Влажные субстраты не позволят воздуху поникать внутрь, даже при грамотной стратегии полива. Например, это плотная каменная вата. Так, она ограничит употребление элементов питания и рост всего растения.

Захаренко Андрей

Технический консультант Гродан.

Почему важен кислород

Объём субстрата в теплице ограничен. Корни растут тесно, что усиливает конкуренцию за ресурсы, включая кислород. Недостаток кислорода замедляет развитие побегов, а дополнительная аэрация восстанавливает их рост (Shi et al., 2007). Считается, что концентрация кислорода ниже 2,8 мг/л затормаживает рост корней (Morard, Silvestre, 1996) и увеличивает риск корневых гнилей (Blok, Gerard, 2011). Кислород используется для формирования АТФ, котороа нужнадля дыхания корней – 10%, их роста – 40% и усвоения питательных веществ – 50% (Lambers, 1996). Дефицит кислорода сперва бьёт по наиболее затратным процессам в растениях, вызывая последствия:

Накопление абсцизовой кислоты и закрытие устьиц, снижение фотосинтеза (Else M. A. et al. 1996);
Направление сахаров к корням от надземной части (Jethva J. et al. 2022);
Снижение усвоения минеральных элементов и воды: сначала K, затем N- NO3 и P, H2O, вслед за водой элементы пассивного поглощения: Mg и Ca (Zheng Y. et al., 2007);
Накопление этилена (Vidoz M. L. et al. 2010), старение растения, снижение лёжкости и средней массы плодов; • Замедление роста корней;
Утолщение корней;
Потемнение и отмирание корней;
Повышение риска развития корневых заболеваний.

Из этого перечня видно, что даже при кратковременном дефиците кислорода будет нанесён вред, который трудно заметить невооруженным глазом, а урожай будет снижен. Поэтому если вы видите потемневшие и погибшие корни в залитом мате, то потенциальная урожайность уже потеряна. И модельные данные, и замеры показывают, что растения испытывают дефицит кислорода, и концентрация кислорода в субстрате опускается до 2 мг/л и ниже (Poorter et al., 1991). Поэтому важно следить непосредственно за приростом растения: по датчикам биомассы, потока сока и диаметра стебля.

Среднее потребление кислорода составляет 2,1 мг О₂/г корней/час (Blok, Gerard, 2011). По крайней мере, столько же расходуют микробы в субстрате (Naasz R. et al., 2005).

Модельный расчёт употребления кислорода в субстрате для среднеплодного огурца:

Параметр	Значение	Единицы; источник данных
Надземная биомасса растений, г/м²	4 500
Доля плодов, г/г	0,6	практические замеры
Доля сухого вещества листьев и стеблей, г/г	0,10	Colla G. et al., 2002
Доля сухого вещества плодов, г/г	0,05	Colla G. et al., 2002
Сухая масса листьев, г/м²	180
Сухая масса плодов, г/м²	135
Сухая масса надземной части, г/м²	315
Доля сухого вещества корней от наземной части, г/г	0,11	Marcelis, 1994
Сухая масса корней, г/м²	34
Доля сухого вещества корней, г/г	0,125	Dai Z. et al., 2024
Биомасса корней, г/м²	277
Среднее потребление О₂, мг/час/м²	582

При среднем выливе в 8 л/м² в день, температуре воды 20°С и насыщенности в 95% поток кислорода с водой будет <5 мг/час/м², что в 200 раз меньше, чем нужно растениям.

Аналогичные выводы получаем при попытке подать кислород с перекисью водорода. Для образования моля кислорода нужно 2 моля перекиси. И при тех же условиях, и поливе 100 мг/л перекиси, или 47 мг/л О₂ поток кислорода будет 28 мг/час/м², что ниже нужных значений в 35 раз. Добавление перекиси при поливе садов и полей может обеспечить растения кислородом, так как расходуются большие объемы воды, но в случае с гидропонными культурами это не работает. Примечательно, что концентрации выше 30 мг/л О₂ продемонстрировали задержку в развитии растений (Zheng et al., 2007), что хорошо соотносится с принятой относительно безопасной концентрацией H₂O₂ на подаче в 100 ppm.

С ростом влажности скорость проникновения кислорода в субстрат снижается (рис. 1). На графике видно, что даже при 70% влажности одной только диффузии мало – она не обеспечивает потребностей активно растущей культуры, что подтверждается замерами (Naasz R., et al., 2005).

Рисунок 1 - Употребление и поступление кислорода (О₂) в корневую зону

Видно, что при высокой влажности растениям не будет хватать кислорода. Поэтому прежде всего важно не переливать культуру:вовремя заканчивать полив, начинать полив с началом транспирации, что даст достаточное снижение влажности за ночь и позволит растениям дышать.

Подробнее об это рассказано в курсе про построение стратегии поливов на Университете Роквул

При употреблении влаги из субстрата, свободное место занимает воздух атмосферы теплицы, богатый кислородом. Кроме того, когда мы поливаем больше, чем растения употребляют воды и субстрат способен удержать – с дренажом, вода сперва вытесняет воздух с низким содержанием кислорода, а вытекая засасывает на свой место свежий воздух из атмосферы. Так, дренаж выполняет роль поршня, выталкивающего воздух из субстрата. Поэтому важно иметь достаточный дренаж летом в жаркие часы (табл.2). Однако, когда дренаж долго течёт из мата – поршень медленно работает, и приток свежего воздуха замедляется, а сама поливная вода едва ли содержит достаточно кислорода. Потому важно, чтобы время полива и выхода дренажа не занимало более 50% времени (рис. 2). Для этого проверьте дренажные отверстия, чтобы они не создавали помеху для вытекающей воды. Дорезать новые отверстия при это не надо.

Таблица 2. Дренаж по активности солнца:

Интенсивность Солнца, Вт/м²	Дренаж, %
200	5-10
400	15
600	20
800	25
1000	30

Рисунок 2 - Оценка времени полива и выхода дренажа по графику влажности субстрата

Измерение и обогащение кислородом

Есть датчики для газовой фазы (Apogee Instruments), но они плохо работают во влажных средах, есть датчики для жидких сред (Unisense). Они требуют точной установки, калибровки и опыта обращения. Комбинированных датчиков нет, как и разработанных специально для промышленных теплиц. В теплицах возможно надёжно воспроизводить только замер кислорода в вытяжке, как EC и рН. Дефицит кислорода наступает в течении нескольких часов, и потому следует мерять в самые жаркие часы. Сделать это можно переносным мембранным оксиметром.

Дополнительное обогащение кислородом способно восстановить развитие растений. Это особенно важно, когда поливная вода не насыщается даже до атмосферного уровня. (Zheng Y. et al., 2007).

Для дополнительного обогащения кислородом можно использовать установки-аэраторы, прокачивающие сжатый воздух через тонкую сетку (NanobubbleX), создающую мелкие пузырики, остающиеся в воде. Это позволяет насытить воду выше предела растворимости кислорода. Однако, это не решает всей проблемы, и ключевую роль в доступности кислорода играет субстрат и полив.

Влияние субстрата на кислород

Влажные субстраты не позволят воздуху поникать внутрь, даже при грамотной стратегии полива. Например, это плотная каменная вата. Так, она ограничит употребление элементов питания и рост всего растения.

Излишне сухие субстраты, как перлит и рыхлая каменная вата, содержат необходимое количество влаги только в нижнем слое, не оставляя достаточного места для развития корней. Это приводит к увеличению конкуренции за кислород и ресурсы, а сухой субстрат сверху только мешает попаданию воздуха внутрь. Парадоксально, но сухие субстраты демонстрируют больший дефицит кислорода, чем влажные.

Поэтому важно выбирать субстрат с равномерным распределением влаги по всей высоте. Гродан добивается этого за счёт особого гидрофильного волокна.

Органические субстраты отличаются от минеральной прежде всего микробной активностью – микробы разлагают органику и расходуют кислород (Naasz R., et al. 2005). Поэтому, для интенсивного выращивания и высоких урожаев лучше подходит инертный субстрат.

Заключение

Выбирайте субстрат с равномерным распределением влаги.
Следите за состоянием дренажных отверстий, особенно летом.
Не заливайте мат, меняйте стратегию в соответствии с погодой.
При необходимости насыщайте раствор кислородом.

Поддержание уровня кислорода в корневой зоне помогает сохранить здоровье растений, повысить их продуктивность и улучшить качество урожая.

Литература

Apogee Instruments SO-110 Soil Response Thermistor Reference Oxygen Sensor [Электронный ресурс]. URL: https://www.apogeeinstruments.com/so-110-soil-response-thermistor-reference-oxygen-sensor/ (дата обращения: 24.01.2025).
Blok C., Gérard S. Root oxygen use during propagation of cucumber on rockwool cubes //International Symposium on Growing Media, Composting and Substrate Analysis 1013. – 2011.
Colla G. et al. Effects of substrates on yield, quality and mineral composition of soilless-grown cucumbers //VI International Symposium on Protected Cultivation in Mild Winter Climate: Product and Process Innovation 614. – 2002. – С. 205-209.
Dai Z. et al. Genome-wide association analysis reveal candidate genes and haplotypes related to root weight in cucumber (Cucumis sativus L.) //Frontiers in Plant Science. – 2024. – Т. 15. – С. 1417314.
De Pedro L. F. et al. Maintenance of photosynthetic capacity in flooded tomato plants with reduced ethylene sensitivity //Physiologia plantarum. – 2020.
Else M. A. et al. Stomatal closure in flooded tomato plants involves abscisic acid and a chemically unidentified anti-transpirant in xylem sap //Plant physiology. – 1996. – Т. 112. – №. 1. – С. 239-247.
Jethva J. et al. Try or die: Dynamics of plant respiration and how to survive low oxygen conditions //Plants. – 2022. – Т. 11. – №. 2. – С. 205.
Marcelis L. F. M. Effect of fruit growth, temperature and irradiance on biomass allocation to the vegetative parts of cucumber //Netherlands Journal of Agricultural Science. – 1994. – Т. 42. – №. 2. – С. 115-123.
Morard P., Silvestre J. Plant injury due to oxygen deficiency in the root environment of soilless culture: a review //Plant and soil. – 1996.
Naasz R., Michel J. C., Charpentier S. Microbial respiration and its consequences on oxygen availability in peat substrate //International Symposium on Growing Media 779. – 2005. – С. 91-96.
Naasz R., Michel J. C., Charpentier S. Microbial respiration and its consequences on oxygen availability in peat substrate //International Symposium on Growing Media 779. – 2005. – С. 91-96.
Naasz R., Michel J. C., Charpentier S. Modeling oxygen and water flows in peat substrate with root uptakes //International Symposium on Growing Media 779. – 2005. – С. 191-198.
NanobubbleX. Nanobubble Generator [Электронный ресурс]. URL: https://www.nanobubblex.com/nanobubble-generator/ (дата обращения: 24.01.2025).
Poorter H., Van der Werf, A., Atkin, O. K., & Lambers, H. Respiratory energy requirements of roots vary with the potential growth rate of a plant species //Physiologia Plantarum. – 1991.
Unisense. The Winning Formula [Электронный ресурс]. URL: https://unisense.com/applications/the-winning-formula/ (дата обращения: 24.01.2025).
Vidoz M. L. et al. Hormonal interplay during adventitious root formation in flooded tomato plants //The Plant Journal. – 2010. – Т. 63. – №. 4. – С. 551-562.
Zheng Y., Wang L., Dixon M. An upper limit for elevated root zone dissolved oxygen concentration for tomato //Scientia Horticulturae. – 2007.