Growth and quality of leafy vegetables in hydroponics: effect of environmental conditions and mineral nutrition

Abstract

The aim of the PhD thesis was to evaluate the influence of environmental conditions and mineral nutrition on growth, mineral composition and quali-quantitative traits of Lactuca sativa L. var. acephala and two Brassica species (Brassicia juncea L. and Brassica rapa L. subsp. nipposinica var. chiloneifera). In lettuce experiments, the effects of five nutrient solution concentrations (with the same macro-nutrient proportion) and six nutrient solutions having different macro-nutrient proportions (at the same total concentration) were evaluated in two consecutive growing seasons (spring and summer season) while the effects of three NO3:NH4 ratios in the nutrient solution and three radiation levels were tested in Brassica experiments. The results showed that during the summer season the growth and yield of lettuce were increased due to the better climate conditions (mainly radiation and temperature). However, the overall quality of lettuce in the summer season was decreased (lower content of carbohydrates and higher nitrate content). The use of nutrient solution concentration of 37 and 44 mequiv L-1 gave the maximum marketable fresh yield for the spring and summer season, respectively. In the second experiment, the effects of macronutrient proportions on marketable fresh yield were not evident; the macronutrient proportions influenced only the mineral content of leafy lettuce. In Brassica experiments, the results showed that a medium PAR level improved the plant growth and reduced the leaf nitrate concentration of Brassica rapa while the use of a nutrient solution containing 100% of NO3 or 50% NO3 and 50% NH4 lead to a better plant growth but increased the leaf nitrate concentration. In Brassica juncea, an high PAR level was required to maximise plant growth; at high PAR level, the use of a nutrient solution containing 100% NH4 reduced the leaf nitrate concentration, the water requirement and increased the N e S concentration of leaves without adverse effects on plant growth. Ammonium nutrition had a positive effects on nutritional value of Brassica species by increasing glucosinolate concentration; however, a negative influence on flavonoid concentration was observed with high ammonium concentration in the nutrient solution. Flavonoid concentration increased with high radiation levels. We concluded that the management of the nutrient solution and environmental factors, together with a good knowledge of the crop responses to these factors could improve the quality of these leafy vegetables.

Scopo del presente lavoro è stato quello di valuture la risposta alle condizioni climatiche ed alla nutrizione minerale di Lactuca sativa L. var. acephala, Brassica juncea L. e Brassica rapa L. subsp. nipposinica var. chiloneifera coltivati in fuori suolo. Nelle prove su lattuga sono stati valutati gli effetti sulla crescita e sui parametri quali-quantitativi di cinque concentrazioni ioniche della soluzione nutritiva e sei soluzioni nutritive con diverse proporzioni di macronutrienti in due stagioni di coltivazione (primavera ed estate). Negli esperimenti sulle due specie di Brassica sono stati valutati gli effetti di diversi rapporti NO3:NH4 nella soluzione nutritiva e della radiazione su crescita, concentrazione minerale e concentrazione di composti ad azione antiossidante. I risultati hanno evidenziato una più elevata crescita e produzione di Lactuca sativa L. var. acephala nella stagione estiva per le migliori condizioni climatiche (radiazione e temperatura). La produzione è aumentata al crescere della concentrazione della soluzione fino a raggiungere un massimo in corrisponedenza di 37 mequiv L-1 per la stagione primaverile e 44 mequiv L-1 per la stagione estiva. Per contro nel periodo estivo è stato riscontrato un decremento della qualità (più alto contenuto in nitrati e più basso contenuto in carboidrati). Gli effetti delle proporzioni di macronutrienti nella soluzione hanno interessato solo il contenuto di nutrienti nelle foglie. Per quanto riguarda gli esperimenti effettuati con le due specie di Brassica, i risultati hanno evidenziato che un livello medio di radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) ha incrementato la crescita e ridotto la concentrazione di nitrati nelle foglie di Brassica rapa mentre l’uso di una soluzione contenente il 100% di NO3 o il 50% di NO3 e il 50% di NH4 ha determinato un incremento della crescita e del contenuto di nitrati nelle foglie. In Brassica juncea, la crescita è stata più elevata ad un elevato livello di PAR; a questo livello di PAR l’uso di una soluzione contenente il 100% di NH4 ha ridotto il contenuto di nitrati elle foglie, i consumi idrici ed ha incrementato il contenuto di N e S nelle foglie senza effetti negativi sulla crescita. L’ammonio nella soluzione ha influenzato positivamete il contenuto di glucosinolati e negativamte il contenuto di flavonoidi nelle foglie. Inoltre, il contenuto di flavonoidi è incrementato al crescere dell’intensità della radiazione. Nel complesso i risultati evidenziano la possibilità di migliorare le caratteristiche quali-quantitative degli ortaggi da foglia attraverso un’appropriata gestione della soluzione nutritiva e dei parametri climatici.