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

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⁺.