Μελέτη της απορρόφησης θρεπτικών στοιχείων από κολοκυνθοειδή καλλιεργούμενα σε κλειστά υδροπονικά συστήματα σε συνθήκες υψηλής αλατότητας

Abstract

This thesis focuses on plant nutrition aspects with particular emphasis on closed-loop hydroponic systems under salinity conditions. To this purpose a number of experiments have been conducted on melon (Cucumis melo L.) and zucchini squash (Cucurbita pepo L.) plants with the aim to determine the uptake of nutrients and non-nutrients elements in a recirculating nutrient solution under a progressive salinity built-up. The calculations were based on chemical analyses either in nutrient solution or plant biomass data. An empirical model for simulating Na+ and Cl- accumulation in closed hydroponic systems was calibrated and tested. In fact, the findings of this thesis are discussed:1.Over the two methods, nutrient to water uptake ratios (namely UCs) for N, P, K, Ca and Mg were 15.4, 1.31, 5.47, 3.78, and 1.02 mmol L-1, respectively, and tissue analysis resulted in a K:Ca :Mg molar ratio of =0.55:0.34:0.11 in the whole melon plant. Increasing K+ and Mg2+ concentration in addition to that of Ca2+ to maintain a standard K+:Ca2+ :Mg2+ ratio raises the EC in the root zone (4.62 dS m-1), due to increased accumulation of nutrients, thereby reducing the mean fruit weight and concomitantly the total fruit yield (20% decrease).2.An empirical model (Cxu=αCxsb where Cxu=uptake concentrations of Na+ or Cl-; Cxs=concentrations of Na+ or Cl- in the closed system) was successfully parameterized (α=0.248 and 0.178 and b=0.774 and 0.878, for Cl- and Na+ respectively) over the whole melon cultivation cycle. The mean UCs of N, P, K, Ca and Mg were as follow: (i) 16.8, 1.5, 7.7, 4.7 and 1.1 mmol L-1, respectively (Stage I; vegetative growth - fruit setting), (ii) 16.5, 1.5, 7.2, 4.6 and 1.1 mmol L-1, respectively (Stage II; fruit setting - early netting), and (iii) 15.7, 1.4, 6.9, 4.3 and 1.0 mmol L-1, respectively (Stage III; early netting - harvesting).3.A progressive NaCl built-up to maximum concentrations in the root zone solution of 15-20 mM NaCl, enabled plants to preserve several physiological mechanisms, thereby adjusting growth and yield without impairing fruit quality. Our results suggest that the use of irrigation water containing up to 2.5 mM NaCl, is feasible in melon crops grown in closed-loop hydroponic systems, without yield and quality losses.4.The model equation (Cxu=αCxsb where Cxu=uptake concentrations of Na+ and Cl-; Cxs=concentrations of Na+ and Cl- in the closed system) and estimated model parameters (α= 1.046 and 0.314 and b=0.443 and 0.698, for Cl- and Na+ respectively) performed satisfactorily over a wide range of external NaCl concentrations and throughout the entire zucchini growth cycle. The mean UCs for vegetative and reproductive stage for N, P, K, Ca και Mg were 15.4, 1.2, 6.0, 3.7, and 1.6 mmol L-1 and 14.3, 1.1, 5.3, 3.3, and 1.4 mmol L-1, respectively. Water resources containing up to 3 mM NaCl can be tolerated in zucchini crops grown in closed hydroponic systems.5.Photosynthesis, growth, yield and plant water uptake were restricted (avg. 15% decrease) at high external Ca2+ levels, due to high total salt concentration (EC) in the recycled solution (4.2 - 5.5 dS m-1). However, the results showed that in soilless zucchini crops with zero discharge of fertigation effluents, there is no compelling reason not to use irrigation water resources with Ca2+ concentration up to 3 mM.

Ο στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν ο προσδιορισμός των αναλογιών απορρόφησης θρεπτικών στοιχείων προς νερό (συγκεντρώσεις απορρόφησης, ΣΑ) σε κανονικές συνθήκες καθώς και σε συνθήκες συσσώρευσης αλάτων NaCl σε καλλιέργειες δύο κολυκυνθοειδών, του πεπονιού (Cucumis melo L.) και του κολοκυθιού (Cucurbita pepo L.), σε κλειστά υδροπονικά συστήματα. Οι δύο μέθοδοι εκτίμησης των ΣΑ ήταν με βάση την απομάκρυνση των θρεπτικών στοιχείων από το θρεπτικό διάλυμα και την ανάκτηση των θρεπτικών στοιχείων από τη ξηρή φυτομάζα. Για την περιγραφή της συσσώρευσης της αλατότητας στο περιβάλλον της ρίζας χρησιμοποιήθηκαν μαθηματικές σχέσεις από τη βιβλιογραφία και διαφορετικές συγκεντρώσεις NaCl στο αρδευτικό νερό. Τα κύρια αποτελέσματα ήταν:1.Οι μέσες ΣΑ για N, P, K, Ca και Mg για μια μακρά περίοδο ανάπτυξης των φυτών πεπονιάς ήταν 15,4, 1,31, 5,47, 3,78, και 1,02 mmol L-1, αντίστοιχα, και στο σύνολο της φυτικής βιομάζας η μοριακή αναλογία K:Ca:Mg=0,55:0,34:0,11. Η αύξηση της EC στο περιβάλλον των ριζών πεπονιάς από 3,2 σε 4,6 dS m-1, οφειλόμενη στη συσσώρευση θρεπτικών στοιχείων στο ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα, μειώνει την απόδοση σε καρπό κατά περίπου 20% λόγω ωσμωτικής καταπόνησης. 2.Βαθμονομήθηκαν και επαληθεύτηκαν οι ακόλουθες εξισώσεις για την πεπονιά: Cxu=0,178Cxs0,878 (όπου Cxu είναι η αναλογία απορρόφησης Na+/νερό και Cxs η συγκέντρωση του Na+ στο περιβάλλον της ρίζας), Cxu=0,248Cxs0,774 (όπου Cxu είναι η αναλογία απορρόφησης Cl-/νερό και Cxs η συγκέντρωση του Cl- στο περιβάλλον της ρίζας). Οι μέσες ΣΑ του N, P, K, Ca και Mg ήταν: (i) 16,8, 1,5, 7,7, 4,7 και 1,1 mmol L-1, αντίστοιχα (βλαστικό στάδιο – δέσιμο καρπών), (ii) 16,5, 1,5, 7,2, 4,6 και 1,1 mmol L-1, αντίστοιχα (δέσιμο καρπών – έναρξη δικτύωσης), και (iii) 15,7, 1,4, 6,9, 4,3 και 1,0 mmol L-1, αντίστοιχα (έναρξη δικτύωσης – συγκομιδή).3.Οι ρυθμοί συσσώρευσης των αλάτων στο διάλυμα απορροής είναι εντονότεροι την περίοδο που τα φυτά πεπονιάς έχουν εντονότερους ρυθμούς αύξησης και διαπνοής και είναι άμεσα συνυφασμένοι με τις συγκεντρώσεις στους φυτικούς ιστούς. Η χρήση αρδευτικού νερού με συγκέντρωση NaCl που δεν υπερβαίνει τα 2,5 mM σε καλλιέργεια της ποικιλίας πεπονιάς ‘Cory’ ή ποικιλιών με παρόμοια απόκριση στην αλατότητα, επιτρέπει την πλήρη και συνεχή ανακύκλωση των απορροών σε κλειστό σύστημα καλλιέργεια πεπονιάς (μέγιστα επίπεδα στη ρίζα 15-20 mM NaCl). 4.Βαθμονομήθηκαν και επαληθεύτηκαν οι ακόλουθες εξισώσεις για την κολοκυθιά: Cxu=0,314Cxs0,698 (όπου Cxu είναι η αναλογία απορρόφησης Na+/νερό και Cxs η συγκέντρωση του Na+ στο περιβάλλον της ρίζας), Cxu=1,046Cxs0,443 (όπου Cxu είναι η αναλογία απορρόφησης Cl-/νερό και Cxs η συγκέντρωση του Cl- στο περιβάλλον της ρίζας). Οι μέσες ΣΑ των μακροθρεπτικών στο βλαστικό και στο στάδιο καρποφορίας της κολοκυθιάς για N, P, K, Ca και Mg ήταν 15,4, 1,2, 6,0, 3,7, και 1,6 mmol L-1 και 14,3, 1,1, 5,3, 3,3, και 1,4 mmol L-1, αντίστοιχα. Πηγές νερού με περιεκτικότητα NaCl που δεν υπερβαίνει τη συγκέντρωση 3 mM μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς ιδιαίτερες αρνητικές συνέπειες σε κλειστή υδροπονική καλλιέργεια κολοκυθιάς. 5.Η αύξηση της EC στο περιβάλλον των ριζών κολοκυθιάς οφειλόμενη κυρίως στη συσσώρευση Ca2+ στο διάλυμα ανακύκλωσης (17-22 mM), μειώνει την απόδοση σε καρπό κατά περίπου 15%. Εντούτοις, αρδευτικό νερό με περιεκτικότητα Ca2+ που δεν υπερβαίνει τη συγκέντρωση 3 mM, αυξάνει στη συσσώρευση Ca2+ στο διάλυμα ανακύκλωσης μέχρι 12 mM (μέση τιμή EC στη ρίζα σε 3,2 dS m-1) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια σε κλειστή υδροπονική καλλιέργεια κολοκυθιάς.