et la fonction normales du système racinaire, et c'est également un facteur important affectant l'absorption de l'eau et des nutriments par le système racinaire.

Une température trop basse du substrat (température des racines) peut entraîner des difficultés d'absorption de l'eau. À 5 ℃, l'absorption est de 70% ~ 80% inférieure à 20 ℃. Si une faible température du substrat s'accompagne d'une température élevée, elle entraînera un flétrissement des plantes. L'absorption des ions dépend évidemment de la température, ce qui inhibe l'absorption des ions à basse température, et la sensibilité des différents éléments nutritifs à la température est différente.

La température trop élevée du substrat est également inutile et peut conduire à un système racinaire trop grand. En d'autres termes, il existe une distribution déséquilibrée de matière sèche dans les plantes. Parce que le système racinaire est trop important, des pertes inutiles se produiront par la respiration, et cette partie de l'énergie perdue aurait pu être utilisée pour la partie récolte de la plante. À une température de substrat plus élevée, la teneur en oxygène dissous est plus faible, ce qui a un impact beaucoup plus important sur la teneur en oxygène dans l'environnement racinaire que l'oxygène consommé par les micro-organismes. Le système racinaire consomme beaucoup d'oxygène et conduit même à l'hypoxie dans le cas d'un mauvais substrat ou de la structure du sol, réduisant ainsi l'absorption de l'eau et des ions.

Maintenir une capacité de maintien en eau raisonnable de la matrice.

Il existe une corrélation négative entre la teneur en eau et le pourcentage de teneur en oxygène dans la matrice. Lorsque la teneur en eau augmente, la teneur en oxygène diminue et vice versa. Il existe une plage critique entre la teneur en eau et l'oxygène dans la matrice, c'est-à-dire 80% ~ 85% de teneur en eau (figure 5). Le maintien à long terme de la teneur en eau supérieure à 85% dans le substrat affectera l'approvisionnement en oxygène. La majeure partie de l'approvisionnement en oxygène (75% ~ 90%) se fait par les pores de la matrice.

Supplément d'irrigation à la teneur en oxygène dans le substrat

Plus de lumière du soleil entraînera une consommation d'oxygène plus élevée et une concentration plus faible en oxygène dans les racines (figure 6), et plus de sucre fera une consommation d'oxygène plus élevée la nuit. La transpiration est forte, l'absorption d'eau est grande et il y a plus d'air et plus d'oxygène dans le substrat. On peut voir à gauche de la figure 7 que la teneur en oxygène dans le substrat augmentera légèrement après l'irrigation à condition que la capacité de maintien de l'eau du substrat soit élevée et que la teneur en air est très faible. Comme indiqué à droite de la fig. 7, dans la condition d'un éclairage relativement meilleur, la teneur en air du substrat augmente en raison de plus d'absorption d'eau (mêmes temps d'irrigation). L'influence relative de l'irrigation sur la teneur en oxygène dans le substrat est bien inférieure à la capacité de maintien de l'eau (teneur en air) dans le substrat.

Discuter

Dans la production réelle, la teneur en oxygène (air) dans l'environnement des racines des cultures est facilement négligée, mais c'est un facteur important pour assurer la croissance normale des cultures et le développement sain des racines.

Afin d'obtenir le rendement maximal pendant la production de cultures, il est très important de protéger le meilleur environnement du système racinaire dans la meilleure condition. Des études ont montré que le o₂Le contenu dans l'environnement du système racinaire inférieur à 4 mg / L aura un impact négatif sur la croissance des cultures. Le o₂Le contenu dans l'environnement racinaire est principalement influencé par l'irrigation (quantité et fréquence d'irrigation), la structure du substrat, la teneur en eau du substrat, la température de la serre et du substrat et différents modèles de plantation seront différents. Les algues et les micro-organismes ont également une certaine relation avec la teneur en oxygène dans l'environnement racinaire des cultures hydroponiques. L'hypoxie provoque non seulement le lent développement des plantes, mais augmente également la pression des agents pathogènes racinaires (pythium, phytophthora, fusarium) sur la croissance des racines.

La stratégie d'irrigation a une influence significative sur le O₂Contenu dans le substrat, et c'est également une manière plus contrôlable dans le processus de plantation. Certaines études de plantation de roses ont montré que l'augmentation lentement de la teneur en eau dans le substrat (le matin) peut obtenir un meilleur état d'oxygène. Dans le substrat à faible capacité de maintien en eau, le substrat peut maintenir une teneur élevée en oxygène, et en même temps, il est nécessaire d'éviter la différence de teneur en eau entre les substrats par une fréquence d'irrigation plus élevée et un intervalle plus court. Plus la capacité de maintien de l'eau des substrats est faible, plus la différence entre les substrats est grande. Le substrat humide, la fréquence d'irrigation inférieure et l'intervalle plus long assurent davantage de remplacement de l'air et de conditions d'oxygène favorables.

Le drainage du substrat est un autre facteur qui a une grande influence sur le taux de renouvellement et le gradient de concentration en oxygène dans le substrat, selon le type et la capacité de maintien de l'eau du substrat. Le liquide d'irrigation ne doit pas rester au fond du substrat pendant trop longtemps, mais doit être déchargé rapidement afin que l'eau d'irrigation enrichie en oxygène fraîche puisse atteindre à nouveau le fond du substrat. La vitesse de drainage peut être influencée par certaines mesures relativement simples, telles que le gradient du substrat dans les directions longitudinales et de largeur. Plus le gradient est grand, plus la vitesse de drainage est rapide. Différents substrats ont des ouvertures différentes et le nombre de sorties est également différente.

FIN

[Informations sur la citation]

Xie Yuanpei. Effets de la teneur en oxygène environnemental dans les racines des cultures en serre sur la croissance des cultures [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42 (31): 21-24.