Optimization of nutrition management in greenhouse vegetables through an innovative decision support system and ion selective electrodes

Abstract

The recycling of drainage solution (DS) in greenhouses by applying closed-loop soilless cropping systems (CLS) eliminates pollution of the aquifers by nitrogen and phosphorus emissions. Nutrient management faces two main challenges when the DS is recycled in CLS, the sodium (Na+) accumulation and the variable composition of the DS. If the water source used to prepare nutrient solution (NS) contains Na+ at substantial concentrations, Na+ will accumulate to levels imposing salinity stress, and this discourages farmers from recycling of the nutrient solution. To address this problem, a new nutrient management strategy is suggested to control the increase of the electrical conductivity (EC) in the root environment, thus avoiding salinity stress and minimizing the discharged DS. Currently, the recommended nutrient concentrations for the root zone of tomato exceed those for maximising yield, aiming at a moderate salinity stress to enhance fruit quality. The suggested strategy for Na+ accumulation management is to gradually reduce the target concentrations of macronutrients except for P in the root zone in proportion to the accumulation of Na+, by considering a minimum safety threshold, while maintaining constant the mutual ratios between them. The algorithm developed to support this new strategy was integrated to the Decision Support System NUTRISENSE (https://nutrisense.online/) and applied in a tomato crop grown on mineral wool in a CLS. The new strategy was compared with the standard strategy of maintaining constant nutrient concentrations in the root zone. The results demonstrated the efficiency of the new strategy to control the EC in the root zone while ensuring a balanced nutrition of the plants. Τhe new strategy could not fully eliminate the need to discharge DS with a Na+ concentration of 4 mM in the raw water. However, the new strategy reduced the losses of nitrates and phosphorus due to discharge of DS by 25.5% and 9.20%, respectively, avoided yield losses due to salinity stress, and increased the water productivity (WP) and agronomic efficiency of N (AEN). The variable nutrient composition of the DS poses a significant challenge to its recycling in CLS. To address this challenge, a strategy was developed, based on daily monitoring of macronutrient concentrations in the DS using ion-selective electrodes (ISE) coupled with a modelling approach applied through the DSS NUTRISENSE. The ISE measurements were input data for the DSS to calculate appropriate rates of different single-fertiliser concentrated solutions for automatic injection into a mixture of DS and raw water. The fertiliser injection rates were transmitted online to a fertigation system equipped with nine different single-fertiliser concentrated solutions and applied automatically in real time. The objective was to maintain the root-zone nutrient concentrations within an optimal range. To test this technology and to validate the modelling approach applied through this DSS, tomato was grown in a CLS with daily measurement of NO3-, K+, Ca2+, and Na+ concentrations in the DS using ISEs. The credibility of the ISEs was confirmed by comparing their measurements with those from standard laboratory procedures in the same samples. The model approach successfully maintained the target nutrient concentrations in the root zone and concomitantly increased the fruit yield by 7.6% and the agronomic efficiency of nitrogen by 23%. The proposed technology is expected to encourage the adoption of CLS by growers thus minimising environmental impacts from greenhouse crops. The algorithm applied via the NUTRISENSE DSS to support the use of ISEs in CLS was designed based on the assumption that the Na+ concentration in the raw water used to prepare NS is low (≥0.6 mM) and Na+ accumulation in the system will be negligible. However, if the Na+ concentration in the raw water is suboptimal (0.6 to 3 mM), its accumulation must be taken into consideration when applying ISEs, to avoid excessive EC increase causing salinity stress. To address this problem, a combination of the two above-mentioned strategies, Na+ accumulation management and use of ISEs to monitor the mineral composition of the DS, was tested in a cucumber crop grown in a CLS using raw water with a sub-optimal Na+ concentration (2.5 mM) to prepare NS. The K+, Ca2+, NO3- and Na+ concentrations in the DS were measured daily using ISEs and entered to the NUTRISENSE DSS, which calculated actual injection rates of concentrated fertiliser solutions and transmitted these on-line to a multi-tank fertigation system for automatic implementation. Three treatments were compared: an open system, a CLS with standard nutrient management, and a CLS with daily automatic readjustment of the nutrient supply by NUTRISENSE based on the ISE-measured K+, Ca2+, NO3- and Na+ concentrations of the day. This strategy maintained the target EC in the root zone, thus preventing exposure of the crop to salinity. Furthermore, no nutrient deficiency was observed in the ISE-NUTRISENSE treatment, and yield was similar to that obtained in the open soilless system. Water productivity and agronomic efficiency of nutrients were significantly improved in the ISE-NUTRISENSE treatment. This study showed that smart digital technologies supported by ISEs can eliminate salinity damage due to Na+ accumulation in CLS when the Na+ concentration in the raw water does not exceed 2.5 to 3 mM depending on the crop species.

Η ανακύκλωση του διαλύματος απορροής (ΔΑ) στα θερμοκήπια μέσω της εφαρμογής κλειστών υδροπονικών συστημάτων (ΚΥΣ) εξαλείφει τη ρύπανση των υπόγειων υδάτων από νιτρικά και φωσφορικά ιόντα. Η διαχείριση των θρεπτικών στοιχείων στα ΚΥΣ αντιμετωπίζει δύο βασικές προκλήσεις: τη συσσώρευση νατρίου (Na⁺) στο περιβάλλον των ριζών και τις μη προβλέψιμες μεταβολές της σύστασης του ΔΑ. Όταν το νερό άρδευσης περιέχει Na⁺ σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις, η συσσώρευσή του αυξάνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα (EC) στο περιβάλλον της ρίζας προκαλώντας καταπόνηση αλατότητας η οποία αποθαρρύνει τους αγρότες από την υιοθέτηση συστημάτων ανακύκλωσης του ΔΑ. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, προτείνεται μια νέα στρατηγική διαχείρισης της θρέψης με προοδευτική μείωση των συγκεντρώσεων των θρεπτικών μακροστοιχείων (πλην του P) στο ριζόστρωμα σε επίπεδα που ισοσκελίζουν την αύξηση της συγκέντρωσης του Na+, ώστε να αποφεύγεται η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (EC) στη ριζόσφαιρα. Αυτή η στρατηγική είναι εφικτή γιατί οι συνιστώμενες συγκεντρώσεις θρεπτικών στοιχείων για την τομάτα στην περιοχή της ριζόσφαιρας είναι υψηλότερες από αυτές που απαιτούνται για τη μέγιστη απόδοση, ώστε να προκαλείται ήπια αλατούχος καταπόνηση η οποία βελτιώνει την ποιότητα των καρπών. Οι συγκεντρώσεις των κύριων θρεπτικών στοιχείων στο ριζόστρωμα μειώνονται μέχρι ένα ελάχιστο επίπεδο ασφαλείας, ενώ οι μεταξύ τους αναλογίες διατηρούνται σταθερές. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για τη στήριξη αυτής της στρατηγικής εφαρμόστηκε μέσω του Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων (ΣΥΑ) NUTRISENSE (https://nutrisense.online/) σε καλλιέργεια τομάτας σε υδροπονία με πετροβάμβακα σε ΚΥΣ. Η στρατηγική αυτή συγκρίθηκε με την κλασική μέθοδο διατήρησης σταθερών συγκεντρώσεων θρεπτικών στοιχείων στη ριζόσφαιρα. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα της νέας στρατηγικής για τον έλεγχο της EC, ενώ εξασφαλίστηκε ισορροπημένη θρέψη. Η ανάγκη για απόρριψη ΔΑ δεν εξαλείφθηκε πλήρως με συγκέντρωση 4 mM Na⁺ στο νερό. Ωστόσο, οι απώλειες νιτρικών και φωσφόρου λόγω απόρριψης του ΔΑ μειώθηκαν κατά 25,5% και 9,2%, αντίστοιχα, χωρίς μείωση στην απόδοση, ενώ αυξήθηκε η αποδοτικότητα χρήσης του νερού και του αζώτου (AEN). Η μεταβλητή και μη προβλέψιμη σύσταση του ΔΑ αποτελεί επίσης σημαντική πρόκληση για την ανακύκλωσή του στα ΚΥΣ. Για την αντιμετώπισή της, αναπτύχθηκε μια στρατηγική βασισμένη στην καθημερινή παρακολούθηση των συγκεντρώσεων μακροθρεπτικών στο ΔΑ με εκλεκτικά ιοντικά ηλεκτρόδια (ΙΕΗ), των οποίων η χρήση υποστηρίχθηκε από κατάλληλο αλγόριθμο ενσωματωμένο στο NUTRISENSE. Οι μετρήσεις των ΙΕΗ αποτελούσαν τα δεδομένα εισόδου τα οποία το NUTRISENSE χρησιμοποιούσε για την αναπροσαρμογή της σύνθεσης του παρεχόμενου θρεπτικού διαλύματος. Κατόπιν, το NUTRISENSE υπολόγιζε αυτόματα τις απαιτούμενες αναλογίες έγχυσης οκτώ διαφορετικών πυκνών διαλυμάτων λιπασμάτων που έπρεπε να προστεθούν στο μείγμα ΔΑ και νερού. Το σύστημα εφαρμόστηκε σε καλλιέργεια τομάτας και η αξιοπιστία των ΙΕΗ επιβεβαιώθηκε με σύγκριση με εργαστηριακές αναλύσεις. Η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας εξασφάλισε τη διατήρηση των επιθυμητών συγκεντρώσεων των θρεπτικών μακροστοιχείων στη ριζόσφαιρα, αύξησε την παραγωγή κατά 7,6% και βελτίωσε την αγρονομική αποδοτικότητα του Ν κατά 23%. Η τεχνολογία αυτή μπορεί να ενθαρρύνει την ευρύτερη υιοθέτηση των ΚΥΣ, συμβάλλοντας στη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος των θερμοκηπίων.Ο αλγόριθμος που εφαρμόστηκε μέσω του NUTRISENSE DSS για την υποστήριξη της χρήσης ISEs σε CLS βασίσθηκε στην υπόθεση ότι η συγκέντρωση Na+ στο νερό είναι χαμηλή (≥0,6 mM), οπότε η συσσώρευση Na+ θα είναι αμελητέα. Ωστόσο, εάν η συγκέντρωση Na+ στο νερό υπερβαίνει αυτό το επίπεδο, η συσσώρευσή του πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την εφαρμογή ΙΕΗ, ώστε να αποφευχθεί η υπερβολική αύξηση της EC που προκαλεί καταπόνηση αλατότητας. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε μέσω του NUTRISENSE ένας νέος αλγόριθμος που συνδύαζε τις δύο προηγούμενες στρατηγικές (διαχείριση Na⁺ και χρήση ΙΕΗ) σε καλλιέργεια αγγουριάς σε ΚΥΣ, με χρήση νερού που περιείχε 2,5 mM Na⁺. Οι συγκεντρώσεις K⁺, Ca²⁺, NO₃⁻ και Na⁺ μετρούνταν καθημερινά και εισάγονταν στο NUTRISENSE το οποίο υπολόγιζε αυτόματα τις αναλογίες έγχυσης των πυκνών διαλυμάτων λιπασμάτων και τις έστελνε διαδικτυακά σε πραγματικό χρόνο σε μία κεφαλή υδρολίπανση με πολλαπλά δοχεία πυκνών διαλυμάτων για άμεση αυτόματη εφαρμογή. Συγκρίθηκαν τρεις στρατηγικές: ανοικτό σύστημα, ΚΥΣ με κλασική διαχείριση, και ΚΥΣ με καθημερινή αναπροσαρμογή βάσει των ΙΕΗ-NUTRISENSE. Η στρατηγική ΙΕΗ-NUTRISENSE διατήρησε σταθερή την EC και απέτρεψε την καταπόνηση αλατότητας χωρίς να εμφανισθούν ελλείψεις θρεπτικών στοιχείων, ενώ παράλληλα διατήρησε την απόδοση της καλλιέργειας στα ίδια επίπεδα με αυτή του ανοικτού συστήματος. Η αγρονομική αποδοτικότητα της χρήσης νερού και θρεπτικών στοιχείων αυξήθηκε σημαντικά. Η μελέτη αυτή επιβεβαίωσε ότι ο συνδυασμός ΙΕΗ και εξειδικευμένου λογισμικού είναι αποτελεσματικός στον έλεγχο της συσσώρευσης αλάτων σε ΚΥΣ όταν το νερό περιέχει μέτρια συγκέντρωση Na⁺.