Implementation of innovative farming systems for optimizing yield, and quality of stamnagathi (Cichorium spinosum L.): -: -

Abstract

This thesis revolves around: the wild edible green Cichorium spinosum L., (Stamnagathi in Greek), the cultivation practices, and systems that could be utilized for its commercialization. A total of five experiments are presented in this thesis. The first two experiments were carried out under natural lighting conditions, in greenhouses, and the other three were carried out with solely artificial lighting, in climate chambers and vertical farms. In the first experiment stamnagathi was cultivated in a floating-raft hydroponics system. In this experiment, the simultaneous effects of different potassium, calcium and magnesium ratios and different electrical conductivity (EC) levels on the growth and mineral composition of hydroponically grown C. spinosum were investigated. Four nutrient solutions (NS) were compared, two NS with low EC (L, 2.4 dS/m) and two with high EC (H, 3.6 dS/m) with K:Ca:Mg ratios of either 50:40:10 or 40:50:10. The results showed no interactions between the two factors. No significant effects were observed on the fresh and dry weight, leaf number and leaf area. High EC levels increased the K content and decreased the Mn and Zn content in the leaf tissues. The 40:50:10 ratio led to increased Ca content in plant tissues. The Nitrate-N was only affected by the EC level and was increased under H conditions, whereas the total-N was not affected. The second study investigated the effects of nitrogen fertilization, irrigation, and biostimulant application on the growth and nutrient composition of stamnagathi. The experimental design included two nitrogen rates (100% and 30% of plant requirements, NR100 and NR30), two irrigation levels (100% and 50% of water availability, WA100 and WA50), and foliar application of a nitrogen-rich biostimulant (BS, NoBS). Results indicate that nitrogen deficiency had a more pronounced impact on stamnagathi compared to water stress. Biostimulant application partially mitigated the effects of nitrogen deficiency but was ineffective against drought stress. Nitrogen limitation reduced leaf nitrate, calcium, and zinc content, while increasing iron, manganese, and copper concentrations. Water stress altered magnesium and zinc levels, raising the former and lowering the latter. The interaction between nitrogen and water stress notably affected calcium content, which was higher under adequate nitrogen combined with water stress. These findings suggest that stamnagathi is more vulnerable to nitrogen deficiency than water stress in soilless cultivation, and while biostimulants provide some relief, they are insufficient to fully counteract nitrogen stress. In the third experiment, stamnagathi was cultivated in a climate-controlled chamber for five months. Peat-filled pots were used for the cultivation, light intensity was set at 100 μmol m² s⁻¹, and the effects of two different photoperiod treatments, 10 and 15 hours, were studied. The environmental conditions remained stable, with a temperature of 20 °C and CO₂ level at 400 ppm. At the end of the experiment, no flowering was observed, indicating that photoperiod alone was not sufficient to induce flowering. The aim of this experiment was to deepen the understanding of stamnagathi’s response to different photoperiods in terms of flowering and growth, providing valuable insights for cultivating this wild edible vegetable in vertical farming systems. The fourth experiment stamnagathi was cultivated in a vertical farm under three different types of white light. The three spectra used had different spectral compositions (blue:green:red:far-red), N:14:32:43:10, F:16:36:40:8, and S:21:34:36:7 respectively. The photoperiod was set to 12 hours and the plant density was 50 plants m−2. Results showed no significant impact on agronomical parameters and leaf anatomy. The stomatal length and width decreased as the red:blue ratio of the light sources decreased, being greater in the N treatment (red:blue ratio of 3.1) compared to the F and S (red:blue ratios of 2.5 and 1.7 respectively). Based on these results the preferable “white light” product was the one with the highest efficiency and lowest market price at the time of the experiment. The fifth experiment focused on the effects of different nutrient solutions on the agronomical and nutritional attributes of stamnagathi. Plants supplied with a control nutrient solution, “N10-Fe15” and were compared to plants cultivated under limited nitrogen, “N4-Fe15” and elevated iron, “N10-Fe48”, EC was 1.5 ds m−1, and pH was 5.6-6.5. The experiment simulated commercial practices by increasing the photoperiod to 15 hours and plant density to 100 plants m−2. The results did not demonstrate significant effects of the nutrient solution differences on the agronomical characteristics except from a decrease in total Kjeldahl nitrogen under limited nitrogen conditions. Notably, leaf tissue phosphorus content increased under elevated iron conditions. The nitrate content remained within safe for consumption thresholds for all treatments. The thesis contributes to the understanding of optimal cultivation methods for stamnagathi in commercial agriculture. The crop adapts well to different cultivation systems, but nutrient solution, irrigation, and environmental controls are essential for optimization. In perlite-based systems, nitrogen appeared beneficial, though vertical farming’s-controlled environment maintained high yields even under nitrogen starvation. In contrast, increased nutrient input in hydroponics did not significantly benefit stamnagathi, indicating its potential for low-input cultivation. This research lays the groundwork for further commercial integration of stamnagathi.

Η παρούσα διατριβή μελετάει την καλλιέργεια του σταμναγκαθιού (Cichorium spinosum L.) ενός άγριου εδώδιμου φυτού (χόρτο). Η μελέτη αφορά στην εισαγωγή του σε διαφορετικά και καινοτόμα καλλιεργητικά συστήματα, με στόχο την αξιοποίηση και εμπορευματοποίησή του. Συνολικά, παρουσιάζονται πέντε πειράματα στη διατριβή αυτή. Δύο από τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκήπιο, ενώ τα άλλα τρία σε κάθετη καλλιέργεια. Στο πρώτο πείραμα, το σταμναγκάθι καλλιεργήθηκε υδροπονικά σε σύστημα επίπλευσης. Σε αυτό το πείραμα διερευνήθηκαν οι ταυτόχρονες επιδράσεις διαφορετικών αναλογιών καλίου, ασβεστίου και μαγνησίου, καθώς και διαφορετικών επιπέδων ηλεκτρικής αγωγιμότητας (EC) ως προς την ανάπτυξη και τη θρεπτική κατάσταση του σταμναγκαθιού. Συγκρίθηκαν τέσσερα θρεπτικά διαλύματα, δύο με χαμηλή EC (L, 2,4 dS/m) και δύο με υψηλή EC (H, 3,6 dS/m) με αναλογίες K:Ca:Mg είτε 50:40:10 είτε 40:50:10. Δεν παρατηρήθηκαν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο παραγόντων. ούτε σημαντικές επιδράσεις των μεταχειρίσεων στο νωπό και ξηρό βάρος, τον αριθμό φύλλων και τη φυλλική επιφάνεια των φυτών. Τα υψηλά επίπεδα EC αύξησαν την περιεκτικότητα σε Κ και μείωσαν την περιεκτικότητα σε Mn και Zn στους φυτικούς ιστούς ενώ η αναλογία 40:50:10 οδήγησε σε αύξηση της περιεκτικότητας του Ca στους φυτικούς ιστούς. Το νιτρικό άζωτο (Nitrate-N) επηρεάστηκε μόνο από το επίπεδο της EC και αυξήθηκε υπό συνθήκες υψηλής EC, ενώ το συνολικό άζωτο δεν επηρεάστηκε. Στο δεύτερο πείραμα, διερευνήθηκαν οι επιδράσεις της αζωτούχας λίπανσης, της άρδευσης και της εφαρμογής βιοδιεγερτών στην ανάπτυξη και τη θρεπτική κατάσταση του σταμναγκαθιού. Eφαρμόστηκαν δύο ποσοστά αζώτου (100% και 30% των απαιτήσεων του φυτού, NR100 και NR30), δύο επίπεδα άρδευσης (100% και 50% της διαθεσιμότητας νερού, WA100 και WA50) και διαφυλλική εφαρμογή ενός μη-μικροβιακού βιοδιεγέρτη(BS, NoBS). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η έλλειψη αζώτου είχε μεγαλύτερη επίδραση στο σταμναγκάθι σε σύγκριση με το υδατικό στρες. Η εφαρμογή του βιοδιεγέρτη μετρίασε μερικώς τις επιδράσεις της έλλειψης αζώτου αλλά δεν ήταν αποτελεσματική έναντι της υδατικής καταπόνησης. Ο περιορισμός του αζώτου μείωσε την περιεκτικότητα των φύλλων σε νιτρικά, ασβέστιο και ψευδάργυρο, ενώ αύξησε τις συγκεντρώσεις σιδήρου, μαγγανίου και χαλκού. Η υδατική καταπόνηση επηρέασε τα επίπεδα μαγνησίου και ψευδαργύρου, αυξάνοντας το πρώτο και μειώνοντας το δεύτερο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ του αζώτου και της υδατικής καταπόνησης επηρέασε σημαντικά την περιεκτικότητα σε ασβέστιο, η οποία ήταν υψηλότερη υπό συνθήκες επάρκειας αζώτου σε συνδυασμό με υδατική καταπόνηση. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι το σταμναγκάθι είναι πιο ευάλωτο στην έλλειψη αζώτου παρά στην υδατική καταπόνηση. Αντίστοιχα, η χρήση του συγκεκριμένου βιοδιεγέρτη παρέχει κάποια προστασία απέναντι στην έλλειψη αζώτου αλλά δεν είναι επαρκή για την πλήρη αντιμετώπιση της προκληθείσας καταπόνησης λόγω μειωμένης παροχής αρδευτικού νερού. Στο τρίτο πείραμα, το σταμναγκάθι καλλιεργήθηκε σε κλιματικά ελεγχόμενο θάλαμο για πέντε μήνες. Για την καλλιέργεια χρησιμοποιήθηκαν γλάστρες με τύρφη, η ένταση φωτισμού ήταν 100 μmol m² s⁻¹ και μελετήθηκε η επίδραση δύο διαφορετικών επεμβάσεων φωτοπεριόδου, 10 και 15 ωρών. Οι κλιματικές συνθήκες παρέμειναν σταθερές, θερμοκρασία 20 °C, και επίπεδο CO₂ 400 ppm. Στη λήξη του πειράματος δεν παρατηρήθηκε ανθοφορία, υποδεικνύοντας ότι η φωτοπερίοδος από μόνη της δεν ήταν αρκετή για να προκαλέσει την άνθιση. Σκοπός αυτού του πειράματος ήταν η εμβάθυνση στην κατανόηση της απόκρισης του σταμναγκαθιού σε διαφορετικές φωτοπεριόδους ως προς την ανθοφορία και την ανάπτυξής του, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για την καλλιέργεια αυτού του άγριου εδώδιμου λαχανικού σε συστήματα κατακόρυφης γεωργίας (vertical farming). Στο τέταρτο πείραμα, το σταμναγκάθι καλλιεργήθηκε σε κατακόρυφη καλλιέργεια υπό τρία διαφορετικά είδη λευκού φωτός. Τα τρία φάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν διαφορετικές συνθέσεις (μπλε:πράσινο:κόκκινο:σκοτεινό ερυθρό), N:14:32:43:10, F:16:36:40:8 και S:21:34:36:7 αντίστοιχα. Η φωτοπερίοδος ορίστηκε στις 12 ώρες και η πυκνότητα των φυτών στα 50 φυτά m−2. Τα αποτελέσματα δεν έδειξαν σημαντική επίδραση στα αγρονομικά χαρακτηριστικά ή στην ανατομία των φύλλων. Το μήκος και το πλάτος των στομάτων μειώθηκε καθώς μειωνόταν η αναλογία κόκκινου: μπλε στο φάσμα του φωτός, με τις μεγαλύτερες τιμές να παρατηρούνται σε φυτά που καλλιεργήθηκαν κάτω από το φάσμα Ν με αναλογία κόκκινου:μπλε 3.1, σε σύγκριση με αυτού που μεγάλωσαν κάτω από το φάσμα F και S με αναλογίες κόκκινου: μπλε 2.5 και 1.7 αντίστοιχα. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα, ο προτεινόμενος λαμπτήρας λευκού φωτός ήταν αυτός με τη μεγαλύτερη απόδοση και τη χαμηλότερη τιμή αγοράς κατά την πειραματική περίοδο.Το πέμπτο πείραμα εστίασε στις επιδράσεις διαφορετικών θρεπτικών διαλυμάτων στις αγρονομικές και θρεπτικές ιδιότητες του σταμναγκαθιού. Τα φυτά τροφοδοτήθηκαν με ένα θρεπτικό διάλυμα μάρτυρα, “N10-Fe15” και συγκρίθηκαν με φυτά που καλλιεργήθηκαν υπό συνθήκες μειωμένου άζωτου, “N4-Fe15” και αυξημένης συγκέντρωσης σιδήρου, “N10-Fe48” στο θρεπτικό διάλυμα Κατά τη διάρκεια του πειράματος η EC ήταν 1,5 ds m−1 και το pH ήταν 5,6-6,5. Το πείραμα προσομοίωσε συνθήκες εντατικής καλλιέργειας αυξάνοντας τη φωτοπερίοδο στις 15 ώρες και την πυκνότητα των φυτών στα 100 φυτά m−2. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές επιδράσεις εξαιτίας της σύνθεσης των θρεπτικών διαλυμάτων ως προς τα αγρονομικά χαρακτηριστικά. Η θρεπτική κατάσταση των φυτών επηρεάστηκε σε ορισμένο βαθμό. Παρατηρήθηκε μείωση της συγκέντρωσης του συνολικού αζώτου υπό συνθήκες μειωμένου αζώτου. Αξιοσημείωτα, η περιεκτικότητα σε φώσφορο στους φυτικούς ιστούς αυξήθηκε υπό συνθήκες αυξημένης συγκέντρωσης σιδήρου στο θρεπτικού διάλυμα. Η περιεκτικότητα των φύλλων σε νιτρικά παρέμεινε εντός των ασφαλών ορίων για κατανάλωση για όλες τις επεμβάσεις. Η διατριβή αυτή συμβάλλει στον προσδιορισμό των βέλτιστων μεθόδων καλλιέργειας του σταμναγκαθιού με σκοπό στην εισαγωγή του στη παραγωγική γεωργία. Ως φυτό προσαρμόζεται με επιτυχία σε διαφορετικά συστήματα, αλλά παράγοντες όπως η θρέψη, η άρδευση, και ο περιβαλλοντικός έλεγχος είναι απαραίτητα για την βελτιστοποίηση της παραγωγής. Η αυξημένη παροχή αζώτου φάνηκε ωφέλιμη σε σύστημα καλλιέργειας σε περλίτη. Στο σύστημα επίπλευση η αυξημένη χρήση λιπασμάτων δεν οδήγησε σε αύξηση της παραγωγής. Αντίστοιχα σε συνθήκες κατακόρυφης καλλιέργειας η έλλειψη αζώτου δεν επηρέασε την παραγωγή. Αυτά τα χαρακτηριστικά σκιαγραφούν τη δυναμικότητα του σταμναγκαθιού ως φυτό με χαμηλές εισροές πόρων. Η έρευνα αυτή ενισχύει τα θεμέλια της έρευνας σχετικά με την ενσωμάτωση του σταμναγκαθιού στην εμπορική γεωργία.