无土栽培的理论基础.ppt

第三章无土栽培的理论基础Chapter3TheBasicPrinciplesofSoillessCulture 无土栽培作物之所以能够取得高产优质 是因为它提供给作物生长的水分 养分 光照 温度 湿度等环境条件比作物千百年来生长的土壤环境要来得优越 了解作物在无土栽培条件下养分 水分和温度等对作物生长的影响是成功进行无土栽培的基础 第一节植物的矿质营养学说与无土栽培Section1TheTheoryofMineralNutritionandHydroponics 植物究竟需要什么作为其营养 Question Whatnutrientsarerequiredforplantgrowth 1563年Palissy认为植物灰分是植物的营养VanHelmont的柳条试验 得出水是植物营养的结论 Glauber认为植物的营养要素是硝石 KNO3 而不是水约在1755年FrancisHome指出植物的营养要素不是一种 而是多种 可能包括空气 水 土 盐 油和火等 Thaer1809年提出腐植质营养学说 1840年德国李比希 Liebig 创立了植物的矿质营养学说Liebig ascientistfromGermany establishedthetheoryofmineralnutritionin1840 1858年Knop和Sachs用盐类制成的人工营养介质栽培植物成功 有力地证明了矿质营养学说的正确性 人们对植物营养的本质有了较为清晰的认识 植物矿质营养学说的创立具有划时代的意义 无土栽培技术在一百多年前是作为验证植物营养学说而被使用的 它充分证明了李比希矿质营养学说的正确性 充实和丰富了矿质营养学说的内容 可以说 没有无土栽培技术的应用 就难以证明矿质营养学说的正确性 其内涵也不可能得以充实和完善 反过来 日趋完善的植物营养学说又进一步推动了无土栽培技术的发展 使得最初用于验证矿质营养学说正确性的无土栽培技术从实验室走向大规模商业化应用 并发展成为一种高产优质高效作物生产的先进农业生产技术 可见 植物的矿质营养学说是无土栽培的理论基础 第二节植物的根系及其功能SectionIIPlantRootsandtheirFunctions 根系是植物吸收养分和水分主要的器官 它的生长状况与植物地上部的生长息息相关 无土栽培的显著优越性之一就表现在植物的根际环境要比土壤的易于控制 一 根系的形态和结构I Theconformationandstructureofroots 一 根系的形态 一株植株所有的根的总体称为根系 植物从种子萌发开始 胚根从种皮中伸出并向下生长 这种从胚中长出的根称为主根 随着生长过程的进行 又会在主根上长出侧根 而当侧根长到一定的时候又会长出次一级的侧根 这样不断生长就形成了一个植物的根系 a 须根系b 直根系fibrousrootsystemTaprootsystem直根系和须根系示意图Thesketchmapoftaprootsystemandfibrousrootsystems 二 根系的结构 Root sStructure 从根尖向根基部分为根冠 分生区 伸长区和成熟区 根毛区 这五个部分5partswillbedividedfromroottiptobase calyptra rootcap mitogeneticzone elongationzoneandmaturationzone root hairzone a 大麦根尖纵切面Thelongitudinalsectonofbarley sroot b 双子叶植物根立体结构图Thesolidstructureofdicotyledon sroot 从根的横切面从外向根内观察 可分为表皮 外 皮层 内皮层和中柱这4个部分Epidermis cortex exodermis endodermis stale centralcylinder canbeobservedfromthesurfaceofaroottothecenter c 大麦 Hordeumvulgare 种子根的横断面ThecrosssectionofseedrootofHordeumvulgare 二 根系的功能 Functions 1 根系的支撑功能 Supporting2 根系的吸收功能 Absorption根系吸收的物质包括水分 无机盐类的分子或离子 简单的小分子有机化合物以及气体等3 根系的输导功能 Transportation是指根系将其吸收的水分 无机盐类和其它物质以及根系代谢形成的物质输送到地上部供其生长所需 同时也可将地上部生产的有机物质运送到根部 双向运输 4 根系的代谢功能 metabolismfunction5 根系的贮藏功能 storagefunction6 根系与其它微生物共生的功能 intergrowthfunctionwithothermicroorganisms7 根系的繁殖功能 propagationfunction 三 根系对淹水的适应性Theadaptabilityofrootstowaterflooding inundation 水生植物 如海带 水葫芦 浮萍沼泽性植物或半沼泽性植物 如水稻旱生植物 如大部分蔬菜 可按植物生长的生态环境及根系对淹水适应性的不同分为 第三节无土栽培的生理学基础Section3Basicbiologyofsoillessculture 水分从介质植物环境的过程 Theproceduresofwaterfrommediatoplantandtoenvironment 1 由介质迁移到根系皮层组织 再运送到木质部导管 2 由根系木质部导管向地上部运输并分配到各器官中 3 由地上部器官 主要是叶片 以气态水的形式 水蒸汽 释放到空气中 一 植物吸水的过程 Theprocedureofwaterabsorption 根系的吸水机理 渗透作用和毛细管作用Themechanismofwaterabsorption osmosisandcapillarity 渗透作用是指水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统迁移的现象 水势是指在一定的温度和压力条件下 1摩尔容积的水溶液与1摩尔容积的纯水之间的自由能的差值 纯水的自由能最大 水势也最高 表示水势的单位为大气压 atm 或巴 Pa 1巴 0 987大气压 二 蒸腾作用及其生理意义Transpirationanditsphysiologicalsignificances 蒸腾作用是指水分由植物体的地上部以水蒸汽的形式扩散的过程称为 Transpirationistheprocedurethatthewaterdiffusesaswatervaporfromshootintoair 一 蒸腾作用与蒸腾系数 Transpirationandtranspirationcoefficient 蒸腾作用对植株体内水分自根系向地上部所产生的拉力称为蒸腾拉力 蒸腾拉力是植物吸收与传导的主要动力 植株蒸腾作用的部位主要是叶片 可通过气孔蒸腾和角质层蒸腾这两个途径来进行 植物的蒸腾作用主要是通过气孔来完成的 气孔的蒸腾量占总蒸腾量的80 90 以上 根系吸收的水量如果比蒸腾作用所消耗的水量来得少 则会出现茎叶萎蔫 如果萎蔫状态维持的时间不长 根系吸水速率可以赶得上蒸腾速率 则植株的细胞间的膨压可以得到恢复 萎蔫状态可以消除 这种萎蔫称为暂时萎蔫 temporarywilting 如果萎蔫状态维持的时间较长 即使介质中有充足的水分供应 而植物仍不能从萎蔫状态恢复的 这种萎蔫称为永久萎蔫 permanentwilting 永久萎蔫会对植物正常生长产生很大的伤害 甚至导致植株死亡 蒸腾系数 transpirationcoefficient 是指在一定的生长时期内的蒸腾失水量与其干物质累积量的比值 通常用每生产单位重量 g 干物质所蒸腾散失的水量 g 来表示 因此 蒸腾系数也可以理解为水分的利用效率 即蒸腾系数越大 植物的水分利用效率越低 也即生产同等重量的干物质 蒸腾系数大的植物耗水量较多 而蒸腾系数小的耗水量就少 几种作物的蒸腾系数 耗水量 g 干物重 g 二 蒸腾作用的生理意义ThephysiologicalsignificancesofTranspiration 首先是提供了一个水分从地下部到地上部上升的垂直拉力 保证了水分在植株中的运输 为各种生理代谢的正常进行提供了充足的水分 其次 通过茎叶的蒸腾作用而使得植物在夏季高温时植株体内及叶表面保持一定的温度 避免或减少高温的危害 第三 有利于植物根系对养分的吸收 第四 利于植物生物合成的物质在体内的进一步分配 番茄在不同供水条件下茎和叶片的氮 磷含量ThecontentsofNandPintomatoleavesunderdifferentwatersupplies Gates 1957 三 影响根系吸水的因素 1 植物的生长状况 Thestatusofplantgrowth2 温度 temperature在棚室气温较高或较低的情况下 如能够保证根际温度在适宜的范围内 大多数植物能正常生长 这是气温和根温的互补性 3 介质中溶液的浓度 concentrationofthesolutioninmedia由于介质中溶液浓度过高而产生的植物缺水现象称为生理失水 4 根系病害 rootdiseases5 根系的通气状况 aerationofroots environment6 空气湿度 airhumidity 四 表观吸收成分组成浓度 山崎肯哉认为 正常生长的植株对水分和养分的吸收是同步的 并以此提出了表观吸收成分组成浓度这一概念表观吸收成分组成浓度 n w 是植物对各种养分的吸收量 n mmol 和吸收消耗的水量 w L 的比值 单位为mmol L 它既可以是指植株对所有养分的吸收量和消耗的水量之比 也可以是指植株对某一种养分离子的吸收量和消耗的水量之比 几种作物整个生长期的表观吸收成分组成浓度TheApparentabsorptionconstituteconcentrationinwholegrowthstageofsomeplants n w n w值反映植物吸水和吸肥的关系 即植物吸收一定量的水就相应地吸收一定量的营养元素 也可以理解为在向植物提供一定量的水分时 也应同时提供相应数量的各种养分 实际上就是营养液的浓度指标 由于植物对水分和养分的吸收受许多外界因素影响 因此 不同生长季节 不同的作物长势以及不同的作物品种之间n w值存在着很大的差异 表观吸收成分组成浓度 n w 也只能是作为一种参考 第四节植物对矿质营养的吸收Section4TheAbsorptionofmineralnutrients 一 植物的营养成分 Thenutrients新鲜的植物含有75 95 的水分和5 25 的干物质Freshplantscontainsabout75 to95 ofwaterand5 to25 ofdrymatter 植物必需的营养元素有16种 即碳 C 氢 H 氧 O 氮 N 磷 P 钾 K 钙 Ca 镁 Mg 硫 S 铁 Fe 锰 Mn 锌 Zn 铜 Cu 硼 B 钼 Mo 氯 Cl Thereare16kindsoftheessentialnutrientelementsforplantgrowth includingC N P K Ca Mg S Fe Mn Zn Cu MoandCl 二 必需营养元素的标准TheStandardsofEssentialelements 该元素是植物正常生长所不可缺少的 如果缺少了 植物就不能完成其生活史 也即营养元素的必要性 该元素在植物体内的营养功能不能被其它元素所代替 即营养元素功能的专一性 该元素必须是直接参与植物的代谢作用 即起直接作用的 而不是起其它的间接作用的 也即营养元素功能的直接性 Arnon和Stout 1939 提出判