Επίδραση αειφόρων αγρονομικών πρακτικών στην βιολογική αζωτοδέσμευση και την αζωτούχο θρέψη των φυτών, την ανάπτυξη, παραγωγή και ποιότητα των νωπών λοβών σε βιολογική και υδροπονική καλλιέργεια φασολιού

Abstract

Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is the most important legume for human consumption worldwide and an important source of vegetable protein, minerals, carbohydrates, fiber, antioxidants and bioactive compounds. The N2-fixation capacity of this crop could serve as a tool that reduces its plant demand for synthetic N fertilizer application to increase yield and quality. Fertilization, yield, and quality of common bean may be optimized by several other agronomic practices such as irrigation, rhizobia application, sowing density, etc. Taking this into consideration, this study explores whether or to what extent N2-fixing activity can cover the common bean plant N demands under organic and hydroponic cultivation systems. To optimize the biological nitrogen fixing activity (BNF) two different rhizobia strains were used, the commercial strain Rhizobium tropici CIAT 899 and the strain Rhizobium sophoriradicis PVTN21 originating from the Greek island Tinos.For this purpose, common bean was cultivated according to organic or conventional farming practices during spring-summer in two successive years with crop and treatment during the preceding winter as either: (a) organic broccoli, (b) conventional broccoli, (c) organic faba bean used as green manure, or (d) fallow. Common bean was either inoculated with Rhizobium tropici CIAT 899 or non-inoculated, while faba bean was inoculated or non-inoculated with Rhizobium laguerreae VFLE1. Inoculating faba bean with rhizobia enhanced dry biomass production and biological N-fixing ability in both experimental years. Furthermore, organic farming did not restrict the yield of broccoli compared to conventional practices during the first year, while the reverse was the case in the second year, due to reduced soil N availability. Furthermore, green manure enhanced the fresh pod yield in the following organic crop of common bean in both years. The lowest yield was recorded in organically grown common bean when the preceding winter crop was organically grown broccoli in both years. Rhizobial inoculation of the common bean during the first year slightly increased atmospheric N fixation by common bean. Concerning the physical and nutritional quality attributes, organic common bean after organic broccoli produced smaller pods of higher dry matter and bioactive compound content, responses that are correlated with limited soil N availability. No significant variations were observed on yield components and N levels of pods cultivated under conventional and organic, with green manure application, cropping systems. Pod sugar and starch content was not influenced by the different fertilization practices. In conclusion, we have demonstrated that the combined application of sheep and green manure can be considered as an efficient N-fertilization strategy for organic crops of common bean, benefiting their nutritional value without compromising yield.An additional aim of this study is to explore the possibility to reduced application of inorganic N fertilizer on the yield, yield qualities, and biological nitrogen fixation (BNF) in hydroponic common bean (Phaseolus vulgaris L.) without compromising plant performance by utilizing the inherent ability of this plant to symbiotically fix N2. Until the flowering stage, plants were supplied with a nutrient solution containing N-concentrations of either: a, 100 %, conventional standard practice, 13.8 mM; b, 75 % of standard, 10.35 mM; or c, 50 % of standard, 6.9 mM. During the subsequent reproductive stage inorganic-N treatments b and c were decreased to 25% of standard, while the standard (100 % level) N-application was not altered. The three different inorganic-N supply treatments were combined with two different rhizobia strains, and a control (no-inoculation) treatment, in a [three × three] factorial experimental design. The rhizobia strains applied were either: indigenous strain Rhizobium sophoriradicis PVTN21; or, commercially supplied Rhizobium tropici CIAT 899. Results showed that, 50-25% mineral-N application regime led to significant increases in nodulation, BNF, and fresh-pod yield, compared to the other treatment with reduced inorganic N supply. On the other hand, the 75-25% mineral-N regime applied during vegetative stage restricted nodulation and BNF thus incurring significant yield losses. Both rhizobia strains stimulated nodulation and BNF. However, the BNF capacity they facilitated was suppressed as the inorganic-N input increased. Also, strain PVTN21 was superior to CIAT 899 - as 50-25 % N-treated plants inoculated with the former showed a yield loss of 12% compared to the 100 % N treated plants. In conclusion, enhanced N use efficiency and BNF reduce mineral-N input dependency of the crop, and therefore may reduce any negative environmental consequences of mineral-N over-application. Therefore, plant inoculation with the indigenous strain PVTN21 could serve as a sustainable farming practice that decreases the N dependence of common bean for high yields under hydroponic cultivation systems.In conclusion, in all experiments, the BNF activity of common bean was relatively low indicating that the possibilities of making the crop independent of external N inputs are limited. However, in organic farming systems the decreased dependence of common bean in external N inputs could be achieved through green manure application using a legume with high BNF activity, such as faba bean. Concerning hydroponic common bean production, considerable high N savings without compromising the yield could be achieved by inoculating common bean plants with the strain PVTN21.

Το φασόλι (Phaseolus vulgaris L.) αποτελεί το πιο σημαντικό ψυχανθές για τη διατροφή του ανθρώπου και μία πλούσια πηγή φυτικών πρωτεϊνών, θρεπτικών στοιχείων, υδατανθράκων, φυτικών ινών και αντιοξειδωτικών. Ως ψυχανθές, το φασόλι διαθέτει αζωτοδεσμευτική ικανότητα η οποία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη μείωση των αναγκών του σε εισροές αζώτου (Ν) μέσω της λίπανσης χωρίς μείωση της απόδοσης και της ποιότητας του συγκομιζόμενου προϊόντος. Η παραγωγή και η ποιότητα νωπών λοβών φασολιού δύνανται να βελτιστοποιηθούν με διάφορες καλλιεργητικές πρακτικές όπως η άρδευση, η εφαρμογή ριζοβίων, η πυκνότητα σποράς, κ.α. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παρούσα διδακτορική διατριβή σχεδιάσθηκε με στόχο να διαπιστωθεί αν και σε ποιό βαθμό είναι εφικτή η αξιοποίηση της βιολογικής αζωτοδέσμευσης ως πηγής αζώτου για τη θρέψη των φυτών σε δύο διαφορετικά αειφορικά συστήματα καλλιέργειας και συγκεκριμένα στις βιολογικές και τις υδροπονικές καλλιέργειες. Για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης της βιολογικής αζωτοδέσμευσης χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά στελέχη ριζοβίων, το Rhizobium tropici το οποίο ήδη είναι εμπορικά διαθέσιμο καθώς και ένα νέο στέλεχος, το Rhizobium sophoriradicis PVTN21, το οποίο απομονώθηκε και ταυτοποιήθηκε πρόσφατα σε ελληνικά εδάφη καλλιεργούμενα με P. vulgaris.Για την επίτευξη του παραπάνω σκοπού, σε δύο διαδοχικά πειράματα στον ίδιο υπαίθριο αγρό το φασόλι καλλιεργήθηκε σύμφωνα με βιολογικές και συμβατικές καλλιεργητικές πρακτικές κατά την εαρινή-θερινή καλλιεργητική περίοδο. Και στις δύο καλλιέργειες, η καλλιέργεια του φασολιού εγκαταστάθηκε την άνοιξη σε πειραματικά τεμάχια που κατά τη χειμερινή περίοδο είχαν δεχθεί τις ακόλουθες πειραματικές επεμβάσεις: (α) βιολογική καλλιέργεια μπρόκολου, (β) συμβατική καλλιέργεια μπρόκολου, (γ) βιολογική καλλιέργεια κουκιού για χλωρή λίπανση και (δ) αγρανάπαυση. Η καλλιέργεια φασολιού ήταν είτε εμβολιασμένη με το εμπορικό στέλεχος Rhizobium tropici CIAT 899 είτε μη εμβολιασμένη, ενώ τα φυτά της καλλιέργειας χλωρής λίπανσης είτε εμβολιάστηκαν είτε όχι με το στέλεχος Rhizobium laguerreae VFLE1. Ο εμβολιασμός του κουκιού με ριζόβια βελτίωσε την υπέργεια ξηρή βιομάζα και την αζωτοδεσμευτική ικανότητα του φυτού και κατά τις δύο χειμερινές καλλιεργητικές περιόδους. Επιπλέον, κατά το πρώτο πειραματικό έτος οι βιολογικές πρακτικές λίπανσης δεν περιόρισαν την απόδοση του μπρόκολου σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές, ενώ αντίθετα κατά το δεύτερο πειραματικό έτος η περιορισμένη διαθεσιμότητα Ν οδήγησε σε σημαντική μείωση της απόδοσης βιολογικού μπρόκολου. Επιπρόσθετα, η χλωρή λίπανση με κουκί αύξησε σημαντικά την απόδοση νωπών λοβών στη βιολογική καλλιέργεια φασολιού που επακολούθησε κατά τις εαρινές καλλιεργητικές περιόδους. Η χαμηλότερη παραγωγή καταγράφηκε στη βιολογική καλλιέργεια φασολιού που ακολούθησε τη χειμερινή καλλιέργεια μπρόκολου και στα δύο πειραματικά έτη. Ο εμβολιασμός του φασολιού με ριζόβια βελτίωσε ελάχιστα την αζωτοδεσμευτική ικανότητα του φασολιού αλλά μόνο κατά τη πρώτη εαρινή καλλιεργητική περίοδο. Σχετικά με τα φυσικά και θρεπτικά χαρακτηριστικά ποιότητας, η βιολογική καλλιέργεια φασολιού που ακολούθησε τη βιολογική καλλιέργεια μπρόκολου απέδωσε λιγότερους λοβούς ανά φυτό με μειωμένο μέγεθος και νωπό βάρος, με αυξημένη, ωστόσο, βιοχημική δραστηριότητα, επίδραση που σχετίζεται με την περιορισμένη διαθεσιμότητα Ν στο έδαφος. Παράλληλα, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές αποκλίσεις στα φυσικά χαρακτηριστικά των λοβών και στη συγκέντρωσή του Ν μεταξύ συμβατικής και βιολογική καλλιέργειας φασολιού με την εφαρμογή χλωρής λίπανσης. Η συγκέντρωση σακχάρων και αμύλου στους λοβούς δεν επηρεάστηκε από τις διαφορετικές καλλιεργητικές πρακτικές. Συμπερασματικά, η μελέτη αυτή αποδεικνύει πως η εφαρμογή χλωρής λίπανσης μπορεί να θεωρηθεί ως μια αποτελεσματική στρατηγική αζωτούχου λίπανσης για τη βιολογική καλλιέργεια φασολιού, η οποία βελτιώνει τη θρεπτική τους αξία χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση της καλλιέργειας.Ένας επιπλέον στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να διερευνήσει αν ένα μέρος των συνθετικών ανόργανων λιπασμάτων Ν που παρέχονται σε μία υδροπονική καλλιέργεια φασολιού μπορεί να υποκατασταθεί μέσω βιολογικής αζωτοδέσμευσης χωρίς μείωση των αποδόσεων σε νωπούς λοβούς. Μέχρι και το στάδιο της ανθοφορίας, τα φυτά παρέχονταν με ένα θρεπτικό διάλυμα που καλύπτει το 100% (13,8 mM), 75% (10,35 mM) και 50% (6,9 mM) των αναγκών των φυτών σε Ν. Κατά το επόμενο στάδιο της παραγωγής, η παροχή Ν στις ελλειμματικές μεταχειρίσεις μειώθηκε στο 25% των αναγκών των φυτών. Τα παραπάνω τρία διαφορετικά σχήματα θρέψης (100% Ν, 75-25% Ν & 50-25% Ν) συνδυάστηκαν με εμβολιασμό με δύο διαφορετικά ριζόβια ή χωρίς εμβολιασμό σε ένα διπαραγοντικό πείραμα [3 x 3]. Τα υπό μελέτη ριζόβια που χρησιμοποιήθηκαν για τον εμβολιασμό του φασολιού ήταν α) το γηγενές στέλεχος Rhizobium sophoriradicis PVTN21 και β) το εμπορικό στέλεχος Rhizobium tropici CIAT 899. Το σχήμα θρέψης 50-25% Ν βελτίωσε σημαντικά τον σχηματισμό φυματίων και την αζωτοδεσμευτική ικανότητα των φυτών σε σχέση με τα σχήματα 75-25% και 100% Ν. Ειδικά το σχήμα θρέψης 75-25% Ν περιόρισε σημαντικά την αζωτοδεσμευτική ικανότητα του φυτού κατά την ανθοφορία με αποτέλεσμα τις αυξημένες απώλειες παραγωγής. Και τα δύο στελέχη ευνόησαν τον σχηματισμό φυματίων, ωστόσο η απόδοσή τους στον σχηματισμό φυματίων και στην αζωτοδεσμευτική ικανότητα των φυτών περιορίστηκε με την αύξηση της παροχής Ν. Επιπρόσθετα, το στέλεχος PVTN21 αναδείχθηκε πιο αποδοτικό από το εμπορικό CIAT 899, καθώς παρά τον σημαντικό περιορισμό της παροχής συνθετικών λιπασμάτων Ν, περιόρισε τις απώλειες παραγωγής στο 12% σε σύγκριση με τα φυτά που αναπτύχθηκαν σε επάρκεια Ν. Συνεπώς, στις υδροπονικές καλλιέργειες φασολιού, ο εμβολιασμός με το στέλεχος PVTN21 μπορεί να αξιοποιηθεί για τη μείωση της κατανάλωσης συνθετικών λιπασμάτων αζώτου. Συμπερασματικά, σε όλα τα πειράματα η αζωτοδεσμευτική ικανότητα του φασολιού ήταν σχετικά περιορισμένη, με συνέπεια οι δυνατότητες απεξάρτησης της καλλιέργειας από την παροχή συνθετικών λιπασμάτων αζώτου να είναι περιορισμένες. Στις βιολογικές καλλιέργειες φασολιού όμως, η απεξάρτηση της καλλιέργειας από τα συνθετικά ανόργανα λιπάσματα μπορεί να επιτευχθεί μέσω καλλιέργειας μετά από χλωρή λίπανση με ένα ψυχανθές με αυξημένη αζωτοδεσμευτική ικανότητα, όπως το κουκί. Όσον αφορά τις εκτός εδάφους καλλιέργειες φασολιού, είναι εφικτή μία μέτρια μείωση της κατανάλωσης συνθετικών ανόργανων λιπασμάτων μέσω του εμβολιασμού με το στέλεχος PVTN21.