无土栽培的理论基础

1、第三章第三章 无土栽培的理论基础无土栽培的理论基础 Chapter 3 The Basic Principles of Soilless Culture无土栽培作物之所以能够取得高产优质，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是因为它提供给作物生长的水分水分、养分养分、光照光照、温度温度、湿度湿度等环境条件比作物千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温度等对作物生长的影响是成功进行无土栽培的基础。土栽培的基础。第一节第一节

2、 植物的矿质营养学说与无土栽培植物的矿质营养学说与无土栽培 Section 1 The Theory of Mineral Nutrition and Hydroponics植物究竟需要什么作为其营养？植物究竟需要什么作为其营养？Question: What nutrients are required for plant growth?1563年Palissy认为植物灰分是植物的营养Van Helmont的柳条试验：得出水是植物营养水是植物营养的结论Glauber认为植物的营养要素是硝石硝石(KNO3)而不是水约在1755年Francis Home指出植物的营养要素不是一种，而是多种，可能包

3、括空气、水、土、盐、油和火等。Thaer1809年提出腐植质营养学说腐植质营养学说v1840年德国李比希李比希(Liebig)创立了植物的矿质营养学说vLiebig, a scientist from Germany, established the theory of nutrition in 1840. v1858年Knop和Sachs用盐类制成的人工营养介质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。v人们对植物营养的本质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。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

4、植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。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用

5、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成为一种高产优质高效作物生产的先进农业生产技术。生产技术。 可见，可见，植物的矿质营养学说是无土栽培的植物的矿质营养学说是无土栽培的理论基础理论基础。 第二节 植物的根系及其功能Section II Plant Roots and their Functions 根系是植物吸收养分和水分主要的器官，它的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。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

6、植物的根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。际环境要比土壤的易于控制。 一、根系的形态和结构一、根系的形态和结构I. The conformation and structure of roots（一）根系的形态（一）根系的形态 一株植株所有的根的总体称为根系。植物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生长，这种从胚中长出的根称为主根主根，随着，随着生长过程的进行，又会在主根上长出生长过程的进行，又会在主根上长出侧根侧根，而当侧根长到一定的时候又会长出次一级的而当

7、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侧根，这样不断生长就形成了一个植物的根系。系。 a.须根系 b.直根系fibrous root system Tap root system 直根系和须根系示意图The sketch map of taproot system and fibrous root systems (二二) 根系的结构根系的结构/ Roots Structure v从根尖向根基部分为根冠、分生区、伸长区和成熟区从根尖向根基部分为根冠、分生区、伸长区和成熟区(根毛区根毛区)这五个部分这五个部分 v5 parts will be divided f

8、rom root tip to base, calyptra (root cap), mitogenetic zone, elongation zone and maturation zone (root-hair zone).a.大麦根尖纵切面大麦根尖纵切面The longitudinal secton of barleys root b.双子叶植物根立体结构图双子叶植物根立体结构图The solid structure of dicotyledons rootv从根的横切面从外向根内观察，可分为表皮、从根的横切面从外向根内观察，可分为表皮、(外外)皮层、内皮皮层、内皮层和中柱这层和中柱这4

9、个部分个部分 vEpidermis, cortex (exodermis), endodermis, stale (central cylinder) can be observed from the surface of a root to the center.c.大麦大麦(Hordeum vulgare)种子根的横断面种子根的横断面 The cross section of seed root of Hordeum vulgare 二、根系的功能二、根系的功能/Functions 1、根系的支撑功能、根系的支撑功能/Supporting 2、根系的吸收功能、根系的吸收功能/Absorpt

10、ion 根系吸收的物质包括水分、无机盐类的分子或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、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长所需，同时也可将地上部生产的有机物质运送到根部。到根部。 (双向运输双向运输) 4、根系的代谢功能、根系的代谢功能/ metabolism function 5

11、、根系的贮藏功能、根系的贮藏功能/ storage function 6、根系与其它微生物共生的功能、根系与其它微生物共生的功能/intergrowth function with other microorganisms 7、根系的繁殖功能、根系的繁殖功能/propagation function 三、根系对淹水的适应性三、根系对淹水的适应性 The adaptability of roots to water flooding (inundation)v水生植物：如海带，水葫芦，浮萍水生植物：如海带，水葫芦，浮萍v沼泽性植物或半沼泽性植物，如水稻沼泽性植物或半沼泽性植物，如水稻v旱生植物，

12、如大部分蔬菜旱生植物，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：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：第三节第三节 无土栽培的生理学基础无土栽培的生理学基础Section 3 Basic biology of soilless culture 水分从介质水分从介质 植物植物 环境的过程：环境的过程： The procedures of water from media to plant and to environment: 1)由介质迁移到根系皮层组织，再运送到木质部导管；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

13、到各器官中；由根系木质部导管向地上部运输并分配到各器官中； 3)由地上部器官由地上部器官(主要是叶片主要是叶片)以气态水的形式以气态水的形式(水蒸汽水蒸汽)释放到空气中。释放到空气中。 一、植物吸水的过程一、植物吸水的过程/The procedure of water absorption根系的吸水机理：渗透作用和毛细管作用根系的吸水机理：渗透作用和毛细管作用The mechanism of water absorption: osmosis and capillarityv渗透作用渗透作用是指水分从水势高的系统通过半透膜向水势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。低的系统

14、迁移的现象。v水势水势是指在一定的温度和压力条件下，是指在一定的温度和压力条件下，1摩尔容积的水摩尔容积的水溶液与溶液与1摩尔容积的纯水之间的自由能的差值。摩尔容积的纯水之间的自由能的差值。纯水的纯水的自由能最大，水势也最高。自由能最大，水势也最高。 v表示水势的单位为大气压表示水势的单位为大气压(atm)或巴或巴(Pa)。1巴巴=0.987大气压。大气压。二、蒸腾作用及其生理意义二、蒸腾作用及其生理意义Transpiration and its physiological significances v蒸腾作用蒸腾作用是指水分由植物体的地上部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

15、为。以水蒸汽的形式扩散的过程称为。 vTranspiration is the procedure that the water diffuses as water vapor from shoot into air.(一一) 蒸腾作用与蒸腾系数蒸腾作用与蒸腾系数/Transpiration and transpiration coefficientv蒸腾作用对植株体内水分自根系向地上部所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产生的拉力称为蒸腾拉力蒸腾拉力。蒸腾拉力是植物。蒸腾拉力是植物吸收与传导的吸收与传导的主要动力。主要动力。v植株蒸腾作用的部位主要是植株蒸腾作用的部位主要是

16、叶片叶片，可通过气，可通过气孔蒸腾和角质层蒸腾这两个途径来进行。孔蒸腾和角质层蒸腾这两个途径来进行。 v植物的蒸腾作用主要是通过植物的蒸腾作用主要是通过气孔气孔来完成的，来完成的，气孔的蒸腾量占总蒸腾量的气孔的蒸腾量占总蒸腾量的80%90%以上。以上。v根系吸收的水量如果比蒸腾作用所消耗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，萎蔫状态可胞间的膨压可以得到恢复，萎蔫状态可以 消

17、 除 ， 这 种 萎 蔫 称 为以 消 除 ， 这 种 萎 蔫 称 为 暂 时 萎 蔫暂 时 萎 蔫(temporary wilting)。 v如果萎蔫状态维持的时间较长，即使介质中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 为态 恢 复 的 ， 这 种 萎 蔫 称 为 永 久 萎 蔫永 久 萎 蔫(permanent wilting)。 v永久萎蔫永久萎蔫会对植物正常生长产生很大的伤害，会对植物正常生长产生很大的伤害，甚至导致植株死亡甚至导致植株死亡v蒸腾系数蒸腾系数(transpi

18、ration coefficient)是指在一是指在一定的生长时期内的蒸腾失水量与其干物质累积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量的比值。通常用每生产单位重量(g)干物质所干物质所蒸腾散失的水量蒸腾散失的水量(g)来表示。来表示。v因此，蒸腾系数也可以理解为因此，蒸腾系数也可以理解为水分的利用效率水分的利用效率，即蒸腾系数越大，植物的水分利用效率越低，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。物耗水量较多，而蒸腾系数小的耗水量就少。作物作物(

19、C3植物植物)蒸腾蒸腾系数系数作物作物(C3植物植物)蒸腾蒸腾系数系数作物作物(C4植物植物)蒸腾蒸腾系数系数 水水 稻稻 rice680 西西 瓜瓜Water melon580 玉玉 米米 corn370 小小 麦麦 wheat540 南南 瓜瓜cushaw834 高高 粱粱sorghum280 棉棉 花花cotton570 菜菜 豆豆Common bean700粟粟millet300 向日葵向日葵sunflower600 豌豌 豆豆 Pea788 苋菜苋菜amaranth300 苜苜 蓿蓿clever840 马铃薯马铃薯 potato640 马齿苋马齿苋purslane280几种作物的蒸腾

20、系数耗水量(g)/干物重(g) ( (二二) ) 蒸腾作用的生理意义蒸腾作用的生理意义 The physiological significances of Transpiration v首先是提供了一个水分从地下部到地上部上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，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为各种生理代谢的正常进行提供了充足的水分。分。v其次，通过茎叶的蒸腾作用而使得植物在夏其次，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，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

21、的危害。避免或减少高温的危害。v第三，有利于植物根系对养分的吸收。第三，有利于植物根系对养分的吸收。 v第四，利于植物生物合成的物质在体内的进第四，利于植物生物合成的物质在体内的进一步分配。一步分配。番茄在不同供水条件下茎和叶片的氮、磷含量The contents of N and P in tomato leaves under different water supplies(Gates,1957) 器官氮磷正 常 供 水缺 水正 常 供 水缺 水mg/株百分含量(%,干基)mg/株百分含量(%,干基)mg/株百分含量(%,干基)mg/株百分含量(%,干基)茎514.2373.87.20.

22、594.50.45叶1376.1885.414.70.668.00.49三、影响根系吸水的因素三、影响根系吸水的因素 1、植物的生长状况、植物的生长状况/The status of plant growth 2、温度、温度/temperature 在棚室气温较高或较低的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，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大多数植物能正常生长，这是气温和根温的互补性。补性。3、介质中溶液的浓度、介质中溶液的浓度/concentration of the solution in media 由于介质中溶液

23、浓度过高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。而产生的植物缺水现象称为生理失水。 4、根系病害、根系病害/root diseases 5、根系的通气状况、根系的通气状况/aeration of roots environment6、空气湿度、空气湿度 / air humidity 四、表观吸收成分组成浓度四、表观吸收成分组成浓度 v山崎肯哉认为，正常生长的植株对水分和养分的山崎肯哉认为，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浓度这一概念 v表观吸收成分组成浓度表观吸收成分组成浓度(n/w)是

24、植物对各种养分是植物对各种养分的吸收量的吸收量(n, mmol)和吸收消耗的水量和吸收消耗的水量(w, L)的比的比值，单位为值，单位为mmol/L。它既可以是指植株对所有。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。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The Apparent absorption constitute concentration in whole growth stage of some plants (n/w) 作 物生

25、长季节一株作物一生吸水量(L)每吸收1L水的同时系数各元素的量(n/w, mmol/L)NPKCaMg番 茄12月次年7月164.5070.6741.51.0黄 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结球生菜9月次年1月29.0360.541.00.5甜 瓜 36月65.45131.3363.51.5茄 子 310月119.08101.0071.51.00草 莓11月次年3月12.647.50.754.51.50.75vn/w值反映植物吸水和吸肥的关系，即植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

26、的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。实际上就是各种养分。实际上就是营养液的浓度指标营养液的浓度指标。 v由于植物对水分和养分的吸收受许多外界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作物长势以及不同的作物品种之间n/w值值存在着很大的差异。存在着很大的差异。 v表观吸收成分组成浓度表观吸收成分组成浓度(n/w)也只能是作也只能是作为一种参考为一种参考 第四节第四节 植物对矿质营养的吸收植物对矿质营养的吸收Section 4 The Absorption of mineral nutrients 一、植物的营养成分一、植物的营养成分/The nutrients v新鲜的植物含有新鲜的植物含有75%95%的水分和的水分和5%25%的干物质的干物质vFresh plants contains about 75% to 95% of water and 5% to 25% of dry matter.v植物必需的营养元素有植物必需的营养元素有16种，即碳种，即碳(C)、氢、氢(H)、氧、氧(O)、氮