Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp trong canh tác nhà kính. Được công bố tại Bắc Kinh lúc 17:30 ngày 13 tháng 1 năm 2023.

Sự hấp thụ hầu hết các nguyên tố dinh dưỡng là một quá trình liên quan chặt chẽ đến các hoạt động trao đổi chất của rễ cây. Các quá trình này cần năng lượng được tạo ra bởi quá trình hô hấp của tế bào rễ, và sự hấp thụ nước cũng được điều chỉnh bởi nhiệt độ và hô hấp, và hô hấp cần sự tham gia của oxy, do đó oxy trong môi trường rễ có tác động sống còn đến sự sinh trưởng bình thường của cây trồng. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ mặn, và cấu trúc của giá thể quyết định hàm lượng không khí trong môi trường rễ. Tưới tiêu có sự khác biệt lớn trong việc làm mới và bổ sung hàm lượng oxy trong giá thể với các trạng thái hàm lượng nước khác nhau. Có nhiều yếu tố để tối ưu hóa hàm lượng oxy trong môi trường rễ, nhưng mức độ ảnh hưởng của mỗi yếu tố lại khá khác nhau. Duy trì khả năng giữ nước hợp lý của giá thể (hàm lượng không khí) là tiền đề để duy trì hàm lượng oxy cao trong môi trường rễ.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn đến hàm lượng oxy bão hòa trong dung dịch.

Hàm lượng oxy hòa tan trong nước

Oxy hòa tan là oxy tự do hoặc không liên kết trong nước, và hàm lượng oxy hòa tan trong nước sẽ đạt mức tối đa ở một nhiệt độ nhất định, đó là hàm lượng oxy bão hòa. Hàm lượng oxy bão hòa trong nước thay đổi theo nhiệt độ, và khi nhiệt độ tăng, hàm lượng oxy giảm. Hàm lượng oxy bão hòa của nước trong cao hơn so với nước biển chứa muối (Hình 1), do đó hàm lượng oxy bão hòa của các dung dịch dinh dưỡng có nồng độ khác nhau sẽ khác nhau.

Vận chuyển oxy trong chất nền

Oxy mà rễ cây trồng trong nhà kính có thể hấp thụ từ dung dịch dinh dưỡng phải ở trạng thái tự do, và oxy được vận chuyển trong giá thể thông qua không khí và nước xung quanh rễ. Khi đạt trạng thái cân bằng với hàm lượng oxy trong không khí ở nhiệt độ nhất định, lượng oxy hòa tan trong nước đạt mức tối đa, và sự thay đổi hàm lượng oxy trong không khí sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ thuận của hàm lượng oxy trong nước.

Ảnh hưởng của stress thiếu oxy trong môi trường rễ đối với cây trồng

Nguyên nhân gây thiếu oxy ở rễ

Có một số lý do khiến nguy cơ thiếu oxy trong hệ thống trồng thủy canh và trồng trên giá thể cao hơn vào mùa hè. Trước hết, hàm lượng oxy bão hòa trong nước sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Thứ hai, lượng oxy cần thiết để duy trì sự phát triển của rễ tăng lên khi nhiệt độ tăng. Hơn nữa, lượng chất dinh dưỡng được hấp thụ cao hơn vào mùa hè, do đó nhu cầu oxy cho việc hấp thụ chất dinh dưỡng cũng cao hơn. Điều này dẫn đến sự giảm hàm lượng oxy trong môi trường rễ và thiếu sự bổ sung hiệu quả, dẫn đến tình trạng thiếu oxy trong môi trường rễ.

Hấp thụ và tăng trưởng

Sự hấp thụ hầu hết các chất dinh dưỡng thiết yếu phụ thuộc vào các quá trình liên quan chặt chẽ đến quá trình trao đổi chất ở rễ, đòi hỏi năng lượng được tạo ra bởi quá trình hô hấp tế bào rễ, tức là sự phân hủy các sản phẩm quang hợp khi có mặt oxy. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng 10%~20% tổng lượng chất đồng hóa của cây cà chua được sử dụng ở rễ, trong đó 50% được sử dụng để hấp thụ ion dinh dưỡng, 40% cho sự sinh trưởng và chỉ 10% cho việc duy trì sự sống. Rễ phải tìm oxy trong môi trường xung quanh và giải phóng CO₂.₂Trong điều kiện kỵ khí do thông gió kém trong giá thể và hệ thống thủy canh, hiện tượng thiếu oxy sẽ ảnh hưởng đến sự hấp thụ nước và chất dinh dưỡng. Thiếu oxy có phản ứng nhanh chóng đối với sự hấp thụ chất dinh dưỡng tích cực, cụ thể là nitrat (NO₃⁻).₃^-), kali (K) và photphat (PO₄^3-), điều này sẽ cản trở sự hấp thụ thụ động canxi (Ca) và magiê (Mg).

Sự phát triển của rễ cây cần năng lượng, hoạt động bình thường của rễ cần nồng độ oxy thấp nhất, và nồng độ oxy dưới giá trị COP trở thành yếu tố hạn chế quá trình trao đổi chất của tế bào rễ (thiếu oxy). Khi nồng độ oxy thấp, sự phát triển chậm lại hoặc thậm chí dừng lại. Nếu tình trạng thiếu oxy cục bộ ở rễ chỉ ảnh hưởng đến cành và lá, hệ thống rễ có thể bù đắp cho phần hệ thống rễ không còn hoạt động vì lý do nào đó bằng cách tăng cường hấp thụ oxy cục bộ.

Cơ chế trao đổi chất của thực vật phụ thuộc vào oxy như chất nhận electron. Nếu thiếu oxy, quá trình sản xuất ATP sẽ dừng lại. Không có ATP, sự thoát proton từ rễ sẽ ngừng lại, dịch tế bào rễ sẽ trở nên axit, và các tế bào này sẽ chết trong vòng vài giờ. Tình trạng thiếu oxy tạm thời và ngắn hạn sẽ không gây ra stress dinh dưỡng không thể phục hồi ở thực vật. Nhờ cơ chế "hô hấp nitrat", đây có thể là một sự thích nghi ngắn hạn để đối phó với tình trạng thiếu oxy như một cách thay thế trong trường hợp thiếu oxy ở rễ. Tuy nhiên, tình trạng thiếu oxy kéo dài sẽ dẫn đến sự sinh trưởng chậm, giảm diện tích lá và giảm trọng lượng tươi và khô, dẫn đến năng suất cây trồng giảm đáng kể.

Ethylene

Khi chịu nhiều áp lực, cây sẽ tạo ra ethylene tại chỗ. Thông thường, ethylene được loại bỏ khỏi rễ bằng cách khuếch tán vào không khí trong đất. Khi xảy ra hiện tượng ngập úng, sự hình thành ethylene không chỉ tăng lên mà sự khuếch tán cũng giảm đáng kể do rễ bị bao quanh bởi nước. Sự gia tăng nồng độ ethylene sẽ dẫn đến sự hình thành mô thông khí ở rễ (Hình 2). Ethylene cũng có thể gây ra hiện tượng lão hóa lá, và sự tương tác giữa ethylene và auxin sẽ làm tăng sự hình thành rễ bất định.

Tình trạng thiếu oxy dẫn đến giảm sự phát triển của lá.

ABA được sản sinh ở rễ và lá để đối phó với các áp lực môi trường khác nhau. Trong môi trường rễ, phản ứng điển hình đối với áp lực là đóng khí khổng, liên quan đến sự hình thành ABA. Trước khi khí khổng đóng lại, phần ngọn cây mất áp suất trương nở, lá ngọn héo và hiệu quả quang hợp cũng có thể giảm. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khí khổng phản ứng với sự gia tăng nồng độ ABA trong không gian ngoại bào bằng cách đóng lại, tức là tổng hàm lượng ABA trong các mô không phải lá được giải phóng bằng cách giải phóng ABA nội bào, cây có thể tăng nồng độ ABA trong không gian ngoại bào rất nhanh. Khi cây chịu áp lực môi trường, chúng bắt đầu giải phóng ABA trong tế bào, và tín hiệu giải phóng từ rễ có thể được truyền đi trong vài phút thay vì vài giờ. Sự gia tăng ABA trong mô lá có thể làm giảm sự kéo dài của thành tế bào và dẫn đến giảm chiều dài lá. Một tác động khác của tình trạng thiếu oxy là làm giảm tuổi thọ của lá, điều này sẽ ảnh hưởng đến tất cả các lá. Tình trạng thiếu oxy thường dẫn đến giảm vận chuyển cytokinin và nitrat. Thiếu nitơ hoặc cytokinin sẽ rút ngắn thời gian duy trì diện tích lá và làm ngừng sự phát triển của cành và lá trong vòng vài ngày.

Tối ưu hóa môi trường oxy cho hệ rễ cây trồng

Đặc tính của giá thể đóng vai trò quyết định đến sự phân bố nước và oxy. Nồng độ oxy trong môi trường rễ của rau nhà kính chủ yếu liên quan đến khả năng giữ nước của giá thể, lượng nước tưới (lượng và tần suất), cấu trúc giá thể và nhiệt độ của giá thể. Chỉ khi hàm lượng oxy trong môi trường rễ đạt ít nhất trên 10% (4-5 mg/L) thì hoạt động của rễ mới được duy trì ở trạng thái tốt nhất.

Hệ rễ của cây trồng rất quan trọng đối với sự sinh trưởng và khả năng kháng bệnh của cây. Nước và chất dinh dưỡng sẽ được hấp thụ theo nhu cầu của cây. Tuy nhiên, nồng độ oxy trong môi trường rễ quyết định phần lớn hiệu quả hấp thụ chất dinh dưỡng và nước cũng như chất lượng của hệ rễ. Nồng độ oxy đầy đủ trong môi trường hệ rễ có thể đảm bảo sức khỏe của hệ rễ, giúp cây có khả năng chống chịu tốt hơn với các vi sinh vật gây bệnh (Hình 3). Nồng độ oxy đầy đủ trong giá thể cũng giảm thiểu nguy cơ xảy ra điều kiện kỵ khí, từ đó giảm thiểu nguy cơ nhiễm vi sinh vật gây bệnh.

Sự tiêu thụ oxy trong môi trường rễ

Lượng oxy tiêu thụ tối đa của cây trồng có thể lên tới 40mg/m2/h (lượng tiêu thụ tùy thuộc vào từng loại cây). Tùy thuộc vào nhiệt độ, nước tưới có thể chứa tới 7~8mg/L oxy (Hình 4). Để đạt được 40 mg, cần tưới 5L nước mỗi giờ để đáp ứng nhu cầu oxy, nhưng trên thực tế, lượng nước tưới trong một ngày có thể không đạt được mức này. Điều này có nghĩa là oxy do tưới cung cấp chỉ đóng một vai trò nhỏ. Phần lớn lượng oxy cung cấp đến vùng rễ thông qua các lỗ rỗng trong chất nền, và tỷ lệ cung cấp oxy qua các lỗ rỗng có thể lên tới 90%, tùy thuộc vào thời gian trong ngày. Khi sự bay hơi của cây đạt mức tối đa, lượng nước tưới cũng đạt mức tối đa, tương đương với 1~1,5L/m2/h. Nếu nước tưới chứa 7mg/L oxy, nó sẽ cung cấp 7~11mg/m2/h oxy cho vùng rễ. Điều này tương đương với 17%~25% nhu cầu. Dĩ nhiên, điều này chỉ áp dụng trong trường hợp nước tưới nghèo oxy trong giá thể được thay thế bằng nước tưới mới.

Ngoài việc tiêu thụ chất dinh dưỡng từ rễ cây, các vi sinh vật trong môi trường rễ cũng tiêu thụ oxy. Rất khó để định lượng điều này vì chưa có phép đo nào được thực hiện về mặt này. Vì chất nền mới được thay thế hàng năm, có thể giả định rằng vi sinh vật đóng vai trò tương đối nhỏ trong việc tiêu thụ oxy.

Tối ưu hóa nhiệt độ môi trường cho rễ cây.

Nhiệt độ môi trường xung quanh hệ rễ rất quan trọng đối với sự sinh trưởng và chức năng bình thường của hệ rễ, đồng thời cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước và chất dinh dưỡng của hệ rễ.

Nhiệt độ giá thể quá thấp (nhiệt độ rễ) có thể dẫn đến khó khăn trong việc hấp thụ nước. Ở 5℃, khả năng hấp thụ thấp hơn 70%~80% so với ở 20℃. Nếu nhiệt độ giá thể thấp đi kèm với nhiệt độ cao, cây sẽ bị héo. Sự hấp thụ ion rõ ràng phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thấp ức chế sự hấp thụ ion, và độ nhạy cảm của các nguyên tố dinh dưỡng khác nhau đối với nhiệt độ là khác nhau.

Nhiệt độ giá thể quá cao cũng không tốt, và có thể dẫn đến hệ rễ phát triển quá lớn. Nói cách khác, sự phân bổ chất khô trong cây không cân bằng. Do hệ rễ quá lớn, sẽ xảy ra tổn thất không cần thiết do hô hấp, và phần năng lượng bị mất này lẽ ra có thể được sử dụng cho phần thu hoạch của cây. Ở nhiệt độ giá thể cao hơn, hàm lượng oxy hòa tan thấp hơn, điều này ảnh hưởng đến hàm lượng oxy trong môi trường rễ nhiều hơn so với lượng oxy mà vi sinh vật tiêu thụ. Hệ rễ tiêu thụ rất nhiều oxy, thậm chí dẫn đến tình trạng thiếu oxy trong trường hợp giá thể hoặc cấu trúc đất kém, do đó làm giảm khả năng hấp thụ nước và ion.

Duy trì khả năng giữ nước hợp lý của chất nền.

Có mối tương quan nghịch giữa hàm lượng nước và tỷ lệ phần trăm oxy trong chất nền. Khi hàm lượng nước tăng, hàm lượng oxy giảm và ngược lại. Có một phạm vi tới hạn giữa hàm lượng nước và oxy trong chất nền, đó là hàm lượng nước từ 80% đến 85% (Hình 5). Việc duy trì hàm lượng nước trên 85% trong chất nền trong thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến nguồn cung cấp oxy. Phần lớn lượng oxy được cung cấp (75% đến 90%) là thông qua các lỗ rỗng trong chất nền.

Bổ sung nước tưới để tăng hàm lượng oxy trong chất nền

Ánh sáng mặt trời nhiều hơn sẽ dẫn đến lượng oxy tiêu thụ cao hơn và nồng độ oxy trong rễ thấp hơn (Hình 6), và lượng đường nhiều hơn sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ vào ban đêm. Quá trình thoát hơi nước mạnh, lượng nước hấp thụ lớn, và có nhiều không khí và oxy hơn trong giá thể. Có thể thấy từ phía bên trái của Hình 7 rằng hàm lượng oxy trong giá thể sẽ tăng nhẹ sau khi tưới nước trong điều kiện khả năng giữ nước của giá thể cao và hàm lượng không khí rất thấp. Như thể hiện ở phía bên phải của Hình 7, trong điều kiện chiếu sáng tương đối tốt hơn, hàm lượng không khí trong giá thể tăng lên do hấp thụ nước nhiều hơn (số lần tưới như nhau). Ảnh hưởng tương đối của việc tưới nước đến hàm lượng oxy trong giá thể ít hơn nhiều so với khả năng giữ nước (hàm lượng không khí) trong giá thể.

Bàn luận

Trong thực tế sản xuất, hàm lượng oxy (không khí) trong môi trường rễ cây trồng thường bị bỏ qua, nhưng đây là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự sinh trưởng bình thường của cây trồng và sự phát triển khỏe mạnh của rễ.

Để đạt được năng suất tối đa trong quá trình sản xuất nông nghiệp, việc bảo vệ môi trường hệ rễ ở điều kiện tốt nhất có thể là rất quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng O₂Nồng độ O trong môi trường hệ rễ dưới 4mg/L sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến sự sinh trưởng của cây trồng.₂Thành phần dinh dưỡng trong môi trường rễ chủ yếu bị ảnh hưởng bởi việc tưới tiêu (lượng và tần suất tưới), cấu trúc giá thể, hàm lượng nước trong giá thể, nhiệt độ nhà kính và giá thể, và các kiểu trồng khác nhau sẽ có sự khác biệt. Tảo và vi sinh vật cũng có mối quan hệ nhất định với hàm lượng oxy trong môi trường rễ của cây trồng thủy canh. Tình trạng thiếu oxy không chỉ làm chậm sự phát triển của cây mà còn làm tăng áp lực lên sự phát triển của các tác nhân gây bệnh ở rễ (Pythium, Phytophthora, Fusarium).

Chiến lược tưới tiêu có ảnh hưởng đáng kể đến O.₂Việc tăng dần lượng nước trong giá thể cũng là một cách kiểm soát tốt hơn trong quá trình trồng. Một số nghiên cứu về trồng hoa hồng đã chỉ ra rằng việc tăng dần lượng nước trong giá thể (vào buổi sáng) có thể giúp đạt được trạng thái oxy tốt hơn. Trong giá thể có khả năng giữ nước thấp, giá thể có thể duy trì hàm lượng oxy cao, đồng thời cần tránh sự chênh lệch hàm lượng nước giữa các giá thể bằng cách tưới thường xuyên hơn và rút ngắn khoảng thời gian giữa các lần tưới. Khả năng giữ nước của giá thể càng thấp, sự chênh lệch giữa các giá thể càng lớn. Giá thể ẩm, tần suất tưới thấp hơn và khoảng thời gian giữa các lần tưới dài hơn đảm bảo sự trao đổi không khí tốt hơn và điều kiện oxy thuận lợi.

Khả năng thoát nước của giá thể là một yếu tố khác có ảnh hưởng lớn đến tốc độ làm mới và độ chênh lệch nồng độ oxy trong giá thể, tùy thuộc vào loại và khả năng giữ nước của giá thể. Nước tưới không nên đọng lại ở đáy giá thể quá lâu mà cần được xả nhanh chóng để nước tưới giàu oxy tươi mới có thể thấm xuống đáy giá thể. Tốc độ thoát nước có thể bị ảnh hưởng bởi một số biện pháp tương đối đơn giản, chẳng hạn như độ dốc của giá thể theo chiều dọc và chiều ngang. Độ dốc càng lớn, tốc độ thoát nước càng nhanh. Các loại giá thể khác nhau có các lỗ thoát nước khác nhau và số lượng lỗ thoát nước cũng khác nhau.

KẾT THÚC

[thông tin trích dẫn]

Xie Yuanpei. Ảnh hưởng của hàm lượng oxy môi trường trong rễ cây trồng nhà kính đến sự sinh trưởng của cây trồng [J]. Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp, 2022, 42(31):21-24.