Teknologi rekayasa pertanian untuk budidaya tanaman di rumah kaca. Diterbitkan di Beijing pada pukul 17:30 tanggal 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 vital 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 pembaruan dan penambahan kandungan oksigen dalam substrat dengan kondisi kandungan air yang berbeda. Ada banyak faktor untuk mengoptimalkan kandungan oksigen di lingkungan akar, tetapi tingkat pengaruh setiap faktor sangat berbeda. Mempertahankan kapasitas penahan air substrat (kandungan udara) yang wajar adalah prasyarat untuk mempertahankan kandungan oksigen yang tinggi di lingkungan akar.

Pengaruh suhu dan salinitas terhadap 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 disebut kandungan oksigen jenuh. Kandungan oksigen jenuh dalam air berubah seiring dengan suhu, dan ketika suhu meningkat, kandungan oksigen menurun. Kandungan oksigen jenuh air jernih lebih tinggi daripada 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 di sekitar akar. Ketika berada dalam keseimbangan dengan kandungan oksigen di udara pada suhu tertentu, oksigen yang terlarut dalam air mencapai maksimum, dan perubahan kandungan oksigen di udara akan menyebabkan perubahan proporsional pada kandungan oksigen di dalam air.

Pengaruh stres hipoksia di lingkungan akar terhadap tanaman

Penyebab hipoksia akar

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

Penyerapan dan pertumbuhan

Penyerapan sebagian besar nutrisi penting bergantung pada proses yang berkaitan erat dengan metabolisme akar, yang membutuhkan energi yang dihasilkan oleh respirasi sel akar, yaitu, penguraian produk fotosintesis dengan adanya oksigen. Studi 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 sekitarnya tempat mereka melepaskan CO2.₂Dalam kondisi anaerobik yang disebabkan oleh ventilasi yang buruk pada substrat dan hidroponik, hipoksia akan memengaruhi penyerapan air dan nutrisi. Hipoksia memiliki respons cepat terhadap penyerapan nutrisi secara aktif, yaitu nitrat (NO₃⁻).₃^-), kalium (K) dan fosfat (PO)₄^3-), 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 pembatas metabolisme sel akar (hipoksia). Ketika kadar oksigen rendah, pertumbuhan melambat atau bahkan berhenti. Jika hipoksia akar parsial hanya memengaruhi cabang dan daun, sistem akar dapat mengkompensasi bagian sistem akar yang tidak lagi aktif karena suatu alasan dengan meningkatkan penyerapan lokal.

Mekanisme metabolisme tanaman bergantung pada oksigen sebagai penerima elektron. Tanpa oksigen, produksi ATP akan berhenti. Tanpa ATP, aliran proton dari akar akan berhenti, cairan sel akar akan menjadi asam, dan sel-sel ini akan mati dalam beberapa jam. Hipoksia sementara dan jangka pendek tidak akan menyebabkan stres nutrisi yang tidak dapat dipulihkan 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 di tempatnya sendiri di bawah tekanan yang tinggi. Biasanya, etilen dihilangkan dari akar dengan berdifusi ke udara tanah. Ketika terjadi genangan air, pembentukan etilen tidak hanya akan meningkat, tetapi juga difusinya akan sangat berkurang karena akar dikelilingi oleh air. Peningkatan konsentrasi etilen akan menyebabkan pembentukan jaringan aerasi di akar (Gambar 2). Etilen juga dapat menyebabkan penuaan daun, dan interaksi antara etilen dan auksin akan meningkatkan pembentukan akar adventif.

Kekurangan oksigen menyebabkan penurunan pertumbuhan daun.

ABA diproduksi di akar dan daun untuk mengatasi berbagai tekanan lingkungan. Di lingkungan akar, respons 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 telah menunjukkan bahwa stomata merespons peningkatan konsentrasi ABA di apoplast dengan menutup, yaitu, total kandungan ABA di luar daun dengan melepaskan ABA intraseluler, tanaman dapat meningkatkan konsentrasi ABA apoplast dengan sangat cepat. Ketika tanaman berada di bawah tekanan lingkungan, mereka mulai melepaskan ABA di dalam sel, dan sinyal pelepasan akar dapat ditransmisikan dalam hitungan menit, bukan jam. Peningkatan ABA di jaringan daun dapat mengurangi pemanjangan dinding sel dan menyebabkan penurunan pemanjangan daun. Efek lain dari hipoksia adalah masa hidup daun menjadi lebih pendek, yang akan memengaruhi semua daun. Hipoksia biasanya menyebabkan penurunan transportasi sitokinin dan nitrat. Kekurangan nitrogen atau sitokinin akan memperpendek waktu pemeliharaan luas daun dan menghentikan pertumbuhan cabang dan daun dalam beberapa hari.

Mengoptimalkan lingkungan oksigen pada sistem perakaran tanaman.

Karakteristik substrat sangat menentukan distribusi air dan oksigen. Konsentrasi oksigen di lingkungan akar sayuran rumah kaca terutama berkaitan dengan kapasitas penahan air substrat, irigasi (ukuran dan frekuensi), struktur substrat, dan suhu lapisan substrat. Aktivitas akar hanya dapat dipertahankan dalam kondisi terbaik jika kandungan oksigen di lingkungan akar minimal di atas 10% (4~5 mg/L).

Sistem perakaran tanaman sangat penting untuk pertumbuhan tanaman dan ketahanan tanaman terhadap penyakit. Air dan nutrisi akan diserap sesuai kebutuhan tanaman. Namun, kadar oksigen di lingkungan perakaran sangat menentukan efisiensi penyerapan nutrisi dan air serta kualitas sistem perakaran. Kadar oksigen yang cukup di lingkungan sistem perakaran dapat memastikan kesehatan sistem perakaran, sehingga tanaman memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap mikroorganisme patogen (Gambar 3). Kadar 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 mencapai 40 mg/m2/jam (konsumsi tergantung pada jenis tanaman). Tergantung pada suhu, air irigasi dapat mengandung hingga 7~8 mg/L oksigen (Gambar 4). Untuk mencapai 40 mg, 5 L air harus diberikan setiap jam untuk memenuhi kebutuhan oksigen, tetapi pada kenyataannya, jumlah irigasi dalam satu hari mungkin tidak tercapai. Ini berarti bahwa oksigen yang disediakan oleh irigasi hanya memainkan peran kecil. Sebagian besar pasokan oksigen mencapai zona akar melalui pori-pori di matriks, dan kontribusi pasokan oksigen melalui pori-pori mencapai 90%, tergantung pada waktu dalam sehari. Ketika penguapan tanaman mencapai maksimum, jumlah irigasi juga mencapai maksimum, yang setara dengan 1~1,5 L/m2/jam. Jika air irigasi mengandung 7 mg/L oksigen, maka akan menyediakan 7~11 mg/m2/jam oksigen untuk zona akar. Ini setara dengan 17%~25% dari kebutuhan. Tentu saja, ini hanya berlaku untuk situasi di mana air irigasi yang miskin oksigen dalam substrat digantikan oleh air irigasi segar.

Selain konsumsi oleh akar, mikroorganisme di lingkungan akar juga mengonsumsi oksigen. Sulit untuk mengukur hal ini secara kuantitatif karena belum 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 dan fungsi normal sistem akar, dan juga merupakan faktor penting yang memengaruhi penyerapan air dan nutrisi oleh sistem akar.

Suhu substrat yang terlalu rendah (suhu akar) dapat menyebabkan kesulitan dalam penyerapan air. Pada suhu 5℃, penyerapan air 70%~80% lebih rendah daripada pada suhu 20℃. Jika suhu substrat yang rendah disertai dengan suhu tinggi, hal itu akan menyebabkan tanaman layu. Penyerapan ion jelas bergantung pada suhu, yang menghambat penyerapan ion pada suhu rendah, dan sensitivitas unsur hara yang berbeda terhadap suhu juga berbeda.

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

Pertahankan kapasitas penahan air matriks yang wajar.

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

Penambahan irigasi untuk meningkatkan 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 terdapat lebih banyak udara dan lebih banyak oksigen dalam substrat. Dapat dilihat dari sebelah kiri Gambar 7 bahwa kandungan oksigen dalam substrat akan sedikit meningkat setelah irigasi dalam kondisi kapasitas penahan 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 dalam substrat meningkat karena penyerapan air yang lebih banyak (waktu irigasi yang sama). Pengaruh relatif irigasi terhadap kandungan oksigen dalam substrat jauh lebih kecil daripada kapasitas penahan air (kandungan udara) dalam substrat.

Membahas

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

Untuk mendapatkan hasil panen maksimal selama produksi tanaman, sangat penting untuk melindungi lingkungan sistem perakaran dalam kondisi sebaik mungkin. Studi menunjukkan bahwa O₂Kandungan O dalam lingkungan sistem akar di bawah 4 mg/L akan berdampak negatif pada pertumbuhan tanaman. O₂Kandungan oksigen dalam lingkungan akar terutama dipengaruhi oleh irigasi (jumlah dan frekuensi irigasi), struktur substrat, kandungan air substrat, suhu rumah kaca dan substrat, dan pola tanam yang berbeda akan menghasilkan pengaruh yang berbeda pula. Alga dan mikroorganisme juga memiliki hubungan tertentu dengan kandungan oksigen dalam lingkungan akar tanaman hidroponik. Hipoksia tidak hanya menyebabkan perkembangan tanaman yang lambat, tetapi juga meningkatkan tekanan patogen akar (Pythium, Phytophthora, Fusarium) pada pertumbuhan akar.

Strategi irigasi memiliki pengaruh yang signifikan terhadap O₂Kandungan air dalam media tanam, dan ini juga merupakan cara yang lebih terkontrol dalam proses penanaman. Beberapa penelitian penanaman mawar menemukan bahwa peningkatan kadar air dalam media tanam secara perlahan (di pagi hari) dapat menghasilkan kondisi oksigen yang lebih baik. Pada media tanam dengan kapasitas penahan air rendah, media tanam dapat mempertahankan kadar oksigen yang tinggi, dan pada saat yang sama, perlu untuk menghindari perbedaan kadar air antar media tanam melalui frekuensi penyiraman yang lebih tinggi dan interval yang lebih pendek. Semakin rendah kapasitas penahan air media tanam, semakin besar perbedaan antar media tanam. Media tanam yang lembap, frekuensi penyiraman yang lebih rendah, dan interval yang lebih panjang memastikan lebih banyak penggantian udara dan kondisi oksigen yang menguntungkan.

Drainase substrat merupakan faktor lain yang sangat memengaruhi laju pembaruan dan gradien konsentrasi oksigen dalam substrat, tergantung pada jenis dan kapasitas penahan air substrat. Cairan irigasi tidak boleh terlalu lama berada di dasar substrat, tetapi harus segera dibuang agar air irigasi segar yang kaya 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 saluran keluar juga berbeda.

AKHIR

[informasi kutipan]

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