Teknologi rekayasa pertanian berkebun rumah kaca Diterbitkan di Beijing pada pukul 17:30 pada 13 Januari 2023.

Penyerapan sebagian besar unsur hara merupakan proses yang berkaitan erat dengan aktivitas metabolisme akar tanaman.Proses ini membutuhkan energi yang dihasilkan oleh respirasi sel akar, dan penyerapan air juga diatur oleh suhu dan respirasi, dan respirasi membutuhkan partisipasi oksigen, sehingga oksigen di lingkungan akar memiliki dampak penting pada pertumbuhan normal tanaman.Kandungan oksigen terlarut dalam air dipengaruhi oleh suhu dan salinitas, dan struktur substrat menentukan kandungan udara di lingkungan akar.Irigasi memiliki perbedaan besar dalam pembaharuan dan penambahan kandungan oksigen dalam substrat dengan kondisi kandungan air yang berbeda.Ada banyak faktor untuk mengoptimalkan kandungan oksigen di lingkungan perakaran, namun tingkat pengaruh masing-masing faktor sangat berbeda.Mempertahankan kapasitas penahan air substrat yang wajar (kandungan udara) adalah premis mempertahankan kandungan oksigen yang tinggi di lingkungan akar.

Pengaruh suhu dan salinitas pada kandungan oksigen jenuh dalam larutan

Kandungan oksigen terlarut dalam air

Oksigen terlarut terlarut dalam oksigen yang tidak terikat atau bebas dalam air, dan kandungan oksigen terlarut dalam air akan mencapai maksimum pada suhu tertentu, yang merupakan kandungan oksigen jenuh.Kandungan oksigen jenuh dalam air berubah dengan suhu, dan ketika suhu meningkat, kandungan oksigen menurun.Kandungan oksigen jenuh air jernih lebih tinggi dibandingkan air laut yang mengandung garam (Gambar 1), sehingga kandungan oksigen jenuh larutan nutrisi dengan konsentrasi yang berbeda akan berbeda.

Transportasi oksigen dalam matriks

Oksigen yang dapat diperoleh akar tanaman rumah kaca dari larutan nutrisi harus dalam keadaan bebas, dan oksigen diangkut dalam substrat melalui udara dan air dan air di sekitar akar.Ketika berada dalam kesetimbangan dengan kandungan oksigen di udara pada suhu tertentu, oksigen terlarut dalam air mencapai maksimum, dan perubahan kandungan oksigen di udara akan menyebabkan perubahan kandungan oksigen dalam air secara proporsional.

Efek stres hipoksia di lingkungan akar pada tanaman

Penyebab hipoksia akar

Ada beberapa alasan mengapa risiko hipoksia pada sistem budidaya hidroponik dan substrat lebih tinggi di musim panas.Pertama-tama, kandungan oksigen jenuh dalam air akan berkurang seiring dengan kenaikan suhu.Kedua, oksigen yang dibutuhkan untuk mempertahankan pertumbuhan akar meningkat dengan meningkatnya suhu.Selain itu, jumlah penyerapan nutrisi lebih tinggi di musim panas, sehingga kebutuhan oksigen untuk penyerapan nutrisi lebih tinggi.Ini menyebabkan penurunan kandungan oksigen di lingkungan akar dan kurangnya suplemen yang efektif, yang menyebabkan hipoksia di lingkungan akar.

Penyerapan dan pertumbuhan

Penyerapan nutrisi yang paling penting tergantung pada proses yang berkaitan erat dengan metabolisme akar, yang membutuhkan energi yang dihasilkan oleh respirasi sel akar, yaitu dekomposisi produk fotosintesis dengan adanya oksigen.Studi telah menunjukkan bahwa 10% ~ 20% dari total asimilasi tanaman tomat digunakan di akar, 50% di antaranya digunakan untuk penyerapan ion nutrisi, 40% untuk pertumbuhan dan hanya 10% untuk pemeliharaan.Akar harus menemukan oksigen di lingkungan langsung di mana mereka melepaskan CO2₂.Dalam kondisi anaerobik yang disebabkan oleh ventilasi yang buruk pada substrat dan hidroponik, hipoksia akan mempengaruhi penyerapan air dan nutrisi.Hipoksia memiliki respon yang cepat terhadap penyerapan nutrisi secara aktif yaitu nitrat (NO₃^-), kalium (K) dan fosfat (PO₄^3-), yang akan mengganggu penyerapan pasif kalsium (Ca) dan magnesium (Mg).

Pertumbuhan akar tanaman membutuhkan energi, aktivitas akar normal membutuhkan konsentrasi oksigen terendah, dan konsentrasi oksigen di bawah nilai COP menjadi faktor penghambat metabolisme sel akar (hipoksia).Ketika tingkat kandungan oksigen rendah, pertumbuhan melambat atau bahkan berhenti.Jika hipoksia akar parsial hanya mempengaruhi cabang dan daun, sistem akar dapat mengkompensasi bagian dari sistem akar yang tidak lagi aktif karena alasan tertentu dengan meningkatkan penyerapan lokal.

Mekanisme metabolisme tumbuhan bergantung pada oksigen sebagai akseptor elektron.Tanpa oksigen, produksi ATP akan berhenti.Tanpa ATP, aliran keluar proton dari akar akan berhenti, getah sel sel akar akan menjadi asam, dan sel ini akan mati dalam beberapa jam.Hipoksia sementara dan jangka pendek tidak akan menyebabkan stres nutrisi yang tidak dapat diubah pada tanaman.Karena mekanisme "respirasi nitrat", ini mungkin merupakan adaptasi jangka pendek untuk mengatasi hipoksia sebagai cara alternatif selama hipoksia akar.Namun, hipoksia jangka panjang akan menyebabkan pertumbuhan yang lambat, penurunan luas daun dan penurunan berat segar dan kering, yang akan menyebabkan penurunan hasil panen yang signifikan.

Etilen

Tumbuhan akan membentuk etilen in situ di bawah banyak tekanan.Biasanya, etilen dihilangkan dari akar dengan menyebar ke udara tanah.Saat genangan air terjadi, pembentukan etilen tidak hanya akan meningkat, tetapi juga difusi akan sangat berkurang karena akar dikelilingi oleh air.Peningkatan konsentrasi etilen akan menyebabkan terbentuknya jaringan aerasi pada akar (Gambar 2).Etilena juga dapat menyebabkan penuaan daun, dan interaksi antara etilen dan auksin akan meningkatkan pembentukan akar adventif.

Stres oksigen menyebabkan penurunan pertumbuhan daun

ABA diproduksi di akar dan daun untuk mengatasi berbagai tekanan lingkungan.Pada lingkungan akar, respon khas terhadap stres adalah penutupan stomata, yang melibatkan pembentukan ABA.Sebelum stomata tertutup, bagian atas tanaman kehilangan tekanan pembengkakan, daun bagian atas layu, dan efisiensi fotosintesis juga dapat menurun.Banyak penelitian menunjukkan bahwa stomata merespon peningkatan konsentrasi ABA dalam apoplast dengan menutup, yaitu kandungan ABA total pada non-daun dengan melepaskan ABA intraseluler, tumbuhan dapat meningkatkan konsentrasi ABA apoplas dengan sangat cepat.Ketika tanaman berada di bawah tekanan lingkungan, mereka mulai melepaskan ABA dalam sel, dan sinyal pelepasan akar dapat ditransmisikan dalam hitungan menit, bukan jam.Peningkatan ABA pada jaringan daun dapat mengurangi pemanjangan dinding sel dan menyebabkan penurunan pemanjangan daun.Efek lain dari hipoksia adalah mempersingkat masa hidup daun, yang akan mempengaruhi semua daun.Hipoksia biasanya menyebabkan penurunan transpor sitokinin dan nitrat.Kekurangan nitrogen atau sitokinin akan mempersingkat waktu pemeliharaan luas daun dan menghentikan pertumbuhan cabang dan daun dalam beberapa hari.

Mengoptimalkan lingkungan oksigen dari sistem akar tanaman

Karakteristik substrat sangat menentukan distribusi air dan oksigen.Konsentrasi oksigen di lingkungan akar sayuran rumah kaca terutama terkait dengan kapasitas penahan air substrat, irigasi (ukuran dan frekuensi), struktur substrat, dan suhu lajur substrat.Hanya ketika kandungan oksigen di lingkungan akar setidaknya di atas 10% (4~5mg/L) aktivitas akar dapat dipertahankan dalam kondisi terbaik.

Sistem perakaran tanaman sangat penting untuk pertumbuhan tanaman dan ketahanan tanaman terhadap penyakit.Air dan unsur hara akan diserap sesuai dengan kebutuhan tanaman.Namun, kadar oksigen di lingkungan akar sangat menentukan efisiensi penyerapan nutrisi dan air serta kualitas sistem akar.Kadar oksigen yang cukup dalam lingkungan sistem perakaran dapat menjamin kesehatan sistem perakaran, sehingga tanaman memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap mikroorganisme patogen (Gambar 3).Tingkat oksigen yang memadai dalam substrat juga meminimalkan risiko kondisi anaerobik, sehingga meminimalkan risiko mikroorganisme patogen.

Konsumsi oksigen di lingkungan akar

Konsumsi oksigen maksimum tanaman dapat setinggi 40mg/m2/jam (konsumsi tergantung pada tanaman).Tergantung pada suhunya, air irigasi dapat mengandung oksigen hingga 7~8mg/L (Gambar 4).Untuk mencapai 40 mg, 5L air harus diberikan setiap jam untuk memenuhi kebutuhan oksigen, namun pada kenyataannya, jumlah irigasi dalam satu hari mungkin tidak tercapai.Artinya, oksigen yang disediakan oleh irigasi hanya berperan kecil.Sebagian besar suplai oksigen mencapai zona akar melalui pori-pori dalam matriks, dan kontribusi suplai oksigen melalui pori-pori mencapai 90%, bergantung pada waktu.Saat penguapan tanaman mencapai maksimum, jumlah irigasi juga mencapai maksimum, yang setara dengan 1~1,5L/m2/jam.Jika air irigasi mengandung 7mg/L oksigen, maka akan memberikan 7~11mg/m2/jam oksigen untuk zona akar.Ini setara dengan 17%~25% dari permintaan.Tentu saja, ini hanya berlaku jika air irigasi yang miskin oksigen di substrat diganti dengan air irigasi segar.

Selain konsumsi akar, mikroorganisme di lingkungan akar juga mengonsumsi oksigen.Sulit untuk mengukur ini karena tidak ada pengukuran yang dilakukan dalam hal ini.Karena substrat baru diganti setiap tahun, dapat diasumsikan bahwa mikroorganisme memainkan peran yang relatif kecil dalam konsumsi oksigen.

Optimalkan suhu lingkungan akar

Suhu lingkungan sistem akar sangat penting untuk pertumbuhan normal dan fungsi sistem akar, dan juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi penyerapan air dan nutrisi oleh sistem akar.

Suhu substrat yang terlalu rendah (suhu akar) dapat menyebabkan kesulitan dalam penyerapan air.Pada 5 ℃, penyerapannya 70% ~ 80% lebih rendah dari pada 20 ℃.Jika suhu substrat rendah disertai dengan suhu tinggi, maka akan menyebabkan layu tanaman.Penyerapan ion jelas tergantung pada suhu, yang menghambat penyerapan ion pada suhu rendah, dan kepekaan elemen nutrisi yang berbeda terhadap suhu berbeda.

Suhu media yang terlalu tinggi juga tidak berguna, dan dapat menyebabkan sistem akar menjadi terlalu besar.Dengan kata lain, terjadi ketidakseimbangan distribusi bahan kering pada tanaman.Karena sistem akar terlalu besar, kerugian yang tidak perlu akan terjadi melalui respirasi, dan bagian energi yang hilang ini dapat digunakan untuk bagian tanaman yang dipanen.Pada suhu substrat yang lebih tinggi, kandungan oksigen terlarut lebih rendah, yang berdampak jauh lebih besar pada kandungan oksigen di lingkungan akar daripada oksigen yang dikonsumsi oleh mikroorganisme.Sistem akar mengkonsumsi banyak oksigen, dan bahkan menyebabkan hipoksia pada substrat atau struktur tanah yang buruk, sehingga mengurangi penyerapan air dan ion.

Pertahankan kapasitas penahanan air yang wajar dari matriks.

Ada korelasi negatif antara kadar air dan persentase kandungan oksigen dalam matriks.Ketika kadar air meningkat, kandungan oksigen menurun, dan sebaliknya.Ada kisaran kritis antara kadar air dan oksigen dalam matriks, yaitu 80%~85% kadar air (Gambar 5).Pemeliharaan jangka panjang kadar air di atas 85% dalam substrat akan mempengaruhi pasokan oksigen.Sebagian besar pasokan oksigen (75%~90%) melalui pori-pori di dalam matriks.

Suplemen irigasi untuk kandungan oksigen dalam substrat

Lebih banyak sinar matahari akan menyebabkan konsumsi oksigen yang lebih tinggi dan konsentrasi oksigen yang lebih rendah di akar (Gambar 6), dan lebih banyak gula akan membuat konsumsi oksigen lebih tinggi di malam hari.Transpirasi kuat, penyerapan air besar, dan ada lebih banyak udara dan lebih banyak oksigen di substrat.Terlihat dari Gambar 7 sebelah kiri bahwa kandungan oksigen dalam substrat akan sedikit meningkat setelah irigasi dengan kondisi daya ikat air substrat tinggi dan kandungan udara sangat rendah.Seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan gambar.7, dalam kondisi pencahayaan yang relatif lebih baik, kandungan udara di dalam substrat meningkat karena penyerapan air yang lebih banyak (waktu irigasi yang sama).Pengaruh relatif irigasi terhadap kandungan oksigen di dalam substrat jauh lebih kecil dibandingkan dengan kapasitas menahan air (kandungan udara) di dalam substrat.

Membahas

Dalam produksi aktual, kandungan oksigen (udara) di lingkungan akar tanaman mudah diabaikan, tetapi merupakan faktor penting untuk memastikan pertumbuhan normal tanaman dan perkembangan akar yang sehat.

Untuk mendapatkan hasil maksimal selama produksi tanaman, sangat penting untuk melindungi lingkungan sistem perakaran dalam kondisi terbaik sebanyak mungkin.Studi telah menunjukkan bahwa O₂konten di lingkungan sistem akar di bawah 4mg/L akan berdampak negatif pada pertumbuhan tanaman.O₂kandungan dalam lingkungan akar terutama dipengaruhi oleh irigasi (jumlah dan frekuensi irigasi), struktur substrat, kandungan air substrat, suhu rumah kaca dan substrat, dan pola penanaman yang berbeda akan berbeda.Alga dan mikroorganisme juga memiliki hubungan tertentu dengan kandungan oksigen di lingkungan akar tanaman hidroponik.Hipoksia tidak hanya menyebabkan lambatnya perkembangan tanaman, tetapi juga meningkatkan tekanan patogen akar (pythium, phytophthora, fusarium) pada pertumbuhan akar.

Strategi irigasi memiliki pengaruh yang signifikan terhadap O₂konten dalam substrat, dan itu juga merupakan cara yang lebih terkontrol dalam proses penanaman.Beberapa penelitian penanaman mawar menemukan bahwa peningkatan kadar air di substrat secara perlahan (di pagi hari) bisa mendapatkan keadaan oksigen yang lebih baik.Pada substrat dengan kapasitas menahan air yang rendah, substrat dapat mempertahankan kandungan oksigen yang tinggi, dan pada saat yang sama perlu untuk menghindari perbedaan kadar air antara substrat melalui frekuensi irigasi yang lebih tinggi dan interval yang lebih pendek.Semakin rendah kapasitas menahan air substrat, semakin besar perbedaan antara substrat.Substrat yang lembab, frekuensi irigasi yang lebih rendah, dan interval yang lebih lama memastikan penggantian udara yang lebih banyak dan kondisi oksigen yang menguntungkan.

Drainase substrat adalah faktor lain yang memiliki pengaruh besar pada laju pembaharuan dan gradien konsentrasi oksigen dalam substrat, tergantung pada jenis dan kapasitas menahan air substrat.Cairan irigasi tidak boleh terlalu lama berada di dasar substrat, tetapi harus segera dibuang sehingga air irigasi segar yang diperkaya oksigen dapat kembali mencapai dasar substrat.Kecepatan drainase dapat dipengaruhi oleh beberapa ukuran yang relatif sederhana, seperti gradien substrat dalam arah memanjang dan lebar.Semakin besar gradien, semakin cepat kecepatan drainase.Substrat yang berbeda memiliki bukaan yang berbeda dan jumlah outlet juga berbeda.

AKHIR

[informasi kutipan]

Xie Yuanpei.Pengaruh kandungan oksigen lingkungan di akar tanaman rumah kaca pada pertumbuhan tanaman [J].Teknologi Rekayasa Pertanian, 2022,42(31):21-24.