Agrartechnische Verfahren für den Gewächshausanbau. Veröffentlicht in Peking am 13. Januar 2023 um 17:30 Uhr.

Die Aufnahme der meisten Nährstoffe ist eng mit den Stoffwechselaktivitäten der Pflanzenwurzeln verknüpft. Diese Prozesse benötigen Energie aus der Zellatmung der Wurzeln. Auch die Wasseraufnahme wird durch Temperatur und Atmung reguliert, wobei die Atmung Sauerstoff benötigt. Daher hat der Sauerstoffgehalt im Wurzelmilieu entscheidenden Einfluss auf das normale Wachstum von Nutzpflanzen. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser wird von Temperatur und Salzgehalt beeinflusst, und die Substratstruktur bestimmt den Sauerstoffgehalt im Wurzelmilieu. Die Bewässerung führt zu erheblichen Unterschieden in der Sauerstoffzufuhr und -anreicherung in Substraten mit unterschiedlichem Wassergehalt. Viele Faktoren optimieren den Sauerstoffgehalt im Wurzelmilieu, wobei der Einfluss jedes einzelnen Faktors sehr unterschiedlich ist. Eine angemessene Wasserspeicherkapazität des Substrats (Sauerstoffgehalt) ist Voraussetzung für einen hohen Sauerstoffgehalt im Wurzelmilieu.

Einfluss von Temperatur und Salzgehalt auf den Sauerstoffgehalt in der Lösung

Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser

Gelöster Sauerstoff liegt als ungebundener oder freier Sauerstoff im Wasser vor. Sein Gehalt erreicht bei einer bestimmten Temperatur ein Maximum, den sogenannten Sättigungsgehalt. Dieser Sättigungsgehalt ändert sich mit der Temperatur: Mit steigender Temperatur sinkt er. Klares Wasser weist einen höheren Sättigungsgehalt auf als salzhaltiges Meerwasser (Abbildung 1). Daher variiert der Sättigungsgehalt von Nährlösungen unterschiedlicher Konzentrationen.

Sauerstofftransport in der Matrix

Der Sauerstoff, den die Wurzeln von Gewächshauspflanzen aus der Nährlösung aufnehmen, muss frei vorliegen. Er wird im Substrat über Luft und Wasser sowie durch das Wasser um die Wurzeln transportiert. Im Gleichgewicht mit dem Sauerstoffgehalt der Luft bei einer bestimmten Temperatur erreicht der im Wasser gelöste Sauerstoff sein Maximum. Eine Änderung des Sauerstoffgehalts in der Luft führt dann zu einer proportionalen Änderung des Sauerstoffgehalts im Wasser.

Auswirkungen von Sauerstoffmangel im Wurzelbereich auf Nutzpflanzen

Ursachen der Wurzelhypoxie

Es gibt mehrere Gründe, warum das Risiko von Sauerstoffmangel in Hydrokultur- und Substratkultursystemen im Sommer höher ist. Erstens sinkt der Sauerstoffgehalt im Wasser mit steigender Temperatur. Zweitens steigt der Sauerstoffbedarf für das Wurzelwachstum mit zunehmender Temperatur. Darüber hinaus ist die Nährstoffaufnahme im Sommer höher, wodurch der Sauerstoffbedarf für die Nährstoffaufnahme steigt. Dies führt zu einem geringeren Sauerstoffgehalt im Wurzelbereich und einem Mangel an effektiver Sauerstoffzufuhr, was wiederum Sauerstoffmangel im Wurzelbereich zur Folge hat.

Absorption und Wachstum

Die Aufnahme der meisten essentiellen Nährstoffe hängt von Prozessen des Wurzelstoffwechsels ab, die die Energie der Wurzelzellatmung benötigen, also der Zersetzung von Photosyntheseprodukten in Gegenwart von Sauerstoff. Studien haben gezeigt, dass 10–20 % der gesamten Assimilate von Tomatenpflanzen in den Wurzeln verbraucht werden, davon 50 % für die Nährstoffionenaufnahme, 40 % für das Wachstum und nur 10 % für die Erhaltung der Zellfunktionen. Die Wurzeln müssen Sauerstoff in ihrer unmittelbaren Umgebung aufnehmen, in der sie CO₂ abgeben.₂Unter anaeroben Bedingungen, die durch mangelhafte Belüftung in Substraten und Hydrokulturen entstehen, beeinträchtigt Hypoxie die Wasser- und Nährstoffaufnahme. Hypoxie führt zu einer schnellen Beeinträchtigung der aktiven Nährstoffaufnahme, insbesondere von Nitrat (NO₃⁻).₃^-), Kalium (K) und Phosphat (PO₄).₄^3-), was die passive Aufnahme von Calcium (Ca) und Magnesium (Mg) beeinträchtigt.

Pflanzenwurzeln benötigen Energie für ihr Wachstum. Normale Wurzelaktivität erfordert eine möglichst geringe Sauerstoffkonzentration. Eine Sauerstoffkonzentration unterhalb des COP-Wertes schränkt den Zellstoffwechsel der Wurzeln ein (Hypoxie). Bei niedrigem Sauerstoffgehalt verlangsamt sich das Wachstum oder kommt sogar zum Stillstand. Betrifft eine partielle Wurzelhypoxie nur Zweige und Blätter, kann das Wurzelsystem den aus irgendeinem Grund inaktiven Teil durch eine erhöhte lokale Sauerstoffaufnahme kompensieren.

Der pflanzliche Stoffwechsel ist auf Sauerstoff als Elektronenakzeptor angewiesen. Ohne Sauerstoff stoppt die ATP-Produktion. Ohne ATP wird der Protonenausstrom aus den Wurzeln unterbrochen, der Zellsaft der Wurzelzellen versauert, und die Zellen sterben innerhalb weniger Stunden ab. Vorübergehender und kurzfristiger Sauerstoffmangel führt bei Pflanzen nicht zu irreversiblem Nährstoffstress. Die Nitratatmung kann als kurzfristige Anpassungsstrategie bei Wurzelhypoxie dienen. Langfristiger Sauerstoffmangel hingegen führt zu verlangsamtem Wachstum, verringerter Blattfläche sowie reduziertem Frisch- und Trockengewicht, was einen deutlichen Ertragsrückgang zur Folge hat.

Ethylen

Pflanzen bilden unter starkem Stress Ethylen in situ. Normalerweise diffundiert Ethylen aus den Wurzeln in die Bodenluft. Bei Staunässe steigt die Ethylenbildung, gleichzeitig wird die Diffusion jedoch stark reduziert, da die Wurzeln von Wasser umgeben sind. Die erhöhte Ethylenkonzentration führt zur Bildung von Belüftungsgewebe in den Wurzeln (Abbildung 2). Ethylen kann außerdem Blattalterung verursachen, und die Wechselwirkung zwischen Ethylen und Auxin fördert die Bildung von Adventivwurzeln.

Sauerstoffmangel führt zu verringertem Blattwachstum

ABA wird in Wurzeln und Blättern produziert, um verschiedenen Umweltstressoren zu begegnen. In der Wurzelumgebung ist die typische Stressreaktion der Stomatenschluss, der mit der Bildung von ABA einhergeht. Bevor sich die Stomata schließen, verliert die Pflanze an Druck, die oberen Blätter welken, und die Photosyntheseleistung kann sinken. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Stomata auf einen Anstieg der ABA-Konzentration im Apoplasten mit Schließung reagieren. Das heißt, der Gesamt-ABA-Gehalt außerhalb der Blätter wird durch die Freisetzung von intrazellulärem ABA gesenkt. Pflanzen können die ABA-Konzentration im Apoplasten sehr schnell erhöhen. Unter Umweltstress beginnen Pflanzen, ABA in den Zellen freizusetzen, und das Signal der Freisetzung kann innerhalb von Minuten statt Stunden an die Wurzeln weitergeleitet werden. Der Anstieg von ABA im Blattgewebe kann die Zellwandstreckung verringern und zu einer reduzierten Blattstreckung führen. Ein weiterer Effekt von Hypoxie ist die Verkürzung der Lebensdauer von Blättern, die alle Blätter betrifft. Hypoxie führt üblicherweise zu einer verminderten Cytokinin- und Nitrat-Transportrate. Ein Mangel an Stickstoff oder Cytokinin verkürzt die Erhaltungszeit der Blattfläche und führt innerhalb weniger Tage zum Absterben des Wachstums von Ästen und Blättern.

Optimierung der Sauerstoffumgebung des Wurzelsystems von Nutzpflanzen

Die Eigenschaften des Substrats sind entscheidend für die Verteilung von Wasser und Sauerstoff. Die Sauerstoffkonzentration im Wurzelbereich von Gewächshausgemüse hängt hauptsächlich von der Wasserspeicherkapazität des Substrats, der Bewässerung (Menge und Häufigkeit), der Substratstruktur und der Substrattemperatur ab. Nur bei einem Sauerstoffgehalt von mindestens 10 % (4–5 mg/l) im Wurzelbereich kann die Wurzelaktivität optimal aufrechterhalten werden.

Das Wurzelsystem von Nutzpflanzen ist für deren Wachstum und Krankheitsresistenz von entscheidender Bedeutung. Wasser und Nährstoffe werden bedarfsgerecht aufgenommen. Der Sauerstoffgehalt im Wurzelbereich beeinflusst maßgeblich die Effizienz der Nährstoff- und Wasseraufnahme sowie die Qualität des Wurzelsystems. Ein ausreichender Sauerstoffgehalt im Wurzelbereich gewährleistet die Gesundheit des Wurzelsystems und erhöht somit die Resistenz der Pflanzen gegenüber pathogenen Mikroorganismen (Abbildung 3). Zudem minimiert ein adäquater Sauerstoffgehalt im Substrat das Risiko anaerober Bedingungen und damit das Risiko pathogener Mikroorganismen.

Sauerstoffverbrauch in der Wurzelumgebung

Der maximale Sauerstoffverbrauch von Nutzpflanzen kann bis zu 40 mg/m²/h betragen (der Verbrauch ist pflanzenspezifisch). Je nach Temperatur kann das Bewässerungswasser bis zu 7–8 mg/l Sauerstoff enthalten (Abbildung 4). Um den Sauerstoffbedarf von 40 mg/l zu decken, müssten stündlich 5 l Wasser zugeführt werden. Tatsächlich wird diese tägliche Bewässerungsmenge jedoch oft nicht erreicht. Das bedeutet, dass der durch die Bewässerung zugeführte Sauerstoff nur eine untergeordnete Rolle spielt. Der größte Teil des Sauerstoffs gelangt über die Poren der Pflanzenmatrix in die Wurzelzone. Dieser Anteil kann je nach Tageszeit bis zu 90 % betragen. Wenn die Verdunstung der Pflanzen ihr Maximum erreicht, ist auch die Bewässerungsmenge maximal und beträgt 1–1,5 l/m²/h. Enthält das Bewässerungswasser 7 mg/l Sauerstoff, werden der Wurzelzone 7–11 mg/m²/h Sauerstoff zugeführt. Dies entspricht 17–25 % des Bedarfs. Dies gilt natürlich nur für den Fall, dass das sauerstoffarme Bewässerungswasser im Substrat durch frisches Bewässerungswasser ersetzt wird.

Neben dem Abbau von Wurzeln verbrauchen Mikroorganismen im Wurzelbereich auch Sauerstoff. Dies lässt sich schwer quantifizieren, da diesbezüglich keine Messungen durchgeführt wurden. Da das Substrat jährlich erneuert wird, kann davon ausgegangen werden, dass Mikroorganismen eine relativ geringe Rolle beim Sauerstoffverbrauch spielen.

Optimieren Sie die Umgebungstemperatur der Wurzeln

Die Umgebungstemperatur des Wurzelsystems ist für das normale Wachstum und die Funktion des Wurzelsystems von großer Bedeutung und beeinflusst auch die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen durch das Wurzelsystem.

Eine zu niedrige Substrattemperatur (Wurzeltemperatur) kann die Wasseraufnahme beeinträchtigen. Bei 5 °C ist die Aufnahme um 70–80 % geringer als bei 20 °C. Trifft eine niedrige Substrattemperatur auf eine hohe Temperatur, führt dies zum Welken der Pflanzen. Die Ionenaufnahme ist temperaturabhängig und wird bei niedrigen Temperaturen gehemmt. Zudem reagieren die verschiedenen Nährstoffe unterschiedlich empfindlich auf Temperaturänderungen.

Eine zu hohe Substrattemperatur ist ebenfalls ungünstig und kann zu einem übermäßigen Wurzelwachstum führen. Dies bedeutet eine unausgewogene Verteilung der Trockenmasse in den Pflanzen. Durch das zu große Wurzelsystem entstehen unnötige Verluste durch Atmung, die für die Fruchtbildung hätten genutzt werden können. Bei höheren Substrattemperaturen ist der Gehalt an gelöstem Sauerstoff geringer, was sich deutlich stärker auf den Sauerstoffgehalt im Wurzelbereich auswirkt als der Sauerstoffverbrauch durch Mikroorganismen. Das Wurzelsystem verbraucht viel Sauerstoff und kann bei ungünstiger Substrat- oder Bodenstruktur sogar zu Hypoxie führen, wodurch die Aufnahme von Wasser und Ionen reduziert wird.

Eine angemessene Wasserspeicherkapazität der Matrix sicherstellen.

Es besteht eine negative Korrelation zwischen dem Wassergehalt und dem Sauerstoffgehalt in der Matrix. Mit steigendem Wassergehalt sinkt der Sauerstoffgehalt und umgekehrt. Zwischen Wassergehalt und Sauerstoffgehalt in der Matrix existiert ein kritischer Bereich von 80 % bis 85 % (Abbildung 5). Die langfristige Aufrechterhaltung eines Wassergehalts von über 85 % im Substrat beeinflusst die Sauerstoffversorgung. Der größte Teil des Sauerstoffs (75 % bis 90 %) wird über die Poren der Matrix zugeführt.

Ergänzung der Bewässerung zum Sauerstoffgehalt im Substrat

Mehr Sonnenlicht führt zu einem höheren Sauerstoffverbrauch und einer geringeren Sauerstoffkonzentration in den Wurzeln (Abbildung 6), während ein höherer Zuckergehalt den Sauerstoffverbrauch nachts erhöht. Die Transpiration ist stark, die Wasseraufnahme hoch, und das Substrat enthält mehr Luft und Sauerstoff. Wie aus Abbildung 7 (links) ersichtlich, steigt der Sauerstoffgehalt im Substrat nach der Bewässerung leicht an, vorausgesetzt, die Wasserspeicherkapazität des Substrats ist hoch und der Luftgehalt sehr niedrig. Wie Abbildung 7 (rechts) zeigt, steigt der Luftgehalt im Substrat bei besserer Beleuchtung aufgrund der höheren Wasseraufnahme (bei gleicher Bewässerungshäufigkeit). Der relative Einfluss der Bewässerung auf den Sauerstoffgehalt im Substrat ist deutlich geringer als der Einfluss der Wasserspeicherkapazität (Luftgehalt) im Substrat.

Diskutieren

Bei der praktischen Produktion wird der Sauerstoffgehalt (Luft) im Wurzelbereich der Pflanzen leicht übersehen, er ist jedoch ein wichtiger Faktor für das normale Wachstum der Pflanzen und die gesunde Entwicklung der Wurzeln.

Um beim Pflanzenanbau einen maximalen Ertrag zu erzielen, ist es sehr wichtig, das Wurzelsystem bestmöglich zu schützen. Studien haben gezeigt, dass O₂Ein Gehalt von unter 4 mg/L im Wurzelbereich wirkt sich negativ auf das Pflanzenwachstum aus.₂Die Zusammensetzung der Nährstoffe im Wurzelbereich wird hauptsächlich durch Bewässerung (Bewässerungsmenge und -häufigkeit), Substratstruktur, Substratwassergehalt, Gewächshaus- und Substrattemperatur beeinflusst, und unterschiedliche Anbaumethoden führen zu unterschiedlichen Werten. Algen und Mikroorganismen stehen ebenfalls in einem gewissen Zusammenhang mit dem Sauerstoffgehalt im Wurzelbereich hydroponischer Pflanzen. Sauerstoffmangel (Hypoxie) führt nicht nur zu verlangsamtem Pflanzenwachstum, sondern erhöht auch den Befallsdruck durch Wurzelpathogene (Pythium, Phytophthora, Fusarium).

Die Bewässerungsstrategie hat einen signifikanten Einfluss auf die O₂Der Wassergehalt im Substrat ist ein wichtiger Faktor und ermöglicht eine bessere Kontrolle beim Pflanzen. Studien zur Rosenpflanzung haben gezeigt, dass eine langsame Erhöhung des Wassergehalts im Substrat (morgens) zu einer besseren Sauerstoffversorgung führt. In Substraten mit geringer Wasserspeicherkapazität kann ein hoher Sauerstoffgehalt aufrechterhalten werden. Gleichzeitig ist es wichtig, Unterschiede im Wassergehalt zwischen verschiedenen Substraten durch häufigeres und kürzeres Bewässern zu vermeiden. Je geringer die Wasserspeicherkapazität des Substrats, desto größer sind die Unterschiede. Ein feuchtes Substrat, selteneres Bewässern und längere Bewässerungsintervalle gewährleisten einen besseren Luftaustausch und optimale Sauerstoffbedingungen.

Die Drainage des Substrats ist ein weiterer Faktor, der die Erneuerungsrate und den Sauerstoffkonzentrationsgradienten im Substrat maßgeblich beeinflusst. Dies hängt von der Substratart und dem Wasserspeichervermögen ab. Bewässerungswasser sollte nicht zu lange am Substratboden verbleiben, sondern schnell abfließen, damit frisches, sauerstoffreiches Wasser den Substratboden erneut erreicht. Die Drainagegeschwindigkeit lässt sich durch relativ einfache Maßnahmen beeinflussen, beispielsweise durch das Gefälle des Substrats in Längs- und Querrichtung. Je größer das Gefälle, desto höher die Drainagegeschwindigkeit. Unterschiedliche Substrate weisen unterschiedlich große Öffnungen und eine unterschiedliche Anzahl an Auslässen auf.

ENDE

[Zitierinformationen]

Xie Yuanpei. Auswirkungen des Sauerstoffgehalts in der Umgebung von Gewächshauspflanzenwurzeln auf das Pflanzenwachstum [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(31):21-24.