Technologie du génie agricole du jardinage sous serrePublié 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 de l'énergie générée par la respiration des cellules racinaires, et l'absorption d'eau est également régulée par la température et la respiration, et la respiration nécessite la participation d'oxygène, de sorte que l'oxygène dans l'environnement racinaire a un impact vital sur la croissance normale des cultures.La teneur en oxygène dissous dans l'eau est affectée par la température et la salinité, et la structure du substrat détermine la teneur en air dans l'environnement des racines.L'irrigation présente de grandes différences dans le renouvellement et le supplément de 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 assez différent.Le maintien d'une capacité de rétention d'eau raisonnable du substrat (teneur en air) est la prémisse du maintien d'une teneur élevée en oxygène dans l'environnement racinaire.

Effets de la température et de la salinité sur la teneur en oxygène saturé 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 saturé.La teneur en oxygène saturé dans l'eau change avec la température, et lorsque la température augmente, la teneur en oxygène diminue.La teneur en oxygène saturé de l'eau claire est supérieure à celle de l'eau de mer contenant du sel (Figure 1), de sorte que la teneur en oxygène saturé des solutions nutritives à différentes concentrations sera différente.

Transport de l'oxygène dans la matrice

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

Effets du stress hypoxique dans l'environnement racinaire sur les cultures

Causes de l'hypoxie racinaire

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

Absorption et croissance

L'absorption de la plupart des nutriments essentiels dépend des processus étroitement liés au métabolisme racinaire, qui nécessitent l'énergie générée par la respiration des cellules racinaires, c'est-à-dire la décomposition des produits photosynthétiques en présence d'oxygène.Des études ont montré que 10 % à 20 % des assimilats totaux des plants de tomates sont utilisés dans les racines, dont 50 % sont utilisés pour l'absorption des ions nutritifs, 40 % pour la croissance et seulement 10 % pour l'entretien.Les racines doivent trouver de l'oxygène dans l'environnement direct où elles libèrent du CO₂.Dans des conditions anaérobies causées par une mauvaise ventilation dans les substrats et la culture hydroponique, 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 (NO₃^-), potassium (K) et phosphate (PO₄^3-), ce qui va interférer avec l'absorption passive du calcium (Ca) et du magnésium (Mg).

La croissance des racines des plantes a besoin d'énergie, l'activité normale des racines a besoin de la concentration d'oxygène la plus faible et la concentration d'oxygène inférieure à la valeur COP devient un facteur limitant le métabolisme des cellules racinaires (hypoxie).Lorsque la teneur en oxygène est faible, la croissance ralentit voire s'arrête.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 active pour une raison quelconque en augmentant l'absorption locale.

Le mécanisme métabolique des plantes dépend de l'oxygène en tant qu'accepteur d'électrons.Sans oxygène, la production d'ATP s'arrêtera.Sans ATP, la sortie de 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 causera pas de stress nutritionnel irréversible chez les plantes.En raison du mécanisme de «respiration des nitrates», il peut s'agir d'une adaptation à court terme pour faire face à l'hypoxie comme alternative lors de l'hypoxie racinaire.Cependant, une hypoxie à long terme entraînera une croissance lente, une diminution de la surface 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 éliminé des racines par diffusion dans l'air du sol.En cas d'engorgement, non seulement la formation d'éthylène augmentera, mais la diffusion sera également fortement réduite car les racines sont entourées d'eau.L'augmentation de la concentration d'éthylène conduira à 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 adventives.

Le stress en oxygène entraîne une diminution de la croissance des feuilles

L'ABA est produit dans les racines et les feuilles pour faire face à divers stress environnementaux.Dans l'environnement racinaire, la réponse typique au stress est la fermeture des stomates, qui implique la formation d'ABA.Avant que les stomates ne soient fermés, le sommet de la plante perd sa 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 se fermant, c'est-à-dire la teneur totale en ABA dans les non-feuilles en libérant de l'ABA intracellulaire, les plantes peuvent augmenter très rapidement la concentration d'apoplaste ABA.Lorsque les plantes sont soumises à un stress environnemental, elles commencent à libérer de l'ABA dans les cellules, et le signal de libération des racines 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 des cytokinines et des nitrates.Le manque d'azote ou de cytokinine raccourcira le temps de maintien de la surface foliaire et arrêtera la croissance des branches et des feuilles en quelques jours.

Optimisation de l'environnement oxygéné du système racinaire des cultures

Les caractéristiques du substrat sont déterminantes pour la répartition de l'eau et de l'oxygène.La concentration d'oxygène dans l'environnement racinaire des légumes de serre est principalement liée à la capacité de rétention d'eau du substrat, à l'irrigation (taille et fréquence), à ​​la structure du substrat et à la température de la bande de substrat.Ce n'est que lorsque la teneur en oxygène dans l'environnement racinaire est au moins supérieure à 10 % (4 ~ 5 mg/L) que l'activité racinaire 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 d'oxygène suffisant dans l'environnement du système racinaire peut assurer la santé du système racinaire, de sorte que les plantes aient une meilleure résistance aux micro-organismes pathogènes (Figure 3).Un 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 l'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 à 8 mg/L d'oxygène (Figure 4).Pour atteindre 40 mg, il faut donner 5L d'eau toutes les heures pour répondre à la demande en oxygène, mais en fait, la quantité d'irrigation en une journée peut ne pas être atteinte.Cela signifie que l'oxygène apporté par l'irrigation ne joue qu'un petit rôle.La majeure partie de l'apport d'oxygène atteint la zone racinaire à travers les pores de la matrice, et la contribution de l'apport d'oxygène à travers les pores peut atteindre 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 7mg/L d'oxygène, elle fournira 7~11mg/m2/h d'oxygène pour la zone racinaire.Cela équivaut à 17 % ~ 25 % de la demande.Bien sûr, cela ne s'applique qu'au cas où 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 de l'environnement racinaire consomment également de l'oxygène.Il est difficile de quantifier cela car aucune mesure n'a été faite 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 ambiante des racines

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

Une température de substrat trop élevée est également inutile et peut conduire à un système racinaire trop important.En d'autres termes, il y a une répartition déséquilibrée de la matière sèche dans les plantes.Parce que le système racinaire est trop grand, 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 une hypoxie en cas de substrat ou de structure du sol médiocre, réduisant ainsi l'absorption d'eau et d'ions.

Maintenir une capacité de rétention d'eau raisonnable de la matrice.

Il existe une corrélation négative entre la teneur en eau et le pourcentage d'oxygène contenu 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 une teneur en eau de 80 % à 85 % (Figure 5).Le maintien à long terme d'une teneur en eau supérieure à 85 % dans le substrat affectera l'apport d'oxygène.La majeure partie de l'apport d'oxygène (75 % à 90 %) se fait par les pores de la matrice.

Supplément d'irrigation à la teneur en oxygène du substrat

Plus de lumière solaire entraînera une consommation d'oxygène plus élevée et une concentration d'oxygène plus faible dans les racines (Figure 6), et plus de sucre augmentera la consommation d'oxygène la nuit.La transpiration est forte, l'absorption d'eau est importante et il y a plus d'air et plus d'oxygène dans le substrat.On peut voir sur la gauche de la figure 7 que la teneur en oxygène dans le substrat augmentera légèrement après irrigation à condition que la capacité de rétention d'eau du substrat soit élevée et que la teneur en air soit très faible.Comme indiqué à droite de la fig.7, dans des conditions d'éclairage relativement meilleur, la teneur en air dans le substrat augmente en raison d'une plus grande absorption d'eau (mêmes temps d'irrigation).L'influence relative de l'irrigation sur la teneur en oxygène du substrat est bien inférieure à la capacité de rétention d'eau (teneur en air) du 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 lors de la production des cultures, il est très important de protéger autant que possible l'environnement du système racinaire dans les meilleures conditions.Des études ont montré que l'O₂une teneur dans l'environnement du système racinaire inférieure à 4mg/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 les 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 développement lent des plantes, mais augmente également la pression des agents pathogènes des racines (pythium, phytophthora, fusarium) sur la croissance des racines.

La stratégie d'irrigation a une influence significative sur l'O₂contenu dans le substrat, et c'est aussi un moyen plus contrôlable dans le processus de plantation.Certaines études sur la plantation de roses ont montré qu'une augmentation lente de la teneur en eau du substrat (le matin) peut améliorer l'état de l'oxygène.Dans le substrat à faible capacité de rétention d'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 grâce à une fréquence d'irrigation plus élevée et à un intervalle plus court.Plus la capacité de rétention d'eau des substrats est faible, plus la différence entre les substrats est grande.Un substrat humide, une fréquence d'irrigation plus faible et un intervalle plus long assurent un renouvellement d'air plus important et des 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 rétention d'eau du substrat.Le liquide d'irrigation ne doit pas rester trop longtemps au fond du substrat, mais doit être évacué rapidement afin que l'eau d'irrigation fraîche enrichie en oxygène puisse à nouveau atteindre le fond du substrat.La vitesse de drainage peut être influencée par certaines mesures relativement simples, telles que la pente du substrat dans le sens de la longueur et de la largeur.Plus la pente est grande, plus la vitesse de drainage est rapide.Différents substrats ont des ouvertures différentes et le nombre de sorties est également différent.

FIN

[informations sur la citation]

Xie Yuanpei.Effets de la teneur en oxygène de l'environnement dans les racines des cultures de serre sur la croissance des cultures [J].Technologie du génie agricole, 2022,42(31):21-24.