Αξιοποίηση ψυχανθών εμβολιασμένων ή μη με αζωτοβακτήρια, σε συνδυασμό με ή αντί της εφαρμογής οργανικών λιπασμάτων, με στόχο τη βελτίωση της γονιμότητας του εδάφους σε βιολογική καλλιέργεια τομάτας σε θερμοκήπιο

Abstract

Organic farming has expanded significantly in the last 2 decades, mainly due to consumer demand for food free from pesticide residues. The main criticism of organic farming is the yield gap compared to conventional agriculture, which leads to exploitation of larger areas of land to meet the increasing global food demand. One of the main factors of reduced yield in organic crop production is the shortage of plant available nitrogen (N) at critical growth stages. The rules governing organic farming prohibit the use of inorganic N, even if it is of mineral origin, but also set standards regarding the permitted type and dose of animal manure. The contribution of legume green manuring to enrichment of the soil with atmospheric N2 through symbiosis with rhizobia is very well documented, but is rarely applied in commercial greenhouse crops, as it has not been adequately studied so far. Considering this background, the objective of the current Ph.D. dissertation was to evaluate the contribution of legumes to nitrogen fertilization, soil fertility, and yield performance in organic tomato crops. To achieve this goal, four sets of experiments (SoE) were designed and implemented in a greenhouse in Preveza, which had not been used for cultivation in the last thirteen years. In the 1st SoE, cowpea was tested as green manure and faba bean as intercrop with tomato, inoculated with rhizobia or not, in combination with animal manure. In the 2nd SoE, the possibility of replacing farmyard manure with cowpea as green manure and faba bean as intercrops with tomato, alone or in combination with olive mill waste compost, was tested in organic greenhouse crops of tomato. In the 3rd SoE, cowpea and common bean cultivated for green pod production, and faba bean destined for green manuring, were examined as preceding crops to organic greenhouse tomato to assess their impact on N nutrition of tomato. Finally, in the 4th SoE, the objective was to assess the contribution of legume biomass applied either as mobile green manure of faba bean grown outside the greenhouse, or as feed-grade alfalfa pellets, to nitrogen nutrition of an organic greenhouse crop of tomato. In all experiments, the amount of N2 symbiotically fixed by legumes and incorporated into the soil, the fluctuation of inorganic soil N during cultivation of the tomato crop, the nitrogen nutrition, and the fruit yield of tomato were determined. In addition, the availability of phosphorus and potassium in the soil was recorded, as well as their concentration in tomato leaves.The main conclusions derived from the present study are the following: green manuring with legumes and especially with a two-month summer cultivation of cowpea or a four-month autumn-winter cultivation of faba bean, can contribute significant quantities of atmospheric N2, to the next tomato crop, which amounted to 120 and 150 kg ha-1, respectively. Faba bean intercropped with tomato did not provide significant amounts of atmospheric N2 to the next tomato crop, under the conditions of the current study. Inoculation of legume seeds with appropriate rhizobia strains is beneficial when the legume has not been cultivated in the near past in the specific greenhouse soil. However, a repetition of the inoculation in the next year did not provide any benefit. As the availability of inorganic N in the greenhouse soil increases, the nitrogen-fixing capacity of the plants and concomitantly the proportion of N derived from the atmosphere in the plant tissues decreases, but at a different rate for each legume species. If the cultivation plan does not allow the application of green manure, the transfer of legume biomass grown outside the greenhouse or acquired from the market may be an alternative. The mineralization rate of olive mill waste compost during the first period after its application to the soil, and therefore its ability to supply inorganic N to a tomato crop following its application, is lower than that of legumes and animal manure. After incorporation of legumes or manure into the soil, an excess of plant available N was recorded in the soil, which was followed by a short period of optimal soil mineral N levels, while subsequently the soil mineral N decreased to deficiency levels. To increase the yield potential of organic tomato in greenhouses, the observed imbalance in the availability of soil mineral N must be appropriately addressed, as the cultivation period under cover is substantially longer than in open field. Last but not least, the current study confirmed the notion that the fertilization practices applied in organic farming, which aim at a progressive increase of organic matter in the soil, lead gradually to a commensurate increase in soil fertility, thereby ensuring the productivity and sustainability of this cultivation system.

Η βιολογική γεωργία γνωρίζει σημαντική και διαρκή ανάπτυξη τις τελευταίες δύο δεκαετίες, κυρίως λόγω της απαίτησης των καταναλωτών για τρόφιμα απαλλαγμένα από υπολείμματα φυτοπροστατευτικών προϊόντων. Η σοβαρότερη κριτική που δέχεται η βιολογική καλλιέργεια αφορά τη μείωση των αποδόσεων σε σχέση με τη συμβατική, η οποία οδηγεί σε εκμετάλλευση εδάφους μεγαλύτερης έκτασης, προκειμένου να καλυφθούν οι αυξανόμενες ανάγκες του ανθρώπινου πληθυσμού για τρόφιμα. Ένας βασικός παράγοντας που περιορίζει τις αποδόσεις στη βιολογική γεωργία είναι η δυσκολία κάλυψης των διατροφικών αναγκών των φυτών σε άζωτο (Ν) σε όλη τη διάρκεια της καλλιέργειας. Οι κανόνες που διέπουν τη βιολογική καλλιέργεια απαγορεύουν τη χρήση ανόργανου Ν, ακόμα και αν είναι ορυκτής προέλευσης, αλλά θέτουν και προδιαγραφές στο είδος και την ποσότητα της επιτρεπόμενης ζωικής κοπριάς. Η προσφορά της χλωρής λίπανσης με ψυχανθή στον εμπλουτισμό του εδάφους με αφομοιώσιμο από τα φυτά Ν, προερχόμενο από συμβιωτική αζωτοδέσμευση ατμοσφαιρικού Ν2, είναι αδιαμφισβήτητη. Συνήθως, όμως, δεν εφαρμόζεται στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες, καθώς δεν έχει μελετηθεί επαρκώς στις συνθήκες του θερμοκηπίου. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παρούσα διδακτορική διατριβή σχεδιάσθηκε με στόχο την εκτίμηση των δυνατοτήτων αξιοποίησης των ψυχανθών στην αζωτούχο λίπανση και στη διατήρηση της γονιμότητας του εδάφους σε βιολογικές καλλιέργειες τομάτας στο θερμοκήπιο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού σχεδιάστηκαν 4 διακριτές Πειραματικές Ενότητες οι οποίες υλοποιήθηκαν σε ένα θερμοκήπιο στην Πρέβεζα που δεν είχε καλλιεργηθεί τα τελευταία δεκατρία χρόνια. Στην 1η Πειραματική Ενότητα δοκιμάστηκαν τα αμπελοφάσουλα ως χλωρή λίπανση και τα κουκιά σε συγκαλλιέργεια με τομάτα, εμβολιασμένα ή μη με ριζόβια, σε συνδυασμό με κοπριά. Στην 2η Πειραματική Ενότητα μελετήθηκαν τα αμπελοφάσουλα ως χλωρή λίπανση και τα κουκιά σε συγκαλλιέργεια με τομάτα, μόνα τους ή σε συνδυασμό με κομπόστ υπολειμμάτων ελαιοτριβείου, ως προς την ικανότητά τους να υποκαταστήσουν την κοπριά στη βιολογική λίπανση. Στην 3η Πειραματική Ενότητα εξετάστηκε η συνεισφορά της καλλιέργειας αμπελοφάσουλου ή κοινού φασολιού για παραγωγή χλωρών λοβών, ή της καλλιέργειας κουκιού για χλωρή λίπανση, στην αζωτούχο θρέψη μίας βιολογικής καλλιέργειας τομάτας που εγκαταστάθηκε αμέσως μετά τον τερματισμό των καλλιεργειών με τα ψυχανθή. Τέλος, στην 4η Πειραματική Ενότητα μελετήθηκε σε βιολογική καλλιέργεια τομάτας θερμοκηπίου η επίδραση της συμπληρωματικής λίπανσης με βιομάζα ψυχανθών που δεν καλλιεργήθηκαν στο ίδιο έδαφος με την τομάτα. Ειδικότερα, η βιομάζα των ψυχανθών εφαρμόσθηκε, είτε ως μεταφερόμενη χλωρή λίπανση με κουκιά που καλλιεργήθηκαν εκτός θερμοκηπίου, είτε ως συμπιεσμένα τεμάχια (pellets) μηδικής που παράχθηκαν για ζωοτροφή. Σε όλα τα πειράματα προσδιορίστηκε η ποσότητα Ν2 που δεσμεύτηκε συμβιωτικά από τα ψυχανθή και ενσωματώθηκε στο έδαφος, η διακύμανση του ανόργανου εδαφικού Ν από την έναρξη μέχρι τον τερματισμό της καλλιέργειας τομάτας, η αζωτούχος θρέψη της τομάτας με μακροσκοπικές παρατηρήσεις και αναλύσεις φύλλων στο κατάλληλο στάδιο, καθώς και η απόδοση σε καρπούς τομάτας. Παράλληλα καταγράφηκε η διαθεσιμότητα του φωσφόρου και καλίου στο έδαφος, καθώς και η συγκέντρωσή τους στα φύλλα της τομάτας.Τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας έρευνας είναι τα εξής: Η χλωρή λίπανση με ψυχανθή και ειδικά με δίμηνη καλοκαιρινή καλλιέργεια αμπελοφάσουλου ή τετράμηνη φθινοπωρινή-χειμερινή καλλιέργεια κουκιού, μπορεί να προσφέρει στο έδαφος του θερμοκηπίου σημαντικές ποσότητες Ν προερχόμενου από συμβιωτική αζωτοδέσμευση, το οποίο ανήλθε σε 12 και 15 kg/στρ αντίστοιχα. Η συγκαλλιέργεια του κουκιού με τομάτα, με τη μέθοδο που δοκιμάστηκε, δεν πρόσφερε αξιόλογες ποσότητες ατμοσφαιρικού Ν2 στην επόμενη καλλιέργεια τομάτας. Ο εμβολιασμός των σπόρων των ψυχανθών με τα κατάλληλα ριζόβια είναι κομβικής σημασίας όταν το ψυχανθές δεν έχει αναπτυχθεί ξανά στο συγκεκριμένο έδαφος του θερμοκηπίου, αλλά δεν κρίνεται απαραίτητο να επαναληφθεί την επόμενη χρονιά. Με την αύξηση της γονιμότητας και ειδικά του διαθέσιμου ανόργανου Ν στο έδαφος του θερμοκηπίου, μειώνεται το ποσοστό του Ν που προέρχεται από την ατμόσφαιρα και επομένως η ικανότητα αζωτοδέσμευσης, αλλά με διαφορετικό ρυθμό για το κάθε είδος ψυχανθούς. Σε περίπτωση που το καλλιεργητικό πλάνο δεν επιτρέπει την εφαρμογή χλωρής λίπανσης, η μεταφορά βιομάζας ψυχανθών που καλλιεργήθηκαν εκτός θερμοκηπίου ή αγοράσθηκε από το εμπόριο σε μορφή pellets, μπορεί να είναι μία εναλλακτική επιλογή. Ο ρυθμός ανοργανοποίησης του κομπόστ υπολειμμάτων ελαιοτριβείου, αμέσως μετά την ενσωμάτωσή του στο έδαφος, είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο των ψυχανθών και της ζωικής κοπριάς και επομένως, η προσφορά του σε ανόργανο Ν στο έδαφος στην καλλιέργεια που ακολουθεί είναι αντίστοιχα πιο περιορισμένη. Μετά την ενσωμάτωση ψυχανθών ή και κοπριάς στο έδαφος, στα πρώτα στάδια της καλλιέργειας τομάτας υπάρχει περίσσεια ανόργανου Ν. Βαθμιαία όμως τα επίπεδα του ανόργανου Ν στο έδαφος μειώνονται, με αποτέλεσμα, μετά από μία σύντομη περίοδο επάρκειας, να εμφανίζεται έλλειψη διαθέσιμου στα φυτά Ν. Αυτή η ανισορροπία στην αζωτούχο θρέψη πρέπει να αντιμετωπιστεί για να αυξηθεί περαιτέρω η απόδοση της βιολογικής καλλιέργειας τομάτας θερμοκηπίου. Τέλος, η παρούσα ερευνητική εργασία επιβεβαίωσε την αντίληψη ότι οι πρακτικές οργανικής λίπανσης που εφαρμόζονται στη βιολογική γεωργία αυξάνουν σταδιακά τα επίπεδα οργανικής ουσίας στο έδαφος με αποτέλεσμα να επιφέρουν βαθμιαία μία αντίστοιχη αύξηση της γονιμότητας του εδάφους.