Επίδραση της πυκνότητας σποράς και της λίπανσης στα αγρονομικά χαρακτηριστικά και στην ποιότητα βιολογικής καλλιέργειας μελάνθιου (Nigella sativa L.)

Abstract

Greece as a member of Southern Europe and the Mediterranean basin is expected to be one of the most vulnerable countries to climate change, characterized by low crop productivity, high yield variability, and reduced areas suitable for crops grown to date. Therefore, adjustment strategies should be required in order to mitigate and address these negative effects. Organic agriculture has become an important alternative to intensive and conventional farming, and its goal is through its techniques and with respect to the standards of sustainable and environmentally friendly development to lead and maintain increased quantitative and qualitative production despite adverse climate change. Nigella (Nigella sativa L.) is a plant that has very important advantages, such as the ability to adapt and grow easily in a variety of soils, temperate and subtropical regions, as well as the ability to produce edible seeds and oils (volatile and fixed) with high pharmaceutical and nutritional value. The object of the study was to investigate the adaptability and growth of nigella as an alternative crop in Greece, by assessing the effect of sowing density and fertilization on agronomic characteristics and quality of this crop, emphasizing its production under organic growing conditions. For this reason, an experimental field was installed in the organic field of the Agricultural University of Athens, where three experiments were carried out in an equal number of cultivation periods (2017, 2018 and 2019). Two sowing densities (200 and 300 m-2 plants) were evaluated in combination with four types of fertilizers (control, inorganic fertilizer, compost, and farmyard manure). Soil parameters were only affected by fertilization. In particular, the application of organic fertilizers (manure and compost) for three consecutive years significantly increased the content of soil organic matter and total nitrogen. Growth parameters and yield of nigella at both individual plant and cultivation levels were affected by both seed density and fertilization. At the individual plant level, the highest leaf area per plant and the highest dry leaf weight per plant were found in low-density plants (200 plants m-2) and inorganic fertilizer; however, the application of compost was equally important with the results did not differ significantly. At the crop stand level, the LAI index and total dry weight of crop increased with increasing sowing density, and the highest values were found in the density of 300 plants m-2, while the effect of fertilization was similar to that in the corresponding measurements at the individual plant level. Regarding growth rates, the AGR (absolute plant growth rate), ALGR (absolute leaf growth rate), RGR (relative growth rate) and NAR (net assimilation rate), i.e. the growth rates of individual plant, were also affected by both factors, with the highest values found in low-density plants, and those where the inorganic fertilizer or compost had been applied. The values of the CGR index that determines the growth rate at the crop stand level were proportional to those of the total dry weight of the crop and the highest values were found in high-density and inorganic fertilization or compost plots. The seed yield was negatively affected by the increase in sowing density, and positively by fertilization with the highest values found in low-density plants and those that had received inorganic fertilizer. In terms of qualitative characteristics of total above-ground biomass, the highest protein content was observed between the stage of blooming and flowering (75 days after sowing) with the highest value found in the experimental plots of low density and inorganic fertilization, while the highest protein yield was detected during flowering (85 days after sowing) in the plots of 300 plants m-2 and inorganic fertilization. Moreover, the acid detergent fiber (ADF) and neutral detergent fiber (NDF) were not affected by sowing density; however, there were significant differences between fertilization treatments. The highest ADF and NDF contents of biomass were found under inorganic treatment. Concerning the qualitative characteristics of the seed, the sowing density and fertilization had a significant effect on the protein content and yield of the seed with the highest values found in low-density plants (200 plants m-2) and inorganic fertilizer. As with the content of the acid detergent fiber (ADF) and neutral detergent fiber (NDF) in the biomass, the ADF and NDF contents in the seed were also affected by fertilization and increased with increasing plant-available nitrogen. Seed N uptake as well as the NHI (nitrogen harvest index) were positively affected by the increase in the available amount of nitrogen, and negatively by the increase in seed density, with their highest values found in plots of 200 plants m-2 and inorganic fertilization. Moreover, the NAE (nitrogen agronomic efficiency) index that expresses the ability of the crop to increase its yield compared to the applied nitrogen showed that sowing densities greater than 200 m-2 plants resulted in a decrease in the index, while the increase of available nitrogen led to an increase in the index with the highest values in inorganic fertilizer and compost, with no significant difference among these values. Finally, in terms of the quantitative characteristics of the fixed oil, sowing density and fertilization had significant effects on the fixed oil content and yield, with the highest found in plants grown in low sowing density (200 plants m-2) and inorganic fertilizer. The plants treated with compost presented lower values than those in inorganic plots; however, the differences among these values were not statistically significant. As regards the fatty acid composition of fixed oil, it was found that as sowing density increased, there was a decrease in saturated (SAFA: myristic acid, palmitic acid, and stearic acid) and polyunsaturated (PUFA: linoleic acid, α-linolenic acid, and eicosadienoic acid) fatty acids, while there was an increase in oleic acid which was the only monounsaturated fatty acid detected in the fixed oil of nigella. Organic fertilizers were the ones that contributed positively to the content of each fatty acid. In particular, the application of compost increased the content of saturated (SAFA) acids as well as the content of polyunsaturated fatty acids (PUFA), which are beneficial to human health. Oleic acid showed the highest content after the application of manure.

Η Ελλάδα ως μέλος της Νότιας Ευρώπης και της λεκάνης της Μεσογείου αναμένεται να είναι μια από τις πιο ευάλωτες χώρες στην κλιματική αλλαγή, χαρακτηριζόμενη από χαμηλή παραγωγικότητα των καλλιεργειών, υψηλή μεταβλητότητα των αποδόσεων, και μείωση των κατάλληλων περιοχών για τα μέχρι σήμερα καλλιεργούμενα είδη. Ως εκ τούτου, στρατηγικές προσαρμογής θα πρέπει να απαιτηθούν με σκοπό την άμβλυνση και την αντιμετώπιση αυτών των αρνητικών επιπτώσεων. Η βιολογική γεωργία έχει καταστεί μια σημαντική εναλλακτική λύση για την εντατική και συμβατική γεωργία και στόχος της είναι μέσα από τις τεχνικές της και με σεβασμό στα πρότυπα της αειφορικής και φιλικής προς το περιβάλλον ανάπτυξης να οδηγήσει και να διατηρήσει την αυξημένη ποσοτικά και ποιοτικά παραγωγή παρά τις δυσμενείς μεταβολές στο κλίμα. Το μελάνθιο (Nigella sativa L.) είναι ένα φυτό που συγκεντρώνει ιδιαίτερα σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως την ικανότητα να προσαρμόζεται και να αναπτύσσεται με ευκολία σε ποικίλα εδάφη, εύκρατες και υποτροπικές περιοχές, καθώς και τη δυνατότητα παραγωγής εδώδιμων σπόρων και ελαίων (πτητικών και μη) με υψηλή φαρμακευτική και διατροφική αξία. Το αντικείμενο της μελέτης ήταν η διερεύνηση της προσαρμοστικότητας και της ανάπτυξης του μελάνθιου ως μιας εναλλακτικής καλλιέργειας για την Ελλάδα, μέσω της εκτίμησης της επίδρασης της πυκνότητας σποράς και της λίπανσης στα αγρονομικά χαρακτηριστικά και στην ποιότητα του φυτού, δίνοντας έμφαση στην παραγωγή του σε συνθήκες βιολογικής καλλιέργειας. Για τον λόγο αυτό εγκαταστάθηκε πειραματικός αγρός στον βιολογικό αγρό του Εργαστηρίου Γεωργίας του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών, όπου πραγματοποιήθηκαν τρία πειράματα σε ισάριθμες καλλιεργητικές περιόδους (2017, 2018 και 2019). Αξιολογήθηκαν δύο πυκνότητες σποράς (200 και 300 φυτά m-2) σε συνδυασμό με τέσσερα είδη λίπανσης (μάρτυρας, ανόργανο, κομπόστ και κοπριά). Οι εδαφικές παράμετροι επηρεάστηκαν μόνο από τη λίπανση. Συγκεκριμένα, η επί τρία συναπτά έτη εφαρμογή οργανικών λιπάνσεων (κοπριά και κομπόστ) αύξησε σημαντικά την περιεκτικότητα της οργανικής ουσίας και του ολικού αζώτου του εδάφους. Οι παράμετροι ανάπτυξης και η απόδοση του μελάνθιου τόσο σε επίπεδο μεμονωμένου φυτού όσο και σε επίπεδο καλλιέργειας επηρεάστηκαν τόσο από την πυκνότητα σποράς όσο και από την λίπανση. Σε επίπεδο μεμονωμένου φυτού, η μεγαλύτερη φυλλική επιφάνεια και το μεγαλύτερο ξηρό βάρος φύλλων ανά φυτό διαπιστώθηκαν στα φυτά της χαμηλής πυκνότητας σποράς (200 φυτά m-2) και το ανόργανο λίπασμα, ωστόσο, εξίσου σημαντική ήταν και η εφαρμογή του κομπόστ με τα αποτελέσματα να μην διαφέρουν σημαντικά. Σε επίπεδο καλλιέργειας, ο δείκτης LAI (δείκτης φυλλικής επιφάνειας) και το συνολικό ξηρό βάρος καλλιέργειας αυξήθηκαν με την αύξηση της πυκνότητας σποράς και οι μεγαλύτερες τιμές εντοπίστηκαν στην πυκνότητα των 300 φυτών m-2, ενώ η επίδραση της λίπανσης ήταν παρόμοια με εκείνη στις αντίστοιχες μετρήσεις σε επίπεδο μεμονωμένου φυτού. Σχετικά με τους ρυθμούς ανάπτυξης, οι δείκτες AGR (απόλυτος ρυθμός ανάπτυξης του φυτού), ALGR (απόλυτος ρυθμός ανάπτυξης των φύλλων), RGR (σχετικός ρυθμός ανάπτυξης του φυτού) και NAR (καθαρός ρυθμός αφομοίωσης του φυτού), δηλαδή οι δείκτες ανάπτυξης σε επίπεδο μεμονωμένου φυτού, επηρεάστηκαν, επίσης, και από τους δύο εξεταζόμενους παράγοντες, με τις υψηλότερες τιμές να εντοπίζονται στα φυτά της χαμηλής πυκνότητας σποράς και σε αυτά όπου είχε εφαρμοστεί το ανόργανο λίπασμα ή το κομπόστ. Οι τιμές του δείκτη CGR που προσδιορίζει τον ρυθμό ανάπτυξης σε επίπεδο καλλιέργειας ήταν ανάλογες με αυτές του συνολικού ξηρού βάρους της καλλιέργειας και οι μεγαλύτερες τιμές εντοπίστηκαν στα πειραματικά τεμάχια της υψηλής πυκνότητας σποράς και σε εκείνα της ανόργανης λίπανσης ή του κομπόστ. Η απόδοση της καλλιέργειας σε σπόρο επηρεάστηκε αρνητικά από την αύξηση της πυκνότητας σποράς και θετικά από την εφαρμογή του λιπάσματος με τις μεγαλύτερες τιμές να εντοπίζονται σε φυτά της χαμηλής πυκνότητας σποράς και σε αυτά που είχαν δεχθεί ανόργανο λίπασμα. Όσον αφορά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της ολικής βιομάζας, η μεγαλύτερη περιεκτικότητα του φυτού σε πρωτεΐνη παρατηρήθηκε μεταξύ του σταδίου του μπουμπουκιάσματος και της άνθησης (75 ημέρες από σπορά) με την υψηλότερη τιμή να εντοπίζεται στα φυτά της χαμηλής πυκνότητας σποράς και της ανόργανης λίπανσης, ενώ η μεγαλύτερη απόδοση της συνολικής βιομάζας της καλλιέργειας σε πρωτεΐνη εντοπίστηκε κατά την άνθηση (85 ημέρες από σπορά) στα πειραματικά τεμάχια των 300 φυτών m-2 και της ανόργανης λίπανσης. Επιπλέον, οι αδιάλυτες ινώδεις ουσίες σε όξινο (ADF) και σε ουδέτερο απορρυπαντικό διάλυμα (NDF) δε επηρεάστηκαν από την πυκνότητα σποράς, ωστόσο υπήρξαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των λιπάνσεων με τις υψηλότερες τιμές να εντοπίζονται στην ανόργανη λίπανση. Ως προς τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του σπόρου, η πυκνότητα σποράς και η λίπανση είχαν σημαντική επίδραση στην περιεκτικότητα και την απόδοση του σπόρου σε πρωτεΐνη με τις υψηλότερες τιμές να διαπιστώνονται στα φυτά της χαμηλής πυκνότητας σποράς (200 φυτά m-2) και το ανόργανο λίπασμα. Όπως και με την περιεκτικότητα της βιομάζας αδιάλυτες ινώδεις ουσίες σε όξινο (ADF) και σε ουδέτερο απορρυπαντικό διάλυμα (NDF)., τα αντίστοιχα ADF και NDF του σπόρου επηρεάστηκαν επίσης από τη λίπανση και αυξήθηκαν με την αύξηση του διαθέσιμου αζώτου για το φυτό. Η απορρόφηση ολικού αζώτου στου σπόρους (Seed N uptake) καθώς και ο δείκτης ΝΗΙ (δείκτης συγκομιδής αζώτου) επηρεάστηκαν θετικά από την αύξηση της διαθέσιμης ποσότητας αζώτου και αρνητικά από την αύξηση της πυκνότητας σποράς, με τις μεγαλύτερες τιμές τους να εντοπίζονται στην πυκνότητα σποράς των 200 φυτών m-2 και την ανόργανη λίπανση. Επίσης, ο δείκτης ΝΑΕ (δείκτης αγρονομικής αποτελεσματικότητας αζώτου) που εκφράζει τη δυνατότητα της καλλιέργειας να αυξάνει την απόδοση της σε σχέση με το εφαρμοζόμενο άζωτο έδειξε ότι πυκνότητες σποράς μεγαλύτερες από 200 φυτά m-2 έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση του δείκτη, ενώ η αύξηση του διαθέσιμου αζώτου οδήγησε σε αύξηση του δείκτη με τις μεγαλύτερες τιμές να εντοπίζονται στο ανόργανο λίπασμα και το κομπόστ χωρίς όμως να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους.Τέλος, ως προς τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του σταθερού ελαίου του σπόρου, η πυκνότητα σποράς και η λίπανση είχαν σημαντική επίδραση στην περιεκτικότητα και την απόδοση του σπόρου σε έλαιο με τις υψηλότερες τιμές να διαπιστώνονται στα φυτά της χαμηλής πυκνότητας σποράς (200 φυτά m-2) και του ανόργανου λιπάσματος, με τις τιμές του κομπόστ να ακολουθούν και να μην διαφέρουν στατιστικά σημαντικά με αυτές του ανόργανου. Σχετικά με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του ελαίου, και συγκεκριμένα με τη σύσταση του ελαίου σε λιπαρά οξέα, διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση της πυκνότητας σποράς παρατηρήθηκε μείωση στα κορεσμένα (SAFA: μυριστικό, παλμιτικό και στεατικό οξύ) και στα πολυακόρεστα (PUFA: λινελαϊκό, α-λινολενικό και εικοσαδιενοϊκό οξύ) λιπαρά οξέα, ενώ υπήρξε αύξηση στο ελαϊκό οξύ που ήταν και το μόνο μονοακόρεστο λιπαρό οξύ που ανιχνεύθηκε στο μη πτητικό έλαιο του μελάνθιου. Οι οργανικές λιπάνσεις ήταν εκείνες που συνέβαλαν θετικά στην περιεκτικότητα του εκάστοτε λιπαρού οξέος. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή του κομπόστ αύξησε τις περιεκτικότητες τόσο των κορεσμένων (SAFA), όσο και των ωφέλιμων για την υγεία του ανθρώπου πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (PUFA). Το ελαϊκό οξύ παρουσίασε τη μεγαλύτερη περιεκτικότητα μετά από την εφαρμογή της κοπριάς.