Αξιολόγηση της απόκρισης και της αποδοτικότητας χρήσης του αζώτου στο σιταροκρίθαρο (×Tritordeum Ascherson et Graebner) υπό μεσογειακές συνθήκες με ψηφιακές τεχνολογίες

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής εξετάζει τη διαχείριση του αζώτου στο σιταροκρίθαρο (×Tritordeum Ascherson et Graebner) υπό μεσογειακές συνθήκες, αξιοποιώντας μία ολιστική και διεπιστημονική προσέγγιση που συνδυάζει πειραματική αγρονομία, αναλύσεις εδάφους–φυτού–σπόρου, τηλεπισκόπηση και μεθόδους μηχανικής μάθησης. Στόχος της διατριβής ήταν η κατανόηση της δυναμικής της αποδοτικότητας χρήσης του αζώτου, όχι ως στατικού δείκτη, αλλά ως αποτέλεσμα αλληλεπιδρώντων φυσιολογικών και εδαφικών διεργασιών που εξελίσσονται στον χρόνο. Αρχικά, η αποδοτικότητα χρήσης του αζώτου διερευνήθηκε μέσω μίας ολιστικής αξιολόγησης στο συνεχές έδαφος–φυτό–σπόρος, συγκρίνοντας συμβατική ουρία με λιπάσματα ενισχυμένης αποδοτικότητας (αναστολείς ουρεάσης και νιτροποίησης). Κατά την εξεταζόμενη πειραματική περίοδο, η οποία χαρακτηρίστηκε από συνολικά χαμηλές αποδόσεις λόγω δυσμενών κλιματικών συνθηκών, η συμβατική ουρία εμφάνισε υψηλότερη παραγωγική απόκριση σε σχέση με τις μεταχειρίσεις ενισχυμένης αποδοτικότητας, γεγονός που αποδίδεται στον περιορισμένο συγχρονισμό της καθυστερημένης διαθεσιμότητας του αζώτου με τις κρίσιμες φαινολογικές φάσεις της καλλιέργειας. Αντίθετα, τα λιπάσματα ενισχυμένης αποδοτικότητας βελτίωσαν τον συγχρονισμό της θρέψης και την ποιότητα του παραγόμενου σπόρου, αυξάνοντας τη συγκέντρωση ψευδαργύρου (έως 34.93 mg kg⁻¹), σιδήρου (έως 33.77 mg kg⁻¹) και καλίου στους φυτικούς ιστούς, καθώς και την αποτελεσματικότητα ανακατανομής του αζώτου. Παράλληλα, παρατηρήθηκαν θετικές επιδράσεις σε εδαφικές παραμέτρους, όπως η οργανική ουσία και η ηλεκτρική αγωγιμότητα, υποδεικνύοντας πιθανές μακροπρόθεσμες ωφέλειες για τη γονιμότητα του εδάφους. Στη συνέχεια, μέσω τριετούς πειραματικής διερεύνησης, αξιολογήθηκε η αγρονομική και φυσιολογική απόκριση του σιταροκρίθαρου σε διαφορετικές στρατηγικές αζωτούχου λίπανσης. Όλες οι αζωτούχες μεταχειρίσεις αύξησαν σημαντικά την απόδοση σε σχέση με τον μάρτυρα, με μέγιστη απόδοση έως 2319 kg ha⁻¹ υπό ουρία με αναστολέα νιτροποίησης, ενώ η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη κορυφώθηκε υπό συμβατική ουρία (έως 16.04%). Η φαινολογικά ευθυγραμμισμένη ανάλυση έδειξε ότι οι αναστολείς νιτροποίησης ενίσχυσαν τη διατήρηση της χλωροφύλλης και τη ζωηρότητα της κόμης από την άνθηση έως την ωρίμανση, όπως αποτυπώθηκε σε δείκτες βλάστησης (NDVI, MCARI), ενώ οι αναστολείς ουρεάσης ευνόησαν κυρίως την πρώιμη βλαστική ανάπτυξη. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι η αποτελεσματικότητα των λιπασμάτων ενισχυμένης αποδοτικότητας είναι φαινολογικά και κλιματικά εξαρτώμενη και δεν συνεπάγεται καθολική υπεροχή έναντι της συμβατικής ουρίας. Παράλληλα, διερευνήθηκε η δυνατότητα πρώιμης πρόβλεψης της απόδοσης και των δεικτών αποδοτικότητας χρήσης του αζώτου μέσω μεθόδων μηχανικής μάθησης, αξιοποιώντας περιορισμένο αλλά βιολογικά ουσιαστικό σύνολο μεταβλητών. Η τελική απόδοση προβλέφθηκε με υψηλή ακρίβεια ήδη από τα πρώιμα φαινολογικά στάδια (R² έως 0.90), ενώ οι δείκτες αποδοτικότητας του αζώτου (NUE, NHI, NUtE) εμφάνισαν σημαντικά χαμηλότερη προβλεψιμότητα. Ιδιαίτερη καινοτομία αποτέλεσε η ενσωμάτωση πρώιμων ριζικών χαρακτηριστικών στα μοντέλα πρόβλεψης, με τη διάμετρο της ρίζας στο στάδιο του αδελφώματος να αναδεικνύεται ως ένας από τους ισχυρότερους προγνωστικούς παράγοντες της μελλοντικής παραγωγικής δυναμικής. Συνολικά, η διατριβή καταδεικνύει ότι η αποδοτική και βιώσιμη διαχείριση του αζώτου στα σιτηρά απαιτεί τη σύνθεση αγρονομικής γνώσης, φυσιολογικής ερμηνείας και σύγχρονων ψηφιακών εργαλείων. Η μηχανική μάθηση δεν λειτούργησε ως αυτοσκοπός, αλλά ως εργαλείο κατανόησης της βιολογικής πολυπλοκότητας της καλλιέργειας και παροχής έγκαιρης, ερμηνεύσιμης πληροφορίας για τη λήψη αποφάσεων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία προσφέρει ένα συνεκτικό πλαίσιο αξιολόγησης της αζωτούχου λίπανσης, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλα σιτηρά ή εναλλακτικές καλλιέργειες, συμβάλλοντας στη μετάβαση προς πιο ανθεκτικά και βιώσιμα αγροοικοσυστήματα υπό συνθήκες αυξανόμενης κλιματικής πίεσης.

Abstract The aim of the present study is to examine nitrogen management in tritordeum (× Tritordeum Ascherson et Graebner) under Mediterranean conditions, using a holistic and interdisciplinary approach that integrates experimental agronomy, soil–plant–seed analyses, remote sensing, and machine learning methods. The objective of the study was to understand the dynamics of nitrogen use efficiency, not as a static indicator, but as the outcome of interacting physiological and soil processes that evolve over time. Initially, nitrogen use efficiency was investigated through a holistic evaluation along the soil–plant–seed continuum, comparing conventional urea with enhanced-efficiency fertilisers (urease and nitrification inhibitors). During the experimental period examined, which was characterised by overall low yields due to adverse climatic conditions, conventional urea exhibited a higher yield response compared with the enhanced-efficiency treatments. This response was attributed to the limited synchronisation between the delayed nitrogen availability provided by enhanced-efficiency fertilisers and the critical phenological stages of the crop. In contrast, enhanced-efficiency fertilisers improved nutrient synchronisation and grain quality, increasing zinc concentration (up to 34.93 mg kg⁻¹), iron concentration (up to 33.77 mg kg⁻¹), and potassium content in plant tissues, as well as nitrogen remobilisation efficiency. At the same time, positive effects were observed on soil parameters, such as organic matter content and electrical conductivity, indicating potential long-term benefits for soil fertility. Subsequently, the agronomic and physiological response of tritordeum to different nitrogen fertilisation strategies was evaluated through a three-year field investigation. All nitrogen treatments significantly increased yield compared with the unfertilised control, with maximum yield reaching up to 2319 kg ha⁻¹ under urea combined with a nitrification inhibitor, while grain protein content peaked under conventional urea (up to 16.04%). Phenologically aligned analysis showed that nitrification inhibitors enhanced chlorophyll retention and canopy vigour from flowering to maturity, as reflected by vegetation indices (NDVI, MCARI), whereas urease inhibitors mainly promoted early vegetative growth. These results demonstrated that the effectiveness of enhanced-efficiency fertilisers is both phenology- and climate-dependent and does not imply a universal advantage over conventional urea. In parallel, the potential for early-season prediction of yield and nitrogen use efficiency indices was investigated using machine learning methods and a limited but biologically meaningful set of variables. Final grain yield was predicted with high accuracy already at early phenological stages (R² up to 0.90), whereas nitrogen efficiency indices (NUE, NHI, NUtE) exhibited substantially lower predictability. A key innovation of this study was the incorporation of early root traits into the prediction models, with root diameter at the tillering stage emerging as one of the strongest predictors of future yield potential. Overall, the study demonstrates that efficient and sustainable nitrogen management in cereals requires the integration of agronomic knowledge, physiological interpretation, and modern digital tools. Machine learning did not function as an end in itself, but as a means of understanding the biological complexity of the crop and providing timely, interpretable information to support decision-making. The proposed methodology offers a coherent framework for evaluating nitrogen fertilisation that can also be applied to other cereals or alternative crops, contributing to the transition towards more resilient and sustainable agroecosystems under conditions of increasing climatic pressure.