Frontiers in Plant Science (Polski)

wprowadzenie

uprawa podłoża stałego jest powszechna w uprawach ogrodniczych na całym świecie, szczególnie w przypadku warzyw owocowych, takich jak pomidor i ogórek. Szacuje się, że około 95% warzyw szklarniowych jest produkowanych przy użyciu stałych substratów w Europie ,Stanach Zjednoczonych i Kanadzie (Grunert et al., 2016)., Tradycyjnie wełna mineralna (RC) i torf są dwoma głównymi powszechnymi materiałami stosowanymi w uprawie substratów stałych (Bunt, 1988; Sonneveld, 1993; Raviv and Lieth, 2008). RC składa się głównie z diabazy i wapienia poprzez topnienie w wysokiej temperaturze (∼1600°C). Materiał ten jest ogólnie odpowiedni do uprawy gowth ze względu na jego stabilną strukturę, wysoką zdolność zatrzymywania wody i umiarkowaną porowatość (Sonneveld, 1993; Raviv and Lieth, 2008). Ponieważ jednak RC jest materiałem nieorganicznym, który jest trudny do degradacji, odpady RC są często składowane lub składowane na składowiskach, co powoduje potencjalne zagrożenie dla środowiska (Cheng et al.,, 2011).

oprócz RC torf jest również szeroko stosowany jako podłoże uprawowe w ogrodnictwie ze względu na pożądane właściwości fizykochemiczne i biologiczne dla wzrostu roślin (Schmilewski, 2008; Krucker et al., 2010). Szacuje się, że około 40 milionów m3 torfu jest rocznie używany na całym świecie w produkcji ogrodniczej (Kuisma et al., 2014). W przeciwieństwie do RC, torf jest materiałem organicznym, który można łatwo poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać (Gruda, 2012; Raviv, 2013)., Jednak w ostatnich latach obawy środowiskowe i ekologiczne podniosły zapotrzebowanie na ograniczenie wykorzystania torfu, ponieważ jego zbiory niszczą zagrożone ekosystemy mokradeł na całym świecie (Steiner and Harttung, 2014).

ponieważ zarówno RC, jak i torf mają swoje własne ograniczenia, kokos (CC), materiał przyjazny dla środowiska o stabilnych właściwościach fizykochemicznych i biologicznych, jest coraz częściej stosowany jako podłoże do uprawy w produkcji ogrodniczej (Barrett et al., 2016)., CC to odpady Kokosowe składające się z pyłu i krótkich włókien, a rocznie na świecie produkuje się około 12 milionów ton (Nichols, 2013). Ze względu na dobre właściwości zatrzymywania wody i napowietrzania, CC stopniowo staje się najbardziej potencjalną alternatywą zarówno dla RC, jak i torfu w uprawie substratu. Dlatego konieczna i ważna jest ocena wydajności CC, gdy jest szeroko stosowana w produkcji roślinnej.

w uprawie substratowej rośliny były sadzone w niewielkiej ilości podłoża uprawowego, co skutkowało ograniczeniem składników odżywczych i wody do absorpcji korzeni., Dlatego zarządzanie składnikami mineralnymi jest kluczowym czynnikiem determinującym wydajność i jakość odżywczą roślin warzywnych podczas uprawy substratu (Kader, 2008; Fallovo et al., 2009). Ogólnie rzecz biorąc, zatrzymywanie, ruch i dostępność składników mineralnych w strefie korzeniowej są związane z kilkoma właściwościami substratu, takimi jak wielkość cząstek, zdolność przechowywania wody i składników odżywczych, zdolność wymiany kationów i zawartość składników odżywczych (ao et al., 2008; Urrestarazu et al., 2008; Carmona i in., 2012; Asaduzzaman et al., 2013)., W związku z tym, aby zaspokoić zapotrzebowanie roślin na składniki odżywcze, należy rozważyć dostosowanie zawartości składników mineralnych w dostarczonym roztworze składników odżywczych w oparciu o właściwości podłoża. CC, torf i RC często mają różne właściwości fizykochemiczne. Na przykład, CC ma wyższą zawartość P, K, Na i CL w porównaniu do torfu, a niższa porowatość i zdolność zatrzymywania wody w porównaniu do RC (Abad et al., 2002; Mazuela, 2005). Te różnice mogą wpływać na gospodarkę odżywczą podczas uprawy., Dlatego konieczna i ważna jest ocena dostępnej zawartości składników odżywczych w roztworze strefy korzeniowej różnych substratów.

pomidor jest jedną z najważniejszych gospodarczo upraw warzyw na świecie. Podczas produkcji szklarniowej pomidor jest produkowany głównie przy użyciu RC i torfu jako substratów do uprawy. Chociaż CC jest coraz częściej stosowany jako alternatywa dla RC i torfu w produkcji pomidorów szklarniowych, niewiele jest dostępnych informacji na temat różnicy między tymi substratami w zatrzymywaniu, ruchu i dostępności składników mineralnych w strefie korzeniowej., Celem pracy było zbadanie wpływu RC, torfu i CC na retencję i ruch składników odżywczych w strefie korzeniowej, równowagę składników odżywczych, wzrost roślin i jakość owoców pomidora oraz zbadanie głównego czynnika wpływającego na dostosowanie składników mineralnych w dostarczonym roztworze odżywczym.

materiały i metody

miejsce doświadczalne i sadzenie roślin

eksperyment przeprowadzono w szklarni kontrolowanej klimatem w pekińskim Centrum Badań warzyw, Pekińskiej Akademii Nauk Rolniczych i leśnych w Pekinie od 11 października 2014 do 26 maja 2015., Średnie natężenie światła wahało się od 18,3 do 136,8 µmol m-2 s-1, a średnia temperatura wynosiła odpowiednio od 14,0 do 23,0°C.

pomidor (Lycopersicon esculentum Mill. Lucius F1) nasiona zostały zasiane 1 września 2014 r. i przeszczepione do kostek podłoża (10 cm × 10 cm) 22 września 2014 r. Osiemnaście dni po posadzeniu na kostce podłoża, uprawy pomidorów zostały przesadzone na płyty podłoża (100 cm × 20 cm × 7,5 cm) z rozstawem roślin 30 cm. Gęstość sadzenia wynosiła 2,4 m-2.,

projekt doświadczalny

jako podłoża uprawowe w eksperymencie wykorzystano następujące podłoża, w tym RC, CC oraz mieszaninę torfu i wermikulitu (v/v, 2:1) (PVC). RC i CC zostały zakupione odpowiednio od Grodan Group i Jiffy Group w Holandii. Zarówno torf, jak i wermikulit zostały zakupione od Beijing Lide Agricultural S & T Development Company w Chinach. Wybrane właściwości różnych podłoży przedstawiono w tabeli 1., Eksperyment był całkowicie randomizowanym projektem bloku z trzema replikatami, a każdy replikat zawierał jedną rynnę uprawową (1000 cm × 32 cm × 10 cm). Dla każdej rynny uprawnej zainstalowano 10 płyt podłoża.

Zarządzanie roztworem składników odżywczych

roztwór składników odżywczych aplikowano za pomocą systemu nawadniania (średni przepływ 1,5 L h-1) z jednym czerpakiem na roślinę., Współczynnik drenażu był utrzymywany w granicach 20-50% przy każdym nawadnianiu. Częstotliwość i objętość nawadniania były takie same dla wszystkich Rynn uprawowych. W pierwszym okresie 8-tygodniowym roztwór odżywczy dostarczano dwa razy dziennie (9:00 i 13:00) po 20 min, objętość nawadniania wynosiła 1 L na roślinę. Przez następne 25 tygodni roztwór odżywczy był dostarczany cztery razy dziennie (9:00, 11:00, 13:00, i 15: 00) przez 20 min każda objętość nawadniania wynosiła 2 L na roślinę. Co 2 miesiące zbiornik na roztwór składników odżywczych był myty, a roztwór składników odżywczych w zbiorniku został wyrzucony.,

roztwór strefy korzeniowej i analiza drenażu

od 4 tygodni po przesadzeniu pobierano próbki roztworu strefy korzeniowej i drenażu co 2 lub 3 tygodnie. Zebrano roztwór strefy korzeniowej (100 ml) za pomocą wyciągu roztworu korzeniowego zainstalowanego między uprawami, a drenaż (100 ml) ze zbiornika drenażowego. Próbki przechowywano w temperaturze 2°C do czasu dalszej analizy. EC i pH mierzone były za pomocą miernika multi (Multi 3420 SET C., WTW, Niemcy). NO3-został oznaczony za pomocą analizatora o ciągłym przepływie (AA3, Seal, Niemcy)., K+, Ca2+, Mg2 + i H2PO4-oznaczano metodą spektrometrii plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICPE-9000, Shimazu, Janpan). SO42-został oznaczony metodą spektrometrii plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP-MS 7900, Agilent Technologies, Stany Zjednoczone).

Analiza składników odżywczych roślin

w tygodniach 3, 6, 10, 16, 25, i 33 po przesadzeniu pobrano próbki łodyg, liści i owoców, przemyto wodą destylowaną, a następnie suszono w wentylowanym piekarniku w temperaturze 75°C do stałej masy. Analizowano zawartość składników odżywczych w próbkach liści i owoców., Zawartość K, Ca, Mg I P oznaczano po trawieniu H2SO4-HNO3-HClO4 (H2SO4:HNO3:HClO4 = 1 ml:5 ml:1 ml) za pomocą spektrometrii plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICPE-9000, Shimazu, Japonia; ICP-MS 7900, Agilent Technologies, Stany Zjednoczone). Zawartość N oznaczano po trawieniu H2SO4-H2O2 za pomocą analizatora o ciągłym przepływie (AA3, Seal, Niemcy). Zawartość S oznaczono po trawieniu z HNO3 za pomocą spektrometrii plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP-MS 7900, Agilent Technologies, Stany Zjednoczone) (Zhou et al., 2000).,

Malondialdehyd, enzymy przeciwutleniające i fotosynteza w liściach

w dniu 207 po przesadzeniu, malondialdehyd (MDA), dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), katalaza (CAT) i peroksydaza (POD) w liściach zostały zmierzone zgodnie z metodami opisanymi w Gao (2006). Ponadto mierzono szybkość fotosyntezy (Pn), przewodność jamy ustnej (Gs), międzykomórkowe stężenie CO2 (Ci) i szybkość parowania (E) w pełni rozwiniętego liścia za pomocą przenośnego systemu fotosyntezy LI-6400 (LI-COR Inc., Lincoln, NE, Stany Zjednoczone).,

plon i jakość owoców

w okresie dojrzewania owoców dla każdej rynny uprawnej zbierano owoce z 24 upraw w celu zmierzenia indywidualnej masy owoców, liczby owoców i świeżych plonów. Waga poszczególnych owoców była mierzona za pomocą wagi elektronicznej. Pod koniec sezonu uprawowego świeżą plon z każdego zbioru podsumowano jako całkowitą plon (Y). Całkowita liczba owoców i liczba owoców dotkniętych zgnilizną końca kwitnienia (BER) były określane przy każdym czasie zbiorów. Czarna tkanka na końcu owocu jest występowaniem BER. Ponadto 1.,5 kg dojrzałych owoców Pobrano z każdej rynny uprawnej w celu zmierzenia rozpuszczalnych ciał stałych, cukrów redukujących, kwasów organicznych i witaminy C (Li, 2010).

bilans składników odżywczych

bilans składników odżywczych obliczono w różnych uprawach podłoża. Podczas przygotowywania świeżego roztworu składników odżywczych rejestrowano nakłady składników odżywczych. Roztwór składników odżywczych pobrano podczas czyszczenia zbiornika roztworu składników odżywczych. Pod koniec próby pobrano próbki podłoża. Zawartość składników odżywczych analizowano zgodnie z metodami opisanymi w ” Discussion.,”Niewpisany składnik odżywczy obliczono w następujący sposób:

niewpisany składnik odżywczy = wkład składników odżywczych – pobranie składników odżywczych przez rośliny – N pozostałości w podłożu.

Analiza statystyczna

dane zostały poddane analizie wariancji (ANOVA) przy użyciu oprogramowania SPSS 20.0 (SPSS statistical package, Chicago, IL, United States). Znaczenie statystyczne wyników analizowano w teście LSD na poziomie 0,05.,

wyniki

EC i pH w roztworze strefy korzeniowej i drenażu

EC w roztworze strefy korzeniowej i drenażu wszystkich substratów wzrastało stopniowo w ciągu pierwszych 21 tygodni po przesadzeniu i utrzymywało się na stosunkowo stabilnym poziomie przez następne 9 tygodni (ryc. 1). Ogólnie rzecz biorąc, EC w drenażu był niższy w PVC niż w RC i CC.

w przeciwieństwie do EC, pH zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i drenażu RC i CC zmniejszało się stopniowo w ciągu pierwszych 14 tygodni po przesadzeniu, a następnie utrzymywało się na stosunkowo stabilnym poziomie przez następne 19 tygodni., Pod PVC pH zmniejszało się powoli w ciągu pierwszych 23 tygodni po przesadzeniu. W okresie wegetacji wahania pH zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i drenażu były niższe w PVC niż w RC i CC. Ogólnie, PVC wykazywało wyższe pH w obu roztworach strefy korzeniowej w większości czasów pobierania próbek, ale niższe pH w drenażu od tygodni 6 do 16 po przesadzeniu.,

jony dynamiczne w roztworze strefy korzeniowej i drenażu

stężenie K+ zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i drenażu wszystkich substratów wzrastało stopniowo w okresie wegetacji i było na ogół niższe w PVC niż w RC i CC (ryc. 2A). Ponadto CC wykazało najwyższe stężenie K+ zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i drenażu w większości czasów pobierania próbek., Stężenia Ca2 + i Mg2+ zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i w drenażu stopniowo wzrastały w ciągu pierwszych 23 tygodni po przesadzeniu, a następnie utrzymywały się na stosunkowo stabilnym poziomie w ciągu następnych 10 tygodni (rycina 2A). Ogólnie rzecz biorąc, PVC wykazywało wyższe stężenie Ca2+ w roztworze strefy korzeniowej w tygodniach 4, 6, 8, 18, 21, i 23 po przeszczepieniu, ale wykazały niższe stężenie Mg2+ w drenażu od 8 do 31 tygodni po przeszczepieniu, w porównaniu do RC i CC.

stężenie NO3 – i SO42-w roztworze strefy korzeniowej wzrastało stopniowo w okresie wegetacji i nie ulegało wpływowi substratów (ryc. 2b)., Jednak na drenaż NO3 i SO42 w znacznym stopniu wpływały substraty. Wśród substratów RC wykazało wyższe NO3-i SO42-w drenażu od tygodnia 16 do 21 po przesadzeniu, podczas gdy PVC wykazało niższe NO3-i SO42-w drenażu od tygodnia 23 do 29 po przesadzeniu. Stężenia H2PO4 – zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i w drenażu były pod znacznym wpływem substratów i były wyraźnie niższe w PVC niż w RC i CC. Co więcej, CC wykazało najwyższą H2PO4 – zarówno w roztworze strefy korzeniowej, jak i drenażu w większości czasów pobierania próbek.,

stosunek różnych jonów w roztworze strefy korzeniowej

Biomasa, stężenie składników odżywczych i wychwyt w uprawach

substraty wpływały na biomasę roślin (ryc. 3). Ogólnie rzecz biorąc, CC miał najwyższą biomasę, podczas gdy RC miał najniższą.

substraty nie wpływały statystycznie na stężenie N, K, Ca, Mg i S w łodydze, liściach i owocach pomidora, ale znacząco wpływały na stężenie P (ryc. 4). Ogólnie, PVC wykazywał niższe stężenia P w łodydze, liściach i owocach w porównaniu do RC i CC, a CC wykazywał wyższe stężenia P w łodydze w porównaniu do RC.

substraty znacząco wpłynęły na akumulację składników odżywczych N, P, K I S w uprawach (rysunek dodatkowy S2)., Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie składniki odżywcze wykazywały największą akumulację w uprawach w ramach CC, ale najniższą akumulację w uprawach w ramach RC.

bilans składników odżywczych w różnych uprawach substratów

chociaż nie stwierdzono znaczącej różnicy w wprowadzaniu składników odżywczych w różnych uprawach substratów, różne uprawy substratów wykazały znaczące różnice w pobieraniu składników odżywczych przez uprawy i pozostałościach składników odżywczych w substratach, co skutkowało oczywistymi różnicami w bilansie składników odżywczych (Tabela 2). Uprawa CC wykazywała na ogół najwyższy pobór składników pokarmowych przez uprawy, zwłaszcza dla P, K i S., Ponadto uprawa CC wykazała również najwyższą pozostałość P w podłożu. Jednak najwyższe pozostałości w podłożu innych składników odżywczych (np. Ca, Mg i S) stwierdzono na ogół w uprawie PVC. Ze względu na te różnice, CC wykazywał na ogół najniższy niekredytowany składnik odżywczy( im niższy, tym lepszy), zwłaszcza dla N, P I K. Ponadto najniższy niekredytowany Ca stwierdzono w uprawie PVC, a zarówno CC, jak i PVC wykazywały niższe niekredytowane Mg i S w porównaniu z RC.

fotosynteza, Malondialdehyd i enzymy antyoksydacyjne w liściach

wszystkie parametry związane z fotosyntezą (Pn, Gs, Ci i E) były znacznie wyższe w Warunkach CC i PVC niż w Warunkach RC i nie stwierdzono znaczącej różnicy między CC i PVC (tabela uzupełniająca S1). Jednak nie było znaczącej różnicy w MDA, SOD, POD i CAT wśród wszystkich upraw substratowych.,

plon, zgnilizna i jakość owoców

masa poszczególnych owoców była na ogół wyższa w przypadku CC i PVC niż w przypadku RC, szczególnie w przypadku 6.i 7. kratownicy (Tabela 3). Nie stwierdzono istotnej różnicy w średniej wagi poszczególnych owoców pomiędzy CC i PVC. Jednak ponieważ CC miał znacznie wyższą wydajność owoców w 5, 7 i 8-13 kratownicach, Całkowita wydajność owoców była znacznie wyższa pod CC niż PVC. Ponadto zarówno CC, jak i PVC miały znacznie wyższą całkowitą wydajność owoców w porównaniu z RC. Dla większości dolnych kratownic (np.,, 1., 2. i 4–7.), Ber nie był pod wpływem substratów. Jednak w przypadku 3. i wyższych kratownic (8-13.) BER był znacznie wyższy pod RC i pod PVC. Wpływ substratów na jakość owoców nie był na ogół oczywisty i tylko w przypadku pierwszej kratownicy stwierdzono znacznie wyższy kwas organiczny pod CC w porównaniu z RC i PVC (tabela uzupełniająca S2).