Εφαρμογή αζωτοδεσμευτικών βακτηρίων σε συμβατικό, βιολογικό και υδροπονικό σύστημα καλλιέργειας νωπού φασολιού (Phaseolus vulgaris L.) και επιπτώσεις της στην παραγωγή, τη βιολογική αζωτοδέσμευση και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου

Abstract

The aim of this thesis was to explore sustainable farming systems in common bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivation focusing mainly in nitrogen plant nutrition, greenhouse gas emissions, as well as the proper use of biological nitrogen fixation (BNF). During the conduct of the study were performed four different experiments, which examined two alternative farming systems, organic farming system and hydroponic system. Two field experiments were conducted to compare the impacts of organic vs. conventional farming practices on yield, N nutrition and greenhouse gas emissions in common bean. In both farming systems, irrigation water containing 0.5 or 10 mM NaCl was used. The conventionally treated plots were fertilized with an inorganic fertilizer, whereas the organically treated plots received organic compost. Conventional farming resulted in significantly higher fresh weight of green bean pods than organic farming in both years. However, the cropping system had no impact on dry pod biomass, because the dry matter content of the organically produced bean pods was higher than that of pods originating from conventional farming. The presence of 10 mM NaCl in the irrigation water restricted significantly the total plant biomass and fresh pod yield, without any interaction with the farming system. The decrease in fresh pod yield by organic farming was due to a shortage in soil mineral N (NO3−and NH4+) at the early growth stage, which reduced the tissue N levels. Organic farming increased significantly the number of root nodules at the stage of early pod filling in comparison with conventional farming. However, at both systems the total soil N increased appreciably at this developmental stage, although no N was supplied to the crop, thereby pointing to intensive symbiotic N2-fixation by bean. This hypothesis was confirmed in the second year experiment whereas the BNF was determined using the natural abundance 15N method. Organic farming resulted in significantly lower N2O emissions than conventional farming in terms of the overall Global Warming Potential of the treatments in both years. However, the N2O emission intensities did not differ significantly between organic and conventional systems, highlighting the importance of maximizing yield within organic systems in order to reduce their environmental impact.As far as the greenhouse experiments concerned, to date few attempts have been made to assess the impact of Rhizobium inoculation on N2 fixation and plant yield in soilless cultivations of common bean. In the present study, common bean grown on an inert medium (pumice) was inoculated with either Rhizobium tropici CIAT899 or a commercial product containing a mix of N2-fixing bacteria, specifically21rhizobia, and Azotobacter sp. In the first experiment plants treated with both inoculants were supplied with nitrogen (N)-free (0% N) nutrient solution (NS) throughout the cropping period, whereas a third treatment with non-inoculated plants, which were supplied with a standard (100% N) NS was applied as a control. However, in the second greenhouse experiment plants were also supplied with 1/3 of full-N NS and inoculated with Rt CIAT899. In both experiments inoculation with R. tropici significantly increased the total number of root nodules in comparison with the other treatments, while the commercial mixture that was used in the first experiment was ineffective. The supply of N-free NS restricted markedly both total plant biomass and pod yield, whereas the inoculation with Rt mitigated this effect. Restriction (1/3 of full-N) or omission of inorganic N resulted in successful nodulation and BNF corresponding to 58% and 100% of the total plant-N content, respectively. However, the shoot total N concentration 45, 65, and 90 days after transplanting (DAT) was not reduced by the supply of N-free NS when the plants were inoculated with CIAT899, whereas in the second experiment total N was significantly reduced 25 DAT in the N-free treatment NS. This finding indicate that the growth of bean plants fed with reduced or zero N was limited only on initial plant growth stage due to lack of N, because in this phase of development had not yet started the biological nitrogen fixation and this is proved by the reduced relative growth rate presented by plants at this stage. The supply of N-free NS restricted appreciably the potassium (K), magnesium (Mg), and zinc (Zn) levels in the aboveground plant biomass, regardless of inoculation treatment. Rt inoculation of hydroponic bean provides no advantage when full-N NS is supplied, while 1/3 of full-N, or N-free NS suppresses plant biomass and yield, partly because the restricted NO3- supply impairs cation uptake.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην διερεύνηση βιώσιμων συστημάτων καλλιέργειας νωπού φασολιού στοχεύοντας κυρίως στις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, την θρέψη των φυτών με άζωτο, αλλά και τη σωστή αξιοποίηση της συμβιωτικής αζωτοδέσμευσης. Κατά τη διεξαγωγή της μελέτης πραγματοποιήθηκαν τέσσερα πειράματα, στα οποία μελετήθηκαν δύο εναλλακτικά καλλιεργητικά συστήματα, βιολογικό σύστημα υπαίθριας καλλιέργειας νωπού φασολιού (Phaseolus vulgaris L.) και υδροπονικό σύστημα θερμοκηπίου.Στα δύο πειράματα αγρού που διεξήχθησαν έγινε σύγκριση της επίδρασης των γεωργικών πρακτικών του βιολογικού καλλιεργητικού συστήματος με αυτές του συμβατικού σε συνθήκες χαμηλής ή υψηλής αλατότητας του νερού άρδευσης. Η πρακτική του εμβολιασμού με αζωτοβακτήρια στις ρίζες των φυτών φασολιού εφαρμόστηκε και στις δύο υπαίθριες καλλιέργειες. Την πρώτη χρονιά εφαρμόστηκε εμπορικό μείγμα αζωτοβακτηρίων μόνο στα βιολογικά υποτεμάχια, το οποίο αξιολογήθηκε ως αναποτελεσματικό, ενώ την δεύτερη χρονιά χρησιμοποιήθηκε μόλυσμα του στελέχους Rt CIAT899, το οποίο ενίσχυσε τον σχηματισμό φυματίων. Tο βιολογικό σύστημα καλλιέργειας παρουσίασε τις χαμηλότερες αποδόσεις σε ολική βιομάζα και νωπούς λοβούς φασολιού σε σύγκριση με το συμβατικό σύστημα, λόγω της μειωμένης διαθεσιμότητας Ν στα αρχικά στάδια ανάπτυξης των φυτών. Παρ’ όλα αυτά, το βιολογικό σύστημα εμφάνισε μεγαλύτερη συμβιωτική αζωτοδέσμευση και στις δύο υπαίθριες καλλιέργειες φασολιού. Το συμπέρασμα αυτό προκύπτει από τον υψηλότερο σχηματιζόμενο αριθμό ριζικών φυματίων στο βιολογικό σύστημα και πιθανότατα από τα παρόμοια επίπεδα ολικού εδαφικού Ν στο πρώιμο στάδιο γεμίσματος των λοβών στα βιολογικά και συμβατικά συστήματα, παρόλο που τα πρώτα υστερούσαν ως προς την ολική συγκέντρωση εδάφους στην αρχική δειγματοληψία εδάφους και επαληθεύεται με τον προσδιορισμό της βιολογικής αζωτοδέσμευσης (biological nitrogen fixation- BNF) με τη μέθοδο της φυσικής αφθονίας. Και τα δύο συστήματα καλλιέργειας παρουσίασαν θετικό ισοζύγιο Ν (βιολογικό +45 kg ha-1 και συμβατικό +6 kg ha-1) με το βιολογικό σύστημα καλλιέργειας να υπερτερεί αντισταθμίζοντας την ποσότητα Ν που αφαιρέθηκε με την συγκομιδή των λοβών και βελτιώνοντας την παροχή Ν στο έδαφος. Όσον αφορά τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου η βιολογική γεωργία είχε σημαντικά χαμηλότερες εκπομπές N2O από τη συμβατική γεωργία λόγω της μη παροχής ανόργανων λιπασμάτων. Ωστόσο, οι εκπομπές N2O ανά μονάδα νωπού βάρους παραγόμενου προϊόντος δεν διέφεραν σημαντικά μεταξύ βιολογικού και συμβατικού συστήματος τονίζοντας την ανάγκη της μεγιστοποίησης της απόδοσης στα βιολογικά συστήματα.Οι εκπομπές CO2 παρουσιάστηκαν μεγαλύτερες στο βιολογικό σύστημα καλλιέργειας σε σύγκριση με το συμβατικό λόγω της αυξημένης μικροβιακής δραστηριότητας από την εφαρμογή οργανικού λιπάσματος (κομπόστ) και τις δύο χρονιές. Βέβαια, θα πρέπει να σημειωθεί ότι το βιολογικό καλλιεργητικό σύστημα περιορίζει έμμεσα σε σημαντικό βαθμό τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου μέσω της μη χρήσης ανόργανων λιπασμάτων Ν τα οποία έχουν υψηλό αποτύπωμα άνθρακα. Οι εκπομπές CH4 τον πρώτο χρόνο καλλιέργειας ήταν ελάχιστες, ενώ τον δεύτερο φαίνεται ότι λειτούργησαν σαν καταβόθρες CH4 και όχι σαν πηγές.Η εφαρμογή εμβολιασμού με ριζόβια σε υδροπονική καλλιέργεια φασολιού επιτρέπει την ακριβή ποσοτικοποίηση της βιολογικής αζωτοδέσμευσης και παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις δυνατότητες μείωσης της χρήσης ανόργανων αζωτούχων λιπασμάτων. Στα πειράματα θερμοκηπίου της παρούσας διατριβής καλλιέργεια νάνου και αναρριχώμενου φασολιού αναπτύχθηκε σε αδρανές υπόστρωμα ελαφρόπετρας και εμβολιάστηκε είτε με εμπορικό σκεύασμα αζωτοβακτηρίων ή με μόλυσμα του στελέχους Rt CIAT899. Και στα δύο πειράματα υπήρχαν μεταχειρίσεις στις οποίες τα φυτά τροφοδοτούνταν είτε με πλήρες πρότυπο θρεπτικό διάλυμα (ΘΔ) αζώτου με συγκέντρωση ολικού αζώτου ή με θρεπτικό διάλυμα χωρίς άζωτο (0% N + CIAT899). Ενώ στο δεύτερο πείραμα θερμοκηπίου τα φυτά τροφοδοτήθηκαν και με θρεπτικό διάλυμα που περιείχε το 1/3 αζώτου του πρότυπου ΘΔ (33% Ν+ CIAT899). Και στις δύο υδροπονικές καλλιέργειες φασολιού ο εμβολιασμός με CIAT899 ευνόησε τον σχηματισμό ριζικών φυματίων στις μεταχειρίσεις με μειωμένο ή μηδενικό Ν, ενώ το εμπορικό σκεύασμα που εφαρμόσθηκε στην καλλιέργεια νάνου φασολιού κρίθηκε πάλι αναποτελεσματικό. Τα φυτά που εμβολιάστηκαν με CIAT899 της μεταχείρισης με μειωμένη παροχή Ν κατάφεραν να καλύψουν περισσότερο από το ήμισυ των συνολικών αναγκών τους από την συμβιωτική βιολογική αζωτοδέσμευση (Ndfa=58%). Η μειωμένη παραγωγή και ολική βιομάζα που παρατηρήθηκε στις μεταχειρίσεις με περιορισμένη ή μηδενική παροχή Ν οφείλεται στην καθυστερημένη ανάπτυξη των φυτών στην αρχική φάση ανάπτυξης τους λόγω έλλειψης Ν, διότι σε αυτή την φάση ανάπτυξης δεν είχε ξεκινήσει ακόμη η βιολογική αζωτοδέσμευση και δευτερευόντως στον δραστικό περιορισμό του Κ+.