gränser inom Växtvetenskap (Svenska)

introduktion

fast substratodling är vanligt i trädgårdsodlingsproduktion runt om i världen, särskilt för fruktiga grönsaker som tomat och gurka. Det har uppskattats att cirka 95% av växthusgrönsaker produceras med fasta substrat i Europa, USA och Kanada (Grunert et al., 2016)., Traditionellt är rockwool (RC) och torv två stora vanliga material som används vid fast substratodling (Bunt, 1988; Sonneveld, 1993; Raviv och Lieth, 2008). RC är huvudsakligen gjord av diabas och kalksten genom smältning vid hög temperatur (1600°C). Detta material är allmänt lämpligt för gröda gowth på grund av dess stabila struktur, hög vattenhållningskapacitet och måttlig porositet (Sonneveld, 1993; Raviv och Lieth, 2008). Eftersom RC är ett oorganiskt material som är svårt att bryta ned lagras eller deponeras RC-avfallet ofta, vilket resulterar i potentiell miljörisk (Cheng et al.,, 2011).

förutom RC används torv också i stor utsträckning som ett odlingssubstrat inom trädgårdsodling på grund av dess önskvärda fysikalisk-kemiska och biologiska egenskaper för växttillväxt (Schmilewski, 2008; Krucker et al., 2010). Det uppskattades att cirka 40 miljoner m3 torv årligen används över hela världen inom trädgårdsproduktionen (Kuisma et al., 2014). Till skillnad från RC är torv ett organiskt material som lätt kan återvinnas och återanvändas (Gruda, 2012; Raviv, 2013)., Under de senaste åren har miljömässiga och ekologiska problem ökat efterfrågan på att minska användningen av torv eftersom skörden förstör utrotningshotade våtmarksekosystem över hela världen (Steiner och Harttung, 2014).

eftersom både RC och torv har sina egna begränsningar har kokosnötkoir (CC), ett miljövänligt material med stabila fysikalisk-kemiska och biologiska egenskaper, alltmer använts som odlingssubstrat i trädgårdsproduktion (Barrett et al., 2016)., CC är kokosavfallet bestående av damm och korta fibrer och cirka 12 miljoner toner produceras årligen i världen (Nichols, 2013). På grund av dess goda vätskeretention och luftningsegenskaper har CC gradvis blivit det mest potentiella alternativet till både RC och torv vid substratodling. Därför är det nödvändigt och viktigt att utvärdera effektiviteten hos CC när den används i stor utsträckning vid växtproduktion.

vid substratodling planterades grödor i en liten mängd odlingsmedier, vilket resulterade i begränsade näringsämnen och vatten för rotabsorption., Därför är mineralnäringshantering en nyckelfaktor som bestämmer avkastningen och näringskvaliteten hos vegetabiliska grödor under substratodling (Kader, 2008; Fallovo et al., 2009). Generellt är retention, rörelse och tillgänglighet av mineralnäringsämnen i rotzonen relaterade till flera egenskaper hos ett substrat, såsom partikelstorlek, vatten-och näringshållningskapacitet, katjonbyteskapacitet och näringsinnehåll (Ao et al., 2008; Urrestarazu m.fl., 2008; Carmona m.fl., 2012; Asaduzzaman et al., 2013)., För att motsvara grödans näringsbehov bör därför justering av mineralnäringsinnehållet i den medföljande näringslösningen övervägas på grundval av substrategenskaper. CC, torv och RC har ofta olika fysikalisk-kemiska egenskaper. CC har till exempel högre P, K, Na och Cl-innehåll jämfört med torv, och lägre porositet och vattenhållningskapacitet jämfört med RC (Abad et al., 2002; Mazuela, 2005). Denna skillnad kan påverka näringsförvaltningen under odlingen., Därför är det nödvändigt och viktigt att utvärdera det tillgängliga näringsinnehållet i rotzonslösning av olika substrat.

tomat är en av de ekonomiskt viktigaste vegetabiliska grödorna i världen. Under växthusproduktionen produceras tomat huvudsakligen med användning av RC och torv som odlingssubstrat. Även om CC i allt högre grad har använts som ett alternativ till RC och torv i växthus tomatproduktion, finns det liten information om skillnaden mellan dessa substrat i retention, rörelse och tillgänglighet av mineralnäringsämnen i rotzonen., Syftet med denna studie var att undersöka effekterna av RC, torv och CC på rotzonens näringsretention och rörelse, näringsbalans, växttillväxt och tomatfruktkvalitet och att undersöka den viktigaste faktorn som påverkar justeringen av mineralnäringsämnen i den medföljande näringslösningen.

material och metoder

experimentell plats och plantering av grödor

experimentet genomfördes i ett klimatkontrollerat växthus vid Beijing Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences i Peking från 11 oktober 2014 till 26 maj 2015., Den genomsnittliga ljusintensiteten varierade från 18,3 till 136,8 µmol m-2 s-1, och medeltemperaturen varierade från 14,0 till 23,0°C.

Tomat (Lycopersicon esculentum Mill. Lucius F1) frön sås den 1 September 2014 och transplanterades till substratbitar (10 cm × 10 cm) den 22 September 2014. Arton dagar efter plantering på substratkuben transplanterades tomatgrödor till substratplattor (100 cm × 20 cm × 7,5 cm) med 30 cm växtavstånd. Planteringstätheten var 2,4 grödor m-2.,

experimentell Design

följande substrat inklusive RC, CC och blandningen av torv och vermikulit (v/v, 2:1) (PVC) användes som odlingssubstrat i försöket. RC och CC köptes från Grodan Group respektive Jiffy Group i Nederländerna. Både torv och vermikulit köptes från Beijing Lide Agricultural s&t Development Company i Kina. Utvalda egenskaper hos olika substrat visades i Tabell 1., Experimentet var en helt randomiserad blockdesign med tre replikat och varje replikat innehöll en odlingsränna (1000 cm × 32 cm × 10 cm). För varje odlings gutter installerades 10 substratplattor.

hantering av näringslösning

näringslösningen applicerades genom ett dropp (medelflöde på 1,5 L h-1) bevattningssystem med en dipper per växt., Dräneringsförhållandet upprätthölls inom 20-50% vid varje bevattningshändelse. Bevattningsfrekvensen och volymen var desamma för alla odlingsrännor. Under den första 8-veckorsperioden levererades näringslösning för två gånger per dag (9:00 och 13:00) för 20 min vardera, bevattningsvolymen var 1 L per växt. Under nästa 25-veckorsperiod levererades näringslösning fyra gånger per dag (9:00, 11:00, 13:00, och 15:00) för 20 min vardera var bevattningsvolymen 2 L per växt. Varje 2 månader tvättades näringslösningstanken och näringslösningen i tanken kastades bort.,

Rotzonslösning och Dräneringsanalys

från 4 veckor efter transplantation samlades rotzonslösning och dränering var 2 eller 3 veckor. Rotzonslösning (100 ml) samlades med en rotlösningsutdragare installerad mellan grödorna, medan dränering (100 ml) samlades från dräneringstanken. Proverna lagrades vid 2 ° C tills vidare analys. EG-och pH mättes med hjälp av en multimeter (Multi 3420 STÄLLA C., WTW, Tyskland). NO3-analyserades av en kontinuerlig flödande analysator (AA3, Seal, Tyskland)., K+, Ca2+, Mg2+ och H2PO4 – analyserades genom induktivt kopplad plasmaspektrometri (ICPE-9000, Shimazu, Janpan). SO42-analyserades genom induktivt kopplad plasmaspektrometri (ICP-MS 7900, Agilent Technologies, USA).

analys av växtnäringsämnen

På veckor 3, 6, 10, 16, 25, och 33 efter transplantation samplades stammar, löv och frukter, tvättades med destillerat vatten och torkades sedan i en ventilerad ugn vid 75°C till konstant vikt. Näringsinnehåll i blad och fruktprover analyserades., Innehållet av K, Ca, Mg och P analyserades efter uppslutning med H2SO4-HNO3-HClO4 (H2SO4:HNO3:HClO4 = 1 ml:5 ml:1 ml) av masspektrometrar med induktivt kopplad plasma-spektrometri (ICPE-9000, Shimazu, Japan, ICP-MS-7900, Agilent Technologies, Usa). N-innehållet analyserades efter matsmältning med H2SO4-H2O2 genom kontinuerlig flytande analysator (AA3, Seal, Tyskland). S-innehållet analyserades efter matsmältning med HNO3 genom induktivt kopplad plasmaspektrometri (ICP-MS 7900, Agilent Technologies, USA) (Zhou et al., 2000).,

malondialdehyd, antioxidativa enzymer och fotosyntes i blad

dag 207 efter transplantationen mättes malondialdehyd (mda), superoxiddismutas (SOD), katalas (CAT) och peroxidas (POD) i löv som de metoder som beskrivs i Gao (2006). Dessutom mättes fotosyntetiska hastigheten (Pn), stomatalkonduktans (Gs), intercellulär CO2-koncentration (Ci) och Förångningshastighet (E) av ett fullt utvecklat blad med hjälp av ett Li-6400 bärbart fotosyntessystem (LI-cor Inc. Lincoln, NE, Usa).,

frukt avkastning och kvalitet

under fruktmognad period, för varje odling rännan skördades frukter från 24 grödor för att mäta den individuella frukt vikt, frukt nummer och färsk avkastning. Individuell fruktvikt mättes med elektronisk balans. I slutet av beskärningssäsongen sammanfattades det färska utbytet av varje skörd som den totala avkastningen (Y). Det totala antalet frukter och antalet frukter som påverkas av blomständröta (BER) bestämdes vid varje skördetid. Den svarta vävnaden i slutet av frukten är förekomsten av BER. Dessutom 1.,5 kg mogna frukter samlades från varje odlingsränna för att mäta lösliga fasta ämnen, reducerande sockerarter, organiska syror och C-vitamin (Li, 2010).

näringsbalans

näringsbalans beräknades i olika substratodlingar. Vid beredning av den färska näringslösningen registrerades näringsingångar. Näringslösning samlades när man rengör näringslösningstanken. I slutet av försöket samlades substratet. Näringsinnehåll analyserades som metoder som beskrivs i ” diskussion.,”Det okrediterade näringsämnet beräknades enligt följande:

Okrediterat näringsämne = näringsämne-näringsämne upptag av grödor-n rester i substrat.

statistisk analys

Data utsattes för en analys av varians (ANOVA) med hjälp av SPSS 20.0-programvara (SPSS statistical package, Chicago, IL, USA). Den statistiska betydelsen av resultaten analyserades av LSD-testet vid 0.05-nivån.,

resultat

EG och pH i Rotzonlösning och dränering

EG i både rotzonlösning och dränering av alla substrat ökade gradvis under den första 21-veckorsperioden efter transplantation och hölls sedan på relativt stabila nivåer under de närmaste 9 veckorna (Figur 1). I allmänhet var EG i dränering lägre i PVC än i RC och CC.

i motsats till EG minskade pH i både rotzonlösning och dränering av RC och CC gradvis under den första 14-veckorsperioden efter transplantation och upprätthölls sedan på relativt stabila nivåer under de närmaste 19 veckorna., Under PVC minskade pH långsamt under den första 23-veckorsperioden efter transplantation. Under växtperioden var fluktuationen av pH i både rotzonslösning och dränering lägre i PVC än i RC och CC. Overally, PVC visade högre pH i både rot-zon lösning vid de flesta provtagningstider men lägre pH i dränering från veckor 6 till 16 efter transplantation.,

joner som är dynamiska i Rotzonslösning och dränering

koncentrationerna av K+ i både rotzonslösning och dränering av alla substrat ökade gradvis under växtperioden och var i allmänhet lägre i PVC än i RC och CC (figur 2a). Dessutom visade CC den högsta k + – koncentrationen i både rotzonslösning och dränering vid de flesta provtagningstider., Koncentrationerna av Ca2+ och Mg2 + i både rotzonslösning och dränering ökade gradvis under den första 23-veckorsperioden efter transplantation och behölls sedan vid relativt stabila nivåer under de närmaste 10 veckorna (figur 2a). I allmänhet visade PVC högre Ca2 + – koncentration i rotzonslösning på veckor 4, 6, 8, 18, 21, och 23 efter transplantation, men visade lägre Mg2 + koncentration i dränering från veckor 8 till 31 efter transplantation, jämfört med RC och CC.

koncentrationerna av både No3 – och SO42 – in-rotzonslösning ökade gradvis under växtperioden och påverkades inte av substrat (Figur 2B)., NO3 – och SO42 – in-dräneringen påverkades emellertid signifikant av substrat. Bland substrat visade RC högre NO3 – och SO42-i dränering från veckor 16 till 21 efter transplantation, medan PVC visade lägre NO3 – och SO42 – i dränering från veckor 23 till 29 efter transplantation. Koncentrationerna av H2PO4-i både rotzonslösning och dränering påverkades signifikant av substrat och var uppenbarligen lägre i PVC än i RC och CC. Dessutom visade CC den högsta H2PO4-i både rotzonslösning och dränering vid de flesta provtagningstider.,

förhållanden mellan olika joner i Rotzonslösning

biomassa, Näringsämneskoncentration och upptag i grödor

substrat påverkade växtbiomassa (Figur 3). I allmänhet hade CC den högsta biomassan medan RC hade den lägsta.

substrat påverkade inte statistiskt koncentrationerna av N, K, Ca, Mg och S i stam, blad och frukt av tomat, men påverkade signifikant p-koncentrationer (Figur 4). Överlägset visade PVC lägre P-koncentrationer i stam, blad och frukt jämfört med RC och CC, och CC visade högre P-koncentrationer i stam jämfört med RC.

substrat påverkade signifikant ackumuleringen av N, P, K och s näringsämne i grödor (kompletterande figur S2)., I allmänhet visade alla näringsämnen den högsta ackumuleringen i grödor under CC men den lägsta ackumuleringen i grödor under RC.

näringsbalans för olika Substratodlingar

även om det inte fanns någon signifikant skillnad i tillförsel av näringsämnen mellan olika substratodlingar, visade olika substratodlingar betydande skillnader i upptag av näringsämnen från grödor och näringsrester i substrat, vilket resulterade i uppenbara skillnader i näringsbalans (Tabell 2). CC-odlingen visade i allmänhet det högsta näringsupptaget av grödor, särskilt för P, K och S., Dessutom visade CC-odlingen också den högsta p-återstoden i substratet. De högsta resthalterna i substratet av andra näringsämnen (t.ex. Ca, Mg och S) hittades emellertid i allmänhet i PVC-odlingen. På grund av dessa skillnader visade CC i allmänhet det lägsta okrediterade näringsämnet (ju lägre desto bättre), särskilt för N, P och K. Dessutom hittades den lägsta okrediterade Ca under PVC-odlingen, och både CC och PVC visade lägre okrediterade Mg och S jämfört med RC.

fotosyntes, malondialdehyd och antioxidativa enzymer i blad

alla fotosyntesrelaterade parametrar (Pn, Gs, Ci och E) var betydligt högre under CC och PVC än under RC, och ingen signifikant skillnad konstaterades mellan CC och PVC (kompletterande tabell S1). Det fanns emellertid ingen signifikant skillnad i mda, SOD, POD och CAT bland alla substratkultiveringar.,

avkastning, Blossom-End Rot och kvalitet på frukter

den individuella fruktvikten var i allmänhet högre under CC och PVC än under RC, särskilt för 6: e och 7: e takstolar (tabell 3). Ingen signifikant skillnad konstaterades i genomsnitt för den individuella fruktvikten mellan CC och PVC. Eftersom CC hade betydligt högre fruktutbyte i 5: e, 7: e och 8-13: e takstolar, var det totala fruktutbytet signifikant högre under CC än PVC. Dessutom hade både CC och PVC betydligt högre totalt fruktutbyte jämfört med RC. För de flesta lägre fackverk (t. ex.,, 1: a, 2: A och 4-7: e) påverkades BER inte av substrat. För de 3: e och högre takstolarna (8-13: e) var dock BER betydligt högre under RC och under PVC. Effekterna av substrat på fruktkvaliteten var i allmänhet inte uppenbara, och endast för första truss hittades en signifikant högre organisk syra under CC jämfört med RC och PVC (kompletterande tabell S2).

diskussion

under substratodling har traditionellt använt RC och torv sina egna begränsningar på grund av miljömässiga och ekologiska effekter (Cheng et al.,, 2011; Steiner och Harttung, 2014). CC har i allt högre grad använts som ett alternativ till RC och torv, men det är fortfarande nödvändigt att helt jämföra och utvärdera skillnaden mellan olika substrat innan de används i stor utsträckning inom växtproduktionen.

mineraljoner och EC i rotzonen är kritiska för växttillväxt. För alla substrat ökade de flesta mineraljoner gradvis när odlingstiden ökade (Figur 2), vilket resulterade i gradvis ökad EG i rotzonen (Figur 1). I root-zon K+, Ca2 + och H2PO4 – var de stora mineraljoner som påverkas av substrat (Figur 2)., Även om både CC och PVC är organiska substrat, ökade den genomsnittliga k+-koncentrationen i rotzonen med CC men minskade med PVC, jämfört med den oorganiska RC. Detta kan bero på att CC släppt K+ till lösning (Schmilewski, 2008; Barrett et al., 2016), medan torv adsorberade K+ på grund av sin höga katjonbyteskapacitet (Rippy och Nelson, 2007). Kalium krävs i den största mängden av tomatgrödor och är ett viktigt element för att bestämma fruktkvaliteten hos tomat (Schwarz et al., 2013)., Den relativt högre k + i rotzonlösningen under CC (figur 2a) föreslog att CC hade en hög potential att förbättra tomattillväxten. K – halten i substrat (Tabell 1), K-ackumuleringen i grödor (kompletterande figur S2) och fruktutbytet (tabell 3) var betydligt högre under CC än under RC och PVC. Dock, K-och Ca K-Mg motsättningar är vanliga fenomen i tomat produktion (Fashion och Toop, 1970; Pujos och Morard, 1997). Således kan den relativt höga K i CC (Tabell 1) inducera Ca-och Mg-brist i grödor., K+/Ca2+och K+ / Mg2 + – förhållandena i rotzonslösningen var i allmänhet höga under CC (kompletterande figur S1). Både K-Ca-och K-Mg-antagonism observerades emellertid inte vid CC-odling eftersom Ca-och Mg-koncentrationerna i stam, blad och frukt inte påverkades av substrat (Figur 4), och eftersom den ackumulerade Ca-och Mg-halten i grödor var relativt högre under CC än under RC och PVC (kompletterande figur S2).

koncentrationen av Ca2+ i rotzonslösning ökade med PVC jämfört med RC och CC i tidig period (före 10 veckor efter transplantation, figur 2a)., Detta kan bero på att den utbytbara Ca2+ stod för den högsta andelen (cirka 57,2–82,1%) av de totala utbytbara baserna av torv (Rippy och Nelson, 2007), vilket ledde till hög frisättning av Ca2+ från torv till rotzonslösning. För alla substrat ökade emellertid Ca2+-koncentrationen i rotzonslösningen gradvis när odlingstiden ökade (figur 2a). Detta beror förmodligen på det gradvis minskade pH-värdet i rotzonlösningen under växtperioden (Figur 1)., Lågt pH kan underlätta upplösning av Ca2+, vilket ytterligare kan öka Ca2 + – innehållet i rotzonslösning (Mao et al., 2005). Signifikant skillnad av Ca2 + i rotzonslösning resulterade i olika ca-ackumulering i grödor bland behandlingar (kompletterande figur S2). Det är välkänt att ca-brist kan leda till BER i tomat (de Freitas et al., 2011; Uozumi et al., 2012)., Eftersom både CC och PVC visade relativt högre Ca-ackumulering i grödor (kompletterande figur S2) men lägre BER (tabell 3), kan de organiska substraten vara effektivare än oorganiskt substrat (RC) för att minska Ca-brist och BER.

koncentrationen av h2po4-in – rotzonslösning var uppenbarligen lägre under PVC än under RC och CC (Figur 2B). En anledning är att torv adsorberas H2PO4 – på grund av sin hög katjonbyteskapacitet (Rippy och Nelson, 2007)., En annan orsak är förmodligen på grund av att Hög Ca i torv (Tabell 1) kan kombinera med H2PO4 – för att minska vattenlösligt H2PO4-innehåll (Kruse et al. År 2015; Cerozi och Fitzsimmons, 2016). Ca2 + / H2PO4 – förhållandet i rotzonslösningen var uppenbarligen högre under PVC än under RC och CC under hela växtperioden (kompletterande figur S1). Även om ingen uppenbar skillnad i h2po4-koncentrationen i rotzonslösning observerades mellan RC och CC (Figur 2B), var p-ackumuleringen i grödor signifikant lägre under RC än under CC (kompletterande figur S2)., Eftersom fotosynteshastigheten (Pn), stomatalkonduktans (Gs), intercellulär CO2-koncentration (Ci) och avdunstningshastighet (E) i löv minskade signifikant med RC jämfört med CC (Tilläggstabell S1), kan den minskade fotosyntesen begränsa p-upptaget av grödor under RC-odling.

hög EG kan hämma näringsabsorptionen av grödor och leda till minskad avkastning (Rodríguez-Delfína et al., 2012). Vid tomatproduktion är hög-EG inducerad hämning av ca-absorption mycket vanlig vid substratodling, vilket ofta leder till BER av tomater på grund av ca-brist (Uozumi et al.,, 2012). I denna studie, eftersom EC i rotzonlösning ökade gradvis under odlingsperioden (Figur 1), ökade BER gradvis för alla substrat från 3: e till 13: e trusser (tabell 3), vilket indikerar den ca-brist som inducerades av high EC (Neocleous och Savvas, 2015). Detta resultat föreslog att hämning av ca-brist fortfarande var en utmaning för soilless tomatproduktion. Trots detta visade PVC-odling i allmänhet den lägsta Beer (tabell 3)., Detta fenomen kan förklaras av det faktum att (1) torv innehöll högt innehåll av Ca (Tabell 1) och kunde förbättra ca-absorptionen av tomatgrödor (Zhang et al., 2015), (2) lägre K+/Ca2+-förhållande i rotzonslösning under PVC (kompletterande figur S1) minskade K-Ca-antagonismen i rotzonen (Neocleous och Savvas, 2015) och (3) den relativt höga buffertförmågan hos torv-vermikulit (PVC) resulterade i ett relativt stabilt pH under växtperioden (Figur 1) och gynnade ca-upptaget av tomatgrödor (Rippy, 2005)., Trots fördelarna med PVC konstaterades ingen statistisk skillnad i den totala gruppundantagsförordningen mellan CC och PVC (tabell 3). CC hade dessutom betydligt högre total avkastning på frukt jämfört med PVC (tabell 3), på grund av grödans högre upptag av näringsämnen (Tabell 2 och kompletterande figur S2). Fördelarna med CC återspeglades också i de lägre okrediterade P och K (ju lägre desto bättre; Tabell 2) och högre organisk syra i frukt av första truss jämfört med PVC (kompletterande tabell S2).

slutsats

Coconut coir var ett potentiellt substrat som kunde användas i stor utsträckning vid tomatproduktion., Jämfört med RC visade CC högre k och s upptag av grödor, fotosyntes, individuell fruktvikt och totalt fruktutbyte och lägre okrediterat näringsämne (ju lägre desto bättre). Jämfört med PVC visade CC högre P-och K-upptag av grödor och totalt fruktutbyte, och lägre okrediterad P-och K. CC påverkade inte BER jämfört med RC eller PVC. Dessutom var effekterna av substrat på fruktkvaliteten i allmänhet inte uppenbara.

författare bidrag

JX: betydande bidrag till utformningen av arbetet., Betydande bidrag till förvärv, analys, tolkning av data för arbetet. YT: utarbeta arbetet eller revidera det kritiskt för viktigt intellektuellt innehåll. JW: utarbeta arbetet eller revidera det kritiskt för viktigt intellektuellt innehåll. WL: överenskommelse att vara ansvarig för alla aspekter av arbetet för att säkerställa att frågor som rör riktigheten eller integriteten hos någon del av arbetet undersöks och löses på lämpligt sätt. Slutligt godkännande av den version som ska offentliggöras., QC: överenskommelse att vara ansvarig för alla aspekter av arbetet för att säkerställa att frågor som rör riktigheten eller integriteten hos någon del av arbetet undersöks och löses på lämpligt sätt. Slutligt godkännande av den version som ska offentliggöras.

finansiering

viktiga projekt inom National Science & program för Teknikpelaren under den tolfte femårsperioden (2013AA103004). Frukt Grönsaker Innovation Team i Peking (BAIC01-2017).,

kompletterande Material

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.