第三章無土栽培的理論基礎(chǔ)

Chapter3TheBasicPrinciplesofSoillessCulture無土栽培作物之所以能夠取得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，是因為它提供給作物生長的水分、養(yǎng)分、光照、溫度、濕度等環(huán)境條件比作物千百年來生長的土壤環(huán)境要來得優(yōu)越。了解作物在無土栽培條件下養(yǎng)分、水分和溫度等對作物生長的影響是成功進(jìn)行無土栽培的基礎(chǔ)。

第一節(jié)植物的礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說與無土栽培

Section1TheTheoryofMineralNutritionandHydroponics植物究竟需要什么作為其營養(yǎng)？Question:Whatnutrientsarerequiredforplantgrowth??1563年P(guān)alissy認(rèn)為植物灰分是植物的營養(yǎng)VanHelmont的柳條試驗：得出水是植物營養(yǎng)的結(jié)論1840年德國李比希(Liebig)創(chuàng)立了植物的礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說Liebig,ascientistfromGermany,establishedthetheoryofmineralnutritionin1840.1858年Knop和Sachs用鹽類制成的人工營養(yǎng)介質(zhì)栽培植物成功，有力地證明了礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的正確性。人們對植物營養(yǎng)的本質(zhì)有了較為清晰的認(rèn)識。

植物礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的創(chuàng)立具有劃時代的意義。

無土栽培技術(shù)在一百多年前是作為驗證植物營養(yǎng)學(xué)說而被使用的，它充分證明了李比希礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的正確性，充實和豐富了礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的內(nèi)容。可以說，沒有無土栽培技術(shù)的應(yīng)用，就難以證明礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的正確性，其內(nèi)涵也不可能得以充實和完善。

反過來，日趨完善的植物營養(yǎng)學(xué)說又進(jìn)一步推動了無土栽培技術(shù)的發(fā)展，使得最初用于驗證礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說正確性的無土栽培技術(shù)從實驗室走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，并發(fā)展成為一種高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效作物生產(chǎn)的先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。

可見，植物的礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說是無土栽培的理論基礎(chǔ)。

第二節(jié)植物的根系及其功能

SectionIIPlantRootsandtheirFunctions

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分主要的器官，它的生長狀況與植物地上部的生長息息相關(guān)。

無土栽培的顯著優(yōu)越性之一就表現(xiàn)在植物的根際環(huán)境要比土壤的易于控制。

a.須根系 b.直根系fibrousrootsystemTaprootsystem

直根系和須根系示意圖Thesketchmapoftaprootsystemandfibrousrootsystems

從根的橫切面從外向根內(nèi)觀察，可分為表皮、(外)皮層、內(nèi)皮層和中柱這4個部分

Epidermis,cortex(exodermis),endodermis,stale(centralcylinder)canbeobservedfromthesurfaceofaroottothecenter.c.大麥(Hordeumvulgare)種子根的橫斷面

ThecrosssectionofseedrootofHordeumvulgare

4、根系的代謝功能/metabolismfunction5、根系的貯藏功能/storagefunction

6、根系與其它微生物共生的功能/intergrowthfunctionwithothermicroorganisms

7、根系的繁殖功能/propagationfunction

三、根系對淹水的適應(yīng)性

Theadaptabilityofrootstowaterflooding(inundation)水生植物：如海帶，水葫蘆，浮萍沼澤性植物或半沼澤性植物，如水稻旱生植物，如大部分蔬菜可按植物生長的生態(tài)環(huán)境及根系對淹水適應(yīng)性的不同分為：第三節(jié)無土栽培的生理學(xué)基礎(chǔ)

Section3Basicbiologyofsoillessculture

水分從介質(zhì)植物環(huán)境的過程：

Theproceduresofwaterfrommediatoplantandtoenvironment:

1)由介質(zhì)遷移到根系皮層組織，再運送到木質(zhì)部導(dǎo)管；2)由根系木質(zhì)部導(dǎo)管向地上部運輸并分配到各器官中；3)由地上部器官(主要是葉片)以氣態(tài)水的形式(水蒸汽)釋放到空氣中。

一、植物吸水的過程/Theprocedureofwaterabsorption根系的吸水機(jī)理：滲透作用和毛細(xì)管作用

Themechanismofwaterabsorption:osmosisandcapillarity滲透作用是指水分從水勢高的系統(tǒng)通過半透膜向水勢低的系統(tǒng)遷移的現(xiàn)象。水勢是指在一定的溫度和壓力條件下，1摩爾容積的水溶液與1摩爾容積的純水之間的自由能的差值。純水的自由能最大，水勢也最高。

表示水勢的單位為大氣壓(atm)或巴(Pa)。1巴=0.987大氣壓。二、蒸騰作用及其生理意義

Transpirationanditsphysiologicalsignificances

蒸騰作用是指水分由植物體的地上部以水蒸汽的形式擴(kuò)散的過程稱為。

Transpirationistheprocedurethatthewaterdiffusesaswatervaporfromshootintoair.(一)蒸騰作用與蒸騰系數(shù)/Transpirationandtranspirationcoefficient根系吸收的水量如果比蒸騰作用所消耗的水量來得少，則會出現(xiàn)莖葉萎蔫，如果萎蔫狀態(tài)維持的時間不長，根系吸水速率可以趕得上蒸騰速率，則植株的細(xì)胞間的膨壓可以得到恢復(fù)，萎蔫狀態(tài)可以消除，這種萎蔫稱為暫時萎蔫(temporarywilting)。

如果萎蔫狀態(tài)維持的時間較長，即使介質(zhì)中有充足的水分供應(yīng)，而植物仍不能從萎蔫狀態(tài)恢復(fù)的，這種萎蔫稱為永久萎蔫(permanentwilting)。永久萎蔫會對植物正常生長產(chǎn)生很大的傷害，甚至導(dǎo)致植株死亡作物(C3植物)蒸騰系數(shù)作物(C3植物)蒸騰系數(shù)作物(C4植物)蒸騰系數(shù)水稻rice680西瓜Watermelon580玉米corn370小麥wheat540南瓜cushaw834高粱sorghum280棉花cotton570菜豆Commonbean700粟millet300向日葵sunflower600豌豆Pea788莧菜amaranth300苜蓿clever840馬鈴薯potato640馬齒莧purslane280幾種作物的蒸騰系數(shù)[耗水量(g)/干物重(g)]

(二)蒸騰作用的生理意義

Thephysiologicalsignificancesof

Transpiration首先是提供了一個水分從地下部到地上部上升的垂直拉力，保證了水分在植株中的運輸，為各種生理代謝的正常進(jìn)行提供了充足的水分。其次，通過莖葉的蒸騰作用而使得植物在夏季高溫時植株體內(nèi)及葉表面保持一定的溫度，避免或減少高溫的危害。第三，有利于植物根系對養(yǎng)分的吸收。

第四，利于植物生物合成的物質(zhì)在體內(nèi)的進(jìn)一步分配。三、影響根系吸水的因素

1、植物的生長狀況/Thestatusofplantgrowth2、溫度/temperature在棚室氣溫較高或較低的情況下，如能夠保證根際溫度在適宜的范圍內(nèi)，大多數(shù)植物能正常生長，這是氣溫和根溫的互補(bǔ)性。3、介質(zhì)中溶液的濃度/concentrationofthesolutioninmedia由于介質(zhì)中溶液濃度過高而產(chǎn)生的植物缺水現(xiàn)象稱為生理失水。

4、根系病害/rootdiseases

5、根系的通氣狀況/aerationofroots’environment6、空氣濕度/airhumidity四、表觀吸收成分組成濃度

山崎肯哉認(rèn)為，正常生長的植株對水分和養(yǎng)分的吸收是同步的，并以此提出了表觀吸收成分組成濃度這一概念表觀吸收成分組成濃度(n/w)是植物對各種養(yǎng)分的吸收量(n,mmol)和吸收消耗的水量(w,L)的比值，單位為mmol/L。它既可以是指植株對所有養(yǎng)分的吸收量和消耗的水量之比，也可以是指植株對某一種養(yǎng)分離子的吸收量和消耗的水量之比。幾種作物整個生長期的表觀吸收成分組成濃度

TheApparentabsorptionconstituteconcentrationinwholegrowthstageofsomeplants(n/w)

作物生長季節(jié)一株作物一生吸水量(L)每吸收1L水的同時系數(shù)各元素的量(n/w,mmol/L)NPKCaMg番茄12月~次年7月164.5070.6741.51.0黃瓜12月~次年7月173.36131.0063.52.0甜椒8月~次年6月165.8190.8361.50.75結(jié)球生菜9月~次年1月29.0360.541.00.5甜瓜3~6月65.45131.3363.51.5茄子3~10月119.08101.0071.51.00草莓11月~次年3月12.647.50.754.51.50.75第四節(jié)植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收

Section4TheAbsorptionofmineralnutrients

一、植物的營養(yǎng)成分/Thenutrients

新鮮的植物含有75%~95%的水分和5%~25%的干物質(zhì)Freshplantscontainsabout75%to95%ofwaterand5%to25%ofdrymatter.植物必需的營養(yǎng)元素有16種，即碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋅(Zn)、銅(Cu)、硼(B)、鉬(Mo)、氯(Cl)Thereare16kindsoftheessentialnutrientelementsforplantgrowth,includingC,N,P,K,Ca,Mg,S,Fe,Mn,Zn,Cu,MoandCl.二、必需營養(yǎng)元素的標(biāo)準(zhǔn)

TheStandardsofEssentialelements①該元素是植物正常生長所不可缺少的，如果缺少了，植物就不能完成其生活史，也即營養(yǎng)元素的必要性；②該元素在植物體內(nèi)的營養(yǎng)功能不能被其它元素所代替，即營養(yǎng)元素功能的專一性；③該元素必須是直接參與植物的代謝作用，即起直接作用的，而不是起其它的間接作用的，也即營養(yǎng)元素功能的直接性。

Arnon和Stout(1939)提出判定一種元素是否為高等植物必需的營養(yǎng)元素要符合以下的三個標(biāo)準(zhǔn)：三、礦質(zhì)營養(yǎng)元素的生理功